0-85258

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(83-93)
بررسی رفتار دینامیکی سکوهاي فراساحلی شابلونی مجهز به سیستم میراگر مایع تنظیم شده تحت تحریک لرزه اي
حسن تفاخر 1*، حمید احمدي 2، محمدعلی لطفاللهییقین 3

فارغالتحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز؛ [email protected]
استادیار، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز؛ [email protected] 3 استاد، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز؛ [email protected]
26151849791192

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این مقاله، کارآیی سیستم میراگر مایع تنظیم شده( TLD) در کنترل پاسخهاي دینامیکی سکوهاي فراسـاحلیشابلونی (جکت) تحت تحریک لرزهاي مورد بررسی قرار می گیرد. این میراگر که از یک یا چند مخزن حاوي سـیال(عموماً آب) تشکیل شده قابل نصب روي عرشه سکو اسـت. نیروهـاي هیـدرودینامیکی کـه از تلاطـم آب داخـلمخزن به وجود می آیند، به عنوان نیروهاي مقاوم در برابر ارتعاش، به کنترل پاسخ سازه کمـک مـی کننـد. در ایـن تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 05/03/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 02/12/1394
تحقیق، یک سکوي شابلونی با ابعاد متناسب براي آبهـاي خلـیج فـارس (سـکويSPD1 بـه عنـوان مطالعـهموردي)، تحت زلزله هاي طبس، ال سنترو و کوبه، در دو حالت با و بدون میراگـر، بـا اسـتفاده از نـرمافـزار اجـزايمحدود ANSYS، مدلسازي شده و سپس تحت تحلیل مودال و تاریخچه زمـانی قـرار گرفتـه اسـت. پـس ازصحتسنجی مدل اجزاي محدود و طراحی بهینه میراگرها، رفتار سازه در دو حالت با و بدون TLD مقایسه شـدهو نتایج به دست آمده مورد بحث مورد قرار گرفتهاند.

کلمات کلیدي:
سکوي فراساحلی شابلونی (جکت)
SPD1 سکوي
تحلیل دینامیکی کنترل غیرفعال
میراگر مایع تنظیم شده (TLD)

Investigating the Dynamic Behavior of Offshore Jacket-Type Platforms
Incorporated with the Tuned Liquid Damper (TLD) under Seismic Excitation

Hassan Tafakhor1*, Hamid Ahmadi2, Mohammad Ali Lotfollahi-Yaghin3

MSc Graduate, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz; [email protected]
Assistant Professor, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz; [email protected] 3 Professor, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 26 May. 2014
Accepted: 21 Feb. 2016
In the present paper, the effectiveness of Tuned Liquid Damper (TLD) in controlling the dynamic responses of offshore jacket platforms under earthquake excitation is investigated. This type of dampers consisting of one or more fluid (generally water) containers can be installed on the platform’s deck. Hydrodynamic actions induced by

Keywords:
Offshore jacket-type platform
Dynamic analysis
Passive control
Tuned Liquid Damper (TLD)

the tilting of the water surface in the container act as resistant forces against vibration controlling the structural response. In this research, using FE-based software package ANSYS, a jacket structure having dimensions appropriate for the Persian Gulf climate (case study: SPD1 platform) was modeled and then dynamically analyzed by the modal and time-history approaches subjected to the records of Tabas, El Centro, and Kobe earthquakes. The TLDs were optimally designed and after the verification of FE results, the dynamic responses of the jacket-type platform with and without TLDs were compared.
تفاخر و همکاران / بررسی رفتار دینامیکی سکوهاي فراساحلی شابلونی مجهز به سیستم میراگر مایع تنظیم شده( TLD) تحت تحریک لرزه اي

