Ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong phân tích giàn tự nâng

Đại học quốc gia hà nội
tr-ờng đại học công nghệ

Viện khoa học và công nghệ việt nam
viện cơ học

Nguyễn Hữu c-ờng

ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong
phân tích giàn tự nâng

Luận văn thạc sĩ

Hà nội 2007


Đại học quốc gia hà nội
tr-ờng đại học công nghệ

Viện khoa học và công nghệ việt nam
viện cơ học

Nguyễn hữu c-ờng

ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong
phân tích giàn tự nâng

Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn
Mã số: 60. 44. 21

Luận văn thạc sĩ

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: TS Đào Nh- Mai

Hà nội 2007


M CL C
M CăL C ......................................................................................................... 3
DANHăM CăCÁCăTHU TăNG

................. Error! Bookmark not defined.

DANHăM C CÁCăHÌNHăV ......................... Error! Bookmark not defined.
DANHăM CăCÁCăB NG.............................. Error! Bookmark not defined.
M ă

U ........................................................................................................... 6

CH

NGă1ăGI IăTHI UăGIÀNăT ăNỂNG .................................................. 8

1.1ăL chăs ăphátătri năc aăgiƠnăt ănơng ............................................................. 8
1.2ăC uăt oăvƠăch căn ngăc aăcácăb ăph n ....................................................... 9
1.2.1.ăThơnăgiƠn ................................................................................................. 9
1.2.2ăCácăchơnăvƠăcácăchơnăđ ......................................................................... 10
1.2.3ăCácăthi tăb ............................................................................................. 15
1.2.4ăT iătr ngăbanăđ uăvƠăs ăđơmăxuyênăc aăchơnăđ .Error!

Bookmark

defined.
1.3ăCácăch ăđ ălƠmăvi căc aăgiƠnăt ănơng ....... Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Ch ăđ ăn i .............................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.2ăCh ăđ ăkíchănơng .................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.3ăCh ăđ ănơngă(ch ăđ ălƠmăvi c) ............... Error! Bookmark not defined.
1.4ăCácăv năđ ăc năquanătơmătrongămôăhìnhăphơnătíchăgiƠnăt ănơng ....... Error!
Bookmark not defined.
1.5ăCôngăc ăphơnătích ...................................... Error! Bookmark not defined.
1.5.1ăPh

ngăpháp........................................... Error! Bookmark not defined.

not


1.5.2ăPh năm măápăd ng ................................. Error! Bookmark not defined.
1.6ăK tălu năch
CH

ng ........................................ Error! Bookmark not defined.

NGă2.ăCÁCăMÔ HÌNHăPH NăT ăH UăH NăC IăBIểN ........ Error!

Bookmark not defined.
2.1ăPh

ngăphápăph năt ăh uăh n .................. Error! Bookmark not defined.

2.1.1ăN iădungăph

ngăphápăph năt ăh uăh n Error! Bookmark not defined.

2.1.2ăMôăt ătoánăh căc aăph

ngăphápăph năt ăh uăh nError!

Bookmark

not

defined.
2.1.3ăPhơnătíchăkhungăkhôngăgiană(Ph năt ăd măbaăchi u)Error! Bookmark not
defined.
2.2ăPh năt ăd măc iăbiên ................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1ăPh năt ăd măhaiăchi uăcóăk ăđ nă nhăh

ngăc aăl căd cătr c ........ Error!

Bookmark not defined.
2.2.2 Mô hình liên k t biên ............................................................................ 41
2.3 M t s ví d áp d ng ................................................................................ 45
2.3.1 Áp d ng ph ng pháp ph n t h u h n tính toán cho khung ph ng .... 45
2.3.2. Phân tích khung không gian ................................................................. 48
2.4. K t lu n ch ng ...................................................................................... 50
.............................................................................................................................
CH

NGă3ăPHỂNăTệCHăGIÀNăT ăNỂNG ................................................ 52

3.1.ăC ăs ăphơnătích ......................................................................................... 52
3.2ăCácăhi uă ngăđ ngăl c .............................................................................. 52
3.3ăMôăhìnhăhoáăc uătrúc................................................................................. 56
3.3.1ăMôăhìnhăd măc t .................................................................................... 56
3.3.2ăMôăhìnhăliênăk tăbiên ............................................................................. 58
3.4ăSóngăvƠăt iătr ngăsóngătácăđ ngălênăk tăc u .............................................. 59


