- Trang Chủ
- Cơ khí - Chế tạo máy
- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán ổn định Công trình biển dạng bán tiềm thủy trong điều kiện biển Việt Nam
Xem mẫu
- MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………..4
CHƯƠNG I: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG
TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM ........................................................................................... 5
1.1 Quá trình hình thành và phát triển của công trình biển bán chìm......................... 5
1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong tính toán ổn định
công trình biển bán chìm............................................................................................. 6
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH BIỂN
BÁN TIỀM THỦY ........................................................................................................ 8
2.1 Khái niệm về ổn định công trình biển bán tiềm thủy- giàn bán chìm .................. 8
2.1.1 Ổn định góc nhỏ ................................................................................................. 8
2.1.2 Ổn định góc lớn.................................................................................................. 9
2.1.3 Đường cong cánh tay đòn hồi phục ................................................................. 14
2.1.4 Mô men hồi phục ............................................................................................. 16
2.2 Bài toán ổn định công trình biển bán chìm ......................................................... 19
2.3 Kết luận ............................................................................................................... 25
CHƯƠNG III: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO GIÀN KHOAN BÁN
CHÌM TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ................................................................ 26
3.1 Xây dựng mô hình tính toán ............................................................................... 26
3.1.1 Xây dựng mô hình tính toán bằng phần mềm ANSYS ................................... 26
3.1.2 Xây dựng điều kiện biên tính toán ................................................................... 27
3.1.3 Kết quả phân tích chuyển động của giàn ......................................................... 28
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 36
1.Kết luận .................................................................................................................. 36
2.Kiến nghị ................................................................................................................ 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 37
1
- DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Quá trình hình thành và phát triển giàn bán chìm……………………5
Bảng 3-1: Thông số hình học dàn bán chìm……………………………………23
Bảng 3-2: Thông số khí tượng thủy hải văn……………………………………24
Bảng 3-3: Kết quả tính toán ổn định giàn bán chìm……………………………26
2
- DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1-1: …………………………………………………….……………………5
Hình 2-1: ………………………………………………………………………..10
Hình 2-2: …………………………………………………………………………11
Hình 2-3: …………………………………………………………………………13
Hình 2-4: ………………………………………………………………………..14
Hình 2-5: ………………………………………………………………………..16
Hình 2-6: …………………………………………………………………………17
Hình 2-7: ………………………………………………………………………..18
Hình 2-8: ………………………………………………………………………..19
Hình 2-9: ………………………………………………………………………..20
Hình 2-10: ………………………………………………………………………21
Hình 3-1………………………………………………………………………….23
Hình 3-2: ………………………………………………………………………..24
Hình 3-3: ………………………………………………………………………..25
Hình 3-4: …………………………………………………………………………26
Hình 3-5: ………………………………………………………………………..27
3
- MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài. Công trình biển dạng bán tiềm thủy (bán chìm) là công
trình được ứng dụng rất rộng rãi trong việc khai thác dầu khí ở các nước đang phát triển:
Mỹ, Brazil, Nauy…Việc tính toán ổn định của dạng kết cấu này là tương đối phức tạp,
bởi sự đa dạng của các tải trọng tác động lên nó trong quá trình khai thác. Trên thế giới,
cũng đã có nhiều các công trình, cũng như bài báo khoa học nghiên cứu và đánh giá độ
ổn định của dạng kết cấu này, tuy nhiên những kết quả đó chỉ phù hợp với từng vùng biển
nhất định.
Ở Việt Nam chúng ta, các tài liệu cũng như các công trình khoa học đánh giá ổn
định hoạt động của dàn bán chìm còn tương đối hạn chế. Chúng ta mới chỉ có một công
trình là giàn khoan Đại Hùng, tuy nhiên số liệu thu thập để tính toán còn chưa đầy đủ,
khối lượng tính toán là hết sức phức tạp. Do đó, cần phải có những đánh giá cụ thể về độ
ổn định của công trình trong điều kiện biển Việt Nam để áp dụng vào khai thác trong
thực tiễn.
