ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC:
CÔNG TRÌNH BIỂN KHƠI VÀ ĐỘ TIN CẬY

Đề tài:
TÍNH TOÁN KIỂM TRA KẾT CẤU THÉP CHO GIÀN BK14

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật biển
Thực hiện: PHẠM THANH TƢ
Lớp: K53H-KTB
Mã sinh viên: 08020465
Hướng dẫn: PGS.TS. ĐÀO NHƢ MAI

HÀ NỘI – 05/2012


Mục lục
CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG ........................................................... 6
1.1. Các tiêu chuẩn thiết kế chung ...................................................................... 6
1.1.1. Tổng quát .......................................................................................... 6
1.1.2. Các điều kiện tải trọng ...................................................................... 7
1.1.3. Tải trọng thiết kế ............................................................................... 9
1.2. Cơ sở tính toán tải trọng sóng ..................................................................... 23
1.2.1. Giới thiệu sơ lược về mô hình sóng Stock bậc 5 .............................. 23
1.2.2. Phương trình Morison ..................................................................... 25
CHƢƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GIÀN BK14......................................... 28
2.1. Giới thiệu về giàn BK14 ............................................................................. 28
2.2. Mô tả kết cấu .............................................................................................. 29
2.3. Mô hình kết cấu .......................................................................................... 31

Hình 5: Mô hình kết cấu chân đế giàn khoan BK14 ............................................ 30
Hình 6: Mô hình tải trọng phần thượng tầng ...................................................... 31
Hình 7: Mô hình liên kết ngàm cứng .................................................................. 32
Hình 8: Mô hình tầng 2 ...................................................................................... 33
Hình 9: Mặt sóng tính toán ................................................................................ 36
Hình 10. Tải phân bố tuyến tính từng đoạn ........................................................ 45

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Ứng suất cho phép về kéo Ft, trượt và hệ số Cc ........................................... 38
Bảng 2. Ứng suất giới hạn ổn định đàn hồi Fxe và ngoài đàn hồi Fxc và ứng suất
cho phép về uốn Fb .................................................................................... 38
Bảng 3. Ứng suất giới hạn ổn định cột Fa và ứng suất tại thành ống fh ứng suất
giới hạn ổn định thành ống Fhe và Fhc ...................................................... 39
Bảng 4: Các số liệu đầu vào ..................................................................................... 41
Bảng 5: Các giá trị tham số hình dạng của sóng Fij ................................................. 41
Bảng 6: Các giá trị tham số tần số của sóng Cj ........................................................ 41
Bảng 7: Các giá trị tham số vận tốc của sóng Gij ..................................................... 42
Bảng 8: Số liệu nút .................................................................................................... 42
Bảng 9: Mô tả phần tử .............................................................................................. 43
Bảng 10: Tham số hình học của các loại mặt cắt ...................................................... 44
Bảng 11: Tải trọng sóng phân bố trên thanh ............................................................. 45
Bảng 12: Chuyển vị tại nút cho các trường hợp tải ................................................... 55
Bảng 13: Nội lực các thanh ....................................................................................... 67
Bảng 14: Ứng suất tại các thanh .............................................................................. 100

5


và máy bay trực thăng cất cánh và hạ cánh.
6


Các lực tác động vào kết cấu từ việc sử dụng cần cẩu trên boong. Phải xét đến các lực
liên kết tại các gối tựa của cẩu, các lực khi cẩu chuyển động cũng như tải trọng bản thân
của cẩu.
c. Tải trọng môi trường
Tải môi trường là những tải đặt lên giàn bao gồm gió, động đất, sóng, tuyết, nước, đá
và dịch chuyển của trái đất. Tải môi trường cũng bao gồm cả sự thay đổi áp lực thủy tĩnh
và lực đẩy nổi gây ra bởi thay đổi trong mực nước do sóng và thủy triều. Tải môi trường
cần được xem xét trước từ bất kỳ hướng nào, trừ khi có các điều kiện cụ thể để có một
giả thiết khác hợp lý hơn.
d. Tải trọng xây dựng
Là kết quả từ chế tạo, lắp đặt, vận tải, cài đặt và nên được xem xét trong thiết kế và
được tiếp tục quy định tại mục 1.1.4.
e. Tải trọng lắp đặt và di dời
Đối với các giàn sẽ được di dời đến các địa điểm mới, tải là kết quả từ việc loại bỏ, di
dời, nâng cấp và vận chuyển và việc cài đặt lại nên được xem xét như trong tải trọng xây
dựng.
f. Tải trọng động
Tải động là tải áp đặt lên giàn để đáp ứng với một sự kích thích có tính chất chu kỳ
hoặc để phản ứng tác động. Sự kích thích vào giàn có thể được gây ra bởi sóng, gió, động
đất, máy móc. Tác động có thể gây ra bởi một sà lan, đỗ thuyền chống lại giàn hoặc hoạt
động khoan.
1.1.2. Các điều kiện tải trọng

1.1.2.1. Tổng quan
Điều kiện tải trọng môi trường thiết kế là những lực áp đặt lên giàn bởi các yếu tố thiết
kế đã được lựa chọn; trong khi đó, điều kiện hoạt động tải môi trường là những áp lực lên

lại các kết cấu cần được xem xét. Đối với những điều kiện một sự kết hợp công suất của
các tải cố định, tải tạm thời và tải môi trường thích hợp nên được xem xét.

1.1.2.4. Tải thành phần
Mỗi bộ phận giàn nên được thiết kế để các bộ phận giàn có thể có điều kiện tải hoạt
động tối đa, có tính đến sự giãn căng cho phép điều kiện tải xử lý tình trạng giãn căng
này.
8


1.1.3. Tải trọng thiết kế

1.2.3.1. Sóng
a. Khái niệm chung
Tải trọng sóng trên một giàn là hiện tượng cơ bản trong tự nhiên. Đối với độ sâu thiết
kế hầu hết các nước hiện nay gặp phải, những tải có thể được thấy đầy đủ và tương
đương trạng thái tĩnh của nó. Đối với vùng nước sâu hơn hoặc nơi giàn có xu hướng linh
hoạt hơn, sự phân tích trạng thái tĩnh có thể không đầy đủ mô tả những sự thật tải trọng
động gây ra trong giàn. Phân tích đúng của các giàn như vậy đòi hỏi phân tích một tải có
liên quan đến sự hoạt động cơ bản của kết cấu.
b Phân tích sóng tĩnh
Trình tự các bước trong việc tính toán xác định làn sóng tĩnh lực trên một giàn cố định
(bỏ qua phản ứng cơ bản của giàn và biến dạng của sóng tới giàn) được hiển thị đồ họa
trong hình 2.3.1-1. cho một hướng sóng nhất định, bắt đầu với các đặc điểm kỹ thuật của
chiều cao sóng thiết kế và thời gian sóng liên quan, bão, độ sâu của nước, và dữ liệu
dòng. Giá trị của các tham số vùng biển này (U.S) được quy định trong mục 2.3.4. tính
toán lực sóng theo các bước sau:
Xác định chu kì sóng thực, tính toán có kể đến hiệu ứng Doppler của sóng dòng.
Xác định chuyển động sóng hai chiều theo một lý thuyết sóng thích hợp cho các sóng
với chiều cao sóng đáng kể, đô sâu nước biển, dòng chảy và chu kì sóng thực.

xác định Tapp.
2. Sóng chuyển động hai chiều. Đối với các Tapp sóng thời gian rõ ràng, quy định chiều
cao sóng H, và chiều sâu nước mưa d, chuyển động sóng hai chiều thường xuyên có thể
được tính bằng cách sử dụng thứ tự thích hợp chức năng lý thuyết sóng. Trong nhiều
trường hợp, lý thuyết sóng Stokes bậc 5 sẽ đưa ra sự chính xác chấp nhận được. Hình 1-1
Atkins (1990) cho thấy các khu vực áp dụng của V Stokes và yêu cầu khác nhau của các
giải pháp chức năng suối trong H/gTapp2, d/gTapp2 máy bay. Lý thuyết sóng khác, chẳng
hạn như giải pháp mở rộng vận tốc được chọn.
3. Yếu tố chuyển động sóng. Sóng hai chiều thường xuyên chuyển động từ chức năng
chảy hoặc lý thuyết sóng Stokes bậc 5 không tính đến hướng lan truyền sóng hoặc sự bất
thường trong hình dạng dữ liệu sóng. Những đặc tính sóng có thể được xác định mô hình
làn sóng phân tích bằng cách nhân tốc độ ngang và gia tốc từ một yếu tố chuyển động
sóng thường xuyên. Làn sóng chuyển động đo hỗ trợ trong phạm vi từ 0,85 đến 0,95 bão
nhiệt đới và từ 0,95 tới 1,00 cho các cơn bão nhiệt đới.
10


Giới hạn sóng đổ
vùng nước sâu
H/d=0,14

Sóng Stocks5 hay
Hàm dòng (3)

Giới hạn sóng đổ
vùng nước nông
H/d=0,78

Sóng Eiry hay
Hàm dòng (3)

trong đó

d= độ sâu mực nước bão

6. Mức tăng nước biển. Tất cả các cơ cấu bộ phận, người hướng dẫn và phụ kiện phải
được tăng lên trong khu vực mặt cắt ngang chiếm độ dày gia tăng mực nước biển. Ngoài
ra, các yếu tố với mặt cắt tròn nên được phân loại là một trong hai “nhẵn" hoặc "thô" tùy
thuộc vào mức tăng mực nước biển dự kiến đã tích lũy tại thời điểm trường hợp tải.
7. Hệ số cản và hệ số Quán tính. được thảo luận chi tiết trong các mục. Điển hình đối
với trường hợp thiết kế, lực tác động lên giàn do sóng có thể được tính toán sử dụng toàn
bộ các giá trị sau cho thanh hình trụ tròn:
Trơn Cd = 0,65, Cm = 1,6
Thô

Cd = 1.05, Cm = 1,2

Những giá trị này thích hợp đối với trường hợp của một dòng ổn định với những con
sóng không đáng kể hoặc trường hợp của các sóng lớn Umo Tapp / D> 30. Ở đây, Umo là
hạt ngang tối đa vận tốc tại cơn bão có nghĩa là mực nước dưới đỉnh sóng từ lý thuyết
sóng chuyển động hai chiều, Tapp là giai đoạn sóng rõ ràng, và D là chân giàn, đường kính
bão có nghĩa là mực nước. Đối với các trường hợp sóng chiếm ưu thế với Umo Tapp / D

V = thể tích của mỗi đơn vị chiều dài ống trụ (= ΠD2 / 4 cho hình trụ tròn), ft2 (m2),

13


Lưu ý rằng phương trình Morison, như đã nói ở đây, bỏ qua thành phần đối lưu của gia
tốc trong việc tính toán lực quán tính. Nó cũng bỏ qua lực nâng, lực vỗ và các lực trục
Froude-Krylov.
Khi kích thước của một kết cấu chính hoặc cấu kiện đủ lớn so với bước sóng, xuất
hiện sự tán xạ của sóng, hoặc nhiễu xạ. Chế độ nhiễu xạ thường được coi là xảy ra khi
các phần tử có chiều rộng vượt quá 1/5 chiều dài sóng tới. Nên sử dụng lý thuyết nhiễu
xạ, tính toán áp lực tác động lên kết cấu do sóng cả sóng tới và sóng phân tán để xác định
lực sóng thay vì các phương trình Morison. Tùy thuộc vào đường kính của nó, thung khí
nén có thể được trong chế độ nhiễu xạ, đặc biệt đối với các trạng thái biển thấp hơn kết
hợp với điều kiện mỏi.
11. Lực tổng thể tác động lên công trình. Tổng lực cắt và mô men trượt được tính toán
bằng phép cộng vector (a) lực cản và quán tính do sóng và dòng, (b) hệ số động của lực
sóng và dòng, và lực gió (c) trên các phần tiếp xúc của kết cấu. Các lực vỗ có thể được bỏ
qua bởi vì nó gần như thẳng đứng. Lực nâng có thể được bỏ qua bởi vì nó không phải là
tương quan từ bộ phận này đến bộ phận khác. Lực dọc trục Froude-Krylov cũng có thể
được bỏ qua. Nên xét đỉnh sóng tại vị trí tương đối so với kết cấu để tổng lực cắt và mô
men lật có giá trị tối đa. cần nhớ rằng: (a) lực cắt tối đa không có thể xảy ra tại cùng một
vị trí sóng như mô men lật tối đa, (b) đặc biệt trường hợp của sóng với độ dốc thấp và
dòng đối nghịch, lực cực đại có thể xây ra ở gần đáy sóng chứ không phải là gần đỉnh
sóng và (c) ứng suất phần tử đạt cực đại tại những vị trí không phải là vị trí sóng gây ra
lực tổng thể kết cấu cực đại.
12. Thiết kế cấu kiện địa phương. bộ phận nhỏ là do cả thủy động lực học và tải trọng
chuyển từ phần còn lại của kết cấu. Lực tại bộ phận tạo ra bao gồm không chỉ kéo và các
lực lượng quán tính theo mô hình phương trình Morison (Eq. 2.3.1-1), mà còn nâng lực
lượng, trục Froude-Krylov lực lượng, và nổi và trọng lượng. Ngang thành viên gần cơn

Bước 2: Xác định lý thuyết sóng thích hợp đối với chiều cao sóng nhất định, với độ
sâu nước biển khi có bão và chu kỳ sóng có thể. Theo quy phạm Mỹ ta xác định vùng áp
dụng sóng theo biểu đồ C3.2-3 trong quy phạm. Khi chọn được lý thuyết sóng thích hợp
tính toán vận tốc và gia tốc hạt nước tại điểm ta cần tìm cường độ phân bố của lực sóng
Bước 3: Vận tốc và gia tốc ngang của hạt nước tính được trong bước 2 cần được nhân
với hệ số động học, để kể đến sự tản hướng của sóng.
Trong quy phạm của Hoa Kỳ khuyến nghị dùng hệ số động học là 0.85
Bước 4: Xác định hệ số chắn dòng của công trình. Đối với giàn đứng tự do thì có thể
lấy hệ số chắn dòng là 1.
Bước 5: Dòng chảy được tổ hợp với sóng để xác định vận tốc và gia tốc của hạt nước
trong phương trình Morison's
Với trường hợp mặt cắt dòng chảy là tuyến tính và gốc toạ độ tại đáy biển (zđáybiển=0)
ta tính thành phân vận tốc hạt nước do dòng chảy tại một điểm với toạ độ z bất kỳ bằng
công thức:
v( z )  vd¸y  vmÆt  vd¸y 

z
d

15


Vận tốc dòng chảy được cộng với thành phần ngang của vận tốc hạt nước đã tính toán
ở bước 2 và đã nhân với hệ số động học ở bước 3
Bước 6: Tăng kích thước của các phần tử để kể đến hà bám.
Khuyến nghị của quy phạm của Hoa Kỳ cho vùng vịch Mexico lớp hà bám lấy 38mm.
Do không có số liệu cụ thể về hà bám của các giàn trên vùng biển nước ta. Tham khảo
một số tài liệu khảo sát tại các dàn DK bằng thép cho ta các số liệu hà bám từ 15mm34mm. Tạm lấy bằng 38mm cho tính toán tải trọng thiết kế như đã khuyến nghị trong
quy phạm của Hoa Kỳ
Bước 7: Các hệ số cản Cd và hệ số quán tính Cm dùng trong phương trình Morison

sửa đổi vào tài khoản cho vận tốc tương đối bằng cách sau đây thay thế trong thời hạn có
hiệu lực kéo:
thay thế

U | U | bởi

(U – )|U– |

= thành phần của kết cấu vận tốc bình thường.trục của thành viên, ft / giây (m/s)
U = định nghĩa cho phương trình (1).
Các lực lượng chất lỏng liên quan với gia tốc giàn chiếm khối lượng tăng thêm.
6. Kết cấu mô hình hóa. Mô hình động của giàn cố định phản ánh các thông số phân
tích quan trọng của khối lượng, giảm xóc, và cứng khớp. Khối lượng nên bao gồm các
giàn thép, tất cả vật phụ, người chỉ huy, và tải boong, khối lượng của nước kèm theo
trong các thành viên hình ống ngập nước, khối lượng của tăng trưởng hàng hải dự kiến sẽ
tích lũy trên kết cấu và khối lượng gia tăng của các thành viên ngập nước, chiếm thành
viên có đường kính tăng do để biển tăng trưởng. Tương đương giá trị nhớt giảm xóc có
thể được sử dụng thay cho xác định rõ ràng của các thành phần giảm xóc. trong trường
hợp không có thông tin đáng cho các giá trị giảm xóc cho một kết cấu cụ thể, một giá trị
giảm xóc 2-3% quan trọng để phân tích sóng cực và hai phần trăm của quan trọng để
phân tích mệt mỏi có thể được sử dụng. Các mô hình phân tích bao gồm độ cứng đàn hồi
của giàn và phản ánh sự tương tác kết cấu / cơ sở. Nó có thể là thích hợp để xem xét một
giàn cứng phân tích mệt mỏi hơn so với phân tích sóng phản ứng cực đoan.
7. Phân tích phương pháp. Thời gian lịch sử phương pháp động phân tích được ưa
thích để dự đoán làn sóng cực đoan phản ứng của các giàn mẫu, kết cấu tối thiểu, và
guyed tháp bởi vì các kết cấu này thường kéo lực lượng thống trị. Độ cứng hệ thống phi
tuyến cũng chỉ ra miền thời gian phân tích cho tháp guyed. Tần số phương pháp miền có
thể được sử dụng để đáp ứng cơn sóng dữ phân tích để tính toán các yếu tố khuếch đại
động để kết hợp với tải trọng tĩnh, cung cấp tuyến tính kéo lực lượng có thể được biện
17

cao z (ft) trên mực nước biển ( Trang 19) tương ứng với một khoảng thời gian trung bình
t (s) [nơi t 3.600 giây ] được cho bởi:
18


(2)
giờ có nghĩa là U tốc độ gió U(z) (ft / s) ở mức z (ft) cho bởi:
(3)

và cường độ bất ổn Iu (z) ở cấp độ z được cho bởi:
(4)
U0 (ft / s) là tốc độ gió trung bình 1 giờ ở 32,8 ft.
2. Gió Spectra. Đối với kết cấu và các yếu tố kết cấu cho hành vi gió động có tầm quan
trọng, sau đây 1 điểm phổ gió có thể được sử dụng cho năng lượng mật độ biến động tốc
độ gió theo chiều dọc.
S( f ) 

3444 x(

Uo 2
z
) x(
)
32.8
32.8
~n ( 5 )
3n

(1  f )


với động phân tích của một số substructures, nó có thể có lợi cho tài khoản cho mạch lạc
ít hơn ở tần số cao hơn.ình tương quan giữa mật độ năng lượng quang phổ biến động tốc
độ gió theo chiều dọc của tần số f giữa 2 điểm trong không gian được mô tả trong điều
khoản của điểm 2 sự gắn kết quang phổ. Phổ đề nghị gắn kết giữa 2 điểm:
• ở mức z1, z2 trên bề mặt nước biển
• với các vị trí trên-gió y1 và y2 (ft)
• với các vị trí dọc theo gió x1 và x2 (ft).
được cho bởi:
(7)
trong đó:
Ai  i x f ri x Z -p
g i

(8)

zg=

Tốc độ gió
Kéo lực gió trên một đối tượng nên được tính như sau:
F = (ρ/2)u2 CsA

(9)

Tại
F = lực lượng gió
ρ = mật độ của không khí, (slug/ft3, 0,0023668 slugs/ft3 tiêu chuẩn nhiệt độ và áp suất),
μ = tốc độ gió (ft / s)
20





