ارزیابی سکوهاي پایه ثابت تحت امواج حدي منطقه خلیج فارس با استفاده از روش زمان دوام موج
وحیدرضا جهانمرد1، محمد علی داستان2*، محمد رضا تابش پور3، محمد سعید سیف4

دانشجوي کارشناسی ارشد، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
دانشجوي دکترا، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
استادیار، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
استاد، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]

سال دهم/ شماره 20/ پاییز و زمستان 1393(27 -38) نشریه مهندسی دریــا

Evaluation of Fixed Offshore Structures under Conditions by WET Method
Persian Gulf Sea
53949510031984

260908810031984

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

741432807208

49326562807208

چکیده

چکیده

اطلاعات مقاله
زمان دوام موج روشی در حوزه زمان است که از آن می توان جهت ارزیابی پاسخ سازه هـاي دریـایی تحـتشرایط طوفانی مختلف استفاده کرد .در این روش، رکوردهاي شرایط حدي مختلف امواج دریـا کـه نشـاندهنده طوفان هایی با شدت هاي مختلف هستند جاي خود را به رکورد مصنوعی (تابع موج) می دهنـد کـهشدت آن با گذشت زمان افزایش می یابد. بر این مبنا یک رکورد تابع موج می تواند جایگزین تعداد زیـاديرکورد امواج دریا با شدت هاي مختلف شود و بدین صورت هزینه محاسباتی به میزان قابل توجهی کـاهشیابد. همچنین در این روش قابلیت اعتمادپذیري سازه ها می تواند بر اساس مدت زمانی که آن هـا در برابـربارگذاري تابع موج پاسخ قابل قبولی نشان مـی دهنـد، سـنجیده شـود. در ایـن مطالعـه روش تولیـد ایـنرکوردهاي مصنوعی تشریح شده و کاربرد آن بر روي یک سکوي پایه ثابت تحت امواج حدي منطقه خلیج فارس بررسی شده است. جهت ارزیابی دقت این روش در تخمین پاسخ سازه، پاسخ هاي بیشینه جابجـاییعرشه و برش پایه حاصل از روش زمان دوام موج با پاسخ هاي حاصل از تحلیل هاي سه ساعته بـا یکـدیگرمقایسه شده اند .نتایج نشان می دهد که روش زمان دوام موج توانسته است که نتایج تحلیل سـه سـاعته رابا دقت قابل قبولی تخمین بزند. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 19/01/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 23/10/1393 تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393

کلمات کلیدي:
شرایط دریایی خلیج فارس روش زمان دوام موج سکوي پایه ثابت ارزیابی
Vahidreza Jahanmard1, Mohammad Ali Dastan Diznab2*, Mohammad Reza Tabeshpour3, Mohammad Saeed Seif4

M.Sc. Student, Dept. of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology; [email protected]
Ph.D. candidate, Dept. of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology; [email protected]
Assistant professor, Center of Excellence in Hydrodynamics and Dynamic of Marine Vehicles, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology; [email protected]
Professor, Center of Excellence in Hydrodynamics and Dynamic of Marine Vehicles, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 8 Apr. 2014
Accepted: 13 Jan. 2015
Available online: 11 Mar. 2015

Keywords:
Persian Gulf sea conditions
WET
Fixed offshore structure
Assessment
Wave endurance time (WET) is a time domain method for evaluating the response of offshore structures under different storm conditions. In this method, intensifying artificial records named wave functions (WFs) are generated in place of various random records of extreme sea states. In this regard, the computational costs are reduced, and reliability of structures is evaluated by the endurance time. In this study, a description of WET concept is presented, and also generation of initial type of WFs is thoroughly addressed for the Persian Gulf region. To consider the accuracy of this method, the results of WET method are compared with typical 3h extreme wave simulations for maximum base shear and deck displacement. The results indicate that there is acceptable agreement between two approaches.
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

