Đang tải... (xem toàn văn)
Trong vòng hơn mười năm qua, các công trình biển xây dựng trên thềm lục đại Việt Nam ngày càng nhiều, đặc biệt là các công trình xây dựng để phục vụ công các tác khai thác dầu khí của Việt Nam. Và
Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Chương THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP 5.1 Bài mở đầu 5.1.1 Các số liệu suất phá.: 5.1.1.1 Nhiệm vụ cơng trình - Dựa vào dây truyền cơng nghệ, mục đích sử dụng thăm dò, khai thác, sinh hoạt (khối phục vụ), nhà giàn đốt khí đồng hành, trạm khí tượng, trạm canh - Mặt dây truyền cơng nghệ, tính chất làm việc, chiều dài, chiều rộng, chiều cao, xác định qui mô khối thượng tầng 5.1.1.2 Các số liệu môi trường biển: Địa hình, địa chất, khí tượng, thuỷ văn… 5.1.1.3 Dự kiến phương pháp thi công biển: Điều kiện: Kinh tế, thiết bị thi cơng (búa đóng cọc, cần trục, sà lan…) thi công biển với thời gian ngắn⇒thi công chủ yếu đất liền tốt 5.1.2 Các phương pháp thi công biển: 5.1.2.1.Phương pháp Đánh chìm chân đế, chân đế đưa biển sà lan (ponton) Các bước thi cơng sau: Hình 5- Các bước thi cơng công trinh biển thép 5-1 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Hình 5- Các bước thi cơng cơng trình biển thép (tiếp theo) Chi tiết cấu tạo bơm trám: + Các lỗ bơm đường kính, khoảng cách lỗ bơm, ống dẫn vữa + Kết cấu hệ thống bơm + Paker: nối paker vào ống trụ Hình 5- Nối paker vào ống trụ 5-2 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Hình 5- Nối paker vào ống trụ (tiếp theo) Trong trường hợp 1: Cọc không đủ khẳ chịu lực, người ta sử dụng hệ thống cọc ghép bên cạnh sau: + Một cọc + Hai cọc + Ba cọc nhiều cọc: Hình 5-5 Một số kiểu hệ thống cọc - Khoảng cách cọc ≥ 3.D để cọc làm việc không ảnh hưởng lẫn → cọc đơn - Yếu tố chịu lực: cấu tạo giằng đủ điều kiện truyền tải trọng từ cơng trình vào cọc - Để đủ truyền lực từ cọc phụ đến ống dẫn - Truyền lực từ ống dẫn đến ống 5-3 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Vành khuyên dẫn hớng Hỡnh 5- Hỡnh 5- 5.1.2.2 Phương pháp Sử dụng cẩu Hình 5- Sử dụng poton vân chuyển cấu kiện - Khi đến vị trí xây dựng kiểm tra lại, tiếp tục dằn xuống 5-4 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Hình 5- Đưa cơng trình vào vị trí 5.1.2.3 Phương pháp - Sử dụng tính chất tự chân đế lai dắt vị trí xây dựng Hình 5- 10 Trình tự bước phương pháp Ưu điểm: không cần dùng thiết bị cẩu lớn, khơng cần dùng ponton Nhưng có khó khăn việc tính tốn ổn định, vận chuyển lai dắt đánh chìm 5.1.2.4 Phương pháp 4: Chia chân đế thành khoang nhỏ (do điều kiện vận chuyển ponton hay tầu kéo không đủ công suất) Sau ngồi vị trí thi cơng hạ chân đế xuống nước, lắp ráp theo phương nằm ngang sau đánh chìm - Lắp ngang: 5-5 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Hình 5- 11 Lắp ngang - Lắp đứng: Hình 5- 12 Lắp đứng - Phức tạp so với lắp ngang liên kết nước + Thuận lợi: sử dụng phương tiện nhỏ + Nhưng khó khăn thời gian thi công biển kéo dài sử dụng liên kết hàn điều kiện thi thi cơng khó khăn 5.1.3 Yêu cầu tải trọng: Khi thiết kế phải