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 tt

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 CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP
- ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Biển
Mã số: 9 58 02 03

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội - Năm 2019


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Xây dựng

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

Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh

Phản biện 2: GS.TS Thiều Quang Tuấn

Phản biện 3: PGS.TS Phạm Văn Thứ

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp
tại……………………………………………………………………………………..
Vào hồi ………. giờ……….. ngày …………. tháng ………… năm ……….
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia và thư viện Trường Đại học Xây

dựng…………………………………………………………………………………….


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu khối chân đế cơng 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 cơng 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,
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.
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. 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 tốn kết cấu cơng trình biển trong điều kiện Việt Nam có hồn tồn phù hợp khơng,
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 tốn động để tính tốn kết cấu cơng 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 tốn kết cấu các cơng trình biển cố định bằng thép
(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 cơng trình biển cố định bằng thép theo mơ 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


2

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
tốn kết cấu cơng 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 cơng 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 cơng 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 cơng trình biển cố định bằng thép kiểu Jacket.
- Phạm vi nghiên cứu:

+ Nghiên cứu hiệu ứng động của tải trọng sóng trong bài tốn bền (ULS);
+ Nghiên cứu hiệu ứng động của tải trọng sóng trong bài tốn 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 cơng trình biển cố định bằng thép dựa trên các cơ sở khoa học sau đây:
- Lý thuyết xác định tải trọng sóng tiền định lên kết cấu khối chân đế cơng trình
biển cố định bằng thép;
- Lý thuyết tính tốn kết cấu khối chân đế cơng trình biển cố định bằng thép theo
mơ hình tựa tĩnh và mơ hình động lực học tiền định;
- Lý thuyết tính tốn kiểm tra bền kết cấu khối chân đế cơng trình biển cố định
bằng thép theo ứng suất cho phép;
- Lý thuyết tính tốn kiểm tra mỏi tiền định kết cấu khối chân đế cơng 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 tốn 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 cơng trình
biển cố định bằng thép theo mơ hình sóng tiền định xây dựng ở vùng nước có độ sâu
đến 150 m tại thềm lục địa Việt Nam.


3

- Phương pháp thống kê: Thống kê các kết quả nghiên cứu về tính tốn kết cấu
cơng 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 cơng trình biển; Ứng dụng các chương trình phần mềm chuyên dụng phù hợp
để phân tích kết cấu cơng trình.

6. Đóng góp mới của luận án
1) Kiến nghị về các giới hạn ứng dụng bài toán tựa tĩnh, bài tốn động để tính
tốn kết cấu cơng trình biển kiểu Jacket trong điều kiện Việt Nam, cụ thể như sau:
- Đối với các cơng trình xây dựng ở độ sâu nước < 50 m) nên ứng dụng bài toán
động để tính tốn thiết kế kết cấu cơng trình kiểu Jacket, bài tốn động cho kết quả
an tồn mà tiết kiệm. Trong trường hợp khơng thực hiện bài tốn 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.
- Đối với các cơng trình xây dựng ở độ sâu nước > 100 m hoặc khi chu kỳ dao
động riêng của kết cấu cơng trình kiểu Jacket Tmax > 2,5 sec, cần phải thực hiện tính
động để đảm bảo an tồn.
- Bài tốn 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 cơng trình biển cố định bằng thép kiểu Jacket khi tính tốn kiểm tra mỏi thơng
qua tỷ số tổn thất mỏi.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG
SĨNG TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG
THÉP
1.1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu
1.1.1. Cấu tạo chung và sơ lược tình hình phát triển xây dựng các cơng trình biển
cố định bằng thép trên thế giới và ở Việt Nam
Cấu tạo chung của cơng trình biển cố định bằng thép (kiểu Jacket) bao gồm các
bộ phận chính sau: Khối Thượng tầng (Topside); Khối chân đế (Jacket); Móng cọc
(Piles); Hệ thống phụ trợ.
Trên thế giới tổng số các cơng trình biển cố định kiểu Jacket bằng thép hiện nay
khoảng trên 6500 giàn và được phân bố ở phạm vi 53 quốc gia.
Tính đến thời điểm hiện nay tổng số lượng các giàn cố định bằng thép kiểu Jacket
đã được xây dựng tại thềm lục địa Việt Nam khoảng 82 giàn và phân bố tại các khu
vực mỏ khác nhau. Ở nước ta hiện nay, các mỏ đang và chuẩn bị khai thác mới ở độ
sâu dưới 150 m nước.

4

1.1.2. Tải trọng sóng tác động lên kết cấu cơng trình biển
Hầu hết các tài liệu đều thừa nhận phổ sóng của các trạng thái biển có dải chu kỳ
từ 3 sec đến 20 sec (tần số từ 0,33 Hz đến 0,05 Hz). Đây cũng là dải chu kỳ của tải
trọng sóng tác động lên cơng trình, có giá trị thay đổi theo thời gian và vị trí tác động.
Trên thực tế các vùng biển khác nhau trên thế giới sẽ có thơng số về sóng biển là
khác nhau (ứng với mỗi độ sâu nước ở các vùng biển khác nhau đều cho thơng số chiều
cao sóng, chu kỳ sóng là khác nhau), do vậy thơng số sóng đầu vào trong tính tốn kết
cấu Jacket của các vùng biển khác nhau trên thế giới sẽ là khác nhau.
1.1.3. Phản ứng của kết cấu cơng trình biển
Phản ứng động của kết cấu cơng trình biển khi chịu tải trọng sóng được xác định
từ phương trình cơ bản sau:
M u + C u + K u = F(t)
(1.1)
Hiệu ứng động của tải trọng đối với phản ứng của kết cấu được đánh giá dựa trên
so sánh giữa phản ứng động xác định từ phương trình (1.1) với phản ứng tĩnh xác định
từ phương trình (1.2) dưới đây:
Ku = F
(1.2)
Từ đó xác định được hệ số động Kđ (DAF) là yếu tố phản ánh hiệu ứng động của
tải trọng được xác định = Biên độ dao động/Chuyển vị tĩnh đối với kết cấu 1 bậc tự do,
theo biểu thức:
Kđ =

uo
Biên đô dao đông
=


Fo / K
Chuyên vi tinh

1
(1   2 ) 2  (2) 2

(1.3)

trong đó M là khối lượng của hệ; C là hệ số cản tuyến tính của hệ; K là độ cứng của
kết cấu; u, u, u tương ứng là chuyển vị, vận tốc và gia tốc của kết cấu; F(t) là tải trọng
động tác dụng lên kết cấu;  


là tỷ số giữa tần số dao động của tải trọng động (ω)
1

và tần số dao động riêng của kết cấu (ω1); ξ là tỷ số cản dao động; Fo là biên độ của tải
trọng; t là thời gian.
Hiệu ứng động phụ thuộc vào tỷ số  

 T1
 , hay nói cách khác là hiệu ứng
1 T

động được thể hiện bởi mối quan hệ giữa chu kỳ cơ bản của kết cấu khối chân đế (tức
Tmax = T1) với chu kỳ sóng T, nếu 2 giá trị đó càng gần nhau (tức là càng gần hiện tượng
cộng hưởng) thì hiệu ứng động càng lớn.
1.1.4. Quan hệ giữa chu kỳ dao động riêng của kết cấu cơng trình với chu kỳ của
sóng biển