1 – مقدمه
براي دستیابی به طراحی مطلوب در سازه هـاي فراسـاحلی، نیـاز بـهارزیابی قابل اطمینان از بارگذاري هاي محیطی بـه خـوبی احسـاسمی گردد. در میان بارهاي محیطی وارد بر سازه، امواج دریا با ماهیت غیرخطی و پیچیـده، از اهمیـت بـالایی برخـوردار مـی باشـند. ایـنحقیقت موجب گردیده تا مطالعات صورت گرفته، در راسـتاي ارائـهمدلی ساده و قابـل اطمینـان از سـطح دریـا سـوق یابـد [1-4]. در راهکارهاي پیشنهاد شده، عمدتا تلاش می گـردد کـه تحلیـل هـا درکمتــرین زمــان و بــا قابلیــت اطمینــان بــالا صــورت پذیرنــد. در آیـین نامـه هـاي سـازه هـاي دریـایی، سـه روش پـوش آور، طیف ی و تاریخچه زمانی براي تحلیل سازه ها توصیه می گردد [5, 6]، که هـرکدام داراي مزایا و معایبی مـی باشـند. در ایـن میـان، تحلیـل هـايصورت گرفته براي محاسـبه پاسـخ هـاي حـدي در حـوزه زمـان ازصحت قابل قبولی نسبت به دیگر روش ها برخوردار می باشـ ند. ایـندر حالی اسـت کـه تحلیـل هـاي تاریخچـه زمـانی بسـیار زمـان بـرمی باشند، به ویژه هنگامی که تحلیل براي سطوح مختلـف تحریـکصورت پذیرد [7].
در مطالعات اخیر، فرم هاي مختلفی از روش تاریخچه زمانی براي برآورد عملکرد کامل سازه در حالت هاي دریایی مختلف معرفی شده است [8-10]. در روش هاي ارائه شده، رکوردهاي مختلف امواج در حالت هاي دریایی مورد نظر تولید شده و بصورت قطار امواج در کنار یکدیگر قرار داده می شوند و رکورد واحدي براي ارزیابی سازه در سطوح تحریک انتخاب شده، عرضه می کنند. در این ساختارها، انتخاب سطوح تحریک بیشتر به طول رکورد بزرگتر منجر می گردند، که بدلیل افزایش زمان تحلیل، براي مهندسین خوشایند نمی باشد.
هدف از این مطالعه، معرفی روش جدید زمان دوام موج1 براي ارزیابی سازه هاي فراساحلی تحت شرایط امواج حدي مختلف با انجام تنها یک تحلیل تاریخچه زمانی می باشد .در این روش سعی می گردد تا بر خلاف روش هاي قبل ،افزایش تعداد سطوح تحریک تاثیري بر طول رکورد نداشته باشد و با عرضه رکوردي مصنوعی از پدیده پیچیده موج، تخمین قابل قبولی از پاسخ سازه در شرایط طوفانی مختلف و در مدت زمان تحلیل کوتاه ارائه شود. در این مقاله، تعریف و فرآیند طراحی روش زمان دوام موج شرح داده خواهد شد و در نهایت با بررسی موردي یک سکوي ساده سازي شده به روش سیستم چند درجه آزادي و مقایسه نتایج، با نتایج حاصل از تحلیل هاي تاریخچه زمانی سه ساعته توصیه شده در آیین نامه ها، اعتبار روش زمان دوام موج ارزیابی می گردد.

