Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh

ĐỒ ÁN
Tính toán thiết kế kết cấu chân đế công trình biển
cố định bằng thép ( CTBCĐBT ) trong giai đoạn
khai thác.
Viện Công Trình Biển 1
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
Chương 1 : GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN
I. GIỚI THIỆU ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH
Công trình biển bằng thép là công trình có vật liệu làm chủ yếu làm bằng
thép. Công trình làm việc như một khung không gian, các tải trọng được
truyền vào nền đất thông qua các móng cọc đóng sâu vào nền đất .
- Ưu điểm :
+ Thép là loại vật liệu có cường độ cao kích thước tương đối nhỏ, vì vậy
kết cấu có trọng lượng và kích thước tương đối nhỏ dẫn đến tải trọng sóng
tác động lên công trình nhỏ.
+ Khả năng cấu tạo và liên kết của thép là rất linh hoạt.
+ Có thể áp dụng cho phần lớn các điều kiện địa chất.
+ Thời gian thi công nhanh nhưng đòi hỏi về phương tiện và bến bãi thi
công trên bờ.
- Nhược điểm :
+ Thép là loại vật liệu đắt tiền.
+ Đòi hỏi phải duy tu và bảo dưỡng thường xuyên để khắc phục hậu quả
do ăn mòn và nứt do mỏi.
+ Thời gian thi công ngoài biển kéo dài và đòi hỏi phải có nhiều thiết bị
chuyên dụng của ngành. Phải trải qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 là thi công lắp
giáp , giai đoạn 2 là vận chuyển hạ thuỷ đánh chìm và cố định ngoài biển.
Do đó tồn tại nhiều rủi ro khi thi công.
II. SỐ LIỆU ĐẦU VÀO
1. Đặc điểm công trình :

1
( m ) 1.8
Nước dâng tương ứng với bão thiết kế d
2
( m ) 1.2
Độ sâu nước d
0
( m ) 88
3. Số liệu vận tốc gió :
Chu kỳ lặp - năm N NE E SE S SW W NW
Vận tốc gió trung bình đo trong 2 phút
100 38.4 46.1 0.0 20.8 2.0 35.7 34.2 33.5
50 36.2 45.0 9.1 19.2 1.4 33.4 32.7 31.8
25 34.2 40.6 7.4 18.2 0.4 31.5 30.4 29.2
10 30.6 37.5 6.3 16.8 9.2 28.2 27.5 26.5
5 28.5 34.6 5.2 15.5 8.4 26.2 25.2 21.3
1 23.0 26.0 2.0 12.7 6.0 21.0 20.0 18.0
Chu kỳ lặp - năm N NE E SE S SW W NW
Vận tốc gió trung bình đo trong 1 phút
100 39.7 47.1 1.0 21.4 2.7 36.9 35.3 34.6
50 37.4 46.5 0.1 19.8 22.1 34.5 33.8 32.8
25 35.3 41.9 28.3 18.8 21.1 32.5 31.4 30.2
10 31.6 38.7 27.2 17.4 19.8 29.1 28.4 27.4
5 29.4 35.7 26.0 16.0 19.0 27.1 26.0 22.0
1 23.8 26.9 22.7 13.1 16.5 21.7 20.7 18.6

Chu kỳ lặp - năm N NE E SE S SW W NW
Viện Công Trình Biển 3
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
Vận tốc gió trung bình đo trong 3 giây

Vận tốc
(cm/s)
68 111 90 102 182 137 119 97
Hướng (độ) 2 301 60 295 329 53 329 197
7. Số liệu hà bám :
Phạm vi hà bám tính từ mực nước trung bình trở
xuống
Chiều dày hà bám
Từ mực nước trung bình 0 (m) đến -4 (m) 80 mm
Từ -4 (m) đến -8 (m) 87 mm
Từ -8 (m) đến -10 (m) 100 mm
Từ -10 (m) đến đáy biển 70 mm
Trọng lượng riêng hà bám : γ=1600 kG/m
3
8. Số liệu địa chất công trình :

Đề số 1 :
Viện Công Trình Biển 5
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan ChỉnhCác thông số đề bài Tên lớp đất
Lớp đất số 1 Lớp đất số 2 Lớp đất số 3
1 Mô tả lớp đất Á cát dẻo mềm Á cát dẻo chặt Sét nửa cứng
2
Độ sâu đáy lớp đất(tính
từ đáy biển trở xuống)
h
1
= 11m h

25 75 150
1
3
Góc ma sát trong ψ , độ 14 22 25
Viện Công Trình Biển 6
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
9. Số liệu về vật liệu :
Số liệu về quy cách thép ống ( lấy theo quy cách thép ống của API )
+ Vật liệu thép : - Loại thép A3
Đặc trưng cơ lý của vật liệu thép :
- Khối lượng riêng
t
γ
=7.85 ( T/m
3
)
- Cường độ chảy
y
F
= 3450 ( kG/m
2
) với D> 520 mm
= 2150 ( kG/m
2
) với D< 520 mm
- Cường độ tính toán R = 2700 kG/cm
2
- Cường độ chịu cắt R
c
= 1550 kG/cm

1 2o
d d d
+ +
= 88 + 1.8 + 1.2 = 91 (m).
b) Phân tích, tổng kết các số liệu môi trường, vẽ hoa gió, hoa sóng.
* Xác định hướng tác dụng:
Chọn 2 hướng sóng tác động vào công trình để tính toán và kiểm tra kết cấu chân
đế.
+ Hướng 1 : là hướng có chiều cao sóng lớn nhất NE ( hướng chính).
+ Hướng 2 : là hướng N.
Hướng
H
max
( m)
T ( s)
Đông Bắc
16.1
14.3
Bắc
10.8
10.3
* Xác định huớng tác dụng của dòng chảy:
Viện Công Trình Biển 8
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
Hướng tác dụng của dòng chảy chọn theo 2 hướng tác dụng của sóng.
+ Dòng chảy mặt lớn nhất:
Các thông số
Hướng sóng
NE N
Vận tốc (cm/s) 131 93

S
v=2.7m/s
SW
v=36.9m/s
W
v=35.3m/s
NW
v=34.6m/s
H×nh1: Hoa giã.
c) Lựa chọn hướng đặt công trình.
Viện Công Trình Biển 10
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
- Công trình đặt theo hướng có chiều cao sóng lớn nhất NE.
2. Xây dựng phương án kết cấu chân đế.
Phương án kết cấu chân đế phụ thuộc vào các yếu tố :
+ Địa chất công trình
+ Độ sâu nước thiết kế , mực nước cao nhất
+ Phương pháp thi công và các thiết bị thi công trên bờ và ngoài khơi
a) Xác định các kích thước tổng thể của kết cấu.
+ Kích thước đỉnh của kết cấu chân đế : 44x20 (m)
+ Xác định chiều cao công trình :
_ Chiều cao công trình ( Từ đáy biển đến vị trí sàn không cho phép ngập nước)
được xác định sao cho mặt dưới của sàn công tác không bị ngập nước, có kể đến
một khoảng cách an toàn ∆

(∆ được gọi là độ tĩnh không của công trình). Do vậy
chiều cao công trình là khoảng cách từ mặt đáy biển đến sàn công tác.

.
CT

/gT = 1.31/(9.81x14.3) =0.0093.
Trong đó : V
1
: vận tốc mặt lớn nhất ứng với hướng sóng chủ đạo NE.
Tra bảng ta được : T
app
/T = 1.06 => T
app
= 15.158 (s).
Tra bảng với :
3
2 2
16.1
7.14 10
9.81 15.158
app
H
x
gT x
−
= =

2 2
91
0.04
9.81 15.158
app
d
gT x
= =

π
π
 
= =
 ÷
 
( giải bằng phương pháp lặp).
 k =
2
0.021
L
π
=
Viện Công Trình Biển 12
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh

0.793
η
=
Vậy :
91 0.793 16.1 1.73 105.5
CT
H x m
= + + =

+ Xác định cao trình Diafragm D1 (diafragm trên cùng): Trường hợp dùng
cho khung sàn chịu lực.1 1D

