Đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu công trình biển cố định bằng thép áp dụng trong điều kiện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BÙI THẾ ANH

ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG LÊN
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP
- ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Biển
Mã số: 9 58 02 03

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội - Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BÙI THẾ ANH

ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG LÊN
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP
- ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Biển
Mã số: 9 58 02 03

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Quang Cường

Hà Nội - Năm 2019

LỜI CẢM ƠN
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS. Đinh
Quang Cường đã tận tâm hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Ngoài
các kiến thức khoa học quý báu, 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 chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các đồng nghiệp trong Khoa
Xây dựng Công trình biển và Dầu khí - Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo Sau đại học 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 chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các chuyên gia trong và ngoài trường
Đại học Xây dựng đã đóng góp ý kiến khoa học để tác giả hoàn thiện luận án.
Tác giả cảm ơn gia đình, người thân của mình đã tin tưởng, giúp đỡ cho tác giả
trong thời gian qua.
Tác giả

Bùi Thế Anh


i

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.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2019

Nghiên cứu sinh

Bùi Thế Anh


ii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan…………………………………………………………………………… i
Mục lục ……………………………………………………………………………….. ii
Danh mục các chữ viết tắt, ký hiệu ............................................................................... vii
Danh mục các bảng ....................................................................................................... xii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ........................................................................................ xv
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA
TẢI TRỌNG SÓNG TRONG TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN
CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP ............................................................................................... 5
1.1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu ....................................................................... 5
1.1.1. Cấu tạo chung và sơ lược tình hình phát triển xây dựng các công trình biển cố
định bằng thép trên thế giới và ở Việt Nam ....................................................... 5
1.1.2. Tải trọng sóng tác động lên kết cấu công trình biển ......................................... 8
1.1.3. Phản ứng của kết cấu công trình biển ............................................................. 10
1.1.4. Quan hệ giữa chu kỳ dao động riêng của kết cấu công trình với chu kỳ của sóng
biển ................................................................................................................... 11
1.2. Các tiêu chuẩn và nghiên cứu về hiệu ứng động của tải trọng sóng trong tính toán
kết cấu công trình biển cố định bằng thép ............................................................ 14
1.2.1. Các tiêu chuẩn hiện hành về đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng trong
tính toán kết cấu công trình biển cố định bằng thép ........................................ 14
1.2.1.1. Tiêu chuẩn API ........................................................................................ 14
1.2.1.2. Tiêu chuẩn ISO ........................................................................................ 15
1.2.1.3. Tiêu chuẩn PTS ....................................................................................... 15

1.2.1.4. Tiêu chuẩn DNV .................................................................................... 15
1.2.1.5. Tiêu chuẩn NORSOK .............................................................................. 15
1.2.1.6. Tiêu chuẩn Việt Nam .............................................................................. 15


iii

1.2.2. Các công bố khoa học về đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng trong tính
toán kết cấu công trình biển cố định bằng thép ............................................... 16
1.2.2.1. Các công bố trên thế giới......................................................................... 16
1.2.2.2. Các công bố của Việt Nam ...................................................................... 23
1.3. Đánh giá các nghiên cứu đã công bố, đề xuất hướng nghiên cứu của luận án ...... 24
1.3.1. Đánh giá chung về các nghiên cứu đã công bố .............................................. 24
1.3.2. Đề xuất hướng nghiên cứu của luận án .......................................................... 26
1.4. Nội dung nghiên cứu của luận án ........................................................................... 27
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG
CỦA TẢI TRỌNG SÓNG LÊN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG
THÉP TRONG BÀI TOÁN BỀN VÀ BÀI TOÁN MỎI ......................................... 28
2.1. Tải trọng sóng ....................................................................................................... 28
2.1.1. Dạng gốc của phương trình Morison.......................................................... 28
2.1.2. Dạng mở rộng của phương trình Morison .................................................. 29
2.1.3. Dạng tuyến tính của phương trình Morison với mô hình tiền định ........... 29
2.2. Bài toán tĩnh kết cấu Jacket ................................................................................... 30
2.2.1. Bài toán tĩnh tổng quát của kết cấu Jacket...................................................... 30
2.2.2. Bài toán tựa tĩnh của kết cấu Jacket chịu tải trọng sóng................................. 30
2.2.3. Xác định nội lực của kết cấu Jacket trong bài toán tĩnh ................................. 31
2.3. Bài toán động lực học tiền định kết cấu Jacket ..................................................... 31
2.3.1. Phương trình tổng quát của bài toán dao động nhiều bậc tự do ..................... 31
2.3.2. Phương pháp chồng mode .............................................................................. 32
2.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán động lực học kết cấu Jacket ...... 34

