Phương pháp phổ tính toán tuổi thọ mỏi của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng sóng

Trong công tác thiết kế kết cấu chân đế công trình biển bằng thép, ngoài các bài toán kiểm tra bền trong điều kiện cực hạn, thì bài toán tính toán kiểm tra tổn thất mỏi của vật liệu kết cấu cũng hết sức quan trọng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương pháp phổ tính toán tuổi thọ mỏi của kết cấu chân đế công trình biển cố định bằng thép chịu tải trọng sóng 1 PHƯƠNG PHÁP PHỔ TÍNH TOÁN TUỔI THỌ MỎI CỦA KẾT CẤU CHÂN ðẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ðỊNH BẰNG THÉP CHỊU TẢI TRỌNG SÓNG Ths. Mai Hồng Quân Viện Xây Dựng Công Trình Biển Tóm tắt: Trong công tác thiết kế kết cấu chân ñế công trình biển bằng thép, ngoài các bài toán kiểm tra bền trong ñiều kiện cực hạn, thì bài toán tính toán kiểm tra tổn thất mỏi của vật liệu kết cấu cũng hết sức quan trọng. Kết quả của bài toán mỏi cho phép kiểm tra tuổi thọ mỏi của kết cấu trong giai ñoạn thiết kế, cũng như trong giai ñoạn sử dụng và là ñịnh hướng ñể lập ra các chương trình khảo sát, duy tu bảo dưỡng ñịnh kỳ. Việc tính toán tổn thất mỏi có thể theo quan ñiểm tiền ñịnh hoặc quan ñiểm nhẫu nhiên, nhưng ñối với các tác ñộng ñầu vào là sóng biển thì phương pháp tính toán theo quan ñiểm ngẫu nhiên cho kết quả tin cậy cao hơn. Trong bài báo này trình bày phương pháp luận tính toán mỏi ngẫu nhiên bằng phương pháp phổ của kết cấu chân ñế công trình biển cố ñịnh bằng thép chịu tải trọng sóng. Spectral fatigue analysis for fixed steel jacket under wave load In design of offshore fixed steel structure, beside the strength calculations, the fatigue calculation of the material of structure is also very importance. The results of fatigue calculation allow us to evaluate the life of structure in design phase and in operation phase. It helps us to figure out the inspection and maintenance plans. The fatigue calculation may be performing base on deterministict method or random methode, but with the impact load is wave load, the random method is more reliable. This paper describes a methodology for computation random fatigue base on spectral method for offshore steel jacket subject to wave loads. 1. Hiện tượng phá huỷ mỏi trong kết cấu thép: Khi kết cấu chịu tác ñộng của tải trọng lặp có chu kỳ thì nó có thể bị phá hoại mặc dù tại thời ñiểm ñó, ứng suất trong kết cấu không ñạt ñến giới hạn phá hoại của vật liệu. Hiện tượng phá hoại này là do dưới tác ñộng lặp lại nhiều lần của ứng suất vật liệu kết cấu kết cấu bị mỏi, xuất hiện các vết nứt, các vết nứt phát triển dần cả về ñộ sâu và bề rộng ñến khi tiết diện bị giảm yếu và phá huỷ hoàn toàn kết cấu. Hiện tượng phá hủy mỏi của kết cấu xảy ra khi có các ñiều kiện sau: o ðiều kiện cần: Tải trọng tác ñộng có giá trị thay ñổi có chu kỳ. Vật liệu làm kết cấu không ñồng nhất hoặc kết cấu có khuyết tật khi chế tạo o ðiều kiện ñủ: Số chu trình lặp lại của mức ứng suất nào ñó ñủ lớn ñể gây mỏi. Nếu số gia ứng suất càng lớn thì cần càng ít chu trình ñã gây ra mỏi, nếu số gia ứng suất càng nhỏ thì cần càng nhiều chu trình hơn. Hiện tượng phá hủy mỏi của kết cấu có thể chia thành các giai ñoạn như sau: o Giai ñoạn 1 : Với số chu trình N1 ñủ lớn thì kết cấu bắt ñầu xuất hiện các vết rạn nhỏ tại các vị trí xung yếu nhất. o Giai ñoạn 2 : Khi số chu trình ứng suất tăng lên N2>N1, vết nứt ñược lan truyền chậm, thời gian lan truyền vết nứt là (N2-N1)Tm. Trong ñó Tm là chu kỳ trung bình của ứng suất tại ñiểm xét. o Giai ñoạn 3: Vết nứt lan truyền rất nhanh và dẫn ñến cấu kiện bị phá huỷ tại mặt cắt ñó. Trong công trình biển có một số ñặc ñiểm ñể phát sinh ra hiện tượng mỏi như sau:  2 o Tải trọng sóng tác dụng lên công trình là tải trọng thay ñổi có chu kỳ và tác ñộng lặp lại trong suốt thời gian tồn tại của công trình. o Vật liệu thép ống chế tạo tại nhà máy nhưng ñược thi công hàn tại công trường vì vậy không tránh khỏi khuyết tật. 2. Xác ñịnh tổn thất mỏi theo quy tắc P-M và tuổi thọ mỏi của công trình: Dựa vào quy tắc tổn thất tích luỹ tuyến tính của Palgreen-Miner và các ñường cong mỏi S-N ñược xây dựng từ các thí nghiệm. Theo Palgreen-Miner, với mỗi chu trình ứng suất nhất ñịnh thì kết cấu sẽ chịu một tổn thất nhất ñịnh, tổn thất do một chu giá trị số gia ứng suất gây ra ñược tính là . Tổn thất mỏi tại ñiểm xét ñược xác ñịnh theo quy tắc tổn thất tích luỹ của Palgreen Miner như sau : Trong ñó: ni là số lần xuất hiện của nhóm ứng suất thứ i pi là xác suất xuất hiện số gia ứng suất thứ i trong khoảng thời gian thống kê Ti τ là tuổi thọ mỏi của công trình D là tổng tổn thất mỏi do sóng gây ra trong thòi gian τ là tổn thất mỏi do sóng gây ra trong thời gian 1 năm là tổng tổn thất mỏi cho phép của công trình Tuổi thọ mỏi của công trình theo một ñiểm nóng: 3. Phương pháp Phổ tính mỏi ngẫu nhiên theo quy tắc tổn thất tích luỹ. Trong thực tế tác ñộng sóng ñầu vào là các tác ñộng có thể ñược mô tả bằng phương pháp tiền ñịnh hoặc bằng phương pháp ngẫu nhiên, và tương ứng với nó, bài toán mỏi có thể ñược tính theo phương pháp tiền ñịnh hoặc phương pháp ngẫu nhiên. Việc mô tả sóng bằng các quá trình ngẫu nhiên (Phổ sóng) ñược cho là sát với thực tế hơn và vì vậy tính toán mỏi theo quan ñiểm ngẫu nhiên có ñộ tin cậy cao hơn. Trong phần này trình bày phương phổ ñể tính toán tính bài toán mỏi cho kết cấu chân ñế. Sóng có thể ñược mô tả bằng các qúa trình ngẫu nhiên dừng chuẩn, có trung bình bằng không, thêm nữa hoàn toàn có thể coi sóng là các quá trình ngẫu nhiên có phổ là phổ giải hẹp và như vậy có thể dễ dàng áp dụng ñược phương pháp phổ ñể gải bài toán mỏi. Trong bài toán xác ñịnh các phản ứng của kết cấu, bằng phương pháp Phổ cho phép xác ñịnh ñược phổ ứng suất tại các ñiểm nóng (Các ñiểm tập trung ứng suất). Với bài toán mỏi cần phải tính ñược giá trị số gia ứng suất và số lần tác dụng của số gia ứng suất này tại một ñiểm nóng. Như ñã giả thiết, bề mặt sóng là quá trình ngẫu nhiên dừng, ...