بخشی از مقاله
چکیده
بروز پدیده خستگی ناشی از امواج در اتصالات سکوهای دریایی، یکی از عوامل ایجاد پتانسیل بالای خرابی در این نوع از سازهها است. در صورت نیاز به تداوم استفاده سازه سکو بعد از پایان عمر طراحی، بایستی شکست ناشی از این پدیده را در اتصالات کنترل کردغالباً. روش های مرسوم جهت افزایش عمر اتصالات این سازهها، نظیر افزایش ضخامت اعضا در محل اتصالات یا استفاده از تکنیکهای بهبود جوش، به علت محدودیتهای دسترسی به آن ها امکان پذیر نمیباشد.
لذا استفاده از میراگر جرمی تنظیمشونده به عنوان یکی از پرکاربردترین سامانههای کنترل سازه با هدف استهلاک انرژی ناشی از امواج و به تبع آن کاهش آسیب خستگی وارده به سازه؛ جایگزینی مناسب برای روش های مذکور می باشد. با مدل سازی سکوی نمونه و انجام آنالیز خستگی به روش طیفی مبتنی بر متد عمر-تنش در نرم افزار المان محدود SACS، کارایی میراگر جرمی تنظیم شونده در اتصالات مختلف مورد بررسی قرارگرفته است. برای درنظرگرفتن اثرات غیرخطی، تابع انتقال با فرض تیزی ثابت امواج، به دست میآید.
نتایج بدست آمده نشان میدهد که میراگر جرمی تنظیمشونده آسیب خستگی اتصالات را به میزان قابل قبولی کاهش داده که این کاهش وابسته به موقعیت و نقش آن در انتقال بار وارد بر سکو میباشد.
مقدمه
به طورکلی بر اساس بررسیها و بازرسیهایی که تاکنون انجام گرفته بسیاری از سکوهای موجود در آب های خلیج فارس به دلیل شکلگیری ترک و رشد آن در اتصالات لوله ای در اثر پدیده خستگی به پایان عمر خود نزدیک شدهاند. تاکنون روشهای گوناگونی برای بهسازی این سکوها در برابر این پدیده ارائه گردیده است دستهای از این روشها همچون استفاده از تکنیکهای بهبود جوش برای کم کردن تنشهای پسماند جوش و اصلاح هندسه جوش و نیز افزایش ضخامت اعضای لوله ای در محل اتصالات؛ به دلیل برخی محدودیتها نظیر نیاز به جوشکاری در زی رآب دریا و یا محدودیت در دسترسی به آنها بسیار هزینه بر و در مواردی حتی ناممکن میباشد
برخلاف روشهای مذکور که اساس آنها افزایش سطح مقاومتی اعضا میباشد روش های دیگری به طورکلی برای کاهش ارتعاشات سازه به کاربرده میشود و آن استفاده از سامانههای کنترلی در سازه میباشد روش های کنترلی مبنی بر ایجاد استهلاک هر چه بیشتر تحریکات خارجی وارد بر سازه میباشد بهطوریکه درنتیجه استفاده از این سامانه ها مشخصات دینامیکی سازه دستخوش تغییر شده و در اثر این، استهلاک به وجود آمده سطح پاسخ به المان های اصلی یک سازه کاهش پیداکرده و درنهایت باکم شدن سطح دامنهی تنش ها در این المان ها و اتصالات سرعت رشد ترک کاهش و به عبارتیدیگر آسیب خستگی وارد بر اتصالات کم شده و عمر خستگی سکو افزایش پیدا می کند
نکته قابل تأمل در استفاده از سامانه های کنترلی این است با توجه به آنکه آسیب خستگی در اتصالات با توان m ام انحراف معیار تنشها در اتصالات رابطه مستقیم دارد m - شیب خطS-N در دستگاه لگاریتمی است که منحنیAPI مقادیر 3 و 5 را برحسب سطح تنش برای آن اختیار میکند - با کاهش تنش در اعضای یک اتصال در اثر بهکارگیری میراگر جرمی، آسیب خستگی به نسبت توان سوم تا پنجم مقدار تنش کاهشیافته، کم میشود. میراگر جرمی تنظیم شوند هم یکی از این سامانه های کنترلی شناخته شده میباشد که به دلیل نصب سریع و آسان آن از پرکاربردترین ابزار کنترلی به شمار میرود که بهصورتنسبتاً قابلتوجهی در سازههایی در خشکی مورد استفاده قرارگرفته است.
