بخشی از مقاله
بررسی گسیختگی پیشرونده بر سکوهای ثابت فلزی دریایی مقاوم سازی شده با میراگر شکافدار لوله ای
خلاصه
یکی از بهترین راه های ارتقا لرزه ای سکوهای ثابت دریایی که از شریان های اقتصادی در کشورهای دارای حوزه های دریایی نفت خیز بشمار می روند، بکارگیری میراگرهای شکافدار ( ( Slit Dampers است که از نوع میراگرهای جاری شونده و غیرفعال هستند و به علت داشتن مکانیزمی ساده و عدم نیاز به مصالح و تکنولوژی خاص، امروزه مورد استفاده بیشماری قرار گرفته است. اهمیت گسیختگی پیشرونده در سازه ها تا جایی است که در سال های اخیر آئین نامه های معتبر جهانی بر درنظر گرفتن این نوع خرابی در تحلیل و طراحی سازه ها تاکید کرده اند. در پایان این مقاله نشان داده شده است که حضور این نوع میراگر بر بهبود رفتار سکوهای ثابت فلزی دریایی در برابر زلزله و گسیختگی پیشرونده بسیار موثراست.
کلمات کلیدی: سکو های ثابت فلزی دریایی، میراگر شکافدار لوله ای، گسیختگی پیشرونده، تحلیل دینامیکی
1 .مقدمه
میل دستیابی هر چه بیشتر به منابع انرژی باعث توجه ویژه به ذخائر نفت و گاز فراساحلی و کوشش جهت استخراج آنها و در نتیجـه گسـترش احـداث سکوهای دریایی شده است. این سکوها در طول عمر مفید بهره برداری شان تحت بارگذاری های دینامیکی شدیدی از جمله زلزله قرار دارند. امروزه مـی توان با کمک روشهای کنترل رفتار سازه عملکرد سازه را تحت بررسی و کنترل قرار داد تا از نیروهای محیطی مثل بادها، امواج و زمینلرزه ها کـه نـه استاتیکی و نه یک مؤلفهای هستند در امان باشیم. برای این نوع بارها اثرات اینرسی با اهمیت بوده و باعث بزرگنمایی دینامیکی و پاسخ سیکلی میشوند . در مقایسه با بارهای ثقلی، پیش بینی بزرگی این بارها، به دلیل آنکه مقیاس زمانی و مکانی این پدیده ها کوچک هستند، بسیار مشکل تـر هسـتند. در نتیجه از نقطه نظر دینامیکی، مفاهیم جدیدی در ارتباط با حفاظت از سازه ها پیشرفت نموده اند و در مراحل
مختلفی از پیشرفت قرار دارند. بازسازی وتعمیر یک سکوی نصب شده، به شرط لحاظ نمودن ایمنی کافی، به مراتب اقتصادی تر از نصب یـک سـکو مـی باشد. اگر بخواهیم از یک سکو بیش از عمر طراحی آن استفاده کنیم، لازم است ایمنی سازه توسط روش های مناسـبی کنتـرل شـود. امـروزه اسـتفاده از سیستم های کنترل غیر فعال یکی از پرکاربردترین سیستم های استهلاک انرژی در سکوهای دریایی می باشد. طبق بررسی های تحلیلی و آزمایشـگاهی متعدد، این نوع میراگرها دارای ظرفیت جذب انرژی بالا تحت یک رفتار هیسترزیس پایدار هستند. از برترین مزیت های این نوع از مستهلک کننده هـای
انرژی سهولت ساخت، اقتصادی بودن و کاربرد در بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود و سازه های جدید است. محققان بسیاری بـه اسـتفاده از ایـن گونه از سیستم ها در سکوهای دریایی پرداختند از جمله: Vandiver و [1] Mitome از مخازن ذخیره بعنـوان میراگـر مـایع تنطـیم شـده (TLD) برای کنترل ارتعاشات ناشی از موج در سکوهای ثابت استفاده کرده اند. [2] Lee مصالح ویسکوالاستیک را در پایه های جاکت اضـافه نمـود تـا ارتعـاش سازه فراساحلی که در معرض بارهای تصادفی موج بود را کنترل کند. [3] Ou وهمکارانش به بررسی عددی پاسخ سکوهای جاکتی تحـت بارهـای ناشـی از یخ با استفاده از میراگر ویسکوالاستیک پرداختنـد. Jangid و [4] Patil بـه بررسـی سیسـتم هـای کنتـرل غیـر فعـال ویسـکوز ،ویسکوالاسـتیک و اصطکاکی در سکوهای فراساحلی جاکتی پرداختند. [5] Ou و همکارانش با استفاده از سیستم جداساز میرایی به بررسی کنترل ارتعاشات ناشی از زلزلـه در سکوهای جاکتی فولادی پرداختند. [6] Komanchi وهمکارانش به مقاوم سازی سکوی جاکتی رسـالت (خلـیج فـارس) بـا اسـتفاده از میراگرهـای اصطکاکی پرداختند. در این تحقیق یک نوع سکوی شابلونی، برای انجام مراحل مقاوم سازی و بررسی رفتار دینامیکی غیرخطی سازه تحت اثـر بارگـذاری زلزله مورد مطالعه قرار گرفته است. این روش فواید بسیاری دارد : -1 تغییر شکل های غیر ارتجاعی بر روی میراگر هـای لـرزه ای متمرکـز مـی شـوند و خرابی در سازه اصلی به شدت کاهش می یابد و یا حذف می شود، -2 افزودن میراگر، تغییر مکان های جانبی را کاهش می دهد که در نتیجـه خسـارت به اعضای غیر سازه ای را نیز می کاهد و -3 با جاگذاری استراتژیک میراگر های لرزه ای ، بازرسی ، تعمیر و تعویض آن ها در پی یک زلزله مـی توانـد بـا کمترین هزینه و بدون تخلیه ساکنین انجام شود. سیستم های اتلاف انرژی غیر فعال هم اکنون به عنوان یک روش مـؤثر و ارزان بـرای کـاهش خطـرات لرزه ای در سازه ها به کار می روند .[13] تعدادی از مکانیزم هایی که برای اتلاف انرژی غیر فعال استفاده می شوند عبارت اند از : جـاری شـدن فلـزات ، انتقال فازی فلزات (Transformation of metals)، لغزش اصطکاکی ، عبور مایعات از روزنه (Fluid orificing) و تغییر شکل جامدات و مایعـات ویسکوالاستیک. جاری شدن فلزات یکی از محبوبترین مکانیزم ها است و میراگر های فلزی بسیاری با اشکال جاری شـدن متفـاوت ، پیشـنهاد و بـه کـار برده شده اند. De la Llera دارا بودن دو مشخصه مهم برای این که این دستگاه ها در کاربرد های مهندسی کارآمد باشند را به شرح زیـر توصـیف مـی کند: -1 ظرفیت اتلاف انرژی بزرگ و پایداری داشته باشند (چرخه هیسترزیس پایدار و در اصطلاح ، چاق) و -2 دارای مدل بیان کننده رفتـار چرخـه ای باشند (در واقع دارای مدل ریاضی مناسب برای پیش بینی رفتار باشد). Nakashima به این نکته اشاره مـی کنـد کـه بـه منظـور راه انـدازی هـر چـه سریعتر سیستم اتلاف انرژی، مکانیزم جاری شدن میراگر باید در حد پایین تنظیم شود و به صورت عکس سطح جاری شدن سـازه اصـلی بـه منظـور بـه تعویق انداختن خسارات جدی سازه ای ، باید در حد بالایی تنظیم شود .[10]
گسیختگی پیشرونده [7]، گسترش خرابی موضعی از یک عضو به یک عضو دیگر است که در نهایت منجر به خرابی کلی سـازه یـا بخـش بـزرگ نامتناسبی از آن شود. شکل (1) میزان حوادث اتفاق افتاده در سکوهای ثابت و متحرک دریایی را بر اساس اتفاق آغاز کننده حادثه نشان می دهـد . [8] همانطور که دیده می شود بیشتر اتفاقات رخ داده مربوط به خرابی های سازه است.اهمیت این نوع خرابی سبب شده است تـا در سـال هـای اخیـر آیـین نامه های معتبر جهانی به بحث وبررسی این نوع خرابی بپردازند .[9]
شکل - 1 میزان حوادث اتفاق افتاده در سکوهای ثابت و متحرک دریایی
در این مقاله علاوه بر بررسی اثر حضور این نوع میراگر بر روی رفتار سازه در برابر زلزله، با حذف برخی از اعضای اصلی سازه که احتمـال خرابـی آنها وجود دارد،رفتار سکوهای ثابت فلزی دریایی در برابر گسیختگی پیشرونده نیز مورد بررسی قرار گرفته است و در پایان با بررسی نتـایج تحلیـل هـای دینامیکی سازه، برخی الزامات جهت طراحی سکو و استفاده از این نوع میراگر جهت کاهش مخاطرات دریایی آورده شده است.
.2مشخصات سکوی جاکتی مورد مطالعه
سکوی مورد مطالعه در این تحقیق، یک سکوی ثابت فلزی از نوع جاکت، اشکال((2 و (3)، می باشد. سکو دارای چهار پایـه اصـلی بـا ارتفـاع 29.7 متر می باشد. شیب پایه های سکو با نسبت 1:10 تا ارتفاع 24 متر متغیر است. عمق آب دریا در محل احداث سـکو 18.2 متـر مـی باشـد. بـا توجـه بـه حضور مخزن نفت استوانه ای به حجم 2000 m3 و سایر تجهیزات روی عرشه، جرم کلی عرشه 2000 تن و جرم جاکت با توجه به اعضای لولـه ای بکـار رفته شده در آن 350 تن در نظر گرفته شده است. مدلسازی رفتار سکوهای شابلونی از پیچیدگی بیشتری نسبت به سازه های دیگر برخوردار مـی باشـد. برای مدلسازی از نرم افزار المان محدود ABAQUS استفاده شده است. مصالح فولاد با استفاده از منحنی های تنش کرنش دو خطی مستقیم با شـیب پس از تسیم %3 E مدل شده اند. مدول الاستیسیته فولاد 2.05 1011 N/m2 ، ضریب پواسون 0.3 و جـرم واحـد حجـم آن 7850 Kg/m3 در نظـر گرفته شده است. برای محاسبات اثرات عرشه فوقانی روی سازه جاکت، از یک صفحه صلب که جرم عرشه بصـورت 8 نقطـه متمرکـز بـر روی آن اعمـال شده، استفاده گردیده است. اعضای جاکت با استفاده از المان های Beam در نـرم افـزار ABAQUS مـدل شـده انـد. سـازه مـورد نظـر تحـت اثـر دو شتابنگاشت نورثریچ و طبس که به 0.35g مقیاس شده اند، قرار گرفته است.
بدلیل تعویض شونده بودن و بازرسی میراگرهای شکافدار لولهای و مشکلات غواصی در اعماق پایین، در این تحقیق سعی شده کـه جانمـایی میراگرهـا در نقاط نزدیک به سطح دریا صورت گیرد لذا از 4 عدد میراگر در تراز 22 متری از سطح دریا و1.8متر بالاتر از سطح آب و در نزدیکی محل اتصـال تیرهـای اصلی جاکت به پایه استفاده شده است. که در شکل((4 فرم شماتیک اتصال دمپر به سکو نشان داده شده است.
شکل -2 سکوی ثابت فلزی فراساحل شکل -3 سکوی مدلسازی شده در ABAQUS
شکل -4 محل اتصال میراگر در سکوهای فراساحلی
3. معرفی میراگر شکافدار لوله ای فولادی(CSSD ) 1
این میراگر ، مشابه میراگر های SSD است با این تفاوت که به جای ایجاد شکاف هایی در جان پروفیل های I شکل، شکاف هـایی در جـدار لولـه ایجاد می شود. استفاده از این میراگر ها هزینه کمی در بر دارد، زیرا ساخت آن ها ساده بوده و حتی از لوله های موجود در بازار می توان برای تولید ایـن نوع میراگر استفاده کرد. میراگرهای شکاف دار در شکل های مختلفی به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته شده انـد امـا بـا توجـه بـه
هزینه بالای ساخت آن ها (اقتصادی نبودن) و همچنین دشواری ساخت آن ها به علت نوع شکل به کار گرفته شده، مورد استفاده نیستند. اما بکـار بـردن مقطع دایره ای موجب اقتصادی شدن قطعه، سهولت ساخت و افزایش بهره وری آن شده است. از این اتلاف کننده انرژی می توان بـرای بهسـازی رفتـار لرزه ای سازه های موجود وهمچنین سازه های جدید استفاده کرد. شکل (5) طرح کلی از میراگر بکار گرفته شده CSSD و میراگر SSD را نشـان مـی دهد.
آ. ب.
شکل –5 آ.میراگر CSSD و ب.میراگر SSD
مطابق شکل (6) استوانه فلزی نشان داده شده در شکل (5) توسط دو استوانه داخلی و خارجی در بر گرفته می شود تا ظرفیـت بیشـتری از خـود نشان داده و از خارج شدن نوارهای فولادی اتلافگر انرژی از صفحه بارگذاری جلوگیری به عمل آورد.
میراگر
جدار داخلی
شکل -6 معرفی اجزای میراگر
.4 عملکرد سازه های مقاوم سازی شده در برابر خرابی پیشرونده
در این سیستم ها نیز مانند سایر سازه ها باید ضوابط مربوط به پایداری کل سازه و اعضای تشکیل دهنده آن به درستی مورد بررسی قـرار گیـرد . اگر ضوابط طراحی سازه به گونه ای باشد که سازه قدرت جذب یک خرابی موضعی را داشته باشد، خرابی به صورت موضعی در سـازه بـاقی مانـده و بـه سایر قسمتها سرایت نخواهد کرد، در غیر اینصورت خرابی به صورت موضعی نخواهد ماند و به سایر قسمتهای سازه منتشر شـده و در نهایـت منجـر بـه خرابی کل سازه خواهد شد. در حقیقت در این حالت یک مکانیسم زنجیری خرابی به وقوع می پیوندد که تحت عنوان پدیده خرابی پیشرونده1 یا اثر دو مینو2 مشهور است.
اگر در اثر ایجاد خرابی موضعی در سازه، ظرفیت باربری عضو یا مجموعه ای از اعضای سازه به طور ناگهانی دچار کاهش شدیدی شود، پخش بـار ناشی از این خرابی موضعی ممکن است به قدری سریع و ناگهانی باشد که در طی فرایند توزیع بار، سایر اعضای سازه نتوانند بـار بـاز توزیـع شـده را بـا سرعت کافی جذب نمایند و از این رو بلافاصله پس از ایجاد خرابی موضعی در سازه یک ناپایداری موقتی در مسیر تعادل سازه پدید مـی آیـد. سـازه در جستجوی یک حالت تعادل پایدار به طور ناگهانی به وضعیت تعادل جدیدی در همین تراز بار انتقال می یابـد، انتقـال بـه ایـن وضـعیت تعـادل جدیـد مستلزم تغییرات بزرگ و ناگهانی
در تغییر شکل سازه بوده و با اثرات دینامیکی شدیدی همراه است. این پدیده به پدیده فروجهش دینامیکی1 موسوم است. اثرات دینامیکی ناشـی از فروجهش خود سبب اعمال نیروهای اضافی بر سازه شده و به این ترتیب باعث افزایش بازتوزیع نیروهای ناشی از خرابی موضعی شـده و خطـر انتشـار خرابی را تشدید می کند . در چنین مواردی برای ارزیابی صحیح رفتار خرابی سازه، تحلیل استاتیکی کافی نبوده و باید با انجـام یـک تحلیـل دینـامیکی مناسب، اثرات دینامیکی ناشی از فروجهش به درستی در تحلیل در نظرگرفتـه شـوند. در شـکل هـای (7) و (8) بـه ترتیـب رفتـار خرابـی سـازه بـدون فروجهش دینامیکی و رفتار خرابی سازه همراه با فروجهش دینامیکی نشان داده شده است.
شکل – 7 رفتار خرابی سازه بدون فروجهش دینامیکی شکل – 8 رفتار خرابی سازه همراه با فروجهش دینامیکی
.5طراحی میراگر شکافدار لولهای بر روی سکوی جاکتی
برای اینکه بتوان تأثیر میراگر مورد نظر را بر پاسخ سازه بررسی کرد ، باید الگوی رفتاری میراگر تعیین شود که این الگو با استفاده از پاسـخ نیـرو-جابجایی حاصل از تحلیل های انجام شده بر روی آن توسط نرم افزار ABAQUS بدست می آید. به جهت کوتاه شدن زمان تحلیل هـا ، فقـط میراگـر مدل شد و از جدار های داخلی و خارجی صرف نظر شد و به جای آن ها از حرکت جدار میراگر در راستای شعاعی ، به وسـیله تعریـف شـرایط مـرزی در مدل، جلوگیری به عمل آمد. لازم به ذکر است، برای اینکه صحت این عمل تأیید شود، مطابق شکل (9)، نمودار بار-جابجایی یک مدل با در نظـر گـرفتن جدار های نگهدارنده و مدل دیگر بدون نگهدارنده ها مقایسه شد که تطابق بسیار خوبی با هم داشتند.
شکل -9 منحنی بار-جابجایی مدل های با و بدون تکیه گاه شکل -10 منحنی بار-جابجایی مدل بکار گرفته شده در سازه
طبق بررسی های انجام شده [14]، مطابق جدول 1 مشخصات بهترین نمونه از این نـوع میراگـر را کـه رفتـار بهتـری نسـبت بـه سـایر نمونـه هـا داراست، آورده شده است. سختی بزرگتر، نیروی تسلیم بیشتر و در نتیجه اتلاف انرژی بالاتر (منحنی بار-جابجایی چـاق) از جملـه ویژگـی هـای مناسـب این نمونه می باشد. شکل (10) منحنی بار-جابجایی این نمونه را نشان می دهد.
