Bài toán hạ thủy

BÀI TOÁN HẠ THỦY HẠ THỦY BẰNG CẨU NỔI Các bài toán khi thi công hạ thủy bằng cẩu: CÂN GIÀN Mục đích: Biết được khối lượng để chuẩn bị sức nâng của cẩu Biết trọng tâm (COG) : + Hook và trọng tâm phải nằm trên cùng một đường thẳng đứng + Lựa chọn vị trí tiếp xúc của dây cáp với cẩu nâng (Các vị trí móc cáp nằm trên một đường tròn có tâm là COG) Quy trình cân giàn giúp ta xác định được một cách chính xác trọng lượng và trọng tâm của công trình thực tế sau khi chế tạp nhằm phục vụ cho quy trình hạ thủy và vận chuyển,đánh chìm ngoài biển. Đồng thời kết quả cân giàn còn phục vụ cho công tác xác định giá thành của công trình. Hình 1: Sơ đồ cân giàn đơn giản Trang thiết bị sử dụng Kích : dùng để nâng hạ các công trình có tải trọng và kích thước lớn Thiết bị cẩu, xe nâng Các bài toán trong quy trình cân giàn Xác định trọng tâm, trọng lượng của giàn Trọng tâm, trọng lượng của kết cấu hoàn thiện được xác định như sau: Trọng lượng: R = ∑Rn Trọng tâm: Trong đó: Rn: phản lực tại vị trí đặt kích Xn, Yn: tọa độ của điểm đặt kích Trọng lượng, trọng tâm của kết cấu khi hạ thủy được xác định như sau: Trọng lượng: R= ΣRn + ΣWan - ΣWrn Trọng tâm: Trong đó: Wan - Trọng lượng của các chi tiết thêm vào tại vị trí (n). Wrn - Trọng lượng của các chi tiết đã gỡ bỏ tại vị trí (n). Xan - Hoành độ trọng tâm của chi tiết thêm vào (an). Yan - Tung độ trọng tâm của chi tiết thêm vào (an). Xrn - Hoành độ trọng tâm của chi tiết gỡ bỏ ( rn). Yrn - Tung độ trọng tâm của chi tiết gỡ bỏ (rn). Trọng lượng, trọng tâm của kết cấu khi tiến hành thi công trên biển: Trọng lượng: R= ΣRn + ΣWan - Σ Wrn - WLB Trọng tâm: Trong đó: WLB là trọng lượng của dầm đỡ Thượng tầng. Kiểm tra sức chịu tải của nền Sử dụng phần mềm SAP2000 ta xác định được các phản lực tác dụng lên các kích. Lấy giá trị lớn nhất Pmax để kiểm tra Tải trọng tính toán: Ptt = Pmax * 1.2 Từ Ptt xác định áp lực tác dụng lên nền, so sánh với sức chịu tại của nền để kiểm tra. Lựa chọn cẩu (Chosing crane) Mục đích - Di dời ở cùng độ cao ( Moving at the same height) - Thay đổi đến độ cao hơn. (Lifting to higher poisition) Thiết bị - Cẩu ( Crane )* - Dây cáp (Cable)* - Ngoài ra còn có thể có : + Padeye : Dùng để cẩu sàn, thiết bị cho topside + Shackle (maní) : Thiết bị dùng để nối dây cáp với padeye, topper + Loadcell: Đo khối lượng của vật cần nâng (for extra information ask Mr Nghia) Hình 2: Sơ đồ lựa chọn cẩu Trong đó: h1: là chiều cao của giá đỡ h2: chiều cao panel tại vị trí móc cẩu h3: chiều cao đoạn cáp h4: chiều cao tối thiểu an toàn cho móc cẩu Hm: là chiều cao móc Cơ sở để lựa chọn cẩu: Trọng lượng vật nâng: nhỏ hơn 80% khả năng nâng của cẩu. Giới hạn chiều cao thu cáp: Chiều dài cáp tối thiểu từ móc cáp đến đỉnh boom phụ thuộc vào từng loại cẩu, không nhỏ hơn 5m với những cẩu nhỏ như SCX 1500-2, không nhỏ hơn 9m với SL 6000. Kích thước vật nâng: khoảng cách gần nhất từ vật nâng đến boom của cẩu không được nhỏ hơn 1m. Từ các yếu tố trên ta xác định các thông số cơ bản của cẩu : Sức nâng Pcapacity Chiều dài boom ( max length of boom ) : L Bán kính cẩu (working radius) : R 1.1.3. Lựa chọn các thiết bị khác