ارزيابي رفتار ديناميكي سكوهاي دريايي نوع خود بالارو
در خاكهاي دانهاي

مازيار غلامي كرزاني1*، علي اكبر آقاكوچك2

– كارشناس ارشد سازه هاي دريايي، دانشگاه تربيت مدرس
– استاد دانشكده مهندسي عمران و محيطزيست، دانشگاه تربيت مدرس

چكيده
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

در اين تحقيق براي بررسي رفتار واقعي سكوهاي خود بالارو تحت اثر شرايط محيطي دريا، تحليل ديناميكي غيرخطي با در نظر گرفتن اندركنش بين خاك- سازه مورد تحليل و بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور رفتار پي هاي منفرد1، رفتار غيرخطي خاك در نزديكي سازه، پديدههاي ايجاد شده در مرز بين خاك و پي همچون پديده جدايش و در نهايت رفتار غيرخطي هندسي سازه مورد بررسي قرار گرفته است. سازه انتخاب شده جهت مطالعه، سكوي خود بالارويي واقع در درياي شمال مي باشد كه توسط نرم افزار سه بعدي عددي ABAQUS مدل سازي شده و با استفاده از برنامهاي كه با زبان برنامهنويسي VBA نوشته شده است، بارگذاري شده و سپس تحليل روي آن صورت پذيرفته است. خاك مورد استفاده در اين مطالعه از نوع دانهاي با زواياي اصطكاك متفاوت مي باشد و براي مدل سازي خاك از روش تير بر روي بستر غيرخطي وينكلر (BNWF) بهره برده شده است. بارگذاري به دو صورت موج تكفام2 و حالتي از دريا3 در نظر گرفته شده است. نتايج نشان مي دهند كه رفتار خميري خاك باعث افزايش تغيير مكان ها در تراز بدنه و نشست هاي ماندگار غير يكسان در زير پي ها مي شود و اين رفتار خميري با كاهش زاويه اصطكاك داخلي خاك ،φ، افزايش ميججيابد. همچنين پريود طبيعي سكو نسبت به 2 حالت پايه هاي كاملا گيردار و مفصلي متفاوت است و باعث تغيير پاسخ هاي ديناميكي سكو مي شود.
كلمات كليدي: سكوي دريايي خود بالارو، تحليل ديناميكي غيرخطي، بارگذاري موج، اندركنش خاك- سازه، روش تير بر روي بستر غيرخطي وينكلر

Evaluating Dynamic Response of Jack-up Platform
in Granular Soil

M. Gholami Korzani1, A.A. Aghakouchak2

M.Sc. in Marine Structures, Tarbiat Modares University
Professor, Faculty of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University

Abstract
In order to model real behavior of jackup platforms subjected to environmental conditions, a nonlinear dynamic analysis considering soil-structure interaction subject to wave loading is investigated. For this purpose, spudcans behavior, soil nolinear behavior near the structure, contact phenomena at the interface of the soil and foundation such as gapping as well as geometrical nonlinear behavior of the structure are considered. The soil which is used in this study is assumed to be granular with varying friction angles. Beam on Nonlinear Winkler Foundation method (BNWF) is a suitable model for soil media modeling. For wave loading two methods were used, monochrome wave and irregular waves representing a sea state. Results of

