Tài liệu 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 TTB ĐLNN Công trình biển cố định Trạng thái biển Đại lượng ngẫu nhiên QTNN ĐTC Quá trình ngẫu nhiên Độ tin cậy Ứng suất trong kết cấu

 Ứng suất cho phép  Khả năng chịu lực của vật liệu  ULS WSD LRFD Hệ số an toàn của vật liệu   FLS   Cường độ của vật liệu Trạng thái ứng suất cực hạn Thiết kế theo ứng suất cho phép Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số cường độ Hệ số của tải trọng thứ i Trạng thái giới hạn phá hủy mỏi Tỷ số tổn thất mỏi Tỷ số tổn thất mỏi cho phép DT f (DT) Tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong thời gian T Mật độ xác suất của DT  am N C, m Hệ số an toàn về mỏi Chiều sâu của vết nứt số chu trình ứng suất theo đường cong S-N C, m các thông số theo quy tắc Paris ∆ ,  Hệ số cường độ ứng suất tại điểm nóng bị phá hủy mỏi  ,   Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép  ,   Độ tin cậy và độ tin cậy cho phép của kết cấu Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép  Độ tin cậy theo điều kiện bền  Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm  Độ tin cậy theo điều kiện mỏi -x -  Độ tin cậy theo điều kiện bền tổng thể () Mặt cắt bề mặt sóng biển (Profile sóng ) Tz Tc H, Hs, Hmax  () Chu kỳ trung bình cắt không Chu kỳ trung bình của các đỉnh sóng cực đại (Hmax ) Chiều cao sóng, chiều cao sóng đáng kể, chiều cao sóng cực đại   Độ tin cậy theo điều kiện mỏi mở rộng Phổ sóng Thông số bề rộng dải phổ Sv v (ω ) x x Phổ vận tốc của phần tử nước theo phương x và phương y Sv v ( ω ) y y Sa a ( ω ) x x Phổ gia tốc của phần tử nước theo phương x và phương y S a a (ω ) y y F (t) Tải trọng sóng tác động lên kết cấu tính theo công thức Morison FD(t) FI(t) Thành phần lực cản của tải trọng sóng Thành phần quán tính của tải trọng sóng Mật độ nước biển  CD Hệ số cản vận tốc ,  Hệ số nước kèm Hệ số quán tính Vận tốc và gia tốc của phần tử nước !, ! , !" Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của vật cản ω ω1 Ma trận độ cứng, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ tải trọng quy về nút Hệ số khuếch đại động Tần số dao động của sóng Tần số của dạng dao động riêng thứ nhất của kết cấu CM CI  ( ) Phổ tải trọng sóng lên phần tử kết cấu #$% K,U(t), F(t) Kđ Độ lệch chuẩn của thành phần vận tốc % T1 ε Φ(n*n) Chu kỳ của dạng dao động riêng thứ nhất Hệ số cản của kết cấu khi dao động Ma trận các dạng dao động riêng của kết cấu -xi - M̂ Véc tơ chuyển vị suy rộng của hệ Ma trận khối lượng trong hệ tọa độ suy rộng Ĉ Ma trận cản nhớt trong hệ tọa độ suy rộng K̂ Ma trận độ cứng trong hệ tọa độ suy rộng F̂ (t) Véc tơ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng ΦT Ma trận chuyển trí của ma trận các dạng dao động riêng H(iω) Ma trận hàm truyền của hệ kết cấu &' &' () Phổ phản ứng của kết cấu Y(t) |)(*)| Mô đun hàm truyền  + ' + , ( ) Phổ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng NA, Mx, My A, Wx, Wy Lực dọc, mô men uốn theo phương x, theo phương y của thanh Diện tích, mô men kháng uốn theo phương x, theo phương y Phương sai của quá trình ứng suất #a .(/) Biên độ của quá trình ngẫu nhiên Hàm mật độ phân phối xác suất của a σmax Ứng suất cực đại tại điểm đang xét 0 Bề rộng khoảng tần số khi rời rạc phổ 1 Góc lệch pha ngẫu nhiên
2 Ứng suất do tải trọng sóng ngẫu nhiên Ni S-N A,m Số chu trình của số gia ứng suất là  Số chu trình gây phá hủy mỏi của số gia ứng suất Si Đường cong mỏi Các thông số của đường cong mỏi Wholer
23% ni .(4) SCF 56ă Ứng suất lớn nhất do tải trọng sóng ngẫu nhiên gây ra Hàm mật độ phân phối của số gia ứng suất s Hệ số tập trung ứng suất Tổn thất mỏi trong thời gian 1 năm 6ă P-M Tổn thất mỏi trong thời gian T năm 7 Kỳ vọng toán
