بخشی از مقاله
چکیده
بررسی عملیات شناورسازی، حمل، اثرات جریان در مغروق سازی و نصب سازههای حجیم از قبیل پایههای پلها از جمله مسائل بسیار پیچیده در حوزه فراساحل میباشد. برخی از نیروها مانند نیروی ضربه و شکست امواج دارای ماهیت غیر خطی بوده که رفتار غیر خطی در سازه را منجر می-شوند. روابط و تئوریهای موجود جهت پیشبینی رفتار سازههای فراساحلی تا حد عمدهای رفتار خطی سازه را پوشش میدهند و دارای ساده سازیهای گوناگون هستند لیکن نتایج حاصل از آنها قابل اعتماد نخواهد بود.
به منظور مدلسازی کامل اندرکنش سازه و سیال و تخمین دقیقتر نیروهای وارد بر سازه، از تستهای آزمایشگاهی استفاده میشود که در آن شرایطی مانند ضربه موج، خیس شدن عرشه و ... قابل مشاهده و رفتار سازه تحت اثر این شرایط قابل اندازگیری است. در این مقاله به منظور بررسی رفتار کیسونهای پایههای پل خلیج فارس در زمان حمل، انتقال و مغروق سازی، مدل آزمایشگاهی بارجها و کیسون با توجه به معیار مدلسازی آزمایشگاهی فرود ساخته و تحت اثر سرعت جریانهای مختلف و در شرایط آب آرام و امواج مورد آزمایش قرار گرفت. هدف از این تست ها، تعیین مقدار مقاومت کل سازه به منظور انتخاب یدککش مناسب و بررسی نیروهای وارده به خطوط اتصال بارج و کاتاماران در شرایط مغروقسازی است.
مقدمه
به منظور آزمایش انتقال پایه پل ها و مغروقسازی آنها اصولا از استانداردهای مختلف استفاده میشود. در تست های کشش کیسون توسط کاتاماران تشکیل شده از بارج ها و خرپا متصل به خطوط اتصال به هم به صورت مجموعه ای به حرکت در می آیند. این فرایند در دو حالت آب آرام و امواج صورت می پذیرد. با استفاده از نتایج این تست ها می توان مقدار نیروی درگ وارده به این سیستم در شرایط آب آرام و در امواج با دامنه های مختلف اندازه گیری نمود. بنابراین مقدار نیروی لازم به منظور به حرکت در آمدن کیسون توسط بارج های کاتاماران به راحتی محاسبه می گردد و این مقدار نیرو به راحتی قابل تعمیم به مدل واقعی حین انتقال توسط کاتاماران می باشد. در راستای تاثیر اندرکنش سازه کیسون و سیال در برخورد با آن چه در فرایندهای قبل از نصب و چه بعد از آن تحلیل های عددی متفاوتی صورت پذیرفته است.
آقایان چاکرابارتی و مک براید در سال 2005 به مدلسازی آزمایشگاهی دو کیسون پل تاکوما واقع در واشنگتن با مقیاس 1100 پرداختند. این پایه های کیسونی دارای مقاطع مستطیلی بوده و طبق تشابه فرود مدلسازی شده اند. کلیه تست ها در آبخورهای مختلف و جهت ها و سرعت های مختلف جریان صورت پذیرفته است. هدف از انجام تست ها تعیین نیروی درگ و لیفت جانبی وارد بر کیسون در شرایط مختلف ذکر شده، بوده است.[1]
آقایان سیف و پایین کولایی در سال 2005 به بررسی و آنالیز و تحلیل پل شناور واقع در دریاچه ارومیه پرداخته اند. به منظور مدلسازی ای ن پل، سازه اصلی همراه با خطوط مهار و شرایط محیطی حاکم در نرم افزار مدلسازی شده و کانتورهای خطوط جریان و تنش های ون میزز وارد بر سازه تعیین شده اند. در نهایت مشخص شده است که هزینه ساخت پل های شناور کمتر از نصف هزینه ساخت پل های ثابت در ای ن منطقه می باشد.[ 2] آقایان گرولیموس و گزتاس در سال 2005 به تعیین پاسخ دینامیکی کیسون و فدانسیون آن با استفاده از مدل غیرخطی وینکلر پرداخته اند.
بر اساس مدل انتشار یافته، دو مورد پاسخ غیرخطی خاک و پاسخ غیرخطی خاک و کیسون ارزیابی شده است و مشخص شده است که ماهیت غیر خطی تاثیر بسیار زیادی در پاسخ اینرسی کیسون دارد و دمپینگ تشعشعی از مقدار اندکی برخوردار است .[3] آقای وارون در سال 2006 به بررسی مدل ساده شده فندانسیون کیسون در بارهای جانبی پرداخته اند. ارزیابی های صورت گرفته بر اساس مدل وینکلر بوده است. در این مدلسازیها بارهای عرضی به صورت استاتیکی در بالای کیسون وارد شده اند و فندانسیون کیسون در ارتعاش اجباری تحلیل شده است.
[4] آقای هیوز در سال 2010 به بررسی بار بحرانی وارده بر کابل ها و کیسونهای پل رسوند1 متصل کننده دو شهر کوپن هاگن2 و مالمو3 در سوئد پرداخته است. در این فرایند بارهای مرده و زنده در فرایند انتقال سازه های انتقال جمعی اعم از قطار و اتومبیل بررسی شده اند و خوردگی نیز در آن تحلیل شده است.[5] آقایان لینگز و کاسپر در سال 2013 به آنالیز زلزله سازه و خاک کیسون پل ایزمیت بی4 در ترکیه پرداخته اند.
بستر دریا در برخورد با سازه به صورت تلیقی از فنرها و دمپرها مدلسازی شده است و آنالیز المان محدودی سازه در زلزله در سازه اتصال شده به فنرهای توزیعی ارزیابی شده است. ایشان با توجه به این مدلسازی به آنالیز تنش های توزیعی در بستر فندانسیون به صورت تاریخچه زمانی دست پیدا کرده اند.[6] در این پژوهش در فرایند تست های مغروقسازی، کیسون همراه با کاتاماران حامل، در وزن نهایی قرار گرفته و به منظور مدلسازی سرعت جریان های مختلف دریایی در سرعت های مختلف توسط کالسکه کشش موجود در حوضچه کشش مهندسی دریا دانشگاه شریف کشیده میشود. از جمله نتایج مورد انتظار در این پژوهش ترسیم منحنی مقاومت و کشش در کابل بحرانی متصل کننده کیسون و کاتاماران در آب آرام و امواج به منظور انتقال و بررسی این نیروها در عملیات مغروقسازی و تاثیر سرعت های جریان مختلف بر سازه می باشد.
بررسی کلی حمل سازه کیسون توسط یدک کش
جهت بررسی مسئله انتقال و نصب در حالت کلی نیاز است تا فرایند مدلسازی با استفاده از استانداردهای موجود برای کلیه شرایط از قبیل یدک کردن شناور، سرعت یدک شناور، سیستم های مهار هنگام عملیات مغروقسازی و غیره بررسی شوند. بسته به سرعت های مختلف در هنگام یدک، مقادیر مقاومت و علاوه بر آن نیرو در کابل ها تغییر می کند. هنگام مغروقسازی نیز، سرعت های جریان مختلف باعث ایجاد شرایط نامناسب مغروقسازی می گردد که اصولا در آزمایشها میتواند مورد بررسی قرار گیرد.
حوضچه کشش مرکز پژوهشی مهندسی دریا دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی شریف کلیه تست ها آزمایشگاهی در حوضچه کشش مرکز پژوهشی مهندسی دریا دانشکده مکانیک دانشگاه شریف صورت پتذیرفته است. بدین سان تعیین مقیاس تشابه در مدلسازی آزمایشگاهی نیز با توجه به محدودیت های ابعادی موجود در حوضچه لحاظ شده است. مشخصات حوضچه کشش و دستگاه موجساز واقع در آزمایشگاه مرکز، به اختصار در جدول 1 و 2 ارائه شده است.
انتخاب مقیاس مدلسازی
برای انتخاب یک مقیاس مناسب برای مدلسازی یک سازه فراساحلی از روی ابعاد واقعی، توانایی سیستم تولید امواج در برابر شرایط دریایی در آزمایشگاه به عنوان یک معیار، می باشد. سایز فیزیکی مدل نیز در تانک های کشش کوچک حائز اهمیت است زیرا برگشت امواج در تانک های باریک از دیواره ها روی خود مدل تاثیر می گذارد و باعث تاثیر گذاری روی نیروی دریفت و ممان های اندازه گیری شده می شود. به طور کلی هرچه ابعاد مدل نسبت به ابعاد تانک کشش بزرگتر شود این تاثیرات دیواره بیشتر می گردد. معمولا با استفاده از سیستم جذب امواج در دیواره ها می توان اثرات وجود دیواره در برگشت امواج را حذف کرد.
نیروهای کشش سطحی اصولا در محاسبات مربوط به مدلسازی سازه های فراساحلی کم اهمیت هستند و اثرات پتانسیل مقیاس شده مرتبط معمولا قابل صرف نظر کردن است. در بعضی از تست ها این عامل کم اهمیت کم کم گسترش یافته و بر خلاف حذف آن در ابعاد واقعی، در تست آزمایشگاهی روی مدل قابل صرف نظر کردن نمی باشد. این عامل در نهایت انتخاب ضریب تشابه - مقیاس مدلسازی - را برای تست در تانک کشش تحت تاثیر قرار می دهد.
تاثیرات اصلی پتانسیل کشش سطحی در تست مدل ناشی از تاثیرات خواص امواج کوچک می باشد. وقتی که امواج به اندازه کافی کوچک می شود، کشش سطحی یک سختی و استحکام خاصی را به سطح آب اعمال می کند که این برای تغییر ارتباط معمول بین طول موج و سرعت فاز کافی می باشد. بنابراین کشش سطحی به عنوان یک ترم گرانشی اضافه در معادلات موج تاثیر می گذارد. این تاثیرات اصولا در امواج با طول موج کمتر از 0/1 متر قابل رویت و امکان پذیر است. در اینجا امواج به صورت حرکت یک ناهمواری و به صورت موجک اعمال می شود.
اگر در نظر گرفته شود که در شرایط استفاده از سکوهای فراساحلی شناور در ابعاد واقعی، دوره تناوب امواج، کمتر از4ثانیه و طول موج کمتر از 25 متر نباشد - اصولا دوره تناوب امواج بین 3 تا 30 ثانیه می باشد - ، به این نتیجه می رسد که برای صرفنظر از اثرات کشش سطحی و اصولی بودن نتایج حاصل از شرایط تست مدل نباید ضریب تشابه ابعادی بین مدل و نمونه واقعی در مدلسازی آب عمیق کمتر از 1250 باشد. عامل مهم دیگر که در تعیین مقیاس مدلسازی آزمایشگاهی سکوی پایه کششی اهمیت فراوان دارد عمق آزمایشگاه است. عمق آزمایشگاه باید با درنظر گرفتن مقیاس مدلسازی بتواند طول تاندون را در شرایط واقعی مدل کند.