1.1.3.3. Dòng
a. Tổng quan
Như được mô tả trong 1.2.5, hiện nay tổng số là tổng vector của thủy triều
circulational, cơn bão tạo ra dòng điện. tầm quan trọng tương đối của các thành phần này,
và do đó tầm quan trọng của nó cho tính toán tải, thay đổi theo vị trí ngoài khơi. Dòng
thủy triều thường yếu trong nước sâu quá khứ kệ phá vỡ. Họ thường mạnh mẽ hơn trên
lục địa rộng kệ hơn trên kệ dốc, nhưng hiếm khi vượt quá 1 ft / s (0,3 m / s) dọc theo bờ
biển mở. Dòng thủy triều có thể được củng cố bằng cách bờ biển hoặc dưới cùng cấu
hình như các dòng thủy triều mạnh mẽ có thể tồn tại trong đầu vào nhiều và ven biển khu
vực, ví dụ như giá trị bề mặt của khoảng 10 ft / s (3 m /s) có thể xảy ra trong Vịnh Nấu.
Circulational dòng tương đối ổn định, tính năng quy mô lớn lưu thông đại dương nói
chung. Ví dụ như Vịnh Dòng trong Đại Tây Dương và dòng các vòng trong Vịnh
Mexico, nơi vận tốc bề mặt có thể được trong phạm vi khoảng 3-6 ft / s (1-2m/s). Trong
khi tương đối ổn định, các tính năng lưu thông có thể đi lang thang và liên tục vỡ ra từ
các tính năng lưu thông chính để trở nên lớn quy mô xoáy hoặc vòng sau đó trôi dạt một
vài dặm mỗi ngày. Vận tốc xoáy hoặc vòng có thể tiếp cận. tính năng lưu thông chính.
Những tính năng lưu thông và liên kết xoáy xảy ra trong vùng nước sâu ngoài phá vỡ kệ
và thường không ảnh hưởng đến các trang web có độ sâu ít hơn khoảng 1000 ft (300 m).
Dòng cơn bão tạo ra được gây ra bởi sự căng thẳng gió và Gradient áp suất khí quyển
trong suốt cơn bão. Dòng tốc độ là một chức năng phức tạp của sức mạnh bão và đặc
điểm khí tượng, độ sâu và cấu hình bờ biển, và nước mật độ hồ sơ cá nhân. Trong nước
sâu dọc đường bờ biển mở, bề mặt dòng cơn bão có thể được ước tính khoảng Để có tốc
độ lên đến 2-3% một giờ duy trì tốc độ gió trong các cơn bão nhiệt đới và cơn bão và lên
đến 1% của tốc độ gió duy trì một giờ trong mùa đông bão hoặc lốc xoáy khu vực nhiết
đới. Khi cơn bão phương pháp tiếp cận nước nông và bờ biển, tăng cơn bão và dòng có
thể tăng lên.
b. Dữ liệu dòng
Một dữ liệu hội đủ tiêu chuẩn chuyên môn nên xác định các biến thể tốc độ dòng và


(10)

ở đây:
F1  a; F2  a 2 F22  a 4 F24 ;

(11)

F3  a3 F33  a5 F35 ; F4  a 4 F44 ; F5  a 5 F55 .

Các hệ số F22, F24, F33, F35, F44, F55 là các tham số hình dạng của sóng phụ thuộc vào
kd. Tham số chiều cao sóng a, liên quan với các hệ số Fij qua quan hệ
kH  2. a  a3 F33  a5  F35  F55 

(12)

23


Giá trị của các hệ số F được tính cho các giá trị khác nhau của

d





kd
, và các giá trị
2

1  a 2C1  a 4C2  tanh 


2
  

(15)

Biểu thức của các thành phần vận tốc của hạt nước với tọa độ (x,z) tại thời điểm t có
dạng


n

cosh nkz
cos n  kx  t 
sinh nkd
n 1
 n
sinh nkz
vz   Gn
sin n  kx  t 
k n 1 cosh nkd
vx 

G
k

n


U n  Gn

cosh nkz
sinh nkz
,Vn  G
sinh nkd
sinh nkd

(19)

24


sau một số biến đổi lượng giác ta có biểu thức của các thành phần gia tốc của hạt nước
có tọa độ (x,z) tại thời điểm t
ax 

kc 2
2

n

R

n

n 1

kc 2
az  


và
S0  2 U1V1  2U 2V2 
S1  2V1  3U1V2  3U 2V1  5U 2V3  5U 3V2
S2  4V2  4U1V3  4U 3V1

(22)

S3  6V3  U1V2  U 2V1  5U1V4  5U 4V1
S4  8V4  2U1V3  2U 3V1
S5  10V5  3U1V4  3U 4V1  U 2V3  U 3V2

1.2.2. Phƣơng trình Morison
Đối với các phần tử có đường kính đủ nhỏ (D/