بخشی از مقاله
چکیده
خستگی یکی از خرابی های رایج در بین سازه های فراساحلی به شمار می رود که به مرور زمان در اثر بارهای تکراری نظیر موج، جریان و باد ایجاد می گردد. این پدیده به علت تمرکز تنش زیاد در محل اتصالات اعضای سکو، محسوس تر است. در این مقاله تحلیل و ارزیابی خستگی برای اتصالات لوله ای یک سکوی پایه ثابت جکت موجود در خلیج فارس انجام شده است. سکوی مورد مطالعه، یک سکوی چهار پایه و با عمر طراحی 25 سال می با شد که در منطقه پارس جنوبی خلیج فارس قرار گرفته است.
تمرکز اصلی این مقاله بر روی محا سبه ی عمر خ ستگی ات صالات و مقای سه ی آن ها با عمر طراحی سازه می با شد. روش تحلیل انجام شده بر اساس شیوه ی منحنی تنش-تعداد سیکل بارگذاری ارائه شده در آییننامه ای-پی-آی با به کارگیری روش قطعی خستگی، می باشد. محاسبات و تحلیل های لازم بر روی سکو انجام گرفته و عمر طراحی اتصالات به دست آمده و در قسمت نتایج ارائه گردیده است.
مقدمه
تجربه 100 ساله و همچنین ب سیاری از نتایج آزمای شگاهی ن شان دادهاند که یک فلز یا ماده میتواند در یک تنش نسبتا کوچک اگر این تنش به تعداد دفعات زیاد به فلز اعمال گردد، دچار خرابی و شکست شود. در برخی از اوقات، ابتدا یک ترک در فلز مورد نظر ایجاد میگردد و تحت اثر رفتار تکراری تنش اعمالی که کمتر از تنش ت سلیم ماده میبا شد، ترک ایجاد شده ر شد و نمو پیدا میکند و در نهایت منجر به خرابی در فلز میگردد. خرابیهایی از این قبیل به عنوان خرابی خ ستگی1 نامیده می شوند.
به طور کلی ترکهای ریز اولیه شکل گرفته در یک ع ضو از سازه یا در محل اتصال اعضا با تمرکز تنش زیاد، رشد و گسترش پیدا میکنند تا زمانی که مقطع عرضی باقی مانده، کفایت لازم برای انتقال نیرو و تنشهای وارد بر آن را نداشته باشد و در این صورت مقطع دچار شکست و خرابی میگردد. سازههای فراساحلی برای نیروهای تکراری ناشی از امواج که پدیده 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 ش کل استفاده می گردد. این امر باعث ایجاد تنش های متمرکز در نقاط ات صال اع ضا به هم می شود.
بنابرین عمر خستگی، یکی از مسائل مهم برای طراحی و نصب این سازه ها به شمار میرود. بی شتر اع ضای نگهدارنده سازه های فراساحل، قاب هایی سه بعدی می باشند که این قاب ها از اعضای لوله ای شکل2 تشکیل شده اند. این اعضای لوله ای شکل سازگاری بی شتری با شرایط دریایی دا شته و ضریب ک شش3 کمتر، نیروی شناوری بی شتر و هم چنین مقاومت بالایی در مقابل تحمل وزن سازه دارند.
یکی از رایج ترین سازه های فراساحلی، سکوهای پایه ثابت جکت می باشند که شامل یک سازه نگهدارنده پیش ساخته شده به نام جکت4 هستند که از بستر دریا تا ترازی بالاتر از سطح آب قرار میگیرد و هم چنین یک عرشه5 فلزی که بر روی بدنه اصلی جکت قرار میگیرد.
استیسی6 [1]در سال 2007 پس از مطالعاتی بر روی خستگی، نشان داد که ایجاد ترک خستگی عامل اصلی آسیب دیدگی برای برخی از سازه های جکت میباشد. امواج ایجاد شده که به صورت نیروهای دینامیکی به سازه اعمال می شوند یکی از مهمترین نیروهایی است که باعث خستگی اعضای لوله ای در سازه های فرا ساحلی می گردد.
خستگی مدت زیادی ا ست که به عنوان یکی از مهم ترین ملاحظات طراحی برای سازه های فرا ساحلی به شمار می رود و تحقیقات صنعتی زیادی بر روی نقاط اتصال لوله ای انجام شده است. هدف اصلی تحلیل خستگی یک سکو محاسبه 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 اخیر توجه ویژه ای به مطالعه و بررسی اثر خستگی بر روی سازه های فراساحلی شده است و مطالعات متعددی توسط محققین در این حوزه انجام شده است. نولت و هنسفورد[2] 7 روابطی ریاضی برای محاسبه آسیب خستگی سازه، ناشی از امواج دریا به دست آوردند. این روابط، ارتباط بین ارتفاع و محدوده تنش8 را با در نظر گرفتن محدوده تنش در مقابل تعداد سیکل خرابی و توزیع احتمال ارتفاع امواج نشان می دهد.
المار نائس[3] 9 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[4] 10 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.
ایتاب11 و همکارانش [5] پاسخ یک مدل از سکوی جکاپ را برای محاسبات مربوط به خستگی ارائه نمودند. در ادامه 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 فوندا سیون صلب در نظر گرفته شود.
هم چنین اثر انتقالی فنرها ناچیز بوده و ات صال بین پایه ها و خاک می تواند با در نظر گرفتن ات صال پینی بهبود یابد. راماچاندرا مور سی[6] 12 و گاندی[7] 13 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[8] 14 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[9] 15 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 پا سخ دینامیکی فراهم میکند و انتخاب منا سب فرکانس و پهنای باند اثر قابل توجهی بر روی پا سخ سازه دارد. یک سکوی جکت خاص به همراه یک مخروط یخ شکن در خلیج بوهایو تو سط لی[10] 16 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 کا سته شود.
مارکو[11] 17 نیز یک روش دینامیکی غیرخطی کارآمد برای محا سبه ی خرابی خ ستگی 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 ا ست، انجام گردیده ا ست. روشهای مختلفی برای تحلیل خ ستگی وجود دارد که سه روش ا صلی آن عبارتند از:
تحلیل خستگی قطعی18، تحلیل خستگی طیفی یا احتمالاتی19 و تحلیل خستگی ساده شده20 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 بارگذاری21 از استاندارد ای-پی-آی [12] 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.
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 24 متر در یک جهت و 13,7 متر در جهت دیگر در تراز زیرین دک می با شد. ابعاد کلی دک 27,5x32,5 متر می با شد. ق سمت عر شه از پنج عر شه جدا و کوچکتر مختلف با مشخصات زیر تشکیل شده است:
.1 عرشه 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 داده شده است.
شکل : 1 نمای سه بعدی از سکو
شکل : 2 نمایی دوبعدی از سکو به همراه تراز های ارتفاعی
