Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi ( Luận án tiến sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (397.61 KB, 120 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
MAI HỒNG QUÂN
NGHIÊN CỨU SỰ SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN
CỦA CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP DO
ẢNH HƯỞNG CỦA TỔN THẤT MỎI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI 03-2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
MAI HỒNG QUÂN
NGHIÊN CỨU SỰ SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN
CỦA CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP DO
ẢNH HƯỞNG CỦA TỔN THẤT MỎI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Xây dựng công trình biển
Mã số: 62 58 02 02-2 (mã số mới: 62580203)
Tập thể hướng dẫn khoa học
Thầy hướng dẫn số 1: PG.TS. Đinh Quang Cường
Thầy hướng dẫn số 2: GS. TS. Phạm Khắc Hùng
HÀ NỘI 03-2014
-i -
Lời cảm ơn
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể các thầy hướng dẫn khoa học,
PGS.TS. Đinh Quang Cường và GS.TS. Phạm Khắc Hùng, đã tận tâm hướng
dẫn và giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án này. Ngoài các kiến thức khoa học quý
báu, các thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ để tác giả vượt qua được nhiều
thời điểm khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin đặc biệt cảm ơn
GS. TS. Phạm Khắc Hùng đã cho phép tác giả vận dụng một phần sáng chế của
mình để giải quyết các vấn đề trong luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Viện Xây dựng Công trình
Biển, các cán bộ Khoa Sau Đại học trường Đại học Xây Dựng đã đóng góp ý kiến
về chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả cảm ơn gia đình yêu quý của mình, đặc biệt đối với vợ, các con và
cha mẹ hai bên nội ngoại đã tin tưởng, khích lệ, cảm thông cho tác giả trong những
năm tháng làm luận án.
Tác giả
Mai Hồng Quân
-ii -
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất cứ công trình nào khác.
Ngày …. tháng….. năm 2014
Nghiên cứu sinh
Mai Hồng Quân
-iii -
Mục lục
Lời cảm ơn ......................................................................................................................... i
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu................................................................................ ix
Danh mục các hình vẽ ..................................................................................................... xii
Danh mục các bảng biểu ................................................................................................. xiv
Mở đầu .............................................................................................................................. 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................... 1
Ý nghĩa khoa học:.................................................................................................... 1
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: ................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN
KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET)
1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép .............. 4
1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép.............................................. 4
1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định.......................................... 5
1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công ........................................................... 5
1.1.4. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới ... 6
1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng
thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam ...................................................................... 7
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu
jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành .................................................................. 8
1.2.1. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành ......... 8
1.2.1.1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn...................................... 8
1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy ........................................................ 9
1.2.2. Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu chuẩn
hiện hành ............................................................................................................... 10
1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế ................................................ 10
1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................ 11
1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................. 11
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án .............................................................. 12
-iv -
1.3.1.1. Nguyên lý tổng quát để đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình
biển theo sáng chế của GS. Phạm Khắc Hùng........................................................ 12
1.3.2. Đặt vấn đề nghiên cứu ................................................................................. 13
1.3.3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ................................................................ 13
1.4. Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu trong luận án .................................... 14
1.5. Kết luận của chương 1 .................................................................................. 15
CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CỦA KẾT CẤU JACKET CÔNG TRÌNH
BIỂN CỐ ĐỊNH DỰA TRÊN TÍNH TOÁN BỀN VÀ MỎI TRUYỀN THỐNG
2.1. Mở đầu .......................................................................................................... 16
2.1.1. Các trạng thái tác động sóng lên các công trình biển .................................... 16
2.1.2. Đánh giá an toàn của kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành ............................... 17
2.1.2.1. Đánh giá theo điều kiện bền ...................................................................... 17
2.1.2.2. Đánh giá an toàn theo điều kiện mỏi ......................................................... 17
2.2. Mô tả chuyển động sóng biển bề mặt ........................................................... 18
2.2.1. Mô tả sóng theo quan điểm tiền định ........................................................... 18
2.2.1.1. Các lý thuyết sóng .................................................................................... 18
2.2.1.2. Miền áp dụng các lý thuyết sóng ............................................................... 19
2.2.2. Mô tả sóng theo quan điểm ngẫu nhiên ........................................................ 19
2.2.2.1. Mặt cắt (profile) của sóng ngẫu nhiên ....................................................... 19
2.2.2.2. Phổ năng lượng của sóng .......................................................................... 20
2.2.2.3. Các phổ sóng thông dụng trong thiết kế kết cấu công trình biển ............... 21
2.2.2.4. Phổ vận tốc và gia tốc của phần tử nước do sóng ngẫu nhiên .................... 22
2.3.Tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử mảnh của kết cấu jacket.............. 22
2.3.1. Tải trọng sóng tiền định ............................................................................... 22
2.3.2. Tải trọng sóng ngẫu nhiên ............................................................................ 23
2.4. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện bền truyền thống ....... 24
2.4.1. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định ..................... 24
2.4.1.1. Xác định phản ứng động của kết cấu theo mô hình tiền định ..................... 24
-v -
2.4.1.2. Kiểm tra bền của kết cấu theo mô hình tiền định ....................................... 25
2.4.2. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên .................. 25
2.4.2.1. Phương pháp phổ ...................................................................................... 25
2.4.2.2. Phương pháp giải trong miền thời gian ..................................................... 26
2.5. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện mỏi truyền thống ...... 28
2.5.1. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định .......... 28
2.5.1.1. Tính toán mỏi theo phương pháp tổn thất tích luỹ ..................................... 28
2.5.1.2. Tính toán tổn thất mỏi theo mô hình sóng tiền định................................... 29
2.5.2. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên ...... 30
2.5.2.1. Ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng ........................................................... 30
2.5.2.2. Xác định tổn thất mỏi trung bình của điểm nóng trong trạng thái biển ngắn
hạn bằng phương pháp phổ .................................................................................... 31
2.5.2.3. Tuổi thọ mỏi trung bình của điểm nóng trong kết cấu jacket ..................... 33
2.6. Kết luận của chương 2 .................................................................................. 33
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ MỨC SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY
THEO THỜI GIAN CỦA KẾT CẤU JACKET CÁC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
3.1. Mở đầu .......................................................................................................... 35
3.1.1. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống .......................... 35
3.1.2. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống .......................... 35
3.2. Dạng tổng quát đánh giá sự suy giảm ĐTC tổng thể của kết cấu jacket.... 35
3.2.1. Dạng tổng quát độ độ tin cậy dựa trên điều kiện bền mở rộng ...................... 35
3.2.2. Dạng tổng quát độ độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng ........................... 36
3.3. Xác định độ tin cậy về bền của kết cấu jacket trong trạng thái biển ngắn
hạn cực đại ........................................................................................................... 37
3.3.1. Ứng suất ngẫu nhiên trong kết cấu ............................................................... 37
3.3.2. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải hẹp ................. 38
3.3.3. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải rộng ............... 38
-vi -
3.4. Xác định độ tin cậy theo điều kiện mỏi tại một điểm nóng của kết cấu
jacket phụ thuộc vào thời gian khai thác ........................................................... 40
3.4.1. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi trong trạng thái biển ngắn
hạn tại một điểm nóng ........................................................................................... 40
3.4.1.1. Biểu diễn ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng trong miền thời gian ........... 40
3.4.1.2. Xác định số lượng chu trình ứng suất bằng kỹ thuật đếm dòng mưa .......... 43
3.4.1.3. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một
trạng thái biển ngắn hạn......................................................................................... 44
3.4.2. Xây dựng hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một
năm………... ......................................................................................................... 48
3.4.2.1. Mật độ xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm ................. 48
3.4.2.2. Hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm .... 48
3.4.2.3. Đánh giá độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng trong 1 năm…………………...49
3.5. Xác định độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng ở thời điểm T(năm)................... 50
3.6. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện bền mở rộng .. 51
3.6.1. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải hẹp .......... 51
3.6.2. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải rộng......... 51
3.7. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện mỏi mở rộng. 51
3.7.1. Kỳ vọng của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng ...................................................... 51
3.7.2. Phương sai của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng .................................................. 52
3.7.3. Độ tin cậy tính theo điều kiện mỏi mở rộng ................................................. 52
3.8. Đánh giá sự suy giảm ĐTC theo thời gian của KCCĐ jacket dựa trên ĐTC
thực tế (tổng thể) của KC tại điểm xét ............................................................... 52
3.9. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại
theo thời gian khai thác công trình ..................................................................... 53
3.10. Sơ đồ thuật toán đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo các phương
pháp truyền thống và theo phương pháp luận của Luận án ............................. 55
3.11. Kết luận của chương 3 ................................................................................ 60
-vii -
CHƯƠNG 4: VÍ DỤ ỨNG DỤNG
4.1. Mở đầu .......................................................................................................... 61
4.2. Các số liệu đầu vào sử dụng trong ví dụ ...................................................... 61
4.2.1. Số liệu về công trình .................................................................................... 61
4.2.2. Số liệu về môi trường................................................................................... 62
4.3. Các phần mềm máy tính sử dụng trong ví dụ ............................................. 64
4.3.1. Các phần mềm thương mại .......................................................................... 64
4.3.2. Phần mềm tự lập “ RFCAL” ....................................................................... 65
4.4. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống .................................. 65
4.4.1. Kết quả tính nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu .............................................. 65
4.4.2. Kiểm tra bền của phần tử thanh.................................................................... 67
4.5. Độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống của kết cấu jacket .................. 67
4.5.1. Tính toán tổn thất mỏi .................................................................................. 68
4.5.1.1. Đầu vào tính mỏi ...................................................................................... 68
4.5.1.2. Tính toán ứng suất điểm nóng ................................................................... 69
4.5.1.3. Tính toán tổn thất mỏi tại điểm nóng......................................................... 71
