Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Mục lục
Mục lục 1
Chương 1 : 3
1.1 Giới thiệu chung về công trình biển cố định 3
1.2 Số liệu xuất phát 3
1.3 Nhiệm vụ thiết kế môn học 4
1.3.1 Thuyết minh 4
1.3.2 Bản vẽ 4
Chương 2 : 5
2.1 Các kích thước chính của công trình 5
2.1.1 Cao độ sàn công tác 5
2.1.2 Kích thước chính của công trình 6
2.1.3 Kích thước trụ 6
2.1.4 Sườn gia cường 6
2.2 Kiểm tra điều kiện tự nổi của chân đế móng 8
2.2.1 Thể tích các bộ phận đế móng 8
2.2.2 Thể tích chiếm nước của đế móng 8
2.2.3 Thể tích nổi 8
Chương 3 : 10
3.1 Tải trọng sóng (theo lý thuyết sóng Airy) và dòng chảy 10
3.1.1 Các phương trình sóng 10
3.1.2 Các thông số về sóng 11
3.1.3 Tính tải trọng của sóng 11
3.1.4 Tải trọng do dòng chảy 12
3.1.5 Tải trọng do sóng và dòng chảy 13
3.2 Tải trọng gió 15
3.3 Tải trọng bản thân công trình 18
Chương 4 : 20
4.1 Kiểm tra điều kiện ổn định 20
4.1.1 ổn định lật 20

số liệu xuất phát và nhiệm vụ thiết kế.
1.1 Giới thiệu chung về công trình biển cố định.
Biển và đại dương chiếm tỷ lệ 7/10 diện tích Trái Đất,các nhu cầu của con người
trên biển ngày càng tăng vì vậy đòi hỏi phải xây dựng các công trình trên biển nhằm đáp
ứng những mục tiêu cơ bản như thăm dò, khai thác dầu khí, các nhu cầu đi lại, ăn ở ngoài
biển và các hoạt động khác như du lịch, nghiên cứu khoa học
Có thể có nhiều cách phân loại công trình biển như công trình ven bờ và công trình
xa bờ; công trình biển cố định và công trình biển di động, hoặc theo tính năng của công
trình như công trình khai thác dầu khí, công trình bảo đảm an toàn hàng hải và các trạm
nghiên cứu.
Quá trình phát triển của các loại công trình biển cố định liên quan chặt chẽ với sự
phát triển của nghành dầu khí. ở những mỏ khí đốt ở thềm lục địa, với độ sâu khai thác
nhỏ hơn 400m, xu thế hiện nay là phát triển các công trình biển trọng lực bằng bêtông.
Công trình biển trọng lực bằng bêtông ổn định chủ yếu là nhờ vào trọng lượng bản thân
công trình do đó công trình có kích thước rất lớn và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên
ngoài như sự xâm thực của nước biển, chịu tải trọng sóng, gió tốt đồng thời giảm đáng kể
chi phí cho duy tu, bảo dưỡng trong quá trình làm việc bình thường của công trình. Ngoài
ra do tuổi thọ công trình cao (75-100 năm) trong khi thời gian khai thác các mỏ thường
chỉ kéo dài từ 20-25 năm nên có thể sử dụng công trình nhiều lần để khai thác dầu khí ở
những vị trí khác hay là sử dụng cho những mục đích khác khi công trình không còn khai
thác dầu khí. Các ụ nổi sử dụng khi đúc các khối công trình có thể sử dụng để đóng mới
và sửa chữa các con tàu lớn mà điều kiện hạ thủy của chúng rất khó khăn.
Thiết kế môn học không đi sâu vào chi tiết quá trình làm việc và các cấu tạo đặc
trưng của công trình phục vụ cho quá trình khai thác và sản xuất mà chỉ xét đến khả năng
ổn định và kết cấu công trình mang tính đặc thù cho dạng công trình biển trọng lực bằng
bêtông.
1.2 Số liệu xuất phát.
stt Tên gọi Kí hiệu Giá trị Đơn vị
1 Góc nội ma sát φ 25 Độ
2 Lực dính C 11 T/m

3,3 m
12 Nước dâng do bão ΔH
b
1,9 m
13 Chiều sâu nước (theo hải đồ) d
0
60 m
14 Diện tích chắn gió thượng tầng
tt
g
A
2100 m
2
1.3 Nhiệm vụ thiết kế môn học.
1.3.1 Thuyết minh.
- Xác định kích thước cơ bản của công trình (căn cứ vào điều kiện tự nổi để xác
định);
- Xác định tải trọng tác động lên công trình;
- Tính toán bê tông cốt thép cột, đế móng (chú ý biện phám thi công thép ứng suất
trước);
- Lập dự án;
- Tính toán nền móng công trình.
1.3.2 Bản vẽ
Bản vẽ trên giấy A1 gồm:
- Sơ đồ tải trọng sóng, gió, dòng chảy tác động lên công trình;
- Thể hiện kết cấu công trình: Cột, đế móng, bảng thống kê;
- Thống kê khối lượng.
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
4

d
0
Δ
d
γ
H
Δ
0
H
5
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
+ h: chiều cao chân đế tính từ đáy công trình đến mặt dưới của sàn công tác.
+ d
0
: Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình, lấy theo độ sâu hải đồ, d
0
= 60m.
Δd = Δd
tr
+ Δd
nd
Δd
tr
: Nước dâng do triều, Δd
tr
= 3,3m.
Δd
nd
: Nước dâng do bão, Δd
nd

= D
m
- 2 t
m
= 39 m
- Bề dày bản đáy : 0,6 m
- Bề dày bản nắp : 0,5 m .
2.1.3 Kích thước trụ.
- Đường kính ngoài của trụ : D
t
= 11 m
- Chiều dày trụ : t
t
= 0,5 m
- Đường kính trong của trụ : d
t
= D
t
– 2t = 10 m.
- Chiều cao trụ : h
t
= h- h
m
= 73 – 10 = 63m.
2.1.4 Sườn gia cường.
Dùng để liên kết giữa trụ và đế móng,có tác dụng tăng cường độ cứng của trụ. Sườn
gia cường có chiều dày 0, 6 m ; chiều cao 8,9m (h
m
– bề dày bản đáy – bề dày bản nắp),
có 8 cái.

2 2 2 2
2
. . . 11 10 .9,4 155,04
4 4
t t suon
V D d h
π π
= − = − =
(m
3
).
+ Thể tích bê tông của bản nắp.
( ) ( )
2 2 2 2
3
. . . 40 11 .0,5 580,08
4 4
m t nap
V D d h
π π
= − = − =
(m
3
).
+ Thể tích bê tông của bản đáy.
2 2
4
. . .40 .0,6 753,98
4 4
m day

+V
3
+V
4
+V
suon
= 552,22+155,04+580,8+753,98+598,08 = 2640,12 (m
3
).
⇒
Tổng khối lượng bê tông của đáy móng:
G
BT
=
γ
BT
.V = 2,5. 2640,12 = 6640,12 (T).
2.2.2 Thể tích chiếm nước của đế móng.
6640,12
6478,17
1,025
BT
d
n
G
V
γ
= = =
(m
3

Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
8
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
2
6088,2x4
4,85
.40
n
n
d
V
H
S
π
= = =
(m). > 1 (m)
Vậy đế móng đảm bảo nổi trong quá trình thi công.
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
9
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Chương 3 :
Tải trọng tác dụng lên công trình.
3.1 Tải trọng sóng (theo lý thuyết sóng Airy) và dòng chảy.
3.1.1 Các phương trình sóng.
Tính toán tải trọng sóng tác dụng lên công trình theo lý thuyết sóng tiền định của
Airy. Chọn hệ trục công trình để tính: trục z hướng lên trên, trục x nằm ngang trùng với
MNLTT (theo hướng lan truyền sóng), gốc tọa độ O trùng với mực nước tính toán như
hình vẽ :
d = 65,2 m

2
2 2 2
; ; ; . 1,56
2
L g g
k c L T T
L T T
π π π
ω
ω π
= = = = = =
.
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
10
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
( )
( )
,
. os
2
x t
H
c kx t
η ω
⇒ = −
+ Thành phần vận tốc sóng theo phương ngang tại độ sâu z:
( )
[ ]
( )

 
= −
.
3.1.2 Các thông số về sóng.
+ Chiều cao sóng: H = 11,75m;
+ Chu kì sóng: T = 11,98s.
⇒
Chều dài song:
2 2
9,81.11,98
224.2
2 2
gT
L
π π
= = =
m.
+ Số sóng trong một chu kì:
2 2
0,028
223.89
k
L
π π
= = =
.
+ Tần số sóng:
2 2
0,5277
11,98T

( )
os .
. . . sin
os
M M x M
c h k z d
g H
q C AW C A kx t
L c h kd
π
ρ ρ ω
+
 
 
= = × × −
- q
D
: Lực cản vận tốc.
( )
( )
2
2
2
2
os .
1 1
. . . . . . cos( ). cos( )
2 2 4 os
D D x x D
c h k z d

3
.
- A: Diện tích mặt cắt ngang của phần tử kết cấu.
Ta có:
( )
( )
( )
2
2
2
2
os
1
. . cos( ). cos( )
2 4 os
D D
c h k z d
H gT
q C D t t
L c h kd
ρ ω ω
+
 
= × × × ×
 ÷
 
( )
( )
( )
os

η ω
Η
= − = − =
Vận tốc lan truyền sóng ứng với q
max
là:
( )
( )
( )
os
. .
cos
2 os
s
x
c h k z d
g T
V t
L c h kd
ω
+
 
Η
 
=
[ ]
( )
( ) ( )
os 0,032 0,028.65.2
224.2. cos 6 0,967.cosh 0,028 1,825 ( )

2
os 0,028 65,2
9,81 .11,75
. .sin 0,028.0 6 0,142.cosh 0,028 1,825 ( / )
224,2 os 0,028.65,2
s
x
c h z
W z m s
c h
π
+ 
 
= − = +
3.1.4 Tải trọng do dòng chảy.
Với công trình có kích thước nhỏ thì ta có thể sử dụng công thức của Morison để
xác định tải trọng của dòng chảy tác động vào công trình:
1
( , ) . . . . .
2
dc D dc dc
q z t C DV V
ρ
=
Trong đó:
+ V
dc
: Vận tốc của dòng chảy được xác định khi ta coi dòng chảy biến thiên theo
quy luật bậc nhất theo độ sâu.
+ Vận tốc dòng chảy tại chân công trình khi đỉnh sóng tiếp cận chân công trình.

m
= 3,6 m/s.
+ V
d
: Vận tốc dòng chảy đáy, V
d
= 0,7 m/s.
( ) ( ) ( ) ( )
0
'
. 3,6 0,7 . 65,2 5,64
0,7 3,972
65,2
m d
m d
V V d
V V
d
η
+ + + +
⇒ = − = − =
(m/s).
( )
( )
( ) ( )
'
( )
.
3,972 0,7 . 65,2
0,7 0,044 3,6

( )
W 0,142.cosh 0,028 1,825
x
z= +
(m/s
2
).
Để xác định tải trọng lên công trình ta chia chia công trình thành nhiều đoạn và tính
tải trọng lên từng đoạn, ta lấy mỗi đoạn không lớn hơn 5m.
Ta có bảng tính kết quả như sau:
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
13
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Bảng 1.1. Tải trọng do sóng và dòng chảy tác động lên công trình.
Stt
z
(m)
D
(m)
V
x
=V
s
+V
dc
W
(m/s2)
A
(m2)

4.146 0.242 95 192.455
8
-30
11
3.755 0.217 95 161.442
9
-35
11
3.393 0.196 95 135.497
10
-40
11
3.057 0.179 95 113.864
11
-45
11
2.745 0.165 95 95.928
12
-50.5
11
2.428 0.154 95 79.867
13
-55.5
11
2.161 0.147 95 68.156
14
-55.5
40
2.161 0.147 1256.6 522.875
15

481.51
79.87
113.86
161.44
229.47
326.35
464.99
4
5
7
9
11
13
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5 5 5
Hình 1.2. Biểu đồ tải trọng sóng và dòng chảy (kN/m)
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
14
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Để xác định momen của kết cấu, ta quy đổi biểu đồ tải trọng như sau:

623.4
524.5
439.5
370.05
407.05
2510.95
2336.55
z
500
500
564
1789.4
2136,025
2915,23
427.205
516.885
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3

g
A
: Diện tích chắn gió thượng tầng,
tt
g
A
= 2100m
2
0
. 1.2100 2100
tt tt
g g
Q q A⇒ = = =
(kN). Điểm đặt lực tại đáy sàn công tác.
Tải trọng gió tác dụng lên phần trụ nằm trên chiều cao sóng được xác định theo
công thức:
0
. . .
tr tr
g g
Q q K C A=
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
15
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Trong đó:
+ K: Hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực động gió theo chiều cao công trình.
Tra bảng 5/TCVN2237-1995, ta có: Z=2,16m < 3m, địa hình dạng A => K = 1.
(Z=h-d-
0

5 5
Re 0,88.11. 95.1.1,2.10 103.10= =
=> Re/10
5
= 105,23.
Tra biểu đồ ta được: c= 0,76
=> C= 0,6827.0,76 = 0,52
A
tr
g
: Diện tích hình chiếu của trụ lên phương vuông góc với hướng gió (m
2
) .
A
tr
g
= D
t
. Z = 11. 2,16 = 23.76 m
2
.
=> Q
tr
g
= 1.0,6827.0,52.23,76 = 8,43(kN)
Vậy tải trọng gió tác động lên công trình là ;
Q = Q
tt
g+
Q

623.4 kN
407.05 kN
8.43kN
2100kN
Hình 1.1. Sơ đồ tải trọng ngang tác dụng lên công
trình.
Bảng 1.1. Lực ngang tác dụng lên công trình.
Stt Đoạn
P (kN) X (m) M (kNm)
` Qtt 2100 73 153300
2 Qtr 8.43
68
573,24
3 1_2
464.996 63 29294.756
4 2_3
389.407 58 22585.586
5 3_4
326.350 53 17296.526
6 4_5
273.625 48 13133.985
7 5_6
229.467 43 9867.074
8 6_7
192.455 38 7313.289
9 7_8
161.442 33 5327.570
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
17

π π
γ
= − = − =
Trọng lượng của trụ dưới mặt nước :
G
2
= (γ
BT
- γ
n
).V = (γ
BT
- γ
n
).
4
π
(
2 2
t t
D d
−
).(d – hm +
0
η
)
= (25–10,25).
4
π
(11

884.75 kN
742.35 kN
524.5 kN
439.5 kN
370.05 kN
2510.95 kN
2336.55 kN
2108.43 kN
500
56005500
73000
1499.95 kN
623.4 kN
407.05 kN
890,64 kN
14801 kN
38941.77 kN
Hình 1.1. Sơ đồ tải trong tác dụng lên công trình.
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
19
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Chương 4 :
Tính toán nền móng công trình.
4.1 Kiểm tra điều kiện ổn định.
4.1.1 ổn định lật.
Điều kiện đảm bảo công trình ổn định lật:
[ ]
5,1=≥=
l

t
t
g
t
K
F
F
K
Trong đó:
• F
g
:Tổng lực giữ . F
g
=F
v
.f
ms.
F
v
= 55000 +890,64 + 14801 + 3894,77 = 74586,4 kN
• F
tr
:Tổng các lực gây trượt theo phương ngang: F
tr
= 6097 kN
 K
tr
=
74586,4
12,23

3 3
3
3,14.40
6283,18
32 32
B
W m
π
= = =
4.2.3 ứng suất dưới đáy móng.
4.2.3.1 Ứng suất tiếp dưới đáy móng.
2
6097
4,85( / )
1256,63
Q
kN m
A
τ
= = =
4.2.3.2 Ứng suất pháp.
min
max
1,2
v
F
M
R
A W
σ

F
V
F
H
37,3m
21
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Hình 2.1. Biểu đồ ứng suất dưới đáy móng.
4.2.4 Kiểm tra cường độ đất nền.
4.2.4.1 Sức chịu tải của đất nền.
Sức chịu tải của đất nền được kiểm tra theo điều kiện:
ax
n
m
n
q
k
σ
≤
Trong đó:
•
axm
σ
: ứng suất pháp lớn nhất mà nền chịu.
• k
n
: Hệ số an toàn, k
n
= 1,25 ÷ 3,0. Chọn k
n

b
: Khối lượng riêng của đất khi ngập nước
γ
b
= γ
k
- γ
n
= 18 – 10,25 = 7,75 kN/m
3
B : Đường kính móng, B = 40m
=>Thay số vào ta có : q
n
= 20,7.110 + 0,5.10,9.7,75.40 = 3966,5 kN/m
2
=>
n
3966,5
1322,17
k 3
n
q
= =
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
22
Thiết kế môn học: Công trình biển cố định.
Vậy:
ax
56,96

s
k
τ
= = > =
Vậy: đất nền đủ khả năng chịu lực.
4.3 Tính toán lún đáy móng.
Giả sử môi trường đất là đàn hồi. Ta có thể tính lún theo công thức sau :
3
16. .
v
F
G R
∆Η =
Trong đó:
G : Môđun chống trượt, chống cắt
G =
)1(2
µ
−
E
=
2
35000
23333,33 /
2(1 0,25)
kN m=
−
Với µ=0,25 –hệ số nở hông.
F
v




=










θ
v
u
k
k
k
f
f
f
3
2
1
3
2
1
00

132
1
−
−
=
RG
k
;
υ
−
=
1
.4
2
RG
k
;
( )
υ
−
=
13
.8
3
RG
k
υ : Hệ số Poatxông (= 0,25).
G : Môđun chống trượt, chống cắt (= 2333,33T/m
2
)

.
6
6
6
2,24.10 0 0
74586,4
6097 0 2,49.10 0 .
119970,92
0 0 1,659.10
u
v
θ
 
   
 
   
⇒ =
   
 
   
 
   
 
0,0333
0,00245
0,723
u
v
θ
   

D
t
= 11m ; t
t
= 0,5m ; d
t
= 10m.
- Diện tích mặt cắt ngang :
( ) ( )
2 2 2 2 2
11 10 16,49
4 4
A D d m
π π
= − = − =
- Mômen quán tính :
( )
4
4 4
4 4
3,14.11 10
1 1 227,81
64 64 11
D
I m
π
η
 
 
= − = − =

. .
1,12 0
s s
A
M a F P a
I A A t
σ
σ
= − − + =
Trong đó:
M: Mômen uốn
M= 119970,92(KNm)= 11997,092 (Tm)
F: Lực dọc
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc
Sinh viên: Hoàng Đình Tùng Lớp: CTT51 ĐH
25