= H
CT
- H
CĐ
= 105.5 – 93.8 = 11.7 (m)
+ Xác định bề rộng đáy trên, bề rộng đáy dưới của khối chân đế.
Viện Công Trình Biển 13
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
- Bề rộng đáy trên
44( )
t
B m
=
Chọn độ dốc ống chính φ =1/10
Suy ra bề rộng đáy dưới B
d
= B
t
+ 2xH
CĐ
x1/10 = 44 + 2x93.8x1/10 = 62.76 m.
+ Xác định cao độ giao điểm giữa ống chính và thanh xiên dưới cùng của
khối chân đế ( chi tiết 2).d
Z
>= ( 25cm ; D/4 )
d
Z

*Sơ đồ mặt bằng tổng thể công trình :
c) Sơ đồ bố trí các mặt ngang, cấu tạo các mặt ngang .
d) Sơ đồ bố trí các các thanh xiên.
Viện Công Trình Biển 15
B mụn: KTCTB v OBC GVHD: Mr.V an Chnh

e) Xỏc nh s b kớch thc cỏc thanh ng, ng chớnh, ng nhỏnh.
-Tiết diện các thanh đợc lựa chọn dựa trên điều kiện độ mảnh cho phép.Độ
mảnh cho phép phụ thuộc vào điều kiện làm việc của thanh (chịu kéo hay nén).
Dựa trên điều kiện độ mảnh cho phép, lựa chọn sơ bộ tiết diện của thanh. Từ kết
quả tính toán, lựa chọn lại tiết diện để phù hợp với đặc điểm của tải trọng tác dụng.
Theo sổ tayApplied Offshore Structural Engineering của Teng H.Hsu, khi thiết
kế sơ bộ các kết cấu chân đế trong điều kện biển ở khu vực Đông Nam á, có thể
chọn giá trị độ mảnh (Kl/r) = 110 làm căn cứ để lựa chọn sơ bộ tiết diện.
Công thức tính độ mảnh nh sau:
= k.l/r
Trong đó :
k: hệ số kể đến mất ổn định của thanh phụ thuộc vào liên kết 2 đầu;
k 1.
l:chiều dài phần tử ( khoảng cách giữa 2 tâm nút ).
r: bán kính tiết diện phần tử.Loại phần tử k
thanh ống chính 1,0
thanh xiên, ngang 0,7
thanh chính chéo 0,8
Vin Cụng Trỡnh Bin 16
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
*

18.15 1.1682 1.219 0.09525
0.0169
7
0.4221 1
4
2.
9
9
9
6
3 N1 559x25.4 20.53 0.5482 0.58 0.02818 0.00112 0.19952 0.7
4
2.
0
2
8
3
4 N2 660x20.6 28.29 0.6188 0.66 0.0413
8
0.00212 0.22618 0.7 6
7.
5
5
Viện Công Trình Biển 17
B mụn: KTCTB v OBC GVHD: Mr.V an Chnh
4
4
5 N3 812x25.4 26.77 0.5482 0.58 0.02818 0.00112 0.19952 0.8
7
7.

* Sơ đồ hình học từ sàn thượng tầng trở xuống ( sàn thượng tầng, khung nối,
chân đế, cọc ).
Như hình vẽ đã trình bày ở trên.
* Mô hình hóa các phần phụ trợ ( Các Conductor, giá cập tàu,…). * Mô hình hóa cọc trong ống váy và liên kết nối đất.
Quan niệm kết cấu chân đế ngàm với nền đất tại độ sâu cách mặt đáy biển khoảng
∆
o
(∆
o
gọi là chiều sâu ngàm giả định).
Ở đây ta lấy: ∆
o
= 6D
Viện Công Trình Biển 19
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
Trong đó : D - đường kính cọc.
Viện Công Trình Biển 20
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh

2. Tính toán các loại khối lượng.
Viện Công Trình Biển 21
B mụn: KTCTB v OBC GVHD: Mr.V an Chnh
a) Xỏc nh khi lng thng tng.
Khi lng thng tng l ton b khi lng ca cỏc trang thit b nh mỏy
khoan, khi lng bn thõn ca cỏc block,, c tớnh t trng lng thng
tng. ta cú
Tng ti trng thng tng : G = 3000(T)

si
= [.( D
i
2
-(D
i
- 2.
i
)
2
)]/4
Với D
i
,
i
- đờng kính ngoài và bề dầy của thanh thứ i .
+ L
ij
- chiều dài thanh thứ i , ( m )
Dựng chng trỡnh Sap ta cú tng khi lng bn thõn khi chõn l: 3082T
c) Khi lng h bỏm :
Xác định khối lợng hà bám của thanh tính từ MNTB xuống đáy biển .
Để đơn giản ta giả thiết tính hà bám theo cách tính trung bình: Chiều dày hà bám
tại cao độ của đầu i là t
1
,tại đầu j là t
2
. Chiều dày hà bám trung bình là t=0.5(t
1
+t

m
nk
(i) =
n
.C
am
.V
i
Trong đó:
+
n
- mật độ của nớc biển = 1,025 t/m
3
.
+ C
am
- hệ số nớc kèm, C
am
= 0,2.
+ V
i
- thể tích ống phần ngập nớc, tính với đờng kính mới có cả chiều
dày hà bám.
Khối lợng nớc kèm đợc quy về nút theo nguyên tắc của dầm đơn giản, t ú ta
tớnh c tng khi lng nc kốm l: 136.2T
Bng tớnh toỏn c th c trỡnh by phn phc lc cui thuyt minh.
e) Xỏc nh khi lng nc trong ng.
Tính khối lợng nớc trong ống với MNTB .
Ta chỉ tính khối lợng nớc trong ống đối với các ống chính.
Khối lợng nớc trong ống là:

Vin Cụng Trỡnh Bin 23
Bộ môn: KTCTB và ĐOBC GVHD: Mr.Vũ Đan Chỉnh
+ δ
i
– ChiÒu dµy cäc.
Từ đó ta tính được tổng khối lượng của nước trong ống là : 787.2T
Bảng tính toán cụ thể được trình bày ở mục lục cuối thuyết minh.

f) Khối lượng vữa trám .
Vữa trám là lớp vữa liên kết giữa cọc và ống váy, khối lượng vữa trám được
tính theo công thức:
m
v
(i) = ρ
v
[π.((D
oc
- 2.δ
oc
)
2
)- D
2
cọc
))/4].L
i
Trong đó :
ρ
v
- Khối lượng riêng của vữa bơm trám (ρ

)
2
)/4].L
i
Trong đó :
ρ
c
: Khối lượng riêng của cọc (ρ
c
= ρ
thép
=7850 kg/m
3
).
D
cọc
,δ
cọc
: Đường kính và chiều dày cọc.
L
i
: Chiều dài cọc thứ i.
Từ đó ta tính được tổng khối lượng cọc là : Sẽ được tính sau khi tính toán nội lực.
Bảng tính toán cụ thể được trình bày ở mục lục cuối thuyết minh.
3. Xác định các loại tải trọng tác động lên công trình.
a) Tải trọng thượng tầng.
Viện Công Trình Biển 24
B mụn: KTCTB v OBC GVHD: Mr.V an Chnh
Tổng cộng tất cả các tải trọng đứng của phần thợng tầng có giá trị là P, tải trọng P
đợc phân cho 8 nút tại 8 đỉnh ống chính, phơng tác dụng hớng xuống, tải trọng này

.
2
i
i
D
A

=
với D
i
là đờng kính ngoài của phần tử thứ i có kể đến hà bám.
Đối với ống chính có nớc trong ống, A là diện tích mặt cắt ngang.
l
i
: Chiều dài phần tử thứ i.
Trọng lợng riêng đẩy nổi :
dn
= 1.025 (T/m
3
),
T ú ta tớnh c ti trng y ni l : 4376.73T
Bng tớnh toỏn c th c trỡnh by mc lc cui thuyt minh.
c) Ti trng giú.
C s lý thuyt :
Vin Cụng Trỡnh Bin 25