Giáo trình Công trình biển cố định

154 trang ngocly 3510

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Công trình biển cố định", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_cong_trinh_bien_co_dinh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Công trình biển cố định

SÁCH “Công Trình Biển Cố Định”
ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA CÔNG TRÌNH THỦY BÀI GIẢNG ĐẠI HỌC MÔN CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH Ban hành lần 1 Biên soạn Kiểm tra Phê duyệt Chủ nhiệm Khoa Trưởng Bộ môn Phó CN Khoa TS Nguyễn Văn Ngọc ThS Đoàn Thế Mạnh TS Đào Văn Tuấn HẢI PHÒNG 25/7/2006
Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong vòng hơn mười năm qua, các công trình biển xây dựng trên thềm lục đại Việt Nam ngày càng nhiều, đặc biệt là các công trình xây dựng để phục vụ công các tác khai thác dầu khí của Việt Nam. Và với sự phát triển của các ngành kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền lãnh hải rộng lớn của nước ta còn đòi hỏi xây dựng thêm ngày càng nhiều các công trình tương tự như vậy. Đó là những công trình có kích thước đồ sộ với vốn đầu tư lớn và những yêu cầu kỹ thuật cao nhằm đảm bảo an toàn. Sau nhiều năm công tác trong ngành công trình Cảng và thềm lục địa tôi biên soạn cuốn giáo trình này để phục vụ cho công tác giảng dậy và nghiên cứu của một số kỹ sư trong ngành. Cuồn tài liệu này được ra mắt có sự đóng góp của các đồng nghiệp, mặt khác vì trình độ còn có hạn nên còn nhiều khiếm khuyết trong biên soạn. Rất mong các độc giả, các giáo viên giảng dạy đồng góp, để cuốn giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn Biên soạn TS. Nguyễn Văn Ngọc. LN Đ-1
Danh mục ký hiệu DANH MỤC KÝ HIỆU q - cường độ tiêu chuẩn của hàng hóa. a - Bề rộng khung ngang. n - Tổng số cọc trong một phân đoạn bến. Xi; Yi - Là tọa độ đầu cọc thứ i trong hệ trục tọa độ XO1Y. liu- Chiều dài tính toán của cọc. lio- Là chiều dài tự do của cọc thứ i. d - là cạnh cọc. D - đường kính tiết diện cọc. l1n, l2n - chiều dài chịu nén của cọc. Ei - Mô đuyn đàn hồi vật liệu làm cọc. Fi - Diện tích tiết diện ngang của cọc. Noi - Khả năng chịu tải cọc thứ i. Sq; Su thành phần vuông góc và song song mép bến của lực neo tàu. V, H, Mo - Tổng tải trọng đứng, ngang và mô men tương ứng với góc tạo độ đã chọn. rij - là phản lực trên thanh liên kết giả i do chuyển vị đơn vị của liên kết j. Hc - là tổng lực ngang do tất cả các cọc chụm đôi chịu. Hn - tổng lực ngang tác dụng lên bệ. T - số cọc xiên đơn. Hj- lực ngang do cọc xiên j chịu la- Khoảng cách giữa các thanh neo. b- Kích thước cọc theo chiều dọc bến. e- độ lệch tâm của điểm đặt hợp lực b – Chiều rộng đế công trình. Mg – mô men giữ . Ml – mô men lật. G – tổng các lực thẳng đứng tác động lên đế công trình. hn – chiều dày lớp đệm đá được xác định từ điều kiện áp lực cho phép trên đất nền Ko – Hệ số an toàn ổn định chống lật. Kc – hệ số an toàn ổn định khi trượt phẳng. E – tổng các lực ngang tác động lên công trình. DMKH-1
Chương 1. Khái niệm chung. Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG. 1.1. Khái niệm, phân loại. 1.1.1. Khái niệm Diện tích biển và đại dương chiếm 7/10 diện tích trái đất, nhu cầu hoạt động của con người trên biển ngày càng tăng. Vì vậy cần thiết phải xây dựng công trình biển nhằm đáp ứng các mục tiêu cơ bản như sau: - Phục vụ thăm dò, khai thác và vận chuyển dầu khí vào bờ: (dàn khoan biển); - Phục vụ cho nhu cầu đi lại, ăn ở ngoài biển và các hoạt động khác như: khai thác tài nguyên, du lịch, nghiên cứu khoa học; - Phục vụ cho các hoạt động trên biển như: + Các cảng bờ, xa bờ; + Trạm chuyển tải; + Công trình bảo đảm Hàng hải; + Trạm trục vớt cứu hộ. Kỹ thuật công trình biển: (off Shore engineering). 1.1.2. Phân loại Công trình biển 1.1.2.1. Phân loại theo vị trí công trình biển so với bờ: - Công trình biển ven bờ; - Công trình biển ngoài khơi; - Công trình biển ngoài hải đảo. 1.1.2.2. Phân theo tính chất cố định của công trình chia làm 2 loại: - Công trình biển cố định là công trình được xây dựng cố định tại vị trí nào đó trong suốt thời gian sử dụng. Ví dụ: dàn khoan dầu khí; trạm nghiên cứu khí tượng hải văn trên biển - Công trình biển di động là công trình không cố định 1 cách thường xuyên tại 1 vị trí nào đó. Ví dụ: dàn khoan di động, tầu khoan, công trình biển bán chìm. 1.1.2.3. Phân loại theo mục đích sử dụng của công trình: - Dàn khoan biển: Công trình biển ngoài khơi cố định dùng khai thác dầu khí (dàn khoan biển). - Công trình bảo đảm hàng hải: hải đăng - Trạm nghiên cứu: trạm khí tượng, thủy hải văn. 1.1.2.4. Phân theo vật liệu: Chia công trình biển cố định thành 2 loại: - Công trình biển cố đinh bằng thép (hình 1.1). 1-1
Chương 1. Khái niệm chung. - Công trình biển cố định bằng bê tông (hình 1.2). Hình 1- 1 Công trình biển bằng thép. Hình 1- 2 Công trình biển bêtông. 1.1.3. Quá trình phát triển của các công trình biển cố định Có liên quan chặt chẽ đến việc thăm dò và khai thác dầu khí 1.1.3.1. Công trình biển bằng thép. Trên thế giới: 1947 xuất hiện dàn khoan thép đầu tiên ở độ sâu 6 m tại Mexico (trên vịnh Mexich). 1949: các dàn khoan thép đã đạt độ sâu 15m nước; 1950: có dàn khoan 30m nước; 1960: có dàn khoan 90m nước; 1970: có dàn khoan 300m nước; Hiện nay có dàn khoan 420m nước (dàn Bull Winkle tại vịnh Mexico do công ty Shell thiết kế nặng 56.000 tấn). - Ở Việt Nam: có dàn khoan 50m nước. Trong công trình biển thép chiếm khoảng 70% dạng công trình biển cố định được xây dựng như ở Mexico, ở Trung đông, ở Chinê, ở biển Bắc có điều kiện rất phức tạp, có chiều cao sóng hs = 30m, ở Mếch xích (Mexico) hs = 20m. Tại mỏ COGNAC: người ta xây dựng công trình biển ở chiều sâu nước d = 310m tổng trọng lượng thép là 50.000 T, (so sánh tháp effel tổng trọng lượng = 20.000t). 1.1.3.2. Công trình biển cố định bằng bê tông 1973 ở mỏ EKOFISK (biển Bắc-Nauy) ở độ sâu: 70m, khối lượng BT = 80.000m3. 1-2
Chương 1. Khái niệm chung. 1989 dàn ''GULFAKSC'' ở độ sâu nước d = 216m, bình quân khối lượng bê tông là 360.000m3. Nếu độ sâu tăng thì khối lượng vật liệu tăng rất nhanh làm giá thành tăng, nên yêu cầu phải có tính toán hợp lý về kỹ thuật và kinh tế. Hình 1- 3 Đồ thị phát triển công trình biển cố định bằng thép và bêtông. Hiện nay, các nhà xây dựng đã đi đến kết luận: đối với loại kết cấu cố định chỉ nên sử dụng ở độ sâu từ 300 ÷ 400m. Để khắc phục nhược điểm của công trình biển cố định khi chiều sâu nước tăng người ta dùng kết cấu mềm và rất mềm, là phương án mà các kết cấu ổn định được là nhờ bởi phao hoặc các dây neo. Dạng mới đã đạt được các yêu cầu: - Có thể di động được; - Kết hợp được nhiều công dụng khác. Phao Hình 1- 4 Kết cấu có phao nổi. Hình 1- 5 Kết cấu có neo. 1.2. Các bước thực hiện xây dựng. Nếu lấy công trình biển xây dựng khai thác dầu khí thì có các bước như sau: Bước 1: Xác định nhiệm vụ thiết kế: - Các công trình khai thác dầu khí được tiến hành sau giai đoạn tìm hiểu thăm dò bằng các phương tiện khoan di động, dàn khoan tự nâng, dàn khoan bán chìm hoặc dàn khoan nổi có dây neo. - Xác định phạm vi mỏ, quy mô, trữ lượng: Số lượng dầu có thể khai thác lên được bằng 1/3 ÷ 1/2 trữ lượng dầu có ở mỏ, để tận dụng người ta dùng biện pháp khai thác thứ cấp, tức là tạo thêm áp suất để đẩy dầu lên bằng cách dùng bơm nước hoặc bơm nén khí. 1-3
Chương 1. Khái niệm chung. - Từ trữ lượng xác định được số lượng dàn khoan, giếng khoan dầu: số lượng mỗi dàn khoan có 16 giếng khoan. Lên quy hoạch toàn bộ các công trình để mở mỏ và triển khai mỏ: Vị trí và số lượng các dàn khoan là cơ sở để lên quy hoạch tổng thể của mỏ. Trong đó có thể có các dạng sau: + Dàn khai thác: khoan, khai thác dầu; + Dàn chế biến: là dàn để tách khí, nước ra khỏi dầu xử lý sơ bộ, làm giảm nồng độ dầu thô. Khí tách ra làm nhiên liệu cho sinh hoạt, chạy máy móc, phần còn lại khí thừa nếu không đưa vào bờ để sử dụng thì đốt đi qua tháp đốt khí thải dàn này gọi là dàn công nghệ thượng tầng. - Khâu chứa đựng và vận chuyển nhiên liệu: phải dùng bể chứa hoặc dùng công trình bán chìm, vận chuyển bằng tầu chở dầu ngay tại mỏ vào đất liền hay vận chuyển bằng hệ thống đường ống vào bờ đến nhà máy rót dầu; + Mỏ có quy mô nhỏ vận chuyển bằng tầu: có trạm rót dầu không bến (thiết bị cuối). + Mỏ có quy mô lớn vận chuyển bằng đường ống. Bước 2: Khảo sát: - Điều kiện môi trường: khảo sát địa hình, địa chất, khí tượng, hải văn - Điều kiện thi công: bám sát các điều kiện về phương tiện thi công theo dự báo, đặc biệt chú ý tới các phương tiện thuỷ, phương tiện nổi chuyên dụng như cầu nổi, búa đóng cọc v.v các nguyên vật liệu dùng để xây dựng. Bước 3: Xây dựng dự án tiền khả thi, khả thi (mức thiết kế sơ bộ) làm các phương án so sánh rồi đi đến kết luận. Bước 4: Thiết kế kỹ thuật, thiết kế bản vẽ thi công. Bước 5: Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, điều này rất cần làm đối với các công trình chịu tác dụng thuỷ khí. Bước 6: Chế tạo lắp ráp gồm 2 bước: - Thi công trên đất liền; - Thi công ngoài biển. Bước 7: Đưa công trình vào khai thác. Giám định, duy tu, bảo dưỡng và sửa chữa trong quá trình sử dụng. Hình 1- 6 Sơ đồ khối các bước xây dựng công trình biển . 1-4
Chương 1. Khái niệm chung. 1.3.Các đặc điểm xây dựng công trình biển so với công trình trên đất liền. So với các công trình xây dựng trên bờ; công trình biển cũng sử dụng chung các kết cấu xây dựng công trình như thép, bê tông, bê tông cốt thép, công trình biển cũng bao hàm mục đích xây dựng công trình dân dụng, tuy nhiên cũng có những điểm khác công trình xây dựng trên bờ. 1.3.1. Tính đa dạng và quy mô lớn: - Kết cấu công trình biển có nhiều dạng khác nhau: dàn cố định, di động, có neo, trụ có khớp - Công trình xa bờ có tính độc lập cao, vì vậy trên công trình biển phải bố trí đồng bộ hạng mục công trình theo nhiệm vụ thiết kế. - Quy mô công trình lớn, vì ngoài nhiệm vụ sản xuất còn phải bố trí nhà ở, nhà công cộng, sân bay Ví dụ: một công trình dàn khoan, tạo hệ khoan là mục đích chính, ngoài ra cần các công trình dân dụng kèm theo. 1.3.2. Về mặt kết cấu: Tính bền vững của công trình biển phải có độ tin cậy cao, thời gian sử dụng của công trình biển lại không đòi hỏi lâu như trên bờ. Ví dụ: Dàn khoan sử dụng từ 20 ÷ 25 năm - Tính chất động học trên biển là phức tạp hơn trên bờ, mang tính chất ngẫu nhiên. Lực tác dụng trên biển chủ yếu do sóng, lực sóng rất phụ thuộc vào vị trí và hình dạng công trình, nên thường kết hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết. - Sự ăn mòn của môi trường tác dụng rất mạnh lên công trình, môi trường nước mặn nên vật liệu thép và mối hàn bị ăn mòn mạnh. Môi trường có vật bám lên công trình làm tăng kích thước công trình, dẫn đến tăng tải trọng tác động đối với công trình biển, việc duy tu bảo dưỡng rất cần thiết và đòi hỏi chi phí lớn. 1.3.3. Đòi hỏi tính an toàn cao 1.3.4. Thiết kế công trình biển phụ thuộc vào thi công: Khi thiết kế CTB, giải pháp kết cấu gần như phụ thuộc vào điều kiện và phương tiện thi công. 1.3.5. Triển khai thi công ngoài biển phức tạp hơn trong bờ nhiều Cụ thể có 8 đặc điểm như sau: - Phụ thuộc vào thời tiết và trạng thái biển thi công; - Đòi hỏi việc lập kế hoạch thi công rất chi tiết (sóng ); - Tính an toàn trong thi công rất cao, mặt bằng thi công hẹp, thi công trên các độ cao khác nhau; - Việc định vị trí chuẩn xác của công trình rất khó; - Việc sử lý nền móng phức tạp; - Việc duy tu bảo dưỡng cho công trình biển phần lớn kết cấu nằm dưới nước là chính, nên khi duy tu bảo dưỡng thường gây nguy hiểm, việc xem xét chất lượng công trình phải dùng đến các thiết bị đặc biệt; 1-5
Chương 1. Khái niệm chung. - Ô nhiễm môi trường biển: công trình biển là công trình công nghiệp nên nó có chất thải, chất thải đổ ra biển nên phải có xử lý; với công trình dầu khí phải chú ý, sự vỡ ống dẫn dầu, và các sự cố khác vì vậy cần có thiết bị kỹ thuật ngăn chặn, giải quyết hậu quả; - Chi phí đầu tư cho công trình biển rất lớn, đắt do đó đòi hỏi cao về khoa học công nghệ trong xây dựng công trình biển. Kết luận: Từ 8 đặc điểm trên người thiết kế các CTB phải đủ các yêu cầu: + Trình độ kỹ thuật rộng, sâu, sáng tạo, phải nắm vững cơ học vật rắn biến dạng, cơ học vật nổi, phải xét sự làm việc tương tác giữa kết cấu, môi trường và nền móng; + Phải có phương pháp tính toán hiện đại và sử dụng máy tính thành thạo, phải giải quyết mô hình kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy; + Phải am hiểu về thí nghiệm môi trường biển; + Phải nắm vững mọi vấn đề về thi công công trình biển. 1-6
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Chương 2. CÁC QUY TẮC CHUNG TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH BIỂN. 2.1. Những vấn đề kỹ thuật và công nghệ trong thiết kế công trình biển cố định. 2.1.1. Khái niệm Mô hình tổng quát đánh giá chất lượng công trình biển (theo mô hình tiền định). Hình 2- 1 Mô hình tổng quát đánh giá chất lượng. Trong đó: - η (t): là hàm sóng bề mặt; - q (t): Tải trọng sóng, tương tác giữa sóng và công trình; - u (t): phản ứng động của công trình; - V (t): các chỉ tiêu đánh giá chất lượng công trình (nội lực, ứng suất). - Điều kiện để công trình làm việc an toàn: V (t) < Vo (2. 1) t ∈ [o, T] Trong đó: - T là thời gian sử dụng công trình; - Vo là chỉ tiêu chất lượng cho phép. 2.1.1.1. Tác dụng đầu vào - Kết cấu + Công trình thuộc dạng nào; + Công trình cấu tạo bằng vật liệu gì. - Tải trọng + Tải trọng của công nghệ khai thác; + Tải trọng của môi trường: sóng, gió, dòng chảy - Sau khi xác định được loại tải trọng tác dụng lên công trình thiết kế ta phải sử dụng các phương pháp tính kết cấu công trình để tính toán. Dựa trên các phản ứng đầu ra đó là chuyển vị, nội lực, ứng suất. 2-1
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Đánh giá không gian chất lượng của công trình nếu không thoả mãn phải điều chỉnh lại công trình, hoặc các tác dụng cho thích hợp. 2.1.1.2. Về mặt tính toán trong thiết kế công trình biển Phải dựa trên cấu tạo của công trình biển (cố định). - Đối với công trình thép: chân đế là dàn khoan thép ống không gian, móng cọc đóng sâu trong đất. - Đối với công trình BTCT: Chân đế là những cột BTCT có một hay nhiều cột. Móng là hình khối, hộp, nón, trụ, xi lô. + Phần thượng tầng gồm có sàn chịu lực, kết cấu thượng tầng thường được lắp ghép theo các mô đun chức năng và công nghệ. + Ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ như thiết bị cập tầu, kết cấu đỡ ống chống. - Việc lựa chọn giải pháp kết cấu còn căn cứ vào điều kiện thi công, điều kiện phụ trợ. Hình thức và hình dạng của các công trình biển cần được xác định trong giai đoạn thiết kế rất phụ thuộc vào điều kiện thi công, phụ thuộc trang thiết bị thi công, độ bền, độ ổn định công trình trong các giai đoạn thi công. Vì vậy khi thiết kế phải có phương án thi công, để xác định dạng công trình. 2.1.2. Các vấn đề kỹ thuật và công nghệ cần nắm vững - Chúng ta cần nắm vững về khí tượng hải văn gồm: gió, sóng, dòng chảy, nhiệt độ, sinh vật biển, độ ăn mòn. - Về nền móng công trình: + Các đặc trưng cơ lý của đất nền; + Tính chịu lực của móng trọng lực, tính chất chịu lực của móng cọc; + Xói chân móng; + Động đất. - Kết cấu công trình: + Chọn vật liệu và xác định khả năng chống ăn mòn của vật liệu; + Tính toán nội lực, chuyển vị; + Tính toán nội lực, ứng suất; + Thiết kế các liên kết (liên kết hàn, hoặc bu lông); + Thiết kế các bản vẽ thi công và các bản vẽ về chế tạo lắp ráp (cơ khí); + Thiết kế các kết cấu phụ trợ. - Vấn đề kỹ thuật xây dựng công trình biển: + Thiết bị lắp ráp: gồm những gì ? + Phương pháp lắp ráp; + Các phương tiện an toàn hàng hải; + Ảnh hưởng của môi trường biển. 2-2
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Kỹ thuật về phương tiện thuỷ: (tầu, xà lan v.v ) + Tính nổi; + Lai dắt; + Đánh chìm; + Điều khiển độ chìm. 2.2. Các bước thiết kế công trình biển cố định. 1- Tính tĩnh công trình biển (A). 2- Tính động công trình biển (tính cả động đất nếu có) (B). 3- Tính mỏi công trình biển (C). 4- Thiết kế thi công (D) 5- Thiết kế các công trình phụ trợ (E). Bước 1: (A) tính toán tĩnh công trình biển cố định ( Ví dụ công trình biển cố định thép) Yªu cÇu Yªu cÇu Sè liÖu Sè liÖu khoan dÇu khÝ m«i tr−êng ®Þa chÊt chØ tiªu thiÕt kÕ Dù kiÕn ph−¬ng ¸n thi c«ng, Chän ph−¬ng ¸n chÕ t¹o l¾p dùng gi¶i ph¸p kÕt cÊu TÝnh s¬ bé TÝnh s¬ bé kÕt TÝnh s¬ bé th−îng tÇng cÊu ch©n ®Õ nÒn mãng chän chÝnh thøc d¹ng kÕt cÊu c«ng tr×nh TÝnh tÜnh: t−¬ng t¸c kÕt cÊu ch©n ®Õ vµ nÒn mãng KiÓm tra øng suÊt tÜnh trong c¸c phÇn tö vµ mèi nèi + Thay ®æi kÝch th−íc _ b tÝnh ®éng ctb . Hình 2- 2 Sơ đồ khối. 2-3
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Bước 2: (B) Tính động công trình biển. Hình 2- 3 Sơ đồ tính động công trình. Bước 3: (C) Tính mỏi. Hình 2- 4 Sơ đồ tính mỏi công trình. Bước 4: (D) Thiết kế thi công (xét đối với CTB bằng thép). Hình 2- 5 Sơ đồ thiết kế công trình biển bằng thép. Bước 5: (E) Thiết kế các công trình phụ trợ gồm: 2-4
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 1- Thiết kế các công trình cập tầu; 2- Thiết kế kết cấu đỡ ống chống; 3- Thiết kế hệ thống chống sự ăn mòn. 2.3.Các phương pháp luận trong thiết kế công tình biển. Hiện nay có nhiều phương pháp luận khác nhau, dùng làm nguyên tắc, cơ sở trong quá trình thiết kế. Vấn đề là nghiên cứu tất cả các phương pháp luận đó và lựa chọn phương pháp luận nào thích hợp để dùng thiết kế, có 3 phương pháp luận chủ yếu: - Phương pháp ứng suất cho phép. - Phương pháp TTGH; (phương pháp bán xác suất). - Phương pháp xác suất. 2.3.1. Thiết kế theo phương pháp ứng suất cho phép: Theo phương pháp này để đánh giá an toàn của kết cấu dựa vào nguyên tắc là ƯS làm việc khi thiết kế, không được vượt quá ƯS cho phép: [σ]. - Ứng suất cho phép [σ] được xác định theo độ bền của vật liệu, có kể đến độ an toàn dự trữ thông qua 1 hệ số an toàn: R σ = []σ = (2. 2) max K R - là độ bền của vật liệu; K - là hệ số an toàn. Vì phương pháp này chỉ sử dụng một hệ số an toàn vì vậy còn gọi là phương pháp một hệ số. 2.3.2. Thiết kế theo phương pháp TTGH (bán xác suất). 2.3.2.1. Khái niệm: Tính chất an toàn theo phương pháp này được thực hiện bởi các đẳng thức: S(Fd) ≤ R(fd) (2. 3) Trong đó: Fd = γfFk (2. 4) fd = fk / γm (2. 5) - S(Fd) - là 1 đại lượng nội lực nào đó hoặc là ứng suất làm việc của kết cấu; nó là hàm của tải trọng thiết kế; - fk - đại lượng nội lực, ứng suất, là hàm tải trọng; - R( fd) - là cường độ của vật liệu là hàm của vật liệu thiết kế (còn gọi là hàm độ bền); - fđ - là cường độ vật liệu, là hàm độ bền; - γf, γm - là hệ số an toàn đối với tải trọng và đối với vật liệu cụ thể; + γf - là hệ số an toàn của tải trọng (còn gọi là hệ số quá tải), có kể đến các tính chất tác động của các tải trọng, theo các quy phạm CTB của Hoa Kỳ, Nauy. 2-5
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. γf = γf1.γf2.γf3> 1 (2. 6) γf1 = 1,25 đối với tải trọng thường xuyên; γf2 = 1,4 đối với tải trọng thay đổi nhiều; kể đến các tổ hợp khác nhau; γf3 = 1,08 ÷ 1,12 là hệ số kể đến ảnh hưởng không chính xác khi đánh giá tải trọng, kể đến các sai lệch của kích thước kết cấu có liên quan đến xác định tải trọng. + γm: là hệ số kể đến sự khác nhau về độ bền của vật liệu, xác định từ điều kiện thực hiện trong phòng thí nghiệm đối với độ bền thực của vật liệu trong kết cấu công trình đối với các quy phạm phương tây có: Thép γm = 1,15; Bê tông γm = 1,5. Các hệ số γf, γm được xác định theo nguyên tắc các hệ số thống kê. Nó phụ thuộc vào đặc điểm chế tạo, cách xác định. Do hệ số xác định bằng thống kê nên gọi γf, γm là hệ số độ tin cậy, gọi là phương pháp bán xác xuất, mặt khác phương pháp này sử dụng nhiều hệ số cho phép tính được các chi tiết các điều kiện bất lợi có thể xảy ra đối với công trình cho nên nó ưu việt hơn phương pháp ứng suất cho phép vì vậy còn gọi là phương pháp các hệ số an toàn. 2.3.2.2. Các loại TTGH. Có 4 loại: + TTGH về chịu tải lớn nhất (TTGH cực hạn); + TTGH về mỏi; + TTGH về phá huỷ; + TTGH về khả năng phục vụ. 1).TTGH cực hạn: U.L.S TTGH này xác định sự an toàn của công trình khi chịu các điều kiện tác dụng lớn nhất của tải trọng: gồm (tải trọng khai thác và tải trọng môi trường), điều kiện giới hạn của trạng thái này được xét về mặt độ bền và mặt ổn định của kết cấu. Về bền: với các công trình biển bằng thép cho phép ƯS có thể đạt tới giới hạn chảy và đạt tới mô men uốn dẻo tại 1 số tiết diện (Md). + Trong Quy phạm DnV cho phép: nếu kết cấu có 1 số tiết diện đạt đến Md thì tạo thành 1 cơ cấu. + Quy phạm Hoa Kỳ chỉ cho phép 1 số tiết diện đạt đến Md. Nhưng không cho phép trở thành 1 cơ cấu. + Đối với các công trình bằng bê tông thì TTGH cho phép đạt tới phá huỷ. Ổn định: phải kiểm tra hiện tượng mất ổn định với tất cả các kết cấu bằng thép và bê tông. Kể cả trong trường hợp kết cấu làm việc trong điều kiện đàn dẻo. 2).TTGH mỏi: F.L.S 2-6
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Trạng thái này xét tới sự phá huỷ của kết cấu không phải do tải trọng lớn nhất gây ra như trong TTGH cực hạn. Mà do sự tích luỹ các tổn thất xẩy ra trong quá trình thay đổi lặp lại của TTƯS, trong cả đời sống công trình. γf = 1 và các đường cong mỏi của vật liệu phải được kể đến hệ số vật liệu, γm. 3)TTGH phá huỷ: Là trạng thái kết cấu bị phá huỷ từ từ do sử dụng công trình không đúng chế độ hay do các sự cố gây ra, hậu quả của hiện tượng phá huỷ chỉ gây ảnh hưởng có tính chất cục bộ mà không làm sụp đổ cả công trình. Ýnghĩa: ngoài việc xét độ bền của công trình, do các yếu tố về tải trọng công nghệ và môi trường như các TTGH: ULS, FLS đã xét, còn cần phải xét đến các điều kiện và tình huống có thể gây ra các sự cố ảnh hưởng cục bộ đến công trình, đến các hoạt động bình thường của các công trình và đến các đời sống con người và hậu quả gây ô nhiễm môi trường. 4).TTGH: Khả năng phục vụ công trình Trạng thái này xét đến điều kiện bảo đảm khai thác công trình một cách bình thường, trong TTGH này có xét đến 1 số yếu tố: + Nếu là kết cấu bê tông thì phải xét và quy định hạn chế tốc độ ăn mòn của môi trường biển đối với bê tông cốt thép đặc biệt với BTƯST vì thép căng trước rất nhạy với sự ăn mòn của môi trường biển; + Với bê tông ƯST quy định không xuất hiện vết nứt; + Với bê tông thường cho phép xuất hiện vết nứt ở phạm vi hạn chế. Gọi δ là bề rộng vết nứt, tiêu chuẩn cho phép (theo CEB) quy định. δ > 0,1mm khi a 0,15 mm khi a < 50 mm. Trong đó: a là lớp bảo vệ bê tông. + Có liên quan đến biến dạng, thì biến dạng không được quá lớn để không ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của công trình, đặc biệt là kết cấu thép thường có biến dạng lớn hơn bê tông; + Về tính chất rung động của kết cấu. Yêu cầu hạn chế các rung động không vượt quá mức, để không gây ra cảm giác khó chịu hoặc sợ hãi đối với con người sống và làm việc trên công trình, hoặc làm ảnh hưởng xấu đến sự làm việc các thiết bị trên công trình; + Nếu gọi chu kỳ dao động riêng thứ nhất là (T1) quy phạm đưa ra T1< 4s. Đồng thời không cho phép xảy ra hiện tượng cộng hưởng khi chịu tác dụng của sóng biển; + Đối với các sàn công tác có đặt các máy móc, động cơ phải hạn chế tối đa tới sự rung động của máy móc; TTGH vừa xét ở trên là sự phát triển cuối cùng của phương pháp TTGH. (Ở TTGH trước chỉ đưa ra 3 hệ số, VL, tải trọng, hệ số sử dụng). + Các hệ số an toàn từng phần được xét và xử lý thống kê trên cơ sở các tính chất về tải trọng và tổ hợp tải trọng. Vì vậy TTGH về khả năng phục vụ ưu việt hơn TTGH trước. 2.3.3. Thiết kế theo phương pháp xác suất 2-7
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 2.3.3.1. Khái niệm: - Phương pháp xác suất cho phép đánh giá sự làm việc của công trình sát thực tế hơn so với 2 phương pháp trên vì nó kể đến tính chất ngẫu nhiên của các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của công trình (nếu các yếu tố trên theo phương pháp TTGH xử lý bằng cách đưa về các hệ số, sau đó tính toán theo quan điểm tiền định). Trong khi đó phương pháp xác suất đã mô tả tất cả các yếu tố ngẫu nhiên và trực tiếp sử dụng nó để tính toán đánh giá công trình theo lý thuyết độ tin cậy. - Yêu cầu của phương pháp xác suất phải biết trước các luật phân phối của phương pháp thống kê, đối với các tải trọng ngẫu nhiên, đối với độ bền vật liệu có kể đến sự phân bố ngẫu nhiên về cường độ vật liệu trong các phần tử kết cấu. Có cả luật phân phối thống kê, đối với tính chất cơ lý của nền đất. - Ngoài ra phương pháp xác suất còn xác định được mức xác suất tin cậy, hay gọi là độ tin cậy cho phép, chỉ tiêu độ tin cậy. - Mức xác suất phá hỏng kết cấu hay còn gọi là giới hạn của xác suất phá huỷ. Nếu ta gọi xác suất tin cậy là Po thì mức xác suất phá huỷ là Qo: Qo = 1 − Po (2. 7) Nếu Qo càng bé, công trình càng an toàn. Quy phạm DnV, cho biết mức xác suất phá huỷ cho phép tương ứng với các cấp công trình như sau: -6 Qo < 10 với công trình biển có độ tin cậy rất cao; -6 -4 10 < Qo<10 với công trình biển có độ tin cậy cao; -4 -2 10 < Qo<10 với công trình biển có độ tin cậy thấp. -4 Ví dụ: Qo= 10 = 0,0001 Độ tin cậy: Po = 0,9999. Quy phạm Liên Xô: B B Cygakob Đề nghị có sự phân biệt độ tin cậy ban đầu của công trình Po, độ tin cậy ở thời điểm cuối là P(t). Bảng 2- 1 Độ tin cậy của công trình, độ tin cậy ở thời điểm cuối theo Quy phạm Liên Xô ĐTC ban đầu ĐTC cuối TT Đặc trưng của cấp công trình Po P(t) 1 Công trình ít quan trọng 0,95 0,90 2 Công trình có kết cấu siêu tĩnh và quan trọng vừa 0,99 0,95 3 Công trình quan trọng tải trọng gây phá hoại từ từ 0,999 0,99 4 Công trình quan trọng tải trọng gây phá huỷ đột ngột 0,9999 0,999 5 Công trình đơn chiếc rất quan trọng 0,99999 0,9999 - Với Quy phạm Hoa Kỳ cho phép phạm vi xác suất phá huỷ (API) -2 -4 Qo = 2.(10 ÷10 ) (2. 8) -3 -4 - Canađa: Qo = 10 ÷ 10 2-8
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Có hướng dẫn chi tiết cho từng loại công trình biển. 2.3.3.2. Tính chất đảm bảo độ tin cậy đối với công trình. Tính toán hoàn toàn theo lý thuyết độ tin cậy, đảm bảo độ tin cậy của công trình theo: P(t) = Prob {v (τ)∈Ω, τ∈(θ, T)}≥Po (2. 9) P(t)- là xác suất độ tin cậy của công trình tại thời điểm t; τ∈[0,T], T: là tuổi thọ công trình; v(τ) - véc tơ chất lượng công trình xét tại thời điểm τ là thời điểm đưa công trình bắt đầu sử dụng đến thời điểm đang xét; {v(τ);Ω;τ} - Đánh giá chất lượng công trình; - Ω - miền chất lượng cho phép; - Po - là xác suất tin cậy của công trình. Kết luận về phương pháp luận: - Trong Quy phạm về công trình biển của nhiều nước đã đưa ra đồng thời cả 3 phương pháp luận trên trong đó có thiên hướng sử dụng phương pháp bán xác suất. - Trong những năm gần đây người ta cố gắng mô tả những luật phân phối đối với các yếu tố ngẫu nhiên, tác dụng lên công trình biển nên có xu hướng ngày càng chú trọng sử dụng phương pháp xác suất trong tính toán công trình biển. - Nổi bật nhất hiện nay có quy phạm của Nauy (DnV), của Hoa Kỳ (API), Pháp (BV), Anh (Lloyds). Các quy phạm cũ của Liên Xô: SNIP, BCH nặng về tính chất cho phép trong đó đã có cải tiến bằng cách, đưa vào 1 số các hệ số tải trọng. 2.4. Các quy định chung đối với thiết kế công trình biển. 2.4.1. An toàn đối với công trình biển - Thoả mãn điều kiện an toàn theo phương pháp luận đã sử dụng để thiết kế. - Ngoài việc thoả mãn về điều kiện bền còn cần phải xét đến các chuyển vị và rung động, phải xét đặc trưng về vận tốc, gia tốc của các vị trí cần khảo sát của công trình, không gây ảnh hưởng xấu đến thiết bị và con người. - Một số kết cấu hay công trình phụ trợ như giá cập tầu, thiết bị đệm được thiết kế sao cho khi nó bị hỏng do quá tải vẫn không gây ra tổn thất đối với phần kết cấu chính. - Chế tạo các liên kết giữa các phần chuyển tiếp phải êm thuận và có dạng liên kết thích hợp sao cho hạn chế, không xảy ra các hiện tượng ƯS tập trung. 2.4.2. Khảo sát hiện tượng ăn mòn và thiết kế chống ăn mòn Khảo sát hiện tượng ăn mòn là xem xét ảnh hưởng của môi trường, sinh vật, đến sự ăn mòn đối với công trình, có thể là thép hoặc bê tông cốt thép để biết mức độ ăn mòn của công trình từ đó mới định ra được giải pháp chống ăn mòn thích hợp. 2.4.3. Nghiên cứu các giải pháp phòng ngừa sự cố 2-9
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Trong 4 T.T.G.H thì TTGH phá huỷ do sự cố là chủ yếu vì vậy kết cấu phải được bảo vệ chống tổn thất do sự cố dựa trên 2 nguyên tắc: + Giảm tới mức tối đa khả năng tổn thất do sự cố; + Hạn chế tối đa hậu quả của tổn thất khi có sự cố xảy ra. - Biện pháp: + Khi bố trí kết cấu cần xem xét thích đáng đến các khả năng xảy ra hoả hoạn, nổ và các sự cố khác. + Các sự cố có thể gây ra tổn thất đối với đường ống dẫn dầu, khí, thì cần phải có các biện pháp che chắn, bảo vệ cục bộ, tăng cường độ cứng cục bộ, hoặc có các thiết bị chống va chạm. + Các ống chống: đường đi của nguyên liệu và các thiết bị quan trọng phải đặt ở vị trí an toàn cách xa vị trí cập tầu, hoặc chỗ đặt để các cần trục, nhằm tránh các sự cố do va chạm hoặc do các vật rơi. + Ở những nơi đường ống có áp suất cao cần phải được ghép nối với các hộp khí. Các hộp này thiết kế sao cho có khả năng chịu được áp suất cao. 2.4.4. Xác định cao độ của sàn công tác Hình 2- 6 Sơ đồ xác định độ cao sàn công tác. Chiều cao chân đế được xác định theo công thức sau: h = do + ∆đ + γH + ∆o (2. 10) h - là chiều cao chân đế tính từ đáy công trình đến mặt dưới của sàn công tác; do- là độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình; ∆d = ∆dtr + ∆dnd (2. 11) ∆dtr - nước dâng do triều. ∆dnd - nước dâng do bão. 2-10
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. H - chiều cao sóng; γH - là vị trí của đỉnh sóng so với mức nước lặng có kể đến triều và nước dâng; + Đối với sóng airy: γ = 0,5. + Đối với sóng Stokes: γ = 0,6 ÷ 075. ∆o - là khoảng trống của sàn, người ta gọi là độ tĩnh không của công trình biển, theo quy phạm DnV, trong điều kiện thông thường ∆o ≥ 1,5m. Khi thiết kế phải chọn (∆o) phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Độ sâu nước do và các sai số có thể có khi đo do; + Vị trí đỉnh sóng ở mức cao nhất có thể có theo tần suất thiết kế; + Kết cấu chân đế ngay khi xây dựng đã bị lún; + Kết cấu bị lún trong suốt thời gian sử dụng; + Kết cấu bị nghiêng; + Tính chất địa chất trên các túi dầu. 2.4.5. Thể hiện trên mô hình. - Trong trường hợp tính toán kết cấu của công trình biển, không thể thiết kế bằng cách đơn thuần chỉ dựa trên tính toán lý thuyết mà phải thiết kế dựa trên các kết quả của việc thí nghiệm các lực tác dụng lên mô hình kết cấu thiết kế. - Có thể có sẵn những kết quả nghiên cứu thực nghiệm với các loại phần tử kết cấu đưa vào thiết kế, trường hợp này việc thí nghiệm trên mô hình có tác dụng kiểm nghiệm lại toàn bộ trong từng phần các chỉ tiêu cần thiết; - Việc thí nghiệm trên mô hình còn cho phép xác định các chỉ tiêu thiết kế về độ bền và tính mỏi của vật liệu đã được sử dụng trong thiết kế. 2.4.6.Sơ đồ kết cấu và bố trí công nghệ. - Phải đảm bảo thuận tiện cho việc khai thác và sửa chữa với mọi bộ phận kết cấu ở trên hay ở dưới mặt nước, các trang thiết bị và kho tàng, đòi hỏi một quy trình nghiêm ngặt trong việc điều tra thường xuyên và tiến hành sửa chữa nếu cần. - Ở những nơi không bố trí được người vào kiểm tra thì phải đặt những máy móc có thể thông báo tình trạng sự cố tới các khu vực đảm bảo. 2.5. Các giai đoạn thiết kế công trình biển. Là quá trình lặp đi lặp lại nhiều lần để tiến tới 1 bản đề án thiết kế hoàn hảo, theo yêu cầu đặt ra đối với nhiệm vụ thiết kế. Nội dung chính của quá trình thiết kế bao gồm: 1). Thu thập thông tin (số liệu): Lập báo cáo đầu tư xây dựng công trình (≥100 tỷ). 2) Xác định hiệu quả của việc xây dựng công trình: Lập dự án đầu tư xây dựng công trình. 3). Tiến hành thiết kế cơ sở của dự án gồm các việc: - Chọn hình dáng cơ bản; - Chọn kích thước, phương án kết cấu; - Lập sơ đồ thuật toán để thực hiện chương trình tự động hoá thiết kế; 2-11
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Tính toán bước1: tính toán tĩnh công trình biển. 4). Thiết kế kỹ thuật: - Tính toán bước 2: tính động công trình biển; - Tính toán các hạng mục công trình khác, tính toán ống chống, giá cập tầu. 5). Thiết kế bản vẽ thi công gồm: - Thiết kế thi công chế tạo chôn đế tại bãi lắp ghép (CTB thép); đúc chân đế tại ụ nổi hoặc ụ chìm đối với CTB bê tông. - Hạ thuỷ chân đế xuống bằng phương tiện thuỷ, kéo ra biển (CTB thép), hạ thuỷ chân đế kéo đến vị trí đủ độ sâu ven biển thi công tiếp (CTB bê tông). - Kéo ra vị trí này dùng đóng cọc (CTB thép), đánh chìm (CTB bê tông). - Cẩu lắp khối thượng tầng. 6). Thiết kế tổ chức thi công. 2.6. Tính chất đối với tải trọng và tác động trong thiết kế công trình biển. 2.6.1. Tính chất tác dụng của tải trọng - Xem tải trọng tác dụng lên công trình là trực tiếp hay gián tiếp. Tải trọng gián tiếp là do biến dạng gây ra, toàn bộ tải trọng khác là tải trọng trực tiếp. - Xem tải trọng đó là do môi trường hay con người, tìm nguyên nhân tác dụng. - Tính chất tác động, tải trọng đó tác dụng thường xuyên hay thay đổi theo thời gian. - Theo vị trí tác động xem tải trọng đó là cố định hay di động. - Theo tính chất động xem tải trọng đó là tĩnh hay động. 2.6.2. Tác động của tải trọng sóng biển. - Tải trọng thường xuyên thường tính trong môi trường biển 1 tháng. - Tải trọng bất thường phải tính trong điều kiện cực trị bằng 50÷100 năm. Ví dụ: như ở biển Braxin trong điều kiện cực trị H=18m; biển Bắc Nauy tải trọng thường xuyên H = 18m, tải trọng cực trị H = 30m. 2.6.3. Hệ số tải trọng và các tổ hợp tải trọng. 2.6.3.1. Khái niệm. Có nhiều cách phân loại tải trọng. - Cách 1: các loại tải trọng được chia thành 5 loại: Loại 1: tải trọng thường xuyên (P); Loại 2: Hoạt tải (L); Là tải trọng phát sinh do hoạt động khi sử dụng công trình, loại tải trọng này có thể di chuyển. Ví dụ: Tải trọng của máy bay trực thăng, do tác dụng của vận hành công nghệ. Loại 3: Tải trọng biến dạng (D); 2-12
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Là tải trọng do biến dạng như ƯST trong bê tông, tải trọng do thay đổi nhiệt độ, hiện tượng từ biến, do co ngót. Loại 4: Tải trọng môi trường (E); Gồm tải trọng do sóng gió, dòng chảy, nước dâng, ảnh hưởng của sinh vật bám vào, tải trọng động đất cũng do tải trọng môi trường. Loại 5: Tải trọng sự cố (A); Là tải trọng do sự cố như tải trọng do tầu khi cập bến, tải trọng do hoả hoạn, tải trọng do vật bị rơi va chạm đến công trình và tải trọng động đất. - Cách 2: BCH. 85 gồm 4 loại: + Tải trọng cố định: trọng lượng công trình; + Tải trọng thường xuyên: trọng lượng các trang thiết bị; + Tải trọng tạm thời: sóng, gió, dòng chảy, nước dâng; + Tải trọng đặc biệt. 2.6.3.2. Hệ số tải trọng được sử dụng phổ biến trong khuôn khổ TTGH - Cơ sở xác định hệ số an toàn tải trọng γf dựa trên 2 yếu tố duy nhất: + Khả năng sai lệch lớn nhất của tải trọng thực tế so với giá trị đặc trưng của nó; + Khả năng xẩy ra không đồng thời của các tải trọng. - Việc xác định các hệ số γf phụ thuộc vào các quy phạm khác nhau: Theo DnV (NaUy): hệ số γf được lấy theo bảng sau: Bảng 2- 2 Bảng xác định hệ số tải trọng. Điều kiện tác P L D E A dụng Bình thường 1.3 1.3 1.0 0.7 - Cực trị 1.0 1.0 1.0 1.3 - Ghi chú: P- tải trọng thường xuyên. L- hoạt tải. D- tải trọng biến dạng. E- tải trọng môi trường. A- tải trọng sự cố, A có bảng hướng dẫn cụ thể. Theo BCH – 85 (Nga): 1) Trọng lượng bản thân: - Kết cấu thép, bê tông: γf = 1,05 (0,95) - Kết cấu gỗ, bao che: γf = 1,30 (0,90) 2) Thiết bị vật tư: - Trọng lượng thiết bị: γf = 1,05 (0,95) 2-13
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Trọng lượng chất lỏng: γf = 1,00 - Trọng lượng vật tự rơi: γf = 1,10 (0,90) 3) Tải trọng khí tượng và phương tiện: - Tải trọng gió: γf = 1,00 - Sóng, dòng chảy: γf = 1,20 - Tải trọng do tầu: γf = 1,20 4) Tải trọng đặc biệt: - Tải trọng do động đất: γf = 1,00 - Tải trọng do sóng thần: γf = 1,00 2.6.3.3. Hệ số tổ hợp tải trọng: Bảng 2- 3 Tính toán theo tổ hợp tải trọng. TT Loại tải trọng A B C D 1 Tải trọng cố định 1,0 1,0 0,9 1,0 2 Tải trọng thường xuyên 1,0 - 0,8 1,0 3 Tải trọng tạm thời Gió 0,8 0,8 - 1,0 Sóng 1,0 1,0 - - Dòng chảy 1,0 1,0 1,0 - 4 Tải trọng động đất 1,0 A- Tổ hợp tải trọng khi tính toán nội lực lớn nhất trong các phân tử kết cấu, được gọi là tổ hợp chính. B- Là tổ hợp được sử dụng khi tính toán ổn định công trình trong giai đoạn xây dựng ngoài biển. C- Sử dụng tính toán nội lực lớn nhất khi có động đất. D- Tổ hợp dùng để tính nội lực lớn nhất đối với các phân tử kết cấu ở trên thượng tầng. Chú ý: khi tính phải tính tải trọng theo quy phạm, rồi mới theo bảng trên để tính nội lực. 2.6.4. Sơ đồ tổ hợp, phân loại tải trọng 2.6.4.1. Các tình huống thiết kế công trình biển ''pha thiết kế'' (Design-phases): Có 5 Pha thiết kế công trình biển: - Pha chế tạo kết cấu, thi công công trình ở trên bờ ''C'' (Contruction). - Pha vận chuyển: gồm khâu vận chuyển hoặc 1 phần kết cấu từ bờ ra ngoài khơi ''T'' (Transportation) - Pha thi công lắp dựng ngoài biển: gồm việc lắp dựng kết cấu ở vị trí cuối cùng, việc đánh chìm, định vị, đóng cọc, bơm, trám, lắp ráp các tầng tựa tầu. ''I'' ( Installation) 2-14
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Pha khai thác sử dụng: là pha chủ yếu để thực hiện nhiệm vụ công trình. Nó kéo dài từ khi đưa công trình vào sử dụng đến khi loại bỏ công trình “0” (Operation). - Pha loại bỏ công trình: Công trình hết thời hạn sử dụng có thể thanh thải hay lấy đem đi nơi khác ''R'' (Retrieval). Chú ý: Khi tính toán thiết kế đặc biệt cần quan tâm đến pha O để xem đời sống công trình thế nào → pha R kết thúc. - Đối với CTB vẫn phải tính toán với 3 pha đầu, mặc dù thời gian sử dụng của cả 3 pha đầu rất ngắn so với pha O. 2.6.4.2. Sơ đồ tổ hợp phân loại tải trọng đối với các phương án thiết kế: khèi i c¸c pha thiÕt kÕ c t i or khèi iikhèi iii khèi iv (lo¹i t¶i träng) (tÝnh chÊt t¸c ®éng) (tr¹ng th¸i t¸c ®éng) Trùc tiÕp a 1[P] 1 1 [bÊt th−êng] Gi¸n tiÕp b M«i tr−êng a 2 [L] 2 2 [cùc trÞ] Con ng−êi b Th−êng xuyªn a 3 [D] 3 Thay ®æi b Cè ®Þnh a 4 [E] 4 Di chuyÓn b TÜnh a 5 [A] 5 §éng b Hình 2- 7 Sơ đổ tổ hợp phân loại tải trọng. Ví Dụ: Phải tính tải trọng sóng “(4)” + Tải trọng thiết kế pha “0” khối I; + Tải trọng môi trường: 4E khối II; + Tính chất tác động: Trực tiếp 1a khối III; + Trạng thái tác động: cực trị 2, nhóm IV. 2-15
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 2.7. Thu thập thông tin để tiến hành tổ chức thiết kế công trình biển. 2.7.1. Khái niệm về thu thập thông tin và tổ chức thiết kế công trình biển. Trước khi bước vào thiết kế cần tiến hành thu thập số liệu: - Hoạt động công nghệ nhằm sử dụng khai thác công trình. - Các số liệu về môi trường: các thông tin này càng nhiều càng tốt để từ đó xác định các tác dụng lên công trình và đồng thời xác định quy mô của công trình. Trong đó tác dụng công trình: + Tác dụng do công nghệ; + Tác dụng do môi trường. 2.7.2. Thu thập số liệu về hoạt động, khai thác 2.7.2.1. Thu thập về vị trí địa lý: - Cần có những số liệu về điều kiện môi trường, về điều kiện địa lý có liên quan đến việc khống chế khi xây dựng công trình, liên quan đến quy hoạch công trình và sự phục vụ công nghệ. Xem luồng lạch, mớn nước, độ sâu chạy tầu, độ sâu nước theo Hải đồ, về triều, nước dâng, sóng có liên quan đến việc xác định các thông số của công trình. + Chiều cao của kết cấu chân đế; + Chiều cao của mặt đáy sàn. - Xác định phạm vi vùng nước biến động có liên quan tới biện pháp chống ăn mòn của công trình. 2.7.2.2. Thu thập số liệu về nhiệm vụ xây dựng công trình biển: - Các thiết bị thượng tầng; - Cách bố trí và sắp đặt vật tư; - Các hoạt động công nghệ. Tất cả các máy móc, thiết bị gây ra tải trọng tác dụng lên công trình cần phải đặt trên giá đỡ hay bệ đỡ, từ đó mới xác định được số liệu tải trọng. + Xác định số liệu về tải trọng do phương tiện vận chuyển, người và vật tư như: máy bay trực thăng cho người, cần cẩu cho vật tư, trạm tải dịch vụ để xác định số liệu cho giá cập tầu. + Phải có các số liệu phục vụ cho việc tính toán các phương tiện ống chống hay các công trình phụ trợ. 2.7.3.Thu thập số liệu về môi trường. - Loại tác dụng này có giá trị lớn trội hẳn so với các giá trị tác dụng trên, nên cần xem xét kỹ để đánh giá xác định đặc điểm các tải trọng thiết kế, các sự cố xảy ra đối với công trình biển. Việc xem xét tác dụng của môi trường dựa trên 2 điều kiện: điều kiện tác dụng của môi trường khi công trình biển đang vận hành công nghệ một cách bình thường được xếp với tác dụng của môi trường không phải vào thời điểm nguy hiểm nhất, thường người ta lấy môi trường biển với chu kỳ lặp là 20 năm. 2-16
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Điều kiện tác dụng cực trị của môi trường lấy chu kỳ lặp lại của thông số biển từ 50 ÷ 100 năm. Thời gian lặp lại được xác định như sau: 1 T = (2. 12) ⎛ 1 ⎞ ln⎜ ⎟ ⎝1− P ⎠ Trong đó: P là xác suất để xẩy ra 1 lần xét ứng với chu kỳ trên. Chú ý: Nếu muốn xác định thông số của môi trường, tương ứng với 1 khoảng thời gian t nào đó cần phải lấy số liệu tương ứng với 1 chu kỳ T lặp lại từ 2÷ 4 lần khoảng thời gian cần xét. Giả sử có tuổi thọ công trình biển là 25 năm. 2x25 2x25 4x25 2.8. Các thông số về điểu kiện tự nhiên. 2.8.1. Số liệu về gió Vận tốc gió: V = V + v t (t ) ( ) (2. 13) Thời gian (t) lấy theo quy phạm DnV (Nauy): - Lấy khoảng 1 phút, các số liệu của gió đo được trong 1 phút cho phép tính trong tổ hợp sóng cực đại; - Lấy trung bình trong 3s xét trong trường hợp không có sóng khi tính toán phần thượng tầng; - Lấy 1h, tính tốc độ dòng chảy theo gió vận tốc gió thay đổi theo thời gian, nếu ta lấy z là chiều cao so với mốc là mặt biển thì: 1 ⎛ Z ⎞ α Vz = V10 ⎜ ⎟ ;()α = 7 ÷13 (2. 14) ⎝10 ⎠ Các số liệu gió cần thu thập trong các điều kiện sau: 2.8.1.1. Số liệu gió trong điều kiện vận hành công nghệ - Tốc độ gió lấy với chu kỳ lặp lại tương ứng với các hướng gió khác nhau. Với thời gian t trong từng tháng hay từng mùa, hướng gió ứng với vận tốc gió được tính theo % của toàn bộ gió xét theo mỗi hướng. - Tốc độ và thời gian kéo dài của gió tính với tốc độ trung bình, khi xét mạch động gió phải tính với gió giật. 2-17
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 2.8.1.2. Số liệu gió trong điều kiện cực đại cần thiết- Vị trí đo và thời gian xảy ra; - Cấp gió đo đạc, tốc độ và hướng gió. 2.8.1.3. Ảnh hưởng của mực nước đến số liệu gió Độ sâu nước lấy theo độ sâu hải đồ, mực nước có xét đến: - Nước dâng do bão; - Nước dâng do triều. Phần mạch động của gió Vt = (8 ÷10)% V cho nên khi tính gió, tính theo tựa tĩnh là chính, nhưng cần kiểm tra hiệu ứng động đối với các phân tử riêng rẽ. 2.8.2. Số liệu sóng 2.8.21. Mô hình tiền định Sóng thực là sóng không đều mang tính chất ngẫu nhiên nếu ta sử dụng mô hình tiền định, coi sóng đó là hàm điều hoà ta có thể mô tả theo lý thuyết sóng Eiry, Stockes. - Các thông số cần tìm: có 2 thông số là chiều cao sóng, chu kỳ sóng (H,T). - Số liệu thu được phải là số liệu thống kê về sóng trong 1 năm, là số liệu tối thiểu nhất, dùng phương pháp ngoại suy để xác định số liệu về sóng trong những khoảng thời gian khác nhau. Chu kỳ trung bình của sóng lấy theo tháng, theo mùa. - Trong điều kiện cực đại của môi trường biển phải xác định được: + Các chiều cao sóng cực đại Hmax và tương ứng với nó là các hướng sóng, ứng với các chu kỳ lặp lại theo quy phạm thiết kế từ 50 ÷ 100 năm; + Xác định chu kỳ sóng tương ứng với các điều kiện trên; + Thống kê các số liệu khác như triều, dòng chảy, gió ứng với thời gian địa điểm của Trạng thái biển thiết kế. 2.8.2.2. Mô hình ngẫu nhiên: Theo mô hình ngẫu nhiên mô tả chuyển động của sóng η là 1 quá trình ngẫu nhiên. Quá trình mặt sóng η được giả thuyết là dừng, chuẩn. Số liệu cần thiết là hàm mật độ phổ của sóng biển Sηη(ω) bằng cách đo được η theo thời gian bằng phao tự ghi η rồi xử lý để tìm Sηη (ω) hoặc có thể dùng các thiết bị tự động. Dùng lý thuyết độ tin cậy để tính toán công trình trong điều kiện sóng bão. 2.8.3.Số liệu dòng chảy. - Độ chênh mức nước triều, hướng chuyển động của nước ở các độ sâu khác nhau, sự chuyển động của nước biển trong các trạng thái biển khác nhau. - Thu thập số liệu về dòng chảy: vận tốc và hướng khi không có sóng, gió, các số liệu này lấy từng tháng, từng mùa. V()z = V ()z tr + V ()z g (2. 15) Dòng chảy theo gió chỉ có tác dụng với lớp nước phía trên bề mặt. 2-18
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 2.8.4. Số liệu về triều 2.8.4.1. Sử dụng số liệu triều để. - Xác định chiều cao của chân đế công trình; - Xác định vị trí và phạm vi kéo dài của giá cập tầu, phạm vi và hệ ống chống; - Xác định mực nước dao động có liên quan đến giải pháp chống ăn mòn; - Xác định áp lực thuỷ tĩnh, lực đẩy nổi. 2.8.4.2. Nguyên nhân gây ra dao động mực nước: - Do thiên văn (gây ra triều); - Do gió; - Do chênh lệch khí áp. 2.8.4.3. Số liệu về triều: Biết các mực nước biến động hàng ngày. 2.8.5. Số liệu về động đất 2.8.5.1. Nguyên nhân: Là do sự giải phóng năng lượng lớn và đột ngột, nó xuất hiện do nứt gãy hay do trượt các lớp địa tầng trong lòng quả đất, 1 vùng được coi là động đất, nếu như ghi được các hoạt động của động đất, biểu hiện bởi biên độ và tần số của động đất, cần tìm hiểu thêm về khả năng cấu tạo địa chất của khu vực, từ đó xác định các yếu tố, các nguyên nhân động đất. 2.8.5.2. Các số liệu: - Chuyển vị, vận tốc, gia tốc, do động đất gây ra. - Trong trường hợp có thể mô tả bằng mô hình thống kế thì cần thu thập số liệu về phổ gia tốc. 2.8.6. Số liệu về xâm thực của môi trường biển 2.8.6.1 Sự hình thành và phát triển của vi sinh vật tại vùng xây dựng công trình Vi sinh vật này thường phát triển từ các chất hữu cơ trong nước biển: - Nếu nước không dao động gần như đứng yên thì vi sinh vật càng dễ phát triển; - Đối với vùng biển nhiệt đới, nhiệt độ nước biển ấm rất thuận lợi cho việc phát triển sau này. 2.8.6.2. Tác hại của sinh vật biển. - Làm tăng khối lượng công trình khi xét đến bài toán dao động; - Làm tăng kích thước kết cấu công trình; - Làm tăng độ nhám bề mặt Cd, Cm; - Làm tăng đường kính D, vì vậy làm tăng tải trọng lên công trình. Theo số liệu thống kê ở vùng biển phía nam thường tính đường kính ống thép thiết kế phải cộng thêm (100 ÷ 150)mm do hà bám. 2.8.7. Các số liệu về nhiệt độ biển 2-19
Chương 2. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Nhiệt độ không khí, nhiệt độ nước biển, cả 2 loại này đều thay đổi theo chiều sâu, theo ngày, theo mùa. Các số liệu này cần thiết vì nó liên quan đến việc xác định tải trọng gián tiếp. Sự phát triển của sinh vật biển nếu nhiệt tăng, ấm dần thì liên quan đến tốc độ phát triển của sinh vật biển. 2.8.8.Số liệu về điều kiện địa chất công trình biển - Muốn thu thập số liệu về điều kiện địa chất thường phải lấy mẫu tại hiện trường đủ một độ sâu nào đó, tuỳ theo quy mô của công trình và điều kiện thử mẫu đất đem phân tích trong phòng thí nghiệm để xác định tích chất cơ lý của lớp, từ xác định được cấu tạo địa tầng của đất. - Việc thu thập số liệu địa chất công trình liên quan đến việc chọn giải pháp nền móng, giải pháp đó liên quan chặt chẽ tới các hình dáng kết cấu bên trên (khối chân đế) tuỳ theo điều kiện với nền đất và các điều kiện khác (chủ yếu là điều kiện thi công và vật tư) mà ta chọn hình thức là móng sâu (cọc) hay móng nông trọng lực. Ví dụ: Nếu là móng cọc thì lấy mẫu phải khoan sâu. Nếu chiều sâu đóng cọc là 50 m thì lấy mẫu ít nhất là 50m. Nhận xét: địa chất công trình biển: hiện nay nghiên cứu nhiều, phức tạp. - Các giải pháp nền móng đối với công trình biển rất phụ thuộc vào việc đánh giá chính xác, sự làm việc của móng trong công trình, trong khi đó điều kiện địa chất công trình chưa có sự đánh giá tin cậy, do vậy đòi hỏi nhiều nghiên cứu và việc thu thập số liệu về địa chất công trình càng nhiều càng tốt. - Trên thực tế xây dựng công trình biển cho thấy việc thu thập số liệu về địa chất công trình rất khó và không đầy đủ nên phải thí nghiệm cọc trước khi đóng đại trà để kiểm tra kết quả tính toán thiết kế. 2-20
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Chương 3. CÁC TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH BIỂN. 3.1. Các loại tải trọng tác dụng lên công trình biển. 3.1.1. Tải trọng thường xuyên P Hình 3- 1 Tải trọng tác dụng lên công trình Biển. - Tính với trọng lượng bản thân; - Tính trang thiết bị cố định; - Tải trọng dằn thường có ở các công trình trọng lực; - Áp lực tải trọng tĩnh ở mực nước trung bình. 3.1.2. Hoạt tải L. - Tính với trang thiết bị có thể di chuyển; - Các loại vật tư (ống thép, cọc ); - Các sản phẩm khoan. 3.1.3. Tính tải trọng do biến dạng của kết cấu D. - Biến dạng do nhiệt độ thay đổi; - Những sai số do lắp ráp; - Do lún lệch; - Tải trọng động đất: được đặc trưng bởi gia tốc của nền. 3-1
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 3.1.4. Tải trọng môi trường E: Gió, sóng, dòng chảy các yếu tố thuỷ triều. 3.1.5. Tải trọng do sự cố A. 3.2. Tải trọng sóng. 3.2.1. Chuyển động của sóng theo mô hình tiền định. 3.2.1.1. Sóng Airy. Là sóng điều hoà có biên độ nhỏ dựa trên giả thiết chuyển động có thế và điều hoà của vận tốc phần tử nước. H H ⎛ x t ⎞ η()x,t = cos()Kx − ωt = cos2π.⎜ − ⎟ (3. 1) 2 2 ⎝ L T ⎠ Trong đó 2π 2π L k = ; ω = ; c = ; L T T 2πg g 2 2 ω2 = gkthkd;; L = = T =1,56T ω2 2π Biết H, ω, T, L xác định được chuyển động của phần tử sóng bề mặt. Trong thực tế cần biết H,T là xác định được các thông số còn lại. Vận tốc sóng: H gT cosh[k(z + d)] v = cos(kx − ωt) (3. 2) x 2 L cosh(kd) H gT sinh[]k()z + d v = sinωt (3. 3) z 2 L cosh()kd - Gia tốc sóng: . gπH cosh[]k()z + d W = vx = sin ωt (3. 4) x L cosh()kd . gπH sinh[]k()z + d W = vz = cosωt (3. 5) z L cosh()kd Hình 3- 2 Sóng điều hòa. 3-2
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 3.2.1.2. Sóng bậc cao. Sóng Stokes bậc 3, 5 gọi là sóng phi tuyến. Lý thuyết sóng Stockes thích hợp cho vùng nước vừa. 3.2.1.3. Sóng CNOIDAL: Thích hợp cho vùng nước nông. 3.2.2. Chuyển động sóng theo mô hình ngẫu nhiên. Cho η(t) là quá trình ngẫu nhiên: - Dừng. - Chuẩn _ - Giá trị trung bình bằng 0 (η = 0) Hàm mật độ xác suất, tung độ mặt sóng có dạng: phân phối theo luật Gaus. 2 ⎡ ⎛ _ ⎞ ⎤ ⎢ ⎜η − η⎟ ⎥ 1 1 ⎜ ⎟ η = ⎢− ⎝ ⎠ ⎥ fη () exp 2 (3. 6) 2π.σ ⎢ 2 σ ⎥ η ⎢ η ⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ _ η = 0 như nói ở trên, ση là độ lệch chuẩn tung độ mặt sóng và có giá trị: ση = Dη = M0 Trong đó: Dη - Phương sai tung độ mặt sóng; M0 - Mômen bậc không của hàm mật độ phổ sóng. Hàm phổ chuyển động sóng bề mặt hay dùng có ba loại: 3.2.2.1. Hàm phố P.M (Pierson – Moskowitz). 4 αg2 ⎡ ⎛ g ⎞ ⎤ Sηη ()ω = 5 exp⎢−β⎜ ⎟ ⎥ (3. 7) ω ⎣⎢ ⎝ ωw ⎠ ⎦⎥ Trong đó: 2 3⎛ HS ⎞ α = 4π ⎜ ⎟ (3. 8) ⎝ gTz ⎠ 4 3⎛ w ⎞ β = 16π ⎜ ⎟ (3. 9) ⎝ gTz ⎠ - w: là tốc độ gió lấy ở độ cao 19,5 m so với mực nước biển trung bình. 3-3
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. HS = H 1 là chiều cao sóng đáng kể. 3 - Tz: là trung bình chu kỳ sóng cắt không . Người ta còn biểu diễn HS, Tz qua α và β: 2w2 α H = (3. 10) S g β w 1 Tz = 2π (3. 11) g ()βπ 1/ 4 - Từ các công thức 3.7 đến 3.11 ta thấy α và β cũng như HS và Tz là phụ thuộc vào vận tốc gió là W, biết HS, Tz và vận tốc gió w ta xác định được α và β. Ví dụ đối với biển Bắc: α = 0,0081 và β = 0,74. - Tần số ứng với đỉnh phổ này có giá trị: 1 ⎛ 4 ⎞ 4 g ωP = ⎜ β⎟ (3. 12) ⎝ 5 ⎠ w - Phổ P-M: thích hợp với điều kiện biển mở, nó thích hợp với môi trường biển thềm lục địa Việt Nam. 3.2.22. Phổ JONSWAP. - Là phổ thu được do đề án phối hợp khảo sát sóng biển Bắc. 2 ⎡ ⎛ ω ⎞ ⎤ ⎢ ⎜ −1⎟ ⎥ ⎜ ⎟ ⎢ ⎝ ωp ⎠ ⎥ exp⎢− 2 ⎥ 4 ⎢ 2σ ⎥ 2 ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ αg 5 ⎛ ω ⎞ S ()ω = exp⎢− ⎜ ⎟ ⎥γ ⎣⎢ ⎦⎥ ηη ω5 ⎢ 4 ⎜ ω ⎟ ⎥ (3. 13) ⎣ ⎝ p ⎠ ⎦ Trong đó: α, ωp γ - Các tham số phụ thuộc HS và Tz của một trạng thái biển ngắn hạn ở vùng biển đang xét. σ - Đặc trưng cho độ nhọn của đỉnh phổ. ωp - Tần số góc của đỉnh phổ Piersen – Moskowitz tương ứngvới vùng biển Bắc, các tham số trên được xác định như sau: Jonswap Sηη ()ω max γ = P.M Sηη ()ω max γ - Tỷ số giữa giá trị cực đại của phổ Jonswap và phổ Piersen-Moskowitz 1 < γ < 7 thường γ = 3,3. Khi γ = 1 thì phổ Jonswap tương ứng với phổ Piersen-Moskowitz. 3-4
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. σ = 0,07 = σa , khi ω ωp α = 0,0081 Hình 3- 3 Các phổ sóng P-M và Jonswap. 3.2.2.3. Phổ Bretschneider. ⎛ A ⎞ −4 Sηη ()ω = ⎜ ⎟exp()− Bω (3. 14) ⎝ ω5 ⎠ - A, B là các thông số của phổ: 4 2 ⎛2π ⎞ A = 1,819.HS ⎜ ⎟ (3. 15) ⎝ TS ⎠ 4 ⎛ ⎞ B = 0,675.⎜2π ⎟ (3. 16) ⎝ TS ⎠ Trong đó: HS - chiều cao sóng đáng kể. TS - chu kỳ tương ứng của sóng đáng kể. HS, TS (của sóng đáng kể) có thể biểu diễn gần đúng, thông qua các giá trị trung bình của chiều cao sóng H và chu kỳ sóng Tz. _ HS = 1,6.H TS = 1,1.Tz Từ phổ sóng bề mặt ta xác định được phổ vận tốc, phổ gia tốc và phổ lực. Sηη ()ω → SVV (ω)()→ SV& V& ω → SFF (ω) Chú ý: 1) η là quá trình ngẫu nhiên biểu diễn gần đúng theo chuỗi Fourier mỗi thành phần của chuỗi là 1 hàm điều hoà, còn nếu η theo quan điểm tiền định có thể dùng lý thuyết 3-5
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. sóng Airy để mô tả. Như vậy η theo quá trình ngẫu nhiên có thể coi là tổng vô hạn các sóng điều hoà Airy. iωt Dạng điều hoà mô tả η của chuỗi Purier dưới dạng như e đưa về dạng y=A.x ta có quá trình mặt sóng, vận tốc, gia tốc viết dưới dạng: ⎧ iωt ⎪η()x,t = η ()x e ⎪ ⎪ g chk()z + d Vx = K η()x,t = A xη ()x,t ⎪ ω chkd ⎪ ⎪ g k.shk()z + d ⎨Vz = η()x, t = A zη()x,t ⎪ ω ch()kd (3. 17) ⎪ chk()z + d ⎪V& x = gk η()x,t = B xη ()x,t ⎪ chkd ⎪ shk()z + d V& z = gk η()x,t = B zη ()x,t ⎩⎪ chkd 2 Phổ sóng viết dưới dạng Sγγ = A Sxx do vậy chúng ta sẽ có phổ vận tốc, gia tốc như sau: S = A2 .S (ω) VxVx x ηη S = A2.S () VzVz z ηη S = B2 .S ()ω (3. 18) V& xV& x x ηη S = B2 ()ω V& zV& z z - Biểu thức (30) là quan hệ hàm mật độ phổ giữa vận tốc và gia tốc với biên độ sóng tại điểm có toạ độ x và z theo thời gian t. 2) Trong lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên, người ta đã chứng minh được mối quan hệ giữa phổ vận tốc và phổ gia tốc: ()ω ω2 ()ω Sv&v& = S vv (3. 19) 2 Phương sai của γ là σ γ được xác định theo công thức: +∞ 2 2 ση = ∫ η fη ()η dη (3. 20) −∞ Nếu biểu diễn η của một điểm có toạ độ đo x,z nào đó theo t ta sẽ xác định được ση là độ lệch quân phương của η (độ lệch đó khác chiều cao sóng trung bình). 3-6
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Hình 3- 4 Chu kỳ sóng. Hàm mật độ phổ Sηη ()ω thể hiện trạng thái của quá trình ngẫu nhiên mặt sóng η(t) phụ thuộc vào thời gian. Hàm mật độ phổ thông này được xây dựng trên cơ sở thu thập và phân tích các số liệu sóng thống kê tại địa phương. Sử dụng biến đổi tích phân Fourier có thể biểu diễn hàm tự tương quan Rηη (τ ) và mật độ phổ Sηη (ω ) đối với quá trình η(t) bằng hệ thức Weiner – Khinchin: ω 2 ση = Rηη ()τ τ=0 = ∫ S ηη ()ω dω (3. 21) 0 Từ (33) ta có nhận xét: 2 Biết phổ của sóng, của từng địa phương, có thể tính được phương sai ση theo 2 (3.21) sau khi xác định được ση , xẽ xác định được mật độ phân phối chuẩn theo (3.6) rồi xác định được các đặc trưng của các hàm phổ vận tốc theo (3.17) các đặc trưng của các hàm phổ gia tốc (3.18). 3) Tính các chu kỳ trung bình của sóng, ta phải quan tâm đến hai giá trị trung bình là TZ và Tm, trong quá trình ngẫu nhiên dừng: - Chu kỳ cắt không: M0 TZ = 2π× (3. 22) M4 - Chu kỳ đỉnh sóng: M2 To Tm = 2π× = M4 1,41 Trong đó: 3-7
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Mô men phổ bậc k được xác định bởi: ∞ k Mk = ∫ ω Sηη ()ω dω (3. 23) o Thì thông số xác định chiều rộng giải phổ Sηη (ω), ký hiệu ε, có dạng: 1/ 2 ⎛ M2 ⎞ ⎜ 2 ⎟ ε = ⎜1− ⎟ ⎝ MoM4 ⎠ Thông số ε luôn dương và nằm trong khoảng [0,1]. Các trường hợp giới hạn của ε: - ε = 0: trường hợp phổ của quá trình dải hẹp; - ε = 1: trường hợp phổ của quá trình dải rất rộng (quá trình ồn trắng). Khi k = 0 ⇒ ω0 = 1 ∞ 2 ση = M0 = ∫ Sηη ()ω dω (3. 24) o Ngoài ra (36) còn có ý nghĩa như sau: 2 Mo = ση = Eo (3. 25) Eo là tổng năng lượng sóng bằng diện tích dưới đường cong hàm mật độ xác suất. Khi k=2 (k-4) thì xuất hiện momen bậc 2 (M2) và momen bậc 4 (M4). Hình 3- 5 - Với điều kiện sóng biển, người ta đã đo được tần số dao động f = 0,05 Hz (Hez) tương ứng với phổ dải rộng: ω = 2π.f(rad/s) - Đối với phổ dải hẹp ω1, ω2 nằm lân cận ωp, diện tích nằm giữa ω1 và ω 2 chiếm (70÷80%) diện tích (E0). - Nếu ηt ở phổ dải hẹp thì dao động sóng sẽ theo hình sin. Để cho Tm = Tz thì ε = 0. 3-8
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - ε: có ý nghĩa lớn dùng để tính mỏi cho công trình nó liên quan đến vấn đề tích luỹ mỏi. Hình 3- 6 4) Cách mô tả chiều cao sóng theo quá trình ngẫu nhiên khi xác định tải trọng sóng một thông số cần phải quan tâm đó là chiều cao sóng H. Quan sát các giá trị Hthực sẽ thấy H là một quá trình ngẫu nhiên và qua nhiều quan trắc, xử lý ta thấy H không tuân theo luật chuẩn mà tuân theo luật phân phối Rayleigh. H ⎛ H2 ⎞ f ()H = exp⎜− ⎟ (3. 26) H 2 ⎜ 2 ⎟ 2ση ⎝ 8ση ⎠ Trong đó: 2 ση - Phương sai được xác định theo Rayleigh từ hàm (3.26) ta sẽ xác định được các đặc trưng của chiều cao sóng. Chiều cao sóng trung bình: ∞ Ho = ∫ HfH ()H dH (3. 27) o thay fH(H) từ (3.26) vào (3.27) rồi tích phân ta có: H0 = 2πση = 2,507ση (3. 28) Chiều cao trung bình bình phương: 1 ⎛ ω ⎞ 2 H = ⎜ H2f H dH⎟ ⎜ ∫ H () ⎟ (3. 29) ⎝ 0 ⎠ Thay (3.26) vào (3.29) tích phân lên ta được: H = 2 2ση (3. 30) H = 1,103× Ho = 2,82ση Chiều cao sóng đáng kể: Là chiều cao trung bình của 1/3 số lượng sóng cao nhất trong 1 trạng thái biển ngắn hạn T; đo, đếm, sắp xếp lại thứ tự từ nhỏ đến lớn. 3-9
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Ví dụ: đếm được 90 con sóng nếu biểu hiện bằng phương pháp xác suất từ biểu đồ fH(H) theo Rayleigh: h fh (h) 1/3 diÖn tÝch toµn bé t h 1/3 1/3 1/3 h* TB Hình 3- 7 - Từ biểu đồ tìm được giá trị H*, để có diện tích = 1/3 toàn bộ, sau đó trong phạm vi diện tích đó, lấy trung bình ta sẽ được HS: ω Hs = H 1 = H.fH ()H dH (3. 31) 3 ∫ H - Cần tìm H* từ điều kiện hàm phân phối xác suất P (H>H*) ω 1 P()()H > H* = ∫ fH H dH = (3. 32) H* 3 ⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ - Giá trị của những sóng có giá trị H>H* tra ngược lại được 1 giá trị H* đưa ⎝ 3 ⎠ (40) vào (46) rồi lại tích phân ta sẽ được → HS = 4ση (3. 33) 5) Hàm phân phối của chiều cao sóng: ~ ~ - Xét chiều cao sóng có giá trị H , hàm phân phối P(H H) =1 (3. 34) ω ⎛ ~ 2 ⎞ ~ ~ ~ ⎜ H ⎟ Q(H)= P(H > H)=1− P(H < H) = fH ()H dH = exp − 2 = n% (3. 35) ∫~ ⎜ 8σ ⎟ H ⎝ η ⎠ n% - Gọi là mức đảm bảo đối với chiều cao sóng H. Đặt gọn lại: ~ ⎛ H2 ⎞ n% = exp⎜− ⎟ (3. 36) ⎜ 2 ⎟ ⎝ 8ση ⎠ ~ H = Hn% = ση 8 − ln(n%) (3. 37) Khi n = 3% ta có 3-10
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. H3%= 5,29 ση (3. 38) Khi n = 1% ta có H1%= 6,07 ση (3. 39) Khi n = 0,1% ta có H0,1%= 7,43 ση (3. 40) Khi n = 1/3% ta có H0,33%= 6,67 ση (3. 41) Ký hiệu: H0,33% = H* Nếu lấy chiều cao tính toán = H* thì mức đảm bảo: n% = 1/3% = 0,33% - Hiện nay trên thực tế tính toán công trình biển tồn tại hai quan điểm tính chiều cao sóng: + Theo quy phạm phương tây: HS = 4ση; + Quy phạm Liên Xô: lấy theo n=1%⇒H1% = 6,07ση. Kết luận: - Các phổ sóng Sηη(ω) phụ thuộc: Hs và TZ được xác định trên cơ sở quan trắc và xử lý thống kê. Cần phân biệt các trạng thái biển: + Trạng thái biển ngắn hạn là: Ei(HSi, TZi); + Trạng thái biển dài hạn: là tập hợp tất cả trạng thái biển ngắn hạn trong cả đời sống công trình. Trạng thái biển dài hạn là tổng các trạng thái biển ngắn hạn: ΣEi Các Quy phạm tính toán xét với tần suất lặp lại là một lần trong 50 năm hay 100 năm. Cho nên với công trình xây dựng với tuổi thọ 20 năm thì tùy theo Quy phạm tính toán là 50 năm hay 100 năm mới xẩy ra một lần, để xét ∑Ei ở điểm nào trên trục t Trong 20 năm đời sống công trình có các trạng thái biển khác nhau, nếu ngắn hạn thì có các HSi và TZi là các quá trình ngẫu nhiên. Tùy theo kinh nghiệm thực tế đã chỉ ra rằng chiều cao sóng đáng kể trong khoảng thời gian dài thường phân phối theo luật Weibull: α HS ⎡ ⎤ ⎛ HS − H0 ⎞ PL ()Hs = fH ()HS dH = 1− exp⎢− ⎜ ⎟ ⎥ (3. 42) ∫ S ⎜ β ⎟ 0 ⎣⎢ ⎝ ⎠ ⎦⎥ Trong đó: 3-11
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. α và β là các tham số hình dáng và kích thước của phân phối và được xác định từ các số liệu quan trắc ở vùng biển đang xét, bằng các phương pháp ước lượng thống kê, hoặc bằng giấy xác suất Weibull. Ví dụ: Có trạng thái biển Ei có các thống kê sau: TT Chiều cao sóng H(m) Số lượng sóng N Hi 1 2 (H1) 45 (n1) H0 = ? 2 4 (H2) 35 (n2) H = ? 3 6 (H3) 25 (n3) H01% = ? 4 8 (H4) 5 (n4) HS = ? 5 10 (H5) 2 (n5) H33% = ? ΣNi = N Hình 3- 8 Yêu cầu: Xác định các đặc trưng xác suất của chiều cao sóng Hi Xác suất: ni ni Pi = = Σni N H H1 H2 H3 H4 H5 P p1 p2 p3 p4 p5 3.3. Các phương pháp tính toán sóng trong thiết kế. 3.3.1. Phương pháp tính sóng thiết kế. - Xuất phát từ mô hình ngẫu nhiên của sóng cho các chiều cao sóng H: là đại lượng ngẫu nhiên đặc trưng bởi HS và TZ nhưng không tính theo cách tính phổ sóng mà tìm giá trị cực đại theo quan điểm ngẫu nhiên. 3-12
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Hmax = HS × 0,5ln Nc (3. 43) 2 2 T max = Tz 0,5lnNc (3. 44) Trong đó: N c = f × T Nc - Trung bình của các chu trình sóng trong một trạng thái biển ngắn hạn. 1 f - Tần số trung bình trong 1 đơn vị thời gian, f = . TZ T - Thời gian kéo dài của trạng thái biển ngắn hạn tính bằng giây. Ví dụ: 3×3600 Một cơn bão trong 3 giờ có: T = 10s ⇒ N = = 1080 (chu trình). Z c 10 ⇒ Hmax = HS × 0,5 ln1080 = 1,86HS Biết được HS ,TZ ⇒ Hmax. - Hmax được coi là sóng thiết kế, Hmax tính theo mô hình tiền định. 3.3.2. Phương pháp tính sóng theo mô hình ngẫu nhiên. Tất cả các thông số của sóng biểu diễn bằng xác suất có thể dùng lý thuyết độ tin cậy để xác định các đặc trưng xác suất của phản ứng ở đầu ra như là chuyển vị, nội lực, ứng suất, từ đó đánh giá độ tin cậy của công trình. 3.4. Tác động tải trngj sóng lên công trình biển có kích thước nhỏ. 3.4.1. Các chế độ của sóng tác dụng lên các loại công trình biển. Việc xác định tải trọng của sóng lên công trình kể cả công trình có các phần tử kết cấu có kích thước nhỏ cũng là 1 bài toán phức tạp, xuất phát từ các lý thuyết khác nhau. Người ta có thể mô tả bằng giải tích nhưng để mô tả 1 số hiện tượng phụ liên quan đến tác dụng và va đập sóng thì không thể mô tả đơn giản và định lượng được. Các lực sóng hầu như phụ thuộc vào đặc điểm tương tác giữa công trình và sóng. Trong công trình biển người ta chia ra làm 3 chế độ tải trọng sóng theo quan hệ giữa L và D: + L: chiều dài sóng đặc trưng cho chế độ sóng tới là sóng khi không có công trình. + D: là kích thước đặc trưng cho công trình. (D) có thể là đường kính nếu công trình dưới dạng phần tử thanh, tiết diện tròn và thẳng đứng (hoặc) D là chiều rộng lớn nhất của mặt cắt tiết diện ngang chiếu lên phương vuông góc với phương truyền sóng. 3-13
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Hình 3- 9 Có 3 chế độ sóng: D > 1 - Công trình có kích thước lớn khi sóng gặp công trình sẽ dội lại hoàn toàn, L tính chất dội như là sóng gặp tường chắn phải tính theo như sóng dội hoàn toàn (khi tính tải trọng sóng). D - 0,2 0,2 : thì tải trọng sóng do gia tốc w ( V& ) là trội. L* Trong đó: - L*: là độ dài cạnh elíp (ở vùng nước sâu quỹ đạo tròn → L* = H) Hình 3- 10 3-14
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 3.4.2. Tải trọng sóng tác dụng lên vật thể có kích thước nhỏ. 3.4.2.1. Phương trình MORISON xác định tải trọng sóng lên phân tử lăng trụ đứng có D kích thước nhỏ ( < 0,2 ) L Năm 1950 MORISON cùng nhóm nghiên cứu dựa trên kết quả thực nghiệm về tải trọng sóng tác động lên một cột lăng trụ thẳng đứng đã xác định tải trọng sóng gồm hai thành phần: Lực cản vận tốc (lực cản chính diện) gây tải trọng sóng có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc (qD). Lực quán tính gây tỷ lệ bậc nhất với gia tốc của sóng (qM): q()z,t = qD + qM (3. 45) Trong đó: 1 q = ρC D V V (3. 46) D 2 d X X D - Đường kính; V vận tốc; ρ - Khối lượng riêng của nước biển. q M = ρAWX + C mρAWX = ρAWX (1 + C m ) = C MρAWX (3. 47) A - Diện tích mặt cắt ngang phần tử kết cấu; Vx - vì phải tìm ra dấu lực trùng với phương vận tốc chuyển động của phân tử nước; Cm - Hệ số nước kèm; CD - Hệ số cản. 3.4.2.2. Tải trọng sóng lên phần tử thanh xiên không gian. Xét phần tử thanh xiên không gian được gắn với hệ trục tọa độ zxy. Hình 3- 11 3-15
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. - Phân thành phần vận tốc, gia tốc theo thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến với trục thanh: → → → = + V Vn Vτ → → → = + W Wn Wτ - Người ta đã chứng minh được rằng chỉ có thành phần vn, wn gây nên tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử thanh. Vị trí thanh nghiêng xác định bởi hai thông số ϕ và θ. Dựa vào nghiên cứu thí nghiệm để sử dụng phương trình MONISON cho trường hợp thanh xiên, có nghĩa là tìm tác động sóng xác định theo vn; wn; ϕ; θ. Xác định vận tốc: Công thức M0RISON trong trường hợp này như sau: 1 2 2 2 2 vn = []vx + vz − ()cxvx + czvz (3. 48) Theo các trục x, y, z có các thành phần vận tốc. ⎧vnx = vx − cx (cxvx + czvz ) ⎪ v = −c c v + c v ⎨ ny y ()x x z z (3. 49) ⎪ ⎩vnz = vz − cz ()cxvx + czvz 1 2 2 2 2 vn = ()vnx + vny +vnz (3. 50) Trong đó: ⎧ L C = c = sin .cosθ = x ⎪ 1 x L ⎪ ⎪ Ly ⎨C2 = cy = sin .sinθ = ⎪ L (3. 51) ⎪ Lz ⎪C3 = cz = cos = ⎩ L Trong đó: L - Chiều dài của đoạn thanh không gian. Lx, Ly, Lz - chiều dài hình chiếu của thanh không gian lên các trục x, y, z. Xác định gia tốc Tương tự chúng ta có thành phần gia tốc pháp tuyến wn: ⎧wnx = wx − cx ()cx wx + cz wz ⎪ ⎨wny = −cy ()cx wx − cz wz (3. 52) ⎪ ⎩wnz = wz − cz ()cx wx − cz wz 3-16
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 1 2 2 2 2 wn = ()wnx + wny + wnz (3. 53) - Từ đó xác định được thành phần tải trọng sóng lên 1m dài: ⎧ 1 q = ρ.C .D .V V + ρ.C A.W ⎪ x 2 d nx nx M nx ⎪ ⎪ 1 q = ρ.C .DV V + ρ.C A.W ⎨ y d ny ny M ny (3. 54) ⎪ 2 ⎪ 1 ⎪qz = ρ.Cd DVnz Vnz + ρ.CM AWnz ⎩ 2 - Tải trọng sóng tác động lên 1m dài thanh xiên: r 1 r r q = ρC D V V + ρC AW (3. 55) n 2 d n n M n 2 2 2 qn = qx + qy + qz (3. 56) - Tải trọng sóng tác động lên phần tử thanh xiên: ⎧ F = q dl = q L ⎪ x ∫ x x ⎪ L ⎪ ⎨Fy = q y dl = q y L ∫ (3. 57) ⎪ L ⎪F = q dl = q L ⎪ z ∫ z z ⎩ L 3.5. Tác động tải trọng sóng lên công trình biển có kích thước lớn. 3.5.1. Cách tính thực hành. Với công trình có kích thước lớn ( 0,2 < D/L < 1,0) khi sóng chuyển động tới gặp công trình gây ra hiện tượng nhiễu xạ. Để xét đến hiện tượng nhiễu xạ người ta cần phải xác định các hệ số nhiễu xạ, biểu diễn chúng như là hàm của tần số hoặc số sóng. Ví dụ các hệ số sau được xác định đối với vật cản trụ tròn với quan hệ khác nhau của chiều cao và đường kính. - Ch: là tỷ số của toàn bộ lực ngang lớn nhất với lực lớn nhất FROUDE-KRILOV, có thể xác định như lực quán tính, tính theo công thức MORISON với điều kiện sự tồn tại của vật cản không gây ảnh hưởng đến chuyển động của phẩn tử chất lỏng. - Cd: là tỷ số của toàn bộ lực lớn nhất với lực thẳng. - Cm- quan hệ tương ứng với mô men lật. Các hệ số này được xác định đối với điều kiện H/d < 0,6 Trong đó: - H - Chiều cao sóng tới. - d - Chiều sâu nước. 3-17
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. + Khi xác định Ch, Cd: 0,3 1) Cm = 1,9 – 0,35ka Trong đó: a = D/2 - Bán kính vật cản. k = 2π/L - Số sóng. Sử dụng các hệ số này thay cho tính toán theo lý thuyết chính xác của sóng nhiễu xạ, cho kết quả không sai khác quá 5%. Tải trọng sóng tác dụng lên trụ tròn không chuyển động lúc này xẽ tính theo công thức của MORISON biểu diễn dưới dạng: 1 q = ρC DV V + C []C ρAW (3. 59) ()z,t 2 d X X h M X Trong đó: CM = (1 + cm) vx, wx - vận tốc và gia tốc sóng theo phương x. Ch, Cd, Cm -Đã nói ở trên. q(z,t) - tải trọng sóng tác dụng lên một đơn vị chiều dài công trình. 3.5.2. Cách tính tổng quát. Trong trường hợp tổng quát thì sóng tới gặp vật cản có kích thước lớn gây ra sóng nhiễu xạ, tạo ra trường chuyển động sóng xung quanh vật thể có kích thước lớn. Chuyển động sóng là chuyển động có thế, hàm thế vận tốc bằng hàm thế sóng tới cộng với hàm thế sóng nhiễu xạ. Thiết lập phương trình cân bằng động lực học của chuyển động phần tử chất lỏng: φ()x,y,z,t = φi ()x, y,z,t + φdif (x, y,z,t) (3. 60) Trong đó: 3-18
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. φ(x,y,z,t) - Hàm thế vận tốc phụ thuộc vào không gian và thời gian. φi(x,y,z,t) - Hàm thế vận tốc sóng tới. φdif(x,y,z,t) - Hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ. Để xác định thế sóng tổng cộng, ta giả thiết chuyển động của sóng tới và sóng nhiễu xạ được mô tả bằng các hàm điều hòa: 2 ⎪⎧∇ φi ()x, y, z,t = 0 ⎨ 2 (3. 61) ⎩⎪∇ φdif ()x, y, z,t = 0 - Giải phương trình Laplace với bốn điều kiện: (1)- Phương trình Laplace đối với hàm thế vận tốc; Hàm thế vận tốc là hàm điều hoà; (2)- Điều kiện không thấm ở mặt đáy (v = 0); (3)- Phương trình động lực học Bercnoulli viết cho điều kiện đẳng áp ở mặt nước (mặt tự do); ⎛ dz ⎞ (4)- Là điều kiện động học ở mặt tự do ⎜ v = ⎟ ⎝ dt ⎠ ⎧∂ 2φ ∂ 2φ ∂ 2φ ⎪ 2 + 2 + 2 = 0 _ ∀M ()x, y, z ∈ Ω;∀t ⎪∂x ∂y ∂z ⎪∂φ ⎪ = 0 _ ∀()x, y, z = −d ⎪ ∂z ⎨ ⎡ 2 2 2 ⎤ ⎪∂φ 1 ⎛ ∂φ ⎞ ⎛ ∂φ ⎞ ⎛ ∂φ ⎞ (3. 62) + ⎢⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎥ + gη()x,z,t = 0 _ ∀t;∀M ()x, y, z ⎪ ∂t 2 ⎢⎝ ∂x ⎠ ⎝ ∂y ⎠ ⎝ ∂z ⎠ ⎥ ⎪ ⎣ ⎦ ⎪∂η ∂φ ∂η ∂φ ∂η ∂φ ⎪ + + − = 0 _ ∀t;∀M ()x, y, z ⎩ ∂t ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z - Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, bằng cách chia lưới trong phạm vi r1 và r2 dưới dạng phần từ hình chóp (3 chiều). - Sử dụng phương pháp phần tử biên, chỉ xét trên r1, như vậy từ việc giải bài toán không gian ba chiều thành bài toán hai chiều. - Sau khi giải được hàm φ trên biên r1 ta xác định được vận tốc và gia tốc phần tử nước tác dụng trên biên và xác định áp lực do gia tốc, vận tốc tác dụng trên biên (sóng tới + sóng nhiễu xạ, cho ta tải trọng sóng tổng cộng tác dụng lên bề mặt kết cấu). Các trường hợp đơn giản: - Lăng trụ tròn đứng xác định được công thức giải tích. - Trụ tròn xoay. - Lăng trụ đứng. - Lăng trụ nằm ngang. 3-19
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. r1 sãng tíi di r2 ϕ = ϕ idif + ϕ Hình 3- 13 3.5.3. Trường hợp trụ tròn đứng. z y η (x,v,t) r θ x z = 0 ϕ = 0 (r = a) r a a 2φ = 0 z = - d Hình 3- 14 Từ phương trình: 2 2 2 ∂ φ ∂ φ ∇ φ()x, y,z, t = + = 0 ∂x 2 ∂z2 Sử dụng các điều kiện biên (3.62), trường hợp sóng phẳng, hàm thế là hàm điều hoà viết dưới dạng phức: φ()x, y,z, t = ϕ()x,y ×f ()z exp(iωt) (3. 63) Trong đó: ch[]k()d + z f()z = (3. 64) ch()kd ϕ(x,y) - Nghiệm phương trình Helmholz. Đưa phương trình Laplace về dạng: ∇2ϕ + k2ϕ = 0 (3. 65) 3-20
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Trong đó: ϕ - Hàm thế của sóng phẳng, xét biên độ không phụ thuộc vào thời gian và chiều sâu nước. - Giả sử sóng tới là sóng Airy có biên độ a0 (H = 2a0): ϕ = ϕi + ϕdif (3. 66) ϕ - Hàm thế tổng cộng sóng phẳng, sóng tới là sóng Airy. ϕi - Hàm thế sóng tới. ϕdif - Hàm thế sóng nhiễu xạ. Biểu diễn hàm thế sóng tới ϕi dưới dạng hệ toạ độ trụ: +∞ i.g.a 0 n ϕi (r, θ, ω) = ∑ (−i) .J n .(k.r).exp[−i.n.(θ − α)].J (3. 67) ω −∞ Trong đó: a0, ω, k - bBên độ, tần số vòng, số sóng; α - Góc tác dụngcủa sóng tới đối với hình trụ, giả sử phương sóng tới trùng với phương trục x. θ = kx - ωt. Trong đó điều kiện biên: vận tốc theo phương n chính là vận tốc theo phương r bằng không → → ∂ϕd ∂ϕi v n = v r = 0 = − ;r = a ∂r ∂r ∂ϕ =0 r = a (điều kiện bề mặt trụ) (3.68) ∂r Giải phương trình Helmholtz: 2 2 ∇ ϕd + k ϕd = 0 (3. 68) Ta có hàm thế ϕd thỏa mãn điều kiện (3.68) thu được nghiệm như sau: g.a ϕ ()r,θ,ω = i 0 α H2 ()k.r exp (− i.n.θ ) (3. 69) d ω ∑ r n Trong đó: αr- Hằng số xác định từ điều kiện biên (3.68): n J′n (k.a) αr = −()− i exp (i.r.α )()2 (3. 70) Hn '()k.a Jn -Hàm Bessel bậc n; (2) H n - Hàm Hankel loại 2, bậc n; Ký hiệu ()' là đạo hàm theo đối số, r = 0; ±1; ±2, ±3; 3-21
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Sau khi xác định được hàm thế ϕd ta xác định được hàm thế tổng cộng ϕ, từ đó xác định được tải trọng sóng tác dụng lên bề mặt vật thể. → Fds ()ω = (− P cosθds;Psin θds ) (3. 71) - Áp lực phần tử nước hướng vào, ngược chiều với véc tơ tổng cộng, các lực do sóng tác dụng lên mặt ướt hình trụ, lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài: → → 2n 0 → F ω, t = − P. r .dS = − P. r .a.dθ.dz (3. 72) T () ∫ ∫∫ S 0 −d z P ds k j y i x Hình 3- 15 S - Diện tích mặt cắt ướt hình trụ. P - Cường độ áp lực sóng lên trên bề mặt vật thể (phương trình Becnoulli sau khi bỏ qua thành phần phi tuyến): ∂φ P = −ρ − ρgz (3. 73) ∂t Thay P vào phương trình trên (3.72) thu được: → 0 2π ∂φ → 0 2π → Ft ()ω, t = ∫∫ρ. . r .a.dz.dθ + ∫∫ρ.g.z. r .dθ.dz (3. 74) −d 0 ∂t −d 0 Trong đó: - Áp lực sóng: 0 2π ∂φ → ∫∫ρ. . r .a.dz.dθ (3. 75) −d 0 ∂t - Áp lực thủy tĩnh: 0 2π → ∫∫ρ.g.z. t .a.dθ.dz (3. 76) −d 0 Giá trị lớn nhất ở độ sâu z: 3-22
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 4.ρ.g.a ch[]k.(z + d) 1 F ω,z, t = 0 × × cosα,sin α max () ()2 () k ch()kd H1 '.()k.a 3.6. Tải trọng gió. 3.6.1. Biểu thức tổng quát của tải trọng gió. 3.6.1.1. Áp suất của gió. - Khí quyển chuyển động gây ra gió có vận tốc v = v(t) gây ra áp suất động khí quyển, hay còn gọi là áp suất động của gió: 2 q0(t) = 0,5.ρ.v (t) (3. 77) Trong đó: ρ = 0,125 Kg.s2/m4 = 0,125 Kg/m3 - Khối lượng riêng của không khí trong điều kiện tiêu chuẩn: V2 ()t q ()t = (3. 78) o 16 _ V()t = v+ v ()t (3. 79) Trong đó: v - Thành phần vận tốc trung bình trong khoảng thời gian ∆t được xác định như sau: ∆t = 3”; 1’; 2’; 1h tùy thuộc vào cách tính toán và v(t) thành phần mạch động của gió biến thiên trong khoảng thời gian ∆t 2 q0(t) = 0,5.ρ.v (t) 1 2 1 2 q (t) = ρ.[]v + v()t = ρ.v + ρ.v.v(t) (3. 80) 0 2 2 q0(t) = q0tĩnh + q0động (3. 81) q0tĩnh - Tính không phụ thuộc vào thời gian. q0động - Tính phụ thuộc vào thời gian. (bỏ qua thành phần v(t)2 vì quá bé). 3.6.1.2. Áp lực gió Là áp lực không kể đến vật cản có hình dạng gì chỉ phụ thuộc vào vận tốc gió, nhưng nếu có vật cản thì áp lực gió chuyển thành tác động gió cũng có hai thành phần tĩnh và động: Q= Qtĩnh+ Qđộng (3. 82) Hình dáng kết cấu công trình có liên quan đến tác dụng của gió gây ra tải trọng gió, ngoài diện tích đón gió còn phải kể đến hệ số khí động học: 3-23
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. t 1 2 Q tÜnh = q 0 .C.A = .ρ.v .C.A Q = 2 (3. 83)(3. 84) d Q ®éng = q 0 .C.A = ρ.v.C.A.v(t) Trong đó: C - Hệ số khí động phụ thuộc dạng kết cấu và chế độ chuyển động của gió. A - Diện tích đón gió của kết cấu vuông góc với phương gió thổi. 3.6.2- Tải trọng gió đối với công trình ( theo quan điểm tiền định ). 3.6.2.1. Tính tải trọng gió trên đất liền - Sử dụng qui phạm TCVN 27.37.90 “tải trọng và tác động”: q= qt+ qđ Trong đó qt - nhất thiết phải tính với mọi công trình. qđ - chỉ cần tính trong trường hợp công trình có tần số dao động riêng: 1 f = 4Hz (T ≥ 0,25s); T = . f 3.6.2.2- Tính tải trọng gió cho các công trình biển - Xác định (qt) thành phần tĩnh của áp lực gió theo giá trị tiêu chuẩn: t q tc = q0.k.C (3. 85) Trong đó q0 - Áp lực động của gió ở độ cao 10m so với mốc chuẩn. k - Hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực động gió theo chiều cao công trình. C - Hệ số khí động phụ thuộc vào hình dáng của các phần tử kết cấu công trình. - Tải trọng gió tĩnh tác động lên công trình: t t Qi = qtcAi = qikiCiAi (3. 86) Trong đó: i - Bộ phận thứ i của kết cấu chịu lực gió . Ai - Diện tích chắn gió của phần tử thứ i. + Trường hợp kết cấu bị che chắn: Ai= A0iEi + Phần không bị che chắn: Ei= 1 + Phần bị che chắn: Ei phụ thuộc tỷ số a/h1 3-24
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. a 2 h 1 h Hình 3- 16(h1 < h2) Bảng 3- 1Hệ số che chắn. a/hi 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,8 ≥2,0 Ei 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9 1,0 Trường hợp kết cấu rỗng gồm nhiều phần tử ghép lại, giả sử như phần tử i là rỗng thì khi tính ta sẽ coi i như là phần tử đặc để tính Ai sau đó sẽ điều chỉnh rỗng ở hệ số: Ci= Cxiϕi (3. 87) Trong đó: Cxi - Hệ số cản chính diện của kết cấu. ϕi - Hệ số lấp đầy (ϕi < 1). 3.6.2.3. Cách tính thành phần tải trọng gió tĩnh. Theo qui phạm Việt Nam. Gió ở Việt Nam được chia thành bốn vùng tương ứng với q0 là 50; 70; 90; 110. ( trang 31 điều 54 - QP). Trong khi đó những vùng có ảnh hưởng 2 của gió bão thì áp lực q0 được tăng thêm 10 daN/m . 3.7. Tải trọng dòng chảy. 3.7.1. Vận tốc dòng chảy. - Dòng chảy được xác định theo hai yếu tố chính là triều và gió: z z = 0 0 d d z = - d y Hình 3- 17 tr g vdc (z) = vdc (z) + vdc (z) (3. 88) - Theo qui phạm Dn.V: tr o d + z 1/ 7 v (z) = v ( ) (3. 89) dc tr d Trong đó: 3-25
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. 0 v tr - vận tốc dòng chảy triều vùng nước lặng. ⎧ g ⎛ d0 + z ⎞ g ⎪= vdc ⎜ ⎟ khi0 ≥ z ≥ −d0 vdc (z) = ⎨ ⎝ d ⎠ ⎪ ⎩= 0 khiz ≤ −d0 Trong đó: 0 vg = 0,02.v1h()10 (3. 90) d0 - Độ sâu nước chịu ảnh hưởng của vận tốc gió. v1h()10 - Vận tốc gió đo được ở độ cao 10m trên mực nước biển, lấy trung bình trong một giờ. Công thức (3.90) áp dụng đối với điều kiện biẻn hở không có tài liệu thống kê. + Khi tính vận tốc dòng chảy ở đỉnh sóng trong Qui phạm DnV, cho phép lấy bằng đỉnh sóng nước lặng vận tốc trên vùng nước lặng: vdc = vdc ®.sãng z vdc n.lÆng vdc x Hình 3- 18 + Trong Quy phạm Liên Xô BCH 90 người ta quan tâm đến hai thành phần là v1 (dòng chảy mặt), v2 là dòng chảy đáy. Người ta coi như vận tốc v của dòng chảy là biến đổi bậc nhất trong trường hợp đó người ta đưa ra một cách tính vận tốc dòng chảy ở các vị trí dao động xung quanh mực nước lặng: d′ v′ = ()v + v − v (3. 91) 1 1 2 d 2 z v1' v1 v1' ' d d ' d x v2 0 Hình 3- 19 3.7.2. Xác định tải trọng do dòng chảy. - Giả sử dòng chảy là dòng chảy ổn định, chuyển động đều theo phương nằm ngang: vdc=const, chuyển động dưới góc α đối với trục x: v dc = (v dc cosα;v dc sinα;0) (3. 92) 3-26
Chương 3. Các quy tác chung trong thiết kế công trình biển. Hình 3- 20 Giả sử có một công trình ở trong điều kiện trên và kích thước nhỏ không gây hiện tượng nhiễu xạ, nếu dùng công thức Monison; tải trọng do dòng chảy 1 F (z,t) = ρ.C .D.v .v + C .w .ρ.A dc 2 d dc dc 1M23dc =0 1 ⇒ F (z,t) = ρ.C .D.v .v (3. 93) dc 2 d dc dc 3.7.3. Xác định tải trọng sóng và dòng chảy. 1 F(z,t) = ρ.C d.D.v + vdc .(v + vdc )+ C M .ws.ρ.A (3. 94) 2 Thành phần của biểu thức (118) được xác định theo các công thức sau, với chú ý rằng dòng chảy chỉ chứa trong mặt phẳng nằm ngang: ⎧ 1 F (z,t) = ρ.C .D.v + v dc .()v + v .cosα + C .w .ρ.A ⎪ x 2 d s dc M s ⎨ (3. 95) 1 ⎪F (z,t) = ρ.C .D.v + v dc .v .sinα ⎩⎪ y 2 d dc z vdc x vs y Hình 3- 21 1 2 2 2 2 v + vdc = []()vs + vdc.cosα + vdc.sin α (3. 96) 2 α = 0 → v + vdc = ()vs + vdc = vs + vdc 3-27
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. Chương 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH BIỂN TRỌNG LỰC BÊ TÔNG. 4.1. Khái niệm công trình biển trọng lực bêtông. 4.1.1. Cấu tạo. 4.1.1.1. Kết cấu móng. + Dạng khối: trụ tròn, lăng trụ vuông trong là các buồng rỗng. + Trụ: xi lô ghép lại với nhau. 4.1.1.2. Trụ đỡ. Một hoặc một số trụ tùy theo yêu cầu sử dụng diện tích mặt bằng của phần thượng tầng, các trụ đỡ cũng dạng các trụ rỗng. 4.1.1.3. Kết cấu sàn chịu lực. Là kết cấu thép có kích thước phụ thuộc vào kết cấu thượng tầng và kích thước trụ đỡ. 4 PhÇn th−îng tÇng 3 2 1Ch©n khay Hình 4- 1 Hình minh họa công trình bến trọng lực bêtông. 4.1.1.4.Bộ phận thượng tầng (kết cấu thượng tầng). Phụ thuộc vào chức năng công trình, thường được cấu tạo lắp ghép theo môđun chức năng công nghệ (sản xuất, khoang người ở). 4.1.2.Đặc điểm công trình biển trọng lực bê tông. 4.1.2.1.Đặc điểm chịu lực của công trình: Ổn định nhờ chính trọng lượng bản thân. Kết cấu móng nông, trọng lượng chi phối chủ yếu là khối (1), trọng tâm công trình được hạ thấp tăng cường ổn định, ngoài ra còn quan tâm đến kích thước của (1), đế rộng thì ổn định càng tốt, đế rộng còn đáp ứng yêu cầu chịu tải của đất nền. 4.1.2.2.Chịu lực của vật liệu: 4-1
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. Kết cấu BT dùng vật liệu địa phương nhà rẻ tiền. Bê tông chịu nén tốt, chịu kéo kém bằng 10÷15% khả năng chịu nén, dễ phát sinh ra vết nứt ở vùng chịu kéo, vì vậy phải đưa cốt thép vào vùng chịu kéo. Biến dạng đàn hồi thép lớn hơn biến dạng đàn hồi của bê tông. Bê tông nứt dễ bị nước biển ăn mòn vì vậy cần phải kiểm tra bê tông vết nứt (rất nhỏ) cần đến công nghệ BTCT-USA. Có công trình yêu cầu có ứng suất trước để triệt tiêu hoàn toàn ứng suất kéo trong bê tông. 4.1.2.3.Tải trọng: Công trình chịu tải trọng sóng là chủ yếu, là tải trọng ngang gây ra ứng suất kéo. Tải trọng có tính chất động thay đổi theo thời gian và phương tác dụng không cố đinh nên tính chất chịu kéo hay nén của các điểm bên trong kết cấu không cố định. - Lượng thép trong công trình trọng lực chiếm tỷ lệ lớn hơn nhiều so với công trình trên đất liền. Theo thống kê cốt thép thường chiếm hàm lượng 5÷10%, trong đó thép ứng suất trước chiếm tỷ lệ khoảng 10% của thép thường. - Có những cốt thép chịu lực tính toán được, có những cốt thép cấu tạo do tính chất phức tạp của kết cấu không cho phép tính toán chính xác, đặc biệt là cốt thép của đế móng. 4.1.3.Xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật với công trình biển trọng lực bê tông Bao gồm phát triển về vật liệu, kết cấu, công nghệ thi công các xu hướng có quan hệ mật thiết, hữu cơ với nhau nhằm tăng tuổi thọ công trình trong môi trường biển và tăng hiệu quả kinh tế kỹ thuật. 4.1.3.1. Phát triển hoàn thiện về kết cấu. 1) Giảm trọng lượng bản thân công trình: Nhờ phát triển về vật liệu công trình biển trọng lực bê tông có tuổi thọ 70 ÷ 100 năm, trong khi khai thác một mỏ chỉ từ 25 ÷ 30 năm. Để tăng hệ số sử dụng người ta phải nghĩ đến việc sau một thời gian khai thác mỏ công trình lại được di chuyển đến vị trí mới, muốn làm được điều đó phải giải quyết vấn đề trọng lượng kết cấu thanh mảnh, nhẹ có thể nổi lên dễ dàng để di chuyển đến vị trí khai thác mới. Điều này có thể thực hiện được nhờ công nghệ bê tông ứng suất trước kết hợp với việc chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ (ví dụ bê tông cường độ C35 có khối lượng riêng 1500 kg/m3 và bê tông cốt liệu nhẹ cường độ C70 có khối lượng riêng 1900kg/m3 ) và bê tông có cường độ cao C70-C105. 2) Giàn cố định bê tông kết hợp với giàn tự nâng JACKUP: Giàn cố định bê tông một trụ là giải pháp kết cấu tối giản vì tính mềm dẻo của loại kết cấu này đối với khả năng chịu trọng lượng thượng tầng và số lượng giếng có bố trí tối thiểu như một giàn đầu giếng, hoặc giàn nặng để khoan, khai thác, người ở. 4.1.3.2. Phát triển về vật liệu. - Một trong những xu hướng phát triển vật liệu hiện nay là tăng tuổi thọ cho công trình biển trọng lực trong môi trường biển. Công trình biển trọng lực bê tông được tạo thành bởi vật liệu tổng hợp bao gồm bê tông, thép thường, thép ứng suất trước. Để tăng tuổi thọ của công trình phải tìm cách tăng tuổi thọ của cả bê tông và thép trong bê tông. 1) Tăng tuổi thọ bê tông trong môi trường biển 4-2
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. - Có hai phương pháp chủ yếu để tăng tuổi thọ của bê tông trong môi trường biển là: tạo một lớp che phủ bên ngoài cấu kiện ngăn chặn không cho nước biển xâm thực vào bê tông và thay đổi tính chất của bê tông bằng cách dùng xi măng bền Sunfat, đưa vào bê tông một số phụ gia đặc biệt cùng với thực hiện các tác động công nghệ để tăng độ bền đặc chắc của khối bê tông. 2) Tăng tuổi thọ của thép trong bê tông - Cốt thép trong bê tông xi măng Portland được bảo vệ có hiệu quả khỏi bị ăn mòn, một mặt nhờ môi trường kiềm cao của nước chiết bê tông (pH 13) tạo ra màng oxit sắt mỏng phủ trên bề mặt cốt thép có tác động thụ động và ngăn cản quá trình ăn mòn điện hóa xẩy ra, mặt khác hiệu ứng vật lý của lớp vỏ bê tông cứng được xem như lớp phủ bảo vệ cốt thép. Cốt thép trong bê tông bị ăn mòn khi màng thụ động bị phá hủy. Cơ chế phá hủy màng thụ động do các nguyên nhân cacbonat hóa, ôxy kết hợp với độ ẩm và ion Cl-. Theo các tài liệu nghiên cứu cốt thép bắt đầu bị ăn mòn khi Cl-/OH- > 0,6 (Cl- là nồng độ ion CL- hòa tan trong bê tông, OH- là độ kiềm của nước chiết bê tông). Thực tế trong môi trường biển và môi trường có chứa Cl-, nguyên nhân chủ yếu gây ăn mòn cốt thép trong bê tông là các ion Cl-. Các yếu tố cacbonat và oxy hòa tan ít có khả năng do bê tông có độ ẩm cao nên làm hạn chế khả năng gây ra ăn mòn thép. Đến nay con đường nâng cao khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông trong môi trường biển có bốn hướng chính: + Biến đổi bê tông để nâng cao một số tính năng đặc biệt độ bền chống thấm làm kéo dài thời gian xâm nhập của ion Cl- đến cốt thép. Theo cách này chủ yếu giảm tỷ lệ N/XM – yếu tố quyết định làm tăng đồng thời cả độ bền thấm và các đặc trưng bền cơ-lý-hóa của bê tông nhờ sử dụng các phụ gia dẻo hóa cao, hoặc phụ gia dẻo hóa cao kết hợp với phụ gia khoáng siêu mịn có khả năng phản ứng cao, bê tông có phụ gia polime + Bảo vệ cốt thép nhờ giảm tác động gây ăn mòn của ion Cl- khi chúng xâm nhập đến cốt thép bằng con đường này có các giải pháp bảo vệ cathod, đưa chất ức chế ăn mòn kim loại vào trong hỗn hợp bê tông, có hai chất được khẳng định là canxinitrit và bytyllster kết hợp với amin và sơn phủ cốt thép bằng sơn epoxy. + Xử lý mặt ngoài công trình bê tông bằng các chất tạo màng và chất trám để ngăn cản sự thấm của ion Cl- từ môi trường xung quanh vào trong kết cấu bê tông. + Sử dụng vật liệu tăng cường trong bê tông bền ăn mòn khi tiếp xúc trực tiếp với ion Cl- như thép không gỉ, hợp kim titan hoặc sợi cacbon. 4.1.3.3. Phát triển về tính toán thiết kế. - Tính toán phân bố nội lực, ứng suất dựa trên các sơ đồ tính sát với điều kiện làm việc thực tế của công trình đó là: + Trụ: không coi là thanh ngàm như trước đây mà tính toán với trụ thực sự. + Đế: đối với kết cấu khối, xilô đã được xây dựng các trương trình phần mềm theo phương pháp phân tử hữu hạn như ADINA, SAP 90, SAP 2000, STADIII, SAM- CEF để giải kết cấu theo sơ đồ không gian. - Sơ đồ vật liệu: đưa vào thiết kế trên nguyên lý vật liệu (compozit) tổng hợp thành phần hạt có cốt thép, xét đến quan hệ ứng suất biến dạng là phi tuyến. 4.1.3.4. Tải trọng. 4-3
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. - Xác định tải trọng sóng nhiễu xạ lên công trình biển trọng lực bê tông kích thước lớn, hình dạng bất kỳ theo phương pháp số. Để ý đến tải trọng lặp gây hiện tượng mỏi làm cho bê tông nứt, nước biển xâm nhập làm gỉ cốt thép gây giảm tuổi thọ công trình. 4.1.3.5. Công nghệ chế tạo. - Trong thi công cốt thép ứng suất trước với trụ có chiều cao lớn hàng chục, hàng trăm mét, việc kéo thép ứng suất trước là rất khó khăn. Để khắc phục điều đó người ta dùng phương pháp thi công ván khuôn trượt, phân chia đoạn để kéo cốt thép. - Để giảm thời gian thi công trên biển và không sử dụng cần trục nổi, người ta đưa công nghệ thượng tầng toàn khối không cần thiết bị cẩu lắp. Điển hình của loại công nghệ thượng tầng toàn khối là UNIDECK-TPG, một kỹ thuật mới của công ty TECHNIP-GEOPRODUCTION, lắp trọn khối thượng tầng lên đỉnh kết cấu mà không cần phải sử dụng bất kỳ một loại cẩu nổi chuyên dụng nào như công nghệ truyền thống, theo phương pháp mới này việc lắp đặt thượng tầng được thực hiện nhờ sử dụng một sà lan vận chuyển thông thường. Nhờ đó đã giảm đáng kể thời gian thi công trên biển. Công nghệ này cũng đã tính đến các điều kiện khác nhau của biển, trọng lượng thượng tầng và độ sâu nước tại mỏ. 4.1.4. Các ưu điểm chính của kết cấu trọng lực bê tông. - Sử dụng nhân lực và vật lực địa phương (như Việt Nam). - Nếu có nhu cầu bể chứa, giải pháp trọng lực bê tông rẻ hơn so với kết cấu jacket (vì đế rỗng có các ngăn làm bể chứa). - Giảm nhu cầu nhập khẩu thép ống đặc chủng, nếu như dùng giải pháp jacket. - Kết cấu bê tông chịu tải trọng động do sóng gây ra tốt hơn so với kết cấu jacket. - Giàn bê tông có tuổi thọ cao (có thể lên tới 100 năm) và giá thành bảo dưỡng thấp (nhờ sử dụng công nghệ mới của BCTC- ƯST và các phụ gia), trong đó mác bê tông được dùng từ C50 đến C105. - Phần lớn thời gian xây dựng công trình là ở trên bờ và gần bờ, làm giảm đáng kể thời gian thi công ngoài biển. - Ụ (đốc) dùng để chế tạo phần đế móng công trình, còn có thể sử dụng trong các mục đích khác nhau (như đóng mới và sửa chữa tàu hoặc các công trình nổi ). - Giải pháp kết cấu trọng lực bê tông cũng thích hợp đối với một phạm vi rộng của điều kiện địa chất công trình, từ loại đất yếu đến đá cứng. Để đảm bảo ổn định của móng công trình, trường hợp đất yếu sử dụng giải pháp “móng có chân khay” ví dụ kết cấu Condeep Gulfaks C xây dựng trên nền đất yếu của biển Bắc 1989 đã sử dụng chân khay cắm sâu vào đất 22 mét, còn đối với đất cứng thì sử dụng vật liệu rắn để dằn. 4.1.5. Một số CTBTLBT điển hình đã được thiết kế xây dựng trên thế giới - Công trình biển trọng lực bê tông đầu tiên được thiết kế bởi công ty DORIS (Pháp), xây dựng năm 1973 tại mỏ Ekofisk (biển Bắc) với độ sâu 70 mét nước. 4.1.5.1. Draugen Condeep (Norske Shell Als). - Giàn bê tông một trụ lớn nhất trên thế giới, có chức năng khai thác – khoan - chứa đựng - người ở: + Độ sâu nước: 251,3 mét; thượng tầng 27800t. 4-4
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. + Chiều cao kết cấu bê tông: 285,1 m. + Khối lượng bê tông: 85000 m3 , cốt thép 17000t. + Bể chứa 1400000 thùng; thời gian xây dựng 7/1989÷5/93 4.1.5.2. Troll Condeep (Norske Shell Als) - Giàn bê tông ba trụ lớn nhất thế giới: + Độ sâu nước: 302,9 mét; chiều cao kết cấu 369,4m + Diện tích đế móng: 16600m2; chiều dài chân khay 36m + Lượng choán nước khi kéo ra mỏ: 1027600t; mớn nước: 227m + Tuổi thọ khai thác 70 năm; khối lượng bê tông (mác C70): 221000m3 + Thời gian xây dựng 7/1991÷7/1995. 4.1.5.3. Hibernia (Doris) - Giàn bê tông chống băng đầu tiên trên thế giới (thềm lục địa Canada). - Giàn nặng nhất thế giới có chức năng khoan khai thác- bể chứa- người ở (trọng lượng trên 4 triệu tấn). + Độ sâu nước: 80 mét; chiều cao công trình kể cả thượng tầng:150 mét (phần kết cấu bê tông: 111,2 mét). + Đường kính ngoài: 105,0 mét, đế móng 85,0 mét. + Khối lượng bê tông: 162.000m3, bể chứa: 1,3 tr thùng (209.000 m3) + Cốt thép thường 90.000 tấn, thép ứng suất trước: 5.000 tấn + Thời gian xây dựng 1991÷1996. 4.1.5.4. Giàn bê tông hai trụ (Doris). - Một mẫu giàn mới cho giá thành hạ và nâng cao độ an toàn. - Có chức năng khoan, xử lý, ngưới ở (phân cách nhau bởi một chiếc cầu). - Độ sâu nước (biển Bắc): 140 mét. 4.2. Khái niệm về tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. 4.2.1. Các yêu cầu tính toán công trình biển trọng lực bê tông. - Công trình biển trọng lực bê tông được giữ ổn định vị trí của nó dưới tác động của môi trường bằng chính trọng lượng bản thân, nên gọi là “công trình trọng lực”. Đặc điểm nổi bật khi xem xét các công trình biển trọng lực bê tông so với công trình biển trên đất liền là: + Công trình chịu tải trọng trội của sóng biển. + Công trình làm việc trong môi trường xâm thực mạnh. + Điều kiện thi công, duy tu, sửa chữa ở ngoài biển khó khăn hơn nhiều so với đất liền. Vì vậy khi tính toán thiết kế, thi công và khai thác sử dụng công trình biển trọng lực bê tông, cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau: 4-5
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. (1) Yêu cầu việc chọn vật liệu cấu thành bê tông: trong đó có việc chọn loại phụ gia chống thấm và chống ăn mòn, các loại cốt thép, đặc biệt là công nghệ ứng suất trước. Từ đó làm cơ sở để chọn tiêu chuẩn về cường độ, độ bền của vật liệu. (2) Các yêu cầu về không cho phép hoặc hạn chế vết nứt: (tính theo giới hạn về khả năng phục vụ). (3) Các yêu cầu về độ bền: trạng thái giới hạn về độ bền cực đại. (4) Các yêu cầu khả năng chống phá hủy do mỏi: trạng thái giới hạn mỏi. (5) Các yêu cầu về cấu tạo: (bố trí cốt thép , chiều dầy lớp bảo vệ). (6) Các yêu cầu về thi công: (7) Các yêu cầu về chống ăn mòn. (8) Các yêu cầu về thí nghiệm vật liệu và kiểm tra công trình biển bê tông. 4.2.2. Các phương pháp tính toán - Việc tính toán nội lực cho giàn khoan biển bằng bê tông trọng lực, có thể được thực hiện theo hai phương pháp tính toán như sau: + Phương pháp số để tính toán với mức chính xác cao. + Phương pháp tính thực hành. 4.2.2.1.Tính chính xác (phương pháp số) Thường được thể hiện bằng phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, trên cơ sở sử dụng các công cụ tính toán hiện đại, để giải các bài toán theo phương pháp này. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều bộ chương trình dùng để tính kết cấu như: MF, DYNOS, SAP, MINDA, STAD, ADINA, . Để tính toán nội lực giàn khoan bê tông (với những bài toán có kích thước lớn) ta có thể sử dụng bộ chương trình ADINA. 4.2.2.2.Tính gần đúng: Đối với công trình có quy mô không lớn người ta sử dụng phương pháp thực hành, cho phép tính toán gần đúng nội lực theo các sơ đồ kết cấu đã được đơn giản hóa, làm cơ sở thiết kế cốt thép. 4.2.3. Tính toán công trình biển trọng lực bê tông theo phương pháp số - Sau khi xác định được tải trọng tác dụng lên công trình, ta tiến hành phân chia công trình thành các phần tử, các phần tử này có thể là tấm, vỏ, tấm – vỏ, khối, , tùy theo kết cấu và yêu cầu của bài toán, mà ta phân chia cho hợp lý. - Trong trường hợp này chúng ta chọn phần tử dạng tấm – vỏ, công trình được chia ra làm hai phần: + Hệ chính. + Siêu phần tử. 4.2.4.- Phương pháp tính gần đúng. + (a): tải trọng tác dụng lên công trình biển trọng lực bê tông. + (b): sơ đồ tính toán trụ đỡ. + (c): sơ đồ tính toán đế móng. 4-6
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. Hình 4- 2 Sơ đồ tính toán công trình biển trọng lực bêtông. - Tính toán trụ đỡ: được coi như conson bị ngàm chặt tại vị trí chân cột. - Tính toán kết cấu móng: toàn bộ kết cấu móng được coi như dầm. - Tính toán kết cấu xilô: cấu kiện trụ tròn hai đầu tự do, hoặc cấu kiện trụ tròn ngàm hai đầu. 4.3. Cường độ chịu lực của bêtông cốt thép và bêtông cốt thép ứng suất trước. - Các cấu kiện của công trình biển trọng lực bê tông cũng như công trình biển thép, phải đảm bảo độ bền của vật liệu, khi chịu mọi tác động nguy hiểm nhất có thể xẩy ra trong quá trình thi công, cũng như trong khi khai thác. Bê tông là loại vật liệu xây dựng có cường độ chịu nén tốt (thường từ 20 ÷ 40 Mpa), nhưng hầu như không có cường độ chịu kéo (nhỏ hơn 15% cường độ chịu nén). Các cấu kiện bê tông có thể có vùng chịu kéo do lực kéo dọc trục trực tiếp gây ra, hoặc do mômen uốn gây ra. Do vậy cần tăng cường khả năng chịu kéo cho bê tông ở các khu vực chịu kéo. Để làm việc này có hai cách: + Cách thứ nhất là đặt cốt thép tại các vùng chịu kéo của bê tông. Sau khi bê tông đã đã đông cứng, giữa cốt thép và bê tông có sự dính bám, để chúng cùng chịu lực. Nhược điểm chính của cách này là phần bê tông dính quanh cốt thép bị nứt ra làm cho nước biển ngấm vào, gây ăn mòn cốt thép. + Cách thứ hai là ngoài việc bố trí cốt thép thường như trên, người ta còn đưa thêm các ống gen và luồn các bó thép vào trong, hai đầu có neo và kích, các kích được sử dụng để căng bó thép. Sau khi bê tông đã đông cứng, các lực căng bó thép sẽ tác động vào các cấu kiện bê tông cốt thép, tạo ra lực nén trước được gọi là ứng suất trước. Khi cấu kiện chịu tải trọng ngoài thì bê tông do đã chịu nén trước (do ứng 4-7
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. suất trước), nên phần chịu kéo giảm hẳn đi không còn nữa (tùy theo yêu cầu thiết kế). Điều này đã cho phép khử các vết nứt trong bê tông khi chịu các tác động ngoài. - Việc xem xét đúng đắn các đặc trưng về cường độ của vật liệu rất quan trọng đối với thiết kế, khác với thép, bê tông không có ứng suất chẩy một cách rõ rệt để phân định sự kết thúc miền quan hệ xấp xỉ tuyến tính, giữa ứng suất và biến dạng. Thí nghiệm cho thấy các đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông chịu nén có độ dốc thay đổi từ từ, phụ thuộc không chỉ vào mức ứng suất, mà còn vào cường độ của từng loại bê tông khảo sát. Biểu đồ quan hệ ứng suất và biến dạng: σ (m pa ) σ 40 3000 R = σ =35mpa 35 b max 2500 thÐp −st 2000 R = σ =21mpa 20 b max 1500 1000 thÐp th−êng 500 ε ε 0 0,001 0,002 0,003 0 0,001 0,002 0,003 0,004 Hình 4- 3 Các đặc trưng ƯS-BD của bêtông, thép ứng suất trước và thép thường. - Mô đun đàn hồi Eb được tính theo công thức kinh nghiệm: 3 2 Eb = 44.γb . Rb (4. 1) Trong đó: 3 3 γb - là trọng lượng riêng của bê tông KN/m (thường lấy bằng 23 KN/m ); Rb - là cường độ của bê tông (đơn vị Mpa); - Ứng suất tối đa của bê tông dựa trên giả thiết đàn hồi tuyến tính, thường không vượt quá 45% cường độ bê tông (đơn vị là MPa); - Tuy nhiên trong thực tế, cả khi bê tông làm việc trong phạm vi giới hạn ứng suất nói trên vẫn không đảm bảo an toàn, vì chưa kể đến hết các yếu tố bất lợi như: từ biến trong bê tông, chùng ứng suất của bó thép ứng suất trước, trượt neo, do vậy, người ta còn đi theo một hướng để tính toán kết cấu bê tông ứng suất trước, đó là phương pháp tải trọng giới hạn, trong đó đưa vào một hệ số an toàn chung cho mọi cấu kiện, để đảm bảo cấu kiện có khả năng làm việc không bị phá hủy, lúc này người ta không quan tâm đến mức ứng suất do tải trọng gây ra. - Hệ số an toàn này thường lấy bằng 1,5 đến 2,0 - được coi như một tổ hợp của sự tăng tải trọng và giảm khả năng chịu tải của kết cấu. 4-8
Chương 4. Tính toán thiết kế công trình biển trọng lực bêtông. - Như vậy tức là phải tìm cách tăng khả năng chịu tải lên đến mức mong muốn, có thể bằng cách thêm vào lượng cốt thép trong bê tông. Trên hình vẽ biểu diễn các đường cong điển hình ứng suất – biến dạng cho cốt thép ứng suất trước và cốt thép thường. 4.4. Tính cấu kiện bêtông cốt thép ứng suất trước theo lý thuyết đàn hồi. - Khảo sát một cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước với bó thép ứng suất trước đặt dọc trục (H.4.4): 1 2 Hình 4- 4 Sơ đồ tính toán thép ứng suất trước. - Hai đầu của cấu kiện chịu lực dọc trục F, lực cắt Q và mômen uốn M1, M2. Diện tích của bó thép ứng suất trước được coi là nhỏ để có thể tính toán ứng suất trong bê tông theo kích thước chung của tiết diện kết cấu: - Ứng suất pháp tuyến uốn cực đại trong bê tông được tính theo công thức: M.a σ = ± (4. 2) cb I Trong đó: a - Khoảng cách từ trục cấu kiện tới mặt cắt ngoài (trên, dưới). M - Mômen uốn. - Ứng suất pháp trong bê tông do lực dọc trục là: F σ = − (4. 3) ca A - Ứng suất pháp trong bê tông do lực căng của bó thép truyền vào và tạo ra ứng suất trước: σs.As σ = − (4. 4) cp A Trong đó: A - Diện tích chung mặt cắt của cấu kiện bê tông . σs - Ứng suất trong bó thép ứng suất trước. As - diện tích tiết diện bó thép ứng suất trước. - Tổng hợp các ứng suất trên, ta thu được ứng suất thực tế trong bê tông: M.a F σs.As σ = ± − − (4. 5) b I A A - Cho ứng suất kéo do uốn trong bê tông bằng không ta có: 4-9