3.4.1ăCácăgi ăthi tăc ăb năc aăsóngăbi n ......................................................... 60
3.4.2ăLỦăthuy tăsóngăEry ................................................................................. 61
3.4.2ăCôngăth căMorison................................................................................. 63
3.5ăCácăph năm măápăd ngăchoătínhătoánăgiƠnăt ănơng .................................. 70
3.5.1ăCh

ngătrìnhăphơnătíchăk tăc uăb ngăph

ngăphápăph năt ăh uăh n .... 67

3.5.2.ăPh năm mătínhătoánăt iătr ngăsóngătácăd ngălênăgiƠnăt ănơng .............. 71
3.6ăVíăd ăápăd ngăphơnătíchăgiƠnăt ănơng ....................................................... 72
K TăLU N ..................................................... Error! Bookmark not defined.
PH

NGăH

NGăPHÁTăTRI NăTI PăTHEOăC AăLU NăV N .... Error!

Bookmark not defined.
TÀIăLI UăTHAMăKH O ............................................................................... 11
PH ăL C ........................................................................................................ 84

M

U

Giàn t nâng là d ng công trình có nhi u tính n ng và công d ng: trong th m dò
khai thác d u khí bi n, ph c v xây d ng công trình bi n, trong d ch v k thu t
trên bi n. Giàn t nâng v b n ch t là m t t h p thi t b l p đ t trên m t sàn
công tác. Sàn công tác này có hai tr ng thái: khi di chuy n nó là phao n i, khi
công tác nó đ c nâng lên trên các chân đ và làm vi c nh các giàn c đ nh. Do
đ c tính linh đ ng khi di chuy n nh các ph ng ti n n i và n đ nh t t khi làm
vi c d i tác đ ng c a t i tr ng môi tr ng (sóng, gió, dòng ch y…) nh công
trình bi n c đ nh, giàn t nâng ngày nay đ c s d ng r ng rãi trong xây d ng
công trình bi n.
T i Vi t Nam m t s giàn t nâng đã và đang đ c s d ng ph c v cho công tác
th m dò d u khí bi n (các giàn C u Long và Tam o) và ph c v xây d ng công
trình bi n (có m t s giàn c nh do các đ n v trong n c thi t k ch t o).
V i t m quan tr ng trong n n công nghi p khai thác xa b , ngày nay thi t k , ch
t o các giàn khoan di đ ng đã tr thành m t ngành công nghi p phát tri n m nh
m trên th gi i. Vi c nghiên c u, phân tích các ng x đ ng l c h c c a giàn
d i tác đ ng c a các t i tr ng môi tr ng đóng m t vai trò thi t y u quan tr ng
trong vi c nâng cao hi u qu kinh t và gi m thi u các r i ro. V i k t c u giàn t
nâng làm vi c trong vùng bi n sâu khi ti n hành phân tích đ ng l c h c vi c s
d ng mô hình khung gi ng đ a đ n các mô hình l n v i nhi u b c t do và do đó
tính toán tr nên r t ph c t p khi tính t i tr ng sóng c ng nh khi ti n hành phân
tích. Do v y các nhà tính toán th ng đ a chân đ v mô hình các ph n t d m
c t t ng đ ng [10, 12, 14], cách mô ph ng này cho ta u th s b c t do c a
bài toán không l n nên r t phù h p khi ti n hành phân tích đ ng c ng nh khi
xem xét tác đ ng ng u nhiên c a t i tr ng sóng lên công trình [11, 15]. Khi đ a

chân đ v mô hình d m-c t hi u ng Euler là đáng k khi ti n hành phân tích
ng x đ ng c a k t c u. Các tác gi Cassidy M.J., Taylor R.E., Houlsby G.T,
Williams M. S., Thompson R.S. G [11,15,16] đã dùng mô hình ph n t d m – c t
phi tuy n trong tính toán giàn t nâng.
Liên k t gi a các chân giàn v i đáy bi n là bài toán khó, đ c đ t ra hàng đ u.
Vì ph n l n tính n đ nh c a thân giàn đ c cung c p b i các chân đ mà s
v ng ch c c a các chân đ ph thu c r t l n vào liên k t c a chúng v i đáy bi n.
đ n gi n trong tính toán, tr c đây các tác gi th ng dùng các mô hình liên
k t kh p và các mô hình lò xo tuy n tính v i các thành ph n đ c ng đ c l p
theo ba ph ng tr c giao. Tuy nhiên, ngày nay khi làm vi c các vùng n c sâu
h n và ch u nh h ng c a môi tr ng kh c nghi t h n, các mô hình liên k t
trên tr nên không phù h p và không mô t m t cách sát th c liên k t gi a chân
đ và n n. V i nh ng lí do nh v y lu n v n này đ t ra m t s nhi m v sau đây:




Xây d ng mô hình ph n t d m c i biên có k đ n nh h ng c a l c d c
tr c - thi t l p các ma tr n ph n t



Xây d ng mô hình ph n t h u h n mô t t ng tác c a đ móng v i n n đ t
v i gi thi t n n đáy bi n có ng x đàn h i tuy n tính có k đ n t ng quan
gi a xoay và chuy n v ngang



Xây d ng các mô dun tính toán các ma tr n ph n t h u h n c i biên đã xây
d ng

trên, đ ghép n i vào các ch

ng trình tính toán phân tích giàn t

nâng.