2.3.3.1. Xây dựng các ma trận theo phương pháp phần tử hữu hạn..................... 34
2.3.3.2. Phương trình vi phân chuyển động ......................................................... 35
2.3.3.3. Sơ đồ khối giải bài toán kết cấu bằng phương pháp PTHH .................... 36
2.4. Kiểm tra bền kết cấu Jacket ................................................................................... 36
2.4.1. Quan niệm về tính toán bền của kết cấu Jacket .............................................. 36
2.4.2. Các điều kiện môi trường trong tính toán bền ................................................ 37


iv

2.4.3. Các bài toán kiểm tra bền ............................................................................... 37
2.5. Tính toán mỏi tiền định kết cấu Jacket .................................................................. 38
2.5.1. Các giai đoạn phát triển mỏi .......................................................................... 38
2.5.2. Các phương pháp tính mỏi ............................................................................. 38
2.5.3. Tính mỏi tiền định theo phương pháp P-M .................................................... 39
2.5.3.1. Đường cong mỏi S-N ............................................................................. 39
2.5.3.2. Xác định ứng suất để tính mỏi tại các điểm nóng ................................... 40
2.5.3.3. Xác định tổn thất mỏi ............................................................................. 42
2.5.3.4. Đánh giá tuổi thọ mỏi ............................................................................. 43
2.5.4. Thuật toán tổng quát tính toán mỏi tiền định.................................................. 44
2.6. Đánh giá hiệu ứng động ......................................................................................... 45
2.6.1. Hiệu ứng động đối với bài toán bền ............................................................... 46
2.6.1.1. Hiệu ứng động đối với mô hình tính tựa tĩnh .............................................. 46
2.6.1.2. Hiệu ứng động đối với mô hình động lực học ............................................. 46
2.6.2. Hiệu ứng động đối với bài toán mỏi ............................................................... 47
2.6.3. Nhận xét về hiệu ứng động trong kiểm tra bền và mỏi .................................. 48
2.6.4. Sơ đồ thuật toán áp dụng đánh giá hiệu ứng động ......................................... 49
2.7. Các nội dung đạt được trong chương 2 ……..…………………………………... 56
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG LÊN
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP CHO ĐIỀU KIỆN BIỂN

VIỆT NAM .................................................................................................................. 57
3.1. Quan hệ độ sâu nước và hiệu ứng động ................................................................. 57
3.2. Quan hệ tỷ số cản và hiệu ứng động ...................................................................... 58
3.3. Quan hệ hà bám và hiệu ứng động ......................................................................... 61
3.3.1. Tăng trọng lượng kết cấu ................................................................................ 62
3.3.2. Tăng chu kỳ dao động riêng của kết cấu ........................................................ 62
3.3.3. Tăng tải trọng sóng ......................................................................................... 63
3.4. Nhận xét và lựa chọn các thông số phục vụ tính toán khảo sát ............................. 64
3.5. Đặc điểm kết cấu Jacket ở Việt Nam ..................................................................... 65


v

3.5.1. Sự phát triển các công trình biển cố định bằng thép ở Việt Nam ................... 65
3.5.2. Đặc điểm kỹ thuật chính của kết cấu khối chân đế ở Việt Nam..................... 66
3.5.3. Đặc điểm sóng biển ở Việt Nam ...………………………………………….68
3.6. Thông số chính của Jacket sử dụng để đánh giá hiệu ứng động ............................ 69
3.7. Thông số sóng biển sử dụng để đánh giá hiệu ứng động ....................................... 70
3.8. Phần mềm và tiêu chuẩn áp dụng tính toán ........................................................... 71
3.9. Kết quả đánh giá hiệu ứng động ............................................................................ 72
3.9.1. Hiệu ứng động đối với bài toán kiểm tra bền ................................................. 72
3.9.1.1. Kết quả khảo sát Jacket 01 ...................................................................... 72
3.9.1.2. Kết quả khảo sát Jacket 02 ...................................................................... 76
3.9.1.3. Kết quả khảo sát Jacket 03 ...................................................................... 81
3.9.2. Hiệu ứng động đối với bài toán kiểm tra mỏi ................................................. 86
3.9.2.1. Kết quả khảo sát Jacket 01 ...................................................................... 86
3.9.2.2. Kết quả khảo sát Jacket 02 ...................................................................... 88
3.9.2.3. Kết quả khảo sát Jacket 03 ...................................................................... 89
3.10. So sánh đánh giá hiệu ứng động .......................................................................... 91
3.10.1. Đối với lực quán tính .................................................................................... 91

3.10.2. Đối với bài toán bền...................................................................................... 92
3.10.3. Đối với bài toán mỏi ..................................................................................... 93
3.11. Các nội dung đạt được trong chương 3………………………………………… 95
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ GIÀN CỐ ĐỊNH CÓ KẾT CẤU KIỂU
JACKET CHO ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM ...................................................... 97
4.1. Số liệu đầu vào ....................................................................................................... 97
4.1.1. Số liệu về công trình ....................................................................................... 97
4.1.2. Số liệu về sóng thiết kế ................................................................................... 98
4.1.2.1. Giàn WHP Thái Bình .............................................................................. 98
4.1.2.2. Giàn WHP Thăng Long ........................................................................... 99
4.1.2.3. Giàn WHP Đại Hùng ............................................................................. 100
4.1.3. Số liệu hà bám............................................................................................... 100


vi

4.2. So sánh kết quả hiệu ứng động của WHP-Thái Bình .......................................... 101
4.2.1. Kết quả kiểm tra bền ..................................................................................... 101
4.2.1.1. Hiệu ứng động ....................................................................................... 101
4.2.1.2. Kết quả tính toán kiểm tra bền .............................................................. 102
4.2.2. Kết quả kiểm tra mỏi .................................................................................... 104
4.3. So sánh kết quả hiệu ứng động của WHP-Thăng Long ....................................... 104
4.3.1. Kết quả kiểm tra bền ..................................................................................... 104
4.3.1.1. Hiệu ứng động ....................................................................................... 104
4.3.1.2. Kết quả tính toán kiểm tra bền .............................................................. 106
4.3.2. Kết quả kiểm tra mỏi .................................................................................... 107
4.4. So sánh kết quả đánh giá hiệu ứng của WHP-Đại Hùng ..................................... 107
4.4.1. Kết quả kiểm tra bền ..................................................................................... 107
4.4.1.1. Hiệu ứng động ....................................................................................... 107
4.4.1.2. Kết quả tính toán kiểm tra bền .............................................................. 109