میراگر جرمی تنظیم شونده
یک میراگر جرمی تنظیم شونده، ابزاری است که شامل یک جرم، یک فنر و یک میراگر میباشد که برای کاهش پاسخ دینامیکی سازه بر روی آن نصب میگردد و فرکانس آن به گونه ای تنظیم میشود که تحت تحریکات خارجی، بیشترین میزان از انرژی خارجی توسط میراگر تلف گردیده و بدین ترتیب اثر آن بهینه گردد.
عملکرد این میراگراساساً بر مبنای استهلاک انرژی ارتعاشی سازه به کمک حرکت نوسانی آن در زمان تناوب تنظیمیمعمولاً - مود غالب سازه - میباشد. بنابراین زمانی که مود یادشده تحریک میگردد حرکت TMD در فازی خارج از حرکت سازه تشدید میگردد و انرژی از طریق حرکت نسبی بین جرم و سازه انرژی مستهلک میشود. شکل - 1 - مدل سادهشده و یک درجه آزادی سازه و میراگر را نمایش میدهد.
همان طور که در رابطه فوق مشاهده میشود،اثر اضافه کردن جرم کوچک بهجز کاهش مختصری در فرکانس طبیعی سیستم ترکیبی و افزایش کم در نیروی خارجی - آن هم در زلزله و نه در باد یا موج - که از - - به - - - - میرسد، اضافه شدن جمله - ̈ - است که باعث تأمین نیروی برگرداننده و متعادلکننده میراگر جرمی و درنتیجه موجب ایجاد میرایی معادل است
همان طور که اشاره گردید؛ میراگر جرمی تنظیم شوند یکی از این سامانه های کنترلی است که به دلیل سهولت در نصب از پرکاربردترین ابزار کنترلی به شمار میرود در دو دهه گذشته مطالعاتی زیادی توسط محققین برای کاربرد این نوع میراگر در سازههای فراساحلی صورت گرفته است که در ادامه به مهمترین آنها اشاره میگردد:
کاوانو و ونکاتارامانا1؛ [3] در سال 1992 تأثیر میراگر جرمی را بر کاهش جابهجایی سکو تحت اثر بار زلزله را موردمطالعه قرار داد. سوهاردجو2؛ [4] در سال 2001 بر روی کنترل جابهجایی عرشه سکوی جکت تایپ تحت بار موج مطالعه کرد و دو سیستم کنترلی TMD و 3AMD را در این شرایط با یکدیگر مقایسه کرد. زیانگ4؛ [5] در سال 2003 به ارزیابی طولانی مدت اثر TMD بر سکوی دریایی به پرداخت.
وی در پژوهش خود از یک TMD استفاده کرد و فرکانس آن را بر روی فرکانس مود اول سازه تنظیم نمود. سپس با در نظر گرفتن جرمی معادل یکصدم کل سازه برای آن میراگر، اثرات حضور این TMD را در کاهش 2 تابع هدف انحراف معیار جابهجایی شتاب را تحت اثر سرعتهای باد مختلف که باعث ایجاد sea state های مختلف میشدند بیان کرد.
گلفشانی و قلی زاد؛ [6] در سال 2008 بعد از انجام آنالیز خستگی به روش طیفی، به بررسی بهکارگیری میراگر جرمی برای کاهش آسیب خستگی در سکو تحت اثر حالتهای مختلف پرداختند و تأثیر قابلتغییر بودن پارامتر میراگر را در افزایش کارایی میراگر بررسی کردند.
دنگ هایوین کیم5؛ [7] در سال،2009 اثر TMD با سختی متغیر برای کاهش اندرکنش آب و سازه تحت بار زلزله را مورد بررسی قرارداد. کیانجین6 در سال [8] 2009 عملکرد میراگر جرمی از نوع لغزشی7 و تک جهته را در کاهش ارتعاشات ناشی از بار دینامیکی یخ به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرارداد. و آن را در قیاس با سایر میراگرها و سیستم جداسازی پی برتر دانست.
راجین و همکاران 8؛ در سال [9] :2010 با مطالعه بر روی کنترل ارتعاشات سکو در برابر بار موج، سامانهای با عنوان Anti -Vibration device که شامل 2 میراگر جرمی تنظیم شونده بود، را طراحی کرد؛ و تأثیر سه پارامتر: نسبت جرمی، فرکانس تنظیمی، و همچنین نسبت میرایی AVD را بر کاهش دامنه پایای جابهجایی بررسی کرد، جعفرآباد کاشانی و گلفشانی و همکاران؛ [10] در سال 2013 سیستم میراگر ترکیبی - HDS - 9، متشکل از میراگر اصطکاکی - FDD - 10، میراگر جرمی تنظیم شونده - TMD - تعریف کرده و بهترین ترکیب بهینهسازی را زمانی یافتند که میراگر جرمی برای آسیب خستگی و میراگر اصطکاکی برای پاسخ لرزهای سکو به کار گرفته شود.
تابش پور و دهخوارقانیان؛ در سال 1389 اثر میراگر جرمی تنظیمشده - TMD - بر روی نوسانات قائم سکوی پایه کششی - TLP - را مورد مطالعه قرارداد. و نشان دادند که این ابزار از نقش قابل قبولی در کاهش نوسانات قائم سکوها، برخوردار است.
تابش پور و اخوات 1391، [11] بر کاهش ارتعاشات سکوهای دریایی ناشی از باد بهوسیله TMD تحقیقی انجام دادند؛ آنها مقدار ماکزیمم جابهجایی، سرعت و شتاب ایجادی در صورت تجهیز سکو به میراگر جرمی را بررسی کرده و نشان دادند که: ماکزیمم پاسخها، در هنگامی که پریود سکو با پریود سرعت نوسانی باد نزدیک است، قابلتوجه میباشد و همچنین با افزایش میرایی ذاتی سکو، از کارایی میراگر کاسته میشد.
تحلیل خستگی به روش طیفی
یکی از خصوصیات مهم یک متغیر تصادفی طیف توان یا تابع چگالی طیفی توان آن میباشد که بیانگر توزیع شدت انرژی سیگنال یا سری زمانی آن متغیر تصادفی در فرکانسهای مختلف است
روش طیفی که در این تحقیق مورد توجه قرارگرفته است مبتنی بر تابع چگالی طیفی یا طیف توان بوده و از این طیف برای تعیین محتوای فرکانسی تحریک و پاسخ بهره گرفته میشود. مهمترین دلیل استفاده از این طیف، برابری سطح زیر نمودار آن با واریانس پروسه تصادفی مربوطه میباشد. واریانس بهعنوان یکی از مهمترین پارامترهای آماری در رابطه تابع چگالی احتمال، جهت تعیین عمر خستگی به کار میرود. [1] طیف پاسخ و نحوه تعیین آن: در بسیاری از مسائل مهندسی، ما با سیستمهای خطی روبرو هستیم که رابطه ورودی یا تحریک - - با خروجی یا پاسخ - - یک رابطه خطی با ضرایب ثابت است . به عنوان مثال: نیروی موج وارده بر اعضای سکو را بهعنوان تحریک و تغییر مکان در نقطهای از سازه را بهعنوان پاسخ میتوان در نظر گرفت.
همانگونه که قبل نیز اشاره شد پروسههای تصادفی میتوانند بهصورت مجموعهای نامحدود از مؤلفههای هارمونیک معرفی گردند .
