بخشی از مقاله
چکیده
لنگر ها از گذشته تا کنون نقش مهمی در مهار کردن بارهای بالا برنده و تثبیت سازه ها، مخصوصا سازه های فراساحلی شناور داشته اند. در میان لنگرهای فراساحلی، لنگر اومنی مکس به دلیل هندسه و رفتار خاص و کمتر شناخته شده اش، نیاز به مطالعه ی رفتار و ظرفیت دارد. در این تحقیق برای شناخت بهتر رفتار لنگر اومنی مکس و اندرکنش آن با خاک، ظرفیت لنگر به کمک معادلات ژئوتکنیکی موجود مورد بررسی قرار گرفته است. در این راستا بخشی از ظرفیت بار بری لنگر به اصطکاک میان لنگر و خاک، و بخشی دیگر به رفتار شبه لنگر صفحه ای لنگر و باربری غیر فعال خاک نسبت داده شده است. سپس برای محاسبه ظرفیت ناشی از باربری خاک رفتار لنگر اومنی مکس با ساده سازی های هندسی به صورت لنگر صفحه ای مدل سازی شده است. تا ظرفیت باربری آن تخمین زده شود. در نهایت با مقایسه ی نتایج بدست آمده از محاسبات، با نتایج آزمایشات بزرگ مقیاس موجود، صحت فرضیات مورد بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
مسیر پیشرفت صنعت فراساحلی از آب های کم عمق به آب های عمیق از یک سو، و محدودیت های اجرایی و توجیه پذیر نبودن ساخت جکت ها در آب ها عمیق از سوی دیگر، منجر به ساخت سکو های نفتی شناور و نمیه شناور فراساحلی برای استخراج منابع نفت و گاز فراساحلی شد. در این سکو ها نیروی غوطه وری سهم اصلی برقراری تعادل نیروها از جمله ثقل را بر عهده دارد. اثر نیرویهای بالا برنده، بارهای محیطی جانبی و بارهای جریان نیز به کمک سیستم مهار ها تحمل میشود. در سیستم مهار بار از بدنه شناور به خط مورینگ متصل به بستر منتقل شده، و در محل اتصال خط مورینگ به لنگر در عمق خاک نیرو ها به لنگر و سپس به خاک منتقل می شود.
در این سیستم باربری خاک ناشی از مقاومت غیرفعال1 آن میباشد. یکی از انواع لنگرهای فراساحلی که در مقایسه با سایر لنگر ها دارای خصوصیاتی منحصر به فردی می باشد، لنگر اومنی مکس 2بوده که توسط شرکت دلمار طراحی، ثبت و ساخته شده است. لنگر اومنی مکس، لنگری با نصب دینامیکی ثقلی3 است. این لنگر داری خصوصیاتی از جمله ابعاد کوچک آن در مقایسه با لنگرها با میزان ظرفیت باربری مشابه، قابلیت تنظیم اندازه بال ها برای تنظیم رفتار، میران بار بری و تطبیق آن با شرایط خاک، می باشد. از دیگر خصوصیات این لنگر رفتار نا مخرب در بارگذاری های فراتر از ظرفیت آن است، که با وارد شدن بار خارج از ظرفیت به لنگر عمق نفوذ آن افزایش پیدا می کند. از خصوصیات دیگر می توان به بازوی گردان اشاره کرد، که به لنگر قابلیت بار بری در تمام جهات را می دهد. از طرفی با توجه به سهولت بیرون کشیدن این لنگر، استفاده ی مجدد از آن میسر می باشد.[1]
هندسه ی لنگر اومنی مکس
لنگر اومنی مکس از لحاظ هندسی دارای شکلی دارت مانند، متشکل از سه جفت باله می باشد. چینش این باله ها به صورت سه پره در هر 120 حول شفت لنگر می باشد. در میانه شفت انکور بین باله های عقبی و جلویی بازوی انتقال نیرو واقع شده، این بازو محل اتصال زنجیر و کابل مهاربندی به لنگر میباشد. در شکل 1 شما و تصویری سه بعدی باز سازی شده از روی نقشه های موجود در تحقیق شلتون4 را نشان می دهد . [1]
شکل : 1 شمایی از ظاهر لنگراومنی مکس به همراه تصویر سه بعدی ساخته شده از نقشه های موجود در ادامه ی این تحقیق رأس لنگر به عنوان مبدأ مختصات، راستای محور شفت به عنوان محور Z و به تصویر بردار واصل محور شفت در محل شروع بازو تا محل اثر نیرو، برروی صفحه یxy راستای بازو گفته می شود. هچینین به زاویه ی میان محور شفت با محور قائم زاوایه ایستایی لنگر گفته شده، با نشان داده شده است. به صفحه ای که مولفه ی xy، بردار راستای بازو بردار نرمال آن بوده و از شفت میگذرد صفحه باربر نام گذاری شده است.
رفتار و ظرفیت باربری لنگر اومنی مکس
پیش بینی رفتار لنگر اومنی مکس تحت اثر اندکنش لنگر و خاک، با توجه به پیچیدگی های هندسی آن دشوار و پر هزینه می باشد. تاکنون تحقیقات متعددی در بررسی رفتار این لنگر انجام گرفته که از جمله آنها می توان به شلتون [1] و کیم5 و حسین [2] اشاره نمود. در تحقیق شلتون، با انجام آنالیز به کمک اجزاء محدود مقاومت اولیه برای لنگر تخمین زده شده است، و پس از آن یک آزمایش کوچک مقیاس در خاک رس و لپونایت6 برای تأیید اعداد و بررسی رفتار و اندرکنش میان لنگر و خاک انجام گرفته است. در نهایت به کمک دو آزمایش بزرگ مقیاس در خاک خلیج مکزیک، مقاومت لنگر و رفتار آن مورد بررسی قرار گرفته است. در تحقیق کیم و همکاران از روش اجزا محدود با تغییر شکل های بزرگ برای بررسی اندرکنش میان لنگر و خاک در فهم رفتار این لنگر در هنگام نصب در خاک رسی نا همگن استفاده شده است.
ظرفیت باربری لنگر اومنی مکس ترکیبی از نیروی عمود ناشی از مقاومت خاک و نیرو های مماسی ناشی از اصطکاک خاک و رویه ها میباشد. درهنگام ورود نیرو به بازو با فرض همراستا بودن نیرو با با راستای بازو در صفحه ی XY، و قرار گیری بازو در راستای محور تقارن لنگر در صفحه ی xy مانند شکل 3، می توان گفت در دو باله ی عقبی لنگر نیروی مقاوم خاک و در باله میانی نیروی اصطکاک نیروی غالب می باشد. در دو باله ی پشتی به دلیل تقارن، نیرو مولفه های موازی با صفحه بار بر خنثی شده لذا عکس العمل دوباله تنها در راستای بازو خواهد بود. که شباهت بسیاری به برآیند عکس العمل یک لنگرصفحه ای دارد. از این رو می توان رفتار لنگر اومنی مکس را با یک لنگرصفحه ای تشبیه نمود.
حال اگر بازو در راستای محور تقارن قرار نگرفته باشد، عدم تعادل در بارهای وارده به بال ها منجر به چرخش لنگر و ایستادن آن در راستایی می شود که بازو در نزدیک ترین محور تقارن لنگر در صفحه xy قرار گیرد. اگر نیرو در راستای بازو وارد نشود ابتدا بازو به علت درجه آزادی دورانی چرخیده و سپس بدنه ی لنگر مانند قبل می چرخد. بعد از پایان مراحل نصب لنگر و قفل شدن آن در محل می توان فرض کرد که بازو در راستای محور تقارن لنگر در صفحه ی xy ایستاده است.
از مقایسه رفتار دو بال عقبی با لنگرصفحه ای می توان گفت که تصویر این دوبال بر روی صفحه باربر مانند یک لنگرصفحه ای عمل می نماید که تحت بار مایل، و با خروج از مرکزیت قرار گرفته است. از طرفی با توجه به پیچیدگی شکل هندسی بایسی فرضیات ساده کننده ای در زمینه هندسه سه بعدی لنگر نیز در نظر گرفته شود. لذا با توجه به خنثی شدن نیرو های متقارن میتوان از تصویر لنگر صفحه ای در صفحه ی باربر به عنوان سطح لنگرصفحه ای استفاده نمود. شکل 1سمت راست، سایه نشان داده شده برروی صفحه بار بر نشان دهند ی تصویر باله های عقبی روی این صفحه می باشد. لذا می توان میزان ظرفیت دوبال عقبی این لنگر را به کمک روابط حاکم بر لنگرصفحه ای را بدست آورد.
برای اندازه گیری ظرفیت بار بری لنگر اومنی مکس، دو آزمایش بزرگ مقیاس در خاک خلیج مکزیک توسط شرکت دلمار انجام شده است .[1] که در این آزمایشات لنگر بعد از رسیدن به عمق نفوذ کامل - رأس لنگر در 12 متری از خط لای - و قفل شدن درجا، بصورت ناگهانی و بدون فرصت به فشار اضافی آب حفره ای برای از بین رفتن کشیده شده و میزان مقاومت آن در محل اتصال لنگر به مهاربندی اندازه گیری شده است.
