Tinh toan chuyen vi ngang jack up

tÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang cña giµn khoan tù n©ng (jackup)

PGS.TS. §inh Quang C−êng

ViÖn x©y dùng c«ng tr×nh biÓn-§HXD

NguyÔn Ngäc Vinh HiÓn - 48 CLC-IH

Calculation the horizontal displacement of Jack-up units

Tãm t¾t Bµi b¸o ®−a ra c«ng thøc x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ ngang cña kÕt cÊu mãng ®ì ch©n ®Õ çc giµn

jackup (Spudcan) khi tÝnh to¸n Jackup, tõ ®ã tÝnh ®−îc hÖ sè nÒn vµ gi¶i bµi to¸n lµm viÖc ®ång thêi cña Spudcan víi ®Êt nÒn. Ph−¬ng ph¸p nµy sö dông çc ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc vµ çc kÕt qu¶ nghiªn cøu gÇn ®©y vÒ quan hÖ t¶i träng vµ biÕn d¹ng cña nÒn cã kÓ ®Õn kÝch th−íc cña Spudcan.

Summary

The purpose of this science article is to give the recommended function to calculate the displacement of Spudcan of Jack up and suggest the practice method to design Jackup structure based on interaction between soil and Spudcan during the operation of Jackup. The recommended function would be based on force equation of equilibrium and the recent science result of seabed properties.

1. ®Æt vÊn ®Ò Khi m« h×nh ho¸ kÕt cÊu ®Ó tÝnh to¸n kÕt cÊu jackup, liªn kÕt nèi ®Êt cña hÖ kÕt cÊu th−êng

®−îc m« t¶ lµ ngµm cøng hoÆc ngµm ®µn håi. §é cøng cña çc lß xo ®µn håi th−êng ®−îc x¸c ®Þnh

b»ng çc c«ng thøc trong çc quy ph¹m [5], [6], kh«ng ®Æc tr−ng cho bÊt kú h×nh d¹ng nµo cña

Spudcan.

Bµi b¸o nµy giíi thiÖu mét ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ ngang cña Spudcan. Çc c«ng

thøc vÒ ®Þa kü thuËt c«ng tr×nh biÓn ®−îc kham kh¶o vµ trÝch dÉn tõ kÕt qu¶ nghiªn cøu cña

Butterfield and Houslsby [1].

2. TÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang Çc gi¶ thiÕt:

- KÕt cÊu khèi th−îng tÇng cña jackup

(Hull) tuyÖt ®èi cøng, vËt liÖu ®µn håi

tuyÕn tÝnh.

- Khi kh«ng kÓ ®Õn sù ¶nh h−ëng cña

t¶i träng sãng vµ giã t¸c ®éng lªn

kÕt cÊu jackup th× t¶i träng th−îng

tÇng (W) ®−îc chia ®Òu cho ba

Spudcan - h×nh 2.

- T¶i träng ngang (do sãng vµ giã) kÝ

hiÖu lµ HT ®−îc ®Æt t¹i to¹ ®é

L*=L+S+Y, çc kho¶ng çch L,S,Y

®−îc ®¸nh dÊu vµ kÝ hiÖu nh− trªn

h×nh 2.

- Trong mÆt b»ng ba ch©n ®Õ ®−îc s¾p xÕp theo h×nh tam gi¸c ®Òu. Ch©n 2 vµ 3 ë vÞ trÝ ®èi

xøng qua ®−êng trung tuyÕn tõ ®Ønh lµ ch©n 1, gi¶ thiÕt ch©n 2 vµ ch©n 3 cã chuyÓn vÞ vµ

chÞu t¶i träng nh− nhau.

- Bá qua chuyÓn vÞ xoay cña spudcan so víi ®¸y biÓn khi chÞu t¶i träng ngang

H×nh 1: Jackup & çc ngo¹i lùc t¸c dông lªn jackup

XÐt hÖ kÕt cÊu cho trªn h×nh 1, víi çc gi¶ thiÕt nªu trªn ®©y th× Hull chØ dÞch chuyÓn

ngang song song víi ®¸y biÓn d−íi t¸c dông cña t¶i träng ngang HT, chuyÓn vÞ nµy ®−îc kÝ

hiÖu lµ hHull. Çc gi¸ trÞ chuyÓn vÞ ngang t−¬ng ®èi kh¸c bao gåm: chuyÓn dÞch ngang cña

çc mãng ®ì ch©n ®Õ lÇn l−ît lµ h1, h2, h3 vµ chuyÓn vÞ t−¬ng ®èi gi÷a th−îng tÇng (Hull) vµ

ch©n ®Õ (Spudcan) lÇn l−ît lµ δ1, δ2 , δ3 - xem kÝ hiÖu trªn h×nh 3.

232311 δδ +=+= hhhHull (1)

trong ®ã: h23=h2=h3; δ23 = δ2 = δ3

2.1 TÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang t−¬ng ®èi cña Hull vµ Spudcan XÐt c©n b»ng lùc ®øng vµ lùc ngang - h×nh 2, ta ®−îc:

231 2HHHT += (2)

231 2VVW += (3)

trong®ã 3223 HHH == ; 3223 VVV ==

XÐt c©n b»ng m«men t¹i ®iÓm thÝch hîp

trªn Spudcan, ta suy ra ®−îc ph−¬ng tr×nh x¸c

®Þnh çc ph¶n lùc t¹i Spudcan, çc chó gi¶i vµ

dÊu qui −íc ®−îc ghi trªn h×nh 2, chó ý r»ng δ1

vµ δ2 cã thÓ kh¸c nhau. Ph−¬ng tr×nh x¸c ®Þnh

çc ph¶n lùc ®øng V1, V23=V2=V3 ®−îc viÕt nh−

sau: *

23 231

1 23 1 23

.( / 3 ) .

( ) ( )TW D e H L

VD e e

δδ δ

+ − +=+ − − − (4)

*

1 123

1 23 1 23

.( / 3 / 2 / 2) . / 2

( ) ( )TW D e H L

VD e e

δδ δ

− + −=+ − − −

(5)

Víi D lµ kho¶ng çch trªn h×nh chiÕu

b»ng gi÷a ch©n 1 vµ ch©n 2,3 - h×nh 1 vµ

L*=L+S+Y - h×nh 2. KÝ hiÖn e1=M1/V1 lµ ®é

lÖch t©m cña ph¶n lùc t¹i t¹i ch©n 1, t−¬ng tù

cho e2 vµ e3.

Gãc xoay θi cña Spudcan cã quan hÖ víi m« men Mi vµ ®é cøng chèng xo¾n KRS,i -

nh− sau - h×nh 4:

, .i RS i iM K θ= (6)

H×nh 2: S¬ ®å tæng thÓ tÝnh to¸n Jackup

H×nh 3: S¬ ®å tÝnh chuyÓn vÞ th¼ng vµ chuyÓnvÞ xoay cña Jackup

ChuyÓn vÞ ngang t−¬ng ®èi cña ch©n theo ph−¬ng y so víi ®iÓm nèi gi÷a ch©n vµ

Spudcan ph¶i tháa mcn ph−¬ng tr×nh ®µn håi sau - h×nh 4:

2

2. .( )i i

d yEI H L S x M

dx= + − − (7)

trong ®ã EI lµ ®é cøng chèng uèn.

TÝch ph©n ph−¬ng tr×nh (7) theo x, x¸c ®Þnh gãc xoay dy/dx t¹i x=L, thay gi¸ trÞ gãc

xoay t¹i x=L cho m« men trong ph−¬ng tr×nh 6 vµ thu gän kÕt qu¶ ta ®−îc: 2

,

..(1 2 )

2 .i

iRS i

H L EI S

EI EI K L Lθ

= + +

(8)

TÝch ph©n ph−¬ng tr×nh (7) hai lÇn, x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ t−¬ng ®èi t¹i x=L, quan t©m

®Õn chuyÓn vÞ xoay t−¬ng ®èi θi – h×nh 4, thay chuyÓn vÞ xoay t−¬ng ®èi t¹i x=L cho chuyÓn

vÞ xoay trong ph−¬ng tr×nh 8, ta ®−îc:

32

,

.1 3 .(1 2. / )

12 .i

iRS i

H L EIS L

EI EI K Lδ

= + + +

(9)

H×nh 4: S¬ ®å tÝnh ch©n Jackup chÞu uèn

2.2 TÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang cña Spudcan - bµi to¸n tr−ît ngang

øng dông çc kÕt qu¶ nghiªn cøu cña Dean vµ Stukamoto [2], mèi quan hÖ gi÷a m« men t¹i Spudcan víi ®−êng kÝnh Spudcan vµ t¶i träng ®øng truyÒn lªn Spudcan - h×nh 5, nh− sau:

1/ 22 2

2. . . 1.

i i i i

Mi Mi Mi Mi

M H V V

BV V V Vβ α

+ = −

(10)

trong ®ã:

- B lµ ®−êng kÝnh cña Spudcan h×nh trßn;

- VMi Kh¶ n¨ng chÞu lùc theo ph−¬ng ®øng hiÖn t¹i cña mãng;

- α vµ β lµ çc ®¹i l−îng h»ng sè kh«ng thø nguyªn phô thuéc vµo h×nh d¸ng

Spudcan vµ hÖ sè ma s¸t gi÷a Spudcan víi nÒn. Çc ®¹i l−îng kh«ng thø nguyªn

α vµ β cßn phô thuéc vµo ®é c¾m s©u vµo ®Êt theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña

Spudcan vµ kh¶ n¨ng chÞu c¾t cña ®Êt nÒn.

Dean [2] ®c ®−a ra çc gi¸ trÞ α vµ β nh− sau: α=0.35 vµ β=0.625. SNAME [3] ®c sö

dông c«ng thøc t−¬ng tù vµ lÊy α=0.3 vµ β=0.625. Çc tÝnh to¸n d−íi ®©y lÊy çc gi¸ trÞ

α=0.35 vµ β=0.625.

H×nh 5: Quan hÖ t¶i träng vµ biÕn d¹ng cña nÒn cã kÓ ®Õn kÝch th−íc cña Spudcan

Tsukamoto [2] ®c ph¸t triÓn biÓn thøc cña Dean ®Ó x¸c ®Þnh Mi víi gi¶ thiÕt quan hÖ

gi÷a m« men Spudcan Mi vµ gãc xoay cña Spudcan θi víi t¶i träng theo ph−¬ng th¼ng ®øng

t¸c dông lªn Spudcan lµ h»ng sè Vi - h×nh 5.

,,

,

.1 exp

/RE i i

i ULT iULT i

KM M

M B

θ −= −

(11)

3. Mét sè kÕt qu¶ ban ®Çu Theo ®å thÞ ë h×nh 5 vµ gi¸ trÞ ë biÓu thøc (10) , tÝnh ®−îc MULT cã gi¸ trÞ nh− sau

,

2

1

. .

11

.

i

ULT i Mii

Mi

i

i

V

M VV

B V

M

B H

α

β

−

= +

(12)

D¹ng rót gän c«ng thøc (12):

,

2

1

. .

1

i

ULT i Mii

Mi

V

M VV

B Vα

βζ

−

= +

(13)

Víi ζ=(Mi/B)/Hi vµ víi gi¸ trÞ KRE,i ®−îc gi¶ thiÕt lµ phô thuéc t¶i träng theo ph−¬ng

®øng trªn Spudcan th«ng qua hÖ sè RRE:

, , .RE i RE i iK R V= (14)

Çc quan hÖ t¶i träng vµ biÕn d¹ng trªn h×nh 5 ®−îc biÓu diÔn nh− sau [2].

1

1 /

)/(

)(

H

BM

h

B i

i ββθ =

∆∆

(15)

Víi B vµ β lµ h»ng sè, thùc hiÖn khai triÓn phÐp tÝnh sè gia, hi ®−îc tÝnh nh− sau: 2 2. . .i i

ii

B Hh

M

θ β= (16)

Nh− v©y ta cã:

1 1 23 23Hullh h hδ δ= + = + (17)

2 2 32

,

. . . .1 3 .(1 2. / )

12 .i i i

Hulli RS i

B H H L EIh S L

M EI EI K L

θ β = + + + +

(18)

Trong ®ã:

- B (m): §−êng kÝnh Spudcan (m)

- β: HÖ sè phô thuéc ®é nh¸m gi÷a Spudcan vµ nÒn, theo Dean β=0.625

- Hi (m): Lùc do t¶i träng ngang t¸c dông vµo ch©n thø i

- Mi (Tm): M« men do t¶i träng ngang g©y ra t¹i ®iÓm tiÕp xóc ch©n thø i vµ nÒn

- L(m): Kho¶ng çch gi÷a th©n vµ ®iÓm ®Çu cña Spudcan

- EI (Tm2): §é cøng chèng uèn cña ch©n

- KRS,i (Tm): §é cøng chèng xo¾n cña ch©n thø i

- S: ChiÒu cao Spudcan

4. Çc b−íc tÝnh to¸n x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ ngang cña Spudcan Qua kÕt qu¶ ph©n tÝch trªn, c«ng thøc 16 cã thÓ tÝnh ®−îc chuyÓn vÞ ngang cña

Spudcan. Tuy nhiªn cÇn ph¶i cã néi lùc lªn Spudcan. Do vËy ph−¬ng ph¸p thùc hµnh ®Ó tÝnh

chuyÓn vÞ ngang ®−îc ®Ò nghÞ lµ thùc hiÖn viÖc gi¶i lÆp kÕt cÊu, ®−îc thùc hiÖn theo çc

b−íc trong s¬ ®å khèi d−íi ®©y:

B−íc 1:

TÝnh s¬ bé ®é cøng lß xo theo ph−¬ng ngang 8. .

2h

G RK

v=

− (theo DnV)

hoÆc 32.(1 ). .

7 8h

v G RK

v

−=−

(thep API)

B−¬c 2:

Thùc hiÖn viÖc ph©n tÝch ®éng kÕt cÊu (nªn dïng SACS V5.2)

B−íc 3:

Tõ kÕt qu¶ néi lùc cña viÖc ph©n tÝch ®éng, tÝnh to¸n l¹i chuyÓn vÞ ngang hHULL theo

c«ng thøc:

2 2 32

,

. . . .1 3 .(1 2. / )

12 .i i i

Hulli RS i

B H H L EIh S L

M EI EI K L

θ β = + + + +

B−íc 4:

TÝnh ®é cøng lß xo theo ph−¬ng ngang theo c«ng thøc: 1

.iHULL

HK

h n

=

Víi n lµ sè ch©n

B−íc 5: TÝnh lÆp

Sau ®ã thÕ Ki vµo vµ ph©n tÝch ®éng lÇn 2

B−íc 6: KiÓm tra kÕt qu¶

Dõng tÝnh to¸n khi Kin ≈ Ki

n+1 dõng

III. KÕT LUËN - Çc m« h×nh ®¬n gi¶n th−êng ®−îc sö dông tr−íc ®©y ®Ó tÝnh chuyÓn vÞ ngang cña çc giµn

khoan tù n©ng (jackup) lµ ngµm cøng ®· tá ra kh«ng chÝnh x¸c khi bá qua ¶nh h−ëng cña

®Êt nÒn t¹i vÞ trÝ khai th¸c jackup.

- Çc c«ng thøc trong çc quy ph¹m [5], [6] ®ang sö dông ®Ó tÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang cña

çc giµn khoan tù n©ng (jackup) ®· kÓ ®Õn ¶nh h−ëng cña ®Êt nÒn tuy nhiªn ch−a xÐt ®Õn

h×nh d¸ng cña Spudcan vµ ch−a kÓ ®Õn ®é xuyªn s©u cña Spudcan vµo ®Êt nÒn.

- B»ng viÖc dïng çc c«ng thøc giíi thiÖu trong bµi b¸o nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc chuyÓn vÞ

ngang cña Spudcan vµ tÝnh ®−îc sù lµm viÖc ®ång thêi gi÷a Spudcan vµ ®Êt nÒn, cã xÐt ®Õn

h×nh d¸ng cña Spudcan vµ ®é xuyªn s©u cña Spudcan vµo ®Êt nÒn.

Tµi liÖu tham kh¶o [1]Butterfield, R.,Houslsby (1997) - Stadardized sign conventions and notation for generallly loaded foundations..Geotechnique Vol.47 No 5, page: 1051-1054 [2]Dean,E.T.R, James, Tsukamoto (1993) - The bearing capacity of conical footings on sand in relation to the behaviour of Spudcan footings of Jackup. NXB Oxford, Trang: 203-253 [3]Sname (1994) - Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units. Society of Naval Architects and Marine Engineers, Môc 5-5A, NXB New Jersey [4]Pierson, W.J and Moskowitz, L (1964) - Aproposed form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A Vol 69, No 24, Trang 5181-902 [5] DnV,1981, Rules for Design, Construction and Inspection of Offshore Structures, Hovik, Norway [6]API,1993, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms,American Petroleum Institute Publication RP-2A, Dallas, Texas

Documents

Tinh toan chuyen vi ngang jack up