4.5.2. Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện phá hủy mỏi truyền thống ......... 73
4.6. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy tổng thể của kết cấu jacket...................... 73
4.6.1. Độ tin cậy tại điểm đặc trưng của kết cấu khi bắt đầu khai thác ................... 73
4.6.2. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy và khả năng chịu tải của kết cấu trong quá
trình khai thác........................................................................................................ 74
4.6.2.1. Độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng ...................................................... 74
4.6.2.2. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng .................................. 75
4.6.2.3. Nghiên cứu bổ sung với trường hợp biến đổi khí hậu bất thường: ............. 77
4.6.2.4. Kết quả tính toán độ tin cậy tổng thể của công trình .................................. 79
4.7. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại
theo thời gian khai thác công trình tại điểm xét................................................. 80
4.8. Kết luận của chương 4 .................................................................................. 81
-viii -
PHẦN KẾT LUẬN
1. Những kết quả đã đạt được ............................................................................ 83
2. Những đóng góp mới của luận án .................................................................. 83
3. Kiến nghị của luận án .................................................................................... 84
4. Hướng nghiên cứu phát triển của luận án....................................................... 84
PHỤ LỤC: Chương trình tính mỏi ngẫu nhiên RFCAL …………..……….…….90
-ix -
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
CTB
Công trình biển
CTB CĐ
TTB
ĐLNN
Công trình biển cố định
Trạng thái biển
Đại lượng ngẫu nhiên
QTNN
ĐTC
Quá trình ngẫu nhiên
Độ tin cậy
Ứng suất trong kết cấu
ߪ
ሾߪ ሿ
Ứng suất cho phép
ܴ
Khả năng chịu lực của vật liệu
ߛ
ULS
WSD
LRFD
Hệ số an toàn của vật liệu
ܴ
ߛ
FLS
ܦ
ሾ ܦሿ
Cường độ của vật liệu
Trạng thái ứng suất cực hạn
Thiết kế theo ứng suất cho phép
Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số cường độ
Hệ số của tải trọng thứ i
Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi
Tỷ số tổn thất mỏi
Tỷ số tổn thất mỏi cho phép
DT
f (DT)
Tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong thời gian T
Mật độ xác suất của DT
ߛ
am
N
C, m
Hệ số an toàn về mỏi
Chiều sâu của vết nứt
số chu trình ứng suất theo đường cong S-N
C, m các thông số theo quy tắc Paris
∆
ܲ, ሾܲሿ
Hệ số cường độ ứng suất tại điểm nóng bị phá hủy mỏi
ߚ௧ , ሾߚ ሿ
Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép
ܲ , ൣܲ ൧
ܲ
ܲ
்ܲ
Độ tin cậy và độ tin cậy cho phép của kết cấu
Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép
Độ tin cậy theo điều kiện bền
Độ tin cậy theo điều kiện mỏi
Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm
-x -
்ܲ௧
Độ tin cậy theo điều kiện bền tổng thể
்ܲ௧
Độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng
ߟ(௧)
Mặt cắt bề mặt sóng biển (Profile sóng )
Tz
Tc
H, Hs, Hmax
ܵఎఎ (߱)
Chu kỳ trung bình cắt không
Chu kỳ trung bình của các đỉnh sóng cực đại (Hmax )
Chiều cao sóng, chiều cao sóng đáng kể, chiều cao sóng cực đại
ߝ
Phổ sóng
Thông số bề rộng dải phổ
Sv v (ω )
x x
Phổ vận tốc của phần tử nước theo phương x và phương y
Sv v ( ω )
y y
Sa a ( ω )
x x
Phổ gia tốc của phần tử nước theo phương x và phương y
S a a (ω )
y y
F (t)
Tải trọng sóng tác động lên kết cấu tính theo công thức Morison
FD(t)
FI(t)
Thành phần lực cản của tải trọng sóng
Thành phần quán tính của tải trọng sóng
Mật độ nước biển
ߩ
CD
Hệ số cản vận tốc
ݒ, ݒሶ
Hệ số nước kèm
Hệ số quán tính
Vận tốc và gia tốc của phần tử nước
ݑ, ݑሶ , ݑሷ
Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật cản
CM
CI
ܵிி (߱ )
Phổ tải trọng sóng lên phần tử kết cấu
ߜ௩௫
K,U(t), F(t)
Kđ
Độ lệch chuẩn của thành phần vận tốc ݒ௫
ω
ω1
T1
ε
Φ(n*n)
Ma trận độ cứng, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ tải trọng quy về nút
Hệ số khuếch đại động
Tần số dao động của sóng
Tần số của dạng dao động riêng thứ nhất của kết cấu
Chu kỳ của dạng dao động riêng thứ nhất
Hệ số cản của kết cấu khi dao động
Ma trận các dạng dao động riêng của kết cấu
-xi -
Mˆ
Véc tơ chuyển vị suy rộng của hệ
Ma trận khối lượng trong hệ tọa độ suy rộng
Cˆ
Ma trận cản nhớt trong hệ tọa độ suy rộng
Kˆ
Fˆ (t)
Ma trận độ cứng trong hệ tọa độ suy rộng
Véc tơ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng
ΦT
Ma trận chuyển trí của ma trận các dạng dao động riêng
H(iω)
Ma trận hàm truyền của hệ kết cấu
ܵ௨ೕ ௨ೕ (߱)
Phổ phản ứng của kết cấu
Y(t)
||)߱݅(ܪ
Mô đun hàm truyền
ܵிೕ ிೖ (߱)
Phổ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng
NA, Mx, My
A, Wx, Wy
Lực dọc, mô men uốn theo phương x, theo phương y của thanh
Diện tích, mô men kháng uốn theo phương x, theo phương y
Phương sai của quá trình ứng suất
ߜఙ
a
)ܽ(
Biên độ của quá trình ngẫu nhiên
Hàm mật độ phân phối xác suất của a
σmax
Ứng suất cực đại tại điểm đang xét
߂߱
Bề rộng khoảng tần số khi rời rạc phổ
߮
Góc lệch pha ngẫu nhiên
ߪ௪௫
ni
Ứng suất lớn nhất do tải trọng sóng ngẫu nhiên gây ra
ߪ௪
Ni
S-N
A,m
)ݏ(
SCF
ܦଵă
Ứng suất do tải trọng sóng ngẫu nhiên
Số chu trình của số gia ứng suất là ܵ
Số chu trình gây phá hủy mỏi của số gia ứng suất Si
Đường cong mỏi
Các thông số của đường cong mỏi Wholer
Hàm mật độ phân phối của số gia ứng suất s
Hệ số tập trung ứng suất
Tổn thất mỏi trong thời gian 1 năm
்ܦă
P-M
Tổn thất mỏi trong thời gian T năm
ߤ
Kỳ vọng toán
ߪ்
Palmgreen- Miner
Ứng suất tổng cộng trong kết cấu
-xii -
Danh mục các hình vẽ
Trang
Hình 1.1
Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket,
5
Hình 1.2
Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu
7
Hình 1.3
Các trạng thái biển tác động lên công trìn
11
Hình 1.4
Điểm nóng kiểm tra bền và kiểm tra mỏi tại đầu ống
12
Hình 1.5
Sơ đồ mô tả các bài toán đánh giá an toàn cho kết cấu jacket
14
Hình 2.1
Sơ đồ phân vùng áp dụng của các lý thuyết sóng
19
Hình 2.2
Thể hiện quá trình ngẫu nhiên của chuyển động sóng bề mặt
20
Hình 2.3
Phổ P-M và phổ JONSWAP
22
Hình 2.4
Minh họa chuyển đổi sóng biển từ phổ thành các sóng điều hòa
27
Hình 2.5
Quá trình ngẫu nhiên dải hẹp, quá trình ngẫu nhiên dải rộng
30
Hình 3.1
Độ tin cậy theo điều kiện mở rộng thay đổi theo thời gian
36
Hình 3.2
Một thể hiện của ứng suất điểm nóng theo thời gian
39
Hình 3.3
Ứng suất được sắp xếp thành các nhóm
40
Hình 3.4
Một thể hiện của nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu
41
Hình 3.5
Biểu diễn ứng suất theo bước thời gian
42
Hình 3.6
Phổ ứng suất điểm nóng S (ω)
42
Hình 3.7
Đếm số chu trình ứng suất theo pp đếm dòng mưa
43
Hình 3.8
Biểu đồ ứng suất sắp xếp theo nhóm
44
Hình 3.9
Hàm phân phối xác suất của D1năm
49
Hình 3.10
Độ tin cậy của công trình
52
Hình 3.11
Quan hệ giữa ĐTC theo điều kiện bền và chiều cao sóng
53
Hình 3.12
Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán mỏi ngẫu nhiên RFCAL
57
Hình 4.1
Mô hình kết cấu chân đế
61
Hình 4.2
Thể hiện ngẫu nhiên của lực dọc trong thanh 101L-202L
65
Hình 4.3
Thể hiện ngẫu nhiên của mô men Mx trongthanh 101L-202L
65
Hình 4.4
Thể hiện ngẫu nhiên của mô men My trongthanh 101L-202L
65
-xiii -
Hình 4.5
Sơ đồ kết cấu và nút được tính toán trong ví dụ
67
Hình 4.6
Đường cong mỏi S-N
67
Hình 4.7
Kết quả lực dọc N trong thanh 101L-202L
69
Hình 4.8
Kết quả Mx trong thanh 101L-202L
69
Hình 4.9
Kết quả My trong thanh 101L-202L
69
Hình 4.10
Kết quả ứng suất điểm nóng R trong thanh 101L-202L
69
Hình 4.11
So sánh ĐTC theo điều kiện bền truyền thống và điều kiện bền mở
74
rộng
Hình 4.12
So sánh ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống và mỏi mở rộng
Hình 4.13
Ảnh hưởng của số lần xảy ra bão cực hạn đến độ tin cậy theo điều
kiện mỏi của công trình tính ở thời điểm năm thứ 23
Hình 4.13b Độ tin cậy tổng thể tại điểm xét của kết cấu
76
77
79
-xiv -
Danh mục các bảng biểu
Trang
Bảng 3.1
Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống
58
Bảng 3.2
Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền mở rộng
58
Bảng 3.3
Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi mở rộng
58
Bảng 3.4
Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền tổng thể
58
Bảng 4.1
Các thông số chính của công trình
60
Bảng 4.2
Số liệu sóng dùng tính toán bền
61
Bảng 4.3
Số liệu dòng chảy
62
Bảng 4.4
Số liệu gió
62
Bảng 4.5
Số liệu hà bám
62
Bảng 4.6
Số liệu sóng tính mỏi
62
Bảng 4.7
Số liệu địa chất
63
Bảng 4.8a
Giá trị trung bình của các thành phần ứng suất tại điểm xét
66
Bảng 4.8b
Độ lệch của các thành phần ứng suất tại điểm xét
66
Bảng 4.9
Phân phối sóng 1 năm theo hướng
68
Bảng 4.10
Phân phối sóng theo chu kỳ
68
Bảng 4.11
Xác suất của các TTB theo hướng 45o (Trung bình 1 năm)
o
70
Bảng 4.12
Xác suất của các TTB theo hướng 225 (Trung bình 1 năm)
70
Bảng 4.13
Xác suất của các TTB theo hướng 270o (Trung bình 1 năm)
70
Bảng 4.14
Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống
72
Bảng 4.15
Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng
73
Bảng 4.16
Kết quả tính toán theo điều kiện mỏi mở rộng với cơn bão kéo dài
trong 3h
Bảng 4.17
Kết quả tính toán theo điều kiện mỏi mở rộng với cơn bão kéo dài
74
75
trong 6h
Bảng 4.18
Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 23
76
-xv -
Bảng 4.19
Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 24
77
Bảng 4.20
Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 25
77
Bảng 4.21
Tổng hợp kết quả tính toán độ tin cậy
78
Bảng 4.22
Quan hệ giữa chiều cao cóng Hs và ĐTC theo điều kiện bền
80
Bảng 4.23
Kết quả tính toán độ tin cậy yêu cầu theo thời gian
80
-1 -
Mở đầu
Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án
Hiện nay đánh giá an toàn của các công trình biển theo độ tin cậy là một
phương pháp hiện đại đang được quan tâm để đưa vào sử dụng trong các quy phạm.
Phương pháp này có tiến bộ đáng kể là đã đưa vào mô hình hóa nhiều yếu tố ngẫu
nhiên ảnh hưởng đến an toàn của công trình mà các phương pháp khác chưa kể đến
được. Tuy vậy điểm căn bản của phương pháp này vẫn dựa trên việc xem xét một
cách riêng biệt hai điều kiện an toàn chính của kết cấu công trình biển; đó là điều
kiện bền (khi công trình chịu tác động của sóng cực đại) và điều kiện mỏi (khi
công trình chịu tác động của sóng thường xuyên trong trạng thái biển dài hạn).
Thực tế là: hiện tượng mỏi do các tác động của sóng biển từ khi xây dựng
công trình đến thời điểm đánh giá đã làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu
và tổn thất mỏi do sóng biển trong trạng thái biển cực đại gây ra phải được kể đến
cùng với tổn thất mỏi do trạng thái biển dài hạn tích luỹ trước đó.
Các ảnh hưởng thực tế nói trên làm suy giảm độ an toàn (độ tin cậy) và tuổi
thọ của kết cấu theo thời gian. Để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu do
các ảnh hưởng này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu và hoàn thành luận án với tên đề
tài là: “Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế
công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi”.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Luận án đề xuất một phương pháp mới dựa trên mô hình xác suất và lý
thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình để đánh giá an toàn và tuổi thọ mỏi cho các
kết cấu công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Việc xác định được độ tin cậy của từng vị trí trên kết cấu công trình tại một
thời điểm bất kỳ trong quá trình khai thác, có kể đến tích lũy mỏi từ thời điểm xây
dựng công trình đến thời điểm kiểm tra, và việc xác định được tuổi thọ mỏi của
-2 -
từng vị trí trên kết cấu công trình có kể đến tích luỹ mỏi do sóng biển trong các
trạng thái biển cực đại đã gặp trước thời điểm kiểm tra giúp chúng ta có thể giải
thích được hiện tượng một số kết cấu công trình gặp sự cố khi gặp bão nhỏ hơn bão
thiết kế. Đây là một kết quả quan trọng của luận án, có ý nghĩa thực tiễn cho các
hoạt động khai thác và bảo dưỡng kết cấu công trình, đảm bảo quá trình khai thác
được an toàn dựa trên công tác tối ưu hóa được kế hoạch khảo sát, chương trình
khảo sát và duy tu bảo dưỡng kết cấu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu chân đế công trình biển cố định
bằng thép dạng jacket chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên.
Phương pháp nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu phương pháp luận: nghiên cứu tìm hiểu phương pháp luận giải
các bài toán truyền thống (bài toán bền, bài toán mỏi) từ đó chỉ ra những vấn đề mà
các bài toán truyền thống chưa xét đến;
- Nghiên cứu ứng dụng: sử dụng các kiến thức cơ học, toán học và mô hình
xác suất để xây dựng các công thức để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu
công trình biển cố định bằng thép .
- Thực hiện các tính toán bằng số (kết hợp phần mềm tính toán kết cấu SACS
với chương trình tự lập) để khảo sát kết quả ứng dụng phương pháp của luận án.
- So sánh với các phương pháp truyền thống để đưa ra các kết luận ứng dụng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án;
- Nghiên cứu xác định các phản ứng ngẫu nhiên của kết cấu công trình biển cố
định bằng thép (nội lực và ứng suất ngẫu nhiên) do tác động của sóng biển.
- Nghiên cứu tổn thất mỏi ngẫu nhiên của kết cấu jacket do sóng biển gây ra
- Xác định độ tin cậy của kết cấu theo các điều kiện bền và mỏi.
- Nghiên cứu sự suy giảm theo thời gian của độ tin cậy do kể đến ảnh hưởng
của tổn thất mỏi và tổn thất mỏi do bão cực hạn gây ra.
-3 -
Cấu trúc của luận án:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu chân đế
công trình biển cố định bằng thép (Jacket)
Chương 2: Đánh giá an toàn của kết cấu jacket công trình biển cố định dựa trên
tính toán bền và mỏi truyền thống
Chương 3: Phương pháp luận đánh giá mức suy giảm độ tin cậy theo thời gian
của kết cấu jacket các công trình biển cố định
Chương 4: Ví dụ ứng dụng
Kết luận của luận án
Phụ lục
Luận án bao gồm 90 trang, 34 hình vẽ, 24 bảng biểu và phụ lục
Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full
