بخشی از مقاله
چکیده
امواج دریا نیروهای دینامیکی قابل توجهی به سازههای دریایی وارد میکنند، بنابراین تخمین نیروهای اعمالی، فاکتور مهمی در طراحی این سازهها است. در شرایط طوفانی دریا، نیروی ضربهی امواج به دال سکوهای فراساحلی باعث خسارات شدیدی به دال یا باعث خرابی کل سکو میشود. سکوهای نیمهشناور با توجه به هندسهی حجیم سکو و وجود پانتونها، بر امواج عبوری اثرات تفرق-انتشار دارند، و این اثرات باعث میشود امواج در محدودهی سکو تغییر ارتفاع داده و رفتار متفاوتی داشته باشند.
امواج برخوردی برحسب شرایط، دارای فرکانسهای مختلفی هستند. در این مقاله با مدلسازی سکوی نیمهشناور امیرکبیر در نرمافزار Ansys AQWA 15 به بررسی فشار ضربهی امواج حدی دریای خزر در منطقهی عملیات این سکو، به دال سکو در حوزهی فرکانس پرداخته شده و مشاهده میشود که در فرکانسهای پایین با توجه به پاسخ RAO سازه، حرکات قائم سکو از تغییرات ارتفاع سطح موج تاثیر میپذیرد و به همین دلیل تاج امواج به دال نمیرسند و ضربهای وارد نمیآید، ولی در فرکانس های زیاد که در آن ترم جرم حاکم بر حرکات قائم سکو است، تاج امواج به دال سکو ضربه میزند . این اثر برای چند نقطهی سکو مورد مطالعه قرار گرفته است و نشان میدهد که اطراف پایههای عقبی سکو، نقاط بحرانی دال برای فشار ضربه است.
مقدمه
امروزه سازه های ساحلی و فراساحلی فراوانی در سراسر دنیا در حال ساخت است. به عنوان مثال، موجشکنها، سکوها، جزایر مصنوعی و دیگر سازه ها، که ایمنی این سازه ها رابطهی زیادی با مقدار نیروی وارده از امواج به صورت ضربه دارد. به همین علت مطالعات عددی و آزمایشگاهی زیادی در سراسر دنیا در این مورد درحال انجام است. این سازهها معمولاً تحت بارگذاریهای غیرخطی امواج قرار دارند. بنابراین پیشبینی نیروهای غیرخطی موجهای منظم و نامنظم بر سازههای فراساحلی به عنوان یک موضوع مهم مطرح است.
نیروی ضربه ی امواج
نیروی ضربه ی امواج1 یا ضربهی هیدرودینامیکی امواج معمولا خودش را به اشکال مختلفی نشان میدهد، مانند حرکت سریع اجسام که در آب غوطه ورند بر روی سطح آب، یا سطح آزاد متحرک که به جسم ضربه وارد می کند. نیروی ضربه می تواند باعث وارد شدن بارگذاری های ناگهانی در کابل های بالاکشنده ی جرثقیل ها در زمان نصب تاسیسات دریایی شود، همچنین کشتیها هنگامی که با سرعت بالا در حرکتاند، کف شناور تحت این نوع بارگذاری قرار می گیرد، یا امواج در حال انتشار به کنار شناور این بارگذاری را اعمال میکنند. این بارگذاری بر کف دال سکوهای نیمهشناور و پایه های آن نیز وارد می شود. در مناطق ساحلی هم ستون ها و دیوارهای ساحلی در معرض این بارگذاری ناشی از امواج در حال شکست یا امواج شکسته شده هستند، همچنین تکان خوردن سیال در یک مخزن میتواند به دیوارههای آن مخزن بارگذاری ضربهای قویای وارد کند.
این پدیده بیشتر در شرایط طوفانی دریا2 و در دو جهت افقی و عمودی بر سازهها اثر میگذارد. صورت افقی آن بر کشتی ها یا المانهای سازهای هنگامی وارد میشود که امواج مولفهی سرعت افقی قویای دارند، از جمله برای حالت امواج در حال شکست این نیرو به بزرگترین مقادیر خود میرسد. صورت عمودی آن بیشتر برای دالهای صفحهای خطرآفرین است و مشاهده شده که باعث خرابی دالهای سکوها میشود. همچنین بر المانهای سازهای افقی در سطح آب یا نزدیک آن نیروهای بزرگ و در نتیجه خساراتی وارد میکند.
هنگامی که موج به سازه می رسد، انتقال مومنتم در طی زمانی اندک به صورت نیروی بزرگی به سازه وارد میشود، که همان نیروی ضربهی اولیه است. پس از آن، موج به سازه برخورد مستمر دارد تا از سازه عبور کند که در این مدت نیروهای درگ1، شناوری و اینرسی2 توسعه مییابند. نیروی ضربه از رابطهی زیر محاسبه میشود:
در رابطهی بالا [3]، Cs ضریب ضربه بوده که از 1 تا 2 متغیر است و در اکثر اوقات در نظرگرفته میشود، Cs ممکن است در هنگام ضربه با زمان تغییر کند و بیشترین مقدار آن هم زمان کوتاهی پس از برخورد موج به سازه است. ضریب ضربه به هندسهی قسمتی از سازه که در معرض
امواج است وابسته است. مطالعات زیادی برای به دست آوردن مقدار ضریب ضربه انجام شده است، Sarpkaya - 1978 - ، Campbell وWeynberg - 1980 - و Miao - 1988 - مقدار را برای Cs پیشنهاد کردند. چگالی آب دریا و برابر با 1025، مولفهی عمودی سرعت موج و A مساحت قسمتی است که تحت ضربه قرار میگیرد که برای به دست آمدن فشار ضربه این پارامتر برابر واحد فرض میشود.
نیروی ضربه، دارای یک زمان رشد3 و یک زمان زوال4 است که مجموع هر دو، بازه زمانی خیلی اندکی را میسازد - در حدود چند دهم ثانیه - که به طور شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. در مرحلهی اول5 نیرو در حال ضربه در جهت مثبت و به صورت فشاری است و در مرحلهی دوم6 نیرو در جهت عکس حالت قبل یعنی به صورت کششی به سازه وارد میشود. این نیروها باعث پاسخهای دینامیکی بزرگ در مدت زمان خیلی کوتاه - تا حدود چند دهم ثانیه - میشوند.
شکل :1 گامهای زمانی یک پدیدهی ضربه
اولین مدلسازی ضربهی موج و فرمولاسیون نیروی ضربهی موج بر اجسام توسط Von Karman در سال 1929 انجام شد.[2] براساس این تحقیق Von Karman و نیز تحقیقات Goda و همکاران[ 6] در سال 1966 میزان ضریب ضربه، Cs برابر با پیشنهاد شده است. در هر حال تحقیقات [7] Miller مقدار 3/5 را برای این ضریب پیشنهاد میکند که به نظر مناسبترین مقدار برای تخمین نیروی ضربه است.
نیروی ضربه به سکوهای نیمهشناور
با توجه به شکل و هندسهی سازهی نیمهشناور، ضربهی امواج به دال سکوهای نیمهشناور به طور معمول به دو صورت اتفاق میافتد. در حالت اول
شکل:2 الف - بالاروی موج در طول ستون سازه و ضربه زدن به زیر دال؛ ب - ضربه زدن امواج در شرایط طوفانی به زیر دالامکان دارد که موج ارتفاع قابل ملاحظهای نداشته باشد ولی با بالاروی1 در طول پایهی سکو به زیر دال رسیده و به آن ضربه بزند - شکل -2الف - . ضربات در این حالت فقط در حوالی پایههای سکو اتفاق میافتد و به نقاط دیگر ضربهای وارد نخواهد شد.
در حالت دیگر، در شرایط طوفانی امواج آنقدر بلندند که تاج آنها به زیر دال رسیده و به نقاط مختلف آن ضربه وارد میکند - شکل -2ب - . در این حالت حضور سازه برتغییرات مشخصات امواج بلند تاثیرات بزرگتری دارد و این اثرات در نقاط مختلف سکو هم متفاوت است. Zhai Gangjun و همکارانش در سال 2011 به مطالعهی پاسخ شکاف هوایی و بارگذاری ضربهی وارده بر سکوی نیمهشناور پرداختند. آنها دریافتند که شدیدترین ضربات در نواحی پایههای سکو، به خصوص نواحی سکوی پشتی - از طرف ورود امواج - اتفاق میافتد .
تئوری تفرق
امواج در حالت واقعی خود غیرخطی هستند و نیروهای ناشی از آنها با زمان تغییر میکند ولی به صورت کلی فرض میشود که ساده و هارمونیک هستند. برای سازههای کوچک و باریک، به خاطر کوچک بودن بعد سازه نسبت به طول موج، مشخصات امواج قبل و بعد از برخورد با آن تقریبا ثابت است. با بزرگتر شدن نسبت بعد سازه به طول موج، سازه بر میدان موج اثر میگذارد و ممکن است باعث تفاوت در ارتفاع موج در اطراف سازه شود که به آن تفرق میگویند. برای محاسبه ی اندرکنش بین امواج و سکوهای نیمهشناور با توجه به ابعاد بزرگ پایهها باید این اثر در نظرگرفته شود. این اثر در قالب تئوری تفرق در محاسبات لحاظ میشود. در این محاسبات اغلب فرض میشود که سیال لزج و تراکم ناپذیر است. برای این شرایط معادلهی لاپلاس حاکم است که به شکل زیر نوشته میشود :
- 2 - که x,y,z دستگاههای مختصات کارتزین و تابع پتانسیل سرعت است. در تئوری تفرق تابع پتانسیل یک موج خطی، به سه بخش به نامهای موج برخوردی2، موج تفرق یافته3 و موج منتشر شده4 تقسیم میشود .
- 3 - دو پتانسیل اول و دوم، نیروهای محرک موج را شامل شده و سومی باعث افزایش در نیروی جرم اضافی و میرایی میشود. معادلهی حرکت در هر سه تابع، معادلهی لاپلاس است که با شرایط مرزی کف و سطح آزاد و سطح جسم برای هریک محاسبه میشود. شرایط مرزی سطح آزاد به صورت زیر است:
- 4 - شرایط مرزی کف، با توجه به صفر بودن سرعت عمود بر کف به صورت زیر است.[10]
̂ - 5 - شرایط مرزی روی سطح جسم نیز به صورت زیر است:
- 6 - در رابطهی6، V سرعت سطح و n بردار عمود بر سطح جسم است.[10]
مدلسازی:
نرم افزار آکوا5 یک ابزار مهندسی دقیق برای بررسی اثرات موج، باد و جریان بر سازههای دریایی و فراساحلی6 مانند اسپارها7، سکوهای نیمه شناور8، سازههای پایه کششی9، کشتیها10، سیستمهای تولید انرژی تجدیدپذیر و موجشکنها است.
شاخه ی11 تفرق هیدرودینامیکی آکوا12 محیطی یکپارچه برای توسعهی پارمترهای هیدرودینامیکی اولیهی مورد نیاز برای انجام حرکات پیچیده و آنالیز پاسخ را فراهم نموده است. آنالیزهای خطی تفرق-انتشار برای سازههای با بدنهی حجیم با در نظر گرفتن کامل اثرات متقابل هیدرودینامیک
