بخشی از مقاله
چکیده
سکوهای پایه ثابت از سازههای ارزشمند در صنایع نفت و گاز هستند. آنالیز مودال سازههای ثابت و متحرک دریایی به منظور بدست آوردن فرکانسهای طبیعی، شکل مودها و ضریب مشارکت مودها، یکی از نکات بسیار مهم در طراحی مهندسی میباشد. پرکاربرد ترین نوع سکو در منطقه خلیج فارس سکوهای پایه ثابت میباشد؛ لذا در مطالعه فوق به بررسی رفتار این نوع سکو پرداخته شده است. در این مقاله با استفاده از نرمافزار انسیس به تحلیل مودال یکی از سکوهای پایه ثابت در منطقه خلیج فارس در حالت دو بعدی و سه بعدی پرداخته شده است.
اثرات در نظر گرفتن اندرکنش آب و سازه - جرم افزوده - در نتایج تحلیل مودال از قبیل دورههای تناوب و شکلهای مودی سازه بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که دوره تناوب اصلی سازه میتواند تا حدود 10 درصد بر اثر عوامل مورد مطالعه تغییر نماید. همچنین حساسیت سنجی دوره تناوب اصلی سازه نسبت به ساده سازی مدل از حالت سه بعدی به دو بعدی بیان میکند که نباید در این سادهسازی تنها به اثرات دینامیکی جرم افزوده سازه دوبعدی مدلسازی شده اکتفا نمود، بلکه اثرات دینامیکی جرم افزوده المانهای عمود بر صفحه -که معمولا از اثرات آن صرفنظر میشود- نیز از اهمیت بسزایی برخوردار است.
مقدمه
سکوهای پایه ثابت از سازههای ارزشمند در صنایع نفت و گاز هستند. این نوع سازه متشکل است از یک زیر سازه فولادی - جکت - پیش ساخته که از بستر دریا تا ترازی بالاتر از سطح آزاد آب امتداد پیدا میکند. سپس یک عرشه یا رو سازه فولادی پیشساخته که تجهیزات مختلف بهره برداری روی آن نصب شده است - که بدین جهت دارای جرم بالایی است - ، روی این زیر سازه قرار میگیرد. در میان روشهای مختلف ارزیابی سازه تحلیل مودال جایگاه کلیدی دارد و این تحلیل یک گام پایه اساسی درانجام و همچنین تفسیر نتایج تحلیلهای دینامیکی سازه است.
با استفاده از نتایج این تحلیل میتوان میزان خرابی و موقعیت آن در سازه را تعیین نمود. در طول عمر بهرهبرداری سازه، جرم و سختی آن به دلایل مختلف تغییر میکنند که این موضوع تاثیر بسزایی در تغییر رفتار سازه دارد. از این رو بررسی حساسیت سنجی مشخصات مودال سازه نسبت به این تغییرات نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. رویتمن و همکاران در سال 1992 با استفاده از روش آزمایشگاهی تحلیل مودال بر روی یک نمونه سکوی مقیاس شده به شناسایی خرابی در اتصالات لولهای پرداختند که یکی از رایجترین مدلهای خرابی در سکوهای پایه ثابت است .[1] در سال1995 نوریس و کیم در دانشگاه تگزاس با استفاده از اطلاعات محدود آنالیز مودال به یافتن خرابی و محل صدمه دیدن اعضا سکو پرداختند.
[2] هارتنت و همکاران در سال 1997 یک مدل عددی برای تحلیل مودال سکوی پایه ثابت واقع در عمق 92 متری ساحل جنوبی ایرلند ارائه نمودند. آنها از این مدل جهت نظارت پیوسته بر رفتار سکو استفاده نمودند. در این مطالعه به بررسی اثر جرم افزوده بر روی خصوصیات تحلیل مودال سازه پرداخته شد و جهت ساده سازی اتصال پایه سکو به خاک به صورت تکیهگاه در نظر گرفته شد.[3] در سال 2008، لی و همکاران با استفاده از دادههای ناقص مودال به تشخیص خرابی در ساختار سکو پرداختند.
[4] عسگریان و همکاران در سال 2009 با استفاده از انرژی کرنشی مودال به یافتن خرابی المانها، شکل مودها و فرکانسهای طبیعی سازه پرداختند.[5] در سال 2011 هو و همکاران با استفاده از روش پرونی1 به تعیین خصوصیات مودال سازه - از قبیل فرکانس فرکانس و نسبت میرایی - با استفاده از دادههای ارتعاش آزاد سازه پرداختند.[6] در سال 2013 کاربرد روش به روز رسانی المان محدود برای تشخیص آسیب در سکوی پایه ثابت توسط گل افشانی و زه تاب مورد بررسی قرار گرفت. همچنین در این تحقیق اثر نویز بر روی دادههای اندازهگیری شده نیز مورد مطالعه قرار گرفته است .[7] در بسیاری از تحقیقات حوزه مدلسازی سکوهای پایهثابت، از مدل سادهسازی شده دو بعدی سکو استفاده میشود که در آنها به میزان خطای ناشی از این سادهسازی توجه نشده است.
سکوی مورد بررسی در این مقاله یکی از سکو های پایه ثابت مستقر در منطقه پارس جنوبی خلیج فارس به ارتفاع تقریبی 70 متر است که در آبی به عمق حدود 64 متر قرار دارد. این نوع سکوها از متداولترین سکوهای موجود در آبهای خلیج فارس هستند. در این مطالعه به بررسی میزان تاثیر جرم افزوده و روییدنیهای دریایی در خصوصیات مودال سازه سکو پرداخته میشود. در ادامه میزان تاثیر سادهسازی سازه از حالت سه بعدی به حالت دو بعدی در پاسخ تحلیل مودال مورد بررسی قرار گرفته است. شایان ذکر است که با توجه به تشابه شرایط مکانی و هندسه سکوهای مستقر در منطقه خلیج فارس، نتایج این مطالعه میتواند برای سایر سکوهای این منطقه نیز مفید باشد.
مدل مطالعه شده
برای ارزیابی تحلیل مودال، یک سکوی متداول واقع در منطقه خلیج فارس انتخاب شده که در شکل 1 نشان داده شده است. این سازه یک سکوی چهار پایه بوده که در عمق 64 متری خلیج فارس قرار دارد. سازه سکو به وسیله 4 شمع که از درون پایهها عبورداده شدهاند، به زمین متصل شده و فاصله بین شمع و سازه نیز با ملات پر شده است. مدل سه بعدی سکو در نرم افزار المان محدود انسیس ایجاد شده که میتواند اندرکنش غیر خطی آب و سازه را در نظر بگیرد.
از المان لولهای «pipe 288» برای مدل سازی سازه سکو استفاده شده که در آن مقطع المان لولهای در راستای محیطی به هشت قسمت2 مساوی تقسیم بندی شده است. جهت بررسی اثر سادهسازی سازه، مدل المان محدود آن به صورت دوبعدی و سه بعدی تهیه شده است. مدل دوبعدی تصویر یکی از قابهای اصلی سازه در صفحه xz است. نمایی از تصویر دو بعدی و سه بعدی سازه در شکل 2 نشان داده شده است.
همانگونه که اشاره شد، در این سکو شمعها از درون پایههای اصلی عبور داده شده و فاصله بین آنها با ملات پر شده است. از این رو همان گونه که هنرور و همکاران [8] توصیه کردند درجات آزادی جابه جایی و چرخشی المانهای شمع و پایه سکو به یکدیگر مقید شده است. جرم اعضا به طور گسترده در طول عضو در نظر گرفته شده است و جرمهای مدل نشده به صورت جرمهای متمرکز و با توجه به موقعیتشان در ترازهای مختلف مدل اعمال شده است. همچنین مشخصات مواد و مقطعهای اعضا به ترتیب در جدول 1 و جدول 2 لیست شدهاند. همچنین به منظور در نظر گرفتن اثر اندرکنش شمع و خاک، طول پایههای سکو به میزان 5 برابر قطر پایه امتداد داده شده است.[10 ,9]