Mục đích Nghiên cứu, đánh giá độ ổn định của công trình biển bán chìm trong quá
trình khai thác, chịu tác động của tải trọng sóng, gió trên biển Đông- Việt Nam. Từ đó,
đưa ra các kết luận để tối ưu tính ổn định của kết cấu này.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu Trình bày tổng quan về công trình biển
dạng bán chìm, lý thuyết tính toán ổn định, cũng như kết quả phân tích trong điều kiện
biển Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu: Áp dụng mô hình toán học hiện đại (module ANSYS-
AQWA) dựa trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp đồ thị theo Tiêu
chuẩn và Qui phạm về Thiết kế Công trình biển di động để tính toán. [1]
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Xây dựng mô hình toán học để đánh giá độ ổn định của
công trình biển bán chìm, đồng thời là cơ sở kiểm nghiệm cho mô hình vật lý sau này.
Kết quả của đề tài áp dụng vào thiết kế công trình biển dạng bán chìm.
4
- CHƯƠNG I: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG TRÌNH
BIỂN BÁN CHÌM
1.1 Quá trình hình thành và phát triển của công trình biển bán chìm
Giàn khoan bán chìm là công trình nổi trên biển dùng trong thăm dò và khai thác
dầu khí. Nó có dạng bè mảng nửa chìm, nửa nổi nên tự ổn định được ở trong môi trường
biển và đại dương. Khi khai thác ở xa bờ, giàn bán chìm dùng chủ yếu là chức năng
khoan và khai thác. Loại giàn khoan này tiết kiệm chi phí và rất ổn định. Giàn khai thác
bán chìm đầu tiên là Argyll FPF được chuyển từ giàn khoan bán tiềm thủy Transworld 58
vào năm 1975 sử dụng cho mỏ dầu Argyll Hamilton Brothers North Sea [1]. Dàn khoan
này được sử dụng cho độ sâu 150 mét nước.
Khi ngành công nghiệp dầu khí vươn tới những vùng biển xa hơn, khắc nghiệt
hơn, thì những dàn khoan bán chìm chuyên dụng và chuyên nghiệp được đưa vào sử
dụng. Thập niên 1980-1990, nhiều công ty lớn ở Brazil đã thiết kế các dàn bán chìm có
độ sâu nước 300m, như là các giàn P-15 Pirauna Brazil 243 m nước, P-09 Corvina 230
mét nước. Giai đoạn 1990-2000, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, và đặc
biệt là sự phát triển mạnh mẽ của các công cụ tính toán hiện đại, các công ty thiết kế công
trình biển đã thiết kế được các giàn bán chìm có thể hoạt động ở các độ sâu tới gần
1000m nước. Có thể kể đến các giàn P-18 Marlim 910 m nước, và Innovator Marlim
914m nước.
Thập niên đầu tiên của thế kỷ 21, ngành khoa học về công trình biển đã tiến một
bước rất dài trong việc thiết kế các giàn bán chìm. Tiên phong là 3 nước Brazil, Mexico
và Nauy. Lần lượt các giàn khoan hoạt động ở độ sâu 2000m nước đã đi vào hoạt động
và đạt hiệu quả cao. Ví dụ: Dàn Blind Faith – 1980m nước; Independence Hub- 2015m
nước [2].
