Nghiên cứu bài toán đánh chìm khối chân đế
công trình biển cố định thép bằng sà lan mặt boong:
cơ sở lý thuyết và các phần mềm ứng dụng.

Ks. Vũ Đan Chỉnh, KS. Nguyễn Thị Hiệp
I. M U
I-1.Khỏi quỏt cỏc phng phỏp thi cụng ỏnh chỡm cho cỏc cụng trỡnh bin c nh bng thộp.
I-1.1 Phng phỏp thi cụng ỏnh chỡm bng cu ni.
- Phm vi ỏp dng: Phng phỏp thi cụng ỏnh chỡm bng cu ni thng ỏp dng cho nhng
khi chõn cú kớch thc v trng lng va v nh, phự hp vi kh nng ca cu.
- u im: Quy trỡnh thi cụng n gin, c c gii hoỏ.
- Nhc im: Giỏ thnh tng i cao vi cụng trỡnh xa b, khụng ỏp dng c vi nhng
cụng trỡnh ln sõu nc ln.
I-1.2 Phng phỏp thi cụng ỏnh chỡm bng ponton.
- Phm vi ỏp dng rng rói bao gm khi chõn quy mụ t va n ln .
- u im: Cú th ỏnh chỡm c nhng khi chõn kớch thc ln, khụng cn thit b ln.
- Nhc im: Quy trỡnh thi cụng phc tp, an ton khụng cao.
I-1.3 Phng phỏp thi cụng ỏnh chỡm bng s lan.
1.3. Ni dung phng phỏp thi cụng:
Phng phỏp thi cụng ỏnh chỡm bng s lan thng ch phỏt huy u im i vi khi chõn
ln. Bi vy, trong quỏ trỡnh thi cụng, thụng s trng lng khi chn v sõu nc ni xõy
dng cụng trỡnh rt cn c xem xột.
Trong quỏ trỡnh ỏnh chỡm, tớnh n nh ca s lan, cỏc trng thỏi ca khi chõn ti cỏc thi
im chuyn ng, c bit l khi khi chõn chuyn ng trong mụi trng nc cn c tớnh
toỏn cn thn. Mt khỏc i vi khi chõn cú kớch thc ln thỡ bn tng phn t ca nú cng
cn c xem xột khi v trớ ỏnh chỡm cú sõu nc ln.
1.3.2 Cỏc bi toỏn
Xỏc nh qu o trng tõm khi chõn trong quỏ trỡnh ỏnh chỡm.
Xỏc nh lc tỏc dng lờn dm trt ca s lan v bn xoay, xỏc nh qu o chuyn ng ca
s lan.
Xỏc nh lc tỏc dng lờn cỏc im nỳt ca khi chõn trong quỏ trỡnh chuyn ng.

bởi trọng lượng bản thân lớn hơn lực ma sát tĩnh.
Giai đoạn 2:Khối chân đế tự chuyển động bởi nguyên nhân gây trượt là trọng lượng bản
thân.
- Phương trình chuyển động của khối chân đế trên sà lan:

cossin

kmgmgxm 
Tức là: )cos(sin


kgx  (1-2) 
G
N
Gcos

Fms
GsinHình 1: Phân tích chuyển động trong giai đoạn 2.

Trong đó x = x(t) là dịch chuyển của trọng tâm khối chân đế theo phương x của hệ toạ độ địa
phương của sà lan ,  = (t) là góc xoay của sà lan quanh trọng tâm, m là khối lượng khối chân đế,
G là trọng lượng khối chân đế =m.g, Fms là lực ma sát, N là phản lực vuông góc với mặt sà lan.

Hình 2: Xác định momen phục hồi

Mô men gây nghiêng được tính theo công thức:


cos) ( tgzxGM
kcdng
 (2-2)

Mô men phục hồi được tính theo công thức:



sin)
2
).((
2
tg
V
I
GMGGM
oslkcdhp
 (3-2)
Vậy ta có phương trình cân bằng: 

sin).

và  tại từng thời điểm t, hình thành quỹ đạo của trọng tâm khối chân đế trong quá trình chuyển
động trên sà lan.
Giai đoạn 3: Trọng tâm khối chân đế dịch chuyển đến gần tâm xoay:
Khi trọng tâm khối chân đế dịch chuyển đến gần tâm xoay, sà lan tiếp tục nghiêng, nếu trọng
lượng khối chân đế đủ tạo ra góc nghiêng lớn thì một phần của khối chân đế sẽ bị ngập trong nước,
lúc này ngoài lực ma sát và trọng lượng bản thân, khối chân đế còn chịu thêm lực đẩy nổi và các
thành phần lực cản thuỷ động như sẽ trình bày trong giai đoạn 5 sau đây. Tại thời điểm bất kỳ ta có
thể xác định được các thành phần lực này, tức là sẽ xác định được quỹ đạo chuyển động của khối
chân đế.
Giai đoạn 4: Khối chân đế vừa xoay vừa trượt trên bàn xoay:
Khi trọng tâm của khối chân đế bắt đầu vượt khỏi tâm xoay thì sẽ cùng chuyển động với bàn
xoay. Lúc này trọng lượng khối chân đế sẽ dồn hết lên bàn xoay gây nghiêng cũng như tạo lực ma
sát đẩy sà lan về phía trước.
Mặt khác toàn bộ khối chân đế được đỡ bởi phần ống tiếp xúc với bàn xoay, gây ra ứng suất
tập trung lớn.
Phương trình chuyển động tịnh tiến của khối chân đế trên bàn xoay bắt đầu từ thời điểm trọng
tâm khối chân đế và khớp xoay cùng nằm trên phương thẳng đứng theo phương trình (1-2).
Phương trình chuyển động xoay của khối chân đế quanh tâm xoay được viết như sau:
)cos(sin
22
0
hkxrmgJ
kcd



(5-2)
X
Z
O

i
iikcd
mrJ
1
2

Kết hợp hai phương trình (1-2) và (5-2) ta sẽ xác định được quỹ đạo trọng tâm khối chân đế
theo thời gian.

Giai đoạn 5: Khối chân đế chuyển động trong môi trường nước:
* Xác định thành phần lực thuỷ động:
Xét một phần tử thanh chuyển động, có phần l
c
ngập dưới nước, thành phần lực thuỷ động tập trung
tại trọng tâm phần tử tính được như sau:
F
h
= F
d
+ F
a
(6-2)
Trong đó:
nncdd
vvlDCF 

2
1

Khác với phương trình Morison, do có thêm thành phần lực gây ra do sự thay đổi của khối lượng
nước kèm trong từng thời điểm:

nkn
k
nncdh
amv
dt
dm
vvlDCF 

2
1
(7-2)

* Phương trình chuyển động tổng quát sau khi rời sà lan:
F
h
+ F
o
=
am
(8-2)
Trong đó:
F
o
: tổng vec-tor các lực : bao gồm trọng lượng bản thân và lực đẩy nổi
F
h



uvuv
ppn












jaibluvuvv
jjpn

(10-2)
với a,b,c là toạ độ thành phần theo phương x, y, z của
u
.
 Tại mỗi điểm trên phần tử thanh bất kỳ  vec-tor vận tốc được xác định thông qua vận tốc tại
nút.( Chú ý là vận tốc và vận tốc góc tại trọng tâm là đã biết trước)
- Thành phần vận tốc a
j
tại điểm j được xác định như sau:
rraa
CGj


uaua
Ppn
 (13-2)

 



















y
x
Qalaa
pn 21
(14-2)




jbciaca
222
2


[Q]=


 
 













caybxbcac
laabyxbbab
lbyaabxaba
22

QFF
mvh
(15-
2)
- F
v
phụ thuộc vận tốc của F
h
, nếu thành phần F
z
không được quan tâm  Các thành phần của
lực thuỷ động có thể thay bằng momen quanh trục z là M
z 















F
F
F
F
F
F
m
zv
yv
xv
z
y
x
(16-2)
- F
xv
, F
yv
và
zv
M là thành phần lực phụ thuộc vận tốc;
- [Q
m
] đặc trưng cho thành phần lực phụ thuộc gia tốc. III. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH SACS
III-1. Giới thiệu chung về chương trình.
III-1.1 Tên và phạm vi ứng dụng.
- SACS là viết tắt của ‘’Structure Analysis Computer System’’ là một hệ thống chương trình tính

 Một sơ đồ kết cấu dạng modul ‘model’ có thể kết hợp với nhiều dạng lệnh trong ‘data file’ để
thực hiện phân tích các bào toán khác nhau.
III-1.3. Các quy ước cơ bản và giới hạn tính toán trong bài toán đánh chìm bằng sà lan:
Quy ước hệ toạ độ.
- Hệ toạ độ tổng thể gắn với mặt nước Oxz (O nằm trên mặt nước);
- Hệ toạ độ sà lan có tâm O
1
trùng với điểm đầu mút của trục mặt phẳng đáy sà lan, có trục O
1x1
//
với đáy sà lan.
O
Z
XHình 6: Hệ toạ độ sà lan.

- Hệ toạ độ khối chân đế gắn với trọng tâm khối chân đế, có tâm O
2
trùng với G
kcđ
, có trục O
2x2

vuông góc với mặt phẳng các Diafragm.
- Hệ toạ độ địa phương của bàn xoay quy ước như hình vẽ.

Z
O

- Tỷ trọng nước biển.

 TIME: Câu lệnh quản lý các thông số thời gian, bao gồm:
- Mốc thời gian dừng quá trình tính toán đánh chìm, với mặc định thời điểm ban đầu là 0. Trong
đó, quyết định tính toán dừng ở pha nào trong toàn bộ quá trình.
- Số gia thời gian trong từng pha. Pha nào chiếm thời gian dài thì lấy số gia lớn, còn pha nào
chiếm thời gian ngắn thì lấy số gia nhỏ.
 RESTART:
 JACKET: Câu lệnh khai báo vị trí tương đối của khối chân đế so với sà lan.
- Khai báo 3 điểm của khối chân đế tạo mặt tiếp xúc của nó với mặt boong.
Hình 8: Mặt phẳng tiếp xúc quy ước

- Khoảng cách từ mũi sà lan đến điểm thứ nhất ( Theo phương X);
- Độ dài của dầm trượt;
- Hướng dương trong quá trình đánh chìm.
- Tỷ trọng vật liệu các phần tử kết cấu và phi kết cấu;
- Khoảng cách từ trọng tâm khối chân đế đến trọng tâm sà lan ( Theo phương Y).
 JACKET2. AREA: Khai báo thêm các thông số của các thành phần không được mô tả trong sơ
đồ kết cấu. Ví dụ: các protector, mudmad… là các thành phần có thể tạo lực cản.
- Điểm đặc trưng cho vật thể (Gắn với một nút cụ thể của khối chân đế).
- Diện tích chắn gió theo các phương X, Y, Z.
- Các hệ số cản vận tốc và cản gia tốc.
 BARGE1: Khai báo các thông số hình học cơ bản của sà lan.
- Chiều cao của sà lan;
- Chiều rộng của sà lan;
- Chiều dài đáy của sà lan;
- Độ dài mũi, độ dài đuôi (là độ dài đại số kể từ đáy);

 WEIGHT: Khai báo trọng lượng có kể đến đẩy nổi của các thành phần phi kết cấu có tác dụng
gây tải trọng trong quá trình đánh chìm.
 FRICT: Khai báo các hệ số ma sát giữa kết cấu và sà lan, bao gồm hệ số ma sát động, và hệ số
ma sát tĩnh.
- Trong đó hệ số ma sát động được giới hạn trong khoảng hai giá trị vận tốc của khối chân đế, ví
dụ, hệ số ma sát động  = 0,05 với v1 =0 đến v2=30m/s.
 CDM: Khai báo các hệ số ma sát thuỷ động cho các tiết diện ống chìm trong nước. Thường lấy
Cd=0.8 và Cm=1.2.
(Có thể khai báo nhiều loại tiết diện bằng cách lặp lại câu lệnh này)
 GRPOV: Khai báo các đặc trưng thuỷ động trên những thành phần phi kết cấu.
- Khai báo trạng thái của các thành phần là ngập nước hay không ngập nước;
- Trọng lượng riêng của các thành phần;
- Các đặc trưng hình học của phần tử;
- Hệ số ma sát thuỷ động.
 GRPDEL: Câu lệnh xoá những nhóm phần tử nào trong mô hình kết cấu mà không hoặc chưa
có trong quá trình đánh chìm(ví dụ: thượng tầng, cọc, các thanh gia cố trong quá trình vận
chuyển…).
 CURR: Khai báo các thông số về dòng chảy.
- Vận tốc dòng chảy;
- Cao dộ so với đáy ứng với vận tốc dòng chảy;
- Hướng dòng chảy.
(Câu lệnh này có thể lặp lại nhiều lần để tạo ra profile dòng chảy theo các hướng).
 PLTGM: Định nghĩa bước thời gian để hiển thị các thông số đầu ra
 END: Câu lệnh chấm dứt quá trình tính toán.
IV. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN
IV-1. Số liệu đầu vào.
1. Số liệu về khối chân đế:


