بخشی از مقاله
چکیده
سکوهای پایه کششی از جمله مهمترین سازههای دریایی برای استخراج نفت در آبهای عمیق میباشند. این سازهها توسط سیستم مهار متشکل از تاندونهای پیشکشیده به بستر دریا مهار میشوند. حفظ یکپارچگی این سازهها در شرایط بد محیطی امری حیاتی است. در این مقاله یک سکوی پایه کششی برای عمق 800 متر در شرایط دریایی دریای شمال در نرمافزار تجاری موزز شبیهسازی شده است. با استفاده از روش المان مرزی و تئوری تفرق سه بعدی تاریخچه زمانی کشش در تاندونها در حالت سالم و حالتی که یکی از تاندونها از سیستم مهار حذف شود، محاسبه شده است.
دو سیستم مهار متشکل از 12 و 16 تاندون معادل برای سازه در نظر گرفته شده است. شاخص قابلیت اعتماد و احتمال شکست سازه با روش شبیهسازی مونت کارلو با استفاده از نرم افزار Rt محاسبه شده است. ملاحظه شد که حذف یک تاندون احتمال شکست تاندون مجاور را به شدت افزایش میدهد. همچنین افزایش تعداد تاندون از 12 به 16 تاندون عملکرد سازه را در حالت صدمهدیده بهبود میبخشد.
مقدمه
سکوی پایه کششی توسط مجموعه ای از تاندونها که به صورت اعضای استوانه ای شکل تحت کشش هستند به بستر دریا مهار می شوند. حرکات صفحه قائم این سازهها به دلیل وجود تاندونها بسیار محدود بوده درحالیکه سازه در صفحه افقی میتواند آزادانه در محدوده مشخصی حرکت کند. سازههای دریایی دائما تحت بار تناوبی امواج میباشند. از اینرو خطوط مهار تحت بارهای تناوبی ماکزیمم و مینیمم قرار میگیرند. این بارهای حدی می توانند باعث خرابی سازهای شوند. اگر به منظور تعمیر، بازرسی یا جایگزینی یکی از تاندونها از سیستم مهار جدا شود احتمال آسیب به سازه افزایش مییابد. در این مقاله به بررسی قابلیت اعتماد تاندون سکوی پایه کششی در حالت کشش ماکزیمم و مینیمم پرداخته میشود. بدین منظور دو حالت سیستم خطوط مهار متشکل از 12 و 16 تاندون معادل برای دو حالت سالم و صدمهدیده در نظر گرفته میشود. مقادیر احتمال شکست محاسبه میشود.
Niedzweckia و همکاران در سال 2000 در پژوهشی روشهای تحلیلی توابع چگالی احتمال و توزیع تجمعی که از ضرایب تجربی نیز استفاده میکنند، برای مدلسازی دقیق مسائل بالا خیز موج سطحی و شکاف هوا ارائه شدهاست. نتایج با مدلسازی آزمایشگاهی برای یک سکوی پایه کششی کوچک و دو نمونه اسپار مقایسه شدهاند .[1] این مطالعات به منظور تعیین تراز دقیق عرشه و محاسبه شکاف هوا انجام شدهاست که نتایج برای سه نمونه آزمایشگاهی به صورت رابطه ارتفاع عرشه و شاخص قابلیت اعتماد ارائه شدهاست. در همان سال Ahmad 2000 و Siddiqui روی قابلیت اعتماد یک سکوی پایه کششی سالم و همان سکوی پایه کششی با یک تاندون حذف شده با استفاده از روش تحلیل قابلیت اعتماد مرتبه اول در دوازده شرایط مختلف دریایی محاسبه شده، کار کردند .[2] از معیار فون-مایسس1 به عنوان معیار گسیختگی ناشی از کشش بیشینه استفاده شد و معیار گسیختگی وقتی بود که تاندونها به دلیل عدم وجود کشش دچار شلشدگی میشدند.
توابع شرایط حدی برای حالات بیشینه و کمینه کشش تعریف شدند. مقایسه ای روی قابلیت اعتماد دو طرح برای سکو پایه کششی در عمق 870 متر با دوازده و هشت تاندون در شرایط فراساحلی ریودوژانیرو در مطالعات Goulart و همکاران در سال 2003 انجام شدهاست. معیار قابلیت اعتماد تنها شرایط حدی سازه در برابر شرایط محیطی حدی2 و معیار مقایسه تحلیل هزینه نصب بودهاست .[ 3] سکوی پایه کششی مهار شده با 8 تاندون به دلیل کمتر بودن هزینه نصب و کم شدن حدود30 درصدی زمان نصب تاندونها و شمعها انتخاب ارجح نسبت به سکوی مهار شده با 12 تاندون بوده است. در سال khan 2006 و همکاران در مقالهای تحلیل غیرخطی حوزه زمانی به منظور ارزیابی قابلیت اعتماد تاندونهای سکوی پایه کششی در برابر بیشینه کشش - کششی که از تنش تسلیم مصالح تاندون افزون شود - تحت اثر امواج و نیروهای ضربه انجام دادند .[4] تابع شرایط حدی برای کشش بیشینه با استفاده از معیار فون مایسس تعریف شد.
تحلیل قابلیت اعتماد با استفاده از تابع شرایط حدی و نتایج به دست آمده از تحلیل دینامیکی تحت بارگذاری ضربه سینوسی، نیمه مثلثی و مثلثی انجام شد. نقطه طرح که برای طرح احتمالاتی تاندون بسیار مهم است و روی سطح گسیختگی قرار دارد پس از حل مسئله بهینه سازی محدود شده بدست آمد. به منظور مطالعه اثر متغیرهای تصادفی مختلف بر قابلیت اعتماد تاندون، آنالیز حساسیت انجام شد. اثر زاویه برخورد، مقادیر مختلف غوطهوری و مقاومت تسلیم مصالح نیز به صورت پارامتری بررسی شدند و نتایج حاصل از مطالعه عددی یک سکوی پایه کششی نمونه نشان داد که در صورتیکه بار ضربه بر هر یک از ستونهای سکوی پایه کششی وارد شود، تاثیر بسیار مهم و حتی خطرناک بر تاندونها دارد در حالیکه در صورت برخورد با محفظه سکو چندان اثر مهمی ندارد.
چنانچه تاندونی در معرض بار ضربه از یک زاویه برخورد ایمن باشد، ممکن است در مقابل همان ضربه ولی از یک زاویه برخورد دیگر ایمن نباشد. وارد نکردن مقادیر مختلف غوطهوری در تحلیلها ممکن است منجر به تخمین دست پایین قابلیت اطمینان تاندون شود. بدون توجه به شکل ضربه برخوردی، رابطه بین قابلیت اعتماد و مقاومت تسلیم مصالح تاندون تقریبا خطی است. چنانچه عدم قطعیتهای موجود در متغیرهای تصادفی تا حدی کنترل شوند، قابلیت اعتماد تاندونها افزایش مییابد. نتایج حاصل در مورد این سکوی پایه کششی قابل تعمیم به سکوهای دیگر تحت بار ضربه نیز میباشند.
تابع حالت حدی
تحلیل قابلیت اعتماد یک سازه به بیان احتمال شکست سازه بر اساس تابع حالت حدی میپردازد. تابع حالت حدی بیان ریاضیاتی شکست یک سازه است. این تابع بر مبنای یک معیار شکست و متغیرهای تصادفی بیان میشود. برای حالت ماکزیمم و مینیمم تنش، تابع حالت حدی در شرایط سیستم مهار سالم و صدمهدیده برابر خواهد بود.
تنش ماکزیمم
در این مقاله تابع حالت حدی برای حالت تنش ماکزیمم بر اساس معیار شکست فن-مایزز به دست میآید. بر این اساس با توجه به کمانش سازه خواهیم داشت:[2] که x تنش محوری، تنش هوپ و E تنش کمانشی هوپ می باشد. این تنشها به صورت زیر تعریف میشوند. که P فشار هیدرواستاتیکی در محل اتصال تاندون به بستر دریا است و به صورت یک پارامتر ثابت در تابع حالت حدی در نظر میگیریم. D قطر خارجی تاندون و یک پارامتر ثابت می باشد. تنشهای ناشی از حرکات 6 درجه آزادی با t f بیان میشود. متغیرهای تصادفی معادلات - 2 - و - 3 - عبارتند از: z1 تنش تسلیم فولاد، z2 تنش ناشی از پیشکشیدگی، z3 تنش ناشی از جزر و مد، z4 عدم قطعیت پاسخ، z5 ضخامت تاندون، z6 تنش ناشی از نشست سکو1، z7 مدول الاستیسیته، z8 تنش ناشی از نابجایی خطی2، z9 تنش ناشی از نابجایی چرخشی.3 با جایگزینی معادلات - 2 - و - 3 - در معادله - 1 - و لوگاریتمگیری از طرفین تساوی خواهیم داشت:[2]
تنش مینیمم
تاندون سکوی پایه کششی در صورت صفر شدن کشش دچار سست شدگی میشود . برای جلوگیری از این حالت باید تنش ماکزیمم بیشتر از مقدار قدر مطلق تنش منفی باشد. به عبارت دیگر تنش خالص تاندون مثبت باشد. بر این اساس تابع حالت حدی از جمع جبری تمامی تنش های مرتبط با کشش منفی بدست میآید.