[email protected] نويسنده مسوول مقاله *
this study show that inelastic behavior of the soil causes an increase in displacement at hull elevation and permanent unequal settlement in soil below the foundations which is increased by decreasing friction angle of soil. In fact spudcans and the underlying soil cause a relative fixity at support of the platform which changes dynamic response of structure compared to the case where the structure is assumed to have a fixed support.
Keywords: Jack up Platforms, Wave Loading, Nonlinear Dynamic Analysis, Soil-Structure
Interaction, Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF)
1- مقدمه
باتوجه به توسعه روزافزون صنايع دريايي، سكوهاي خود بالارو تغييرات بسزايي كرده]]اند. به گونهاي كه امروزه اين سكوها به راحتي قادر به عمليات در آبهاي عميق با شرايط محيطي سخت مي]باشند. براي استفاده از اين سكوها در اين شرايط، نياز به يك تحليل ديناميكي مي باشد كه اثرات ديناميكي موج، اثرات لنگرهاي ثانويه و تغيير شكل]هاي بزرگ را همراه با در نظر گرفتن اندركنش خاك با سازه (به صورت غير خطي) در بر بگيرد تا بتوان در صورت امكان از ظرفيت مازاد اين سكوها استفاده نمود.
مطالعات زيادي بر روي رفتار اين سكوها صورت پذيرفته است كه اهم آنها به قرار زير مي باشد:
در سالهاي 1998 و 1999، Williams و همكاران تحليل ديناميكي غيرخطي بر روي مدل دو بعدي تحت اثر موج تكفام با فرض مدل پلاستيك پي ،پايه مفصلي كامل و گيردار انجام دادند [1] و [2].
در سال 1999، Cassidy در پاياننامه دكتراي خود تحليل ديناميكي با فرض مدل فوق خميري4 براي پي انجام داد [3].
در سال 2004، Howarth و همكاران تحليل ديناميكي تحت اثر طوفان را با فرض دو پي خطي و غيرخطي درگير انجام دادند [4].
در سال 2004،Nataraja و همكاران بر اساس اندازه گيريهاي واقعي، ميزان گيرداري و ميرايي بستر را براساس SNAME T&R 5-5A بدست آوردند [5].
در سال 2006،Vlahos و همكاران رفتار پي اين سكوها را روي خاك رسي بر اساس مدل فوقخميري1 به صورت آزمايشگاهي بررسي كردند و Bienen و همكاران نيز در همان سال بر اساس اين مدل تحليل اندركنشي سازه و خاك انجام دادند [6] و [7].

در سال 2008،Allotey و همكاران مدلي از پي سطحي را براساس مدل پي وينكلر تحت بارهاي دوره-اي مورد بررسي قرار دادند [8].
در اين تحقيق رفتار ديناميكي اين سكو ها با استفاده از مدل جديد پي بر روي بستر غيرخطي وينكلر5 كه
توسطAllotey وEl Naggar توسعه يافته است ،مطالعه شده است.
در بخشججهاي بعدي از اين مقاله پس از مرور روش هاي موجود براي مطالعه اندركنش خاك- سازه و بارگذاري ،مشخصات سكوي مورد مطالعه و نحوه مدل سازي اجزاي سازه و خاك، روش تحليل ارائه شده و سپس نتايج آن مورد تجزيه و تحليل قرار مي گيرد.

2– روش]هاي مطالعه اندركنش خاك و سازه
چهار روش براي يافتن پاسخ ديناميكي سازهها بر پايه اندركنش خاك- سازه قابل بررسي است. اين روش-ها به صورت زير دستهبندي ميگردند:

روش تير بر روي بستر ارتجاعي (وينكلر) [ 9]
روش محيط پيوسته ارتجاعي [10]
روشهاي بر پايهي اجزاي محدود و اجزاي مرزي
[11]
روش تير بر روي پي غيرخطي وينكلر5(BNWF)
[8]

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

دو روش نخست، روشهاي قديمي ميباشند كه منجر به حل معادله همزماني اندركنش پي و خاك ميجشوند. اين روشهاي تئوريك تنها براي حالتهاي بسيار ساده شدهكاربرد دارند بدين سبب امروزه كاربرد گستردهاي چه در پژوهشها و چه در كاربرد ندارند.
تعداد زيادي المان، بسيار وقت گير و پر هزينه تئوري موج هاي ديگر در اين روش نيز صورت پذيرفته
روش سوم قادر به مدل سازي دقيق محيط خاك، مدل سازي پديدههاي اندركنش فيزيكي و مدل سازي درست و دقيق مرز بين خاك و پي مي باشد. اين روش داراي پيچيدگيهاي بيشتري ميباشد و به همين اندازه نيز تواناييهاي بيشتري در مدلسازي واقعيتر از محيط را دارا ميباشد. نتايج بدست آمده از اين روش قابل قبول و نزديك به واقعيت هستند اما به دليل استفاده از چون معكوس سري فوريه و روش هاي عملي چونروش طيفي با بزرگي معين6 و روش طيفي با بزرگينامعين7 تاريخچه زماني سطح دريا و سينماتيك موج (با استفاده از تئوري موج خطي) را از روي طيفمحاسبه نمود. البته تحقيقات زيادي براي استفاده از
مي باشد.
آخرين روش در واقع با ايجاد تغييراتي در مدل تير بر روي بستر ارتجاعي بوجود آمده است. در اين روش از مجموعهاي از فنرهاي غير خطي و ميراگر استفاده مي شود .اين مدل قادر است رفتار غير خطي سيستم پي و خاك را مدل كند كه اين غير خطي بودن شامل رفتار غيرارتجاعي خاك و غير خطي هندسي يا به عبارتي بلندشدگي مي باشد. در ضمن استهلاك انرژي هيسترسيس و در نهايت ميرايي تشعشعي را نيز مدل مي نمايد. از معايب اين روش مي توان به عدم پيوستگي محيط خاك و تعيين خصوصيات المانهاي آن اشاره نمود.

3– روش هاي اعمال نيروي موج
دو روش براي اعمال نيروي ناشي از موج بر يك سازه دريايي وجود دارد:
1) اعمال طيف موج و انجام تحليل طيفي
2- الف) اعمال نيرو به صورت موج تكفام2 با ارتفاع و پريود خاص به صورت تكراري در زمان
2- ب) اعمال نيروي ناشي از يك حالت دريا3 با استفاده از شبيهسازي تاريخچه زماني سطح دريا بر اساس طيف مورد نظر در روش اول بايستي براي محاسبه طيف نيروي اعمالي به سازه از طريق رابطه مورسيون، ترم درگ را
خطي سازي نموده و براي محاسبه مشخصات
سينماتيكي حركات امواج از تئوري موج خطي استفاده نمود. در روش 2- الف نيروي موج را مي توان با استفاده از هر يك از تئوري هاي موج محاسبه نمود و بر سازه اثر داد. در روش 2- ب بايستي ابتدا طيف مورد نظر را انتخاب نمود، سپس با استفاده از روشجهايي است. [12] و [13].

4– سكوي مورد مطالعه و نحوه مدل سازي
سكوي خودبالاروي مورد مطالعه يك سكوي 3 پايه است كه فاصلهي هر يك از پايه ها از يكديگر 07 متر است. پايهجهاي سكو از نوع خرپايي ميجباشند و بيشترين عمق آب عملياتي اين سكو 150 متر است (شكل 1).

4-1 – مدل سازي سازه
براساس مشخصات سكوي موجود جرم معادل عرشه (بار مرده و زنده سكو)در حدود 18000 تن ميباشد كه اين جرم به گونهاي بر روي عرشه گسترده شده است كه داراي خروج از مركزيت 2- متر در راستاي محور طولي سكو در قسمت انتهايي و 5/0 متر در راستاي محور عرضي آن مي باشد.
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

شكل 1– شمايي از يك سكوي خودبالارو [3]

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

پايهجهاي اين سكو با استفاده از المانجهاي معادل ، مدل سازي ميجشوند كه بر اساس ضخامت اجزاء اصلي پايههاي واقعي بدست آمده است. براي محاسبه مشخصات هيدروديناميكي ميبايستي يك قطر معادل فرض شود؛ اين قطر معادل 81 متر ميباشد ( برابر فاصلهجي هر يك از اجزاي اصلي پايه).
بدليل پيچيدگيهاي موجود و وقتگير بودن تحليلها از مدل سازي عرشه به صورت دقيق اجتناب شده است و عرشه با استفاده از 6 تير كه 3 تير آن مياني و 3 تير آن كناري نام دارند، مدل شده است. از تيرهاي مياني براي انتقال وزن بالا رفته سكو به پايهها استفاده مي شود. اين تيرها سختي خمشي در اتصالات انتهايي خود ندارند. اين نوع مدل سازي سبب ميشود كه وزن عرشه هيچگونه تاثيري بر روي لنگرهاي خمشي پايه ها نداشته باشد. از تيرهاي كناري براي انتقال سختي عرشه به پايهها استفاده ميججشود. اين تيرها، قوطياي به ابعاد 22 در 5/11 متر با ضخامت 02 ميليمتر ميجباشند (تغيير شكل برشي اين تيرها محدود شده است).
در زمان طوفان سيستم تثبيت براي كاهش لنگرهاي پايه از كار افتاده و از سيستمهاي هادي فوقاني و تحتاني استفاده مي شود؛ كه طي گزارشهاي دريافتي در حين برقراري شرايط طوفاني فقط هاديهاي تحتاني درگير هستند و كل لنگر بين عرشه و پايه از طريق اين اجزاء انتقال مييابند. بر اساس مشخصات دريافتي از اين سكو، سختي خمشي براي تيرهاي كناري در محل اتصال آنها به پايه ها محاسبه شده است (اين سختي بر اساس عمق بدنه، فاصله بين هاديججهاي فوقاني و تحتاني و مشخصات بدنه و پايه ها بدست آمده است).
بر اساس مشخصات فوق الذكر، قابل ذكر است كه تيرها، المانججهاي جانبي براي پي و خود پيجها فاقد جرم هستند. جرم پايهجججها بر اساس مشخصات دريافتي و معادلجسازيججهاي استفاده شده در آنها، به صورت افزايش جرم در جرم مخصوص فولاد مدل شده است. جرم مربوط به پي ها به صورت جرم متمركز در قسمت تحتاني پايهجججها مدل شده است (به دليل يكنواخت نبودن جرم در سطح پي، وزن آن به صورت متمركز مدل شده است). اثر آب بر پاسخ سازه نيز به صورتجرم اضافي بر المانهاي غوطهور در آب در نظر گرفتهشده است.
رفتار فولاد به صورت خطي مدل شده است. ميراييمصالح فولادي بر اساس مدل رايلي به صورت ثابت براي بسامدهاي اصلي لرزشي به اندازه 5% در نظر گرفته شده است.
براي بهينهكردن زمان تحليلها با توجه به بزرگ بودن حجم سازه طول المانها به اندازه 5 متر براي عرشه و به صورت متغير از 10 (در بستر دريا) تا 5/2 (سطح تراز ايستابي) متر براي پايه انتخاب شده است تا افزون بر دارا بودن دقت لازم سرعت تحليلها نيز افزايش يابد. شكل 2 مدل اجزاء محدود سكوي مورد مطالعه را نشان ميجدهد.

شكل 2- مدل اجزاء محدود سكوي مورد مطالعه

براي در نظر گرفتن بلندشدگي پي و پديدههاي غيرخطي آن (هندسي) از تحليل براي تغيير شكلهاي بزرگ بهره گرفته شده است.

4-2 – مدل سازي پي
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

پي مورد استفاده در اين سكو از نوع پيجهاي منفرد1 ميجباشد و به شكل استوانهاي با قطر 52 متر و بيشترين ارتفاع (در مركز پي) حدود 6 متر ميجباشد. براي مدل سازي دقيق شرايط تكيهگاهي سازه، از المان پوستهاي به عنوان پي معادل استفاده شده است، تا بتوان انعطاف پذيري يا صلبيت پي را نسبت به خاك زير آن به طور واقعي مدل نمود. استفاده از اين المان پوستهاي سبب شده است كه پديده هايي از جمله حركت دوراني توام با بلندشدگي و حركت لغزشي و پديدهي تسليم خاك در يك طرف و بلندشدگي پي در طرف ديگر قابل رويت در نتايج باشند. مشبندي اين المان به صورت دايرهاي ميباشد. فواصل هر يك از دواير از يكديگر 5/2 متر است و تمامي خطوط شعاعي در زواياي 01 درجه رسم شده است (شكل3).

شكل 3- شكل پي و نحوه مشبندي آن

4-3- مدل سازي خاك
ميراگرها)، دوم مدلجسازي اندركنش فيزيكي غيرخطي قائم از يك گره مياني بين گره خاك و گره
خاك مورد مطالعه در اين تحقيق، خاك دانهاي با زواياي اصطكاك متفاوت (بين 02 تا 03 درجه) در نظر گرفته شده است. با توجه به توضيحات بخش 2 در اين مطالعه از روش BNWF براي مدلسازي خاك استفاده شده است. اين روش خاك را در دو بخش اصلي مدل سازي ميكند: نخست مدل سازي خاك (فنرها و در هر يك از اين جهات يكسري فنرها و ميراگرهاييكه مبين مشخصات خاك هستند قرار ميگيرند؛براساس مدل مورد استفاده [14]، اين فنرها و ميراگرها در راستاي افقي به صورت خطي و در راستايقائم، فنرها به صورت غيرخطي مدل ميشوند. براي مدلسازي رفتار بلندشدگي پي از المانهاي فصل مشترك خاك و پي كه المان مياني ناميده ميشوند ،استفاده شده است. اين المانها به صورت الماني غيرخطي و الاستيك با سختي فشاري بسيار بالا و مقاومت نامحدود و سختي كششي بسيار بالا با مقاومت بسيار كوچك در نظر گرفته شده است، كه به صورت سري از يك سو به فنر غيرخطي نماينده خاك در راستاي قائم و از سوي ديگر به پي متصل ميگردد. در نظر گرفتن اين رفتار سبب ميشود كه با كمترين نيروي كششي به خاك المان مياني جاري ميشود و سختي خاك بر پي وارد نميگردد ولي با رسيدن پي به نقطه آغاز و وارد آوردن فشار به مجموعه، المان مياني سختي بسيار بالاي فشاري از خود نشان ميدهد و سختي فشاري فنر غيرخطي خاك بر پي وارد ميشود. نمودار تنش-كرنش المان مياني در شكل 4 نشان داده شده است.

شكل 4– منحني نيرو-تغيير مكان المان مياني

براي مدلسازي بصورت سري المان مياني و فنر
در برگيرنده پديده بلندشدگي پي(المان مياني).
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:11 +0330 on Monday October 30th 2017

براي مدل سازي خاك بصورت سه بعدي، خاك بايد در دو جهت غير وابسته به يكديگر در صفحه افقي و جهت قائم موازي با راستاي وارد آمدن وزن سكو، مدل شود. پي بهره برده شده است. با اين ديد، براي مدلكردن خاك در راستاي قائم، زير هر گره پي بايد از 2 گره بهره جست. همچنين براي مدلسازي در راستاي افقي نياز به 2 گره و 4 المان ميجباشد. در اين مطالعه با استفاده از يك المان، رفتار افقي و المان مياني8 مدل ميجشود و با استفاده از المان ديگر كه به صورت سري قرار گرفته است، رفتار قائم مدل ميجشود (پس بجاي 6 المان و 4 گره از 2 المان و 2 گره استفاده شده است). براي چنين مدلجسازي، كه استفاده از المانجها و نقاط را بهينه كرده است، ميجبايست گره مياني فقط در راستاي افقي و گره خاك در راستاي قائم بسته شود. شكل 5 چيدمان قرارگيري المانهاي افقي و قائم روش BNWF را نشان ميدهد.

شكل 5– مجموعه المانهاي خاك زير هر نقطه پي

براي محاسبه مشخصات المانهاي فوق الذكر نياز به بدست آوردن پارامترهاي خاك ميباشد كه در ادامه باختصار آمده است. براي محاسبهي مدول برشي خاك، oG، از رابطه 1() براي ماسههاي گردگوشه كه توسط هاردين و ريچارد ارائه شده، استفاده شده است.
به علت كرنشهاي زياد خاك، اين مدول با استفاده از منحنيهاي كاهش مدول برشي براي كرنشهاي زياد (شكل 6) كه توسط ادريس ارائه شده است، كاهش مييابد [15].

693421-16962

Go = 6908 (2.17 −e)2 σo 0.5 (1)
1+e

براي استفاده از اين منحني ميبايستي كرنش خاك بدست آيد .نشست نسبي المانهاي خاك در هر تحليل مشخص مي شود از طرفي با دانستن عمق لايه خاك (با توجه به منحنيهاي حباب تنش عمق لايه خاك زير پي حدود05 متر برآورد شده است تا تقريبا تنشايجاد شده در سطح به 01 درصد آن كاهش يابد) كرنش خاك بدست ميآيد ولي اين روند با سعي و خطا تا رسيدن به كرنش واقعي ادامه مييابد.

شكل 6- منحني تغيير مدول برشي در برابر كرنش برشي خاك ماسهاي توسط ادريس

براي استفاده از اين منحني ميبايستي كرنش خاك بدست آيد .نشست نسبي المانهاي خاك در هر تحليل مشخص ميجشود از طرفي با دانستن عمق لايه خاك (با توجه به منحنيهاي حباب تنش عمق لايه خاك زير پي حدود 05 متر برآورد شده است تا تقريبا تنش ايجاد شده در سطح به 01 درصد آن كاهش يابد) كرنش خاك بدست ميآيد ولي اين روند با سعي و خطا تا رسيدن به كرنش واقعي ادامه مييابد.
براي محاسبه سرعت موج برشي از رابطه (2)، از جرم مخصوص خشك استفاده شده است و در نهايت اين سرعت، 4 درصد (طبق تحقيقات هاردين و ريچارد
[16]) به سبب اشباع بودن خاك كاهش مي يابد.

Vs =

ρ
o
G

ρ

o

G

با به كارگيري روابط 3() تا (8) در FEMA356، سختيهاي قائم و جانبي فنرهاي خاك كه وابسته به مدول برشي و ضريب پوآسون خاك (كه 4/0 فرض شده است) هستند، محاسبه شده است [17].

59588495977

Kx,sur = GB 3.4 L0.65 +1.2
2 −ν B
49529846918

Ky,sur= 3.4  +0.4

+0.8 2−ν B B  (4)

GB L0.75
60502948422

Kz,sur =1.55 + 0.8
1−ν B (5)
3 
694928155110



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید