بخشی از مقاله
چکیده
خستگی یکی از پدیدههای مهم و شناخته شده برای طراحی سازه های فراساحلی به خصوص در محل اتصالات اعضای آنها به شمار می رود. در این مقاله تحلیل و ارزیابی خستگی برای اتصالات لوله ای یک سکوی پایه ثابت جکت موجود در خلیج فارس انجام شده است. تمرکز اصلی این مقاله بر روی محاسبه ی عمر خستگی اتصالات و مقایسه ی آن ها با عمر طراحی سازه می باشد.
روش تحلیل انجام شده بر اساس شیوه ی منحنی تنش-تعداد سیکل بارگذاری ارائه شده در آیین نامه ای-پی-آی با به کار گیری روش قطعی خستگی می باشد. سکوی مورد مطالعه در این مقاله یک سکوی چهار پایه و با عمر طراحی 25 سال می باشد که در منطقه پارس جنوبی خلیج فارس قرار گرفته است. محاسبات و تحلیل های لازم بر روی سکو انجام گرفته و عمر طراحی اتصالات به دست آمده و در قسمت نتایج آورده شده است.
-1 مقدمه
تجربه 60 ساله و هم چنین بسیاری از نتایج آزمایشگاهی نشان دادهاند که یک فلز میتواند در یک تنش نسبتا کوچک اگر این تنش به تعداد دفعات زیاد به فلز اعمال گردد، دچار خرابی و شکست شود. در گاهی از اوقات یک ترک در ماده ایجاد می گردد و تحت رفتار تکراری تنش اعمالی که کمتر از تنش تسلیم ماده میباشد، ترک ایجاد شده رشد و نمو پیدا میکند و در نهایت منجر به خرابی در ماده میگردد.
خرابیهایی از این قبیل به عنوان خرابی خستگی نامیده میشوند. به طور کلی ترکهای ریز اولیه شکل گرفته در یک عضو از سازه یا در محل اتصال اعضا با تمرکز تنش زیاد، رشد و گسترش پیدا میکنند تا زمانی که مقطع عرضی باقی کفایت لازم برای انتقال نیرو و تنشهای وارد بر آن را نداشته باشد و در این صورت مقطع دچار شکست و خرابی میگردد. سازه های فراساحلی برای نیروهای تکراری ناشی از امواج که پدیده ی اصلی برای خرابی خستگی در اعضای سازه به شمار می رود و هم چنین نیروهای ایجاد شده ناشی از جریان، باد، شرایط طوفانی، خوردگی، آتش سوزی، انفجار و ... طراحی می گردند.
برای ساخت سازه های فراساحلی از اعضای لوله ای شکل استفاده می گردد. این امر باعث ایجاد تنش های متمرکز در نقاط اتصال اعضا به هم می شود، بنابرین عمر خستگی، یکی از مسائل مهم برای طراحی و نصب این سازه ها به شمار می رود. بیشتر اعضای نگهدارنده سازه های فراساحل، قاب هایی سه بعدی می باشند که این قاب ها از اعضای لوله ای شکل تشکیل شده اند.
این اعضای لوله ای شکل ساز گاری بیشتری با شرایط دریایی داشته و ضریب کشش کمتر، نیروی شناوری بیشتر و هم چنین مقاومت بالا در مقابل تحمل وزن سازه دارند. یکی از رایج ترین سازه های فراساحلی، جکت می باشد که شامل یک سازه نگهدارنده پیش ساخته شده به نام جکت می باشد که از بستر دریا تا ترازی بالاتر از سطح آب قرار میگیرد و هم چنین یک عرشه فلزی که بر روی سازه جکت قرار می گیرد.
استیسی نشان داد که ایجاد ترک خستگی عامل اصلی آسیب دیدگی برای برخی از سازه های جکت می باشد. امواج ایجاد شده که به صورت نیروهای دینامیکی به سازه اعمال می شوند یکی از مهم ترین نیروهایی است که باعث خستگی اعضای لوله ای در سازه های فراساحلی می گردد. خستگی مدت زیادی است که به عنوان یکی از مهم ترین ملاحظات طراحی برای سازه های فراساحلی به شمار می رود و تحقیقات صنعتی زیادی بر روی نقاط اتصال لوله ای انجام شده است. هدف اصلی تحلیل خستگی یک سکو محاسبه ی میزان حساسیت نسبی اعضای سکو به خرابی خستگی می باشد، بنابرین در برنامه های بازرسی آینده از سکو، اهمیت زیادی بر روی اعضای حساس به خستگی باید قائل شد.
در دهه ی اخیر توجه ویژه ای به مطالعه و بررسی اثر خستگی بر روی سازه های فراساحلی صورت گرفته است. مطالعات متعددی توسط سایر محققین در این حوزه انجام شده است.
نولت و هنسفورد - Nolte & Hansford, 1976 - روابطی ریاضی برای محاسبه آسیب خستگی سازه، ناشی از امواج دریا به دست آوردند. این روابط، رابطه ی بین ارتفاع و محدوده تنش را با در نظر گرفتن محدوده تنش در مقابل تعداد سیکل خرابی و توزیع احتمال ارتفاع امواج نشان می دهد.
المار نائس - Almar-Naess, 1985 - مباحث مهمی را در زمینه ی خستگی سازه های فولادی فراساحلی بیان کرد، از جمله محاسبه ی تنش خستگی و عمر خستگی. داور و مدهوا راو × - Dover, 1996 - علوم مربوط به ضریب تمرکز تنش، خستگی و مکانیزم شکست ناشی از خستگی اتصالات لوله ای، ارزیابی خرابی و تحلیل قابلیت اطمینان اتصالات را بررسی و خلاصه کردند.
ایتاب و همکارانش - Etube, Brennan, & Dover, 1999 - ×پاسخ یک مدل از سکوی جکاپ را برای محاسبات مربوط به خستگی ارائه نمود. با تحلیل یک مدل ریاضی برای به دست آوردن تابع انتقال پاسخ دینامیکی برای یک سکوی جکاپ معمولی متوجه شدند که فعل و انفعالات پیچیده ی بین پایه ها و خاک می تواند به خوبی با فنر ها مدل سازی شود و فونداسیون صلب در نظر گرفته شود. هم چنین اثر انتقالی فنرها ناچیز بوده و اتصال بین پایه ها و خاک می تواند با در نظر گرفتن اتصال پینی بهبود یابد.
راماچاندرا مورسی و گاندی مطالعاتی در زمینه ی خستگی اتصالات فولادی لوله ای شکل سخت شده انجام دادند، از جمله ی این مطالعات، خستگی ناشی از خوردگی و رفتار خستگی بودند.
ووتس - Vugts, 2005 - ارزیابی خرابی ناشی از خستگی و تاثیر جهت موج را مورد بررسی قرار داد که بر روی یک سازه ی متقارن چرخشی - یک سیلند دایره ای قائم - انجام شد و نتایج مربوطه به دست آمد. بر اساس تئوری تحلیل طیفی، شونفنگ محاسبات مربوط به خستگی یک جکت با اعضای لوله ای واقع در دریای جنوب چین را ارائه کرد. با بررسی تابع انتقال تنش اتصالات نتیجه گیری شد که مد اول نقش مهمی را برای پاسخ دینامیکی فراهم می کند و انتخاب مناسب فرکانس و پهنای باند اثر قابل توجهی بر روی پاسخ سازه دارد. یک سکوی جکت خاص به همراه یک مخروط یخ شکن در خلیج بوهایو توسط لی بهینه سازی شد و نتایج حاصله نشان دادند که عمر خستگی اتصالات لوله ای می تواند بهبود یافته و وزن سکو نیز به همراه آن کاسته شود.
مارکو یک روش دینامیکی غیرخطی کارآمد برای محاسبه ی خرابی خستگی ناشی از امواج برای سازه های فراساحلی و کاربرداهای صنعتی آن برای افزایش طول عمر، ارائه داد.
منطقه خلیج فارس جزء آب های کم عمق به شمار می رود. از این رو بیشتر سکوهای ساخته شده در این منطقه از نوع جکت پایه ثابت می باشند در این مقاله تحلیل و ارزیابی خستگی بر روی اتصالات لوله ای یک سکوی پایه ثابت جکت موجود در خلیج فارس، که در منطقه پارس جنوبی واقع شده است، انجام گردیده است. روش های مختلفی برای تحلیل خستگی وجود دارد که سه روش اصلی آن عبارتند از: تحلیل خستگی قطعی، تحلیل خستگی طیفی یا احتمالاتی و تحلیل خستگی ساده شده که روند اصلی کار آیین نامه ها و استاندارد ها می باشد.
در این مطالعه برای محاسبات عددی خستگی براساس شیوه منحنی تنش-تعداد سیکل بارگذاری از استاندارد ای-پی-آی - API RP2A WSD, 2007 - استفاده شده است و تحلیل نهایی سازه با استفاده از نرم افزار SACS با روش تحلیل قطعی خستگی، انجام گردیده است. برای محاسبه عمر خستگی و حساسیت هر یک از اعضا به خستگی صرفا اثر خستگی ناشی از امواج را روی سکو مورد بررسی قرار گرفته است و از اثر خستگی ناشی از جریان و باد و ... به علت ناچیز بودن چشم پوشی شده است. عمر طراحی این سکو 25 سال می باشد و عمر خستگی اتصالات سکو باید بیشتر از این مقدار باشد و در صورت کم بودن عمر خستگی اتصالات از عمر طراحی سکو باید اتصالات مورد نظر مقاوم سازی گردند.
-2 مدلسازی سازه ای
سازه ی مورد نظر یک سکوی پایه ثابت جکت با عمر طراحی 25 سال می باشد که در منطقه پارس جنوبی خلیج فارس احداث شده است. این سکو دارای چهار پایه و هم چنین چهار عدد شمع اصلی با قطر 60 اینچ 1524 - میلی متر - می باشد. فاصله ی بین پایه ها 24متر در یک جهت و 13,7 متر در جهت دیگر در تراز زیرین دک می باشد. ابعاد کلی دک 27,5x32,5 متر می باشد. قسمت عرشه از پنج عرشه جدا و کوچکتر مختلف با مشخصات زیر تشکیل شده است:
.1عرشه فوقانی در تراز ارتفاعی +25,75 متر
2. عرشه نیم طبقه فوقانی در تراز ارتفاعی +21,85 متر
3. عرشه نیم طبقه تحتانی در تراز ارتفاعی +18,30 متر
4. عرشه تحتانی در تراز ارتفاعی +14,25 متر
5. عرشه زهکشی در تراز ارتفاعی +10,10 متر
عمق آب منطقه 64,5 متر به صورت کم ترین تراز آب جزر و مدی درنظر گرفته شده است. برای تحلیل و طراحی سازه از نرم افزار SACS استفاده شده است.× شکل 1 نمایی سه بعدی از سکو را نشان می دهد. هم چنین در شکل 6 نمایی دو بعدی از سکو همراه با ترازهای ارتفاعی قسمت عرشه و جکت نشان نشان داده شده است.
شکل: 1 نمای سه بعدی از سکو.
