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 5.2.4. Bài toán tĩnh của dây neo khi điểm liên kết A di chuyển 5.3. Tính toán dây neo nhiều phía (BT không gian) 5.3.1. Trường hợp tổng quát 5.3.2. Trường hợp kết cấu nổi được giữ bằng cặp 2 dây neo đối diện

5.5. Hệ số an toàn khi thiết kế hệ thống dây neo CTB bán chìm 6. Kiểm tra độ bền của hệ thống dây neo công trình biển bán chìm

2

CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM

(Semi-submersible/ Semi-FPU)

1. Khái niệm

Công trình biển bán chìm Semi-FPU: Semi-Submersible Production Unit 1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm

Trên hình 2.2 biểu diễn cấu tạo chung của công trình biển bán chìm bằng thép.

Hình 2.1. Hình ảnh công trình biển bán chìm đang khai thác

1

3

7

6

22

3

1

44

1058

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.

4

Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn giữ ở trạng thái thẳng đứng. Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các vị trí khác nhau. Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh của những thùng chìm. Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng tính ổn định.

Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng 180 đến 1800 m). Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000 feet (khoảng 2438m).

Hình 2.3. Các công trình biển bán chìm cho vùng nước sâu (Semi-FPSs).

Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão.

1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm Công trình biển bán chìm có các đặc điểm chính sau. 1) Nguyên lý kết cấu : - Là kết cấu tự nổi - Được giữ cố định tại vị trí làm việc bằng kết cấu neo giữ gồm các dây neo và neo - Có thể tự di chuyển thay đổi vị trí hoặc phải nhờ tàu kéo hỗ trợ

5

2) Vật liệu chế tạo: Các công trình biển bán chìm được chế tạo bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép 3) Đặc điểm thi công: Dù là công trình bằng thép hay bằng bê tông cốt thép, công trình biển bán chìm đều 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 ''

2

14

, 2 ống chứa cáp điện sử dụng cho các phương tiện liên lạc. Tất cả các ống này được nối với giếng khoan dầu tại mỏ.

1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm

Các bài toán đặc biệt cần quan tâm: tương tác giữa sóng và các cột kích thước lớn cùng các thanh giằng kích thước nhỏ, sự chịu lực của các dây neo. Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm trong trường hợp tổng quát là bài toán phi tuyến do có sự thay đổi phi tuyến hình học của dây neo trong quá trình công trình dịch chuyển dưới tác động của lực môi trường, và khi tính toán công trình nổi được coi là một vật thể đàn hồi được liên kết với nền đất bằng dây neo và neo. Bài toán được xét cho cả 2 trường hợp bài toán tĩnh (tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh hoặc tựa tĩnh) và bài toán động (tải trọng tác dụng là tải trọng động), nhằm xác định chuyển vị của dây neo và trong kết cấu. Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm có thể giải theo 2 mô hình: - mô hình tuyến tính hoá, hoặc - xét sự làm việc đồng thời của công trình biển nổi và dây neo. Việc xem xét bài toán động lực học theo mô hình thứ hai cho phép mô tả sát sự làm việc của công trình nhưng có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn và phải sử dụng các chương trình chuyên dụng (ví dụ, chương trình ARIANE của Pháp). Có hai bài toán cơ bản sau trong tính toán thiết kế công trình biển bán chìm: Bài toán 1: Bài toán thiết kế công trình nổi (lựa chọn kích thước cơ bản, chọn quy cách kết cấu, kiểm tra bền, tính toán ổn định tĩnh và ổn định động của công trình). Khi kiểm tra bền công trình nổi được coi là vật thể đàn hồi, sau khi xác định được nội lực 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. 2) Hầm xích neo : là thùng dùng để chứa dây neo (xích neo) 3) Hãm cáp neo : thiết bị dùng để hãm dây neo sau khi thả neo hoặc giữ ở vị trí lỗ thả neo khi di chuyển công trình 4) Lỗ thả neo : là vị trí để đặt neo khi di chuyển công trình và hướng cho dây neo khi thả neo và neo tại chỗ. 5) Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi

8

với neo ở đáy biển. 6) Neo

Neo làm nhiệm vụ giữ dây neo cố định với nền đất.

2.1.2. Các loại dây neo

Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi với neo ở đáy biển. - Dây cáp cấu tạo từ lõi bằng các sợi thép, có 6 bó sợi thép (mỗi bó gồm 19 hoặc 36 sợi) cuốn xung quanh (Hình 2.6).

Hình 2.6. Dây cáp neo lõi thép (Loại 6 bó-19 sợi và 6 bó-36 sợi)

Đầu dây cáp neo có kết cấu sau để liên kết với neo (Hình 2.7):

Hình 2.7 Chi tiết đầu dây cáp neo

- Dây xích có 2 loại : + loại với mắt xích không có ngáng (hình 2.8-c) + loại xích với mắt xích có ngáng (hình 2.8-a, b)

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 FR. 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

1570 N/mm2 Loại thép 1770 N/mm2

6 bó 19 sợi/bó

24 26 28 30

323 379 440 505

364 428 496 569

2,4 2,8 3,3 3,8

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

Hình 2.11-b Neo mỏ có cơ cấu thăng bằng

12

Các loại neo mỏ (neo bừa) được nêu trên hình 2.12 dưới đây:

Hình 2.12 Các loại neo mỏ (neo bừa)

Quá trình neo mỏ cắm vào nền đất khi chịu lực như sau:

Hình 2.13 Quá trình cắm neo

13

Việc lựa chọn loại neo và kích thước neo phải đảm bảo khả năng giữ của neo (anchor

holding capacity) Hmax: H*FSHMax

trong đó: FS - hệ số an toàn, phụ thuộc vào loại neo; H - lực ngang tác dụng lên xích neo

. Neo mút : Một loại neo khác được sử dụng để neo giữa công trình nổi ở vùng biển có độ sâu nước

lớn là neo mút (Hình 2.14). Hình ảnh một neo mút được trình bày trên hình 2.15:

Hình 2.14: neo mút

Hình 2.15 Neo mút trên bãi chế tạo

14

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.

15

Hình 2.16. Các dạng hình học của đường dây neo

Dạng 1. Đường dây neo hoàn toàn chùng không có lực căng tác dụng lên dây neo, lực căng ngang TH = 0.

Dạng 2. Đường dây neo không bị căng, dây neo thoải, có 1 đoạn tiếp xúc với đất với chiều dài là D.

Dạng 3. Đường dây neo căng tới hạn (D=0). Khi lực ngang tăng, điểm dây neo tiếp xúc với đất tiến gần đến vị trí của neo. Góc tiếp xúc giữa dây và đất ở đầu neo bằng 0.

Dạng 4. Dạng hình học của dây có độ căng lớn. Góc của tiếp tuyến với đường dây neo tại vị trí neo >0.

Dạng 5. Dây neo bị căng hoàn toàn. Lực tác dụng lên kết cấu là lớn.

Dạng 3 là dạng cơ bản của đường dây neo. Trong thiết kế cố gắng tránh 2 trường hợp 4 và 5, vì neo làm việc ở trạng thái bất lợi. Cần thiết kế sao cho khi làm việc neo chỉ chịu lực ngang T0 (T0710 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.

a) Điều kiện để công trình biển hoạt động bình thường

Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường là điều kiện xảy ra nhiều nhất về mặt

thống kê. Trong điều kiện bình thường, tất cả các hoạt động sản xuất diễn ra một cách an toàn tại mỏ.

Giá trị thông số của môi trường là hàm mật độ xác suất của một thông số nào đó (ví dụ, gió hoặc sóng).

Hàm phân phối xác suất của một sự kiện xảy ra trong khoảng (x1, x2) được xác định theo công thức sau:

2

1

x

x

dx)x(fS

trong đó: f(x) mật độ xác suất; (x1, x2) khoảng xét của thông số x đang xét S hàm phân phối xác suất

17

Điều kiện môi trường bình thường được coi là điều kiện với xác suất xảy ra là 95% hoặc 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.

Trong điều kiện cực trị : . Đối với neo “thường xuyên” (neo giữ dàn bán chìm khai thác, kho chứa nổi, ...): mọi

hoạt động công nghệ tạm dừng, cần hạn chế sự trôi dạt của công trình. . Đối với neo “tạm thời”: cần phải xác định 2 giá trị liên quan đến điều kiện khai thác.

- đến ngưỡng xác suất 5%: công trình nổi hoạt động bình thường, ví dụ, sà lan công tác vẫn ở tại vị trí làm việc; không tháo ống chống của dàn khoan nổi… Cần hạn chế sự trôi dạt của các công trình.

- đến ngưỡng xác suất 1%: công trình nổi ở trong điều kiện sống còn, tháo ống

18

chống khỏi công trình, sà lan công tác rời xa vị trí làm việc, không cần hạn chế sự trôi dạt của công trình. c) Điều kiện sống còn sau khi 1 dây neo bị đứt

Trong điều kiện cực trị khi có 1 dây neo bị đứt thì công trình ở trong tình trạng sống còn. Khi đó :

- ngừng mọi hoạt động của mọi loại công trình - tháo ống chống đối với dàn khoan hoặc dàn sản xuất

3.2. Tác động của gió

3.2.1. Đặc trưng của gió

Có 2 cách mô tả gió: + Mô hình tiền định: đặc trưng bởi vận tốc gió trung bình và vận tốc gió giật xét trong một khoảng thời gian nào đó (thường là 10 phút hay 1 giờ); + Mô hình ngẫu nhiên: gió được đặc trưng bởi phổ năng lượng.

Trong tính toán công trình biển bán chìm, do chuyển động có quán tính của kết cấu nổi và của khối lượng nước kèm hấp thụ lực tác dụng của gió giật, nên tác dụng của gió lên kết cấu nổi truyền sang dây neo được coi là lực tựa tĩnh.

a) Đo vận tốc gió 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

zV.V 1tz (2.1)

trong đó : Vtz vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z mét ; z độ cao (mét) tính từ mặt nước biển ; V1 vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 1h ở độ cao 10 mét so với mặt nước biển ;

19

số mũ, phụ thuộc thời gian tính toán vận tốc gió trung bình; - hệ số gió giật. Các hệ số và được cho trong bảng 2.2-a.

Bảng 2.2-a. Hệ số và để tính toán profil vận tốc gió Hệ số Thời gian tính toán vận tốc gió trung bình

1h 10' 1' 15s 5s 3s 1,00 1,06 1,18 1,26 1,31 1,33 0,15 0,13 0,113 0,106 0,102 0,10

c) Phổ của gió Phổ của gió được xác định theo công thức sau:

6

52

21

)f~

2(

f~

f

1KV4)f(S

(2.2)

trong đó:

1V

L.ff~ tần số không thứ nguyên

S mật độ áp lực gió (m2/Hz) f tần số (Hz) L chiều dài qui chiếu (m) K hệ số ma sát V1 vận tốc gió xác định theo mục b) nêu trên Tuỳ theo điều kiện từng vùng biển, có thể sử dụng các công thức phổ gió khác. Chiều dài L trong trường hợp chung được lấy L=1800m. Hệ số K được lấy như sau: K=0,0020 đối với biển động K=0,0015 đối với biển bình thường

3.2.2. Lực gió

Lực gió tác dụng lên kết cấu phụ thuộc vào hình dáng của kết cấu. Có 3 loại mô hình kết

cấu được sử dụng để tính toán lực gió như sau : a) Kết cấu gồm các phần tử (ví dụ, công trình biển thép Jacket) : để tính toán lực gió tác dụng lên công trình có thể tách kết cấu ra thành các phần tử có dạng hình học đơn giản; lực gió được tính toán cho từng phần tử kết cấu có kể đến hệ số cản tương ứng với hình dạng phần tử kết cấu và được tổng hoá cho toàn bộ công trình.

20

b) Kết cấu khối lớn (tàu thủy, bể chứa nổi,...) : lực gió được xác định bằng các công thức tổng quát. c) Kết cấu hỗn hợp gồm kết cấu khối lớn và kết cấu có thể chia ra thành các phần tử kết cấu (ví dụ, dàn khoan bán chìm, tàu khoan có tháp khoan phía trên) : lực gió được tính toán theo 2 trường hợp nêu trên. Trường hợp cần thiết, để xác định lực gió cần phải thử nghiệm mô hình trong ống thổi khí động lực học. a) Lực gió tác dụng lên kết cấu gồm các phần tử kết cấu hình dạng đơn giản

Lực gió tác dụng lên phần tử kết cấu có hình dạng đơn giản được xác định theo công thức sau :

2tzw VAC

2

1F (2.3)

trong đó:

- khối lượng riêng của không khí ( 3m/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; Vtz- 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:

tze

V.DR (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)

- hệ số nhớt động học của không khí )s/m(10.46,1 25 ở nhiệt độ C15t oo . Bảng 2.2-b cho giá trị hệ số cản vận tốc ( C ) của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt ngang đơn giản. Đối với các phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn thì hệ số cản vận tốc (C) được tính toán theo công thức sau:

C = k . C (2.6)

trong đó: C - hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt ngang đơn giản (bảng 2.2-b);

21

Bảng 2.2-b. Các hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt

ngang đơn giản Tiết diện Sơ đồ C

Tròn 0,6

Chữ I đứng 1,6

Chữ I ngang 1,9

Chữ nhật ngang 0,75

Chữ nhật đứng 2,1

Hình vuông 2,0

Hình vuông xoay 1,5

k - hệ số qui đổi (cho trong bảng 2.2c), là hàm số phụ thuộc vào:

LD

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 0,99 1,0 1,0 2 Tấm phẳng vuông góc

với hướng gió

0,62

0,66

0,69

0,81

0,87

0,90

0,95

1,0 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 :

2tz1w VAC

2

1F (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

5e 10.2,4R 5

e 10.2,4R 0,1 1,9 1,2 0,7 0,2 1,8 1,2 0,8 0,3 1,7 1,2 0,8 0,4 1,7 1,1 0,8 0,5 1,6 1,1 0,8

0,75 1,6 1,5 1,4 1,0 2,0 2,0 2,0

- hệ số đậm đặc, được tính theo công thức sau :

A

AN

1ii

(2.8)

Ai diện tích hình chiếu mặt chắn gió của phần tử kết cấu thứ i lên mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi A - diện tích hình chiếu của hình bao các phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi

23

tzV - 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) wF - 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

Hệ số khoảng cách

Giá trị hệ số tương ứng với một giá trị của hệ số cho dưới đây

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1 1,0 0,96 0,90 0,80 0,68 0,54 0,44 0,37 2 1,0 0,97 0,91 0,82 0,71 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 0,59 0,54 5 1,0 0,98 0,94 0,88 0,80 0,71 0,64 0,66

Các đại lượng trong bảng 2.2-e: hệ số khoảng cách được tính như sau: khoảng cách giữa các trục phần tử nằm trùng với hướng gió

24

= khoảng cách giữa các trục phần tử nằm vuông góc với hướng gió - hệ số đậm đặc khí động lực học, a . - 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.AVC

2

1F

222

xw

(2.10)

trong đó: Cx - hệ số cản vận tốc phụ thuộc góc . - góc tới của gió so với trục dọc của tàu - khối lượng riêng của không khí V- vận tốc gió tại vị trí trọng tâm của hình chiếu diện tích bề mặt hứng gió lên mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi; - góc giữa hướng tác dụng của lực gió so với trục dọc của tàu (trường hợp tổng quát = )

Hình 2.20. Các mặt đón gió của tàu

A - diện tích hình chiếu phần kết cấu thân tàu nằm phía trên mặt nước lên mặt phẳng đứng dọc thân tàu (A = AC + AS) B = Bs + 0,3.Bc Bs diện tích hình chiếu kết cấu thượng tầng của tàu (phần kết cấu nằm phía trên boong chính) lên mặt phẳng đứng vuông góc với trục dọc thân tàu; Bc diện tích hình chiếu của phần thân tàu nằm giữa đường mặt nước và boong chính lên mặt phẳng đứng vuông góc với trục dọc thân tàu;

AcBc

BsAs

hướng gió

y

y

x

x

z

25

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

Hình 2.21. Hệ số cản Cx 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 :

V(z) = Vtriều(z) + Vgió(z) (2.11)

trong đó: . Vận tốc dòng chảy do triều :

Vtriều(z) = Vtriều 7

1

)d

zd(

đối với 0z (2.12)

. Vận tốc dòng chảy do gió :

0)z(Vgiã khi odz (2.13-a)

)d

zd(V)z(V

o

ogiãgiã

khi odz0 (2.143-b)

với Vtriều vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do triều gây ra Vgió vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do gió gây ra

26

d - độ sâu nước m50do theo Qui phạm DnV z - khoảng cách tính từ mặt nước biển, m

Trong các công thức trên, vận tốc

dòng chảy được tính toán trong hệ toạ độ oxyz có mặt phẳng oxy trùng với mặt nước tĩnh, trục z hướng lên trên (Hình 2.22).

Vận tốc dòng chảy do gió V(z) phụ thuộc vào thời gian gió thổi và độ sâu nước.

Hình 2.22. Vận tốc dòng chảy

3.3.2. Lực dòng chảy tác dụng lên kết cấu hình dạng đơn giản

Fc =2

1 ..C.A.sin.Vc2 (2.14)

trong đó: Fc - lực dòng chảy đặt tại trọng tâm phần diện tích bề mặt phần tử kết cấu nằm trong nước. - khối lượng riêng của nước A - hình chiếu diện tích bề mặt ướt của phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với phương của dòng chảy C - hệ số cản vận tốc (lấy tương tự như đối với gió) - góc hợp bởi hướng của vận tốc dòng chảy và trục của phần tử kết cấu Vc - vận tốc dòng chảy tại trọng tâm của diện tích hình chiếu mặt ướt của kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với hướng của dòng chảy. 3.3.2. Lực dòng chảy tác dụng lên kết cấu dạng khối lớn

Công trình nổi như sà lan, tàu thuỷ, tàu khoan là những kết cấu dạng khối lớn. Lực dòng chảy tác dụng lên kết cấu dạng khối lớn gồm 2 thành phần :

- lực cản hình dáng : là lực tác dụng lên bề mặt ướt của kết cấu nổi vuông góc với hướng của dòng chảy

- lực ma sát bề mặt : là lực liên quan đến ma sát trên bề mặt ướt của kết cấu nổi có phương song song với phương dòng chảy ;

được tính theo công thức sau :

Fc = 2

1 .. Vc2 (3.10-3.Am + 1,2.Ap) (2.15)

27

trong đó: Am - tổng diện tích bề mặt ướt của kết cấu nổi

Ap - diện tích phần hình chiếu của Am lên mặt phẳng vuông góc với hướng của dòng chảy.

