1
Bài giảng Công trình biển mềm
CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM
1. Khái niệm
1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm
1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển
1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm
1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm
2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm
2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo
2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo
2.1.2. Các loại dây neo
2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình
2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình
2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía
3. Tác động của môi trường
3.1. Các điều kiện môi trường
3.2. Tải trọng gió
3.3. Tải trọng dòng chảy
3.4. Tải trọng sóng (lực giạt trung bình, tải trọng động của chuyện động sóng)
4. Tính toán gần đúng công trình bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng
4.1. Tải trọng sóng nhiễu xạ và bức xạ
4.2. Phương trình tổng quát của bài toán động dựa trên mô hình gần đúng
4.3. Phản ứng động gần đúng của bài toán động tiền định
4.4. Phản ứng động gần đúng của bài toán động ngẫu nhiên
5. Tính gần đúng hệ thống dây neo chịu tải trọng tĩnh của môi trường
5.1. Đặt bài toán
5.2. Tính toán dây neo một phía
5.2.1 Tính toán dây neo một phía chịu tải trọng tĩnh
5.2.2. Chiều dài tối thiểu của đường dây neo
5.2.3. Tác dụng tựa tĩnh của lực thuỷ động lên dây neo

3
1
44
10
5
8 3

Hình 2.2. Cấu tạo chung của công trình biển bán chìm
Hệ thống một công trình biển bán chìm gồm :
- Kết cấu nổi
- Dây neo
- Neo

Các bộ phận của công trình gồm có:

1) Phao 2) Cột
3) Thanh giằng 4) Kết cấu thượng tầng
5) Dây neo 6) Cơ cấu thả neo
7) Tời kéo thả dây neo 8) Ống chống (riser)
9) Neo 10) Kết cấu giằng ngang
1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển
 Công trình biển bán chìm Semi-submersible: Công trình nổi dùng để khoan khai
thác (forage), xử lí tách lọc dầu (production); gồm 4-8 cột được neo giữ bởi hệ
thống dây neo xiên 8-12 dây.

được thi công trong ụ khô, sau đó được kéo ra biển.
4) Đặc điểm về sửa chữa:
Công trình biển bán chìm được kéo vào bờ để sửa chữa. Đối với công trình biển bê
tông cốt thép, sàn chịu lực (kết cấu thượng tầng) được chế tạo bằng thép, có thể tháo dỡ
để sửa chữa.
5) Đặc điểm về chịu lực:
Tải trọng môi trường tác động lên công trình biển bán chìm có thể là tải trọng tĩnh hoặc
tải trọng động.
Tải trọng tĩnh được sử dụng để xét bài toán ổn định tĩnh của công trình nổi. Tải trọng
động được sử dụng để xét bài toán ổn định động, xác định nội lực và chuyển vị của công
trình nổi.
Khi xét bài toán chuyển vị tổng thể, công trình biển bán chìm được coi là kết cấu tuyệt
đối cứng, dao động theo 6 bậc tự do (Hình 2.4).

1. Dịch chuyển dọc (surge)
2. Dịch chuyển ngang (sway)
3. Dao động đứng (heave)
4. Lắc ngang (roll)
5. Lắc dọc (pitch)
6. Xoay đứng (yaw)
Hình 2.4. Các dạng dao động lắc
6) Ống chống (Riser):
Công trình biển bán chìm có liên kết với các ống chống. Các ống chống có thể tháo
ra khi cần di chuyển công trình. Bên trong ống chống có chứa các đường ống giữa dàn
công nghệ trung tâm và đáy biển. Các ống nhỏ được bọc trong ống lớn.
6
Ví dụ, cụm ống Riser có thể gồm 1 ống 16’’ dẫn dầu để xử lý, 19 ống

trong kết cấu người ta tiến hành kiểm tra bền của kết cấu.
Bài toán về ổn định tĩnh và ổn định động của công trình được xem xét với giả thiết công trình
là vật thể tuyệt đối rắn, dao động theo 6 bậc tự do.

Bài toán 2:
Bài toán thiết kế đường dây neo và neo (tính toán và chọn kích thước, số lượng và chiều dài
đường dây neo, tính toán và chọn loại neo).
Khi thiết kế đường dây neo và neo công trình nổi được coi là vật thể tuyệt đối rắn.
7
2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm
2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo
2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo
Thiết bị neo là hệ thống dùng để neo đậu hoặc giữ cố định công trình nổi tại một vị trí
làm việc ở ngoài biển.
Hệ thống thiết bị neo gồm (Hình 2.5) : Hình 2.5. Hệ thống thiết bị neo
1) Máy neo
Máy neo dùng để kéo hoặc thả dây neo và điều chỉnh chiều dài của dây neo khi cần
thiết.
Máy neo thường là tời điện, nhưng có khi là máy neo thuỷ lực. Máy neo được đặc trưng
bởi các thông số sau :
- Kích thước chung của tời (hay đường kính tang cuốn dây neo cáp hoặc xính)
- Công suất của máy neo
- Phương thức kéo
- Tốc độ kéo. Các tốc độ kéo được phân biệt như sau :
Tốc độ 3 m/s là tốc độ kéo nhanh, lực kéo nhỏ.
Tốc độ 1-2 m/s là tốc độ kéo trung bình, lực kéo trung bình.
Tốc độ 0,3-0,5 m/s là tốc độ kéo chậm, lực kéo lớn.

9

Hình 2.8. Các loại mắt xích neo
a) và b) - mắt xích có ngáng; c) - mắt xích không có ngáng Hình 2.9 biểu diễn đường kính danh nghĩa của dây xích neo (d).
Hình 2.9. Đường kính danh nghĩa của xích (d)

Thông số quan trọng của dây neo là lực kéo phá huỷ (lực kéo đứt) tối thiểu F
R
. Tất cả các
dây cáp phải được thử trước khi sử dụng. Chiều dài của đoạn dây thử bằng 30 lần đường kính
dây. Bảng các thông số dây neo bằng cáp và xích được cho trong bảng 2.1-a và 2.1-b như một
ví dụ. Trên thực tế sẽ lấy theo các quy phạm hoặc các catalog của các nhà sản xuất (VD : hãng
Vicinay Cadenas http://www.vicinaycadenas.net/brochure/#/30 ).
Bảng 2.1-a Lực kéo đứt tối thiểu của cáp thép (theo DnV)

Loại cáp Đường kính
danh nghĩa của
cáp (mm)

Lực kéo đứt tối thiểu
Khối lượng cáp
trên 1m dài
(kg)
Loại thép

10
Bảng 2.1-b Lực kéo thử và lực kéo đứt tối thiểu của xích

Ghi chú: Q2, Q3 - loại mác thép (nước sản xuất) và loại thép (về độ bền).
Pháp, Tây Ban Nha :Q ; Nauy : K ; Anh : U
Thép cấp 1: thép mềm ; Thép cấp 2: thép cường độ cao ; Thép cấp 3,4 : thép cường độ rất cao ;
Có 1 số loại thép chất lượng siêu cao : Ví dụ : QS (Pháp), K4 (Nauy), ORQ (Anh).
Mỗi loại thép phải được thử ở cường độ thử và không xuất hiện bất kỳ dấu hiệu nào của sự tổn
thất. Một vài phần tử phải được thử cho tới lực kéo đứt tối thiểu.
2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình: Neo cọc, neo mỏ, neo mút:
. Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc
Hình dưới biểu diễn cấu tạo và sơ đồ chịu lực ngang của neo cọc. Việc tính toán khả năng chịu
lực của neo cọc tương tự việc tính toán cọc của công trình biển cố định bằng thép.

Hình 2.10 Sơ đồ neo cọc chịu lực
11
Trong đó: Pile head - đỉnh cọc;
Mooring line - Đường dây neo;
Load - tải trọng tác dụng lên đường dây neo;
Latera earth pressure - áp lực ngang của đất nền
Skin friction - lực ma sát hông
. Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV).
Cấu tạo chung của neo mỏ như sau:

Hình 2.11-a Neo mỏ không có cơ cấu thăng bằng

Shackle - móc neo; Fluke - mỏ neo; Shank - thân neo
Fluke angle - góc mở của mỏ neo; Fluke tip - đỉnh (mũi) mỏ neo
Tripping palms - bề rộng vào đất của neo
Crow or head - Đầu neo; Stabilizer - cơ cấu thăng bằng của neo

2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình
Người ta phân biệt 3 loại neo (theo 3 mục tiêu sử dụng):

* Neo "di động": thời gian neo đậu từ vài giờ đến vài ngày.
Ví dụ, neo sử dụng cho những công trình cần di chuyển thường xuyên như tàu đặt ống
hoặc tàu thả cáp, sà lan thi công, tàu nạo vét luồng, tàu khảo sát địa chất,…

* Neo "tạm thời": Thời gian neo đậu từ vài tuần đến vài tháng.
Ví dụ, neo của dàn khoan bán chìm neo giữ khi khoan, một số sà lan thi công,…

* Neo "cố định" (neo "thường xuyên"): thời gian neo đậu “nhiều năm”.
Ví dụ, neo dùng cho phao chứa nổi, dàn khoan bán chìm sản xuất và khai thác, trạm
nhập/xuất dầu 1 điểm neo (Single Point Mooring).
Neo cố định đòi hỏi tính kiên cố cao vì thời gian hoạt động của neo lâu dài. Neo loại này
có thể là :
. Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc,
. Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV).

2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía

Một đường dây neo có thể cấu thành từ một trong các dạng sau:
+ dây cáp,
+ dây xích,
+ hoặc hỗn hợp cả cáp và xích (đoạn tiếp xúc với đất thường là xích).
Đường dây neo có trọng lượng đơn vị không đổi chịu tác dụng của lực ngang có dạng
một đường dây. Như vậy, dạng hình học của đường dây neo phụ thuộc vào giá trị lực căng
trong dây neo (ký hiệu là T - tension), quan trọng nhất là thành phần nằm ngang của lực đó
(ký hiệu là H - horizontal). Giá trị của thành phần lực ngang này phụ thuộc vào 5 dạng hình
học cơ bản của đường dây neo được trình bày dưới đây.


710 trọng lượng neo). Nếu neo chịu lực dọc thì phải dùng neo cọc. 16
3. Tải trọng môi trường biển tác động lên công trình biển bán chìm
3.1- Xác định các điều kiện của môi trường biển khi thiết kế

Môi trường biển gây ra hai loại tải trọng tác dụng lên công trình biển :
- Tải trọng thường xuyên (tác dụng tựa tĩnh): lực gió, lực dòng chảy, một phần tải trọng
sóng, lực giữ của các dây neo.
- Tải trọng thay đổi: tải trọng do sóng thay đổi theo chu kỳ sóng (tác dụng động lực
học).
Để tính toán tải trọng môi trường tác dụng lên công trình nổi cần phải:
1) biết sự phân bố các yếu tố môi trường biển (gió, sóng, dòng chảy) theo thời gian và
tần suất xuất hiện của các yếu tố đó trong khoảng thời gian đời sống công trình.
2) thực hiện các đo đạc tại vị trí sẽ xây dựng công trình hoặc có được một mô hình
nghiên cứu môi trường đúng đắn.

Khi tính toán hệ thống neo có 3 điều kiện tác dụng của ngoại lực môi trường biển lên công
trình nổi được xem xét :
+ Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường;
+ Điều kiện cực trị (ngoại lệ): điều kiện nguy hiểm nhất xảy ra trong đời sống của công
trình nổi (công trình nổi không rời vị trí, mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt);
+ Điều kiện sống còn của công trình nổi sau khi có 01 dây neo bị đứt (công trình vẫn
phải tồn tại). Khi đó:
- Mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt
- Tháo ống chống đối với dàn khoan thăm dò và dàn khoan khai thác.

99% (hình 2.6-a).

b) Điều kiện cực trị
Điều kiện cực trị có xác suất xảy ra, ví dụ 5% (hay 1%) trong giai đoạn đang xét. Do
vậy, cần phải xác lập luật phân phối xác suất các giá trị cực đại của thông số đang xét (sóng,
gió,…) trong đời sống công trình. Giá trị cực đại này sẽ được sử dụng làm giá trị tính toán của
thiết kế (hình 2.17-b).

x1 x2
f(x)

Hình 2.17-a. Điều kiện bình thường Hình 2.17-b. Điều kiện cực trị

Trên hình 2.17-c là luật phân phối xác suất của các giá trị cực trị trong đời sống thiết kế của
công trình.
1
2
3

Hình 2.17-c
Trên hình 2.17-c : 1) là luật phân phối xác
suất của thông số đang xét (sóng, gió hoặc
dòng chảy) ; 2) là luật phân phối xác suất
của giá trị cực đại của thông số đang xét
xảy ra trong đời sống công trình ; 3) là giá
trị cực đại xảy ra với xác suất lớn nhất.


Gió được đặc trưng bởi vận tốc và hướng gió. Các số liệu đo vận tốc và hướng gió được
trung bình hoá trong khoảng thời gian 10 phút hoặc 1 giờ. Các số liệu đo gió được quy về độ
cao 10 mét nằm phía trên mặt nước tĩnh (Still Water Level - SWL).
Mặt nước tĩnh được xác định như sau :
SWL= Mực nước trung bình + Biên độ triều cao + Nước dâng do bão
hoặc SWL= Mực nước triều cao + Nước dâng do bão

b) Profil của vận tốc gió theo chiều cao
Giá trị của vận tốc gió trung bình theo thời gian ở độ cao z tính từ mặt nước tĩnh (SWL)
của biển được xác định theo công thức sau :









10
z
V.V
1tz
(2.1)
trong đó :
V
tz
 vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z mét ;
z  độ cao (mét) tính từ mặt nước biển ;
V

5
2
2
1
)f
~
2(
f
~
f
1
KV4)f(S

 (2.2)
trong đó:

1
V
L.f
f
~
  tần số không thứ nguyên
S  mật độ áp lực gió (m
2
/Hz)
f  tần số (Hz)
L  chiều dài qui chiếu (m)
K  hệ số ma sát
V
1


2
tzw
VAC
2
1
F  (2.3)
trong đó:
 - khối lượng riêng của không khí (
3
m/kg 225,1 đối với không khí khô)
A- diện tích hình chiếu bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông góc
với hướng gió thổi;
V
tz
- vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z tính từ mặt nước biển
trung bình ;
C - hệ số cản, phụ thuộc vào số Reynolds )R(
e
, hình dạng mặt cắt hứng gió và chiều
dài của phần tử kết cấu;
Hệ số Reynolds:


tz
e
V.D
R (2.5)
với D - kích thước đặc trưng của bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu (với ống tròn D là
đường kính ống)

ngang đơn giản
Ti
ết diện

Sơ đ
ồ


C
Tròn


0,6

Ch
ữ I

đ
ứng


1,6

Ch
ữ I

ngang


1,9

D

l - chiều dài phần tử kết cấu;
D - kích thước đặc trưng của mặt cắt vuông góc với hướng gió (đối với mặt cắt tròn D
là đường kính ngoài).
Bảng 2.2c Hệ số qui đổi k cho phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn
TT

l/D 2 5 10 20 40 50 100



1 Trụ (Đk trước tới hạn) 0,58

0,62

0,68

0,74

0,82

0,87

0,98

1,0
2 Trụ (Đk trên tới hạn) 0,8 0,8 0,82

0,9 0,98

Khi xét trường hợp kết cấu có nhiều phần tử kết cấu hình dạng đơn giản đặt kề nhau
người ta phân biệt hai trường hợp sau.

* Trường hợp 1: Hiệu ứng đậm đặc:
Các phần tử kết cấu nằm kề nhau trong cùng một mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi.
22

Hình 2.18 Các phần tử kết cấu nằm kề nhau
Lực gió được xác định theo công thức sau :

2
tz1w
VAC
2
1
F  (2.7)
trong đó:
 - khối lượng riêng của không khí
C - hệ số cản có xét đến hệ số đậm đặc  cho trong bảng 2.2-d.
Bảng 2.2-d. Hệ số cản C có xét đến hệ số đậm đặc 

Hệ số
đậm đặc 
Hệ số cản C
Phần tử
phẳng
Phần tử có mặt cắt ngang
hình tròn
5
e

23

tz
V - vận tốc trung bình của gió được xác định như trong mục 3.2.2-b nêu trên.

* Trường hợp 2: Hiệu ứng che khuất :
Các phần tử nằm kề nhau trong cùng một mặt phẳng song song với hướng gió thổi.

Vz
1
2
i . . . n

Hình 2.19 Các phần tử kết cấu che khuất nhau
Lực gió được xác định theo công thức sau :


.FF
w2w
(2.9)
trong đó:
 - hệ số che khuất (bảng 2.2-e)

w
F - lực gió tác động lên phần tử đầu tiên.
Chú ý: Trong trường hợp các phần tử đặt gần nhau trong cùng một mặt phẳng song song với
hướng gió, nếu số vật thể lớn hơn 2, thì lực gió tác dụng lên phần tử thứ 3 trở đi lấy bằng lực
gió tác dụng lên phần tử thứ 2.

Bảng 2.2e. Các hệ số để xét đến hiệu ứng che khuất 

0,58

0,49

0,43

3 1,0 0,97

0,92

0,84

0,74

0,63

0,54

0,48

4 1,0 0,98

0,93

0,86

0,77

0,67






 - hệ số đậm đặc (bảng 2.2d)
a - hệ số lấy theo các giá trị sau:
a=1,6 đối với phần tử phẳng
a=1,2 đối với phần tử trụ tròn ở chế độ chảy trước tới hạn
a=0,5 đối với phần tử trụ tròn ở chế độ chảy trên tới hạn

b) Lực gió tác dụng lên kết cấu dạng khối lớn

Đối với các kết cấu nổi dạng khối lớn như tàu thuỷ, tàu khoan, , để tính toán lực gió
lên phần kết cấu nằm phía trên mặt nước người ta sử dụng công thức của Hughes:

)cos(
cos.Bsin.A
VC
2
1
F
22
2
xw


 (2.10)
trong đó:
C
x

B
s
As
hướng gió

y
y
x
x
z
25

Trên hình 2.21. biểu diễn hệ số cản C
x
phụ thuộc góc thổi của gió lên tàu khoan.

Hình 2.21. Hệ số cản C
x
phụ thuộc góc thổi của gió

3.3. Tác động của dòng chảy
Dòng chảy của nước biển là tổng cộng của các dòng chảy sau :
- dòng chảy tuần hoàn thường xuyên của nước biển do đặc điểm địa hình gây nên ;
- dòng chảy do gió : liên hệ trực tiếp với các đặc trưng của gió ; vận tốc của dòng chảy
này trên mặt nước = 1- 3% vận tốc gió, hướng có thể tạo với hướng gió 1 góc 45°, chỉ ảnh
hưởng đến 1 lớp nước bề mặt độ dày một vài m.
- dòng chảy do triều : thay đổi cả về vận tốc và hướng theo chu kỳ 12h hoặc 24h.
3.3.1. Vận tốc dòng chảy
Trường hợp không có số liệu đo dòng chảy tại vị trí xây dựng, có thể xác định vận tốc
dòng chảy tổng cộng ở độ cao z so với mặt nước tĩnh theo công thức sau :

o
dz


(2.13-a)
)
d
zd
(V)z(V
o
o
giãgiã

 khi
o
dz0



(2.143-b)
với V
triều
 vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do triều gây ra
V
gió
 vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do gió gây ra