7. Jacket on-bottom stability analysis - Tính toán ổn định vị trí cho Chân đế

Dear các pro,
Mong AE cùng chấp bút để hoàn thiện topic này.

 

Scope of Document.
The report documents the structural on-bottom analysis and mudmat design carried out for WHP jacket. The analysis is performed in accordance to Substructure Structural FEED Design Basis, Design Brief for Substructure On-bottom Stability Analysis using SACS suite of engineering programs.
The analysis procedure is based on a linear elastic response of the jacket structure under static loading conditions. The analysis is performed on a three dimensional (3D) model of the jacket primary structure as shown in the drawings. The structure is idealised as a three-dimensional space frame made-up of beam-column finite elements.
Member design code checks are performed in accordance to AISC Allowable Stress Design (<st1:stockticker w:st="on">ASD</st1:stockticker>) specification [Ref. 2] and API RP2A Working Stress Design (WSD) recommendation [Ref.1].
The objectives of the on-bottom analysis are: -
· To design and confirm the required mudmat area based on jacket on-bottom weight and installation seastate;
· To ensure adequate stability of the jacket during un-piled and partially piled condition for the selected seastate; and
· To ensure that the design of the jacket framing members and joints in the vicinity of the mudmat complies with recognised codes and standards of practice.
The design criteria used are shown in the report. The weight of the jacket will be supported by the mudmat’s bearing on the seabed soil until piles are installed.
The Offshore Installation Contractor (OIC) to review and perform the final piling sequence based on the actual pile make-up.
-----------------------------
Một trong những bài toán phục vụ công tác thi công lắp đặt biển cho chân đế thép kiểu Jacket là bài toán ổn định của chân đế ở trạng thái tiếp đáy trong quá trình lắp dựng đến khi hoàn thành công tác đóng cọc.
Cho đến nay vẫn chưa có một tài liệu, quy phạm hay tiêu chuẩn chính thức nào hướng dẫn cho việc tính toán sự ổn định của chân đế ở trạng thái tiếp đáy. Có rất nhiều các công ty thiết kế đã tính toán bài toán này theo các quan điểm khác nhau dẫn đến kết quả có sự khác biệt.
Để chủ động trong việc thay đổi các phương án trong quá trình thi công và có một cơ sở tính toán thống nhất. ACE xin chia sẽ một vài thông tin về kinh nghiệm thi công, cũng như cơ sở lý thuyết và phương pháp luận để giải quyết bài toán.
Giới thiệu qua cho ACE về khái niệm và chức năng sàn chống lún
1. Khái niệm
Sàn chống lún là một kết cấu dạng bản mỏng được thiết kế và lắp đặt tại vị trí mặt ngang thấp nhất của chân đế để tăng khả năng ổn định ở trạng thái tiếp đáy trong quá trình lắp đặt biển.
2. Chức năng của sàn chống lún
Sàn chống lún được thiết kế và lắp đặt với các chức năng sau:
./ Tăng diện tích tiếp xúc của chân đế với nền đất
./ Phân bố đều tải trọng bản thân chân đế xuống nền đất
./ Tăng ma sát giữa nền đất và chân đế
./ Tổng sức chịu tải của nền đất tăng
./ Tăng khả năng chống trượt

 

Khái niệm sự ổn định chân đế thép Jacket trạng thái tiếp đáy trong quá trình lắp đặt

Khái niệm
Sự ổn định của chân đế thép ở trạng thái tiếp đáy trong quá trình lắp đặt là trạng thái đứng yên của chân đế dưới tác dụng của tải trọng bản thân, tải trọng do môi trường và tải trọng do quá trình đóng cọc từ khi tháo dời toàn bộ cáp cẩu liên quan ra khỏi khối chân đế đến khi hoàn thành công tác đóng cọc.

Hình 1: Chân đế ở trạng thái ổn định dưới đáy biển
​

Trong thực tế thi công lắp đặt biển, để tiết kiệm chi phí, tạo không gian cho việc lắp đặt và có tính khả thi thì thông thường chỉ sử dụng một tàu cẩu duy nhất. Sau khi chân đế được quay lật xong, toàn bộ hệ thống xả khí và bơm dằn sẽ hoạt động để xả khí và bơm nước dằn vào trong ống chính chân đế và phao phụ để tăng
khối lượng bản thân cho chân đế, tăng khả năng ổn định dưới tác dụng của tải trọng môi trường và tải trọng do quá trình đóng cọc.
Sau khi chân đế đã được đưa vào vị trí lắp đặt cuối cùng thì toàn bộ cáp cẩu liên quan sẽ được tháo khỏi chân đế để thực hiện công tác lắp và đóng cọc. Toàn bộ quy trình và các phân tích tính toán đòi hỏi phải có những tính toán thật chính xác, tỉ mỉ dựa trên các số liệu đầu vào của thiết kế và các thông số địa chất, môi trường cụ thể

 

Các Bài Toán Liên Quan On-bottom Stability

Khi chân đế đã được lắp đặt xuống dưới đáy biển, thông thường công tác
đóng cọc được thực hiện càng nhanh càng tốt. Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào thời tiết tại thời điểm thi công thực tế. Do đó, cần thực hiện các dự báo thời tiết trong khoảng thời gian ngắn hạn để có cơ sở lựa chọn thời điểm thi công lắp đặt cho phù hợp. Trong thực tế, bất kỳ một sự cố nào gặp phải trong quá trình lắp đặt sẽ làm chậm trễ và mất một khoảng thời gian trước khi chân đế được cố định hoàn toàn dưới đáy biển bằng hệ thống cọc.
Việc giải quyết các vấn đề liên quan để đảm bảo chân đế được ổn định và cân bằng trong suốt quá trình đóng cọc là hết sức cần thiết. Do đó, cần phải thực hiện một phân tích riêng biệt cho sự ổn định của chân đế ở trạng thái tiếp đáy. Theo đó, ba bài toán cần phải thực hiện trong phân tích tính toán này, cụ thể:
Bài toán thứ nhất: Nền đất đủ sức chịu tải. Bài toán này liên quan đến các tính chất cơ lý của đất nền, quan điểm tính toán về sự làm việc giữa nền đất và chân đế, khối lượng bản thân của chân đế, tải trọng do môi trường, tải trọng do quá trình thực hiện công tác đóng cọc.
Bài toán thứ hai: Chân đế đảm bảo ổn định chống trượt. Bài toán này liên quan đến ma sát giữa nền đất và khối chân đế, trọng lượng bản thân của chân đế, tải trọng do môi trường tác động và tải trọng do quá trình thực hiện công tác đóng cọc.
Bài toán thứ ba: Chân đế đảm bảo ổn định chống lật. Bài toán này liên quan đến trọng lượng bản thân của khối chân đế, tải trọng do môi trường tác động và tải trọng do quá trình thực hiện công tác đóng cọc.
Trong phân tích tính toán, cần sử dụng các thông số của điều kiện môi trường cho phù hợp với quá trình thi công thực tế nhằm đảm bảo an toàn và đạt hiệu quả kinh tế.
Các hệ số an toàn cần đạt được trong quá trình tính toán kiểm tra phải theo yêu cầu trong tiêu chuẩn API RP 2A hoặc theo yêu cầu đặc biệt từ chủ đầu tư hay đơn vị đăng kiểm hàng hải.

 

Trong bài có quá nhiều tải trọng mang tên: "tải trọng do quá trình thực hiện công tác đóng cọc", vậy cụ tỷ nó là những thứ nào huynh?

 

Hi Bạn Khong,
Tải trọng đóng cọc là một trong nhiều loại tải trọng cần quan tâm khi phân tích bài toán on-bottom, về tải trọng do quá trình thi công đóng cọc có thể hiểu như sau:
Khi chân đế đã được đưa vào vị trí lắp đặt dưới biển, sẽ tiến hành móc cáp cẩu vào đoạn cọc đầu tiên (đối với cọc đóng thông qua ống chính) hoặc nguyên cả cọc (đối với cọc đóng qua ống cọc váy) để bắt đầu thực hiện công tác lắp và đóng cọc.

Hình 1: Công tác đọng cọc
​

Khi lắp cọc vào ống chính hoặc ống cọc váy thì chân đế chịu một tải trọng thẳng đứng do cọc gây ra bằng trọng lượng đoạn cọc đó tại vị trí thả cọc. Trong quá trình tính toán ổn định của chân đế ở trạng thái tiếp đáy cần phải đề cập đến tải trọng này vì các lý do sau đây:
+ Vì khoảng hở giữa đường kính ngoài của cọc và đường kính trong của
ống chính hoặc đường kính trong của ống cọc váy theo thiết kế thường là khoảng 38mm. Tuy nhiên, để cọc được hướng tâm trong quá trình thả và đóng cọc thì trong lòng ống chính được thiết kế và lắp đặt các mã căn tâm có chiều dày khoảng 25mm. Do vậy, khoảng hở giữa đường kính ngoài của cọc và mặt trong của các mã căn tâm chỉ còn khoảng 13mm mỗi phía.
+ Trong quá trình chế tạo, do biến dạng nhiệt của vật liệu khi hàn các ống ngang, ống chéo và các mặt ngang nên kích thước của ống chính hay ống cọc váy trong suốt chiều dài tuyến có sai số đáng kể, vào khoảng ±20mm
+ Trong quá trình cuốn các đoạn của ống chính từ các tấm tôn trong các nhà máy có độ oval cục bộ tại từng đoạn ống.
+ Ngoài ra, sai số do quá trình chế tạo thành từng đoạn hay nguyên cả
chiều dài cọc cũng khá lớn khoảng ±20mm.
Chính vì các lý do trên, nên trong quá trình lắp cọc vào trong ống chính hay ống cọc váy sẽ sinh ra ma sát giữa cọc và ống chính. Nên để đảm bảo an toàn, cần phải mô hình tải trọng do quá trình đóng cọc vào phân tích tính toán.
Thông thường sau khi thực hiện lắp xong cọc thứ nhất, sẽ thực hiện tiếp cho cọc chéo đối diện để sớm tạo nên sự ổn định cho chân đế ở trạng thái tiếp đáy do tải trọng bản thân của cọc sẽ làm cho cọc xuyên vào nền đất một khoảng nhất định tạo nên một phần ổn định cho chân đế trước khi tiến hành đóng cọc (self penetration). Tuy nhiên trong thực tế thi công biển, việc kiểm tra cao độ đỉnh của chân đế sẽ được thực hiện sau khi đóng xong cọc thứ nhất để xem xét và quyết định đóng cọc nào tiếp theo trong các cọc còn lại để giảm bớt công việc căn chỉnh cao độ sau khi hoàn tất công việc đóng cọc.

Ngoài tải trọng do công tác thi công đóng cọc, thiết kế bài toán dang này AE cần quan tâm tới các loại tải trọng sau:
1/ Tải trọng sóng
2/ Dòng chảy và tải trọng do dòng chảy
3/ Tải trọng sóng tác dụng lên hệ thống Conductor
4/ Tải trọng bản thân khối chân đế
5/ Tải trọng đẩy nổi
6/ Tải trọng do áp lực thủy tĩnh
7/ Tải trọng gió

 

Các Bài Toán Liên Quan On-bottom Stability

On-bottom analysis không thể thiếu các bài toán về kiểm tra về sự ổn định của kết cấu trong trạng thái tiếp đáy, topic tiếp tục giới thiệu tới ACE phần tiếp theo và quan trọng nhất của report.
Các Bài Toán Liên Quan On-bottom Stability hay Tính toán kiểm tra ổn định của chân đế ở trạng thái tiếp đáy. bao gồm:
1/Kiểm tra sức chịu tải của nền
2/Kiểm tra ổn định trượt
3/Kiểm tra ổn định lật
4/Kiểm tra phần tử thanh
5/Kiểm tra phần tử nút
------------
Trước hết xin trình bày bài toán thứ 1: Kiểm tra sức chịu tải của nền
Sự phá huỷ nền đất có thể xảy ra khi sức chịu tải của nền nhỏ hơn áp lực thực tế do chân đế dưới tác dụng của các loại tải trọng tác dụng lên nền đất. Sức chịu tải của nền đất được tính theo công thức trong API, section foundation dựa trên các số liệu về địa chất tại khu vực thi công lắp đặt. Toàn bộ số liệu về nền đất được lấy từ đơn vị khảo sát địa chất.
Áp lực thực tế của chân đế lên nền đất có thể được tính theo công thức

q=Fz/A'​

Trong đó:
q: Áp lực thực tế của chân đế lên nền đất
FZ: Tổng tải trọng đứng do SACS tự tính cho các tổ hợp tải trọng
A’: Diện tích hiệu quả, là phần diện tích tiếp xúc giữa chân đế và nền đất, được xác định thông qua phần diện tích của sàn chống lún mà có phản lực của nền đất lên >0 được SACS tự tính trong các tổ hợp tải trọng.
Sau khi xác định được qu và q, hệ số an toàn cho ổn định của nền đất được
xác định bằng:

Fb=qu/q>[Fb]​

Theo tiêu chuẩn API, hệ số an toàn đối với ổn định sức chịu tải nền đất
thường lấy bằng 2.
Đối với mọi tổ hợp tải trọng, hệ số an toàn cho ổn định của nền đất phải lớn
hơn 2. Ngược lại, thì phải thiết kế lại sàn chống lún cho chân đế.

Hình minh hoạ:Trọng tác dụng lên chân đế trong trường hợp tính toán áp lực nền đất:

​

 

Kiểm tra ổn định trượt

2/ Kiểm tra ổn định trượt
Thông thường, chân đế được giữ ổn định chống trượt do ma sát giữa nền đất
và sàn chống lún bằng một lực FU (=H). Các tải trọng ngang gây ra hiện tượng trượt bao gồm: tải trọng sóng, gió, dòng chảy theo các tổ hợp tải trọng. Tổng tải trọng ngang gây trượt cho mỗi tổ hợp tải trọng, được ký hiệu là FH.

Fh=sqrt(Fx^2+Fy^2)​

Sau khi tính được tổng tải trọng ngang gây trượt và tổng tải trọng ngang chống trượt, hệ số an toàn chống trượt được tính toán theo công thức:

Fs=Fu/Fh>[Fs]​

Theo tiêu chuẩn API, hệ số an toàn chống trượt [ ] S F thường được lấy bằng
1,5 đối với mọi tổ hợp tải trọng.
Thực hiện việc kiểm tra hệ số an toàn chống trượt cho mọi trường hợp, nếu
không thỏa mãn điều kiện lớn hơn 1,5 thì phải tính toán, thiết kế lại sàn chống lún
cho chân đế.

Hình minh hoạ:Tải trọng tác dụng lên chân đế trong trường hợp tính toán ổn định trượt
​

 

Kiểm tra ổn định lật

Tất cả tổng lực ngang và tổng lực dọc tác động lên chân đế đều được thế hiện phương, chiều và điểm tác dụng, được mô tả chi tiết trong hình sau đây:

Hình 1: Tải trọng tác dụng lên chân đế trong trường hợp tính toán ổn định lật​

Xét trường hợp chân đế quay lật theo điểm C như hình trên, các mô men lật và mô men giữ được tính toán dựa trên tổng lực ngang và tổng lực dọc cùng với cánh tay đòn (là khoảng cách điểm đặt lực đến điểm quay lật của chân đế).
Qua đó, hệ số an toàn cho ổn định lật được tính toán theo công thức sau đây:

FO=FZxl/FHxm>[F0]​

Thông thường, hệ số an toàn cho ổn định lật được lấy là 1,5. Việc kiểm tra hệ số an toàn cho ổn định lật sẽ được thực hiện trong các tổ hợp tải trọng. Nếu hệ số an toàn không lớn hơn 1,5 thì cần phải tính toán, kiểm tra lại để tăng tổng lực dọc của chân đế (có thể tăng khối lượng nước giằng trong các phao phụ, ống chính chân đế hoặc tăng khối lượng bản thân chân đế trong quá trình thiết kế).

 

Kiểm tra phần tử thanh và Nút

Kiểm tra phần tử thanh
Đối với phân tích tĩnh kết cấu chân đế, áp lực nền lớn nhất được áp dụng tại bề mặt sàn chống lún trong trường hợp trọng lực và trọng lực với tải trọng môi trường để kiểm tra mặt cắt vật liệu sử dụng làm sàn chống lún. Khi sàn chống lún được kiểm tra đã thoả mãn các điều kiện dưới tác dụng của áp lực nền gây nên bởi khối lượng chân đế ở trạng thái tiếp đáy với tải trọng của các đoạn cọc, búa và tải trọng môi trường thì việc kiểm tra các phần tử thanh sẽ được thực hiện. Hệ số Uc (Unity check) của các phần tử thanh nằm trong mặt ngang thấp nhất của chân đế đỡ sàn chống lún cần phải thoả mãn điều kiện <1 theo tiêu chuẩn AISC và API RP2A- WSD phiên bản thứ 21. Trường hợp không thoả mãn điều kiện thì cần phải gia cường cho các phần tử ống và chạy lại chương trình.
Kiểm tra phần tử nút
Dưới tác dụng của phản lực nền đất lên sàn chống lún thì việc kiểm tra lực cắt chọc thủng ống cũng được kiểm tra. Hệ số Uc (Unity check) của các đầu nối ống thép trên sàn chống lún được kiểm tra để thoả mãn điều kiện <1 theo tiêu chuẩn API RP2A-WSD phiên bản thứ 21. Trường hợp không thoả mãn điều kiện thì phải gia cường các ống bị chọc thủng bằng cách tăng chiều dày và chạy lại chương trình.

 

Bài viết quá hay và đầy đủ?
Chân thành cảm ơn các tiền bối đã đi trước chỉ bảo