Tinh toan ton thuong moi cua gian tu nang trong vung bien vn

T¹p chÝ khoa häc vμ c«ng nghÖ TËp 40, sè 5, 2002 Tr. 56-63

TÝnh to¸n tæn th−¬ng mái cña giμn tù n©ng trong
vïng biÓn nam ViÖt Nam

Phan V¨n Kh«i, §μo Nh− Mai

Ph©n tÝch mái mét çch chi tiÕt ®èi víi giμn tù n©ng lμ mét bμi to¸n khã kh¨n, do tÝnh chÊt
phøc t¹p cña kÕt cÊu thùc vμ cña ®iÒu kiÖn m«i tr−êng.
Bμi b¸o nμy tr×nh bμy m« h×nh tÝnh to¸n cña mét giμn tù n©ng ba ch©n ®éc lËp trong tr¹ng
th¸i khai th¸c, ph−¬ng ph¸p xö lÝ çc sè liÖu m«i tr−êng ®Ó x¸c ®Þnh t¶i träng vμ ph©n tÝch ®éng
lùc kÕt cÊu vμ ®Ò xuÊt mét quy tr×nh ®¸nh gi¸ tæn th−¬ng mái ®−îc ®¬n gi¶n ho¸, ¸p dông ®−îc
trong thùc tiÔn thiÕt kÕ vμ kiÓm tra. Giμn tù n©ng Tam §¶o l¾p ®Æt ë má B¹ch Hæ ®−îc xÐt nh−
mét vÝ dô.

I. M« h×nh hãa kÕt cÊu cho viÖc ph©n tÝch mái

XÐt mét giμn tù n©ng ba ch©n ®éc lËp, ch¼ng h¹n nh− giμn Tam §¶o ®−îc biÓu diÔn trªn
h×nh 1. ë tr¹ng th¸i khai th¸c, ba ®Õ cét (spud can) lón s©u vμo ®Êt ®¸y biÓn.
1. Liªn kÕt ch©n ®Õ/®Êt
M« h×nh liªn kÕt ch©n ®Õ/®Êt phô thuéc vμo lo¹i ®Êt nÒn vμ kÝch th−íc cña ®Õ cét. Trong ®Êt
r¾n (çt chÆt hay ®Êt sÐt) víi ®é lón Ýt, liªn kÕt nμy ®−îc coi nh− khíp cÇu hoÆc ngμm ®μn håi.
Trong ®Êt mÒm, ®Õ ch©n bÞ vïi s©u t¹o ra çc m« men; khi ®ã cã thÓ coi lμ mét ngμm. Khi ®Õ cét
cã kÝch th−íc nhá (®−êng kÝnh vμi mÐt), ®é cøng chèng xoay lμ nhá, liªn kÕt ch©n ®Õ/®Êt ®−îc
coi lμ khíp; cßn víi ®−êng kÝnh ®Õ cét lín, ®Êt nÒn t−¬ng ®èi mÒm, cã thÓ coi liªn kÕt nμy lμ mét
ngμm ®μn håi. Çc ®é cøng cña ngμm ®μn håi, xÐt trong miÒn ®μn håi cña ®Êt, ®−îc x¸c ®Þnh bëi
[1] :
- §é cøng øng víi çc chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ngang
8GR 321   GR
Kh  (theo DnV) hoÆc K h  (theo API) (1)
2 7  8
- §é cøng theo ph−¬ng th¼ng ®øng
4GR
Kv  (2)
1 
- §é cøng chèng xoay ®èi víi çc trôc ngang
8GR 3
Kr  (3)
31   
- §é cøng chèng xo¾n (®èi víi trôc ®øng)
16GR 3
Kt  . (4)
3
Trong çc c«ng thøc trªn, R lμ b¸n kÝnh ®Õ cét, G: m«®un tr−ît, E: m«®un ®μn håi, : hÖ sè
Poisson cña ®Êt. Víi nÒn çt lÉn sÐt b·o hßa n−íc vμ b¸n kÝnh ®Õ ®· biÕt, çc ®é cøng cña ngμm

63

®μn håi lÇn l−ît b»ng Kh = 104,0 MN/m, Kv = 146,54 MN/m, Kr= 4127,62 MNm vμ Kt = 4540,38
MNm.

(15 ® n)
o¹

Khèi ch©n

H×nh 1. S¬ ®å kÕt cÊu giμn tù n©ng Tam §¶o

2. Liªn kÕt th©n giμn / ch©n ®Õ
ë tr¹ng th¸i khai th¸c, th©n giμn tùa trªn c¸c ch©n nhê hÖ thèng b¸nh r¨ng, thanh r¨ng. Nãi
chung, khe hë gi÷a b¸nh r¨ng vμ thanh r¨ng cho phÐp th©n giμn cã chuyÓn vÞ xoay t−¬ng ®èi.
Trong tr−êng hîp chuyÓn vÞ xoay lμ ®¸ng kÓ, liªn kÕt th©n giμn / ch©n ®Õ cã thÓ ®−îc coi lμ khíp;

63

cßn khi cã m«men uèn do chuyÓn ®éng xoay bÞ h¹n chÕ (ch¼ng h¹n cã 3 cÆp b¸nh r¨ng ë mçi
cét, nh− giμn Tam §¶o) th× liªn kÕt nμy ®−îc coi lμ cøng.
Trong ph©n tÝch mái, ta th−êng quan t©m ®Õn çc mèi hμn ë cét ch©n ®Õ, nªn kÕt cÊu th©n
®−îc ®¬n gi¶n hãa b»ng 6 phÇn tö dÇm. Çc khèi l−îng trªn sμn ®−îc tËp trung vÒ çc nót liªn
kÕt th©n giμn / ch©n ®Õ.
3. M« h×nh hãa kÕt cÊu ch©n ®Õ
- Khi tÝnh to¸n t¶i träng sãng, cÊu tróc çc ch©n ®Õ ®−îc gi÷ nguyªn víi çc kÝch th−íc thùc
cña çc phÇn tö.
- Khi ph©n tÝch dao ®éng riªng, ®éng lùc vμ mái, ta quan t©m tíi øng suÊt ph¸p do uèn ë
mÐp ngoμi cña tiÕt diÖn nguy hiÓm nhÊt cña cét. V× vËy mçi ch©n ®Õ cã thÓ ®−îc m« h×nh hãa
nh− sau:
Mçi ®èt víi çc èng gi»ng ngang vμ chÐo ®−êng kÝnh kh¸c nhau ®−îc thay b»ng mét phÇn
tö dÇm t−¬ng ®−¬ng cã tÝnh chÊt h×nh häc vμ vËt liÖu kh«ng ®æi. Víi çc kÝch th−íc h×nh häc ®·
cho, ta x¸c ®Þnh ®−îc çc ®Æc tr−ng h×nh häc cña tiÕt diÖn phÇn tö dÇm t−¬ng ®−¬ng. Ch¼ng h¹n
víi sãng t¸c dông theo h−íng tr−íc - sau th× çc m«men qu¸n tÝnh cña tiÕt diÖn t−¬ng ®−¬ng ®èi
víi trôc X, h×nh 2, b»ng:
§èi víi hai ch©n sau J X  J x  2J x  a 2 F0  (5)

§èi víi ch©n tr−íc J X  J x  c 2 F0   2J x  b 2 F0  (6)
trong ®ã Jx: m« men qu¸n tÝnh cña mét tiÕt diÖn cét ®èi víi trôc x, F0 - diÖn tÝch tiÕt diÖn cña
mét cét vμ a, b, c: çc kho¶ng çch ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 2.
Cuèi cïng, m« h×nh kÕt cÊu khung dïng cho çc ph©n tÝch dao ®éng riªng, ®éng lùc vμ mái,
ch¼ng h¹n cña giμn Tam §¶o, ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 3. Çc t¶i träng sãng ®−îc quy vÒ nót cña
khung nμy.
KÕt qu¶ ph©n tÝch dao ®éng riªng b»ng ch−¬ng tr×nh SAP2000 cho thÊy chu k× riªng thø
nhÊt cña giμn b»ng 6,5s.

II. Sè liÖu m«i tr−êng biÓn phÝa nam

B¶ng 1. BiÓu ®å ph©n t¸n sãng vïng biÓn phÝa Nam

Chu k× Tj(s) TÇn suÊt fi
ChiÒu cao Hi(m)
<4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9 - 10 (%)
11,16 13,02   5.000 5.000 5.000   0,3
9,3 11,16  5.000 10.000 10.000 10.000 5.000  0,8
7,44 9,3  10.000 25.000 40.000 20.000 10.000 5.000 2,2
5,58 7,44 5.000 35.000 95.000 95.000 50.000 15.000 5.000 6
3,72 5,58 15.000 150.000 310.000 245.000 105.000 30.000 5.000 17,1
1,86 3,72 85.000 515.000 730.000 420.000 135.000 30.000 5.000 38,4
0  1,86 315.000 710.000 520.000 180.000 40.000 5.000  35,4
TÇn suÊt fj(%) 8,4 28,4 33,9 19,7 7,3 1,8 0,4  100

63

BiÓu ®å ph©n t¸n sãng trong mét n¨m kh«ng kÓ h−íng cña khu vùc No62 vïng biÓn Nam
ViÖt Nam ®−îc cho bëi Hogben vμ Lumb [6] trong b¶ng 1; cßn tÇn suÊt sãng theo çc h−íng
®−îc cho trong b¶ng 2.
B¶ng 2. TÇn suÊt sãng theo çc h−íng

H−íng N NE E SE S SW W NW
TÇn suÊt (%) 0,6 44,5 9,4 2,2 3,3 26,3 12,9 0,7

Sãng Sãng
x

Ch© sau
n Ch© tr- í c
n

H×nh 2. Çc tiÕt diÖn cét
NhËn thÊy gÇn chu k× dao ®éng riªng, sãng cã chiÒu cao 1,86  5,58 m vμ chu k× 6  7s
chiÕm tíi 665000 con sãng trong 1 n¨m. Sãng h−íng ®«ng b¾c cã tÇn suÊt cao nhÊt (44,5%), sau
®ã lμ h−íng t©y (26,3%).
Phô thuéc vμo çc tham sè sãng vμ chiÒu s©u n−íc, cã thÓ chän lÝ thuyÕt sãng phï hîp, Airy
hay Stock bËc 5, khi tÝnh t¶i träng sãng. HÖ sè c¶n ®−îc chän thÝch hîp, cã xÐt tíi çc thanh r¨ng
ch¹y däc theo çc cét ch©n. Trong ph©n tÝch sau nμy, ta gi¶ thiÕt giμn ®−îc ®Æt theo h−íng bÊt lîi
nhÊt - h−íng ®«ng b¾c.
Tèc ®é dßng ch¶y ®· cho th−êng ®−îc dïng cho thiÕt kÕ theo tr¹ng th¸i giíi h¹n cùc ®¹i.
Trong tr−êng hîp thiÕu th«ng tin, trong tÝnh to¸n mái, thiªn vÒ an toμn, ng−êi ta vÉn dïng çc gi¸
trÞ tèc ®é dßng ch¶y nãi trªn cho çc tr¹ng th¸i biÓn kh¸c nhau. Ngoμi ra, dßng ch¶y ®−îc gi¶
thiÕt cã cïng h−íng víi sãng.
§èi víi giã, mét mÆt ë nh÷ng tr¹ng th¸i biÓn th«ng th−êng, t¶i träng giã lμ nhá so víi sãng;
mÆt kh¸c tÇn sè cña nhiÔu ®éng giã kh¸c xa víi tÇn sè riªng cña kÕt cÊu, nªn hiÖu øng giã
th−êng kh«ng ®−îc kÓ tíi.

III. TÝnh to¸n tæn th−¬ng mái

Sö dông ch−¬ng tr×nh SAP2000 gi¶i bμi to¸n ®éng lùc häc theo ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n trùc
tiÕp, ta nhËn ®−îc çc gi¸ trÞ danh nghÜa cña çc øng suÊt cùc ®¹i max vμ cùc tiÓu min, øng víi
mçi sãng (Hi, Tj) ®· cho.

63

MÆsµn
t

§¸ y th©n

MWL

Sãng
Ch© tr- í c
n

§¸ y biÓn

H×nh 3. S¬ ®å ph©n tÝch kÕt cÊu giμn tù n©ng Tam §¶o

1. Chªnh øng suÊt côc bé lín nhÊt
Víi c¸c liªn kÕt vμ h−íng ®Æt giμn ®· nªu, vÞ trÝ nguy hiÓm nhÊt vÒ mái th−êng lμ ë tiÕt diÖn
ch©n cét phÝa mòi hay ë vïng liªn kÕt th©n giμn / ch©n ®Õ. Ch¼ng h¹n, xÐt ®iÓm nguy hiÓm vÒ
mái lμ n¬i mèi hμn gi÷a èng chñ (cét) víi ®Õ, t¹i ®ã cã thÓ thõa nhËn mét hÖ sè tËp trung øng
suÊt SCF = 3 [4]. VËy chªnh øng suÊt côc bé lín nhÊt (hot spot stress range) h b»ng
 h  SCF n  3 n (7)

trong ®ã n = max  min lμ chªnh øng suÊt danh nghÜa ®−îc x¸c ®Þnh tõ ph©n tÝch ®éng lùc häc
kÕt cÊu.
Víi giμn Tam §¶o, kÕt qu¶ tÝnh to¸n h øng víi c¸c sãng kh¸c nhau ®−îc ghi ë b¶ng 3.

63

B¶ng 3. h t¹i mÐp ngoμi ch©n cét phÝa mòi (MN/m2)

ChiÒu cao sãng Chu k× sãng Tj(s)
Hi(m) <4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10
11,16  13,02 - - 70,7697 70,9638 75,6096 - -
9,3  11,16 - 29,6124 45,8892 53,6577 56,7483 57,4953 -
7,44  9,3 - 21,84516 33,5112 38,9244 40,9407 41,2647 40,9188
5,58  7,44 2,88996 15,3306 23,21802 26,7441 27,93384 27,969 27,54066
3,72  5,58 2,01852 9,8829 14,73084 16,79346 17,38944 17,26734 16,8516
1,86  3,72 1,37094 5,44698 7,97016 8,98374 9,2154 9,06762 8,76216
0  1,86 1,37094 5,44698 7,97016 8,98374 9,2154 9,06762 8,76216

2. §−êng cong mái
Gi¶ thiÕt r»ng c¸c biÖn ph¸p chèng ¨n mßn lμ cã hiÖu qu¶; khi ®ã ph−¬ng tr×nh ®−êng cong
mái cã d¹ng
 m N  C
h (8)
trong ®ã N - sè chu tr×nh tíi ph¸ huû mái, øng víi h; m vμ c lμ c¸c h»ng sè phô thuéc h×nh häc
vμ vËt liÖu.
§èi víi mèi hμn nèi èng, khi chiÒu dμy thμnh èng chñ t > 15mm, theo tiªu chuÈn BV [3] ta
cã
m=3 (9)
0 ,29m
 18 
C   2,45  1012 . (10)
 t 
Tuy nhiªn, v× phÇn tö ®ang xÐt lμ phÇn tö chÝnh yÕu vμ kh«ng thÓ tiÕp cËn ®Ó b¶o d−ìng vμ
söa ch÷a, nªn ®−êng cong mái cÇn ®−îc lÊy thÊp xuèng mét kho¶ng b»ng ®é lÖch chuÈn cña nã.
BiÕt ®é lÖch chuÈn cña lgN b»ng 0,275 [3] vμ chiÒu dμy thμnh èng t = 45mm, do ®ã ®−êng cong
mái tÝnh to¸n b©y giê cã lgC = 11,768, tøc lμ C = 5,8611011. Tõ biÓu thøc (8), sè chu tr×nh tíi
ph¸ huû øng víi mçi nhãm øng suÊt (i,j) b»ng
C 5,861  1011
N ij   . (11)
 hij  hij
3

3. TØ lÖ tæn th−¬ng mái
Theo lÝ thuyÕt tæn th−¬ng tÝch lòy tuyÕn tÝnh cña Miner, tØ lÖ tæn th−¬ng mái trong mét n¨m,
Dij , øng víi nhãm øng suÊt (i,j) ®−îc tÝnh b»ng
nij
Dij  (12)
N ij
trong ®ã nij - sè chu tr×nh øng suÊt ë nhãm (i,j) b»ng sè con sãng ë nhãm ®ã, ®· cho trong b¶ng
1; NÞj ®−îc x¸c ®Þnh tõ biÓu thøc (11).

63

Tuy nhiªn, chØ cã 44,5% sè con sãng t¸c dông theo h−íng ®«ng b¾c. Çc h−íng sãng kh¸c
g©y ra øng suÊt ph¸p kÐo lμm më vÕt nøt cã tÇn suÊt rÊt thÊp, cã thÓ lμm t¨ng tØ lÖ tæn th−¬ng t¹i
®ã tæng céng kh«ng qu¸ 10%. Nh− vËy, tØ lÖ tæn th−¬ng mái Dij ®−îc x¸c ®Þnh vμ kÕt qu¶ ®−îc
tr×nh bμy trong b¶ng 4.
B¶ng 4. TØ lÖ tæn th−¬ng mái trong mét n¨m, Dij

Chu k× Tj(s)
ChiÒu cao Hi(m) Tæng
<4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9 - 10
11,16  13,02 0 0 0,00135 0,00136 0,00164 0 0 0,00434
9,3  11,16 0 9,9E-05 0,00073 0,00117 0,00139 0,00072 0 0,00411
7,44  9,3 0 7,9 E-05 0,00071 0,000179 0,00104 0,00053 0,00026 0,00442
5,58  7,44 9,2 E-08 9,6 E-05 0,00090 0,00138 0,00083 0,00025 7,9 E-05 0,00353
3,72  5,58 9,4 E-08 1,1 E-04 0,00075 0,00088 0,00042 0,00012 1,8 E-05 0,00230
1,86  3,72 1,7 E-07 6,3 E-05 0,00028 0,00023 8,0 E-05 1,7 E-05 2,6 E-06 0,00067
0  1,86 6,2 E-07 8,7 E-05 0,00020 9,9 E-05 2,4 E-05 2,8 E-06 0 0,00041
Tæng 9,7 E-07 5,3 E-04 0,00493 0,00691 0,00542 0,00164 0,00036 0,01980
KÕt qu¶ tõ b¶ng 4 cho thÊy tØ lÖ tæn th−¬ng mái tæng céng trong 1 n¨m, khi ®Æt giμn theo
h−íng ®«ng b¾c lμ D = 0,0198. Theo çc tiªu chuÈn BV, API, ISO víi tuæi thä phôc vô danh
®Þnh b»ng 20 n¨m vμ hÖ sè an toμn vÒ mái b»ng 2, tØ lÖ tæn th−¬ng mái cho phÐp trong 1 n¨m
b»ng [D] =1/220 = 0,0250. V× D [D] nªn giμn an toμn vÒ mái.
L−u ý thªm r»ng, trong 20 n¨m ho¹t ®éng cña m×nh, mét giμn tù n©ng kh«ng ph¶i lu«n lu«n
®−îc ®Æt theo mét h−íng nhÊt ®Þnh.

IV. KÕt luËn

Mét ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n tæn th−¬ng mái cho mét giμn tù n©ng 3 ch©n ®éc lËp ë tr¹ng th¸i
khai th¸c ®· ®−îc ®Ò xuÊt. ¸p dông ph−¬ng ph¸p nμy cho giμn Tam §¶o ho¹t ®éng trong vïng
biÓn phÝa nam cho thÊy tæn th−¬ng mái trong 1 n¨m b»ng 0,0198. So víi tæn th−¬ng cho phÐp
b»ng 0,0250, giμn nμy an toμn vÒ mái. KÕt qu¶ nμy phï hîp víi kh¶o s¸t thùc tÕ; khi ®−a giμn lªn
®μ söa ch÷a n¨m 2000 ë Singapore, ng−êi ta kh«ng thÊy xuÊt hiÖn vÕt nøt mái ë tiÕt diÖn ®ang
xÐt.
Cã thÓ ¸p dông ph−¬ng ph¸p ®· nªu khi thiÕt kÕ míi mét giμn tù n©ng còng nh− khi t¸i ph©n
tÝch mét giμn ®ang khai th¸c.
Lêi c¶m ¬n. Ch−¬ng tr×nh KHCN 10-13 vμ Ch−¬ng tr×nh Nghiªn cøu khoa häc c¬ b¶n ®· tμi trî
cho nghiªn cøu nμy. Çc t¸c gi¶ xin tr©n träng c¶m ¬n.

Tμi liÖu tham kh¶o

1. API - Recommended Practice for Planing, Designing and Constructing Fixed Offshore
Platform, API RP 2A-WSA, 1993.
2. DnV - Rules for Design, Construction and Inspection of Offshore Structures, 1993.

63

3. Bureau Veritas - Rules and regulation for the classification of mobile offshore drilling units,
1987.
4. Hambly E. C. et al - Fatigue of Jack-up - Simplifying calculations, Marine Structures, 1990,
pp. 233-253.
5. Leira B. J. et al - Estimation of fatigue damage and extreme response for a Jack-up platform.
Marine Structures 3/1990, pp. 461-593.
6. Hogben N. et al - Assessment of new global ability for wave climate synthesis, Proc. Ocean
83, San Francisco, 1983.
7. Phan V¨n Kh«i - Tuæi thä mái cña kÕt cÊu thÐp ngoμi biÓn, Nhμ xuÊt b¶n Khoa häc vμ Kü
thuËt, Hμ Néi, 1997.

Summary

CALCULATIONS OF FATIGUE DAMAGE FOR JACK -UP PLATFORM
IN THE SOUTH VIETNAM SEA

A detailed fatigue analysis for mobile jack-up platforms is a complicated problem due to its
real structure and environmental conditions.
This paper illustrates the computer model of a jack-up platform in operating condition, the
processing of environment data and an analysis of structural dynamics by direct integration
method, and recommends a procedure for fatigue damage estimation applicable in practice.
Example calculations are presented for the Tamdao rig located in the South Vietnam Sea.

§Þa chØ: NhËn bμi ngμy 27 th¸ng 4 n¨m 2001
ViÖn C¬ häc, Trung t©m KHTN vμ CNQG.

63

Tinh toan ton thuong moi cua gian tu nang trong vung bien vn

More Related Content

What's hot (19)

Viewers also liked (10)

Similar to Tinh toan ton thuong moi cua gian tu nang trong vung bien vn (20)

Tinh toan ton thuong moi cua gian tu nang trong vung bien vn