4.4.2. Kết quả kiểm tra mỏi .................................................................................... 111
4.5. Một số hình ảnh kiểm tra bền, mỏi ...................................................................... 111
4.6. Thảo luận về kết quả áp dụng tính toán ............................................................... 113
4.7. Các nội dung đạt được trong chương 4………………………………………… 114
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 116
DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................... 119
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 121
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 126
Phụ lục 01: Thống kê các giàn khai thác dầu khí ở Việt Nam kiểu kết cấu Jacket….. PL1
Phụ lục 02: Kết quả kiểm tra bền kết cấu Jacket 01, 02 và 03................................... PL9
Phụ lục 03: Kết quả kiểm tra mỏi kết cấu Jacket 01, 02 và 03 .................................. PL22
Phụ lục 04: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Thái Bình …................................... PL41
Phụ lục 05: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Thăng Long ................................... PL45
Phụ lục 06: Số liệu đầu vào giàn đầu giếng WHP Đại Hùng .…................................... PL49
Phụ lục 07: Kết quả tính toán mỏi WHP Thái Bình, WHP Thăng Long, WHP Đại Hùng ..PL53


vii

Danh mục các chữ viết tắt, ký hiệu
Danh mục các từ viết tắt
BS

Tổng lực cắt đáy

CTB

Công trình biển

DAF

Hệ số khuếch đại động

DAFQS

Hệ số khuếch đại động khi tính toán tựa tĩnh

DAFD

Hệ số khuếch đại động khi tính toán động

DAFF

Hệ số khuếch đại động khi tính toán mỏi

ĐLH

Động lực học

EL.

Cao độ

FLS

Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi

JD

Chuyển vị nút

KCĐ

Khối chân đế

MSL

Mực nước tĩnh trung bình

LAT

Mực nước thủy triều thấp nhất

LRFD

Thiết kế theo hệ số tải trọng và khả năng chịu lực

OP (Oper)

Điều kiện hoạt động

OTM

Tổng mô men lật

OD

Đường kính ngoài của ống

P-M

Phương pháp tính mỏi Palmgren - Miner

PTHH

Phần tử hữu hạn

SCF

Hệ số tập trung ứng suất

SLS

Trạng thái giới hạn khả năng khai thác

S-N

Đường cong mỏi thực nghiệm S-N

ST (Storm)

Điều kiện bão cực hạn

sec (s)

Giây

TTB

Trạng thái biển

UC

Unity check - Hệ số sử dụng vật liệu

ULS

Trạng thái giới hạn cực hạn


viii

WHP

Giàn đầu giếng

WSD

Thiết kế theo ứng suất cho phép

WT

Bề dày của ống

Danh mục các ký hiệu
A

Diện tích mặt cắt ngang

a

Hệ số phụ thuộc vật liệu, xác định theo đường cong mỏi S-N

aij

Thành phần thứ i của dạng dao động thứ j (véctơ riêng j)

C

Ma trận cản

ˆ
C
j

Hệ số cản ở hệ tọa độ suy rộng

Ccr

Hệ số cản giới hạn

CD

Hệ số cản vận tốc

CM

Hệ số quán tính

Cm

Hệ số nước kèm

CL

Hệ số nâng

D

Tỷ số tổn thất mỏi

[D]

Tỷ số tổn thất mỏi gây phá hủy - Tỷ số tổn thất mỏi cho phép

DO

Đường kính cột

Dc

Đường kính ngoài của ống

d

Độ sâu nước

E

Modun đàn hồi Young

Ew

Giá trị trung gian của vận tốc sóng đã tuyến tính

F

Véctơ tải trọng

Fo

Biên độ của tải trọng

F(t)

Tải trọng sóng theo công thức Morison

Fˆ j (t)

Tải trọng ở hệ tọa độ suy rộng

FD

Lực cản của tải trọng sóng

FI

Lực quán tính của tải trọng sóng

ix

FA

Lực quán tính do vật cản choán chỗ

FM

Lực quán tính do khối lượng nước kèm

FL

Lực nâng

f

Véctơ lực của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể

f

Véctơ lực của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ địa phương

fx

Tần số xoáy

g

Gia tốc trọng trường

H

Chiều cao sóng

Hmax

Chiều cao sóng lớn nhất

Hs

Chiều cao sóng đáng kể

I

Mô men quán tính

K

Ma trận độ cứng

ˆ
K
j

Độ cứng ở hệ tọa độ suy rộng

k

Ma trận độ cứng của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể

k

Ma trận độ cứng của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ địa phương

