3.1. Các tham số môi trường biển - Độ sâu mực nước trung bình: 49.4 - Đặc điểm về khí tượng thủy văn biển
+ Tốc độ gió thịnh hành nhất vào khoảng 6 – 10m/s
+ Tốc độ gió cực đại trong các cơn bão vào khoảng 45 – 50m/s + Tốc độ gió tính toán trong quá trình thi công là 46m/s
- Các yếu tố cực trị:
+ Chiều cao sóng: hw =14 (m) + Chu kỳ sóng: T = 8 (s)
+ Chiều dài sóng: λ = 161.898687529883 (m) + Vận tốc dòng chảy trên bề mặt và đáy:
Vm = 0 m/s Vđ = 0 m/s
+ Mật độ nước biển: ρ = 1.026 (tấn/m3) + Hệ số quán tính: Cm= 2
+ Hệ số cản: Cd = 1
- Thủy triều nước dâng: triều cường Ht = 2.17 m - Hướng sóng lớn nhất: Đông Bắc – Tây Nam.
- Địa hình địa mạo: công trình được xây dựng trên bãi đá ngầm cấu thành chủ yếu từ san hô.
3.2. Quy trình tính toán Các bước tính toán chính gồm:
Bước 1. Mô hình hóa kết cấu. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn mô tả kết cấu chú ý đến tương tác với nền móng và với phần thượng tầng.
Bước 2. Tính toán tải trọng sóng tác động lên mô hình cần tính bằng chương trình WF2000. Chú ý tính cho các trường hợp sóng cần tính toán sau:
Trường hợp tải trọng sóng Wave 0 – 0:
Trường hợp hướng sóng 0o, pha sóng 0o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 0 – 120:
Trường hợp hướng sóng 0o, pha sóng 120o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 0 – 240:
Trường hợp hướng sóng 0o, pha sóng 240o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 45 – 0:
Trường hợp hướng sóng 45o, pha sóng 0o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 45 – 120:
Trường hợp hướng sóng 45o, pha sóng 120o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 45 – 240:
Trường hợp hướng sóng 45o, pha sóng 240o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 90 – 0:
Trường hợp hướng sóng 90o, pha sóng 0o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 90 – 120:
Trường hợp hướng sóng 90o, pha sóng 120o. Trường hợp tải trọng sóng Wave 90 – 240:
Trường hợp hướng sóng 90o, pha sóng 240o.
Toàn bộ thượng tầng quy về tải trọng đặt vào các điểm trên cùng của chân đế
Bước 3. Phân tích kết cấu bằng chương trình SAP2000. Kết quả nhận được nội lực và chuyển vị cho tất cả chín trường hợp tải trọng. Kết quả nội lực đưa ra tại các mặt cắt khác nhau của phần tử, tùy theo yêu cầu. Ít nhất đưa ra ở ba mặt cắt là hai đầu dầm và giữa dầm. Từ nội lực có thể tính ứng suất tại những mặt cắt này
Bước 4: Tiến hành kiểm tra bền cho các cấu kiện thép hình trụ. Dưa vào kết quả tính nội lực
3.3. Thiết lập mô hình
Mô hình phần tử hữu hạn cho tầng 2 chân đế giàn khoan BK14 gồm 26 nút và 58 phần tử như trên Hình 5.
Tầng 2 được liên kết với tầng 3 ở phía trên, như vậy tương tác của tải trọng các tầng trên đối với tầng 2 được đặc trưng bởi các lực đặt tại các nút trên cùng của tầng 2.
3.4. Tính toán tải trọng sóng
Trong giới hạn đồ án chỉ nghiên cứu tính toán tải trọng cho giàn BK14 với các thông số về môi trường như sau: Mực nước tính toán 49.4m; Độ cao sóng 12m; Chu kì sóng 10s. Tính cho 3 hướng sóng: 00, 450 , 900. và mỗi hướng sóng tính cho 3 pha sóng: 00, 1200, 2400.
0 10 20 30 40 50 60
0.00 11.06
22.13 33.19
44.26 55.32
66.39 77.45
88.52 99.58
110.65 121.71
132.78 143.84
154.91 165.97
Hình 9: Mặt sóng tính toán
Tải trọng sóng tính bằng chương trình WF2000, theo qui trình tính sóng đã nêu trong chương I. Tải trọng sóng được giả thiết là có phân bố tuyến tính từng đoạn trên các phần tử thanh như hình 3. Tải trọng sóng phân bố tại các thanh cho cả chín trương hợp biểu diễn trên hình vẽ và bảng số trong phụ lục.
Chương trình tính sóng cho ra kết quả tính dưới dạng bảng số định dạng theo đầu vào của chương trình SAP2000. Tại từng phần tử ngập nước tải trọng sóng được tính cho bốn điểm theo phương trình Morison. Tải trong được mô ta như tải phân bố tuyến tính từng đoạn. Mỗi dòng trong file kết quả ra mô tả một hình thang là thành phần lực chiếu lên một trục nào đó. Như vậy đối với một phần tử ngập nước, cho từng trường hợp tải kết quả xuất ra thành chín dòng. Trong trương hợp cụ thể này số dòng kết quả in ra có thể lên đến >17000 dòng. Như vậy kết quả ra của chương trình tính sóng là đầu vào cho chương trình phân tích kết cấu.
Tải trọng cố định sẽ gồm trọng lượng bản thân của chân đế (tự động tính trong chương trình phân tích kết cấu. Tải trọng của phần thượng tầng đặt ở các nút
3.5. Phân tích kết cấu
Trên cơ sở chín trường hợp tải trọng tính được sử dụng chương trình SAP2000 phân tích kết cấu, kết quả nhận được:
- Chuyển vị tại từng nút cho từng trường hợp tải trọng và các hình vẽ dạng biến dạng của chân đế trình bày trong phụ lục 3.2.
- Nội lực ở từng thanh cho từng trường hợp tải trọng và hình vẽ biểu đồ nội lực của lực dọc trục và mô men uốn cho trong phụ lục 3.3.
Từ nội lực nhận được tiến hành tính ứng suất (xem phụ lục 4) tại các ba mặt căt của từng thanh: mặt cắt hai đầu và mặt cắt ở giữa thanh - ứng suất này là ứng suất danh định.
Trên cơ sở ứng suất danh định ta tiến hành kiểm tra các cấu kiện thép hình trụ.
Để biểu diễn việc kiểm tra ta chọn một số phần tử đại diện dựa trên tiêu chí - Đại diện cho từng loại tiết diện,
- Đại diện cho vị trí và vai trò của phân tử trong kết cấu ví dụ thanh chủ, thanh giằng ngang và thanh giằng chéo
- Các phần tử là những phần tử chịu lực chính của kết cấu
3.6. Tính toán kiểm tra thiết kế các cấu kiện thép hình trụ
Tiến hành kiểm tra cho các kết cấu thép với các trường hợp chịu lực khác nhau - Thanh chịu kéo (nén)
- Thanh chịu uốn - Thanh chịu xoắn
- Thanh chịu lực có kể đến áp lực thủy tĩnh trong ống
Trước khi kiểm tra bền ta tính các ứng suất cho phép cho kéo và ứng suất tiếp đối với vật liệu thép Fy=345MPa, mô đun đàn hồi E=2.105 Mpa
Bảng 1. Ứng suất cho phép về kéo Ft, trượt và hệ số Cc
Fy (MPa)
Ft (MPa)
Fv/Fvt (MPa)
Cc (MPa)
Giá trị 345 206 138 107
Sau đó tính ứng suất giới hạn ổn định đàn hồi Fxe và ngoài đàn hồi Fxc và ứng suất cho phép về uốn Fb cho các tiết diện hình trụ bằng các công thức trong mục 3 của chương 2. Bảng 3 là các giá trị ứng suất trên tính cho từng loại tiết diện
Bảng 2. Ứng suất giới hạn ổn định đàn hồi Fxe và ngoài đàn hồi Fxc và ứng suất cho phép về uốn Fb
Tên Tiết diện Fxe Fxc Fb
text MPa MPa Mpa
p1486x19 1533.5532 -709.164954 0.66367497 p1492x22 1768.5523 -560.844037 0.67115925 p406.4x12.7 3748.125 248.211 0.6969545 p406.4x14.3 4220.3297 248.211 0.69953301 p406.4x15.9 4692.5344 248.211 0.70159259 p406.4x19.1 5636.9439 248.211 0.70467655 p457x14.3 3753.046 248.211 0.69698471 p457x19.1 5012.8096 248.211 0.70276866 p508x12.7 2998.5 248.211 0.69119312 p508x14.3 3376.2638 248.211 0.69441627 p508x19.1 4509.5551 248.211 0.70084569 p610x12.7 2497.1115 248.211 0.68540906 p610x15.9 3126.3049 248.211 0.69237076 p610x19.1 3755.4984 248.211 0.69699974 p660x15.9 2889.4636 248.211 0.69010607 p711x15.9 2682.2025 248.211 0.68779608 p711x22.2 3744.962 248.211 0.69693503 p762x22.2 3494.315 248.211 0.69528058
Tên Tiết diện Fxe Fxc Fb
text MPa MPa Mpa
p813x15.9 2345.69 248.211 0.68317611 p813x20.6 3039.0701 248.211 0.69157768 p813x22.2 3275.1144 248.211 0.69362613 p864x23.8 3303.9028 248.211 0.69385594
Trong bảng 4 là kết quả tính toán ứng suất ổn định cột chịu nén và ứng suất tại thành ống và ứng suất giới hạn ổn định Fhe và Fhc.
Bảng 3. Ứng suất giới hạn ổn định cột Fa và ứng suất tại thành ống fh ứng suất giới hạn ổn định thành ống Fhe và Fhc
Phần tử Loại tiết diện l/r Fa hz fh Fhe=Fhc
2 p1486x19 28.310177 138.3028 9.9589627 7.839632108 30.95943 6 p1486x19 28.093584 138.4058 9.9589627 7.839632108 31.02809 10 p1486x19 28.310177 138.3028 9.9589627 7.839632108 30.95943 14 p1486x19 28.093584 138.4058 9.9589627 7.839632108 31.02809 37 p864x23.8 49.885496 132.3552 13.823153 5.050801069 133.4818 38 p864x23.8 53.470923 130.757 6.3942792 2.336386842 133.4818 39 p813x20.6 53.77732 130.6182 6.3942792 2.539985817 112.9403 40 p813x20.6 50.171348 132.2296 13.823153 5.490941332 112.9403 154 p660x15.9 74.299876 120.5388 17.470706 7.299172709 102.0944 155 p660x15.9 36.436571 137.9012 17.470706 7.299172709 102.0944 156 p660x15.9 74.299876 120.5388 17.470706 7.299172709 102.0944 157 p660x15.9 36.436571 137.9012 17.470706 7.299172709 102.0944 159 p610x15.9 32.505037 139.3829 17.470706 6.746205079 119.5171 160 p610x15.9 20.70233 143.4272 17.470706 6.746205079 119.5171 161 p610x15.9 20.70233 143.4272 17.470706 6.746205079 119.5171 163 p610x15.9 32.505037 139.3829 17.470706 6.746205079 119.5171 164 p508x14.3 39.11294 136.8556 17.470706 6.246755436 139.3927 165 p508x14.3 24.910877 142.0564 17.470706 6.246755436 139.3927 166 p508x14.3 24.910877 142.0564 17.470706 6.246755436 139.3927 168 p508x14.3 39.11294 136.8556 17.470706 6.246755436 139.3927 173 p406.4x19.1 5.8352573 147.5955 17.470706 3.741512156 1133.05 174 p406.4x19.1 21.882215 143.051 17.470706 3.741512156 388.5571 175 p406.4x19.1 21.882215 143.051 17.470706 3.741512156 388.5571 176 p406.4x19.1 10.941107 146.2865 17.470706 3.741512156 501.6543 177 p406.4x19.1 5.8352573 147.5955 17.470706 3.741512156 1133.05 178 p406.4x19.1 21.882215 143.051 17.470706 3.741512156 388.5571 179 p406.4x19.1 21.882215 143.051 17.470706 3.741512156 388.5571 180 p406.4x19.1 10.941107 146.2865 17.470706 3.741512156 501.6543 184 p406.4x12.7 56.122226 129.544 17.470706 5.626998597 171.7891 185 p406.4x12.7 58.730436 128.3251 17.470706 5.626998597 171.7891
Phần tử Loại tiết diện l/r Fa hz fh Fhe=Fhc 193 p406.4x15.9 21.711284 143.1059 17.470706 4.494520892 269.2665 194 p406.4x15.9 21.711284 143.1059 17.470706 4.494520892 269.2665 195 p406.4x15.9 10.855642 146.3095 17.470706 4.494520892 382.3637 200 p406.4x15.9 31.481362 139.7579 17.470706 4.494520892 269.2665 201 p406.4x15.9 31.481362 139.7579 17.470706 4.494520892 269.2665 203 p406.4x15.9 31.481362 139.7579 17.470706 4.494520892 269.2665 204 p406.4x15.9 31.481362 139.7579 17.470706 4.494520892 269.2665 206 p406.4x15.9 31.481362 139.7579 17.470706 4.494520892 269.2665 207 p406.4x15.9 31.481362 139.7579 17.470706 4.494520892 269.2665 209 p864x23.8 50.714656 131.99 6.3942792 2.336386842 133.4818 210 p864x23.8 47.314047 133.4711 13.823153 5.050801069 133.4818 211 p813x20.6 56.700038 129.2761 6.3942792 2.539985817 112.9403 212 p813x20.6 52.898086 131.0156 13.823153 5.490941332 112.9403 213 p813x15.9 46.439243 133.8448 13.921634 7.16473269 67.28351 214 p813x15.9 52.462222 131.2116 6.4905605 3.34035014 67.28351 215 p813x15.9 46.439243 133.8448 13.921634 7.16473269 67.28351 216 p813x15.9 52.462222 131.2116 6.4905605 3.34035014 67.28351 217 p813x15.9 46.537345 133.803 13.921634 7.16473269 67.28351 218 p813x15.9 52.573047 131.1618 6.4905605 3.34035014 67.28351 219 p813x15.9 46.537345 133.803 13.921634 7.16473269 67.28351 220 p813x15.9 52.573047 131.1618 6.4905605 3.34035014 67.28351
Tiến hành kiểm tra ứng suất tại các thanh trong bảng 15 của phụ lục ta có thể kết luận thanh đủ bền. Không có ứng suất nào vượt qua ứng suất cho phép.
Ta chọn một số thanh đại diện sau để kiểm tra:
- Phần tử dọc số 2 đóng vai trò là ống chủ - Phần tử ngang số 154, 156, 164 và 186 - Phần tử chéo số 209 và 216
3.7. Kết luận
Việc tính toán, phân tích, đưa ra phản ứng của công trình biển nói chung và công trình BK14 nói riêng là rất quan trọng. Trên cở sở phân tích kết quả phản ứng của công trình dưới sự tác động của các tải trọng khác nhau ta có thể đưa ra được những phương án tối ưu trong việc xây dựng, sửa chữa, gia cố các công trình biển.
Từ việc phân tích tình trạng kĩ thuật của các công trình biển có thể dự báo được tuổi thọ của công trình, khả năng làm việc của công trình trong những điều kiện bất lợi nhất (gió, bão…) như thế nào. Từ đó có những biện pháp tránh rủi ro trong quá trình khai thác các công trình.