Bảng 1.1 Sự phát triển của các giàn bán chìm
Tên giàn Độ sâu Năm bắt đầu hoạt
STT Mỏ Khu vực
(m) động
ArgyII FPU Biển Bắc
1 ArgyII 150 1975
thuộc UK
2 P15 Pirauna Brazil 243 1983
3 P20 Marlim Brazil 625 1993
4 P18 Marlim Brazil 910 1994
5
- 5 Innovator Marlim Brazil 914 1996
Atlantis PQ Atlantis
6 Vịnh Mexico 2156 2006
Oil Field
Independence
7 10 fields Vịnh Mexico 2015 2007
Hub
8 Blind Faith Blind Faith Vịnh Mexico 1980 2008
9 P-55 Roncador Brazil 1707 2012
a) b)
c)
Hình 1-1. Giàn bán chìm P-52 Brazil. Chiều sâu nước làm việc 1800m
a)- Toàn cảnh giàn P52; b) Vị trí làm việc: c) Chân đế giàn P52
1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong tính toán ổn định công
trình biển bán chìm
Ngày nay trong lĩnh vực xây dựng có rất nhiều công cụ phục vụ việc ứng dụng tự
động hóa trong công tác tư vấn thiết kế và tính toán cho giàn bán chìm:
- Sử dụng các chương trình phần mềm như Excel, Flow-3D, MASP 1.0…
6
- - Sử dụng module AQWA- ANSYS
Mỗi chương trình phầm mềm nêu trên đều có những ưu nhược điểm riêng, trong
phạm vi đề tài sẽ đi sâu vào giới thiệu ứng dụng module AQWA- ANSYS R.17 để phân
tích ổn định cho giàn bán chìm.
http://sfmarinausa.com/floating-breakwaters/
7
- CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH BIỂN
BÁN TIỀM THỦY
2.1 Khái niệm về ổn định công trình biển bán tiềm thủy- giàn bán chìm
Các công trình biển di động có rất nhiều ưu điểm trong quá trình khai thác, song
cũng gặp nhiều bất lợi trước tác động của yếu tố môi trường, nhất là đối với giàn bán
chìm. Do vậy, việc nghiên cứu tác động của môi trường đến giàn bán chìm trong quá
trình khai thác và di chuyển là nhu cầu cấp thiết, được đặt ra từ lâu và đến nay chưa có
điểm dừng. Mối quan hệ đó thể hiện rõ nét qua ứng xử của giàn với môi trường. Ứng xử
của giàn bán chìm có nhiều nội dung, trong đó ổn định là một nội dung quan trọng. Việc
tính toán ổn định giàn bán chìm, được thừa hưởng từ việc tính toán ổn định của tàu. Tuy
nhiên do đặc trưng cấu tạo mà ổn định giàn bán chìm có nhiều điểm khác biệt.
Đối với giàn nổi nói chung, lực nổi tương đương với trọng lượng nước bị chiếm chỗ
và đặt tại trọng tâm của thể tích khối chất lỏng bị chiếm chỗ. Thể tích này có thể chia làm
n phần [9]:
n
V Vi (2.1)
i 1
Với các tọa độ trọng tâm tương ứng (xi, yi, zi) so với đáy của sống giàn K, có thể
xác định tâm nổi B0(xB; yB; zB):
n n n
Vi xi Vi yi V z i i
xB0 i 1
; yB0 i 1
; zB0 i 1
V V V
Lực nổi tác dụng lên tâm nổi B0 với phương tác dụng đi qua trọng tâm G. Trong
trạng thái cân bằng tĩnh, cả lực nổi và trọng lực cân bằng và ngược chiều nhau, tác dụng
theo phương thẳng đứng
2.1.1 Ổn định góc nhỏ
Nếu giàn từ vị trí cân bằng xoay theo trục ngang một góc nhỏ sẽ làm thay đổi thể
tích chiếm nước và tâm nổi sẽ thay đổi vị trí. Phương tác dụng của lực nổi tại vị trí mới
giao với phương tác dụng của lực nổi ở vị trí trước tại tâm nghiêng M 0. Cánh tay đòn ổn
định tĩnh hay hồi phục h= GZ0 . Mô men hồi phục:
M R .g.V .GZ 0 .g.V .GM 0 sin (2.2)
xoay giàn trở về vị trí ban đầu nếu tâm nghiêng nằm trên trọng tâm, GM 0 >0. Nếu tâm
nghiêng nằm dưới trọng tâm thì GM 0 âm thì giàn mất ổn định. Chính vì vậy mà chiều cao
8
- tâm nghiêng ban đầu được gọi là chiều cao ổn định ban đầu GM 0 . Vì vậy, GM 0 là thước
đo ổn định của giàn trong phạm vi góc nghiêng nhỏ.