Kđ

Hệ số động

L

Chiều dài phần tử

M

Ma trận khối lượng

ˆ
M
j

Khối lượng ở hệ tọa độ suy rộng

m

Ma trận của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể

m

Ma trận của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ địa phương

Mu

Mô men uốn

Mr

Khối lượng kết cấu + khối lượng hà bám

Ma

Khối lượng nước kèm

N

Số chu trình gây phá hủy mỏi

Nj

Số chu trình gây phá hủy mỏi ứng với Sj

Nji

Số chu trình của nhóm ứng suất Sj trong TTB thứ i

Na

Lực dọc


x

nj

Số chu trình ứng suất trong nhóm thứ j, có số gia ứng suất Sj (j=1,Mi)

pji

Tỷ lệ thời gian của nhóm ứng suất Sj trong TTB thứ i

QA

Giá trị biên độ của tổng lực cắt đáy trong tính toán tĩnh

QM

Giá trị trung bình của tổng lực cắt đáy

R

Khả năng chịu lực của vật liệu

Rk

Cường độ vật liệu

r,r

Vận tốc, gia tốc tương đối của phần tử nước với kết cấu

S

Số gia ứng suất

Sj

Số gia ứng suất thứ j

St

Số Strouhal

T

Chu kỳ sóng

Tz

Chu kỳ cắt không của sóng

Tp

Chu kỳ đỉnh của sóng

Thmax

Chu kỳ sóng ứng với Hmax

Ts

Chu kỳ sóng đáng kể

T1 (Tmax)

Chu kỳ dao động riêng cơ bản của kết cấu

Tji

Chu kỳ của nhóm ứng suất Sj trong TTB thứ i

t

Thời gian

thb

Chiều dày trung bình của hà bám

U, U, U

Véctơ chuyển vị, vận tốc và gia tốc của hệ kết cấu

u,u,u

Véctơ chuyển vị, vận tốc và gia tốc của phần tử kết cấu

u

Véctơ chuyển vị của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể

udc

Vận tốc dòng chảy

uo

Biên độ dao động

v, v

Vận tốc và gia tốc của phần tử nước

V

Thể tích ngập nước của kết cấu

Z

Ánh xạ của véc tơ u trong hệ tọa độ véctơ riêng

Wu

Mô men kháng uốn



Ma trận các dạng dao động riêng


xi

T

Ma trận chuyển trí của ma trận 

Ω

Tỷ số giữa tần số sóng và tần số dao động cơ bản của kết cấu



Tần số dao động của sóng.

1

Tần số dao động riêng cơ bản của kết cấu

c

Tần số dao động riêng của hệ có lực cản

ξ

Tỷ số cản dao động

ρ

Mật độ nước biển



Ứng suất trong kết cấu

[]

Ứng suất cho phép

w

Ứng suất do tải trọng sóng



Ứng suất do tải trọng tĩnh

hotspot

Ứng suất tại điểm nóng

 no mina l

Ứng suất danh nghĩa

QS

Ứng suất trong tính toán tựa tĩnh

D

Ứng suất trong tính toán động

t

Ứng suất trong tính toán tĩnh



Hệ số an toàn

i

Hệ số tải trọng thứ i

m

Hệ số khả năng chịu lực của vật liệu

FL

Tuổi thọ mỏi thiết kế

λ

Chiều dài sóng

α

Hệ số uốn dọc


xii

Danh mục các bảng

Trang

Bảng 1.1. Các giàn Jacket ở độ sâu nước lớn nhất trên thế giới ..................................... 6
Bảng 1.2. Điều kiện biển điển hình cho các vùng biển khác nhau trên thế giới ............. 9
Bảng 1.3. Bảng tổng hợp, so sánh về giới hạn Tmax (DAF) cho phép tính toán tựa tĩnh
trong các tiêu chuẩn………………………………………………….. ....... 16
Bảng 1.4. Các giới hạn của chu kỳ dao động cơ bản để tính toán động kết cấu công trình
biển cố định kiểu Jacket............................................................................... 17
Bảng 1.5. Khảo sát giới hạn chu kỳ dao động [T1] ứng với điều kiện biển
Việt Nam………………………………………………………………..... 26
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của tỷ số cản đến tần số DĐR...... ……………………………..60
Bảng 3.2. Chiều dày hà bám vùng biển Norway .......................................................... 61
Bảng 3.3. Chiều dày hà bám vùng mỏ Bạch Hổ - Việt Nam ........................................ 61
Bảng 3.4. Chiều dày hà bám áp dụng khảo sát ............................................................. 65
Bảng 3.5. Bảng số liệu dự báo các công trình biển sẽ được xây dựng tại Việt Nam
đến năm 2025 ............................................................................................... 66
Bảng 3.6. Thông số cơ bản kết cấu các Jacket dùng để thực hiện tính toán khảo sát…70
Bảng 3.7. Thông số sóng phục vụ tính toán kiểm tra bền ............................................. 70
Bảng 3.8. Thông số sóng phục vụ tính toán kiểm tra mỏi ............................................ 71
Bảng 3.9. Kết quả DAFQS theo phương pháp tựa tĩnh - Jacket 01 ................................ 72
Bảng 3.10. Kết quả DAFD theo phương pháp ĐLH tiền định - Jacket 01 .................... 72
Bảng 3.11. Kết quả DAFQS theo phương pháp tựa tĩnh – Jacket 02 ............................. 76
Bảng 3.12. Kết quả DAFD theo phương pháp ĐLH tiền định – Jacket 02 ................... 78
Bảng 3.13. Kết quả DAFQS theo phương pháp tựa tĩnh – Jacket 03 ............................. 81
Bảng 3.14. Kết quả DAFD theo phương pháp ĐLH tiền định - Jacket 03 .................... 82
Bảng 3.15. Kết quả tuổi thọ mỏi - Jacket 01 ................................................................ 87
Bảng 3.16. Kết quả tuổi thọ mỏi - Jacket 02 ................................................................ 88