Lu n v n g m 3 ch

ng:



Ch ng 1: Gi i thi u v giàn t nâng.



Ch ng 2: Gi i thi u v ph ng pháp ph n t h u h n.



Ch ng 3: Phân tích giàn t nâng.


CH

NG 1 GI I THI U GIÀN T

NÂNG

1.1 L ch s phát tri n c a giàn t nâng
Nhu c u th m dò và khai thác d u khí các vùng bi n sâu h n, v i các đi u ki n
t nhiên kh c nghi t là m t nhu c u th c t luôn đ c đ t ra. Trong các đi u ki n
nh v y các giàn khoan di đ ng tr thành các công c r t quan tr ng và c n thi t.
Có ba lo i giàn khoan di đ ng ch y u là: Giàn t nâng; Tàu khoan và Giàn bán
chìm.
N m 1869, Samuel Lewis đ c liên bang M công b b ng sáng ch ng d ng v
s mô t c a thi t b t nâng. Nh ng cho đ n t n 85 n m sau đó t c là vào n m
1954 thi t b Delong McDermott No. 1 tr thành thi t b đ u tiên s d ng các
nguyên lí c a giàn t nâng ph c v cho vi c
khoan xa b . Có th nói Delong McDermott
No. 1 là m t trong nh ng thi t b đ c c i
ti n thành công nh t c a các b n tàu Delong
t m t thi t b phao n i v i m t s các chân
hình tr mà chúng có th di chuy n lên
ho c xu ng. Các b n tàu Delong h u h t
đ c s d ng nh các c u tàu di đ ng cho
các m c đích công nghi p trong su t nh ng
n m 40 c a th k 20. Các b n tàu này có
th đ c kéo đ n m t v trí nào đó v i các
chân đ c nâng lên. Khi đ nh v
m tv
trí nào đó các chân đ c h xu ng đáy bi n
và khoang n i đ c nâng lên kh i m t n c
s d ng nguyên lý gi ng nh nguyên lý c a
giàn khoan di đ ng hi n đ i ngày nay. M t
đi u thú v , các c u tàu Delong đã đ c
quân đ i M s d ng trong chi n tranh th
Hình .1
gi i th hai nh là các b n tàu di đ ng và

tr c khi các b n c ng chính c a phía tây châu âu đ c gi i phóng.
C ng gi ng nh r t nhi u giàn khoan di đ ng tr c đó và sau này, thi t b Delong
McDermott No. 1 gi ng nh m t thi t b xà lan khoan đ c g n v i các chân đ
và các thi t b kích nâng, th ng v i s l ng chân nhi u h n 3. Giàn t nâng có
c u trúc nh ngày nay là thi t k c a k s ng i M Le Tourneau vào n m 1956
dùng cho công tác khoan th m dò d u khí ngoài bi n, theo thi t k c a ông s
l ng chân đ c a các giàn khoan ngày nay đ c gi m xu ng còn 3 chân. M t s
c i ti n đáng k trong thi t k đó là s trang b các h th ng kích nâng và h
th ng ch t đ c đi u khi n b ng đi n mà chúng cho phép các chân đ di chuy n
liên t c m t cách đ c l p. H th ng ch t khoá này h n ch đáng k s tr t x y
ra trên các chân có b m t tr n nh n khi thi t b
ch đ nâng. Các thi t b giàn