Hình 2.1- Ổn định giàn bán chìm
2.1.2 Ổn định góc lớn
Tại góc nghiêng lớn, các điểm giao nhau của các phương tác dụng của các lực nổi
kề nhau không còn năm trên trục đối xứng dọc của giàn nữa. Tâm nghiêng thay đổi vị trí.
Phương tác dụng của lực nổi giao với mặt phẳng đối xứng của giàn tại tâm nghiêng N .
Hình vẽ dưới đây thể hiện đường cong vị trí tâm nổi và tâm nghiêng cũng như sự thay đổi
đường nước tương ứng của dàn có mạn đứng. Vì tâm nổi là giao của hai phương tác dụng
liên tiếp của lực nổi trên đường cong M là lũy tích của các tiêu điểm của các đường
cong B , nghĩa là nó là đường pháp tuyến bao của đường cong đó. Trong trường hợp
giàn có mạn đứng thì đường cong B đơn giản là đường parabol. Với góc nghiêng lớn
thì mô men hồi phục MR được xác định bằng công thức sau:
M R .g.V .GZ .g.V .GN sin .g.V GM 0 M 0 N sin (2.3)
GN GM 0 M 0 N là do tâm nghiêng biểu kiến nằm trên tâm nghiêng ban đầu M0. Điều
này được giải thích là do tâm nổi không chỉ dịch chuyển vuông góc với mặt phẳng đối
xứng mà còn chuyển động nâng lên song song với nó.
9
- Hình 2.2- Ổn định góc nghiêng lớn
Xác định chiều cao tâm nghiêng đối với ổn định góc lớn [1]
Chiều cao tâm nghiêng được xác định bằng phương trình sau:
GN KB0 B0 M 0 M 0 N KG (2.4)
Trong trường hợp giàn có mạn đứng thì thì chiều cao tâm nghiêng bên trên tâm
nổi ban đầu B0 N có thể xác định được từ mô men hồi phục của giàn nghiêng, nghĩa là từ
mô men do hai thể tích hình nêm, một nổi lên và một chìm xuống. Trên hình 2.2 trọng
tâm Si và Se nằm trên vị trí (2/3; 1/3) của hình tam giác. Với thể tích:
1 B B B2
dV dVe ( )( tan ) dl tan dl (2.5)
2 2 2 8
Cả hai hình nêm tạo nên mô men hồi phục cho giàn dẫn đến sự dịch chuyển của
tâm nổi. Bằng cách tích phân trên đường nước l, trong đó chiều rộng B thay đổi theo
chiều dài của giàn, ta thu được các liên hệ sau từ phương trình mô men:
Chuyển vị ngang yB:
l l
2 B B3
yBV (dVi dVe ) ( ) tan dl (2.6)
0
3 2 0
12
Chuyển vị dọc zB:
tan 2 B3
l l
1 B
zBV (dVi dVe ) ( )
2 0 12
dl (2.7)
0
3 2
10
- zB
Độ dốc tan . Khi đó B0 B và Se Si song song.
yB
Gọi IT là mô men quán tính ngang mặt cắt đường nước:
B
l 2 l
B3
IT y 2 dydl dl (2.8)
0 B 0
12
2
Và đặt yB B0 M0 tg và zB M 0 N , nhận được
IT
B0 M 0 (2.9)
V
IT tg 2
M 0 N . (2.10)
V 2
IT tg 2
B0 N . 1 (2.11)
V 2
Dưới dạng này, có thể tính toán bán kính tâm nghiêng B0 N đối với dàn nhiều thân ví dụ
như dạng catamaran. Ở đây, mô men của phần nổi và phần chìm của giàn được tính toán
bằng hiệu số giữa phần hình nêm theo toàn bộ chiều rộng giàn với phần hình nêm bên
trong. Thành phần tham gia của chúng vào mô men hồi phục tính toán tương tự, tuy
nhiên chúng được đưa vào phương trình cân bằng mô men với dấu ngược lại, nghĩa là:
l l
B3 b3
yBV tg dl tg dl
0
12 0
12
Với mô men quán tính ngang mặt cắt đường nước:
B
B 3 b3
l 2 l
IT y 2 dydl dl
0 b 0
12
2
Do đó:
yBV IT .tg
nghĩa là các biểu thức trên nói chung áp dụng cho giàn nổi có dạng 2 thân mạn đứng hay
giàn có cột ổn định miễn là phần đáy giàn không lộ ra khỏi mặt nước hay boong giàn
không chạm nước.
11
- Hình 2.3. Xác định chiều cao tâm nghiêng
Đối với giàn nhiều cột, mô men quán tính ngang mặt cắt đường nước của cột có thể xác
định theo hình dạng của các cột và khoảng cách tính từ trục nghiêng . Với các ký hiệu
như trên hình 2.4, có thể xác định được:
h
a
l 2
2 h3l
IT n y dydl n a hl
2
n( A0 .a I T )
2 '
(2.12)
0 a h 12
2
Trong đó:
a: là khoảng cách từ tâm cột tới trục nghiêng
A0: diện tích mặt cắt đường nước của cột
I’T: mô men quán tính mặt cắt của đường nước
h 3l
Đối với các cột có mặt cắt hình chữ nhật thì I 'T .
12
Tóm lại mô men quán tính mặt cắt đường nước của giàn có n cột với diện tích mặt
cắt đường nước Ai được xác định từ công thức Stainer:
n
I tt (a ti2 Ai I tti' ) (2.13)
i 1
Trong đó:
ati: Khoảng cách từ trọng tâm của từng diện tích mặt cắt đường nước tính từ trục t-t
I tti' : là mô men quán tính của mặt cắt đường nước cột tương ứng
Với giàn bán chìm hai thân ngầm thì mô men quán tính mặt cắt đường nước được xác
định như sau:
12
- A0
IT nA0 (a 2 ) (2.14)
4
Với n là số cột, A0 là diện tích mặt cắt của các cột hình trụ và a là khoảng cách của các
cột tới trục. Mô men quán tính mặt cắt đường nước dọc được xác định bằng công thức:
n 2 l 2 A0
I L nA0 ( ) (2.15)
n 12 12 4
Trong trường hợp giàn bán chìm có n cột hình trụ như trên hình 5, mô men quán tính
ngang và dọc mặt cắt đường nước xác định theo công thức:
n 1
2 i nA02
I xx A0 Rs2 sin 2
i 0 n 4
n 1
2 i nA02
I yy A0 R cos 2
2
4
s
i 0 n
Viết dưới dạng tổng quát
1 A
I xx I xx nA0 Rs2 0
2 4
Các phương trình trên cho thấy rằng khoảng cách giữa các cột lớn sẽ ảnh hưởng đáng kể
tới ổn định của công trình biển nổi do diện tích mặt cắt của từng cột thường tương đối
nhỏ. Các phương trình này không thể dùng trong trường hợp boong giàn ngập vào nước
hay phần thân ngầm lộ ra khỏi mặt nước. Khi đó cần phải tính toán mô men hồi phục bổ
sung
Hình 2.4. Ổn định của giàn nhiều cột
Nếu bên trong giàn có các bề mặt chất lỏng tự do, ví dụ như các két trong giàn
không được đổ đầy chất lỏng, thì nó sẽ ảnh hưởng tới ổn định của giàn do mô men quán
13
- tính mặt cắt đường nước bị giảm do ảnh hưởng của mô men mặt cắt đường nước của các
bề mặt chất lỏng tự do nói trên. Đối với góc nghiêng lớn thì (2.13) thay đổi và bán kính
tâm nghiêng B0 N được xác định bằng công thức
1 m
tg 2
B0 N (IT F i j )(1 ) (2.16)
V j 1 w 2
Nếu có m két có chứa chất lỏng thì ij là mô men quán tính mặt cắt đường nước
tương ứng của các mặt chất lỏng, Fj là trọng lượng riêng tương ứng của các chất lỏng,
w là trọng lượng riêng tương ứng của nước biển.
Cánh tay đòn hồi phục đối với giàn có mạn đứng với các mặt nước tự do trong m
két dằn được xác định theo công thức:
1 m
tg 2
GZ [ (IT i j )(1 ) KB0 KG ]sin (2.17)
V j 1 2
2.1.3 Đường cong cánh tay đòn hồi phục
Đường cong cánh tay đòn hồi phục điển hình của tàu, giàn bán chìm và giàn tự nâng
được cho trên hình 2.5. Đối với góc nghiêng nhỏ thì độ dốc ban đầu là không đổi. Chiều
cao ổn định tổng quan ban đầu GM 0 có thể xác định tại φ= 57,3 o. Đối với giàn tự nâng,
giá trị này có thể rất cao, nằm trong phạm vi 30-40m.
14
- Hình 2.5. Đường cong ổn định của các giàn di động
Trong khi đối với tàu và giàn bán chìm thì giá trị này chỉ từ 0,5- 2m. Ngoài ra phạm
vi dương của cánh tay đòn hồi phục- vốn thường được gọi là phạm vi ổn định- của giàn
tự nâng là nhỏ.
Một đặc điểm điển hình của giàn bán chìm là cánh tay đòn hồi phục gia tăng ở góc
nghiêng lớn, do dự thay đổi của M 0 N . Đối với giàn bán chìm, đường cong cánh tay đòn
hồi phục tăng nhảy bậc khi một trong các thân ngầm nhô lên khỏi mặt nước hay boong
giàn chạm nước do mô men hồi phục rất lớn phát huy tác dụng. Khi tính toán đường cong
cánh tay đòn hồi phục, cần phải tính toán nước ngập tạo ra bề mặt chất lỏng tự nhiên bên
trong giàn làm giảm mô men quán tính mặt cắt đường nước. Các trọng lượng liên quan
tăng lên làm tăng lượng chiếm nước và dẫn tới tăng mớn nước. Vì vậy, trọng tâm bị thay
đổi theo phương ngang và phương dọc.
Khi vật trên boong có có trọng lượng dịch chuyển wo dịch chuyển một khoảng d từ
vị trí P tới Pi thì trọng tâm của giàn di chuyển một khoảng song song với PPi:
w 0 si
GGi (2.18)
gV
15
- Hình 2.6. Sự thay đổi cánh tay đòn ổn định khi trọng vật rời chỗ
Hình 2.6 cho thấy mối liên hệ khi vật trên boong có trọng lượng w0 thay đổi:
- Khi vật dịch chuyển dọc, ví dụ như bị nâng lên, thì trọng tâm bị dịch chuyển lên
phía trên. Khi góc nghiêng tăng thì cánh tay đòn hồi phục hiệu dụng GZ giảm một
lượng GG1sinφ. Kết quả đường cong cánh tay đòn hồi phục trở thành G1Z1 và
chiều cao ổn định tổng quan cũng giảm đáng kể.
- Khi vật tiếp tục di chuyển ngang thì trọng tâm dịch chuyển ngang một khoảng
G1G2 và cánh tay đòn hồi phục giảm một lượng G1G2cosφ. Kết quả đường cong
cánh tay đòn hồi phục trở thanh G2 Z 2 , giao với trục ngang tại góc nghiêng φ, tạo
nên trạng thái cân bằng mới.