Bảng 3.17. Kết quả tuổi thọ mỏi - Jacket 03 ................................................................ 90
Bảng 3.18. Tổng hợp lực quán tính - Jacket 01, Jacket 02 và Jacket 03 ...................... 91
Bảng 3.19. Các giá trị DAFQS, DAFD - Jacket 01, Jacket 02 và Jacket 03 ................. 92


xiii

Bảng 3.20. Các giá trị

DAFQS,

DAFD, DAFF - Jacket 01, Jacket 02 và

Jacket 03……………………………………………………………….......94
Bảng 4.1. Thông số chính các giàn WHP áp dụng tính toán ........................................ 98
Bảng 4.2. Số liệu sóng chu kỳ lặp 1 năm của giàn WHP Thái Bình ............................ 98
Bảng 4.3. Số liệu sóng chu kỳ lặp 100 năm của giàn WHP Thái Bình ........................ 99
Bảng 4.4. Số liệu sóng chu kỳ lặp 1 năm của giàn WHP Thăng Long ......................... 99
Bảng 4.5. Số liệu sóng chu kỳ lặp 100 năm của giàn WHP Thăng Long ..................... 99
Bảng 4.6. Số liệu sóng chu kỳ lặp 1 năm của giàn WHP Đại Hùng ........................... 100
Bảng 4.7. Số liệu sóng chu kỳ lặp 100 năm của giàn WHP Đại Hùng ....................... 100
Bảng 4.8. Chiều dày hà bám của giàn WHP Thái Bình .............................................. 100
Bảng 4.9. Chiều dày hà bám của giàn WHP Thăng Long ……………………. ... ….101
Bảng 4.10. Chiều dày hà bám của giàn WHP Đại Hùng ............................................ 101
Bảng 4.11. Hiệu ứng động điều kiện hoạt động.......................................................... 102
Bảng 4.12. Hiệu ứng động trạng thái bão cực hạn ...................................................... 102
Bảng 4.13. Kết quả kiểm tra bền thanh ống chính ..................................................... 103
Bảng 4.14. Kết quả kiểm tra bền thanh giằng chéo ................................................... 103
Bảng 4.15. Kết quả kiểm tra chuyển vị nút ................................................................ 104
Bảng 4.16. Kết quả tính toán tổn thất tích lũy mỏi và hiệu ứng động ........................ 104

Bảng 4.17. Hiệu ứng động điều kiện hoạt động.......................................................... 105
Bảng 4.18. Hiệu ứng động trạng thái bão cực hạn ...................................................... 105
Bảng 4.19. Kết quả kiểm tra bền thanh ống chính ..................................................... 106
Bảng 4.20 Kết quả kiểm tra bền thanh giằng chéo .................................................... 106
Bảng 4.21. Kết quả chuyển vị nút ............................................................................... 107
Bảng 4.22. Kết quả tính toán tổn thất tích lũy mỏi và hiệu ứng động ........................ 107
Bảng 4.23. Hiệu ứng động điều kiện hoạt động.......................................................... 108
Bảng 4.24. Hiệu ứng động trạng thái bão cực hạn ...................................................... 108
Bảng 4.25. Kết quả kiểm tra bền thanh ống chính trong điều kiện hoạt động........... 109
Bảng 4.26. Kết quả kiểm tra bền thanh giằng chéo trong điều kiện hoạt động ......... 109
Bảng 4.27. Kết quả chuyển vị nút trong điều kiện hoạt động ..................................... 110


xiv

Bảng 4.28. Kết quả kiểm tra bền thanh ống chính trong trạng thái bão cực hạn
……11010
Bảng 4.29. Kết quả kiểm tra bền thanh giằng chéo trong trạng thái bão cực hạn ...... 110
Bảng 4.30. Kết quả chuyển vị nút trong trạng thái bão cực hạn ................................. 111
Bảng 4.31. Kết quả tính toán tổn thất tích lũy mỏi và hiệu ứng động ........................ 111


xv

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1.1. Cấu tạo chung công trình biển cố định bằng thép kiểu Jacket ........................ 5
Hình 1.2. Các giàn kiểu Jacket đã xây dựng và đang khai thác ở độ sâu nước trên

