Tính toán chuyển vị ngang của giàn khoan tự nâng (Jackup)

tÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang<br /> cña giµn khoan tù n©ng (jackup)<br /> PGS.TS. §inh Quang C−êng<br /> ViÖn x©y dùng c«ng tr×nh biÓn-§HXD<br /> NguyÔn Ngäc Vinh HiÓn - 48 CLC-IH<br /> Calculation the horizontal displacement of Jack-up units<br /> Tãm t¾t<br /> Bµi b¸o ®−a ra c«ng thøc x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ ngang cña kÕt cÊu mãng ®ì ch©n ®Õ c¸c giµn<br /> jackup (Spudcan) khi tÝnh to¸n Jackup, tõ ®ã tÝnh ®−îc hÖ sè nÒn vµ gi¶i bµi to¸n lµm viÖc ®ång<br /> thêi cña Spudcan víi ®Êt nÒn. Ph−¬ng ph¸p nµy sö dông c¸c ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc vµ c¸c kÕt<br /> qu¶ nghiªn cøu gÇn ®©y vÒ quan hÖ t¶i träng vµ biÕn d¹ng cña nÒn cã kÓ ®Õn kÝch th−íc cña<br /> Spudcan.<br /> <br /> Summary<br /> The purpose of this science article is to give the recommended function to calculate<br /> the displacement of Spudcan of Jack up and suggest the practice method to design Jackup<br /> structure based on interaction between soil and Spudcan during the operation of Jackup.<br /> The recommended function would be based on force equation of equilibrium and the recent<br /> science result of seabed properties.<br /> <br /> 1. ®Æt vÊn ®Ò<br /> Khi m« h×nh ho¸ kÕt cÊu ®Ó tÝnh to¸n kÕt cÊu jackup, liªn kÕt nèi ®Êt cña hÖ kÕt cÊu th−êng<br /> ®−îc m« t¶ lµ ngµm cøng hoÆc ngµm ®µn håi. §é cøng cña c¸c lß xo ®µn håi th−êng ®−îc x¸c ®Þnh<br /> b»ng c¸c c«ng thøc trong c¸c quy ph¹m [5], [6], kh«ng ®Æc tr−ng cho bÊt kú h×nh d¹ng nµo cña<br /> Spudcan.<br /> Bµi b¸o nµy giíi thiÖu mét ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ ngang cña Spudcan. C¸c c«ng<br /> thøc vÒ ®Þa kü thuËt c«ng tr×nh biÓn ®−îc kham kh¶o vµ trÝch dÉn tõ kÕt qu¶ nghiªn cøu cña<br /> Butterfield and Houslsby [1].<br /> 2. TÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang<br /> C¸c gi¶ thiÕt:<br /> - KÕt cÊu khèi th−îng tÇng cña jackup<br /> (Hull) tuyÖt ®èi cøng, vËt liÖu ®µn håi<br /> tuyÕn tÝnh.<br /> - Khi kh«ng kÓ ®Õn sù ¶nh h−ëng cña<br /> t¶i träng sãng vµ giã t¸c ®éng lªn<br /> kÕt cÊu jackup th× t¶i träng th−îng<br /> tÇng (W) ®−îc chia ®Òu cho ba<br /> Spudcan - h×nh 2.<br /> - T¶i träng ngang (do sãng vµ giã) kÝ<br /> hiÖu lµ HT ®−îc ®Æt t¹i to¹ ®é<br /> L*=L+S+Y, c¸c kho¶ng c¸ch L,S,Y<br /> ®−îc ®¸nh dÊu vµ kÝ hiÖu nh− trªn<br /> h×nh 2. H×nh 1: Jackup & c¸c ngo¹i lùc t¸c dông lªn jackup<br /> - 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<br /> xøng qua ®−êng trung tuyÕn tõ ®Ønh lµ ch©n 1, gi¶ thiÕt ch©n 2 vµ ch©n 3 cã chuyÓn vÞ vµ<br /> chÞu t¶i träng nh− nhau.<br /> - Bá qua chuyÓn vÞ xoay cña spudcan so víi ®¸y biÓn khi chÞu t¶i träng ngang<br />  XÐt hÖ kÕt cÊu cho trªn h×nh 1, víi c¸c gi¶ thiÕt nªu trªn ®©y th× Hull chØ dÞch chuyÓn<br /> ngang song song víi ®¸y biÓn d−íi t¸c dông cña t¶i träng ngang HT, chuyÓn vÞ nµy ®−îc kÝ<br /> hiÖu lµ hHull. C¸c gi¸ trÞ chuyÓn vÞ ngang t−¬ng ®èi kh¸c bao gåm: chuyÓn dÞch ngang cña<br /> c¸c 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<br /> ch©n ®Õ (Spudcan) lÇn l−ît lµ δ1, δ2 , δ3 - xem kÝ hiÖu trªn h×nh 3.<br /> hHull = h1 + δ 1 = h23 + δ 23 (1)<br /> trong ®ã: h23=h2=h3; δ23 = δ2 = δ3<br /> 2.1 TÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang t−¬ng ®èi cña Hull vµ Spudcan<br /> XÐt c©n b»ng lùc ®øng vµ lùc ngang - h×nh 2, ta ®−îc:<br /> H T = H 1 + 2H 23 (2)<br /> W = V1 + 2V23 (3)<br /> trong®ã H 23 = H 2 = H 3 ; V23 = V2 = V3<br /> XÐt c©n b»ng m«men t¹i ®iÓm thÝch hîp<br /> trªn Spudcan, ta suy ra ®−îc ph−¬ng tr×nh x¸c<br /> ®Þnh c¸c ph¶n lùc t¹i Spudcan, c¸c chó gi¶i vµ<br /> dÊu qui −íc ®−îc ghi trªn h×nh 2, chó ý r»ng δ1<br /> vµ δ2 cã thÓ kh¸c nhau. Ph−¬ng tr×nh x¸c ®Þnh<br /> c¸c ph¶n lùc ®øng V1, V23=V2=V3 ®−îc viÕt nh−<br /> sau:<br /> W .( D / 3 + δ 23 − e23 ) + H T .L*<br /> V1 =<br /> D + (e1 − e23 ) − (δ1 − δ 23 ) (4)<br /> <br /> W .( D / 3 − δ1 / 2 + e1 / 2) − H T .L* / 2 H×nh 2: S¬ ®å tæng thÓ tÝnh to¸n Jackup<br /> V23 = (5)<br /> D + (e1 − e23 ) − (δ1 − δ 23 )<br /> Víi D lµ kho¶ng c¸ch trªn h×nh chiÕu<br /> b»ng gi÷a ch©n 1 vµ ch©n 2,3 - h×nh 1 vµ<br /> L*=L+S+Y - h×nh 2. KÝ hiÖn e1=M1/V1 lµ ®é<br /> lÖch t©m cña ph¶n lùc t¹i t¹i ch©n 1, t−¬ng tù<br /> cho e2 vµ e3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 3: S¬ ®å tÝnh chuyÓn vÞ th¼ng vµ chuyÓn<br /> vÞ xoay cña Jackup<br /> <br /> <br /> Gãc xoay θi cña Spudcan cã quan hÖ víi m« men Mi vµ ®é cøng chèng xo¾n KRS,i -<br /> nh− sau - h×nh 4:<br /> M i = K RS ,i .θi (6)<br />  ChuyÓn vÞ ngang t−¬ng ®èi cña ch©n theo ph−¬ng y so víi ®iÓm nèi gi÷a ch©n vµ<br /> Spudcan ph¶i tháa mcn ph−¬ng tr×nh ®µn håi sau - h×nh 4:<br /> d2y<br /> EI . = H i .( L + S − x) − M i (7)<br /> dx 2<br /> trong ®ã EI lµ ®é cøng chèng uèn.<br /> TÝch ph©n ph−¬ng tr×nh (7) theo x, x¸c ®Þnh gãc xoay dy/dx t¹i x=L, thay gi¸ trÞ gãc<br /> xoay t¹i x=L cho m« men trong ph−¬ng tr×nh 6 vµ thu gän kÕt qu¶ ta ®−îc:<br /> H i .L2  EI  S<br /> θi =   .(1 + 2 ) (8)<br /> 2 EI  EI + K RS ,i .L  L<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 4: S¬ ®å tÝnh ch©n Jackup chÞu uèn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TÝch ph©n ph−¬ng tr×nh (7) hai lÇn, x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ t−¬ng ®èi t¹i x=L, quan t©m<br /> ®Õn chuyÓn vÞ xoay t−¬ng ®èi θi – h×nh 4, thay chuyÓn vÞ xoay t−¬ng ®èi t¹i x=L cho chuyÓn<br /> vÞ xoay trong ph−¬ng tr×nh 8, ta ®−îc:<br /> H i .L3   EI  <br /> δi = 1 + 3  <br /> <br /> .(1 + 2.S / L)2  (9)<br /> 12 EI   EI + K RS ,i .L <br /> <br /> <br /> 2.2 TÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang cña Spudcan - bµi to¸n tr−ît ngang<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 5: Quan hÖ t¶i träng vµ biÕn d¹ng cña nÒn cã kÓ ®Õn kÝch th−íc cña Spudcan<br /> øng dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cña Dean vµ Stukamoto [2], mèi quan hÖ gi÷a m«<br /> men t¹i Spudcan víi ®−êng kÝnh Spudcan vµ t¶i träng ®øng truyÒn lªn Spudcan - h×nh 5, nh−<br /> sau:<br /> 1/ 2<br />  M  2 2<br /> <br /> 2  Hi  Vi  V <br />   + β .   = α. .1 − i  (10)<br /> i<br /> <br />  B.VMi   VMi   VMi  VMi <br /> trong ®ã:<br /> - B lµ ®−êng kÝnh cña Spudcan h×nh trßn;<br /> - VMi Kh¶ n¨ng chÞu lùc theo ph−¬ng ®øng hiÖn t¹i cña mãng;<br /> - α vµ β lµ c¸c ®¹i l−îng h»ng sè kh«ng thø nguyªn phô thuéc vµo h×nh d¸ng<br /> Spudcan vµ hÖ sè ma s¸t gi÷a Spudcan víi nÒn. C¸c ®¹i l−îng kh«ng thø nguyªn<br /> α vµ β cßn phô thuéc vµo ®é c¾m s©u vµo ®Êt theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña<br /> Spudcan vµ kh¶ n¨ng chÞu c¾t cña ®Êt nÒn.<br /> Dean [2] ®c ®−a ra c¸c gi¸ trÞ α vµ β nh− sau: α=0.35 vµ β=0.625. SNAME [3] ®c sö<br /> dông c«ng thøc t−¬ng tù vµ lÊy α=0.3 vµ β=0.625. C¸c tÝnh to¸n d−íi ®©y lÊy c¸c gi¸ trÞ<br /> α=0.35 vµ β=0.625.<br />  Tsukamoto [2] ®c ph¸t triÓn biÓn thøc cña Dean ®Ó x¸c ®Þnh Mi víi gi¶ thiÕt quan hÖ<br /> gi÷a m« men Spudcan Mi vµ gãc xoay cña Spudcan θi víi t¶i träng theo ph−¬ng th¼ng ®øng<br /> t¸c dông lªn Spudcan lµ h»ng sè Vi - h×nh 5.<br />   − K RE ,i .θi  <br /> M i = M ULT ,i 1 − exp    (11)<br /> M / B<br />   ULT , i  <br /> 3. Mét sè kÕt qu¶ ban ®Çu<br /> Theo ®å thÞ ë h×nh 5 vµ gi¸ trÞ ë biÓu thøc (10) , tÝnh ®−îc MULT cã gi¸ trÞ nh− sau<br />  Vi <br /> 1 − <br /> M ULT ,i Vi  VMi <br /> = α. . (12)<br /> B VMi  <br /> 2<br /> <br />  β <br /> 1+  <br />   Mi  1 <br />   B  . H <br />  i <br /> D¹ng rót gän c«ng thøc (12):<br />  Vi <br /> 1 − <br /> M ULT ,i Vi  VMi <br /> = α. . (13)<br /> B VMi β <br /> 2<br /> <br /> 1+  <br /> ζ <br /> Víi ζ=(Mi/B)/Hi vµ víi gi¸ trÞ KRE,i ®−îc gi¶ thiÕt lµ phô thuéc t¶i träng theo ph−¬ng<br /> ®øng trªn Spudcan th«ng qua hÖ sè RRE:<br /> K RE ,i = RRE ,i . Vi (14)<br /> C¸c quan hÖ t¶i träng vµ biÕn d¹ng trªn h×nh 5 ®−îc biÓu diÔn nh− sau [2].<br /> ∆ ( Bθ 1 ) M i / B<br /> = (15)<br /> ∆ (hi / β ) βH1<br /> Víi B vµ β lµ h»ng sè, thùc hiÖn khai triÓn phÐp tÝnh sè gia, hi ®−îc tÝnh nh− sau:<br /> B 2 .θi .β 2 .H i<br /> hi = (16)<br /> Mi<br /> Nh− v©y ta cã:<br /> hHull = h1 + δ1 = h23 + δ 23 (17)<br /> <br /> B 2 .θi .β 2 .H i H i .L3   EI  <br /> hHull = + 1 + 3   .(1 + 2.S / L) 2  (18)<br /> 12 EI   <br /> Mi  EI + K RS ,i .L  <br /> Trong ®ã:<br /> - B (m): §−êng kÝnh Spudcan (m)<br /> - β: HÖ sè phô thuéc ®é nh¸m gi÷a Spudcan vµ nÒn, theo Dean β=0.625<br /> - Hi (m): Lùc do t¶i träng ngang t¸c dông vµo ch©n thø i<br /> - Mi (Tm): M« men do t¶i träng ngang g©y ra t¹i ®iÓm tiÕp xóc ch©n thø i vµ nÒn<br /> - L(m): Kho¶ng c¸ch gi÷a th©n vµ ®iÓm ®Çu cña Spudcan<br />  - EI (Tm2): §é cøng chèng uèn cña ch©n<br /> - KRS,i (Tm): §é cøng chèng xo¾n cña ch©n thø i<br /> - S: ChiÒu cao Spudcan<br /> 4. C¸c b−íc tÝnh to¸n x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ ngang cña Spudcan<br /> Qua kÕt qu¶ ph©n tÝch trªn, c«ng thøc 16 cã thÓ tÝnh ®−îc chuyÓn vÞ ngang cña<br /> Spudcan. Tuy nhiªn cÇn ph¶i cã néi lùc lªn Spudcan. Do vËy ph−¬ng ph¸p thùc hµnh ®Ó tÝnh<br /> chuyÓn vÞ ngang ®−îc ®Ò nghÞ lµ thùc hiÖn viÖc gi¶i lÆp kÕt cÊu, ®−îc thùc hiÖn theo c¸c<br /> b−íc trong s¬ ®å khèi d−íi ®©y:<br /> B−íc 1:<br /> 8.G.R<br /> TÝnh s¬ bé ®é cøng lß xo theo ph−¬ng ngang K h = (theo DnV)<br /> 2−v<br /> 32.(1 − v).G.R<br /> hoÆc Kh = (thep API)<br /> 7 − 8v<br /> B−¬c 2:<br /> Thùc hiÖn viÖc ph©n tÝch ®éng kÕt cÊu (nªn dïng SACS V5.2)<br /> B−íc 3:<br /> Tõ kÕt qu¶ néi lùc cña viÖc ph©n tÝch ®éng, tÝnh to¸n l¹i chuyÓn vÞ ngang hHULL theo<br /> c«ng thøc:<br /> B 2 .θi .β 2 .H i H i .L3   EI  <br /> hHull = + 1 + 3   .(1 + 2.S / L) 2 <br /> 12 EI   <br /> Mi  EI + K RS ,i .L  <br /> B−íc 4:<br />  H  1<br /> TÝnh ®é cøng lß xo theo ph−¬ng ngang theo c«ng thøc: Ki =  .<br />  h HULL  n<br /> Víi n lµ sè ch©n<br /> B−íc 5: TÝnh lÆp<br /> Sau ®ã thÕ Ki vµo vµ ph©n tÝch ®éng lÇn 2<br /> B−íc 6: KiÓm tra kÕt qu¶<br /> Dõng tÝnh to¸n khi Kin ≈ Kin+1 dõng<br /> III. KÕT LUËN<br /> - C¸c m« h×nh ®¬n gi¶n th−êng ®−îc sö dông tr−íc ®©y ®Ó tÝnh chuyÓn vÞ ngang cña c¸c giµn<br /> khoan tù n©ng (jackup) lµ ngµm cøng ®· tá ra kh«ng chÝnh x¸c khi bá qua ¶nh h−ëng cña<br /> ®Êt nÒn t¹i vÞ trÝ khai th¸c jackup.<br /> - C¸c c«ng thøc trong c¸c quy ph¹m [5], [6] ®ang sö dông ®Ó tÝnh to¸n chuyÓn vÞ ngang cña<br /> c¸c giµn khoan tù n©ng (jackup) ®· kÓ ®Õn ¶nh h−ëng cña ®Êt nÒn tuy nhiªn ch−a xÐt ®Õn<br /> h×nh d¸ng cña Spudcan vµ ch−a kÓ ®Õn ®é xuyªn s©u cña Spudcan vµo ®Êt nÒn.<br /> - B»ng viÖc dïng c¸c c«ng thøc giíi thiÖu trong bµi b¸o nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc chuyÓn vÞ<br /> ngang cña Spudcan vµ tÝnh ®−îc sù lµm viÖc ®ång thêi gi÷a Spudcan vµ ®Êt nÒn, cã xÐt ®Õn<br /> h×nh d¸ng cña Spudcan vµ ®é xuyªn s©u cña Spudcan vµo ®Êt nÒn.<br />  Tµi liÖu tham kh¶o<br /> [1]Butterfield, R.,Houslsby (1997) - Stadardized sign conventions and notation for<br /> generallly loaded foundations..Geotechnique Vol.47 No 5, page: 1051-1054<br /> [2]Dean,E.T.R, James, Tsukamoto (1993) - The bearing capacity of conical footings on sand<br /> in relation to the behaviour of Spudcan footings of Jackup. NXB Oxford, Trang: 203-253<br /> [3]Sname (1994) - Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units. Society of<br /> Naval Architects and Marine Engineers, Môc 5-5A, NXB New Jersey<br /> [4]Pierson, W.J and Moskowitz, L (1964) - Aproposed form for fully developed wind seas<br /> based on the similarity theory of S.A Vol 69, No 24, Trang 5181-902<br /> [5] DnV,1981, Rules for Design, Construction and Inspection of Offshore Structures, Hovik,<br /> Norway<br /> [6]API,1993, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed<br /> Offshore Platforms,American Petroleum Institute Publication RP-2A, Dallas, Texas<br />