ý pha (giai đoạn) 5.1.3.1 Trong trình xây dựng: Chú ý tới tổ hợp lắp ráp, cẩu lắp - Hàn dẫn đến xuất ứng suất phụ chế tạo khơng xác nhiệt, chưa kể đến đo đạc định vị … khơng xác - Vận chuyển lại dắt ngồi khơi: tính tốn độ bền, độ ổn định - Khi vị trí làm việc: chưa đủ điều kiện để làm việc, tính tốn chu kỳ tải trọng sóng lặp lại tháng 5.1.3.2 Tải trọng trình khai thác dàn khoan: - Tải trọng công nghệ: thường xuyên, hoạt tải - Tải trọng mơi trường: sóng 50÷100 năm - Trọng lượng thân Chú ý đến vấn đề tổ hợp tải trọng tính tốn cơng trình cần xác định tải trọng, sóng, gió, dịng chảy theo phương chủ đạo: cơng trình có hướng chịu lực trùng hướng tải trọng chủ đạo Thơng thường cơng trình qui phạm yêu cầu cần 5-6 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép phải tính tốn tải trọng theo hướng: hoa gió, hoa sóng theo mùa (theo thời gian), khơng gian Thơng thường hướng chủ đạo sóng trùng với hướng gió Dịng chảy thường lệch hướng với sóng người ta chiếu vận tốc dịng chảy lên phương trùng với sóng tính tốn Trục kết cấu trùng với trục sóng - Trường hợp: Kết cấu đối xứng hai trục người ta cần tính tốn theo hướng Hình 5- 13 Kết cấu đối xứng 5.1.4.Chọn sơ đồ kết cấu ban đầu 5.1.4.1 u cầu - An tồn cơng nghệ, xếp hợp lý, sử dụng tốt, đảm bảo mục tiêu nhiệm vụ thiết kế đặt - An tồn cơng trình phụ thuộc dây truyền cơng nghệ 5.1.4.2 Nội dung - Chọn kích thước khối chân đế thượng tầng Hình 5- 14 Các phận ccơng trình biển thép - Chọn số lượng chân đế số lượng trụ chân đế (hiện thường có chân đế) - Chọn độ xiên chân đế phụ thuộc vào độ sâu nước, vào tải trọng sóng, phụ thuộc tiết diện trụ chân đế (khả chịu lực) phụ thuộc vào móng 5-7 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép - Số lượng khung, vách ngang chân đế, giữ ổn định tổng thể cho chân đế phụ thuộc độ sâu nước, phụ thuộc tiết diện trụ đứng, ta chia vách ngang để trụ đứng ổn định mảnh không lớn - Xác định độ tĩnh không: xác định chiều cao toàn kết cấu từ chân đế đến đáy khối thượng tầng Xác định vị trí có mặt thống, xác định vị trí cần đặt giá cập tầu - Thượng tầng: Xác định số mặt sàn kết cấu thượng tầng thường có hai mặt - Kích thước đáy khối chân đế Hình 5- 15 Khối chân đế - Hệ thống xiên bố trí để nhiều chịu kéo tiết diện chịu kéo tốt nhiều so với chịu nén, cịn liên quan đến ổn định - Cột chân đế thành phần chịu lực chủ yếu chân đế giàn khoan, việc xác định trụ, cột người ta xác định đường kính, chiều dầy trụ cột nÐn kÐo Hình 5- 16 - Trong trường hợp chân đế cao trụ chân đế thay đổi tiết diện - Sử dụng ống chuyển tiếp dạng hình đế, tránh ứng suất cục Khi chuyển tiếp vấn đề thi cơng cọc có gặp khó khăn thường người ta bố trí cọc ngồi vấn đề thay đổi tiết diện cọc cần thiết, trường hợp cơng trình đặt điều kiện nước sâu, việc tính tốn thi cơng phức tạp nhiều - Móng cọc: số lượng tiết diện chiều sâu cọc - Xác định số lượng giếng dầu - Số lượng ống chống - Số lượng cấu tạo giá cập tầu, khác giá cập tầu cảng (cảng chủ động – cơng trình biển khơng có quyền lựa chọn) 5-8 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép èng chun tiÕp Hình 5- 17 Ống chống gá lắp vào chân đế không tham gia chịu lực vật cản tác nhân tăng tải trọng sóng Hình 5- 18 - Cảng đặt phía trước - Cơng trình biển để cuối hướng dịng chảy (biển có mặt, chọn chủ động mặt có lợi nhất) - Giá cập tầu giàn khoan quan trọng 5.1.4.3 Chọn sơ đồ kết cấu, hệ kết cấu Tải trọng: Tĩnh, động (sóng, dịng chảy (bỏ qua gió) Khi tính tải trọng động chu kỳ dao động riêng hệ nhỏ 3” (giây) người ta khơng tính động cách xác cho cơng trình mà nhân kết tính tĩnh với hệ số động Chu kỳ T > giây phải tính động cách nghiêm túc Khi tính dao động riêng cần ý đến nước kèm, xác định tải trọng sóng người ta sử dụng phương trình Morison mở rộng 5-9 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép - Tải trọng sóng tải trọng khai thác đưa nút để tải trọng phân bố Khi tính tốn cần ý để tổ hợp tải trọng (BCH-85) QP Nga - Khi chọn sơ đồ tính kết cấu cần ý tham khảo tài liệu thiết kế có, có nhiệm vụ điều kiện làm việc tương đương để rút ngắn thời gian cơng sức thiết kế - Tính tốn sơ để kiểm định lại kích thước chọn nhằm đưa sơ đồ hợp lý cho bước thiết theo thiết kế kỹ thuật 5.1.5 Chọn vị trí “ngàm” tính tốn khối chân đế - Dưới tác dụng tải trọng, chân đế bị biến dạng xoay thẳng Thực tế cọc xuống sâu tính hết khó, để đơn giản người ta giả thiết vị trí chuyển vị ngang, xoay khơng cọc thay ngàm tưởng tượng , nội lực khối chân đế có sai số không nhiều so với thực tế Việc chọn chiều sâu ngàm tính tốn ∆ phụ thuộc độ cứng cọc phụ thuộc tính lý đất không phụ thuộc vào tải trọng tác động dẫn đến có nhiều sai số cơng thức tính tốn thường thiên an tồn Hiện điều kiện phát triển kỹ thuật tính tốn người ta tính lúc làm việc đồng thời kết cấu, cọc đất Sự làm việc đồng thời chân đế – cọc – làm việc đồng thời Sóng – chân đế – cọc v nn múng =? Đáy biển Ngàm giả định D Hình 5- 19 - Theo kinh nghiệm số nước phương Tây: + Đất sét: ∆ ≈ (3,5 ÷ 4,5).D + Đất dạng phù sa: ∆ = (7 ÷ 8,5).D + Trường hợp khơng có sở số liệu địa chất cơng trình: ∆ ≈ 6,0.D - Trong trường hợp tiết diện hình chữ nhật qui đổi tiết diện khác tiết diện chữ nhật theo diện tích Qui phạm Nga CHUΠ 202.03.85 đưa cơng thức tính gần sau: - L: chiều sâu ngàm thực tế 5-10 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép + Giữa nhịp khơng có hiệu ứng + Các tiết diện sát nút có hiệu ứng ngàm - Ngồi nội lực tính trên, ống xuất ứng suất pháp áp lực thủy tĩnh gây nên: Hình 5- 26 Vị trí kiểm tra ứng suất Hình 5- 27 5.3 Xác định hệ số uốn dọc 5.3.1 Hệ số uốn dọc chịu nén - Đối với chịu nén N ↑ → Pgh Hình 5- 28 Xác định hệ số uốn dọc - Lực nén tăng lên bị ổn định Vì cơng thức chịu nén người ta phải xét đến hệ số uốn dọc - Trong cơng thức tính tốn cấu kiện chịu nén lệch tâm người ta đưa vào hệ số uốn dọc α > nhằm mục đích tăng mơmen tính tốn : Mtt = α.M 5-16 Chương Thiết kế công trình biển cố định thép α= Cm σ 1− N σ gh (5 6) Trong đó: σN- Ứng suất gây nên lực nén: σN = N F (5 7) σgh - Ứng suất kết cấu bắt đầu bị ổn định: σ gh = π E ⎛ k.L ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ = π E ⎛ l0 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝2⎠ = π E λ (5 8) Trong đó: E - Mô đun đàn hồi kết cấu; L - Chiều dài kết cấu; k - Hệ số chiều dài tương ứng; λ - Độ mảnh; k=0,5 k=0,7 k=1 k=1 k=2 k=2 k= L l0 =kL - Chiều dài tính tốn phụ thuộc vào điều kiện liên kết hai đầu Hình 5- 29 Hệ số k số loại liên kết - Khi tính tốn hệ khung khơng gian, k thay đổi từ 0,5 ÷ ∞ 5.3.2 Xác định hệ số k dựa vào toán đồ Bằng cách tính hệ số: G1i ( ) = ∑I ∑I c / lc b / lb (5 9) Trong đó: 1, (2), i nút đầu nút đầu thứ i xét qui tụ vào Ic - Mơmen qn tính chịu nén qui tụ vào nút đầu đầu (nếu ta xét nút thứ 2) lc - Chiều dài thực tế xét 5-17 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Ib - Mơ men qn tính lại lb - Chiều dài tương ứng Ib Hình 5- 30 Ví dụ: Một xét có hai giá trị phụ thuộc hai đầu G1 G2: ω i g=4 i g=2 ⇒ β = 2,5 ω 20 4 2 1,5 β(k) = kéo : I1 = I2 = I4 = 0,50 : I3 = 0,2 Yếu cầu tìm hệ số k số (k2) 3 1 4 Hình 5- 31 Hình minh họa ví dụ I2 I3 0,5 0,2 + + l l3 = 0,125 + 0,04 = 0,165 G3 = = 0,5 I1 0,157 0,167 l1 G3 = 0,988 5-18 g1 ÷ = nén ω g2 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép G4 = ω Từ G3, G4 tra bảng ta có k2 = 2,25 5.3.3 Trình tự tính tốn có M, N, Q - Tính: F, W; tính N, M - Xác định α: tính G1, G2 → tra đồ thị tìm k - Tính: σ gh = π E ⎛ K.L ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ - Xác định: α = Cm σ 1− N σ gh Cm: hệ số phụ thuộc dạng tác động tải trọng Cm = 0,4 ÷ 1,0 thường lấy Cm = 1,0 - Tính ứng suất (theo SBVL): σ = N α.M ± F W 5.4 Áp lực thủy tính lên thành ống q = ρ.h Hình 5- 32 Áp lực thủy tính lên thành ống - ρ: dung trọng nước; - h: chiều sâu tiết diện xét; Dưới tác dụng lực hướng tâm phân bố xuất hiện: + σr: ứng suất pháp + σθ: ứng suất tiếp Khi tínhρtốn ta chia tốn làm hai loại: - Tiết diện ống C-C - Đầu ống, mép gần sát nút có hiệu ứng thành ống r Mặt cắt C-C thành ống chuyển vị tự 5-19 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Hình 5- 33 5.4.1 Tại tiết diện ống C-C ∑Y = l π − 2.N θ − ∫ ∫ P.(r + δ ).dθ sin θ.dz = (5 10) 0 Cuối tính tốn được: σθ = Nθ q.r =− l.δ δ (5 11) q.r σθ = 2.δ (5 12) σr = − 5.4.2 Tại tiết diện đầu ống A-A Do bị ngăn cản chuyển vị hai đầu Biến đổi tương tự ta tìm ứng suất sau: σθ = − σr = − 5-20 q.r q.r + (2 − ν ).eα.z [(1 ± 2.ν.k ) cos α z + (1 ± 2.ν.k ).sin α z ] (5 13) δ 2.δ q.r 3.q.r.(2 − ν).k α.z ± e (cos αz − sin αz) 2.δ 2.δ (5 14) ... 0,0026 95 (m4) ⇒ αl = 13000 ×1 ,58 = 0, 655 × 2,1.106 × 0,0026 95 Φ 720 (mm) từ có αl = 0, 655 → L = l0 + 2/0, 655 = 3,0 (m) Đất sét: 5- 1 1 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép ∆ = (3 ,5 ÷ 4 ,5) .D... thi công hạ chân đế xuống nước, lắp ráp theo phương nằm ngang sau đánh chìm - Lắp ngang: 5- 5 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép Hình 5- 11 Lắp ngang - Lắp đứng: Hình 5- 12 Lắp đứng -. .. 0 ,5 0,2 + + l l3 = 0,1 25 + 0,04 = 0,1 65 G3 = = 0 ,5 I1 0, 157 0,167 l1 G3 = 0,988 5- 1 8 g1 ÷ = nén ω g2 Chương Thiết kế cơng trình biển cố định thép G4 = ω Từ G3, G4 tra bảng ta có k2 = 2, 25 5.3.3