khoan t nâng đ u tiên đ c s d ng khai thác d u khí vùng Gulf c a Mexico.
Chúng đ c thi t k đ làm vi c vùng n c sâu kho ng 25 mét và là các s n
ph m đ u tiên c a công ty Marathon Letourneau. Trong su t nh ng n m t 1960
đ n 1970 Marathon Letourneau là công ty đ c quy n thi t k các thi t b giàn t
nâng. Trong th i gian đó các giàn t nâng đ c khai thác các vùng n c nông
lên c u t o c a các chân đ th ng r t to, c ng k nh và ph c t p.
Cùng v i nhu c u s d ng và khai thác n ng l ng d u ngày càng ra t ng, các
thi t b giàn t nâng liên t c đ c c i ti n đ khai thác các vùng n c sâu h n.
ã có nhi u công ty khác trong đó ph i k đ n các công ty: Bethlehem, Friede and
Goldman, Marine Structures Consultans và Mitsui...đã góp ph n làm t ng kh
n ng làm vi c c a giàn t nâng trong các vùng n c sâu (Veldman and Layers
1997). S phát tri n này đ c ti p t c v i các thi t b có c u t o l n h n đ c s
d ng trong các vùng n c sâu kho ng 120 mét v i s tác đ ng kh c nghi t c a
môi tr ng bi n b c. Ngày nay các thi t b giàn khoan di đ ng là m t b ph n
quan tr ng không th thi u đ c trong vi c khai thác d u khí và xây d ng các
công trình trên bi n. Vì v y vi c nghiên c u, phân tích ng x c a giàn khoan di

đ ng d i tác đ ng kh c nghi t c a môi tr ng có m t ý ngh a quan tr ng trong
thi t k , gia c và s a ch a các thi t b nh m nâng cao hi u qu ho t đ ng c ng
nh gi m thi u các r i ro tai n n.
Tuy giàn t nâng có nhi u d ng nh ng v b n ch t nó là m t t h p thi t b l p
đ t trên m t sàn công tác. Sàn công tác này có hai tr ng thái: khi di chuy n nó là
phao n i, khi công tác nó đ c nâng lên trên các chân đ và làm vi c nh các
giàn c đ nh. T t nhiên không th v ng chãi nh các giàn c đ nh, nh ng so v i
các giàn di đ ng khác thì giàn t nâng có đ n đ nh cao h n c . Khi các chân
giàn đ c h xu ng n c thì đ ng th i ph n thân giàn đ c nâng nên kh i m t
n c t o nên m t di n tích làm vi c gi ng nh giàn c đ nh. Sóng bi n ch tác
d ng vào chân – c t có kính th c nh và đ ch n sóng r t bé do đó gi m thi u
đ c tác đ ng c a sóng bi n lên giàn. H n ch c a giàn t nâng là ch làm vi c
đ c trên các vùng bi n không sâu l m (đ sâu l n nh t hi n nay mà giàn t nâng
có th làm vi c đ c là 180m). Tuy nhiên n u quan tâm đ n vi c khai thác ti m
n ng bi n các vùng n c nông (<180m) thì giàn t nâng là m t d ng công trình
không th b qua và c n thi t đ c tìm hi u.
1.2 C u t o và ch c n ng c a các b ph n
C u t o m t thi t b giàn t nâng g m ba b
chính: thân giàn, các chân và các chân đ , và
b .

ph n
thi t

1.2.1. Thân giàn
Thân giàn là m t công trình kín n c có kh
cung c p nhà , thi t b công tác, không gian
vi c… sao cho cho phép thi t b giàn th c hi n

n ng

làm
các


nhi m v và ch c n ng c a chúng. Khi di chuy n thân giàn làm nhi m v phao
n i mang theo tr ng l ng c a các chân, các chân đ , thi t b , và ch u tác đ ng
c a các t i tr ng thay đ i t môi tr ng nh sóng, gió và
dòng ch y... Các thông s khác nhau c a thân giàn nh
h ng đ n các ch đ làm vi c khác nhau c a thi t b .
Chúng đ c mô t m t cách s b nh sau


Nói chung, thân giàn càng l n t c là chi u dài, b r ng
và chi u cao c a thân giàn l n s cho phép giàn mang
các t i tr ng và kh i l ng thi t b càng l n.

c bi t trong ch đ di chuy n

(do s ra t ng c a không gian sàn và không gian phao n i)


T ng t nh v y, các thân giàn l n h n đem l i không gian máy móc và
kho ng tr ng r ng h n trên sàn chính đ c t gi các ng khoan, và cung c p
các không gian làm vi c r ng l n h n. Thân giàn l n có th có kh n ng
mang t i tr ng ban đ u l n h n do đó có th cho phép ra t ng tính m m
trong các thao tác gia t i ban đ u.



Thân giàn l n nói chung có kh n ng ch ng l i cao h n các nh h ng c a

các t i tr ng gió, sóng và dòng ch y. Tuy nhiên các thân giàn l n s có kh i
l ng l n do đó chúng yêu c u các thi t b nâng v i các l c nâng và gi l n
h n. Kh i l ng l n này c ng nh h ng t i tu i th t nhiên c a thi t b
trong ch đ nâng.