1 – مقدمه
بهرهبرداري از ذخایر نفت و گاز در دریا از مهم ترین کاربردهاي سکوهاي فراساحلی1 است. سکوهاي فراساحلی ثابت از نوع شابلونی (جکت)2 به علت طراحی، حمل و نصب نسبتاً آسان در مقایسه با انواع دیگر سکوها، به طور وسیعی در مناطق با عمق آب کمتر از 100 متر مورد استفاده قرار می گیرند. البته این نوع سکوها در مناطقی با عمق بیش از 300 متر نیز نصب شدهاند. سکوهاي فراساحلی در معرض نیروهاي محیطی ناشی از امواج دریا ،جریان، باد، و زلزله قرار دارند. لذا کنترل لرزه اي این سازه ها جهت صرفه-جویی در مصالح مصرفی، افزایش عمر بهره وري، و افزایش قابلیت اعتماد3 سازه در مواجهه با زلزله می تواند مورد توجه قرار گیرد .
علاوه بر این، در مناطق با لرزهخیزي پایین که در معرض طوفان-هاي شدید قرار نداشته باشند، بسیاري از سکوها در برابر زلزله و بارهاي حدي ناشی از امواج طرح در حاشیه اطمینان مناسبی قرار دارند؛ و در این شرایط، خستگی مسئله تعیین کننده در طراحی است. استفاده از سیستم کنترلی از طریق محدود کردن دامنه جابجاییها، میتواند در افزایش عمر خستگی سازه نیز مفید باشد.
متداول ترین روش براي کنترل سازه ها در برابر نیروهاي لرزهاي، استفاده از میراگرها یا سیستم هاي افزایش دهنده میرایی است که انرژي وارد بر سازه را جذب و مستهلک میکنند. میراگرها بر اساس مکانیسم عملکردشان به سه دسته فعال، نیمه فعال و غیر فعال4 تقسیم می شوند. سیستم هاي غیرفعال از طریق اصلاح و بهبود رفتار دینامیکی سازه، یک میرایی غیرمستقیم به سازه اعمال می کنند. یک نوع از میراگرهاي غیرفعال، سیستم میراگر مایع تنظیم شده (TLD)5 م یباشد که به دلیل هزینه نسبتاً کم و روش اجراي آسان نسبت به سایر میراگرهاي غیرفعال، مورد توجه و استفاده بیشتري قرار گرفته است .
در این تحقیق، کارآیی میراگر مایع تنظیم شده در کنترل و کاهش ارتعاشات سکوهاي فراساحلی شابلونی تحت تحریک زلزله مورد بحث قرار می گیرد. سیستم میراگر مایع تنظیم شده در سازه هاي فراساحلی به ندرت مورد استفاده قرار گرفته است. این میراگرها را که از یک یا چند مخزن حاوي سیال (عموماً آب یا نفت) تشکیل شده اند، میتوان روي عرشه سکو نصب نمود. نیروهاي هیدرودینامیکی که از تلاطم سیال داخل مخزن به وجود م یآیند، به عنوان نیروهاي مقاوم در برابر ارتعاش سازه عمل می کنند. در اثر تحریک سازه توسط نیروهاي خارجی، سیال داخل مخزن در خلاف جهت حرکت سازه نوسان می کند و باعث می شود قسمتی از سیال، به صورت مواج، حرکت نوسانی انجام دهد و قسمتی دیگر از آن که نزدیک به کف مخزن است، حرکت صلب گونه داشته و به دیواره مخزن فشار ضربه اي وارد کند. براي این که حرکت سیال داخل مخزن بتواند جابجایی سازه را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد ،می بایست فرکانس نوسان مایع داخل مخزن نزدیک به فرکانس طبیعی نوسان سازه باشد، که از تحلیل مودال قابل تعیین است .
بنابراین تنظیم نمودن فرکانس نوسان مایع داخل مخزن با فرکانس طبیعی سازه، یا به عبارت دیگر به دست آوردن محدوده نسبت فرکانسی که به ازاي آن، دامنه حرکت سازه به مقدار قابل توجهی کاهش یابد، یکی از اهداف اصلی این تحقیق می باشد. در این پژوهش، پس از طراحی بهینه میراگرها، یک سکوي شابلونی با ابعاد متناسب براي آبهاي خلیج فارس (سکوي SPD1 به عنوان مطالعه موردي)، تحت زلزله هاي طبس، ال سنترو و کوبه، با و بدون میراگر، با استفاده از نرم افزار اجزا محدود ANSYS نسخه 14، تحت تحلیل مودال و تاریخچه زمانی قرار گرفته است. پس از صحتسنجی مدل اجزاي محدود، نتایج به دست آمده مورد بحث قرار گرفته و رفتار سازه در این دو حالت مقایسه شدهاند.

2- مرور پیشینه تحقیق
سیستمTLD به عنوان یک روش کنترل غیر فعال، اولین بار در سال 1909 مورد استفاده قرار گرفت. این سیستم شامل دو مخزن بود که تا نصف از آب پر شده و در یک کشتی قرار گرفته بودند [1]. Sakai و همکاران [2] پیشنهاد کردند سیستم مایع تنظیم شده به عنوان کنترل کننده نوسان در پل هاي کابلی استفاده شود .
Carrier و Miles [3] سیستمTLD را به عنوان میراکننده نوسان، در ماهواره ها و فضاپیماها مورد مطالعه قرار داده اند. این میراگرهايTLD که به میراگرهاي متغیر نیز معروف شدند، به صورت یک حلقه پر از مایع بودند که به دور ماهواره ها و فضاپیما ها قرار می گرفتند تا چرخش ماهواره حول محور استوانه اي را کاهش دهند .
اولین کاربردهاي میراگر مایع تنظیم شده در سازه هاي روي خشکی در نیمه دوم دهه هشتاد و اوایل دهه نود میلادي با مطالعات افرادي همچون Modi و Kareem ،[4] Welt و Sun [5]، و Fujino و Sun [6] صورت گرفته است. اشکال هندسی مختلفی براي سیستم میراگر مایع تنظیم شده استفاده شده است که مهمترین آن ها مکعب، استوانه و مخروط می باشند. از جمله Casciati و همکاران [7] از یک مخزن به شکل مخروط ناقص به عنوانTLD استفاده نمودهاند. Gao و Kwok [8] تأثیر میراگر مایع ستونی تنظیم شده در اشکالU و Vبراي کنترل سازه اي و پارامترهاي بهینه براي طراحی این نوع میراگر جهت حداکثر کاهش پاسخ سازه به تحریک هارمونیک را مورد مطالعه قرار دادند .
Yalla و Kareem [9] پارامترهاي بهینه مشابهی براي سیستم میراگر مایع ستونی تنظیم شده در برابر تحریک تصادفی ناشی از امواج صوتی تعیین کردند .Olson و Reed [10] سیستم میراگر مایع تنظیم شده با کف مخزن شیب دار را مورد مطالعه قرار داده اند. در این پژوهش، شیب کف مخزن 30 درجه بوده است.
در صورتی که میراگر مایع تنظیم شده به صورت بهینه طراحی شده و در آن از ابزارهاي افزایش میرایی استفاده گردد، میرایی 5 تا 15 درصد افزایش پیدا می کند. این افزایش میرایی، تأثیر بسزایی روي پاسخ دینامیکی خواهد داشت .Marvani و Hamed [11] براي افزایش میرایی از شبکه هایی در راستاي عمود بر جهت حرکت سیال داخل مخزن استفاده نمودهاند. مزیت اصلی استفاده از این شبکه ها، سهولت دستیابی به میرایی بهینه مورد نیاز سازه می باشد که با تغییر فاصله بین شیارهاي شبکه و یا تغییر ارتفاع آن میسر می شود. همچنین Tait [12] سازه یک درجه آزادي مجهز به میراگر مایع تنظیم شده را به صورت سیستم سازه – جرم تنظیم شده معادل، تحت تحریک تصادفی و هارمونیک به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار داد .وي با استفاده از نتایج آزمایش هاي صورت گرفته روي مدل ،رابطهاي براي میرایی ناشی از میراگر مایع تنظیم شده که در آن از سیستم هاي افزاینده میرایی براي رسیدن به میرایی مورد نیاز سازه استفاده شده بود ،ارائه کرده است .رابطه ارائه شده توسط وي تطابق بسیار خوبی با روابط ارائه شده توسط سایر محققین براي میرایی ناشی از میراگر جرم تنظیم شده دارد.
Vandiver و Mitome [13] براي کاهش ارتعاشات یک سکوي فراساحلی تحت اثر باد، از سیستم TLD استفاده نمودند. همچنین Yamamoto و Kawahara با استفاده از روش هاي عددي پژوهش هایی در زمینه تأثیر اندرکنش موج-سازه روي کنترل ارتعاش با استفاده از TLD انجام دادند [14].
براي سایر روشهاي کنترل غیر فعال نظیر جداسازي میتوان به عنوان مثال به مراجع[ 15] تا[ 17] اشاره نمود.
با توجه به مطالب اخیر، مشخص است که سیستم میراگر مایع تنظیم شده در سازه هاي فراساحلی به ندرت مورد استفاده قرار گرفته است. بنابراین بررسی طراحی میراگرهاي مناسب به منظور استفاده در یک سکوي شابلونی با ابعاد متناسب براي آبهاي خلیج فارس و مقایسه پاسخ سکو در دو وضعیت با و بدون میراگر مایع تنظیم شده، حائز اهمیت بوده و میتواند در بر گیرنده نتایج مفیدي باشد.

معرفی سکوهاي شابلونی و میراگر مایع تنظیم شده
3-1- سکوهاي شابلونی
از جمله متداولترین سکوهاي فولادي ثابت میتوان به سکوي شابلونی (شکل 1)، سکوي خود بالابر6 و برج مهارشده7 اشاره کرد .زیرسازه8 این سکوها، قابهاي فضاکار بوده و از اتصال اعضائی تشکیل میشوند که عمدتاً از مقاطع دایروي توخالی( CHS) ساخته شدهاند .

شکل1- یک سکوي شابلونی متداول: الف) سازه در حال بهرهبرداري، ب)
زیرسازه (جکت)

در محل تلاقی این اعضا، که یک اتصال لولهاي9 نامیده میشود ،مقاطع انتهائی یک یا چند عضو مهاري10 به سطح خارجی عضو اصلی11 جوش میشوند .

3-2- میراگر مایع تنظیم شده( TLD)
در یک سیستم TLD به عنوان یک ابزار کنترل غیر فعال، از اثرات تلاطم آب در یک مخزن براي کنترل ارتعاش سازه استفاده می شود. میراگر مایع تنظیم شده براي اولین بار در اوایل قرن بیستم براي کنترل ارتعاشات ناشی از امواج دریا در کشتی هاي اقیانوسپیما استفاده شد و سپس در نیمه دوم قرن بیستم براي کنترل نوسانات آزاد با دوره تناوب بالا در ماهواره ها به کار رفت. از اواسط دهه هشتاد میلادي، میراگر مایع تنظیم شده براي کنترل ارتعاشات سازه هاي عمرانی به کار گرفته شد. نحوه بکارگیري این سیستم میراگر بدین ترتیب است که تعدادي مخزن در قسمت فوقانی سازه نصب می شوند و تلاطم مایع درون این مخازن انرژي ارتعاشی وارد به سازه را در هنگام زلزله یا تندباد مستهلک می کند. چنین تلاطمی موجب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جداره هاي انتهایی مخزن می شود و اختلاف فشار ناشی از این تفاوت در رقوم، به صورت یک نیروي برشی در کف مخزن ظاهر می شود[ 18]. در شکل 2 نمونه اي از یک سازه مجهز به این نوع میراگر نشان داده شده است .
نیروي کنترلی که در این روش براي کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار می گیرد، از فشار دینامیکی وارد بر سطح دیواره مخزن نشأت میگیرد. براي طراحی بهینه این سیستم ها، یعنی به منظور ایجاد کاهش قابل توجه در ارتعاشات سازه، تنظیم فرکانس میراگر باید بر اساس فرکانس مد اول ارتعاش سازه انجام شود. بنابراین مشخصات میراگر نظیر ابعاد مخزن و عمق آب داخل آن باید به گونه اي تعیین شوند که فرکانس تلاطم مایع درون مخزن با فرکانس ارتعاش سازه هماهنگ شود .

شکل2- برج مسکونی One Rincon Hill مجهز به سیستم TLD

تفاخر و همکاران / بررسی رفتار دینامیکی سکوهاي فراساحلی شابلونی مجهز به سیستم میراگر مایع تنظیم شده( TLD) تحت تحریک لرزه اي
-3925823-6770875



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید