Nghiên cứu sự suy giảm độ tin cậy theo thời gian của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnh hưởng của tổn thất mỏi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

MAI HỒNG QUÂN

NGHIÊN CỨU SỰ SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN

CỦA CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP DO

ẢNH HƯỞNG CỦA TỔN THẤT MỎI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 03-2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

MAI HỒNG QUÂN

NGHIÊN CỨU SỰ SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN

CỦA CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP DO

ẢNH HƯỞNG CỦA TỔN THẤT MỎI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Xây dựng công trình biển

Mã số: 62 58 02 02-2 (mã số mới: 62580203)

Tập thể hướng dẫn khoa học

Thầy hướng dẫn số 1: PG.TS. Đinh Quang Cường

Thầy hướng dẫn số 2: GS. TS. Phạm Khắc Hùng

HÀ NỘI 03-2014

-i -

Lời cảm ơn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể các thầy hướng dẫn khoa học,

PGS.TS. Đinh Quang Cường và GS.TS. Phạm Khắc Hùng, đã tận tâm hướng

dẫn và giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án này. Ngoài các kiến thức khoa học quý

báu, các thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ để tác giả vượt qua được nhiều

thời điểm khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin đặc biệt cảm ơn

GS. TS. Phạm Khắc Hùng đã cho phép tác giả vận dụng một phần sáng chế của

mình để giải quyết các vấn đề trong luận án.

Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Viện Xây dựng Công trình

Biển, các cán bộ Khoa Sau Đại học trường Đại học Xây Dựng đã đóng góp ý kiến

về chuyên môn và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án này.

Tác giả cảm ơn gia đình yêu quý của mình, đặc biệt đối với vợ, các con và

cha mẹ hai bên nội ngoại đã tin tưởng, khích lệ, cảm thông cho tác giả trong những

năm tháng làm luận án.

Tác giả

Mai Hồng Quân

-ii -

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất cứ công trình nào khác.

Ngày …. tháng….. năm 2014

Nghiên cứu sinh

Mai Hồng Quân

-iii -

Mục lục

Lời cảm ơn ......................................................................................................................... i

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu................................................................................ ix

Danh mục các hình vẽ ..................................................................................................... xii

Danh mục các bảng biểu ................................................................................................. xiv

Mở đầu .............................................................................................................................. 1

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................... 1

Ý nghĩa khoa học:.................................................................................................... 1

Ý nghĩa thực tiễn của luận án: ................................................................................. 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN

KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET)

1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép .............. 4

1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép .............................................. 4

1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định .......................................... 5

1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công ........................................................... 5

1.1.4. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới ... 6

1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng

thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam ...................................................................... 7

1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu

jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành .................................................................. 8

1.2.1. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành ......... 8

1.2.1.1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn...................................... 8

1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy ........................................................ 9

1.2.2. Nhận xét về các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong các tiêu chuẩn

hiện hành ............................................................................................................... 10

1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế ................................................ 10

1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................ 11

1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................. 11

1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án .............................................................. 12

-iv -

1.3.1.1. Nguyên lý tổng quát để đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình

biển theo sáng chế của GS. Phạm Khắc Hùng ........................................................ 12

1.3.2. Đặt vấn đề nghiên cứu ................................................................................. 13

1.3.3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ................................................................ 13

1.4. Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu trong luận án .................................... 14

1.5. Kết luận của chương 1 .................................................................................. 15

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CỦA KẾT CẤU JACKET CÔNG TRÌNH

BIỂN CỐ ĐỊNH DỰA TRÊN TÍNH TOÁN BỀN VÀ MỎI TRUYỀN THỐNG

2.1. Mở đầu .......................................................................................................... 16

2.1.1. Các trạng thái tác động sóng lên các công trình biển .................................... 16

2.1.2. Đánh giá an toàn của kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành ............................... 17

2.1.2.1. Đánh giá theo điều kiện bền ...................................................................... 17

2.1.2.2. Đánh giá an toàn theo điều kiện mỏi ......................................................... 17

2.2. Mô tả chuyển động sóng biển bề mặt ........................................................... 18

2.2.1. Mô tả sóng theo quan điểm tiền định ........................................................... 18

2.2.1.1. Các lý thuyết sóng .................................................................................... 18

2.2.1.2. Miền áp dụng các lý thuyết sóng ............................................................... 19

2.2.2. Mô tả sóng theo quan điểm ngẫu nhiên ........................................................ 19

2.2.2.1. Mặt cắt (profile) của sóng ngẫu nhiên ....................................................... 19

2.2.2.2. Phổ năng lượng của sóng .......................................................................... 20

2.2.2.3. Các phổ sóng thông dụng trong thiết kế kết cấu công trình biển ............... 21

2.2.2.4. Phổ vận tốc và gia tốc của phần tử nước do sóng ngẫu nhiên .................... 22

2.3.Tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử mảnh của kết cấu jacket.............. 22

2.3.1. Tải trọng sóng tiền định ............................................................................... 22

2.3.2. Tải trọng sóng ngẫu nhiên ............................................................................ 23

2.4. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện bền truyền thống ....... 24

2.4.1. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định ..................... 24

2.4.1.1. Xác định phản ứng động của kết cấu theo mô hình tiền định ..................... 24

-v -

2.4.1.2. Kiểm tra bền của kết cấu theo mô hình tiền định ....................................... 25

2.4.2. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên .................. 25

2.4.2.1. Phương pháp phổ ...................................................................................... 25

2.4.2.2. Phương pháp giải trong miền thời gian ..................................................... 26

2.5. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện mỏi truyền thống ...... 28

2.5.1. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định .......... 28

2.5.1.1. Tính toán mỏi theo phương pháp tổn thất tích luỹ ..................................... 28

2.5.1.2. Tính toán tổn thất mỏi theo mô hình sóng tiền định................................... 29

2.5.2. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên ...... 30

2.5.2.1. Ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng ........................................................... 30

2.5.2.2. Xác định tổn thất mỏi trung bình của điểm nóng trong trạng thái biển ngắn

hạn bằng phương pháp phổ .................................................................................... 31

2.5.2.3. Tuổi thọ mỏi trung bình của điểm nóng trong kết cấu jacket ..................... 33

2.6. Kết luận của chương 2 .................................................................................. 33

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ MỨC SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY

THEO THỜI GIAN CỦA KẾT CẤU JACKET CÁC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH

3.1. Mở đầu .......................................................................................................... 35

3.1.1. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống .......................... 35

3.1.2. Dạng tổng quát độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống .......................... 35

3.2. Dạng tổng quát đánh giá sự suy giảm ĐTC tổng thể của kết cấu jacket .... 35

3.2.1. Dạng tổng quát độ độ tin cậy dựa trên điều kiện bền mở rộng ...................... 35

3.2.2. Dạng tổng quát độ độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng ........................... 36

3.3. Xác định độ tin cậy về bền của kết cấu jacket trong trạng thái biển ngắn

hạn cực đại ........................................................................................................... 37

3.3.1. Ứng suất ngẫu nhiên trong kết cấu ............................................................... 37

3.3.2. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải hẹp ................. 38

3.3.3. Độ tin cậy về bền của kết cấu jacket khi ứng suất có phổ dải rộng ............... 38

-vi -

3.4. Xác định độ tin cậy theo điều kiện mỏi tại một điểm nóng của kết cấu

jacket phụ thuộc vào thời gian khai thác ........................................................... 40

3.4.1. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi trong trạng thái biển ngắn

hạn tại một điểm nóng ........................................................................................... 40

3.4.1.1. Biểu diễn ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng trong miền thời gian ........... 40

3.4.1.2. Xác định số lượng chu trình ứng suất bằng kỹ thuật đếm dòng mưa .......... 43

3.4.1.3. Xác định kỳ vọng và phương sai của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một

trạng thái biển ngắn hạn ......................................................................................... 44

3.4.2. Xây dựng hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một

năm………... ......................................................................................................... 48

3.4.2.1. Mật độ xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm ................. 48

3.4.2.2. Hàm phân phối xác suất của tổn thất mỏi tại điểm nóng trong một năm .... 48

3.4.2.3. Đánh giá độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng trong 1 năm…………………...49

3.5. Xác định độ tin cậy về mỏi tại điểm nóng ở thời điểm T(năm)................... 50

3.6. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện bền mở rộng .. 51

3.6.1. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải hẹp .......... 51

3.6.2. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải rộng......... 51

3.7. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện mỏi mở rộng . 51

3.7.1. Kỳ vọng của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng ...................................................... 51

3.7.2. Phương sai của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng .................................................. 52

3.7.3. Độ tin cậy tính theo điều kiện mỏi mở rộng ................................................. 52

3.8. Đánh giá sự suy giảm ĐTC theo thời gian của KCCĐ jacket dựa trên ĐTC

thực tế (tổng thể) của KC tại điểm xét ............................................................... 52

3.9. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại

theo thời gian khai thác công trình ..................................................................... 53

3.10. Sơ đồ thuật toán đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo các phương

pháp truyền thống và theo phương pháp luận của Luận án ............................. 55

3.11. Kết luận của chương 3 ................................................................................ 60

-vii -

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ ỨNG DỤNG

4.1. Mở đầu .......................................................................................................... 61

4.2. Các số liệu đầu vào sử dụng trong ví dụ ...................................................... 61

4.2.1. Số liệu về công trình .................................................................................... 61

4.2.2. Số liệu về môi trường................................................................................... 62

4.3. Các phần mềm máy tính sử dụng trong ví dụ ............................................. 64

4.3.1. Các phần mềm thương mại .......................................................................... 64

4.3.2. Phần mềm tự lập “ RFCAL” ....................................................................... 65

4.4. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống .................................. 65

4.4.1. Kết quả tính nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu .............................................. 65

4.4.2. Kiểm tra bền của phần tử thanh .................................................................... 67

4.5. Độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống của kết cấu jacket .................. 67

4.5.1. Tính toán tổn thất mỏi .................................................................................. 68

4.5.1.1. Đầu vào tính mỏi ...................................................................................... 68

4.5.1.2. Tính toán ứng suất điểm nóng ................................................................... 69

4.5.1.3. Tính toán tổn thất mỏi tại điểm nóng ......................................................... 71

4.5.2. Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện phá hủy mỏi truyền thống ......... 73

4.6. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy tổng thể của kết cấu jacket ...................... 73

4.6.1. Độ tin cậy tại điểm đặc trưng của kết cấu khi bắt đầu khai thác ................... 73

4.6.2. Đánh giá sự suy giảm độ tin cậy và khả năng chịu tải của kết cấu trong quá

trình khai thác ........................................................................................................ 74

4.6.2.1. Độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng ...................................................... 74

4.6.2.2. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng .................................. 75

4.6.2.3. Nghiên cứu bổ sung với trường hợp biến đổi khí hậu bất thường: ............. 77

4.6.2.4. Kết quả tính toán độ tin cậy tổng thể của công trình .................................. 79

4.7. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại

theo thời gian khai thác công trình tại điểm xét................................................. 80

4.8. Kết luận của chương 4 .................................................................................. 81

-viii -

PHẦN KẾT LUẬN

1. Những kết quả đã đạt được ............................................................................ 83

2. Những đóng góp mới của luận án .................................................................. 83

3. Kiến nghị của luận án .................................................................................... 84

4. Hướng nghiên cứu phát triển của luận án ....................................................... 84

PHỤ LỤC: Chương trình tính mỏi ngẫu nhiên RFCAL …………..……….…….90

-ix -

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

CTB Công trình biển

CTB CĐ Công trình biển cố định

TTB Trạng thái biển

ĐLNN Đại lượng ngẫu nhiên

QTNN Quá trình ngẫu nhiên

ĐTC Độ tin cậy

Ứng suất trong kết cấu

Ứng suất cho phép

 Khả năng chịu lực của vật liệu

 Cường độ của vật liệu

 Hệ số an toàn của vật liệu

ULS Trạng thái ứng suất cực hạn

WSD Thiết kế theo ứng suất cho phép

LRFD Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số cường độ

 Hệ số của tải trọng thứ i

FLS Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi

Tỷ số tổn thất mỏi

Tỷ số tổn thất mỏi cho phép

DT Tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong thời gian T

f (DT) Mật độ xác suất của DT

 Hệ số an toàn về mỏi

am Chiều sâu của vết nứt

N số chu trình ứng suất theo đường cong S-N

C, m

∆

C, m các thông số theo quy tắc Paris

Hệ số cường độ ứng suất tại điểm nóng bị phá hủy mỏi

, Độ tin cậy và độ tin cậy cho phép của kết cấu

,  Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép

, Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép

 Độ tin cậy theo điều kiện bền

 Độ tin cậy theo điều kiện mỏi

 Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm

-x -

 Độ tin cậy theo điều kiện bền tổng thể

 Độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng

() Mặt cắt bề mặt sóng biển (Profile sóng )

Tz Chu kỳ trung bình cắt không

Tc Chu kỳ trung bình của các đỉnh sóng cực đại (Hmax )

H, Hs

, Hmax Chiều cao sóng, chiều cao sóng đáng kể, chiều cao sóng cực đại

() Phổ sóng

 Thông số bề rộng dải phổ

( )

x x v v

S ω

( )

y y v v

S ω

Phổ vận tốc của phần tử nước theo phương x và phương y

( )

x x a a

S ω

( )

y y a a

S ω

Phổ gia tốc của phần tử nước theo phương x và phương y

F (t) Tải trọng sóng tác động lên kết cấu tính theo công thức Morison

FD(t) Thành phần lực cản của tải trọng sóng

FI(t) Thành phần quán tính của tải trọng sóng

 Mật độ nước biển

CD Hệ số cản vận tốc

CM Hệ số nước kèm

CI Hệ số quán tính

,  Vận tốc và gia tốc của phần tử nước

 () Phổ tải trọng sóng lên phần tử kết cấu

!, !, !" Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật cản

#$% Độ lệch chuẩn của thành phần vận tốc %

K,U(t), F(t) Ma trận độ cứng, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ tải trọng quy về nút

Kđ Hệ số khuếch đại động

ω Tần số dao động của sóng

ω1

Tần số của dạng dao động riêng thứ nhất của kết cấu

T1 Chu kỳ của dạng dao động riêng thứ nhất

ε Hệ số cản của kết cấu khi dao động

Φ(n*n) Ma trận các dạng dao động riêng của kết cấu