Nếu giàn có chất tải hoặc dỡ tải thì đường cong cánh tay đòn hồi phục thay đổi.
2.1.4 Mô men hồi phục
Các qui phạm thường sử dụng mô men hồi phục MR thay cho cánh tay đòn hồi
phục. Do đó, mô men hồi phục được xác định trực tiếp như là hàm của góc nghiêng.
Bằng cách tích phân, có thể xác định được diện tích bên dưới đường cong mô men hồi
phục, gọi là năng lượng hồi phục
ER M R d gV GZd (2.19)
0 0
16
- Thế năng này ứng với năng lượng xoay giàn từ vị trí cân bằng tới vị trí nghiêng ở
góc φ. Với góc nghiêng nhỏ, thế năng được xác định bằng:
ER gVGM0 (1 cos ) (2.20)
Hình 2.7 thể hiện
Hình 2.7. Cân bằng mô men
Hình 2.7 thể hiện 1 giàn bán chìm có neo trong trạng thái vận hành, giàn
chịu tác dụng của gió và các lực có liên quan. Lực gió tác dụng lên giàn phụ thuộc
vào diện tích mặt chịu gió của giàn. Do đó mà phụ thuộc vào góc nghiêng của
giàn. Thường thì góc nghiêng của giàn bán chìm tối đa đạt được 10o – 20o, phụ
thuộc hình dạng của giàn và phương tác dụng của gió. Dưới tác dụng của một
xung lực, giàn bị lắc xung quanh vị trí cân bằng đến khi tổng năng lượng của mô
men nghiêng cân bằng với năng lượng của mô men hồi phục. Phương trình cân
bằng của lắc dọc được cho dưới dạng:
..
T M H ( ) M R ( ) (2.21)
Trong đó:
..
: gia tốc góc của giàn
MH: mô men nghiêng
17
- θT: là mô men quán tính khối lượng của giàn có tính tới các yếu tố thủy động ,
nghĩa là mô men quán tính khối lượng bổ sung. Tích phân theo góc nghiêng φ,
biến đổi ta thu được năng lượng động của giàn:
.
1 ..
0 T 2 T 0 M H ( )d 0 M R ( ) d
2
(2.22)
.
Vận tốc góc giảm tới 0 nếu năng lượng của mô men nghiêng cân bằng
với năng lượng của mô men hồi phục. Mối liên hệ này được thể hiện ở trên hình
2.8.
Hình 2.8. Ổn định động
Hình (2.8a), một mômen nghiêng nhỏ tác dụng lên giàn gây ra góc nghiêng
φ1 . Với một xung lực, cộng do mô men nghiêng gây ra tạo thành thế năng của mô
men hồi phục. Tích phân của đường cong năng lượng gây nghiêng và hồi phục
giao nhau tại φ0 do diện tích của 2 đường cong mô men bằng nhau. Tại góc giao
.
nhau đó, vận tốc góc = 0 và ta có:
M H ( )d M R ( ) d
0 0
nghĩa là giàn nghiêng cực đại. Tại góc lắc cực đại này, mô men nghiêng nhỏ hơn
mô men hồi phục, nghĩa là cân bằng động này là cân bằng bền.
Hình (2.8b) mô men nghiêng được giả thiết lớn hơn. Tại trạng thái giới hạn
(đường đậm nét), cân bằng năng lượng đạt được tại giao điểm thứ 2 của đường
18
- cong mô men cho tới góc lật động hay là góc vào nước φmax. Tại góc nghiêng lớn
hơn một ít, mô men nghiêng lớn hơn mô men hồi phục và giàn bị lật. Khi mô men
nghiêng lớn hơn (đường nét đứt) năng lượng của mô men gây nghiêng lớn hơn
năng lượng của mô men hồi phục và không có giao điểm của 2 đường này, giàn bị
lật. Hình 2.9 minh họa các đường cong mô men hồi phục và mô men nghiêng đối
với ổn định nguyên vẹn và ổn định tai nạn của giàn. Ở đây, mô men nghiêng và
mô men hồi phục được biểu diễn là hàm của góc nghiêng. Đường cong mô men
nghiêng và mô men hồi phục. Đường cong mô men nghiêng và mô men hồi phục
giao nhau tại các góc nghiêng φ1 và φ2. Năng lượng của mô men hồi phục chính
bằng diện tích đường cong mô men hồi phục hay bằng A+B.
Hình 2.9. Tiêu chuẩn ổn định nguyên vẹn và ổn định tai nạn
Do đó, tiêu chuẩn ổn định quan trọng nhất có thể tóm lại được bằng biểu
thức sau:
A B
K
BC
Đối với giàn bán chìm K 1, 4 .
2.2 Bài toán ổn định công trình biển bán chìm
Xét bài toán dựa trên quan điểm ổn định tĩnh
Điều kiện khai thác cố định của các công trình biển bán chìm đòi hỏi ở các công
trình phải đủ đảm bảo các tiêu chuẩn ổn định của một công trình nổi đã nêu trong qui
phạm, song giới hạn các dao động phải đạt mức nhỏ nhất. Trong trường hợp cần thiết
phải có các giải pháp cưỡng bức giới hạn các dao động đó lại.
19
- Để tính toán ổn định của công trình biển bán chìm, thì yêu cầu phải đặt mô hình
bài toán dưới dạng tổng quát: xem giàn bán chìm là một hệ động học dưới tác dụng ngoại
lực như sóng, gió, dòng chảy và hệ neo với 6 bậc tự do. Nghĩa là trong bài toán ổn định,
mô men gây nghiêng không chỉ đơn thuần phụ thuộc vào gió (Mo=Mgió) mà còn phụ
thuộc vào các thành tố khác đã nêu ở trên. Do vậy phải xét thêm:
- Mô men do dòng chảy (M1= Mcurrent)
- Mô men do sóng:
+ Mô men do lắc ngang (M2= MRoll)
+ Mô men do lắc đứng (M3= MHeave)
- Mô men do phản lực của hệ neo (M4= Manchor)
Bài toán ổn định được phát biểu như sau: Tại góc nghiêng ngang, mô men gây
nghiêng hay năng lượng gây nghiêng phụ thuộc vào tổng các thành phần khác nhau và
mô men hồi phục hay năng lượng hồi phục cân bằng với nhau. Phương trình cân bằng
được thể hiện dưới dạng sau:
k
GZ ( ). Mt ( ) M i ( ) (2.23)
i 0
k
GZ d ( ). Mt ( ) M i ( )d ( ) (2.24)
0 i 0 0
Trong đó:
GZ ( ) : Cánh tay đòn hồi phục tĩnh.
GZ d ( ) : Cánh tay đòn hồi phục động
Qua phương trình trên cho ta thấy được nội dung cần thực hiện:
1. Xác định vế phải bằng bài toán ổn định của vật thể nổi thông thường:
- Xác định các yếu tố tính nổi của dàn bán chìm;
- Xác định cánh tay đòn ổn định tĩnh- cánh tay đòn hồi phục- (bằng mô men hồi
phục chia cho lượng chiếm nước).
2. Xác định vế phải bằng bài toán chuyển động dao động 06 bậc tự do của giàn và
tương tác của dòng chảy, sóng vào hệ dây neo:
- Trong bài toán chuyển động dao động 06 bậc tự do quan tâm chủ yếu đến 3 bậc:
lắc ngang (Roll); lắc đứng (Heave) và dịch chuyển ngang (Sway);
- Trong bài toán tương tác của dòng chảy, sóng vào hệ dây neo [2] phải thiết lập
được phương trình mô men gây nghiêng phụ thuộc vào phản lực của hệ dây neo. Ở
20
nguon tai.lieu . vn