a. Dây cáp (cable) : Lực dọc lớn nhất Tmax < SWL ( Safety working load) Lực căng trong dây cáp do thành phần đứng trong pedaye và trọng lượng bản thân cáp gây ra. Độ lớn của nó tỉ lệ nghịch với Sine góc giữa cáp và phương ngang(Horizontal): Sling = (Vertical padey load+Sling weight)sin⁡(U) Trong đó: Vertical padeye load = Padeye resolved lift weigh x SKL SKL: Là hệ số Skew, điều chỉnh độ của tải trọng. Phụ thuộc vào chiều dài dây cable và tính không cố định. + Trường hợp dây dài vô hạn thì SKL = 1.25 + Trường hợp dây dài xác định SKL = 1.0 Trong thực tế tính toán lấy SKL=1.0 b. Maní ( Shackle) : Đảm bảo lực kéo. Tính toán đảm bảo tải trọng lớn nhất tác dụng lên maní nhỏ hơn khả năng của nó. c. Padeye and stopper : 3.3.1. Các điều kiện đảm bảo làm việc an toán của padeye. - Ứng suất tới hạn lỗ padeye - Lực kéo gây cắt - Khả năng chịu kéo hai bên đường kính lỗ - Tổ hợp ứng suất - Ứng suất cắt tại mặt cắt tới hạn - Ứng suất cắt tại mối hàn của tấm. - Kiểm tra đường hàn. Hình 3: Sơ đồ lực trên padeye * Kiểm tra khả năng chịu kéo mặt cắt tại điểm A: σ max = P / at ≤ [σ] τ max = P / 2ct ≤ [τ] * Kiểm tra mặt khả năng chịu cắt tại B: σ max = P / 2bt ≤ [σ] Theo tiêu chuẩn API RP-2A WSD2000, ứng suất tới hạn: [σ] = 0,9*Fy (N/mm2) Trong đó: Fy là cường độ chảy dẻo của vật liệu làm Padeye. * Kiểm tra khả năng chịu cắt theo phương T: s=TA ≤[s] Theo tiêu chuẩn API RP-2A WSD2000, mục 3.2.4.b - Lực kéo gây cắt (Torsional Shear), ứng suất cắt dự trữ: Fvt = 0,4*Fy (N/mm2) * Kiểm tra mặt cắt C(Tổ hợp ứng suất): σ max = M / w + P / et ≤ [σ] τ’max w= H / et ≤ [τ] ( M = H.h ) Ta kiểm tra đảm bảo điều kiện chịu uốn trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng padeye * Kiểm tra đường hàn: Theo tiêu chuẩn AWS D1.1, bảng 2.3, ứng suất cho phép của đường hàn: faw = 0,3*Fw (M/mm2) fwl=PwlAwl Kiểm tra thỏa mãn: Fwl ≤ Faw Kiểm tra ổn định của xà lan Tính toán hệ thống gối đỡ trên bờ và xà lan Tính toán chằng buộc trong quá trình vận chuyển HẠ THỦY BẰNG TRAILER Thông số, kích thước cơ bản của xe trailer Ưu điểm: quá trình hạ thủy đơn giản, an toàn cao và áp dụng được cho nhiều công trình khối lượng khác nhau. Nhược điểm: quá trình đảm bảo cân bằng hệ Topside và trailer khi xuống xà lan rất phước tạp, chi phí mua xe trailer cao. Các thông số cần quan tâm khi tính toán hạ thủy bằng trailer: Sức nâng của mỗi trục trailer Khoảng cách giữa các trục trailer Dựa vào thông số hình học và trọng lượng của Jacket hay Topside để bố trí số trục hay group trailer cho phù hợp Chiều cao nâng hạ của mỗi trailer Diện tích tiếp xúc và tải trọng của trailer truyền xuống đất nền Hình 4: mô hình mặt đứng trailer Các bài toán khi thi công hạ thủy bằng trailer: Lựa chọn và bố trí số trục bánh xe Trong đó: N : số trục bánh xe trailer cần thiết P : tải trọng của Jacket, topside truyền xuống trailer Ptruc : sức chịu tải của mỗi trục trailer Áp lực trên mỗi bánh xe: Trong đó: Pbx : áp lực lên mỗi bánh xe Ptruc : sức chịu tại của mỗi trục N : số bánh xe Mỗi bánh xe có 1 diện tích tiếp xúc với đất nền: Trong đó: Pnen : áp lực cho phép của nền Bố trí trailer: Hình 5: Sơ đồ bố trí trailer Dựa