8 Palmgreen- Miner Ứng suất tổng cộng trong kết cấu -xii - Danh mục các hình vẽ Trang Hình 1.1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket, 5 Hình 1.2 Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu 7 Hình 1.3 Các trạng thái biển tác động lên công trìn 11 Hình 1.4 Điểm nóng kiểm tra bền và kiểm tra mỏi tại đầu ống 12 Hình 1.5 Sơ đồ mô tả các bài toán đánh giá an toàn cho kết cấu jacket 14 Hình 2.1 Sơ đồ phân vùng áp dụng của các lý thuyết sóng 19 Hình 2.2 Thể hiện quá trình ngẫu nhiên của chuyển động sóng bề mặt 20 Hình 2.3 Phổ P-M và phổ JONSWAP 22 Hình 2.4 Minh họa chuyển đổi sóng biển từ phổ thành các sóng điều hòa 27 Hình 2.5 Quá trình ngẫu nhiên dải hẹp, quá trình ngẫu nhiên dải rộng 30 Hình 3.1 Độ tin cậy theo điều kiện mở rộng thay đổi theo thời gian 36 Hình 3.2 Một thể hiện của ứng suất điểm nóng theo thời gian 39 Hình 3.3 Ứng suất được sắp xếp thành các nhóm 40 Hình 3.4 Một thể hiện của nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu 41 Hình 3.5 Biểu diễn ứng suất theo bước thời gian 42 Hình 3.6 Phổ ứng suất điểm nóng S:: (ω) 42 Hình 3.7 Đếm số chu trình ứng suất theo pp đếm dòng mưa 43 Hình 3.8 Biểu đồ ứng suất sắp xếp theo nhóm 44 Hình 3.9 Hàm phân phối xác suất của D1năm 49 Hình 3.10 Độ tin cậy của công trình 52 Hình 3.11 Quan hệ giữa ĐTC theo điều kiện bền và chiều cao sóng 53 Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán mỏi ngẫu nhiên RFCAL 57 Hình 4.1 Mô hình kết cấu chân đế 61 Hình 4.2 Thể hiện ngẫu nhiên của lực dọc trong thanh 101L-202L 65 Hình 4.3 Thể hiện ngẫu nhiên của mô men Mx trongthanh 101L-202L 65 Hình 4.4 Thể hiện ngẫu nhiên của mô men My trongthanh 101L-202L 65 -xiii - Hình 4.5 Sơ đồ kết cấu và nút được tính toán trong ví dụ 67 Hình 4.6 Đường cong mỏi S-N 67 Hình 4.7 Kết quả lực dọc N trong thanh 101L-202L 69 Hình 4.8 Kết quả Mx trong thanh 101L-202L 69 Hình 4.9 Kết quả My trong thanh 101L-202L 69 Hình 4.10 Kết quả ứng suất điểm nóng R trong thanh 101L-202L 69 Hình 4.11 So sánh ĐTC theo điều kiện bền truyền thống và điều kiện bền mở 74 rộng Hình 4.12 So sánh ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống và mỏi mở rộng Hình 4.13 Ảnh hưởng của số lần xảy ra bão cực hạn đến độ tin cậy theo điều kiện mỏi của công trình tính ở thời điểm năm thứ 23 Hình 4.13b Độ tin cậy tổng thể tại điểm xét của kết cấu 76 77 79 -xiv - Danh mục các bảng biểu Trang Bảng 3.1 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống 58 Bảng 3.2 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền mở rộng 58 Bảng 3.3 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện mỏi mở rộng 58 Bảng 3.4 Bảng mẫu kết quả tính toán ĐTC theo điều kiện bền tổng thể 58 Bảng 4.1 Các thông số chính của công trình 60 Bảng 4.2 Số liệu sóng dùng tính toán bền 61 Bảng 4.3 Số liệu dòng chảy 62 Bảng 4.4 Số liệu gió 62 Bảng 4.5 Số liệu hà bám 62 Bảng 4.6 Số liệu sóng tính mỏi 62 Bảng 4.7 Số liệu địa chất 63 Bảng 4.8a Giá trị trung bình của các thành phần ứng suất tại điểm xét 66 Bảng 4.8b Độ lệch của các thành phần ứng suất tại điểm xét 66 Bảng 4.9 Phân phối sóng 1 năm theo hướng 68 Bảng 4.10 Phân phối sóng theo chu kỳ 68 Bảng 4.11 Xác suất của các TTB theo hướng 45o (Trung bình 1 năm) o 70 Bảng 4.12 Xác suất của các TTB theo hướng 225 (Trung bình 1 năm) 70 Bảng 4.13 Xác suất của các TTB theo hướng 270o (Trung bình 1 năm) 70 Bảng 4.14 Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống 72 Bảng 4.15 Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện bền mở rộng 73 Bảng 4.16 Kết quả tính toán theo điều kiện mỏi mở rộng với cơn bão kéo dài trong 3h Bảng 4.17 Kết quả tính toán theo điều kiện mỏi mở rộng với cơn bão kéo dài 74 75 trong 6h Bảng 4.18 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 23 76 -xv - Bảng 4.19 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 24 77 Bảng 4.20 Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 25 77 Bảng 4.21 Tổng hợp kết quả tính toán độ tin cậy 78 Bảng 4.22 Quan hệ giữa chiều cao cóng Hs và ĐTC theo điều kiện bền 80 Bảng 4.23 Kết quả tính toán độ tin cậy yêu cầu theo thời gian 80 -1 - Mở đầu Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Hiện nay đánh giá an toàn của các công trình biển theo độ tin cậy là một phương pháp hiện đại đang được quan tâm để đưa vào sử dụng trong các quy phạm. Phương pháp này có tiến bộ đáng kể là đã đưa vào mô hình hóa nhiều yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến an toàn của công trình mà các phương pháp khác chưa kể đến được. Tuy vậy điểm căn bản của phương pháp này vẫn dựa trên việc xem xét một cách riêng biệt hai điều kiện an toàn chính của kết cấu công trình biển; đó là điều kiện bền (khi công trình chịu tác động của sóng cực đại) và điều kiện mỏi (khi công trình chịu tác động của sóng thường xuyên trong trạng thái biển dài hạn). Thực tế là: hiện tượng mỏi do các tác động của sóng biển từ khi xây dựng công trình đến thời điểm đánh giá đã làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu và tổn thất mỏi do sóng biển trong trạng thái biển cực đại gây ra phải được kể đến cùng với tổn thất mỏi do trạng thái biển dài hạn tích luỹ trước đó. Các ảnh hưởng thực tế nói trên làm suy giảm độ an toàn (độ tin cậy) và tuổi thọ của kết cấu theo thời gian. Để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu do các ảnh hưởng này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu và hoàn thành luận án với tên đề tài là: “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”. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất một phương pháp mới dựa trên mô hình xác suất và lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình để đánh giá an toàn và tuổi thọ mỏi cho các kết cấu công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Việc xác định được độ tin cậy của từng vị trí trên kết cấu công trình tại một thời điểm bất kỳ trong quá trình khai thác, có kể đến tích lũy mỏi từ thời điểm xây dựng công trình đến thời điểm kiểm tra, và việc xác định được tuổi thọ mỏi của -2 - từng vị trí trên kết cấu công trình có kể đến tích luỹ mỏi do sóng biển trong các trạng thái biển cực đại đã gặp trước thời điểm kiểm tra giúp chúng ta có thể giải thích được hiện tượng một số kết cấu công trình gặp sự cố khi gặp bão nhỏ hơn bão thiết kế. Đây là một kết quả quan trọng của luận án, có ý nghĩa thực tiễn cho các hoạt động khai thác và bảo dưỡng kết cấu công trình, đảm bảo quá trình khai thác được an toàn dựa trên công tác tối ưu hóa được kế hoạch khảo sát, chương trình khảo sát và duy tu bảo dưỡng kết cấu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép dạng jacket chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên. Phương pháp nghiên cứu của luận án: - Nghiên cứu phương pháp luận: nghiên cứu tìm hiểu phương pháp luận giải các bài toán truyền thống (bài toán bền, bài toán mỏi) từ đó chỉ ra những vấn đề mà các bài toán truyền thống chưa xét đến; - Nghiên cứu ứng dụng: sử dụng các kiến thức cơ học, toán học và mô hình xác suất để xây dựng các công thức để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép . - Thực hiện các tính toán bằng số (kết hợp phần mềm tính toán kết cấu SACS với chương trình tự lập) để khảo sát kết quả ứng dụng phương pháp của luận án. - So sánh với các phương pháp truyền thống để đưa ra các kết luận ứng dụng. Mục tiêu nghiên cứu của luận án; - Nghiên cứu xác định các phản ứng ngẫu nhiên của kết cấu công trình biển cố định bằng thép (nội lực và ứng suất ngẫu nhiên) do tác động của sóng biển. - Nghiên cứu tổn thất mỏi ngẫu nhiên của kết cấu jacket do sóng biển gây ra - Xác định độ tin cậy của kết cấu theo các điều kiện bền và mỏi. - Nghiên cứu sự suy giảm theo thời gian của độ tin cậy do kể đến ảnh hưởng của tổn thất mỏi và tổn thất mỏi do bão cực hạn gây ra. -3 - Cấu trúc của luận án: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép (Jacket) Chương 2: Đánh giá an toàn của kết cấu jacket công trình biển cố định dựa trên tính toán bền và mỏi truyền thống 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 Chương 4: Ví dụ ứng dụng Kết luận của luận án Phụ lục Luận án bao gồm 90 trang, 34 hình vẽ, 24 bảng biểu và phụ lục