5

Qua phân tích trên nhận thấy xu thế các cơng trình Jacket sẽ có chu kỳ DĐR tăng
dần khi xây dựng ở các vùng nước có độ sâu nước tăng lên và lúc này càng gần với dải
chu kỳ sóng biển, dẫn đến hiệu ứng động sẽ tăng.
Khi tính tốn với điều kiện biển cực đại (kiểm tra bền): Chu kỳ sóng thường tập
trung trong phạm vi T = 10 ÷ 16 sec.
Khi tính tốn với điều kiện biển bình thường (kiểm tra mỏi): Chu kỳ sóng có phạm
vi rộng hơn, đó là T = 1 ÷ 12 sec.
1.2. Các tiêu chuẩn và nghiên cứu về hiệu ứng động của tải trọng sóng trong tính
tốn kết cấu cơng trình biển cố định bằng thép
1.2.1. Các tiêu chuẩn hiện hành về đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng
trong tính tốn kết cấu cơng trình biển cố định bằng thép
Bảng 1.1. Bảng tổng hợp, so sánh về giới hạn Tmax (DAF) cho phép tính tốn tựa tĩnh
trong các tiêu chuẩn
TT Tiêu chuẩn
Năm
Giới hạn Tmax / DAF
Điều kiện áp dụng
19931
API
Tmax ≤ 3,0 sec
Biển Hoa Kỳ
2014
Biển North-West Europe;
Tmax ≤ 2,5 sec ÷ 3,0
2
ISO

2007
Africa; US-Gulf Mexico;
sec
Canada
3
PTS
2012
Tmax ≤ 2,5 sec
Tập đoàn Petronas
Biển North-West Europe và
4
DNV
2012
DAF ≤ 1,1
tham khảo theo ISO
Tmax ≤ 2,0 sec ÷ 3,0
5
NORSOK
2007
Biển Norway
sec
6
TCVN
2000
DAF ≤ 1,1
Biển Việt Nam
1.2.2. Các công bố khoa học về đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng trong
tính tốn kết cấu cơng trình biển cố định bằng thép
1.2.2.1. Các công bố trên thế giới
+ Các sách, tài liệu về động lực học cơng trình biển đã được xuất bản có liên

quan đến nội dung nghiên cứu của luận án của các nhóm tác giả Barltrop, N.D.P. và
Wilson, J.F., trong đó tác giả Barltrop, N.D.P. đã đưa ra công thức xác định giá trị tới
hạn của chu kỳ dao động cơ bản Tmax làm căn cứ để kể đến hiệu ứng động của tải trọng
sóng:
Tmax  0,79

d
g

(sec)

(1.4)


6

trong đó d là độ sâu nước (m); g là gia tốc trọng trường (m/s2).
+ Các công bố trong các bài báo đăng trên các tạp chí thế giới gần đây có liên
quan đến nội dung nghiên cứu của luận án: năm 2014 của nhóm tác giả A.A. Khalifa
tại World Applied Sciences Journal 30; năm 2012 của nhóm tác giả Azin
Azarhoushang tại ISOPE 22; năm 2009 của nhóm tác giả Nallayarasu, tại ICOE, IIT
Madras; năm 2005 của nhóm tác giả Shehab Mourad và Mohamed Fayed tại ICSGE
11,…
Qua các công bố của thế giới nêu ở trên, việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng
động của sóng biển lên kết cấu Jacket luôn được quan tâm trong những năm qua tùy
thuộc vào nhu cầu phát triển xây dựng các giàn khoan tại các mỏ cũng như sự phát
triển ngành khai thác dầu khí trên biển của từng quốc gia. Các kết quả nghiên cứu đều
cho thấy mục tiêu chung là lựa chọn phương pháp đánh giá hiệu ứng động sát nhất với
thực tế, đưa ra những lời khuyên, kiến nghị nhằm đánh giá an toàn và hiệu quả kinh tế
cho kết cấu Jacket khi chịu tải trọng sóng ứng với điều kiện cụ thể của từng vùng biển.

1.2.2.2. Các công bố của Việt Nam
Đối với vấn đề hiệu ứng động, qua đọc và tìm hiểu các tài liệu, ta thấy hầu hết
các tài liệu, cơng bố đều có nhận định như Hình 1.1 sau đây:

Hình 1.1. Phản ứng động điển hình và quan hệ giữa u0 và /1
1.3. Đánh giá các nghiên cứu đã công bố, đề xuất hướng nghiên cứu của luận án
1.3.1. Đánh giá chung về các nghiên cứu đã công bố
(1) Đánh giá về quy tắc “3,0 sec hoặc 2,5 sec” trong các tiêu chuẩn hiện hành.
(2) Đánh giá về quy tắc của Barltrop, N.D.P.
(3) Đánh giá về vùng cộng hưởng.
(4) Khảo sát giới hạn chu kỳ DĐR [T1] cho các quan niệm (1), (2), (3) nêu trên
ứng với điều kiện biển Việt Nam, nhận thấy:


7

- Giới hạn [T1] tính theo quan niệm nêu trên có giá trị khác nhau.
- Với quy định  =  /1 = 0,75 (trong các lý thuyết ĐLH tổng quát) thì giá trị
giới hạn [T1] lớn nhất và lớn hơn rất nhiều so với quan niệm của các tiêu chuẩn hiện
hành về cơng trình biển dạng Jacket.
- Các tiêu chuẩn DNV, API, ISO, PTS, NORSOK cho các giá trị [T1] khá tương
đồng, tuy nhiên các giá trị không bằng nhau.
1.3.2. Đề xuất hướng nghiên cứu của luận án
Luận án đặt vấn đề nghiên cứu, đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng tác
dụng lên kết cấu khối chân đế của cơng trình biển cố định bằng thép (kiểu Jacket) trong
bài toán bền và bài toán mỏi nhằm đánh giá an toàn của kết cấu khi xây dựng ở vùng
biển có độ sâu nước đến 150 m và áp dụng vào điều kiện biển Việt Nam để phục vụ
thiết thực cho việc thiết kế các giàn khai thác cố định đang được sử dụng phổ biến hiện
nay.
1.4. Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nội dung 1: Tổng hợp, phân tích lý thuyết từ đó lựa chọn lý thuyết để phục vụ
đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu khối chân đế của cơng trình biển
cố định bằng thép theo mơ hình sóng tiền định.
- Nội dung 2: Đánh giá các ảnh hưởng động của tải trọng sóng lên kết cấu cơng
trình biển cố định bằng thép xây dựng ở vùng nước có độ sâu đến 150 m tại thềm lục
địa Việt Nam với mô hình tựa tĩnh và mơ hình động lực học tiền định, để làm cơ sở để
đối chiếu với các kết quả nghiên cứu của luận án trong điều kiện biển của Việt Nam.
- Nội dung 3: Nghiên cứu đưa ra phạm vi cũng như các khuyến cáo khi áp dụng
các phương pháp tính để tính tốn kết cấu cơng trình biển cố định bằng thép xây dựng
ở vùng nước có độ sâu đến 150 m, dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế
các cơng trình biển cố định bằng thép trong điều kiện môi trường biển tại Việt Nam.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG ĐỘNG
CỦA TẢI TRỌNG SÓNG LÊN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
BẰNG THÉP TRONG BÀI TỐN BỀN VÀ BÀI TỐN MỎI
Chương 2 trình bày cụ thể tính tốn kết cấu Jacket chịu tải trọng sóng tiền định
theo mơ hình tựa tĩnh và mơ hình động; Tính tốn kiểm tra bền và mỏi tiền định kết
cấu Jacket; Lựa chọn, phát triển công thức đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng
lên kết cấu Jacket; Xây dựng các sơ đồ thuật toán kiểm tra bền và mỏi kết cấu Jacket
phục vụ đánh giá hiệu ứng động.
2.1. Tải trọng sóng
+ Dạng gốc của phương trình Morison.