vào khối lượng, trọng tâm của Jacket (topside). Để bố trí trailer ta dựa trên phương pháp cân bằng momen: Cân bằng momen theo phương x ta có: Þ Trong đó: W1 : khối lượng kết cấu lên group trailer 1 W2 : khối lượng kết cấu lên group trailer 2 Y1 : cánh tay đòn từ tâm group trailer 1 đến trọng tâm kết cấu Y2 : cánh tay đòn từ tâm group trailer 2 đến trọng tâm kết cấu Khối lượng kết cấu: Trong đó: W : trọng lượng kết cấu Vậy ta có tải trọng mỗi group trailer bằng: Tính toán và kiểm tra cho dầm trailer: Dầm trailer là thiết bị truyền tải từ kết cấu xuống trailer. Nó có tác dụng phân đều tải trọng xuống các bánh xe Công thức kiểm tra bền cho dầm trailer: Trong đó: Pmax : tải trọng lớn nhất truyền xuống dầm A : diện tích tiếp xúc giữa chân đế với dầm : ứng suất cho phép của thép làm dầm, = Fy n: hệ số an toàn Tính toán sức chịu tải của nền đất khi trailer đi qua: Công thức kiểm tra: Trong đó: P : trọng lượng hệ trailer+dầm+jacket(topside) truyền xuống đất S : tổng diện tích tiếp xúc giữa bánh xe trailer với đất : áp lực cho phép của nền Tính toán lực kéo cho động cơ Thông số đầu vào của động cơ do nhà thầu cung cấp. Công thức kiểm tra: Sự di chuyển của xe Trailer thỏa mãn các điều kiện chống trượt : mc*Gφ*φ ≥ Pcmax ≥ Gdx*¥ Trong đó: mc – Hệ số tải trọng phân phối khi vận chuyển,chọn mc = 1. Gφ – Tổng trọng lượng các động cơ chính φ – Hệ số ma sát φ = 0.7 Pcmax – Tổng lực kéo lớn nhất của các đông cơ Gdx – Tổng tải trọng của cả đoàn xe ¥ - Hệ số kể đến sự lắc ngang của hệ khi chuyển động ¥ = 0.03 Tính toán ổn định lật Xác định trọng tâm của khối chân đế Với O là trọng tâm của KCĐ OH Khoảng cách từ trọng tâm KCĐ tới mặt I - Hình chiếu của O trên mặt phẳng nghiêng Vận chuyển KCĐ trên đường dốc 1o so với mặt phẳng ngang: HI = tgα1*OH ≤ HA. Tính toán giằng buộc cho kết cấu trên xe trailer Xác định trọng tâm của khối chân đế Với O là trọng tâm của KCĐ OH Khoảng cách từ trọng tâm KCĐ tới mặt I - Hình chiếu của O trên mặt phẳng nghiêng Vận chuyển KCĐ trên đường dốc 1o so với mặt phẳng ngang: HI = tgα1*OH ≤ HA. Tính toán giằng buộc cho kết cấu trên xe trailer Khi xoay KCĐ sẽ chịu tác dụng của lực quán tính ly tâm: P1t = (Qtt*V2)/R Trong đó: Qtt – Trọng lượng của khối chân đế trên xe Traler V – Vận tốc xoay, V = 0.83 m/s R – Bán kính xoay tính từ tâm Lực ma sát trượt của khối chân đế trên sàn xe traler là: Fms = Qtt *µ Kiểm tra P1t < Fms :Không cần tính toán cáp buộc nếu không thỏa mãn thì ngược lại Khi di chuyển trên đường có độ nghiêng 1o, Lực gây trượt đối với kết cấu khối chân đế được tính như sau: Pt = Qtt*sin 10 Kiểm tra Pt < Fms : Không cần tính toán cáp buộc nếu không thỏa mãn thì ngược lại Trong trường hợp hãm phanh với gia tốc lớn, lực quán tính tạo bởi trọng lượng của khối chân đế là: Pqt = (Qtt/g )*Jmax Kiểm tra Pqt < Fms :Không cần tính toán cáp buộc nếu không thỏa mãn thì ngược lại Kích thước và số lượng của dây giằng buộc phụ thuộc vào trọng lượng của công trình và được tính như sau: Gọi T là tổng lực căng của các sợi dây giằng; Vậy: T*sinα + (T*cosα + Qtt)µ = Pqt Trong đó: α là góc hợp bởi theo phương ngang của sợi cáp,α = 45 0 Vậy T = Số dây cáp