بخشی از مقاله
چکیده
اتصالات لولهای از اجزای اصلی سکوهای فراساحلی ثابت میباشند. عدم دقت کافی در تخمین درست مقاومت استاتیکی و نیروهای داخلی اتصالات، خسارت جبران ناپذیری به کل سازه وارد خواهد کرد. برای دستیابی به سطح ایمنی پایدار، یکی از بهترین روشها، کالیبره کردن ضرایب ایمنی در طراحی است. کالیبره کردن ضرایب از مهم ترین مصارف کلاسیک روشهای قابلیت اعتماد است، به طوری که با محدود کردن احتمال شکست، می-توان ضریب اطمینان متناظر را تعیین کرد. اگر فراگذشت بار از مقاومت اتصال به عنوان معیار شکست تعریف شود، میتوان با استفاده از روشهای قابلیت اعتماد ضرایب اطمینان بهینه و متناسب با سطح ایمنی مطلوب و هدف را برای اتصالات تعیین کرد.
اگر در طراحی اتصالات، بیش از یک معیار شکست مد نظر باشد، هرکدام از حالتهای شکست در سیستم با یک تابع حالت حدی بیان میشود. فرا گذشت هرکدام از نیروهای داخلی یا لنگرهای داخلی از مقاومت محوری یا مقاومت خمشی بهعنوان یک رویداد شکست کلی تعریف میشود. در این پژوهش با در نظر گرفتن مجموعهای از مودهای گسیختگی، تحلیل قابلیت اعتماد سیستم برای اتصال لولهای Y انجام شده است. نتایج این تحلیل برای ضرایب ایمنی کالیبره شده و ضرایب آییننامهای در دو حالت وجود و عدم وجود همبستگی بین متغیرهای تصادفی، ارائه شده است.
مقدمه
یکی از عملکردهای مهم روشهای قابلیت اعتماد سازه ای، کالیبره کردن ضرایب ایمنی در طراحی برای دستیابی به یک سطح ایمنی پایدار است. ضرایب ایمنی بهگونهای تعیین میشوند که احتمال گسیختگی برای سطوح مختلف به سطح قابلیت اعتماد هدف محدود گردد. سطح قابلیت اعتماد هدف سطحی از ایمنی هست که در طراحی دنبال آن هستیم که ایمنی سازه ما از آن کمتر نباشد. این سطح هدف بسیاری از عدم قطعیتهایی که در طول طراحی لحاظ نشده باشند را نیز شامل میشود. برای کالیبره کردن ضرایب ایمنی بر اساس قابلیت اعتماد 8 گام اساسی باید طی شود .[1]
▪ تشخیص مودهای گسیختگی برای طراحی
▪ تعریف معادلات طراحی
▪ شکل تابع حالت حدی
▪ مدلسازی عدم قطعیتها
▪ تخمین احتمال گسیختگی
▪ تعیین سطح ایمنی هدف
▪ کالیبره کردن ضرایب ایمنی
▪ ارزیابی نتایج
امروزه در بسیاری از مناطق نفتخیز جهان و ایران سکوهای دریایی وجود دارد که عمر مفید بهرهبرداری آنها به پایان رسیده است اما همچنان ذخایر هیدروکربنی در آن مخازن وجود دارد. تدوین یک برنامه منظم برای تعمیر و بازرسی هوشمندانه چنین سکوهایی ضرورت تحلیل ایمنی آنها را آشکار می سازد. گسیختگی چنین سازهایی عمدتاً به دلیل رشد ترک ناشی از خستگی در اتصالات جوشی و عدم کفایت مقاومت مصالح اتصال است2]،.[3
تحقیقات فراوانی درباره قابلیت اعتماد سکوهای فراساحلی انجام شده است. در مسائل سازه های فراساحلی تحلیل قابلیت اعتماد ابتدا برای بررسی پدیده خستگی مطرح شد .[4]علت این امر را می توان در ماهیت تصادفی بارگذاری دریا و پدیده خستگی جستجو کرد. در کنار بررسی قابلیت اعتماد برای پدیده خستگی، بهمنظور تعیین ظرفیت نهایی سازهها قابلیت اعتماد در شرایط طوفانی دریا نیز موردتوجه محققین قرار گرفت. ابتدا با توجه به پیچیده بودن سازهها محاسبه قابلیت اعتماد با سادهسازیهایی همراه بود .[5]
بهمرورزمان با پیشرفت نرمافزاری و سختافزاری سعی شد تا تأثیر تصادفی بودن عوامل بارگذاری مانند ارتفاع موج، پریود موج، سرعت باد و سرعت جریان و همچنین پارامترهای مقاومت مانند تنش تسلیم، مقاومت خاک در محاسبه قابلیت اعتماد یا احتمال خرابی سکو بررسی شود. سایر بررسی ها که تا به امروز نیز ادامه دارد، در نظر گرفتن سیستم سازه ای با تعداد زیادی مود خرابی به جای سازه با یک مود خرابی حاکم است که اغلب محققین دنبال تأثیر این مود با بر احتمال خرابی اعضا هستند .[6] در آنالیز قابلیت اعتماد هیچ اندرکنش مکانیکی بین مودهای مختلف گسیختگی وجود ندارد. مطالعات مربوط به سطوح ایمنی و کالیبره کردن ضرایب مقاومت و بار، کاربردی دیگر از روشهای قابلیت اعتماد در صنعت فرا ساحل به شمار میرود. این تحقیقات بهطور گسترده در مباحث بهینهسازی اقتصادی سازهها کاربرد دارد .[7]
همچنین موضوع دیگری که بسیار موردتوجه محققین است، فرمول بندی روش ضرایب بار و مقاومت جزئی بر اساس نظریه آنالیز قابلیت اعتماد است. نتایج مرتبط با این موضوع در سازههای فراساحلی ضعف موجود در آییننامههای مبتنی بر تنش مجاز را در این زمینه آشکار میسازند. اختصاص یک ضریب اطمینان کاهشی برای مقاومت با نادیده گرفتن افزایش بار مورد انتظار عمدهترین ضعف آییننامههای تنش مجاز است9]،.[8 خلأ موجود در این سری از مطالعات، با ارائه اساس فرمولبندی ضوابط قابلیت اعتماد برای سازههای فراساحلی کمتر احساس شد .[10]
کالیبره کردن ضرایب بر اساس نظریه قابلیت اعتماد بسته به روش آییننامهای، فرمولبندی متفاوت خواهد داشت. خروجی فرمولبندی بر اساس آییننامه تنش مجاز، تنها یک ضریب کاهشی برای مقاومت خواهد بود. درحالیکه در آییننامه ضرایب جزئی بار و مقاومت، ضرایب افزایشی بار نیز بسته به لحاظ کردن نوع بارگذاری، قابلاستخراج است 12]،.[11 مفاهیم مقدماتی قابلیت اعتماد و مدل سازی عدم قطعیتها در مراجع مختلف به فراوانی آورده شده است .[13] کاربرد این روشها برای سازههای فراساحلی با در نظر گرفتن سطح ایمنی هدف، بحث روزی است که محققین در حال پژوهش میباشند. نقطه قوت مسائل مبنی بر کالیبره کردن ضرایب، لحاظ کردن سطح ایمنی هدف است. به این مفهوم که محدود کردن احتمال گسیختگی اعضا به یک عدد بسیار کوچک، ضریب اطمینان متناظر را به ما میدهد .[14]
تحت بارگذاری موج چهارچوب طراحی بر اساس قابلیت اعتماد برای سکوی ثابت ارائه شد. این بررسی با تخمین یک سطح نهایی از ارتفاع موج انجام شد و با در نظر گرفتن شکست غیرخطی اعضای سکو فرمولبندی ارائه گردید .[15] در ادامه مدلهای تصادفی المان محدود در بررسی قابلیت اعتماد اعضای لولهای سکو فراساحلی در نظر گرفته شد و قابلیت اعتماد بر اساس المان محدود موردبررسی قرار گرفت. نتیجه گرفته شد که طول همبستگی از حوزههای بار تأثیر مشخصی روی قابلیت اعتماد اعضا میگذارد .[16] با رویکرد الگوریتم سیستمی برای سکوی فراساحلی ثابت بهینه سازی بر اساس قابلیت اعتماد انجام شد در این بررسی اثرات هم زمانی بارهای وارد در نظر گرفته شد و بر اساس یک الگوریتم بهینهسازی تکاملی با کمینه کردن وزن سازه، سطح ایمنی متناظر با استفاده از روش قابلیت اعتماد مرتبه اول تخمین زده شد.[ 17 ]
بیشتر روشهای قابلیت اعتماد تنها برای سیستم سازهای ساده وابسته با آنالیز فرمولبندی شده تابع حالت حدی و برای تعداد کمی از متغیرهای تصادفی قابل اجرا است. ترکیب روشهای قابلیت اعتماد رایج با آنالیز سازهای بر پایه فیزیک و هندسه غیرخطی، گرچه سبب افزایش هزینه محاسباتی می شود اما دقت قابل قبولی دارد و هزینه محاسباتی را میتوان با تکنیکهای پاسخ سطحی و روشهای شبیهسازی مونت کارلو کاهش داد.
جزئیات بررسی قابلیت اعتماد با استفاده از روش المان محدود و تکنیکهای کاهش هزینه محاسباتی در مراجع آمده است.[18] گسسته سازی مدول الاستسیته و تحلیل حساسیت قابلیت اعتماد با استفاده از روشهای المان محدود باهدف بهینه سازی نیز موردتوجه محققین قرار گرفت .[19] تکنیکهای طراحی بهینه و ایمن سکوهای فراساحلی بر اساس قابلیت اعتماد نیز توسط محققین ارائه گردید و در این بررسی جریان ضربه مورد آنالیز قرار گرفت و پیشنهاد هایی برای یکپارچگی مؤثر در فرایند طراحیها ارائه گردید.[20] توسعه نرمافزاری درزمینه قابلیت اعتماد، تحلیل حساسیت و بهینهسازی نیز اخیراً انجامشده است.[21]
فرمولبندی تابع حالت حدی
در بحث کالیبره کردن بر اساس قابلیت اعتماد، توابع حالت حدی و مدلسازی عدم قطعیت از اهمیت فوقالعاده برخوردار است. در این بخش ابتدا مودهای گسیختگی موردنظر تشریح میشود. در ادامه معادلات طراحی مقاومت استاتیکی نهایی اتصالات ارائه می شود. سپس توابع حالت حدی برای مودهای گسیختگی در نظر گرفته شده فرمولبندی میشود. نهایتاً متغیرهایی که در توابع حالت حدی ظاهر میشوند.
بهعنوان متغیر تصادفی در نظر گرفتهشده و تمامی عدم قطعیتها بهصورت احتمالاتی مدل سازی میشود. مقصود از مدلسازی احتمالاتی این است که برای متغیر تصادفی اولاً پارامترهای احتمالاتی شامل میانگین و انحراف معیار برآورد میشود و ثانیاً تابع توزیع متناسب به متغیر تصادفی برازش می شود. در تمامی روشهای قابلیت اعتماد دو رکن اساسی وجود دارد. این دو رکن عبارت است از فرمولبندی توابع حالت حدی و مدلسازی عدم قطعیت.
مودهای گسیختگی
فرا گذشت نیروها و ممانهای داخلی اتصالات از مقاومت استاتیکی آن ها بهعنوان مود گسیختگی کلی در نظر گرفتهشده است. نیروهای داخلی در یک تقسیمبندی کلی در اتصالات بهصورت ذیل در نظر گرفته میشود.
▪ نیروهای داخلی محوری
1. نیروی محوری فشاری
2. نیروی محوری کششی
▪ ممانهای داخلی
1. لنگر خمشی داخل صفحه
2. لنگر خمشی خارج صفحه
معادلات طراحی
اتصال ساده به اتصالی اطلاق می شود که اعضای مهاربند اصلی فاقد روی هم رفتگی بوده و اتصال شامل ورقهای تقویتی، دیافراگم و سخت کننده نباشد. اتصالات یک سکوی دریایی شامل یک عضو اصلی چند عضو مهاری است که این اعضاء ممکن است در یک صفحه و یا چند صفحه قرار گیرند. اگر قطر، ضخامت و طول عضو اصلی به ترتیب با D ، T و L نشان داده شوند و قطر، ضخامت، طول عضو مهاری و زاویه بین عضو اصلی اتصال و عضو مهری به ترتیب با d، t،l و نشان داده شوند. مقادیر پارامترهای هندسی بیبعد بهصورت زیر تعریف میشوند .[11
با لحاظ کردن محدوده پارامترهای بیبعد فوق، آییننامه API-RP2A روابط ذیل را برای محاسبه ظرفیت استاتیکی اتصالات ساده ارائه داده است. ظرفیت مجاز برای بارمحوری عضو مهاری برحسب نیوتن، ظرفیت مجاز برای بار لنگر خمشی برحسب نیوتن.میلیمتر، کمترین مقدار بین تنش تسلیم در عضو اصلی اتصال و 0/8برابر مقاومت کششی برحسب نیوتن بر میلیمتر مربع، ضریب اطمینان که مطابق توصیه آییننامه در شرایط سرویسدهی برابر 1/6 در نظر گرفته میشود. در شرایط طراحی این مقدارمیتواند بهاندازه 33 درصد افزایش داشته باشند.
[11]برای اتصالات , مینگین وزنی مقاومت تکتک اعضای مهاری بهعنوان مقاومت استاتیکی در نظر گرفته میشود. همچنین برای اتصالاتی که در آن ضخامت عضو اصلی در طول اتصال ثابت نیست، مقدار باید اصلاح شود. در این پژوهش فرض شده است برای تمامی اتصالات ضخامت عضو اصلی در طول اتصال ثابت است. ضریب مقاومت اتصال میباشد. این ضریب به هندسه اتصال و نوع بارگذاری اتصال وابسته است. ضریب بار عضو اصلی اتصال میباشد. این ضریب نیز به بارگذاری اتصال و نوع اتصال بستگی دارد. روابط مربوط به تعیین این ضرایب در مراجع آمده است.
فرمولبندی توابع حالت حدی
عموماً به فرم زیر برای کالیبره کردن ضرایب ایمنی بر اساس قابلیت اعتماد ارائه میشود. متغیر تصادفی اثر بار، متغیر تصادفی اثر مقاومت، ضریب ایمنی جزئی افزایش بار و ضریب ایمنی جزئی کاهشی مقاومت است. تابع حالت حدی را بر اساس معیار گسیختگی برای هر مود گسیختگی تعریف می شود.