2- مفاهیم روش زمان دوام موج
تعاریف اولیه روش زمان دوام موج، از تست ورزشی استاندارد که به منظور ارزیابی سطح سلامت سیستم قلبی عروقی بدن انسان ها استفاده می گردد، الهام می گیرد [11،12]. در این تست، عملکرد سیستم قلبی عروقی با پیاده روي بر روي نوارگردانی که سرعت و شیب متغییر دارد ارزیابی می گردد. افزایش سرعت و شیب در این تست تا زمانی که معیارهاي بیولوژیکی غیر طبیعی مشاهده گردد، ادامه می یابد. در سال هاي اخیر، این تعریف براي ارزیابی عملکرد سازهها تحت بارگذاري زلزله نیز مورد استفاده قرار گرفته است [13-15].
در روش زمان دوام موج، سازههاي فراساحلی تحت شرایط موج حدي مختلف مورد ارزیابی قرار می گیرند و سعی می گردد، تا حد امکان در زمان تحلیل صرفه جویی گردد. در این روش، عملکرد سازه هاي فراساحلی تحت تحریک یک رکورد افزایشی موج با عنوان تابع موج2 و بر مبناي حداکثر زمان تحمل، مورد قضاوت قرار می گیرند .تابع موج بر حسب زمان بیانگر حالت هاي مختلفی از شرایط دریا می باشد که از این رو ، میتواند جایگزین مناسبی براي چندین تحلیل سه ساعته موج باشد .
مفهوم روش زمان دوام موج را می توان با ارائه یک آزمایش فرضی بیان نمود( شکل 1). در این آزمایش، مقاومت سه سکوي دریایی با مشخصات سازه اي مجهول تحت تحریک تابع موج مورد ارزیابی قرار می گیرد.
با شروع آزمایش، پارامترهاي مورد نیاز مهندسی3 نظیر جابجایی عرشه و یا برش پایه در طول زمان آزمایش ثبت می گردد. در گام نخست، براي دستیابی به اولین حالت دریایی (تولید اولین طیف مشخص موج)، نیاز می باشد که تابع موج براي مدتی روندي غیر افزایشی (روند ثابت4) داشته باشد. طول این بازه برابر با حداقل زمان لازم براي تولید اولین طیف انرژي از رکورد تابع موج می باشد .
در گام بعد، تابع موج روندي افزایشی به خود میگیرد و ارتفاع موج مشخصه با زمان افزایش می یابد. در این هنگام، همانطور که ارتفاع موج افزایش می یابد، زمانی فرا می رسد که پاسخ اولین سازه (سازه 3) از حد معیار قابل قبول عبور می کند. با گذشت زمان، بترتیب سازه هاي 1 و 2 نیز فرو می پاشند و آزمایش به پایان می رسد.
در این تست، سازه هایی که داراي زمان تحمل بزرگتري می باشند ،عملکرد بهتري در برابر تحریک موج از خود نشان می دهند .بنابراین، می توان نتیجه گرفت که سازه 2 و 3 بترتیب بعنوان بهترین و بدترین سازه در برابر بارگذاري حدي امواج رتبه بندي می شوند .قابل توجه است که فروپاشی سازه، همواره معیار مناسبی براي زمان دوام موج نمی باشد و دیگر معیارها، همچون بیشینه جابجایی عرشه مجاز نیز می تواند بعنوان معیاري مناسب، انتخاب گردد.
تحلیل زمان دوام موج و تاریخچه زمانی مشابه یکدیگر صورت می پذیرند با این تفاوت که در تحلیل زمان دوام موج، بجاي رکورد سه ساعته امواج از توابع موج استفاده می گردد .تحریک در تحلیل هاي تاریخچه زمانی، رکورد تصادفی امواج در یک حالت خاص دریایی می باشد، در حالی که در روش زمان دوام موج، سازه تحت تحریک تابع موج، حالت هاي مختلف دریایی را با اولین تحلیل تجربه می کند. به همین دلیل، انتظار می رود پاسخ سازه در روش زمان دوام موج برخلاف روش تاریخچه زمانی معمول داراي روندي افزایشی باشد.

تولید توابع موج
در روش پیشنهاد شده، توابع موج نقش کلیدي در ارزیابی سازه هاي دریایی را ایفا می کنند. این توابع می بایست بگونه اي تولید گردند که تنها با یک تحلیل تاریخچه زمانی، بتوان تخمین مناسبی از عملکرد سازه در شرایط موج حدي مختلف ارائه داد. در این راستا ،می بایست دو موضوع مهم، روند افزایشی پروفیل موج و همچنین سازگاري با ماهیت بارگذاري موج، در این توابع مورد توجه قرار گیرد. واضح است که تلاش هاي بیشتر براي دستیابی به اهداف ذکر

شکل 1 – آزمایش فرضی سکوهاي دریایی به روش زمان دوام موج

شده، بهبود دقت در ارزیابی سازه ها را در پی خواهد داشت.