Nói chung kích th c c a thân giàn có nh h ng r t l n đ n kh n ng ch u t i
và m c đ n đ nh c a thi t b đ c bi t trong khi di chuy n.
1.2.2 Các chân và các chân đ
Các chân và các chân đ c a giàn t nâng là các k t c u làm b ng thép đ
ch ng đ thân giàn khi
thi t b ch đ nâng và
cung c p tính n đ nh đ
ch ng l i các t i tr ng bên.
Vi c s d ng các chân đ
là c n thi t đ ra t ng vùng
n n đ b ng cách đó gi m
thi u đ b n yêu c u c a
n n. Vi c tính toán thi t k v c u t o và đ b n c a các chân giàn sao cho


chúng ch u đ c các t i tr ng thi t k và gi m thi u nh h
c a môi tr ng là

ng do tác đ ng

TÀI LI U THAM KH O
Ti ng Vi t
1.

ào Nh Mai (2005), Lu n án ti n s khoa h c, “ nh y c m c a các đ c

tr ng đ ng l c h c k t c u và ng d ng trong ch n đoán k thu t công trình”

2.

ào Nh Mai (2003), Chuyên đ tính toán t i tr ng sóng tác đ ng lên công
trình.

3.

Nguy n Ti n Khiêm (2002), C s
ng l c h c công trình, Giáo trình dùng
cho h c viên cao h c, ngành C h c ng d ng.

4.

Ngô H ng Nhu (2001), Ph ng pháp ph n t h u h n trong c h c v t r n
bi n d ng, Giáo trình dùng cho h c viên cao h c, ngành C h c ng d ng,
TTHTBD& T C h c, HQGHN.

5.

Chu Qu c Th ng (1997), Ph ng pháp ph n t h u h n, nhà xu t b n khoa
h c và k thu t.
Ti ng anh
[6] Dao Nhu Mai, Nguyen Huu Cuong (2005), “Analysis of Jack-up units using
modified finite element models”, the 5th Asian symposium on applied
electromagnetics and mechanic, pp 507-515, Thai Nguyen 2005

[7] Dao Nhu Mai, Nguyen Huu Cuong (2006), “Aplasticity model for beharvior
of Spud-Can footings under Combined loading and application to a Jack-up

Unit” H i ngh khoa h c toàn qu c, C h c v t r n bi n r ng l n th 8, pp
522-530.
[8] Dao Nhu Mai, Tranh Thanh Hai, Nguyen Huu Cuong, Nguyen Van Quang
(2007), “Non-Linear Analysis of Jack-Up Platform Using Strain Hardening
Plasticity Model for Spudcan Footings” international conference on meterial
theory and nonlinear dynamics, september 24-26/2007


[9] Dao Nhu Mai, Tranh Thanh Hai, Nguyen Huu Cuong (2007), “Large
deformation approachs in nonlinear dynamic analysis of Juck-up units”
international conference on meterial theory and nonlinear dynamics,
september 24-26/2007.
[10] Martin CM. (1994), “Physical and numerical modelling of offshore
foundations under combined loads” . D Phil thesis. University of Oxford,
Department of Engineering Science, 1994.
[11] Reardon MJ. (1986) Review of the geotechnical aspects of jack- up unit
operations. Gnd Engng 1986;19(7):21±6.
[12] Bell RW (1991) The analysis of offshore foundations subjected to combined
loading. M.Sc. Thesis. University of Oxford, Department of Engineering
Science, 1991.
[13] SNAME. (1993) Guidelines for the site specific assessment of mobile jack-up
units. Society of Naval Architects and Marine Engineers, New Jersey
[14] Stokes GG. On the theory of oscillatory waves. Trans Camb Philos Soc
1847;8:441±55.
[15] Skjelbreia L, Hendrickson J. (1960) “fifth order gravity wave theory” In Proc
7th Coastal Eng Conf. The Hague, p. 184±96.
[16] Cassidy M.J and Houlsby .G.T (1999), “on the modelling of foundations for
Jack-up Unit on sand” Offshore technology conference.
[17] Ghali, A. and Neville, A. M. (1972) Structural Analysis
[18] Martin C.M. and Houbly (1991), “structural analysis with realistic modelling

of spudcan behaviour” offshore technology conference, Texas, 3-6 may 1999.
[19] William M.S, Thomson R.S.G and Houbly G.T(1998), “nonlinear dynamic
analysis of offshore jack-up units”, computers and structure 69, pp 171-180.