Lực dòng chảy tác dụng lên một số công trình nổi (kN) được cho trong bảng dưới đây :

TT Vận tốc dòng chảy V (m/s) 0,5 1 2 1 Tàu 2000T

(dòng chảy ngang thân tàu) 30,0 120 480

2 Tàu 10000T - dòng chảy dọc thân tàu - dòng chảy ngang thân tàu

2,5 75,0

10 300

40

1200 3 Dàn khoan bán chìm (S/S)

15000T 175,0 700 2800

3.4. Tác động của sóng - Số liệu đo sóng tiến hành trong 20m đến 3h. - Các đặc trưng sóng : Hmax, Tmax, (hướng sóng), S (), m0, m2, Hs, H1/3, Tz, , Tp

Các mô hình sóng sử dụng để tính toán tải trọng sóng gồm có: - Mô hình sóng tiền định : được mô tả bởi lý thuyết sóng Airy, hoặc lý thuyết sóng Stokes bậc 5 - Mô hình sóng ngẫu nhiên : được đặc trưng bởi phổ năng lượng sóng

- Phổ của 1 trạng thái biển ngắn hạn dạng tổng quát:

S()= A-m exp(-B-n ) A,B : hằng số phụ thuộc Hs, TP (TZ) m,n : số nguyên, dương

Thông thường dùng: phổ P-M, phổ JONSWAP, các phổ sóng được các Hội nghị quốc tế về bể thử sóng công nhận. Tải trọng sóng là tải trọng động, thay đổi theo thời gian cả về hướng và cường độ tác dụng. + Đối với mô hình sóng tiền định, với mọi hướng đều tính toán cho trường hợp sóng nguy hiểm. + Đối với mô hình sóng ngẫu nhiên, phải xét đến hàm phân phối hướng sóng dựa vào đo đạc thực tế.

Phổ hướng sóng:

Phổ 2 chiều của sóng không gian 3 chiều được tính theo công thức sau: )(F)(S),(S (2.16)

trong đó:

28

)(F hàm phân phối hướng sóng, theo định luật bảo toàn năng lượng:

1)(max

min

dF

Trường hợp không có số liệu, ta sử dụng: F() = 2 cos² (đối với 22

)

góc giữa các con sóng thành phần với hướng lan truyền chính của sóng Phổ 1 chiều của sóng 3 chiều:

d.),(S)(S2

2

(2.17)

1d.)(F2

2

(2.18)

Khi tính toán tải trọng sóng người ta phân biệt 2 trường hợp sau : . Đối với kết cấu mảnh (D/L <= 0,2) : sử dụng công thức Morison để tính tải

trọng sóng. . Đối với kết cấu khối lớn ( D/L > 0,2) : cần sử dụng lý thuyết sóng nhiễu xạ để

tính toán tải trọng sóng.

a) Tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu mảnh ( 2,0L

D )

Đối với kết cấu mảnh, tải trọng sóng được tính theo công thức Morison dưới dạng véc tơ như sau:

rRmrrd aV)C1(VVAC2

1F (2.19)

trong đó : rrd1 VVAC2

1F lực cản vận tốc,

rRm2 aV)C1(F lực cản quán tính. - khối lượng riêng của nước Cd - hệ số cản vận tốc. Cd lấy như trường hợp tải trọng gió rV - vận tốc tương đối của nước, Vr=Vnước-Vkết cấu Vnước - vận tốc của phần tử nước Vkết cấu - vận tốc chuyển động của kết cấu nổi A diện tích hình chiếu của bề mặt kết cấu nổi lên phương vuông góc với phương lan truyền sóng. VR thể tích kết cấu bị ngập nước

29

ar - gia tốc tương đối của phần tử nước, rr Va Cm- hệ số khối lượng nước kèm

Cm (khi 2,0L

D ) được lấy theo bảng sau:

Phần tử dài vô hạn (l) Vật thể 3 chiều

Tiết diện Sơ đồ Cm Khối Sơ đồ Cm Tròn

1.00 Phẳng tròn 2.00

Chữ nhật 1.36 Tấm chữ nhật

0.84

Chữ nhật

1.70

Tấm vuông

0.47

Vuông

1.51

Hình cầu

0.50

Vuông

0.76

Lập phương

2.32

Phẳng 1.00 Khối hộp chữ nhật

0.86

Đồ thị phạm vi sử dụng lý thuyết sóng để tính toán tải trọng sóng được cho trong hình

2.23 dưới đây.

Hình 2.23. Phạm vi sử dụng lý thuyết sóng

30

Ký hiệu trên hình vẽ: L - chiều dài sóng; H - chiều cao sóng, a2H (a - biên độ sóng) D - kích thước đặc trưng của kết cấu nổi (D là đường kính đối với trụ tròn đơn)

Miền 1: 0,1D

H hay 0,2

a

D ; Sử dụng công thức Morison để tính toán cho cả 2 thành

phần lực cản vận tốc và lực quán tính của sóng.

Miền 2: 0,1D

H và 2,0

L

D (ví dụ, phao chứa nổi); Số hạng tính lực quán tính trong công

thức Morison là trội.

Cả hai miền 1) và 2) có 2,0L

D .

Miền 3: 2,0L

D (ví dụ như trường hợp sà lan, bể chứa dầu); cần phải xét đến hiện tượng

nhiễu xạ sóng. Tải trọng sóng nhiễu xạ được xác định theo các phương pháp chuyên dụng. b) Tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu khối lớn

Sóng xung quanh công trình = Sóng tới + Sóng nhiễu xạ + Sóng bức xạ

Để xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình cần giải quyết bài toán sóng nhiễu xạ và bức xạ. Trong khuôn khổ bài toán tuyến tính, đại lượng cần tìm là hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ và sóng bức xạ (xem chương 3 FPSO). c) Lực trôi dạt Công trình nổi có chu kỳ dao động riêng lớn, nên rất cần quan tâm tới miền tần số thấp. Khi tải trọng sóng là không đổi theo thời gian cần phải tính toán lực trôi dạt do sóng tác động lên công trình.

Lực trôi dạt được xác định bằng các cách sau: + thử mô hình trong bể thử sóng, hoặc + sử dụng các phương pháp tính toán: - phương pháp tích phân áp lực của Pinkster - phương pháp nghiên cứu động lượng chuyển động của Maruo và Newman - phương pháp tính theo trường trung bình của X.B CHEN (2004). Kết quả nghiên cứu cho thấy:

31

Lực trôi dạt tỷ lệ với bình phương chiều cao sóng H Khi chiều cao sóng H không đổi, nếu chu kỳ sóng giảm thì lực trôi dạt tăng lên. Qui phạm API đưa ra phương pháp đơn giản tính lực trôi dạt trung bình đối với tàu biển và dàn khoan bán chìm sau đây. * Lực trôi dạt trung bình tác dụng lên tàu biển :

- Theo phương ngang thân tàu: Fngang=CdeB2LHs

2, (N) (2.20) trong đó: Cde- hệ số trôi dạt trung bình (N/m5), phụ thuộc vào chu kỳ sóng đáng kể Ts và chu kỳ đặc trưng Th của sóng.

Th = 1,16(B+2.Dh)1/2 (2.21) với Dh - mớn nước của tàu

- Theo phương dọc thân tàu (bởi sóng đến từ mũi tàu hay từ đuôi tàu) Fdọc=0,13.CdeB2LHs

2, (N) (2.22) trong đó: Cde phụ thuộc vào Ts và

Th=0,6(L)1/2 (2.23)

Hệ số Cde được xác định bằng đồ thị hình 2.24. Trường hợp chưa có số liệu của Ts tại vị trí xây dựng có thể sử dụng đồ thị hình 2.25 để xác định Ts.

Hình 2.24. Hệ số trôi dạt trung bình của tàu thuỷ

Hình 2.25. Quan hệ giữa chu kỳ sóng Ts và chiều cao sóng Hs đáng kể

32

* Lực trôi dạt trung bình tác dụng lên dàn khoan bán chìm:

F = CdeD2(Hs/Ts)2, (N) (2.24) trong đó: Cde- hệ số trôi dạt trung bình : Cde=1175 (N.s2/m4) D- đường kính cột

- phép tính tổng chỉ tính đối với hàng cột đối diện sóng, không tính với hàng cột che khuất.