3-1- روند افزایشی
همانطور که در شکل 2 مشاهده می گردد، روند افزایشی ارتفاع موج مشخصه در پروفیل توابع موج، داراي دو فاز ثابت و افزایشی می باشد .طول فاز ثابت تابع موج، برابر است با حداقل زمان قابل اطمینان که می توان طیف انرژي را براي رکورد موج تعیین نمود. مطابق با توصیه آیین نامه هاي دریایی، زمان مورد نیاز براي استخراج طیف از تاریخچه زمانی و بلعکس برابر با سه ساعت می باشد [16،17] و براي تعیین طیف موج یک منطقه خاص باید از رکوردهاي مختلف استفاده کرد. علاوه براین، مطابق با گزارشات ITTC (1984)، می توان حداقل طول رکورد براي ثابت ماندن شرایط دریایی را بر حسب تعداد سیکل ها موج( N) بیان نمود. در این صورت، طول رکورد بسته به پریود غالب موج، متغییر می گردد [18]. بنابراین، زمان مورد نیاز براي فاز اولیه تابع موج بصورت زیر محاسبه می گردد:

tinitial  NTp initial- (1)

که در اینجاTp-initial پریود غالب طیف اولیه وtinitial نقطه زمانی جداکننده دو فاز تابع موج از یکدیگر می باشد. مطالعات اولیه نشان می دهند که 500 سیکل، مقدار قابل قبولی براي بیان حداقل تعداد سیکل مورد نیاز امواج خلیج فارس می باشد [19].
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:09 +0330 on Monday October 30th 2017

در فاز دوم از تابع موج، ارتفاع موج مشخصه نسبت به زمان روندي افزایشی پیدا می کند. افزایش پیوسته پروفیل تابع موج موجب می گردد که سازه هاي فراساحلی در طول مدت زمان تحلیل، تحت چندین سطح تحریک امواج دریا، مورد ارزیابی قرار گیرند. همانطور که در شکل 2 مشاهده می گردد، می توان از فرم هاي مختلفی براي تولید توابع موج استفاده نمود. در این مقاله، تصمیم گرفته شده است که از فرم پروفیل خطی براي تولید اولین نمونه از توابع موج استفاده گردد. بنابراین، پروفیل افزایشی تابع موج می تواند بصورت زیر بیان گردد:

 Hs-initial 0  ttinitial

H tS ( )  Hs-initial  (2)


tinitial t t tinitial

که در آنHS-initial ارتفاع موج مشخصه اولین طیف موج وHS ( )t ارتفاع مشخصه موج در کل بازه زمانی تابع موج می باشد.

شکل 2- فرم هاي پروفیل تابع موج. الف) خطی، ب) افزایش، ج) کاهشی

3-2- شبیه سازي امواج حدي
این نکته قابل تامل است که روند افزایشی ارتفاع موج مشخصه در تابع موج، هنگامی کاربردي و مفید می باشد که این تابع به نحوي تولید گردد که با شرایط سطح دریا در حالت هاي دریایی مختلف مطابقت داشته باشد. براي این منظور، می توان از تطابق طیف انرژي امواج و همچنین حداکثر ارتفاع موج قابل رخداد در شرایط دریایی مربوطه، به تابع موج مورد نظر دست یافت. در این راستا، همانطور
که در شکل 3 مشاهده میگردد، اگر بازه زمانی (t t (  tinitial – 0 از تابع موج در نظر گرفته شود، می بایست طیف محاسبه شده از تابع موج در این بازه زمانی با طیف موج هدف، همخوانی قابل قبولی داشته باشد. همچنین، حداکثر ارتفاع موج موجود در تابع موج (HmaxWF ) در این بازه، با حداکثر ارتفاع موج متناظر با حالت دریایی هدف (Hmaxtar ) مطابقت داشته باشد. میتوان حداکثر ارتفاع موج هدف را بصورت زیر بیان نمود [20]:

H maxtar ( )t  (1.6 ~ 2.0)H s ( )t (3)
طیف هاي استاندارد، مانند طیف پیرسون مسکویچ5 و جانسواپ6، می توانند به عنوان طیف هدف انتخاب گردند. باید به این نکته توجه داشت که طیف هدف می بایست با زمان بصورت پیوسته تغییر کند چرا که ارتفاع موج مشخصه و پریود غالب در طول زمان افزایش می یابند. در این مطالعه، طیف جانسواپ بعنوان طیف هدف انتخاب شده است (SJtar ) که با توجه به تغییر پارامترها نسبت یه زمان، بصورت زیر بازنویسی می گردد:

SJtar ,t

5
16
 5   4 exp0.5 



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید