بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تأثیر اعضاي مهاري افزوده هم صفحه که در واقع عامل تفاوت هندسی اتصالات لولهاي KT و DKT هستند، روي توزیع ضرایب تمرکز تنش - SCFs - در امتداد پنجه جوش بررسی شده است. بدین منظور، تأثیر پارامترهاي هندسی بی بعد شامل τ، γ و β و همچنین زوایه اتصال عضو مهاري به عضو اصلی - θ - روي توزیع مقادیر SR در امتداد پنجه جوش تحت بارگذاري متعادل محوري مورد مطالعه قرار گرفته است. پارامتر SR به صورت نسبت مقدار SCF در یک نقطه خاص از اتصال DKT به مقدار SCF در همان نقطه در یک اتصال لولهاي KT با مشخصات هندسی یکسان تعریف میشود. تأثیر هندسه اتصال روي توزیع مقادیر SR به دقت بررسی شده است. به ازاي مقادیر بخصوصی از پارامترهاي بی بعد، تفاوت قابل توجهی بین مقادیر SCF در اتصالات KT و DKT با خصوصیات هندسی یکسان مشاهده گردید. این نتیجه، لزوم استفاده از معادلات پارامتري که مخصوص اتصالات لولهاي DKT طراحی شدهاند را روشن میسازد. چنین معادلاتی در حال حاضر موجود نیستند. ضرایب تمرکز تنش پارامترهاي ضروري در محاسبات خستگی و مکانیک شکست سکوهاي فراساحلی هستند.
کلید واژهها: سکوهاي فراساحلی، خستگی، مکانیک شکست، اتصالات لولهاي KT و DKT، ضریب تمرکز تنش - SCF - ، بارگذاري متعادل محوري
مقدمه
مقاطع تو خالی مدور فولادي در سازههاي فراساحلی از جمله سکوهاي شابلونی و خودبالابر به شکل گسترده مورد استفاده قرار میگیرند. در این سازهها، یک اتصال لولهاي از جوش دادن انتهاي آماده سازي شده یک یا چند عضو مهاري - Brace - به سطح یک عضو اصلی - Chord - تشکیل میشود - شکل . - 1 رفتار این اتصالات لولهاي، حتی در سادهترین شکلآنها، پیچیده بوده و لذا تحلیل این رفتار نسبتاً مشکل است.
یک اتصال لولهاي KT که با متصل شدن اعضاي مهاري افزوده به یک اتصال DKT تبدیل گردیده در شکل - 1 - نشان داده شده است. در این شکل، نقاط Saddle، Crown toe و Crown heel در امتداد محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري نشان داده شده و پارامترهاي هندسی بی بعد براي عضو اصلی - با قطر D و ضخامت جدار - T و اعضاي مهاري - با قطر d و ضخامت جدار - t تعریف شدهاند. اتصالات لولهاي در سازههاي فراساحلی متداولی نظیر سکوهاي شابلونی و خودبالابر تحت اثر بارگذاري چرخهاي امواج بوده و در نتیجه در معرض آسیبهاي ناشی از خستگی قرار دارند. طراحی اتصال براي خستگی و بازرسیهاي متناوب در حین سرویسدهی سکو، به منظور کسب اطمینان از یکپارچگی و ایمنی این اتصالات، ضروري هستند. یکی از روشهاي متداول براي ارزیابی عمر خستگی سکوهاي فراساحل، استفاده از منحنیهاي S-N است. در این روش، تعداد سیکلهاي بارگذاري قابل تحمل توسط سازه پیش از گسیختگی، بر اساس محدوده تنش بحرانی - HSS - تخمین زده میشود. محدوده تنش بحرانی با استفاده از تنش اسمی و پارامتري به نام ضریب تمرکز تنش - SCF - محاسبه میگردد. طبق تعریف، نسبت تنش سطحی موضعی در محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري به تنش اسمی در عضو مهاري بارگذاري شده، ضریب تمرکز تنش نامیده میشود.
با مرور مطالعات فنی مشخص میشود که کارهاي پژوهشی متعددي با هدف محاسبه ضرایب تمرکز تنش در انواع مختلف اتصالات لولهاي صورت گرفته است. برخی محققین یک سري معادلات پارامتري براي محاسبه مقادیر SCF در محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري ارائه نموده-اند. با این وجود، نتایج اکثریت قریب به اتفاق این تحقیقات روي محاسبه مقادیر SCF در نقاط خاصی نظیر Saddle و Crown متمرکز شده و تعیین HSS در سایر نقاط در امتداد پنجه جوش چندان مورد توجه قرار نگرفته است. گرچه نتایج این تحقیقات مفید و در عین حال کاربردي هستند، لازم به ذکر است که تعیین توزیع مقادیر SCF در امتداد پنجه جوش به جاي محاسبه این مقادیر در نقاط خاصی نظیر Saddle و Crown، از اهمیت خاصی برخوردار است. برخی از مهمترین دلایل این مسئله عبارتند از:
-1 اتصالات سکوهاي فراساحلی علاوه بر بار محوري، تحت لنگر خمشی داخل صفحه و خارج از صفحه نیز قرار دارند. طبق روش پیشنهادي توسط آئین نامه [1] API، ابتدا باید بطور جداگانه تنش اسمی ناشی از هر کدام از این بارها را در حداکثر ضریب تمرکز تنش اتصال تحت آن بار ضرب نموده و سپس سه مقدار حاصل را با هم جمع نمود. واضح است که این روش موقعیت HSSرا در نظر نگرفته و عموماً منجر به تخمین بسیار محافظهکارانهاي از عمر خستگی اتصال خواهد شد .[2] براي حصول مقادیر به مراتب دقیقتر براي HSS، میتوان ابتدا توزیع تنش ناشی از هر کدام از این سه حالت بارگذاري را به طور مجزا بدست آورد و سپس آنها را رویهم گذاري نمود. در نتیجه میتوان مقادیر واقعبینانهتري براي عمر خستگی اتصال بدست آورد.
-2 با انجام چنین مطالعهاي میتوان موقعیت دقیق HSS را تعیین نمود. این مسئله از اهمیت خاصی برخوردار است چرا که تركهاي سطحی ناشی از خستگی اتصال تحت بارهاي تناوبی از این نقطه آغاز میشوند. در صورت استفاده از معادلاتی که مقادیر SCFرا صرفاً در نقاط Saddle و Crown toe ارائه میکنند، امکان تعیین موقعیت HSS وجود ندارد.
-3 اطلاعات دقیق در مورد نحوه توزیع تنش در اتصال جهت پیشبینی رشد تركهاي ناشی از خستگی و همچنین تعیین عمر باقی مانده اتصالات ترك خورده با استفاده از روشهاي پیشرفته مکانیک شکست نظیر O-integral، AVS و TPM، ضروري است. لذا تعیین دقیق توزیع تنش در امتداد محل تلاقی اعضاي اصلی و مهاري داراي اهمیت قابل توجهی است.
-4 ممکن است اختلاف بین حداکثر ضریب تمرکز تنش - SCFHSS - و مقادیر SCF در نقاط Saddle و Crown toe زیاد باشد. در این صورت استفاده از معادلاتی که مقادیر SCFرا صرفاً در این نقاط ارائه میکنند، منجر به کاهش دقت و پیشبینی دست پائین مقدار HSS خواهد شد. از طرفی به علت هزینههاي بسیار بالاي بازرسی اعضاي قرار گرفته در زیر آب توسط غواصها، عملاً امکان بازرسی تمام اتصالات وجود ندارد.بنابراین بازرسی صرفاً براي چند اتصال بحرانی صورت میگیرد .[3 ] میزان مستعد بودن یک اتصال نسبت به آسیبهاي ناشی از خستگی ارتباط مستقیم با محدوده تنش بحرانی آن اتصال دارد. لذا تعیین مقدار دقیق HSS از اهمیت زیادي برخوردار است.
توزیع تنش در امتداد پنجه جوش در اتصالات لولهاي تا حدود زیادي تحت تأثیر خصوصیات هندسی اتصال قرار دارد. به منظور مطالعه رفتار این اتصالات و تسهیل در مرتبط نمودن این رفتار به ویژگیهاي هندسی اتصال، از یک سري پارامترهاي هندسی بی بعد استفاده میشود. این پارامترها در شکل - 1 - تعریف شدهاند.
شکل - 1 تعاریف متداول در یک اتصال لولهاي KT تحت بارگذاري متعادل محوري که با متصل شدن اعضاي مهاري افزوده به یک اتصال DKT تبدیل شده است.
در ادامه، کارهاي پژوهشی اخیر با هدف بررسی تمرکز تنش در اتصالات لولهاي، به اجمال مرور میشود:
معادلات [4] LR براي محاسبه مقادیر SCF در اتصالات T، Y، X، K و KT قابل استفاده هستند. لازم به ذکر است که این معادلات صرفاً قادر به پیشبینی مقادیر ضرایب تمرکز تنش در نقاط Saddle و Crown میباشند. Lee و [5] Morgan مسئله تمرکز تنش را در اتصالات لولهاي K تحت بار متعادل محوري مورد مطالعه قرار دادند. Chang و [3] Dover توزیع مقادیر SCF در امتداد محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري در اتصالات T و Y را بررسی نمودند. این پژوهش با استفاده از نتایج تحلیل مدلهاي اجزاي محدود که در آنها پروفیل جوش شبیهسازي نشده بود، صورت گرفت. Karamanos و همکاران [6] معادلاتی براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات لولهاي چند صفحهاي XX ارائه نمودند. در این مطالعه، براي مدلسازي پروفیل جوش از المان 20 گرهی SOLID و براي مدلسازي اعضاي اصلی و مهاري از المان 8 گرهی SHELL استفاده شده است. Chiew و همکاران [7] ضرایب تمرکز تنش را در اتصالات چند صفحه اي XX تحت بارگذاريهاي محوري، لنگر خمشی داخل صفحه و خارج از صفحه مورد مطالعه قرار دادند. Van Wingerde و همکارن [8] معادلات و گرافهائی براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات K و اتصالات چند صفحهاي KK ارائه نمودند. هدف این پژوهش ساده سازي معادلات به منظور ایجاد سهولت بیشتر در کاربردهاي طراحی بود. Karamanos و همکاران [9] توزیع تنش در اتصالات لولهاي چند صفحهاي DT را با در نظر گرفتن اثرات خمش مورد بررسی قرار دادند. [10] Shao معادلاتی را براي تعیین مقادیر SCF در اتصالات لولهاي K تحت بارهاي خمشی ارائه نمود. Gho و [11] Gao، ضرایب تمرکز تنش در اتصالات Nکاملاً همپوشان را تحت بار محوري که بر رويعضو مهاري پوشاننده واردشده بود، مطالعه کردند. [12] Gao معادلاتی براي تعیین مقادیر ضریب تمرکز در اتصالات لولهاي کاملاً همپوشان تحت لنگر خمشی خارج از صفحه - - OPB که روي عضو مهاري پوشاننده - Lap brace - وارد شده بود، ارائه نمود. Woghiren و [13] Brennan مقادیر SCF در اتصالات لولهاي چند صفحهاي KK تقویت شده را مورد بررسی قرار دادند. Shao و همکاران [14] توزیع تنش بحرانی - HSS - در اتصالات لولهاي از نوع K را تحت بارگذاريهاي پایه مطالعه نمودند. معادلات ارائه شده توسط Lotfollahi-Yaghin و [16-15] Ahmadi اولین معادلاتی هستند که با استفاده از آنها میتوان توزیع ضرایب تمرکز تنش را در امتداد پنجه جوش در اتصالات لولهاي KT تحت بارگذاري متعادل محوري بدست آورد.
با وجود استفاده گسترده از اتصالات لولهاي DKT در سازههاي فراساحل، تاکنون توزیع تنش در امتداد محل تقاطع اعضاي اصلی و مهاري در این نوع اتصال مورد بررسی قرار نگرفته است. در این مقاله، با بکارگیري نتایج بدست آمده از تحلیلهاي مفصل اجزاي محدود، تأثیر اعضاي مهاري افزوده هم صفحه که در واقع عامل تفاوت اتصالات لولهاي KT و DKT هستند، روي توزیع ضرایب تمرکز تنش - SCFs - در امتداد پنجه جوش مطالعه شده است. بدین منظور تأثیر پارامترهاي هندسی بی بعد اتصال شامل τ، γ و β و همچنین زوایه اتصال عضو مهاري به عضو اصلی - θ - روي توزیع مقادیر SR در امتداد پنجه جوش تحت بارگذاري متعادل محوري مورد بررسی قرار گرفته است. پارامتر SR به صورت نسبت مقدار SCF در یک نقطه خاص از اتصال DKT به مقدار SCF در همان نقطه در یک اتصال لولهاي KT با مشخصات هندسی یکسان تعریف میشود.
شبیه سازي عددي اتصالات لولهاي KT و DKT
به منظور مطالعه تأثیر پارامترهاي هندسی بی بعد بر توزیع مقادیر SR در امتداد پنجه جوش، 51 اتصال لولهاي KT به همراه 51 اتصال DKT با استفاده از نرمافزار اجزاي محدود [17] ANSYS مدل سازي و تحلیل شدند. تمامی مدلها تحت بارگذاري متعادل محوري قرار داشته و نیروها روي اعضاي مهاري کناري - مایل - وارد شدند.
ویژگیهاي هندسی مدلهاي مورد بررسی
مطالعه پارامتري که با استفاده از 102 مدل اجزاي محدود صورت گرفته است، داراي دو بخش میباشد:
-1 مطالعه اصلی که در برگیرنده 54 مدل بوده 27 - اتصال KT و 27 اتصال - DKT و هدف از آن بررسی تأثیرات پارامترهاي هندسی بی بعد اتصال شامل τ، γ و β روي توزیع مقادیر SR است. مقادیر پارامترها در این مطالعه به شکل زیر انتخاب شدهاند:
τ = 0.4, 0.7, 1.0، γ = 10, 25, 40 و .β = 0.3, 0.5, 0.8 براي تمام این مدلها: .θ = 45° مقادیر اختصاص داده شده به هر کدام از پارامترهاي هندسی بی بعد، مقادیر متداول در سازههاي فراساحلی هستند.
-2 مطالعه ثانویه که روي زاویه تمایل عضو مهاري تمرکز داشته و هدف از آن بررسی تأثیر پارامتر θ روي توزیع مقادیر SR و مطالعه اندرکنش پارامتر مذکور با پارامترهاي هندسی بی بعد اتصال است. مقادیر پارامترها در این مطالعه به شکل زیر انتخاب شدهاند:
θ = 30°, 60°، τ = 0.4, 1.0، γ = 10, 40 و .β = 0.3, 0.5, 0 .8 در این مطالعه ثانویه، 48 مدل 24 - اتصال KT و 24 اتصال - DKT بکار رفته است.