8

F (t) là tải trọng sóng trên đơn vị chiều dài cột có đường kính DO, thì phương trình
Morison gồm 2 thành phần như sau:
F(t)  0,5CD DO v v  CM Av

(2.1)

+ Dạng mở rộng của phương trình Morison.
F(t)  0,5CD DO v-u (v-u)  Av  Cm A(v  u)

(2.2)

+ Dạng tuyến tính của phương trình Morison với mơ hình tiền định.
ˆ  CM Av  CDDO vu
ˆ  (CM  1)Au
Fi  0,5CDDO v.v

(2.3)

trong đó  là mật độ nước; DO là đường kính cột; A là diện tích mặt cắt ngang của cột;
CD và CM là hệ số cản vận tốc và hệ số quán tính; v và v là vận tốc và gia tốc của phần
tử nước; u và u là vận tốc và gia tốc của chuyển vị kết cấu; ( v  u  r ) là vận tốc tương
đối của phần tử nước so với kết cấu; ( v  u  r ) là gia tốc tương đối của phần tử nước


so với kết cấu; giá trị v được xác định gần đúng dựa trên điều kiện hiệu số giữa
( v .v ) và ( vˆ .v ) là tối thiểu theo nghĩa “bình phương cực tiểu”.
2.2. Bài tốn tĩnh kết cấu Jacket
Bài toán tĩnh của kết cấu Jacket được thể hiện bởi phương trình tổng quát của
phương pháp phần tử hữu hạn, có dạng sau:
[K] {U} = {F}
(2.4)
2.3. Bài tốn động lực học tiền định kết cấu Jacket
Phương trình động lực học tổng quát của kết cấu Jacket nhiều bậc tự do có dạng:

 M U  CU   K U  F(t)

 m1
 M   
 0

0 
 c11
 C 
  
c n1
m n 

c1n 
 k11
 K 
  
 k n1
cnn 

(2.5)
k1n 


k nn 

 F1 (t) 

F(t)  

F (t) 

 n 

trong đó [M] là ma trận khối lượng của hệ, tập trung tại nút kết cấu, dạng ma trận chéo;
[C] là ma trận hệ số cản tuyến tính của hệ; [K] là ma trận độ cứng của kết cấu, ma trận
vuông; {U} là véctơ chuyển vị nút của kết cấu; {F(t)} là véctơ tải trọng sóng được quy
về nút của kết cấu.
Để giải (2.5) ta lựa chọn phương pháp giải bài toán động lực học tiền định bằng
phương pháp chồng mode (chồng nghiệm). Phương pháp chồng mode cho phép đưa
bài toán dao động của hệ n bậc tự do tuyến tính về n bài toán 1 bậc tự do là bài tốn đã
có sẵn nghiệm.
2.4. Kiểm tra bền kết cấu Jacket
Độ bền kết cấu khối chân đế được đánh giá theo phương pháp ứng suất cho phép.
σ ≤ [σ] = R ; R=

Rk
γ

(2.6)


9

Ứng suất tổng cộng tại tiết diện đang xét của kết cấu tại thời điểm nào đó được
xác định như sau:
(2.7)
σ = σw + σ
̅
Ứng suất pháp trong thanh có tiết diện vành khuyên như sau:


N a Mu

A
Wu

(2.8)

trong đó σ là ứng suất trong kết cấu; σw là ứng suất do tải trọng sóng; σ
̅ là ứng suất do
các tải trọng tĩnh khác gây ra;    là ứng suất pháp cho phép; R là khả năng chịu lực
của vật liệu; Rk là cường độ của vật liệu; γ là hệ số an toàn; Na là lực dọc; Mu là mơmen
uốn; A là diện tích tiết diện; Wu là mômen kháng uốn; α là hệ số uốn dọc.
Việc kiểm tra bền kết cấu được thực hiện theo yêu cầu của “Trạng thái giới hạn
cực đại” (ULS) với hai điều kiện: điều kiện bão thiết kế cực hạn và điều kiện mơi
trường hoạt động (vận hành).
2.5. Tính tốn mỏi tiền định kết cấu Jacket
Luận án lựa chọn tính tốn mỏi trong giai đoạn 1 theo P-M: phương pháp tính mỏi
dựa trên thí nghiệm cịn gọi là phương pháp Palmgren - Miner (P-M), phương pháp
này dựa trên đường cong mỏi thực nghiệm S-N, tính phá huỷ mỏi ở giai đoạn 1.
Ta có thể tính được tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong 1 TTB ngắn hạn thứ i, gồm
Mi nhóm ứng suất:
Di =

Mi

nj

j1

j

N

(2.9)

Điều kiện kiểm tra không bị phá huỷ mỏi:
D () =  Di  [D]

(2.10)



Xác định được tuổi thọ mỏi thiết kế tại điểm nóng khảo sát:
FL = [D] {

M Mij

p ji

 T N
i 1 j1

ji

} -1 (sec)

(2.11)

ji

trong đó nj là số chu trình ứng suất trong nhóm thứ j, có số gia ứng suất S j (j = 1, Mi);
NJ là số chu trình ứng suất gây phá huỷ mỏi ứng với Sj (tra đường cong mỏi S-N); [D]
là tỷ số tổn thất mỏi gây phá huỷ; p ji % là tỷ lệ % phần thời gian của nhóm số gia ứng
suất Sj trong TTB thứ i; Tji là chu kỳ của nhóm ứng suất Sj trong TTB thứ i.
2.6. Đánh giá hiệu ứng động
2.6.1. Hiệu ứng động đối với bài toán bền
+ Hiệu ứng động đối với mơ hình tính tựa tĩnh: DAFQS được đánh giá thơng qua
hệ số khuếch đại động - DAF (hay chính là hệ số động - Kđ) như sau:


10

1

DAFQS = K d 

(2.12)

(1   2 ) 2  (2) 2

+ Hiệu ứng động đối với mơ hình động lực học: trong nghiên cứu cụ thể này, ta
thực hiện đánh giá hiệu ứng động một cách tổng quát như sau:
Tổng lực cắt đáy trong phản ứng động
DAFD =
(2.13)
Tổng lực cắt đáy trong phản ứng tĩnh

Hình 2.1. Hiệu ứng động được điều chỉnh bằng lực cắt đáy
2.6.2. Hiệu ứng động đối với bài tốn mỏi
Xét 1 con sóng thứ j, hiệu ứng động trong bài toán mỏi được đánh giá thông qua

tỷ số tổn thất mỏi thứ j như sau:
DAFFj 

D Dj
D tj

 (DAFDj ) m

(2.14)

với DAFDj được xác định theo công thức số (2.12) hoặc (2.13) tùy thuộc vào việc lựa
chọn giải bài tốn theo mơ hình tựa tĩnh hay mơ hình động.
Khi đó, hiệu ứng động trong bài toán mỏi gồm M trạng thái biển ngắn hạn được
xác định như sau:
M

DAFF 

Mi

 D
i 1
M

j1
Mi

i 1

j1

M

Dij

 D


tij

Mi

 D
i 1

j1
M

tij

(DAFDij ) m

 D
i 1

(2.15)

Mi

j1

tij

2.6.3. Nhận xét về hiệu ứng động trong kiểm tra bền và mỏi
Qua phân tích ở trên rõ ràng nhận thấy, hiệu ứng động trong bài toán mỏi (DAFF)
lớn hơn hiệu ứng động trong bài toán bền (DAF - DAFQS hoặc DAFD), với lý do chính
sau:
- Số liệu sóng tính mỏi (tập hợp của nhiều TTB ngắn hạn thống kê trung bình
trong dài hạn) có chu kỳ ngắn và các chiều cao sóng nhỏ hơn nhiều so với sóng trong
tính tốn bền (1 trạng thái biển - bão cực đại, có chu kỳ dài hơn và chiều cao sóng lớn).


