0-94411

نشریه مهندسی دریــا سال نهم/ شماره 18/ پاییز و زمستان 1392(1-12)

بررسی پاسخ سکوهاي فراسـاحلی ثابت فلزي مجهز به آلـیاژ حافظه دار شکلی درعمق هاي مختلف تحت نیروي امواج

ناصر شابختی1 ، امیر گیوکی2*

استادیار، دانشگاه سیستان و بلوچستان, دانشکده مهندسی, گروه مهندسی عمران؛ [email protected]
کارشناس ارشد سازه هاي دریایی، شرکت نفت و گاز پارس؛ [email protected]

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 28/06/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 20/12/1392 تاریخ انتشار مقاله: 28/12/1392

کلمات کلیدي:
سکوهاي فراساحلی ثابت فلزي سیستم مهاربندي آلیاژ حافظه دار شکلی فوق ارتجاعی پارامتر هندسی عمق

Investigation on Response of Fixed Offshore Platforms Equipped With Shape
Memory Alloy Elements at Different Depth under Extreme Wave Loading

Naser Shabakhty1, Amir Givkay2*

1
Assistance Professor, Sistan and Baluchistan University, Faculty of Engineering, Department of Civil Engineering; [email protected]
2
MSc in Marine Structures, Pars Oil and Gas Company; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

در این مقاله پاسخ سکوهاي فراساحلی ثابت فلزي در عمق هاي مختلف تحت اثر نیروي موج، که مهاربندهاي آن مجهز به آلیاژ حافظه دار شکلی فوق ارتجاعی می باشد، مورد مطالعه قرار گرفته شده است. براي این منظور سکوهاي واقع شده در عمق هاي آب مختلف شامل 70، 110 و 150 متري بررسی شده است. ابتدا براي ارزیابی رفتار غیرخطی سکوها و بدست آوردن مقاطع سکوها در رفتار غیرخطی از تحلیل بارافزون با استفاده از نرم افزار SACS استفاده شده است، سپس تحلیل غیرخطی تاریخچه زمانی با استفاده از نرم افزارالمان محدود ANSYS براي سکوهاي در عمق هاي مختلف و در دو حالت مجهز به سیستم مهاربندي آلیاژحافظه دار شکلی وبدون آلیاژ حافظه دار شکلی تحت امواج طوفانی انجام شده است. با مقایسه وبررسی نتایج مشخص می گردد که سکوي موجود در عمق 70 متري تحت امواج طوفانی داراي رفتار خطی بوده واستفاده از آلیاژ حافظه دار شکلی تاثیري در رفتار سکو نخواهد داشت، در حالیکه درسکوهاي واقع شده در عمق هاي 110 و 150 متري با استفاده از سیستم مهاربندي آلیاژ حافظه دار شکلی رفتار غیر خطی وکرنش هاي پسماند در سازه حذف گردیده وانرژي وارده به سکو بوسیله آلیاژ حافظه دار شکلی جذب می گردد و انرژي در المانهاي اصلی سازه به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
In this research, the response of fixed offshore platforms equipped with shape memory alloy elements at the different depths under extreme wave loading are taken into account. For this purpose platforms located in different water depths 70, 110 and 150 has been considered. At first for evaluation of the nonlinear behavior of three platforms, pushover analysis using SACS has been engaged. Then nonlinear time history analysis under storm environmental condition using ANSYS finite element program has been performed on platforms situated in each water depths for two cases of with and without SMA. Based on results of this study, platform located in 70 meter water depth under storm wave has linear behavior and use of SMA doesn’t have any effect on it, while with equipped SMAs on 110 and 150 meters water depth platforms, SMA can be used such as a damper in structure because they have re-centering and energy dissipation capabilities. Applying the SMA damper in the jacket bracing, topside displacement and energy dissipation is controllable via mechanical properties of SMA selected by designer judgment as well re-centering capability of related damper prevents to generate residual strain in structure joint cans and members.

Article History:
Received: 19 Sep. 2013
Accepted: 11 Mar. 2014
Available online: 19 Mar. 2014

Keywords:
Jacket Offshore Platforms
Shape Memory Alloy Bracing System
Super-elasticity
Water Depth Variation

1 – مقدمه
بخش عمده اي از سـکوهاي دریـایی بـه منظـور اسـتخراج و بهـرهبرداري از مخازن هیدروکربنی استفاده می شود که این امـر باعـثمی شود که عدم مقاومت کافی اعضا واتصالات سازه در اثر بارهـايمحیطی وارده در طول عمر مفید سازه موجب کاهش عمر و خرابی کلی وجزئی در این نوع از سازه ها شـده و گاهـاً خسـارات جبـرانناپذیري برجاي گذارد. از طرف دیگر بعلت قرار گیري این سازه ها در محیط دریا، تعویض وتعمیـر اعضـا آسـیب دیـده سـخت وگـاهمستلزم هزینه هاي بسیاري می باشد. مهمترین بارگذاري محیطی وارد برسکوهاي دریایی نیروي چرخه اي امواج می باشد کـه دارايماهیت تصادفی می باشد ورفتار واقعـی سـازه دراثـر ایـن نیـرو درشرایط عادي وطوفانی وهمچنـین اثـرات آن در پدیـده خسـتگی وعمر مفید اعضا واتصالات سازه از اهمیـت ویـژه اي برخـوردار مـیباشد. سکوهاي فراساحلی ثابت فلزي نوع شابلونی یـا جکـت هـا 1، ک ه 98 درص د س کوهاي فراس احلی موج ود در جه ان را بخ وداختصاص می دهد، داراي مقاطع دایره اي و اتصالات صلب مهاربند به المان اصلی، کـه اصـطلاحاً جوینـت کـن2 نامیـده مـی شـود، وهمچنین عمدتاً داراي شیب وجوه جکت می باشند. در این سـکوهابمنظور جلوگیري از شکست ناشی از پدیده خسـتگی در اتصـالاتجوینت کن در اثر نیروي چرخه اي امواج که باعث تمرکز تنش در محیط اتصال مهاربند به المان اصلی می گـردد و همچنـین بـرشپانچ ایجاد شده دراین اتصالات ،کـه بخـش عمـده اي از نیروهـايانتقالی مهاریند به المان اصلی را تشکیل می دهـد، در اثـر نیـرويموج در شرایط طوفانی وزلزله که منجر به کمانش موضعی در ایـناتصالات و نهایتاً شکست وفروپاشـی سـازه مـی گـردد، نـاگزیر بـهاستفاده از مقاطع بسیار قوي می باشـند. ویژگیهـاي خـاص اشـارهشده بالا در مورد سکوهاي فراساحلی شابلونی وتحقیقات گسـتردهاي که درمورد رفتار غیرخطی این سـازه تحـت نیروهـاي تحمیـلشده نظیر امواج طوفانی، زلزله، ضربه کشتی، انفجـار وغیـره انجـامشده است[1]، و همچنین از نتایجی که در ایـن مقالـه در تحلیـلپوش اور سکوها دراثر بار افزایشی موج حاصل شده است نشان می دهد کـه ایـن سـکوها داراي سـختی بـالا، شـکل پـذیري محـدودوظرفیت جذب انرژي پایین در محدوده الاستیک می باشند.
از آنجایی که رفتـار غیرخطـی سـکوهاي جکتـی تحـت بارگـذاريمحیطی امواج به میزان قابل تـوجهی وابسـته بـه اعضـا مهاربنـديواتصالات جوینت کـن مـی باشـد، آلیـاژ هـاي حافظـه دار شـکلی(SMA)3 فوق ارتجاعی4 می تواند در سیسـتم مهاربنـدي بعنـوانراهکاري براي بهبود رفتار غیر خطی این سازه ها مورد بررسی قرار گیرد. آلیاژ حافظه دار شکلی فوق ارتجاعی با داشتن ظرفیت جذب انرژي مناسب همراه با قابلیت بازگشت پذیري می تواند بـا جـذبواستهلاك انرژي اعمالی امواج تلاشهاي وارد بر اعضاي اصلی سـازه
را ک اهش و م انع از برج اي گذاش تن ک رنش پس ماند در اعض ا واتصالات سازه گردد. بعلاوه می تواند با کاهش مشخصات هندسی مقاطع مورد استفاده در سکو باعث بهینه شدن طرح وکاهش تاثیر نیروي امواج بر المانهاي سازه گردد. با بازنگري تحقیقـات گذشـتهآشکار شده است که تاکنون هیچگونه مطالعه اي در مـورد کـاربردSMA در سکوهاي دریایی انجـام نشـده اسـت، بنـابراین تحقیـقحاضر با هدف رفع فقدان این اطلاعات و امکان و تـاثیر اسـتفاده ازSMA در سکوهاي فراساحلی ثابت فلزي بعنوان تجهیزات ابتکاري و جدید در کنترل رفتار این سازه ها براي محافظـت آنهـا در برابـرشرایط محیطی حاکم و بویژه نیروي امواج انجام شده است .اگرچـهبارگذاري ها و حالات طراحی مختلفی در طراحی سـکوهاي ثابـتفلزي موثر می باشند ،در این مقاله کـه هـدف آن تنهـا تحقیقـاتمقدماتی دراین زمینه می باشد رفتار سکوهاي دریـایی مجهـز بـهمهاربندهاي آلیاژهاي حافظه دار شـکلی و تـاثیر پـارامتر هندسـیعمق بر پاسخ آنها توسط مدل هاي اجزا محدود دوبعدي سـکوهايدر عمق 70، 110 و150 متري با انجام تحلیل بارافزون5 و تحلیـلغیرخطی تاریخچه زمانی بررسی شده است.

1-1-آلیاژهاي حافظه دار شکلی
آلیاژهاي حافظه دار شکلی( SMA) بعنوان یک مصـالح هوشـمند،نوین و بسـیار کارامـد شـناخته شـده اسـت. از مزایـا و ویژگیهـايمنحصر به فرد آلیاژهاي حافظه دار شـکلی مـی تـوان بـه: قابلیـتتحمل کرنش هاي زیاد تا حدود 10% بدون اثرات غیرخطی و باقی گذاشتن کرنش پسماند، بدون محدودیت عمر مفید (عدم نیـاز بـهتعویض، پـس از زلزلـه یـا بارهـاي محیطـی در شـرایط حـداکثر)،مقاومت بالا در برابـر خـوردگی، مقاومـت بـالا در برابـر خسـتگی،توانایی بازگشت به شکل اولیه بوسیله اعمال دما و قابلیت جـذب واستهلاك انرژي بالا اشـاره کـرد[ 2،3]. SMA هـا درسـال 1932 کشف شدند و در سال 1960 آلیاژهـایی بـر پایـه عناصـر نیکـل وتیتانیوم (نایتینول) تولید شدند که بهترین رفتار را نسبت به سـایرآلیاژهــاي حافظــه دار شــکلی از خــود نشــان دادنــد. پــس از آنتحقیقات گسترده اي در مورد کاربردهاي عملی SMA ها در علوم مختلف از جمله علم پزشـکی، صـنعت هوافضـا، مهندسـی عمـرانوغیره انجام گردید. SMA ها مواد چندریختی می باشند، بـه ایـنمعنی که با یک ترکیب شـیمیایی داراي چنـدین سـاختار یـا فـازکریستالی می باشد. فاز کریستالی غالب در SMA وابسته بـه دمـاوتنش اعمالی می باشد. فاز غالب در دماي بالا آستنیت و در دماي پایین مارتنزیت می باشد[4،5]. رفتار ماکروسـکپی متمـایزSMA مربوط به انتقالات بین این دو فاز می باشـد. اثـر حافظـه شـکلی وفوق ارتجاعی دو ویژگی منحصـر بـه فـردSMA مـی باشـند. اثـرحافظه دار شکلی قابلیت بازگشت به شکل اولیه با فرآینـد حـرارتدهی و اثر فوق ارتجاعی مربوط به توانایی برگشت پذیري در تغییر شکلهاي بـزرگ بعـد از بـاربرداري مـی باشـد[ 6]. شـکل 1 رفتـارمکانیکی SMA را بعنوان تابعی از تنش، کرنش ودما را نشان مـیدهد. چنانچه دیده می شود، در دماي کمتر از پایان فاز مارتنزیت ،SMA ،Mf داراي رفتار حافظه شـکلی مـی باشـد، در ایـن حالـتتغییر مکان پسماند ایجاد شده در اثر تنش اعمالی با حرارات دهی ،بالاتر از دماي پایان فاز آستنیت ،Af، حـذف گردیـده و نمونـه بـهشکل اولیه خود باز می گردد. در دماي بالاتر از SMA ، Af در فاز آستنیت قراردارد و بمحض بازگذاري آستنیت به مارتنزیـت در اثـراعمال تنش تبدیل می شود که با باربرداري فاز مارتنزیـت ناپدیـدشده و دوباره به آستنیت تبدیل می گردد، که این خاصـیت رفتـار فـوق ارتجاعی یا سـوپرالاستیک نامیده می شود. در دماهاي بـالاتر(بالاتر از SMA ،(Md رفتار الاستوپلاستیک با مقاومت بسـیار بـالارا نشان می دهد[3]. لازم به ذکر است کـهAs دمـاي شـروع فـازآستنیت به مارتنزیت می باشد. این دو رفتار منحصـر بفـردSMA باعــث شــده اســت کــه در یــک دهــه اخیــر تحقیقــات عــدديوآزمایشگاهی زیادي در زمینه کاربرد SMA بعنوان سیستم هـايکنترل رفتار لرزه اي فعال، نیمه فعال و غیـر فعـال درسـازه هـايمهندسی عمران از جمله ساختمان و پل ها انجام گردد[4،5،7].
تعداد زیادي از این تحقیقات مربوط به ارزیابی عملکرد لرزه اي پل هاي مجهز به SMA بعنوان سیستم جداگرلرزه اي[8] و تجهیزات کنترل غیرفعـال لـرزه اي[ 9] مـی باشـد. عـلاوه بـراین مطالعـاتگس ترده اي در م ورد ک اهش خط ر ل رزه اي وارزی ابی عملک ردساختمانها با استفاده از تجهیزات SMA ، بـا تمرکـز روي قابلیـتجذب انرژي وخاصیت بازگزدانندگی آنها، در مهاربنـدهاي قابهـايسـاختمانی[ 10،11]، میراگره ا[12،13]، اتصـالات در س ازه ه ايفولادي و بتنی[14،15] و بهسازي بناهاي موجود[16] انجام شـدهاست. واضح است که بعلت فقدان اطلاعات در زمینه امکان کـاربرد

شکل 1 – نمودار سه بعدي ارتباط بین تنش، کرنش و دما براي مشخصات مکانیکی SMA [3]

وتاثیر تجهیزات SMA در سکوهاي دریایی تحت شرایط محیطـیخاص آنها، وجود تحقیقات عددي وآزمایشگاهی و توسـعه ضـوابططراحی این سازه ها مجهز به این مصالح نوین ضـروري بنظـر مـیرسد.

2-مشخصات قابها و بارگذاري محیطی مورد بررسی
در این مقاله بمنظور بررسی رفتار غیرخطی سـکوهاي فراسـاحلی ثابت شابلونی و مقایسه پاسخ آنها با سازه هاي مجهـز بـه سیسـتممهاربندي SMA فوق ارتجـاعی ، سـه گـروه از قابهـاي دو بعـديسکو، که از دیدگاه عمق متفاوت می باشـند، مطالعـه شـده اسـت.
چنانچ ه در ش کل 2 نش ان داده ش ده اس ت، ای ن س کوها داراي مهاربند نـوعK و در عمـق هـاي 70، 110 و 150 درنظـر گ رفتـهشده است. مقاطع مورد استفاده در این سـکوها در جـدول 1 ارائـهشده است، که در آنها بمنظور ساده سازي مـدل، تمـامی المانهـايپایه، شمع، بادبند قطري، افقی و غیره از یک تیـپ واحـد انتخـابشده اند. مقاطع المان پایه و مهاربندها قطري از نتایج تحلیل پوش اور بمنظور ایجاد رفتار غیرخطی در سکوها حاصل شـده اسـت. دراین تحقیق سکوهاي مورد مطالعه تحت اثر نیروي امواج در شرایط حداکثر طوفانی (با دوره بازگشت 100 ساله) بررسی شده انـد کـهبراي سکوي موجـود در عمـق 70 متـر شـرایط امـواج طوفـانی درخلیج فارس و براي سکوهاي موجـود در عمـق 110 و150 متـري شرایط امواج طوفانی در خلیج مکزیک مطابق با پیشنهاد آیین نامه API استفاده شده است. همچنین بمنظـور انتخـاب تئـوري مـوجمناسب از نمودار موجود در آیین نامـهAPI کـه محـدوده تئـوريهاي موج براساس عمق آب و ارتفـاع مـوج را نشـان میدهـد[17]، استفاده شده است، که درسه گروه عمق مورد بررسی در این مقاله تئوري موج مناسب، مرتبه پـنجم اسـتوکس در نظـر گرفتـه شـدهاست.
براي محاسبه بار توزیع شده روي المانها از معادلـه موریسـون کـهدرآن براي محاسبه سرعت وشتاب از سرعت وشتاب نسبی که هم سـرعت ذرات آب وه م س رعت س ازه در نظـر گرفت ه م ی ش ود،استفاده شده است .در



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید