-i - Lời cảm ơn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể các thầy hướng dẫn khoa học,

PGS.TS. Đinh Quang Cường và GS.TS. Phạm Khắc Hùng, đã tận tâm hướng
dẫn và giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án này. Ngoài các kiến thức khoa học quý
báu, các thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ để tác giả vượt qua được nhiều
thời điểm khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin đặc biệt cảm ơn
GS. TS. Phạm Khắc Hùng đã cho phép tác giả vận dụng một phần sáng chế của
mình để giải quyết các vấn đề trong luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Viện Xây dựng Công trình
Biển, các cán bộ Khoa Sau Đại học trường Đại học Xây Dựng đã đóng góp ý kiến
về chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả cảm ơn gia đình yêu quý của mình, đặc biệt đối với vợ, các con và
cha mẹ hai bên nội ngoại đã tin tưởng, khích lệ, cảm thông cho tác giả trong những
năm tháng làm luận án.
Tác giả

Mai Hồng Quân

-ii - Lời cam đoan


1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép 4
1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép 4
1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định 5
1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công 5
1.1.4. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới 6
1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng
thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam 7
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu
jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành 8
1.2.1. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành 8
1.2.1.1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn 8
1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy 9
1.2.2. Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu chuẩn
hiện hành 10
1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế 10
1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11
1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 11
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 12
-iv - 1.3.1.1. Nguyên lý tổng quát để đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình
biển theo sáng chế của GS. Phạm Khắc Hùng 12
1.3.2. Đặt vấn đề nghiên cứu 13
1.3.3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 13
1.4. Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu trong luận án 14
1.5. Kết luận của chương 1 15

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CỦA KẾT CẤU JACKET CÔNG TRÌNH
BIỂN CỐ ĐỊNH DỰA TRÊN TÍNH TOÁN BỀN VÀ MỎI TRUYỀN THỐNG

2.5.1.2. Tính toán tổn thất mỏi theo mô hình sóng tiền định 29
2.5.2. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên 30
2.5.2.1. Ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng 30
2.5.2.2. Xác định tổn thất mỏi trung bình của điểm nóng trong trạng thái biển ngắn
hạn bằng phương pháp phổ 31
2.5.2.3. Tuổi thọ mỏi trung bình của điểm nóng trong kết cấu jacket 33
2.6. Kết luận của chương 2 33

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ MỨC SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY
THEO THỜI GIAN CỦA KẾT CẤU JACKET CÁC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
3.1. Mở đầu 35
3.1.1. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 35
3.1.2. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống 35
3.2. Dạng tổng quát đánh giá sự suy giảm ĐTC tổng thể của kết cấu jacket 35
3.2.1. Dạng tổng quát độ độ tin cậy dựa trên điều kiện bền mở rộng 35
3.2.2. Dạng tổng quát độ độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 36
3.3. Xác định độ tin cậy về bền của kết cấu jacket trong trạng thái biển ngắn
hạn cực đại 37
3.3.1. Ứng suất ngẫu nhiên trong kết cấu 37
3.3.2. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải hẹp 38
3.3.3. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải rộng 38
-vi - 3.4. Xác định độ tin cậy theo điều kiện mỏi tại một điểm nóng của kết cấu
jacket phụ thuộc vào thời gian khai thác 40
3.4.1. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi trong trạng thái biển ngắn
hạn tại một điểm nóng 40
3.4.1.1. Biểu diễn ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng trong miền thời gian 40
3.4.1.2. Xác định số lượng chu trình ứng suất bằng kỹ thuật đếm dòng mưa 43

4.1. Mở đầu 61
4.2. Các số liệu đầu vào sử dụng trong ví dụ 61
4.2.1. Số liệu về công trình 61
4.2.2. Số liệu về môi trường 62
4.3. Các phần mềm máy tính sử dụng trong ví dụ 64
4.3.1. Các phần mềm thương mại 64
4.3.2. Phần mềm tự lập “ RFCAL” 65
4.4. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống 65
4.4.1. Kết quả tính nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu 65
4.4.2. Kiểm tra bền của phần tử thanh 67
4.5. Độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống của kết cấu jacket 67
4.5.1. Tính toán tổn thất mỏi 68
4.5.1.1. Đầu vào tính mỏi 68
4.5.1.2. Tính toán ứng suất điểm nóng 69
4.5.1.3. Tính toán tổn thất mỏi tại điểm nóng 71
4.5.2. Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện phá hủy mỏi truyền thống 73
4.6. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy tổng thể của kết cấu jacket 73
4.6.1. Độ tin cậy tại điểm đặc trưng của kết cấu khi bắt đầu khai thác 73
4.6.2. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy và khả năng chịu tải của kết cấu trong quá
trình khai thác 74
4.6.2.1. Độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng 74
4.6.2.2. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng 75
4.6.2.3. Nghiên cứu bổ sung với trường hợp biến đổi khí hậu bất thường: 77
4.6.2.4. Kết quả tính toán độ tin cậy tổng thể của công trình 79
4.7. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại
theo thời gian khai thác công trình tại điểm xét 80
4.8. Kết luận của chương 4 81

-viii -


ܴ

Khả năng chịu lực của vật liệu
ܴ
௞

Cường độ của vật liệu
ߛ
௠

Hệ số an toàn của vật liệu
ULS Trạng thái ứng suất cực hạn
WSD Thiết kế theo ứng suất cho phép
LRFD Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số cường độ
ߛ
௜

Hệ số của tải trọng thứ i
FLS Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi
ܦ

Tỷ số tổn thất mỏi
ሾ
ܦ
ሿ

Tỷ số tổn thất mỏi cho phép
D
T
Tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong thời gian T

௙
൧

Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép
ߚ
௧௞
,
ሾ
ߚ
ሿ

Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép
ܲ
஻

Độ tin cậy theo điều kiện bền
ܲ
௠

Độ tin cậy theo điều kiện mỏi
ܲ
௠்

Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm
-x - ܲ
஻்௢௧


Phổ sóng
ߝ

Thông số bề rộng dải phổ
(
)
x x
v v
S
ω

(
)
y y
v v
S
ω

Phổ vận tốc của phần tử nước theo phương x và phương y
(
)
x x
a a
S
ω

(
)
y y
a a

ிி
(
߱
)

Phổ tải trọng sóng lên phần tử kết cấu
ݑ
,
ݑ
ሶ
,
ݑ
ሷ

Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật cản
ߜ
௩௫

Độ lệch chuẩn của thành phần vận tốc
ݒ
௫

K,U
(t)
, F
(t)
Ma trận độ cứng, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ tải trọng quy về nút
K
đ
Hệ số khuếch đại động

Ma trận cản nhớt trong hệ tọa độ suy rộng

K
ˆ

Ma trận độ cứng trong hệ tọa độ suy rộng
F
ˆ
(t)

Véc tơ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng
T
Φ

Ma trận chuyển trí của ma trận các dạng dao động riêng
H(i
ω
)
Ma trận hàm truyền của hệ kết cấu
ܵ
௨
ೕ
௨
ೕ
(
߱
)

Phổ phản ứng của kết cấu
|

Diện tích, mô men kháng uốn theo phương x, theo phương y
ߜ
ఙ

Phương sai của quá trình ứng suất
a Biên độ của quá trình ngẫu nhiên
݌
(
ܽ
)

Hàm mật độ phân phối xác suất của a
σ
max

Ứng suất cực đại tại điểm đang xét
߂߱

Bề rộng khoảng tần số khi rời rạc phổ
߮
௜

Góc lệch pha ngẫu nhiên
ߪ
௪

Ứng suất do tải trọng sóng ngẫu nhiên
ߪ
௪௠௔௫


்௡
ă
௠

Tổn thất mỏi trong thời gian T năm
P-M Palmgreen- Miner
ߤ

Kỳ vọng toán
ߪ
்஼

Ứng suất tổng cộng trong kết cấu

-xii - Danh mục các hình vẽ
Trang

Hình 1.1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket, 5
Hình 1.2 Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu 7
Hình 1.3 Các trạng thái biển tác động lên công trìn 11
Hình 1.4 Điểm nóng kiểm tra bền và kiểm tra mỏi tại đầu ống 12
Hình 1.5 Sơ đồ mô tả các bài toán đánh giá an toàn cho kết cấu jacket 14
Hình 2.1 Sơ đồ phân vùng áp dụng của các lý thuyết sóng 19
Hình 2.2 Thể hiện quá trình ngẫu nhiên của chuyển động sóng bề mặt 20
Hình 2.3 Phổ P-M và phổ JONSWAP 22
Hình 2.4 Minh họa chuyển đổi sóng biển từ phổ thành các sóng điều hòa 27
Hình 2.5 Quá trình ngẫu nhiên dải hẹp, quá trình ngẫu nhiên dải rộng 30

Hình 4.7 Kết quả lực dọc N trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.8 Kết quả Mx trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.9 Kết quả My trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.10 Kết quả ứng suất điểm nóng R trong thanh 101L-202L 69
Hình 4.11 So sánh ĐTC theo điều kiện bền truyền thống và điều kiện bền mở
rộng
74
Hình 4.12 So sánh ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống và mỏi mở rộng 76
Hình 4.13 Ảnh hưởng của số lần xảy ra bão cực hạn đến độ tin cậy theo điều
kiện mỏi của công trình tính ở thời điểm năm thứ 23
77
Hình 4.13b Độ tin cậy tổng thể tại điểm xét của kết cấu 79

-xiv -
Danh mục các bảng biểu
Trang
Bảng 3.1 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống 58
Bảng 3.2 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền mở rộng 58
Bảng 3.3 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi mở rộng 58
Bảng 3.4 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền tổng thể 58
Bảng 4.1 Các thông số chính của công trình 60
Bảng 4.2 Số liệu sóng dùng tính toán bền 61
Bảng 4.3 Số liệu dòng chảy 62
Bảng 4.4 Số liệu gió 62
Bảng 4.5 Số liệu hà bám 62
Bảng 4.6 Số liệu sóng tính mỏi 62
Bảng 4.7 Số liệu địa chất 63

-xv - Bảng 4.19 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 24 77
Bảng 4.20 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 25 77
Bảng 4.21 Tổng hợp kết quả tính toán độ tin cậy 78
Bảng 4.22 Quan hệ giữa chiều cao cóng H
s
và ĐTC theo điều kiện bền 80
Bảng 4.23 Kết quả tính toán độ tin cậy yêu cầu theo thời gian 80

-1 - Mở đầu
Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án
Hiện nay đánh giá an toàn của các công trình biển theo độ tin cậy là một
phương pháp hiện đại đang được quan tâm để đưa vào sử dụng trong các quy phạm.
Phương pháp này có tiến bộ đáng kể là đã đưa vào mô hình hóa nhiều yếu tố ngẫu
nhiên ảnh hưởng đến an toàn của công trình mà các phương pháp khác chưa kể đến
được. Tuy vậy điểm căn bản của phương pháp này vẫn dựa trên việc xem xét một
cách riêng biệt hai điều kiện an toàn chính của kết cấu công trình biển; đó là điều
kiện bền (khi công trình chịu tác động của sóng cực đại) và điều kiện mỏi (khi
công trình chịu tác động của sóng thường xuyên trong trạng thái biển dài hạn).
Thực tế là: hiện tượng mỏi do các tác động của sóng biển từ khi xây dựng
công trình đến thời điểm đánh giá đã làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu
và tổn thất mỏi do sóng biển trong trạng thái biển cực đại gây ra phải được kể đến
cùng với tổn thất mỏi do trạng thái biển dài hạn tích luỹ trước đó.
Các ảnh hưởng thực tế nói trên làm suy giảm độ an toàn (độ tin cậy) và tuổi
thọ của kết cấu theo thời gian. Để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu do

xác suất để xây dựng các công thức để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu
công trình biển cố định bằng thép .
- Thực hiện các tính toán bằng số (kết hợp phần mềm tính toán kết cấu SACS
với chương trình tự lập) để khảo sát kết quả ứng dụng phương pháp của luận án.
- So sánh với các phương pháp truyền thống để đưa ra các kết luận ứng dụng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án;
- Nghiên cứu xác định các phản ứng ngẫu nhiên của kết cấu công trình biển cố
định bằng thép (nội lực và ứng suất ngẫu nhiên) do tác động của sóng biển.
- Nghiên cứu tổn thất mỏi ngẫu nhiên của kết cấu jacket do sóng biển gây ra
- Xác định độ tin cậy của kết cấu theo các điều kiện bền và mỏi.
- Nghiên cứu sự suy giảm theo thời gian của độ tin cậy do kể đến ảnh hưởng
của tổn thất mỏi và tổn thất mỏi do bão cực hạn gây ra.

-3 - Cấu trúc của luận án:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu chân đế
công trình biển cố định bằng thép (Jacket)
Chương 2: Đánh giá an toàn của kết cấu jacket công trình biển cố định dựa trên
tính toán bền và mỏi truyền thống
Chương 3: Phương pháp luận đánh giá mức suy giảm độ tin cậy theo thời gian
của kết cấu jacket các công trình biển cố định
Chương 4: Ví dụ ứng dụng
Kết luận của luận án
Phụ lục
Luận án bao gồm 90 trang, 34 hình vẽ, 24 bảng biểu và phụ lục
ống chính hoặc cọc đóng ngoài ống chính, (còn gọi là cọc váy - Skirt pile).
-5 -
Hình 1.1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket
1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định
Các tải trọng chính tác động lên công trình biển cố định bằng thép bao gồm:
tải trọng thượng tầng, tải trọng bản thân của các thành phần kết cấu chính và các
thành phần phụ gắn vào công trình, tải trọng do gió, do sóng và dòng chảy, tải trọng
đẩy nổi, áp lực thủy tĩnh, tải trọng do động đất, do băng trôi, do sự cố …trong đó tải
trọng nguy hiểm nhất đến an toàn của công trình là tải trọng do sóng biển, đây là tải
trọng thay đổi ngẫu nhiên, có thể phá hủy công trình do cường độ lớn nhưng cũng
có thể phá hủy công trình theo thời gian do gây ra hiện tượng mỏi trong kết cấu.
1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công
Công trình được xây dựng ngoài khơi xa và thường là các công trình độc lập.
Khi có sự cố xảy ra thì hậu quả thường rất nặng nề, trong đó vấn đề về an toàn cho
con người, cho môi trường là đáng quan tâm nhất rồi sau đó là giá trị kinh tế của
công trình và sản xuất. Vì vậy cần đảm bảo các yêu cầu an toàn “tuyệt đối ” có
-6 - nghĩa là xác suất phá hủy phải rất nhỏ. Quy phạm DnV quy định xác suất phá hủy
lớn nhất cho các loại công trình biển khác nhau nhưng phải được hạn chế là P
f
=10
-3

hay độ tin cậy P=0.999 [26, 27, 28].
- Yêu cầu đối với công tác thiết kế: công trình phải được tính toán thiết kế

đến 412m nước (Công trình Bullwinkle), cùng 6 giàn khai thác ở vùng nước sâu
(d>303m) như trong hình1.2. [10].

Hình 1.2: Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu
1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định
bằng thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam[1, 8, 10]
Ứng dụng công trình biển cố định bằng thép ở Việt Nam:
Việt Nam xây dựng giàn cố định bằng thép đầu tiên vào năm 1983 tại mỏ
Bạch Hổ thuộc vùng biển ngoài khơi tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu. Đây là mỏ dầu được
khai thác đầu tiên của Việt Nam với độ sâu nước xấp xỉ 50m, gồm các giàn khai
thác kiểu (MSP) loại 2 chân đế và loại một chân đế với 8 ống chính, các giàn đầu
giếng (BK), các giàn người ở… Sau gần 30 năm hoạt động cho tới nay ngành dầu
khí biển Việt Nam đã phát triển với nhiều mỏ mới được phát hiện và khai thác ở các
độ sâu nước từ 40m đến 135m và với khoảng 70 công trình biển cố định bằng thép
kiểu jacket ở các vùng mỏ thuộc bể Cửu Long, Nam Côn Sơn, và vùng chồng lấn
Tây Nam. Ngành xây dựng công trình biển ở Việt Nam phát triển đồng bộ bao gồm
bộ phận thiết kế, thi công và khai thác với các cơ sở hạ tầng phát triển (nhiều bãi lắp
ráp chuyên dụng, nhiều nhà máy thi công chế tạo kết cấu chân đế giàn khoan), thiết
bị máy móc phục vụ thi công phát triển (nhiều cần cẩu loại lớn, nhiều phương tiện
nổi hiện đại, nhiều máy móc, thiết bị hiện đại). Kết quả đã đạt được của ngành Xây
dựng Công trình biển ở Việt Nam cho thấy rằng đội ngũ kỹ sư xây dựng công trình
-8 - biển đã có kinh nghiệm và khả năng trong việc thiết kế, xây dựng các công trình
biển cố định bằng thép ở các vùng nước với độ sâu nước tới 150m.
Triển vọng và xu thế phát triển:
Ngành khai thác dầu khí biển Việt Nam đã và đang phát triển mạnh, tuy nhiên
cho tới nay chúng ta mới chỉ thăm dò và khai thác một phần rất nhỏ tiềm năng của
dầu khí biển vì vậy ngành công nghiệp dầu khí của Việt Nam cũng như ngành xây

hai giai đoạn như sau[6, 7, 9]:
o Kiểm tra theo tỷ số tổn thất mỏi cho phép: tỷ số tổn thất mỏi tích lũy
trong kết cấu từ thời điểm xây dựng đến thời điểm kiểm tra không được
vượt quá tỷ số tổn thất tích lũy cho phép (mỏi ở giai đoạn 1);
o Kiểm tra theo vết nứt cho phép: vết nứt phát triển trong kết cấu không
được vượt quá vết nứt cho phép (mỏi ở giai đoạn 2 và giai đoạn 3).
- Các trạng thái giới hạn khác: ngoài các trạng thái giới hạn trên kết cấu
jacket cần được kiểm tra với các trạng thái giới hạn về điều kiện sử dụng (SLS),
trạng thái giới hạn sự cố (ALS), trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS)…
Trong luận án này chỉ nghiên cứu hai trạng thái giới hạn cơ bản nhất liên quan
đến độ bền của kết cấu đó là giới hạn cực đại (ULS) và trạng thái giơi hạn về mỏi
(FLS).
1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy [18, 27]
Đánh giá theo độ tin cậy là một phương pháp hiện đại đang được đẩy mạnh
nghiên cứu và bước đầu đã được các quy phạm DnV, ISO và API đưa vào áp dụng
trong thực tiễn.
Điều kiện an toàn của kết cấu được đánh giá bằng xác suất an toàn, xác suất an
toàn tính toán phải lớn hơn xác suất an toàn cho phép (độ tin cậy phải lớn hơn độ tin
cậy cho phép) hoặc xác suất phá hủy phải nhỏ hơn xác suất phá hủy cho phép. Độ
tin cậy được đánh giá theo trạng thái giới hạn ULS (gọi là độ tin cậy theo điều kiện
bền) và theo trạng thái giới hạn FLS (gọi là độ tin cậy theo điều kiện mỏi).
Phương pháp độ tin cậy có tiến bộ là đã kể được các yếu tố ngẫu nhiên ảnh
hưởng đến an toàn của kết cấu mà các phương pháp khác không kể đến một cách
thích hợp được.
-10 - 1.2.2. Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu
chuẩn hiện hành
Các tiêu chuẩn thiết kế nêu trên liên tục được cập nhật theo các kết quả