LG6
LG5
LG5

LG5
LG5
LG6
LG6
LG6

LG6
LG6

LG6
LG6
LG6
D1
D2
D3
D4
- Độ dốc trong mặt phẳng:1/8

- Kích thước tiết diện:
LG1: Ống chính: 110x3.2(cm)
LG2: Ống nhánh 1: 72x2.06(cm)
LG3: Ống nhánh 2: 66x1.2 (cm)
LG4: Ống nhánh 4: 58x1.2(cm)
LG5: Ống nhánh 5: 48x1 (cm)
LG6: Ống nhánh 6: 35.5x1 (cm)

đ
= 0.5(m/s)
Vận tốc dòng chảy mặt: V
m
=1.5(m/s)
- Độ sâu nước ở vị trí đánh chìm: 80m.
IV-2. Kết quả tính toán bằng SACS:
* Các thông số cơ bản về trọng lượng, trọng tâm, lực đẩy nổi, tâm nổi của khối chân đế và sà lan:
- Khi đánh chìm có bịt đầu ống.
- Trọng lượng KCĐ: 409.577 tấn.
- Tổng lực đẩy nổi: 523.803 tấn.

- Tâm trọng lực ( theo hệ toạ độ địa phương):








39.577mZ
0Y
0X

- Tâm nổi của phần chìm:





40.372mX
2.4mZ

- Tâm nổi ban đầu: X=40.331m
- Trọng lượng của sà lan: 8294.4 tấn;
* Chuyển vị tịnh tiến, góc xoay của khối chân đế và sà lan tại từng thời điểm.
* Vận tốc, gia tốc của khối chân đế và sà lan tại từng thời điểm.
* Lực tác dụng lên dầm trượt tại vị trí các nút liên kết.
* Góc xoay và lực tác dụng lên bàn xoay tại từng thời điểm.
Các kết quả được in ra trong phụ lục 1.
IV-3. So sánh kết quả tính toán bằng tay:
Các kết quả được in ra trong phụ lục 2.
IV-4. Kết luận- Nhận xét
1/ Do trọng lượng của khối chân đế nhỏ nên không sảy ra giai đoạn 2 là giai đoạn tự trượt bằng
trọng lượng bản thân.
2/ Tổng lực nén lớn nhất tác dụng lên bàn xoay xảy ra tại thời điểm 128s khi trọng tâm khối chân
đế và tâm xoay cùng nằm trên phương thẳng đứng là 448.93 T, góc xoay lớn nhất của bàn xoay đạt
giá trị là 27.36 ở giai đoạn 4.
Góc nghiêng lớn nhất của sà lan đạt 1.06 ở thời điểm 125.94s.
3/ Kết quả tính toán bằng bảng tính t ương đối khớp với kết quả tính bằng SACS.
4/ -Khi đánh chìm có bịt đầu bốn ống chính thì KCĐ tự nổi nằm ngang;
-Khi đánh chìm không bịt đầu bốn ống chính thì KCĐ chìm và chân KCĐ chạm đáy biển;
-Khi đánh chìm không bịt đầu một ống chính thì KCĐ tự nổi nhưng nghiêng và xoay trong nước
sao cho ống chính không bịt đầu nằm ở dưới cùng; 5/ Ảnh hưởng của dòng chảy:

PHô LôC 1: KÕT QU¶ TÝNH TO¸N B»NG PHÇN MÒM SACS 5.1 Hình 12: Trạng thái ban đầu Hình 13: Giai đoạn 1 Hình 14: Giai đoạn 3 Hình 15: Giai đoạn 4

Hình 16: Giai đoạn 5 Hình 17: Trạng thái cân bằng của
khối chân đế trong nước

Hình 18: Quỹ đạo chuyển động của sà lan và khối chân đế