cần thiết: N ≥ T/SWM Vậy ta tìm được số dây cáp và đường kính tương ứng; HẠ THỦY BẰNG KÉO TRƯỢT Topside hay jacket được hạ thủy xuống xà lan bằng cách kéo trượt trên đường trượt được chế tạo trước trên cầu cảng với độ dốc nhỏ. Topside (jacket) được đưa tới gần mép cảng, tiến hành dằn nước để đường trượt xà lan ngang bằng mặt cảng, kéo lên xà lan. Ưu điểm: thời gian hạ thủy ngắn, không yêu cầu thiết bị phức tạp, chi phí ít, thích hợp với những công trnhf có kích thước, khối lượng lớn Nhược điểm: Tính toán cân bằng xà lan khá phức tạp Thiết kế đường trượt tốn kém Công tác chuẩn bị Khi xà lan cập Cảng, bộ phận an toàn phải kiểm tra nồng độ khí độc hại trong các khoang của xà lan bằng các thiết bị chuyên dụng Xà lan cập cảng được neo song song với cầu cảng, sau đó các thiết bị bơm, tời neophục vụ hạ thủy được đưa lên xà lan và lắp đặt vào vị trí thiết kế Với strand jacks cần thiết kế và hàn bệ neo vào các vị trí vách cứng và dầm cứng trên xà lan, cáp được cắt đúng kích thước, Cao trình của điểm neo trên xà lan phải cao bằng cao trình của Strand Jacks đặt trên chân đế. Đường dây cáp kéo phải song song với đường trượt. Với hệ thống dằn nước, tất cả các bơm phải được bảo dưỡng và kiểm tra cẩn thận, lắp đặt hệ thống bơm và ống trên xà lan Tất cả các thiết bị phục vụ công tác hạ thủy phải được đưa dến trước 2 tuần trước khi hạ thủy để chạy thử. Tất cả các thiết bị không liên quan đến công tác hạ thủy được đi chuyển ra khỏi khu vực hạ thủy Trong vòng 4-5 ngày kể từ khi xà lan cập Cảng, strand jacks sẽ được lắp đặt lên kết cấu, nguồn điện được đặt đúng vị trí thiết kế và neo được cố định vào bệ neo trên xà lan. Ba ngày trước khi hạ thủy, hệ thống dây cáp của strand jacks được lắp đặt, hệ thống bơm dằn nước và hệ thống neo của xà lan được kiểm tra lần cuối. Công tác kiểm tra hệ thống bơm được thực hiện bằng cách luân chuyển các bơm trong suốt một chu kỳ đã biết, thường là 15 phút và đo hiệu số mực nước trong các khoang trong suốt chu kỳ đó. Với kích thước các khoang đã biết trước dễ dàng tính được lưu lượng nước. Tháo dỡ các kết cấu đỡ khối chân đế Lắp đặt cà điều chỉnh chiều cao đường trượt trên cầu cảng sao cho mặt đường trượt trên cầu cảng bằng với mặt đường trượt trên bãi lắp ráp. Sẵn sàng cho công tác hạ thủy Thiết kế đường trượt Cấu tạo khối bê tông Hình 6: Cấu tạo đường trượt thông dụng Thiết kế hệ thống kéo trượt Lựa chọn thiết bị kéo Hiện nay thiết bị kéo trượt phổ biến là Strand jack. Đây là thiết bị kích thủy lực được chọn dựa trên trọng lượng jacket(topside) và hệ số ma sát. Ta bố trí strand jack cả trên jacket và xà lan. 2 hệ thống này hoạt động độc lập nghĩa là trong quá trình hạ thủy nếu 1 trong 2 trands jack hỏng thì cái còn lại vẫn đủ khả năng kéo . Ta tính toán lực kéo cần thiết cho mỗi Strand jack: Theo Tiêu chuẩn DnV – Rules for Planning and Execusion of Marines Operations: Lực kéo: Fs = ms(W + Weq) + Ps Fdyn = mdyn(W + Weq) + Pdyn Trong đó: Fs : lực kéo tĩnh ( lực phát động) Fdyn : lực kéo động ( lực kéo cần thiết khi khối chân đế đã di chuyển). : hệ số ma sát tĩnh, tra bảng : hệ số ma sát động, tra bảng W : trọng lượng khối chân đế Weq : trọng lượng thiết bị Ps và Pdyn : các tải trọng khác ( tải trọng ảnh hưởng của quán tính, môi trường, do các mặt nghiêng) Bố trí strand jack Strand jack được bố trí trên jacket như sau: Hình 7: mô hình hệ thống kéo trượt Các bài toán liên quan khi hạ thủy bằng kéo trượt Thiết kế hệ thống đường trượt, áp lực nền lên đường trượt Thiết kế hệ thống dầm hạ thủy Tính toán ổn định xà lan bao gồm: Tính dằn nước cho xà lan để đảm bảo mặt đường trượt trên xà lan luôn bằng mặt đường trượt trên bờ Tính toán bền cho xà lan khi mới nhận tải và sau khi topside(jacket) nằm trên xà lan Kiểm tra ổn định lật cho xà lan Tính lực căng cáp khi kéo trượt Khả năng làm việc cần thiết của kích Hệ thống cáp neo giữ xà lan. BÀI TOÁN THI CÔNG VẬN CHUYỂN TÍNH TOÀN LỰC KÉO Để tăng độ ổn định cho khối chân đế khi vận chuyển trên biển, thì việc bố trí khối chân đế trên sà lan phải hợp lý, làm sao cho hệ đảm bảo ổn định trong quá trình vận chuyển (tức là trọng tâm của khối chân đế và trọng tâm của sà lan nên bố trí gần nhau nhất có thể). Ngoài ra bố trí khối chân đế trên sà lan còn phụ thuộc vào phương án hạ thủy và đánh chìm. Việc vận chuyển khối chân đế phải được thực hiện trong điều kiện thời tiết bình thường Trong quá trình vận chuyển khối chân đế thì lực kéo phải thắng được lực cản của môi trường. Lực cản này bao gồm có lực cản do dòng chảy, lực cản do sóng và lực cản do gió (trong tính toán bỏ qua lực cản do gió vì quá nhỏ). Lực cản do dòng chảy Lực cản hình dáng: có phương vuông góc với hướng dòng chảy Lực ma sát bề mặt: có phương song song với hướng dòng chảy Trong đó: Am: là tổng diện tích bề mặt ướt của kết cấu nổi Am=2xTx(B+L)+BxL Ap: diện tích phần hình chiếu của Am lên mặt phẳng vuông góc với hướng dòng chảy, thiên về an toàn ta coi hướng dòng chảy vuông góc với hướng di chuyển của sà lan, khi đó: Ap=TxB r = 1.025 T/m3 – khối lượng riêng của nước biển Vc: vận tốc của dòng chảy có xét đến di chuyển Lực cản do sóng Để tính toán sức kéo sà lan thì ta chỉ cần tính lực trôi dạt do sóng tác dụng lên phương dọc thân tàu, bỏ qua thành phần tác dụng lên phương ngang tàu: FS = 0.13.Cd.B2.L.H2s Trong đó: Hs: chiều cao sóng đáng kể Cd: hệ số trôi dạt trung bình Lựa chọn tàu kéo Tổng lực cản tác dụng lên sà lan: Sức kéo của tàu: Ft = Fd.k Q = Fd.Vtàu kéo (công suất) (KJ/s =Kw) Trong đó: - k: hệ số kể đến sức kéo của chính bản than tàu kéo. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BAN ĐẦU Việc tính ổn định ban đầu của hệ (khối chân đế và sà lan) chính là việc kiểm tra chiều cao ổn định ban đầu ho theo các trục phải lớn hơn không. Cao độ trọng tâm của hệ sà lan và khối chân đế là: Trong đó: ZG1: cao độ trọng tâm của hệ khối chân đế và gối đỡ so với gốc tọa độ ZG2: cao độ trọng tâm sà lan Cao độ phù tâm của hệ là: ZC = T/2 Thể tích chiếm nước của sà lan: V= B.L.T Momen quan tính diện tích đường mặt nước đối với trục Ox của sà lan: Chiều cao ổn định ban đầu đối với trục Ox: hOX = ZC - ZG + R Momen quan tính diện tích đường mặt nước đối với trục Oy của sà lan: Chiều cao ổn định ban đầu đối với trục Oy: hOX = ZC - ZG + r Nếu hox, hoy >0 Þ đảm bảo điều kiện ổn định tĩnh