1000 ft (312m) ............................................................................................... 6
Hình 1.3. (a)-Bản đồ phân bố bể trầm tích Việt Nam; (b)-Bản đồ hoạt động dầu khí
Việt Nam ........................................................................................................ 7
Hình 1.4. Các phổ sóng P-M và JONSWAP................................................................... 8
Hình 1.5. Phổ chiều cao sóng cho các vùng biển khác nhau trên thế giới và ở vùng biển
phía Nam Việt Nam ....................................................................................... 8
Hình 1.6. Sơ đồ hệ 1 bậc tự do có cản ......................................................................... 10
Hình 1.7. Đồ thị hệ số động phụ thuộc  ..................................................................... 10
Hình 1.8. Dải chu kỳ của phổ sóng biển với chu kỳ dao động cơ bản của kết cấu công
trình biển ở các vùng nước từ nông ra sâu................................................... 12
Hình 1.9. Phổ sóng với chu kỳ dao động riêng cơ bản của kết cấu công trình biển xây
dựng ở Vịnh Mexico .................................................................................... 12
Hình 1.10. Xu thế tăng giá thành của công trình biển cố định và công trình biển mềm
khi xây dựng ở các độ sâu nước tăng dần.................................................... 13
Hình 1.11. Ảnh hưởng động của hệ tuyến tính với cản nhỏ……………….......... ....... 18
Hình 1.12. Quan hệ T1 và tỷ số lực cắt QD/QS của kết cấu khối chân đế các công trình
biển cố định bằng thép xây dựng ở vùng vịnh Mexico ............................... 22
Hình 1.13. Phản ứng động điển hình và quan hệ giữa u0 và /1 ................................ 24
Hình 2.1. Sơ đồ khối thực hiện giải bài toán động lực học bằng phương pháp PTHH. 36
Hình 2.2. Sơ đồ ứng suất thay đổi điều hòa với chu trình đối xứng ............................ 39
Hình 2.3. Đường cong mỏi S-N theo API ..................................................................... 40
Hình 2.4. (a) Vị trí 4 điểm nóng tại nút (1,2,3,4) và (b) 3 dạng chịu lực tại nút
theo API ....................................................................................................... 41
Hình 2.5. Biểu diễn ứng suất tại điểm nóng (ứng suất cục bộ) ..................................... 41
Hình 2.6. Ứng suất  (t) tại 1 điểm nóng gồm nhiều nhóm ứng suất biên độ hằng….. 42
Hình 2.7. Sơ đồ khối tính mỏi tiền định của kết cấu KCĐ Jacket ................................ 45


xvi

Hình 2.8. Hiệu ứng động được điều chỉnh bằng lực cắt đáy……………..……. ......... 47
Hình 2.9. Mô hình các bài toán và phương pháp giải được lựa chọn ........................... 49
Hình 2.10. Sơ đồ tổng quát tính toán kiểm tra bền, mỏi theo mô hình tựa tĩnh và
mô hình động ............................................................................................... 51
Hình 2.11. Sơ đồ thuật toán tính toán kiểm tra bền ...................................................... 53
Hình 2.12. Sơ đồ thuật toán tính toán kiểm tra mỏi ...................................................... 55
Hình 3.1. Sơ đồ dầm conson một bậc tự do ................................................................. 57
Hình 3.2. Định nghĩa độ dày hà bám ............................................................................ 62
Hình 3.3. Phát triển hà bám theo độ sâu nước………………………………… ..... … 62
Hình 3.4. Cấu tạo điển hình khối chân đế đã xây dựng ở Việt Nam ............................ 66
Hình 3.5. Đồ thị quan hệ độ sâu nước d0 và chu kỳ dao động riêng T1 của Jacket đã
xây dựng ở Việt Nam................................................................................... 67
Hình 3.6. Sơ đồ kết cấu các Jacket dùng để thực hiện tính toán khảo sát .................... 69
Hình 3.7. Biểu diễn tương quan giữa DAFQS và DAFD, điều kiện hoạt động
- Jacket 01 .................................................................................................... 73
Hình 3.8. Biểu diễn tương quan giữa DAFQS và DAFD, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 01. ................................................................................................... 73
Hình 3.9. Biểu diễn tương quan UC của ống chính, điều kiện hoạt động
- Jacket 01. ................................................................................................... 74
Hình 3.10. Biểu diễn tương quan UC của ống nhánh, điều kiện hoạt động
- Jacket 01 .................................................................................................... 74
Hình 3.11. Biểu diễn tương quan UC của cọc, điều kiện hoạt động - Jacket 01 .......... 74
Hình 3.12. Biểu diễn tương quan UC của ống chính, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 01 .................................................................................................... 75
Hình 3.13. Biểu diễn tương quan UC của ống nhánh, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 01 .................................................................................................... 75
Hình 3.14. Biểu diễn tương quan UC của cọc, điều kiện bão cực hạn - Jacket 01 ....... 75
Hình 3.15. Biểu diễn tương quan giữa DAFQS và DAFD, điều kiện hoạt động
- Jacket 02 .................................................................................................... 78

xvii

Hình 3.16. Biểu diễn tương quan giữa DAFQS và DAFD, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 02 .................................................................................................... 78
Hình 3.17. Biểu diễn tương quan UC của ống chính, điều kiện hoạt động
- Jacket 02.. .................................................................................................. 79
Hình 3.18.

Biểu diễn tương quan UC của ống nhánh, điều kiện hoạt động

- Jacket 02 .................................................................................................... 79
Hình 3.19. Biểu diễn tương quan UC của cọc, điều kiện hoạt động - Jacket 02 .......... 79
Hình 3.20. Biểu diễn tương quan UC của ống chính, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 02 .................................................................................................... 80
Hình 3.21. Biểu diễn tương quan UC của ống nhánh, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 02 .................................................................................................... 80
Hình 3.22. Biểu diễn tương quan UC của cọc, điều kiện bão cực hạn - Jacket 02 ...... 80
Hình 3.23. Biểu diễn tương quan giữa DAFQS và DAFD, điều kiện hoạt động
- Jacket 03 .................................................................................................... 83
Hình 3.24. Biểu diễn tương quan giữa DAFQS và DAFD, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 03 .................................................................................................... 83
Hình 3.25. Biểu diễn tương quan UC của ống chính, điều kiện hoạt động
- Jacket 03. ................................................................................................... 84
Hình 3.26. Biểu diễn tương quan UC của ống nhánh, điều kiện hoạt động
- Jacket 03 .................................................................................................... 84
Hình 3.27. Biểu diễn tương quan UC của cọc, điều kiện hoạt động - Jacket 03 .......... 84
Hình 3.28. Biểu diễn tương quan UC của ống chính, điều kiện bão cực hạn
- Jacket 03 .................................................................................................... 85
Hình 3.29. Biểu diễn tương quan UC của ống nhánh, điều kiện bão cực hạn

- Jacket 03 .................................................................................................... 85
Hình 3.30. Biểu diễn tương quan UC của cọc, điều kiện bão cực hạn - Jacket 03 ....... 85
Hình 3.31. Biểu diễn tương quan giữa DAFQS và DAFD - Jacket 01 ............................ 84
Hình 3.32. Biểu diễn tương quan tuổi thọ mỏi - Jacket 01 ........................................... 87
Hình 3.33. Biểu diễn tương quan giữa DAF và DAFD - Jacket 02 ............................... 88


xviii

Hình 3.34. Biểu diễn tương quan tuổi thọ mỏi - Jacket 02 ........................................... 89
Hình 3.35. Biểu diễn tương quan giữa DAF và DAFD - Jacket 03 ............................... 89
Hình 3.36. Biểu diễn tương quan tuổi thọ mỏi - Jacket 03 ........................................... 90
Hình 3.37. Tổng hợp lực quán tính - Jacket 01, Jacket 02 và Jacket 03 ....................... 91
Hình 3.38. Các giá trị DAFQS, DAFD - Jacket 01, Jacket 02 và Jacket 03.................. 93
Hình 3.39. Các giá trị

DAFQS,

DAFD, DAFF - Jacket 01, Jacket 02

và Jacket 03.......................................................................................... ..…..94
Hình 4.1. Các giàn WHP dùng để áp dụng tính toán .................................................... 97
Hình 4.2. Hệ số sử dụng vật liệu (UC) Thanh 6921-6899 ......................................... 112
Hình 4.3. Hệ số sử dụng vật liệu (UC) Thanh 1501-2209 .......................................... 112
Hình 4.4. Hệ số sử dụng vật liệu (UC) Thanh 6922-6921 ......................................... 112
Hình 4.5. Hệ số sử dụng vật liệu (UC) Thanh 3501-4418 .......................................... 113
Hình 4.6. Số chu trình ứng suất tại nút 6881 ............................................................. 113


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu khối chân đế công trình biển cố định bằng thép
kiểu Jacket là tải trọng động, trội tuyệt đối (tải trọng sóng chiếm khoảng 85% đến 90%
tổng tải trọng ngang). Tác động của tải trọng sóng mang tính tương tác với kết cấu công
trình biển. Khi ra vùng nước càng sâu, độ cứng của kết cấu Jacket càng giảm, đồng thời
khối lượng kết cấu tăng, làm cho chu kỳ dao động riêng tăng. Khi đó chu kỳ sóng gần
với chu kỳ dao động riêng của kết cấu Jacket, tính tương tác càng cao và có thể rơi vào
miền cộng hưởng, làm cho hiệu ứng động tăng lên rất nhanh.
Một số nghiên cứu thống kê trên thế giới cho thấy mỗi vùng biển đều có một phổ
sóng riêng, dải chu kỳ sóng tại các vùng biển trên thế giới khoảng từ 3 sec đến 20 sec
[9,31,33,56], dải các chu kỳ dao động riêng của kết cấu các Jacket đã và đang xây dựng
trên thế giới thường từ 1,5 sec ÷ 4 sec [8,9,31,43].
Trên thế giới hiện nay có nhiều nghiên cứu nhằm đưa ra giới hạn để lựa chọn
phương pháp tính kết cấu liên quan đến tương quan giữa chu kỳ sóng với chu kỳ dao
động riêng của kết cấu. Các tiêu chuẩn thiết kế như API, ISO, NORSOK,… đưa ra “quy
tắc 3,0 sec”, có tiêu chuẩn đề nghị 2,5 sec, cho phép tính với tải trọng sóng tựa tĩnh khi
Tmax ≤ 3,0 sec hoặc Tmax ≤ 2,5 sec [29,39,52,59]. Đồng thời các tiêu chuẩn kể trên cũng
chỉ ra phạm vi áp dụng cho từng vùng biển cụ thể, chủ yếu là cho biển Bắc và vịnh
Mexico.
Một vấn đề cần xem xét là việc sử dụng các tiêu chuẩn API, ISO, NORSOK,… để
tính toán kết cấu công trình biển trong điều kiện Việt Nam có hoàn toàn phù hợp không,
khi mà điều kiện môi trường biển của Việt Nam là khá khác biệt so với các vùng nghiên
cứu để xây dựng các tiêu chuẩn trên đây. Các vùng biển hiện đang khai thác dầu khí ở
Việt Nam có độ sâu khoảng từ 50 m đến 150 m, thì các giới hạn nào nên ứng dụng bài
toán tựa tĩnh hoặc bài toán động để tính toán kết cấu công trình biển cố định bằng thép
kiểu Jacket.
Để làm sáng tỏ vấn đề nêu trên đây luận án đặt vấn đề nghiên cứu đánh giá hiệu ứng
động của tải trọng sóng khi tính toán kết cấu các công trình biển cố định bằng thép

2

(cụ thể là kết cấu khối chân đế kiểu Jacket) được xây dựng ở vùng nước có độ sâu đến
150 m và ứng dụng vào điều kiện tự nhiên của biển Việt Nam.
2. Mục đích, nội dung nghiên cứu của luận án
- Mục đích nghiên cứu:
Nghiên cứu đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu khối chân đế
của công trình biển cố định bằng thép theo mô hình sóng tiền định xây dựng ở vùng
nước có độ sâu đến 150 m tại thềm lục địa Việt Nam nhằm phục vụ thiết thực cho việc
thiết kế kết cấu các giàn khai thác cố định đang được sử dụng phổ biến hiện nay trong
điều kiện Việt Nam.
- Nội dung nghiên cứu:
Nội dung chính của luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng trong tính
toán kết cấu công trình biển cố định bằng thép.
Chương 2: Cơ sở phương pháp luận đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên
kết cấu công trình biển cố định bằng thép trong bài toán bền và bài toán mỏi.
Chương 3: Đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu công trình biển
cố định bằng thép cho điều kiện biển Việt Nam.
Chương 4: Ứng dụng vào thực tế giàn cố định có kết cấu kiểu Jacket cho điều kiện
biển Việt Nam.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Kết cấu khối chân đế của công trình biển cố định bằng thép kiểu Jacket.
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu hiệu ứng động của tải trọng sóng trong bài toán bền (ULS);
+ Nghiên cứu hiệu ứng động của tải trọng sóng trong bài toán mỏi (FLS);
+ Điều kiện sóng ở vùng nước có độ sâu đến 150 m trong vùng biển Việt Nam.

4. Cơ sở khoa học
Luận án nghiên cứu đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu khối
chân đế của công trình biển cố định bằng thép dựa trên các cơ sở khoa học sau đây:


3

- Lý thuyết xác định tải trọng sóng tiền định lên kết cấu khối chân đế công trình
biển cố định bằng thép;
- Lý thuyết tính toán kết cấu khối chân đế công trình biển cố định bằng thép theo
mô hình tựa tĩnh và mô hình động lực học tiền định;
- Lý thuyết tính toán kiểm tra bền kết cấu khối chân đế công trình biển cố định
bằng thép theo ứng suất cho phép;
- Lý thuyết tính toán kiểm tra mỏi tiền định kết cấu khối chân đế công trình biển
cố định bằng thép.
5. Phương pháp nghiên cứu của luận án
- Phương pháp tổng hợp, phân tích: Dựa trên cơ sở của các phương pháp luận tính
toán tựa tĩnh và động lực học tiền định kết cấu Jacket, luận án lựa chọn phương pháp
đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu khối chân đế của công trình biển
cố định bằng thép theo mô hình sóng tiền định xây dựng ở vùng nước có độ sâu đến
150 m tại thềm lục địa Việt Nam.
- Phương pháp thống kê: Thống kê các kết quả nghiên cứu về tính toán kết cấu
công trình và về số liệu đầu vào từ các dự án thực tế đã có tại Việt Nam và trên thế giới
để làm tư liệu phục vụ nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Ứng dụng các lý thuyết phục vụ phân tích
kết cấu công trình biển; Ứng dụng các chương trình phần mềm chuyên dụng phù hợp để
phân tích kết cấu công trình.
6. Đóng góp mới của luận án
1) Kiến nghị về các giới hạn ứng dụng bài toán tựa tĩnh, bài toán động để tính
toán kết cấu công trình biển kiểu Jacket trong điều kiện Việt Nam, cụ thể như sau:

- Đối với các công trình xây dựng ở độ sâu nước < 50 m) nên ứng dụng bài toán
động để tính toán thiết kế kết cấu công trình kiểu Jacket, bài toán động cho kết quả an
toàn mà tiết kiệm. Trong trường hợp không thực hiện bài toán động thì nên sử dụng
giới hạn Tmax < 1,8 sec theo công thức của Barltrop, N.D.P. để làm mốc thực hiện bài
toán tựa tĩnh hoặc bài toán động.


4

- Đối với các công trình xây dựng ở độ sâu nước > 100 m hoặc khi chu kỳ dao
động riêng của kết cấu công trình kiểu Jacket Tmax > 2,5 sec, cần phải thực hiện tính
động để đảm bảo an toàn.
- Bài toán tựa tĩnh chỉ nên xem xét trong giai đoạn thiết kế sơ bộ.
2) Đã phát triển được công thức đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên
kết cấu công trình biển cố định bằng thép kiểu Jacket khi tính toán kiểm tra mỏi thông
qua tỷ số tổn thất mỏi.