11

- Hiệu ứng động trong tính tốn mỏi DAFF được đánh giá thông qua tỷ số tổn thất
mỏi như công thức (2.14) và (2.15) sẽ cho giá trị lớn hơn nhiều so với giá trị đánh giá
hiệu ứng động thông thường thông qua DAFQS hay DAFD, do DAFF phụ thuộc vào hệ
số mũ m trong đường cong mỏi S-N, với m ≥ 3.
2.6.4. Sơ đồ thuật toán áp dụng đánh giá hiệu ứng động

Hình 2.2. Mơ hình các bài tốn và
phương pháp giải được lựa chọn

Hình 2.3. Sơ đồ tổng qt tính tốn kiểm tra bền, mỏi theo
mơ hình tựa tĩnh và mơ hình động

Hình 2.4. Sơ đồ thuật tốn tính tốn kiểm tra bền

Hình 2.5. Sơ đồ thuật tốn tính tốnkiểm tra mỏi

2.7. Các nội dung đạt được trong chương 2
- Chương 2 đã trình bầy cơ sở lý thuyết để phân tích tĩnh và phân tích động lực
học tiền định kết cấu cơng trình biển kiểu Jacket. Trình bầy cơ sở lý thuyết để tính tốn
kiểm tra bền và mỏi của kết cấu Jacket theo mơ hình tựa tĩnh và mơ hình động lực học
tiền định.
- Lựa chọn phương pháp đánh giá hiệu ứng động trong tính tốn kiểm tra bền và
kiểm tra mỏi của kết cấu công trình biển kiểu Jacket. Lựa chọn được các cơng thức


12

đánh giá hiệu ứng động đối với bài toán bền và phát triển được công thức đánh giá hiệu
ứng động đối với bài tốn mỏi của kết cấu cơng trình biển kiểu Jacket khi phân tích kết
cấu theo phương pháp tựa tĩnh và phương pháp động lực học tiền định.
- Xây dựng được các sơ đồ thuật toán để thực hiện đánh giá hiệu ứng động trong
tính tốn, kiểm tra bền và kiểm tra mỏi kết cấu Jacket theo mô hình tựa tĩnh cũng như
mơ hình động lực học tiền định.
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG LÊN
KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP CHO ĐIỀU KIỆN
BIỂN VIỆT NAM
Đánh giá hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu cơng trình biển cố định
bằng thép ứng với một điều kiện biển cụ thể, ta cần quan tâm đến các yếu tố chính đó
là: chu kỳ DĐR của kết cấu; chu kỳ của sóng biển; tỷ số cản; hà bám.
Thông qua cấu tạo điển hình của các Jacket được xây dựng ở Việt Nam trong thời
gian qua, từ đó xây dựng một số dạng Jacket điển hình nhằm đánh giá hiệu ứng động
của tải trọng sóng lên kết cấu cơng trình biển cố định bằng thép khi xây dựng ở vùng
nước nông đến vùng nước sâu, ứng với điều kiện biển Việt Nam.
3.1. Quan hệ độ sâu nước và hiệu ứng động
Giả sử T không đổi với một điều kiện biển nhất định, ta xét sự biến đổi của T1 khi
độ sâu nước của Jacket tăng dần thông qua một kết cấu đơn giản theo sơ đồ rút gọn dạng

dầm conson tương đương 1 bậc tự do.
Tmax  T1  2

M
ML3
 2
K
3EI

(3.1)

Rõ ràng qua công thức (3.1), nhận thấy khi độ sâu nước của cơng trình tăng dẫn
đến giá trị L tăng (ngồi ra cịn chưa kể đến khối lượng M cũng tăng), dó đó giá trị T1
tăng, nên tỷ số  

T1
trong cơng thức (1.3) tăng. Nếu tiếp tục tăng L dẫn đến tỷ số 
T

tăng sát đến giá trị 1, lúc này hiệu ứng động Kđ sẽ tăng vọt đáng kể.
3.2. Quan hệ tỷ số cản và hiệu ứng động
Đối với hệ một bậc tự do, tỷ số cản trong công thức (1.3) được xác định như sau:


C
C

Ccr 2 KM

(3.2)

trong đó C là hệ số cản; Ccr là hệ số cản giới hạn.
Hệ cố cản C bao gồm cản kết cấu, cản thủy động lực, cản đất nền. Cản kết cấu
phụ thuộc vào thiết kế. Tỷ số cản kết cấu điển hình dự kiến từ 1% ÷ 3%; Cản đất nền
phụ thuộc vào cấu tạo móng và điều kiện đất nền, có nghĩa là cản đất nền sẽ phụ thuộc
vào thiết kế và vị trí xây dựng. Tỷ số cản đất nền điển hình dự kiến từ 0% ÷ 2%; Cản


13

thủy động lực phụ thuộc vào kết cấu Jacket, hệ số cản thủy động lực và vận tốc tương
đối của phần tử nước so với kết cấu. Điều này có nghĩa là cản thủy động lực không chỉ
phụ thuộc vào thiết kế mà còn phụ thuộc vào điều kiện biển và sự phát triển của hà
bám. Tỷ số cản thủy động lực điển hình dự kiến từ 2% ÷ 4%; Các tiêu chuẩn hiện hành
qui định tổng tỷ số cản  đối với kết cấu Jacket thường lấy từ 2% ÷ 5%.
Chu kỳ DĐR của hệ có cản là Tc được xác định như sau:
Tc  2

M
K(1  2 )

(3.3)

Qua khảo sát, ta nhận thấy rằng đối với hệ có cản nhỏ (từ 2%÷10%), tần số vịng
tự nhiên của hệ có lực cản (ωc) hầu như bằng tần số vịng tự nhiên của hệ khơng có lực
cản (ω), với tỷ số cản  =10% thì ωc = 99,50% ω.
3.3. Quan hệ hà bám và hiệu ứng động
Trong thực tế, mỗi vùng biển khác nhau sẽ có điều kiện mơi trường khác nhau
nên sự phát triển của sinh vật biển là khác nhau, do đó số liệu hà bám của các vùng
biển là khác nhau.

Các vấn đề ảnh hưởng của hà bám lên kết cấu Jacket cần quan tâm khi đánh giá
hiệu ứng động của tải trọng sóng tác động lên kết cấu Jacket, bao gồm:
(1) Tăng trọng lượng kết cấu.
(2) Tăng chu kỳ dao động riêng của kết cấu.
Hà bám sẽ làm tăng khối lượng kết cấu Mr và khối lượng nước kèm Ma. Những
sự gia tăng khối lượng này sẽ làm tăng chu kỳ DĐR T1 của kết cấu, cụ thể xem công
thức (3.4) sau:
T1  2

Mr  Ma
(M r  M a ) L3
M
 2
 2
K
K
EI

(3.4)

Do vậy, theo công thức (1.3) khi tăng T1 dẫn đến tăng hiệu ứng động Kđ
(3) Tăng tải trọng sóng.
- Tăng tải trọng sóng do tăng đường kính cột: Sự gia tăng của chiều dày hà bám
sẽ làm tăng đường kính.
- Tăng tải trọng sóng do tăng độ nhám bề mặt: Sự gia tăng độ nhám bề mặt này
sẽ làm thay đổi hệ số thủy động lực học (hệ số cản CD và hệ số qn tính CM).
(4) Tăng tính khơng ổn định của dịng chảy.
3.4. Nhận xét và lựa chọn các thơng số phục vụ tính tốn khảo sát
Qua phân tích cụ thể một kết cấu đơn giản theo sơ đồ rút gọn dạng dầm conson
tương đương 1 bậc tự do ở trên nhận thấy, chu kỳ DĐR của kết cấu (T1), chu kỳ sóng

biển (T), tỷ số cản , chiều dày hà bám là những yếu tố ảnh hưởng đến đánh giá hiệu
ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu Jacket. Trong đó, độ sâu nước khi xây dựng


14

các cơng trình Jacket là một trong các yếu tố quan trọng liên quan đến đánh giá hiệu
ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu Jacket.
Đối với nghiên cứu này, ứng với điều kiện biển cụ thể ở Việt Nam, để khảo sát
hiệu ứng động của tải trọng sóng lên kết cấu Jacket khi xây dựng từ vùng nước nông
đến vùng nước sâu, ta lựa chọn các thông số của tỷ số cản, hà bám và hệ số thủy động
lực học như sau:
- Tỷ số cản  = 2% cho cả bài toán kiểm tra bền và kiểm tra mỏi.
- Kết cấu Jacket có hà bám lấy hệ số cản CD = 1,05, hệ số quán tính CM = 1,2 cho
kiểm tra bền; hệ số cản CD = 0,80, hệ số quán tính CM = 2 cho kiểm tra mỏi.
- Số liệu chiều dầy hà bám thiết kế ứng với điều kiện biển phía nam Việt Nam.
3.5. Đặc điểm kết cấu Jacket ở Việt Nam
Kết cấu khối chân đế ở Việt Nam hiện nay hầu hết có dạng điển hình là hình chóp
cụt dạng 4 ống chủ, 8 ống chủ, và 12 ống chủ, số lượng vách ngang từ 3-6, cọc được
lồng trong ống chủ hoặc sử dụng cọc váy, độ sâu nước được trải dài từ 30 m ÷130 m,
vật liệu là thép ống theo tiêu chuẩn API 5L hoặc tương đương.
Qua bảng thống kê các thông số kỹ thuật chính (Kiểu chân đế; Số vách ngang;
Số lượng cọc; Độ sâu nước; Chu kỳ DĐR) của 82 công trình biển kiểu Jacket xây dựng
trong thời gian gần đây (tính đến tháng 9/2017), ta xây dựng được đồ thị quan hệ độ
sâu nước d0 và chu kỳ dao động riêng T1 của Jacket đã xây dựng ở Việt Nam.
3.6. Thơng số chính của Jacket sử dụng để đánh giá hiệu ứng động
Bảng 3.1. Thông số cơ bản kết cấu các Jacket dùng để thực hiện tính tốn khảo sát
Thơng số chính
Jacket 01 Jacket 02 Jacket 03
Độ sâu nước (m)

65
90
120
Kích thước thượng tầng (m)
24x28
24x28
24x28
Số lượng ống chính
4
4
4
Số lượng vách ngang
4
5
6
Đường kính ống chính (mm)
1650x25
1965x30
2290x40
Trọng lượng thượng tầng (T)
1680,3
1680,3
1680,3
Trọng lượng khối chân đế (T)
3526,4
4951,9
7804,8
Chu kỳ dao động riêng T1 - Hoạt động (s)
2,144
2,800

3,287
Chu kỳ dao động riêng T1 - Bão cực hạn (s)
2,110
2,775
3,266
3.7. Thơng số sóng biển sử dụng để đánh giá hiệu ứng động
Số liệu sóng biển được lấy theo điều kiện biển tại vị trí thăm dị khai thác dầu
khí lơ số 01/97 và số 02/97 của vùng biển phía Nam, Việt Nam.
3.8. Phần mềm và tiêu chuẩn áp dụng tính tốn


15

+ Phần mềm sử dụng trong tính tốn khảo sát là phần mềm SACS.
+ Tiêu chuẩn áp dụng trong tính toán là API RP2A-WSD năm 2000.
3.9. Kết quả đánh giá hiệu ứng động
3.9.1. Hiệu ứng động đối với bài toán kiểm tra bền
- Hiệu ứng động khi giải theo phương pháp động (DAFD) có xu thế sẽ bắt đầu lớn
hơn hiệu ứng động khi giải theo phương pháp tựa tĩnh (DAF QS) ở cơng trình có độ sâu
nước xấp xỉ lớn hơn 90 m.
- Với độ sâu 65 m nước (T1 = 2,1 sec), lúc này sự chênh lệch giữa phương pháp
động và phương pháp tựa tĩnh là ~ -1.5%; Với độ sâu 90 m nước (T1 = 2,8 sec), lúc này
sự chênh lệch giữa phương pháp động và phương pháp tựa tĩnh là ~ 3%; Với độ sâu
120 m nước (T1=3,2 sec), lúc này sự chênh lệch giữa phương pháp động và phương
pháp tựa tĩnh là ~ 12%; Cụ thể xem tổng hợp kết quả tính tốn bền Hình 3.1 dưới đây.

Hình 3.1. Các giá trị DAFQS, DAFD - Jacket 01, Jacket 02 và Jacket 03
3.9.2. Hiệu ứng động đối với bài toán kiểm tra mỏi
- Hiệu ứng động khi giải theo phương pháp động (DAF D) có xu thế sẽ bắt đầu lớn
hơn hiệu ứng động khi giải theo phương pháp tựa tĩnh (DAF QS) ở cơng trình có độ sâu

nước xấp xỉ lớn hơn 90 m.
- Đánh giá hiệu ứng thông qua tỷ số tổn thất mỏi (DAFF) sẽ cho giá trị lớn hơn rất
nhiều so với đánh giá hiệu ứng động thông qua DAFQS hay DAFD.
- Với độ sâu 65 m nước (T1 = 2,1 sec), lúc này sự chênh lệch giữa phương pháp
động và phương pháp tựa tĩnh là ~ -1.5%; Với độ sâu 90 m nước (T1 = 2,8 sec), lúc này
sự chênh lệch giữa phương pháp động và phương pháp tựa tĩnh là ~ 4%; Với độ sâu
120 m nước (T1=3,2 sec), lúc này sự chênh lệch giữa phương pháp động và phương
pháp tựa tĩnh là ~ 12%; Cụ thể xem tổng hợp kết quả tính tốn mỏi Hình 3.2 dưới đây.


16

Hình 3.2. Các giá trị DAFQS, DAFD, DAFF - Jacket 01, Jacket 02 và Jacket 03
3.11. Các nội dung đạt được trong chương 3
- Chương 3 đã phân tích quan hệ của độ sâu nước và hiệu ứng động của tải trọng
sóng tác dụng lên kết cấu Jacket, có xét đến ảnh hưởng của tỷ số cản và chiều dày hà
bám. Độ sâu nước liên quan mật thiết với độ cứng cơng trình, do đó chu kỳ dao động
riêng của Jacket sẽ tăng khi độ sâu nước tăng dẫn đến hiệu ứng động sẽ tăng, ứng với
một điều kiện biển cụ thể.
- Đã thống kê được các đặc điểm chính của các kết cấu cơng trình dạng Jacket đã
và đang xây dựng ở Việt Nam tính đến tháng 9/2017. Xây dựng được đồ thị mô tả mối
quan hệ giữa chu kỳ dao động riêng lớn nhất (Tmax) của kết cấu khối chân đế dạng
Jacket với độ sâu nước tại vị trí xây dựng cơng trình. Đồ thị xây dựng ở chương 3 cho
thấy chu kỳ dao động riêng lớn nhất của kết cấu khối chân đế kiểu Jacket đã xây dựng
trong thực tế có xu hướng tăng dần theo chiều tăng của độ sâu nước tại vị trí xây dựng
cơng trình.
- Kết quả khảo sát cho 03 cơng trình Jacket xây dựng ở các độ sâu nước tăng dần
lần lượt là: 65 m (T1 ≈ 2,1 sec) , 90 m (T1 ≈ 2,8 sec) và 120 m (T1 ≈ 3,2 sec), ứng với
điều kiện biển Việt Nam cho thấy:
+ Đối với bài tốn bền: Phương pháp phân tích tựa tĩnh cho kết quả hiệu ứng

động lớn hơn ~ 3% so với phương pháp phân tích động lực học đối với cơng trình xây
dựng ở vùng nước có độ sâu nhỏ hơn 90 m. Ngược lại, phương pháp phân tích tựa tĩnh
cho kết quả hiệu ứng động nhỏ hơn ~ 3% so với phương pháp phân tích động lực học
đối với cơng trình xây dựng ở vùng nước có độ sâu lớn hơn 90 m.
+ Đối với bài toán mỏi: Phương pháp phân tích tựa tĩnh cho kết quả hiệu ứng
động lớn hơn ~ 4% so với phương pháp phân tích động lực học đối với cơng trình xây
dựng ở vùng nước có độ sâu nhỏ hơn 90 m. Ngược lại, phương pháp phân tích tựa tĩnh


17

cho kết quả hiệu ứng động nhỏ hơn ~ 4% so với phương pháp phân tích động lực học
đối với cơng trình xây dựng ở vùng nước có độ sâu lớn hơn 90 m.
+ Hiệu ứng động trong bài toán mỏi: Khi đánh giá hiệu ứng động trong tính
tốn mỏi cần thiết phải đánh giá thông qua tỷ số thất mỏi do lúc này giá trị hiệu ứng
động (DAFF) sẽ cho giá trị lớn hơn rất nhiều (với hệ số mũ m, m > 3) so với đánh giá
hiệu ứng động thông thường (DAFQS hay DAFD).
+ Chênh lệch giữa phương pháp tính động và phương pháp tựa tĩnh: Tăng
dần theo độ sâu nước, cụ thể: Với độ sâu 65 m nước (T 1 ≈ 2,1 sec) chênh lệch là
~ -1.5%; với độ sâu 90 m nước (T1 ≈ 2,8 sec) chênh lệch là ~ 3% ÷ 4%; Với độ sâu 120
m nước (T1 ≈ 3,2 sec) chênh lệch là ~ 12%. Dựa trên xu thế của đồ thị Hình3.38 và
Hình 3.39 cho thấy với các giàn cố định kiểu Jacket có độ sâu nước > 70 m ÷ 75 m thì
kết quả giải theo phương pháp động sẽ cho hiệu ứng động lớn hơn phương pháp tựa
tĩnh khi tính tốn kiểm tra bền và mỏi.
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ GIÀN CỐ ĐỊNH CÓ KẾT CẤU KIỂU
JACKET CHO ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM
Chương 3 đã đánh giá được xu thế ảnh hưởng động của tải trọng sóng lên kết cấu
Jacket xây dựng ở vùng nước nông đến vùng nước sâu, trong tính tốn kiểm tra bền và
mỏi dựa trên cơ sở lý thuyết trong chương 2. Sau đây, trong chương 4 ta sẽ tiến hành
áp dụng tính tốn thực tế cho một số giàn cố định dạng Jacket đã xây dựng ở Việt Nam,

với điều kiện biển cụ thể. Các kết quả tính tốn theo quan điểm của luận án sẽ được so
sánh với kết quả tính tốn thực tế của dự án, nhằm đưa ra những nhận xét, kết luận
trong việc đánh giá ảnh hưởng động của tải trọng sóng lên kết cấu cơng trình biển cố
định bằng thép, khi áp dụng vào điều kiện Việt Nam.
4.1. Số liệu đầu vào
4.1.1. Số liệu về cơng trình
Bảng 4.1. Thơng số chính các giàn WHP dùng để áp dụng tính tốn
WHP - Thái
WHP - Thăng
WHP - Đại
Thơng số chính
Bình
Long
Hùng
Độ sâu nước (m)
29,2
65
110
Số lượng ống chính
Chu kỳ DĐR (sec)

03
OP: T1 = 1,848
ST: T1 = 2,008

04
OP: T1 = 2,587
ST: T1 = 2,554

04

OP: T1 = 2.71
ST: T1 = 2,69


18

Thơng số chính

Tiêu chuẩn áp dụng
chính

WHP - Thái
WHP - Thăng
WHP - Đại
Bình
Long
Hùng
- API RP 2A- - API RP 2A- - API RP 2AWSD (2000)
WSD (2000)
WSD (2000)
- PTS 34.19.10.30
(2010)

Giới hạn tính tựa tĩnh
(sec)

T1 ≤ 2,5

T1 ≤ 3,0

T1 ≤ 3,0

Năm tính tốn thiết kế

2011-2012

2010-2011

2008-2009

Năm tính tốn mở rộng
khả năng khai thác

-

-

2011; 2013;
2014; 2017.

2015

2013

2011

Năm xây dựng

4.1.2. Số liệu về sóng thiết kế, hà bám
Số liệu sóng, chiều dày hà bám của giàn WHP Thái Bình, WHP Thăng Long và

WHP Đại Hùng được lấy dựa trên số liệu từ báo cáo của FUGRO và BMT ARGOSS
tại vị trí xây dựng cơng trình.
4.2. So sánh kết quả hiệu ứng động của WHP-Thái Bình
4.2.1. Kết quả kiểm tra bền
Kết quả khảo sát thực tế giàn WHP - Thái Bình cho thấy: Giá trị DAFda là kết quả
tính tốn tựa tĩnh của dự án và được áp dụng cho tất cả các hướng khi kiểm tra bền kết
cấu Jacket; Giá trị DAFQS tính riêng cho các hướng và đều lớn hơn DAFda của dự án,
đối với hướng 450 (NE) có chiều cao sóng lớn nhất cho kết quả DAFQS ≈ DAFda; Giá
trị DAFD là tính riêng cho các hướng và đều lớn hơn DAFda của dự án. Cụ thể xem các
bảng so sánh sau đây.
Bảng 4.2. Hiệu ứng động điều kiện hoạt động
Trường
hợp

Vận
hành

Điều kiện tải trọng

Hướng
(Độ)

Tải trọng thượng tầng
lớn nhất – Độ sâu
nước lớn nhất – Điều
kiện hoạt động

0
45
90

135
180
225
270
315

DAFda

DAFQS

DAFD

1,09

1,097
1,094
1,165
1,499
2,965
1,158
1,097
1,127

1,095
1,091
1,163
1,499
2,966
1,155
1,098

1,126


19

Bảng 4.3. Hiệu ứng động trạng thái bão cực hạn
Trường
hợp

Bão cực
hạn

Điều kiện tải trọng

Hướng
(Độ)
0
45
90
135
180
225
270

Tải trọng thượng tầng
lớn nhất – Độ sâu
nước lớn nhất – Trạng
thái bão cực hạn

DAFda

1,05

315

DAFQS

DAFD

1,075
1,049
1,117
1,212
1,279
1,095
1,077

1,072
1,046
1,115
1,213
1,280
1,093
1,075

1,087

1,086

4.2.2. Kết quả kiểm tra mỏi

Kết quả khảo sát kiểm tra mỏi giàn WHP - Thái Bình cho thấy: Giá trị tổn thương
tích lũy mỏi Dda là kết quả dựa trên tính tốn động lực học của dự án và có giá trị ≈ D D,
sai số không đáng kể (đều ≈ 1%); Giá trị Dda có giá trị > DQS (tính tốn tựa tĩnh), sai số
là đáng kể (trung bình đều > 5%). Cụ thể xem bảng so sánh sau đây.
Bảng 4.4. Kết quả tính tốn tổn thương tích lũy mỏi và hiệu ứng động
Tổn thương tích lũy mỏi (D)
Đường
kính
(cm)

Chiều
dày
(cm)

Loại
nút

R021

61,00

2,00

8303

61,00

8303

Hiệu ứng động mỏi

Dda

DQS

Chênh
lệch DQS
và Dda
(%)

T

0,618

0,601

-2,751

0,618

0,000

1,343

1,365

2,00

T

0,249

0,223

-10,442

0,248

-0,402

1,356

1,376

156,70

6,000

T

0,098

0,079

-19,388

0,097

-1,020

1,409

1,456

4004

137,2

5,00

K

0,021

0,019

-9,524

0,021

1,405

1,478

8302

156,70

6,000

T

0,109

0,101

-7,339

0,108

0,000
-0,917

1,367

1,406

Nút

DD

Chênh
lệch DD và
DAFF-QS
Dda
(%)

DAFF-D

4.3. So sánh kết quả hiệu ứng động của WHP-Thăng Long

4.3.1. Kết quả kiểm tra bền
Khảo sát thực tế giàn WHP - Thăng Long cho thấy: Giá trị DAFda là kết quả tính
tốn tựa tĩnh của dự án và được áp dụng cho tất cả các hướng khi kiểm tra bền kết cấu
Jacket; Giá trị DAFQS tính riêng cho các hướng và đều lớn hơn DAF da của dự án. Đối
với hướng 450 (NE) có chiều cao sóng lớn nhất cho kết quả DAF QS ≈ DAFda; Giá trị
DAFD là tính riêng cho các hướng và đều lớn hơn DAFda của dự án. Cụ thể xem các
bảng so sánh sau đây.


20

Bảng 4.5. Hiệu ứng động điều kiện hoạt động
Trường
Hướng
Điều kiện tải trọng
DAFda
DAFQS
hợp
(Độ)
0
1,139
45
1,066
90
1,127
Tải trọng thượng tầng
135
1,050
Vận
lớn nhất – Độ sâu nước

1,06
hành
lớn nhất – Điều kiện
180
1,050
hoạt động
225
1,123
270
1,143
315
1,211
Bảng 4.6. Hiệu ứng động điều kiện bão cực hạn
Trường
Hướng
Điều kiện tải trọng
DAFda
DAFQS
hợp
(Độ)
0
1,090
45
1,044
90
1,081
Tải trọng thượng tầng
135
1,036
Bão cực

lớn nhất – Độ sâu
1,04
hạn
nước lớn nhất – Điều
180
1,037
kiện bão cực hạn
225
1,080
270
1,094
315
1,131

DAFD
1,141
1,067
1,129
1,051
1,051
1,126
1,146
1,215

DAFD
1,091
1,045
1,083
1,037
1,038

1,082
1,096
1,134

4.3.2. Kết quả kiểm tra mỏi
Kết quả khảo sát kiểm tra mỏi giàn WHP - Thăng Long cho thấy: Giá trị tổn
thương tích lũy mỏi Dda là kết quả dựa trên tính tốn động lực học của dự án và có giá
trị ≈ DD, sai số khơng đáng kể (đều ≈ 1%); Giá trị Dda có giá trị > DQS (tính tốn tựa
tĩnh), sai số là đáng kể (trung bình đều > 5%). Cụ thể xem bảng sau đây.
Bảng 4.7. Kết quả tính tốn tổn thương tích lũy mỏi và hiệu ứng động
Tổn thương tích lũy mỏi (D)
Đường
kính (cm)

Chiều
dày
(cm)

Loại
nút

Dda

315

50,80

2,50

T

315

106,68

3,80

L504

61,00

1,50

Nút

DQ-S

Chênh
lệch DQS
và Dda
(%)

0,931

0,872

T

0,359

K

0,960

Hiệu ứng động mỏi

DD

Chênh
lệch DD và
Dda
(%)

DAFF-QS

DAFF-D

-6,337

0,933

0,215

1,517

1,653

0,323

-10,028

0,361

0,557

1,512

1,667

0,879

-8,438

0,961

0,104

1,498

1,624


21

Tổn thương tích lũy mỏi (D)
Đường
kính (cm)

Chiều
dày

(cm)

Loại
nút

Dda

307

50,80

2,50

T

339

32,40

1,27

T

Nút

DQ-S

Chênh
lệch DQS
và Dda

(%)

0,632

0,523

0,413

0,389

Hiệu ứng động mỏi

DD

Chênh
lệch DD và
Dda
(%)

DAFF-QS

DAFF-D

-17,247

0,631

-0,158

1,545

1,667

-5,811

0,412

-0,242

1,598

1,685

4.4. So sánh kết quả đánh giá hiệu ứng của WHP-Đại Hùng
4.4.1. Kết quả kiểm tra bền
Kết quả khảo sát thực tế giàn WHP - Đại Hùng cho thấy: Giá trị DAFda là kết quả
tính tốn tựa tĩnh của dự án và được áp dụng cho tất cả các hướng khi kiểm tra bền kết
cấu Jacket; Giá trị DAFQS tính riêng cho các hướng và đều lớn hơn DAFda của dự án
(khi chưa nhân với hệ số an tồn). Đối với hướng 450 (NE) có chiều cao sóng lớn nhất
cho kết quả DAFQS ≈ DAFda.; Giá trị DAFD là tính riêng cho các hướng và đều lớn hơn
DAFda của dự án. Cụ thể xem các bảng so sánh sau đây.
Bảng 4.8. Hiệu ứng động điều kiện hoạt động
Trường
Hướng
Điều kiện tải trọng
DAFda DAFQ-S
DAFD
hợp
(Độ)
0

1,100
1,154
45
1,059
1,101
90
Tải trọng thượng tầng
135
lớn nhất – Độ sâu
Vận hành
1,150
nước lớn nhất – Điều
180
1,087
1,144
kiện hoạt động
225
1,105
1,179
270
315
Bảng 4.9. Hiệu ứng động điều kiện bão cực hạn
Trường
Hướng
Điều kiện tải trọng
DAFda DAFQ-S
DAFD
hợp
(Độ)
0

1,086
1,121
45
1,048
1,074
90
Tải trọng thượng tầng
135
Bão cực
lớn nhất – Độ sâu
1,110
hạn
nước lớn nhất – Điều
180
1,068
1,122
kiện bão cực hạn
225
1,084
1,123
270
315
-


22

4.4.2. Kết quả kiểm tra mỏi
Kết quả khảo sát kiểm tra mỏi giàn WHP - Đại Hùng cho thấy: Giá trị tổn thương
tích lũy mỏi Dda là kết quả tính tốn động lực học của dự án và có giá trị ≈ D D, sai số

không đáng kể (đều ≈ 1%); Giá trị Dda có giá trị > DQS (tính tốn tựa tĩnh), sai số là
đáng kể (trung bình đều > 10%). Cụ thể xem bảng sau đây.
Bảng 4.10. Kết quả tính tốn tổn thương tích lũy mỏi và hiệu ứng động
Tổn thương tích lũy mỏi (D)
Chênh
Chênh
lệch DQS
lệch DD và
DQS
DD
và Dda
Dda
(%)
(%)

Nút

Đường
kính (cm)

Chiều
dày
(cm)

6819

66,04

1,27

K

0,924

0,801

-13,312

0,923

2518

96,52

1,905

T

0,868

0,736

-15,207

6881

86,36

3,18

K

0,867

0,727

6900

119,52

3,25

K

0,823

6900

83,96

1,98

K

0,822

Loại
nút

Dda

Hiệu ứng động mỏi

DAFF-QS

DAFF-D

-0,108

1,690

1,791

0,869

0,115

1,679

1,768

-16,148

0,865

-0,231

1,676

1,756

0,706

-14,216

0,824

0,122

1,654

1,774

0,666

-18,978

0,821

-0,122

1,598

1,687

4.7. Các nội dung đạt được trong chương 4
Chương 4 đã khảo sát ba cơng trình là ba dự án thực tế đã xây dựng tại Việt Nam,
bao gồm: Giàn đầu giếng Thái Bình xây dựng ở độ sâu 29,2 m tại vùng biển vịnh Bắc
Bộ; Giàn đầu giếng Thăng Long ở độ sâu 65 m nước và giàn đầu giếng Đại Hùng xây
dựng ở độ sâu 110 m nước tại vùng biển Nam Việt Nam. Kết quả khảo sát ba cơng

trình nêu trên cho thấy:
- Các dự án thực tế hiện nay tại Việt Nam đều có xu hướng thiết kế các kết cấu
khá mềm (các kết cấu khảo sát đều có chu kỳ dao động riêng xấp xỉ 2 sec đến gần 3
sec). Tại các vùng nước nông (dưới 50 m nước) trong điều kiện biển Việt Nam, sóng
biển có chu kỳ và chiều cao sóng khá nhỏ và rất gần với chu kỳ dao động riêng của các
kết cấu cơng trình đang khảo sát. Các dự án thực tế đang khảo sát đều dùng kết quả
tính tựa tĩnh để tính tốn kiểm tra bền kết cấu cơng trình.
- Đối với giàn đầu giếng Thái Bình (xây dựng ở vùng nước nơng, có độ sâu nhỏ
hơn 50 m, vùng biển vịnh Bắc Bộ), bài toán tựa tĩnh cho kết quả hiệu ứng động lớn
hơn ~ 1% so bài tốn động, qua đó cho thấy bài tốn tựa tĩnh sẽ cho kết quả an tồn
hơn (hệ số sử dụng vật liệu lớn hơn) so với bài toán động khi kiểm tra bền.
- Đối với giàn đầu giếng Thăng Long (xây dựng ở vùng nước nông, có độ sâu
nhỏ hơn 100 m, vùng biển phía Nam Việt Nam), bài toán động cho kết quả xấp xỉ so
với bài tốn tựa tĩnh trong tính tốn kiểm tra bền và mỏi.


23

- Đối với giàn đầu giếng Đại Hùng (xây dựng ở vùng nước sâu, có độ sâu lớn
hơn 100 m, vùng biển phía Nam Việt Nam), bài tốn động cho kết quả lớn hơn ~ 10%
so với bài toán tựa tĩnh trong tính tốn kiểm tra bền và mỏi.
- Hệ quả từ các kết quả nghiên cứu của chương 4:
+ Xu thế hiệu ứng động của các Jacket được khảo sát từ thực tế ở Việt Nam nêu
trên hoàn toàn phù hợp với đồ thị Hình 3.1 và Hình 3.2 của chương 3.
+ Đối với các cơng trình có độ sâu nước dưới 50 m trong điều kiện môi trường
biển của Việt Nam, nếu thực hiện tính tốn động vẫn đảm bảo an tồn mà sẽ tiết kiệm
hơn tính tốn tựa tĩnh. Đối với các cơng trình có độ sâu nước trên 100 m trong điều
kiện môi trường biển của Việt Nam, cần phải thực hiện tính động để đảm bảo an tồn.
KẾT LUẬN
1. Kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận án

1.1. Kết quả đạt được của luận án
- Luận án đã tổng quan các nghiên cứu về hiệu ứng động của tải trọng sóng lên
kết cấu cơng trình biển cố định bằng thép (Jacket) ở Việt Nam cũng như trên thế giới.
Từ đó cho thấy sóng biển là khác nhau cho từng vùng biển với địa danh cụ thể. Do vậy,
không thể áp dụng chung quy tắc “3,0 sec hoặc 2,5 sec” để lựa chọn tính tựa tĩnh hay
tính động cho tất cả các vùng biển trên thế giới mà phải có quy định riêng cho từng
quốc gia và vùng biển cụ thể.
- Đã lựa chọn được các công thức đánh giá hiệu ứng động đối với bài tốn bền và
phát triển được cơng thức đánh giá hiệu ứng động đối với bài toán mỏi của kết cấu
cơng trình biển kiểu Jacket khi phân tích kết cấu theo phương pháp tựa tĩnh và phương
pháp động lực học tiền định.
- Đã xây dựng được các sơ đồ thuật toán để thực hiện đánh giá hiệu ứng động
trong tính tốn, kiểm tra bền và kiểm tra mỏi kết cấu Jacket theo mơ hình tựa tĩnh cũng
như mơ hình động lực học tiền định.
- Đã thống kê được các đặc điểm chính của các kết cấu cơng trình dạng Jacket đã
xây dựng ở Việt Nam tính đến tháng 9/2017. Xây dựng được đồ thị mô tả mối quan hệ
giữa chu kỳ dao động riêng lớn nhất (Tmax) của kết cấu khối chân đế dạng Jacket với
độ sâu nước tại vị trí xây dựng cơng trình trong điều kiện biển Việt Nam.
- Đã phân tích được quan hệ của độ sâu nước đến hiệu ứng động của tải trọng
sóng tác dụng lên kết cấu Jacket, có xét đến ảnh hưởng của tỷ số cản và chiều dày hà
bám.
- Ứng dụng phương pháp đánh giá hiệu ứng động và các sơ đồ thuật toán để thực
hiện đánh giá hiệu ứng động trong tính tốn, kiểm tra bền và kiểm tra mỏi kết cấu
Jacket theo mơ hình tựa tĩnh cũng như mơ hình động lực học tiền định để khảo sát một
số dự án thực tế đã xây dựng tại Việt Nam. Việc khảo sát thực tế đã cập nhật đầy đủ