عملكرد لنگر توليدي حاصل از مخزن مستغرق متحرك در كاهش
دامنه پاسخ سكوي ثابت برجي

محمدرضا محرم ي گرگري1 ، مهدي شفيعي فر2*، علي اكبر آقاكوچك3

كارشناسي ارشد، دانشكده فني، دانشگاه تربيت مدرس
دانشيار، دانشكده فني، دانشگاه تربيت مدرس
استاد، دانشكده فني، دانشگاه تربيت مدرس

چكيده
در مقالة حاضر، يك طرح جديد و ابتكاري جهت كاهش پاسخ سكوهاي ثابت دريايي با به كارگيري يك مخزن متحرك مستغرق مورد بررسي قرار گرفتهاست. اين طرح شامل سكويي چهارپايه ميباشد كه مهاربندهاي آن در قسمت تحتاني حذف شده و مخزن مستغرق متحركي كه داراي نيروي شناوري است، به آن افزوده شدهاست. ايجاد نيروي كششي متغير وابسته به پاسخ مخزن در پايهها به همراه لنگر بازگردانندة خارجي، الگو ي توزيع بار داخلي را تغيير داده و موجب ايجاد سختي افزودة وابسته به زمان شدهاست. فرايند تحليل استاتيكي با در نظر گرفتن اثرات غير خط ي هندسي و تغيير شكلهاي بزرگ انجام گرفته كه براي اين منظور، از برنامهاي مفصل كه در محيط متلب١ توسعه داده شده، استفاده شده است.
با انجام تحليلهاي استاتيكي مشخص شد كه مخزن با حركت خود، لنگر بازگردانندهاي توليد ميكند كه موجب كاهش دامنة پاسخ سكو ميگردد. ميزان لنگر توليدي به حجم مخزن و دامنة نوسان آن وابسته است كه ميتوانند به درستي انتخاب گردند. البته اين مطلب زمان ي ميتواند مفيد باشد كه مخزن به عمقي مناسب برده شود تا از نيروي امواج در امان باشد. شايان ذكر است كه استفاده از مخزن مستغرق متحرك در سكوهاي نرمتر مناسبتر است يا به عبارت ديگر با افزايش عمق آب قرارگيري سكو عملكرد سيستم بهبود مييابد.
كلمات كليدي: سكوي ثابت، مخزن مستغرق متحرك، عملكرد شناوري، كاهش پاسخ

PERFORMANCE OF AN OSCILLATING SUBMERGED
TANK IN RESPONSE REDUCTION OF FIXED
OFFSHORE PLATFORMS

M.R. Moharrami Gargari1, M. Shafieefar2, A.A. Aghakouchak3

Reasearch Fellow, Civil Engineering Department, Tarbiat Modares University
Associate Professor, Civil Engineering Department, Tarbiat Modares University
Professor, Civil Engineering Department, Tarbiat Modares University

Abstract
In this paper, a concept is presented for decreasing the response amplitude of fixed offshore platforms using a movable submerged tank. The idea is based on utilization of the tank’s buoyancy and inertia forces to reduce the responses of the platform. In this concept, a fourlegged platform is investigated in which braces are removed in lower levels, and the movable submerged tank including substantial amount of buoyancy force is added. As a result of the tank oscillation, the upward buoyancy force causes a reversible moment which depends on the tank

1 MATLAB
[email protected] نويسنده مسئول مقاله *
سال ششم/ شماره 12/ پاييز و زمستان 89 57

position and time. Actually, tank movement changes the internal forces distribution pattern that could produce time dependent stiffness. The non-linear and large displacement effects are considered in the static analyses using a program developed by employing MATLAB software.
Results of static analyses indicate the tank efficacy in decreasing the displacement amplitude of the platform. The performance of the concept can be improved by taking an appropriate volume and oscillation amplitude for the tank. It is noteworthy that the tank should be placed in enough proper depth for preventing any uncontrolable wave loads; additionally, results show that the tank usage in less stiffened platform could be more efficient, in other word, the tank efficiency will be increased by depth magnification.
Keywords: Fixed offshore platforms, Oscillating tank, Buoyancy action, Response reduction
1- مقدمه
با توجه به پيشرفتهاي روز افزون تكنولوژي در اجرا و ساخت سكوهاي دريايي و براي دستيابي به اهدافي چون كاهش هزينههاي ساخت و نگهداري، كاهش زمان ساخت و بهرهبرداري، كاهش جابجاييهاي سكو و افزايش سلامت سكو، نياز به ارائه طرح هاي نوين افزايش يافتهاست. از اين رو جهت كاهش نوسانات دائمي سكوهاي در معرض امواج، ارائه طرحهايي با عملكرد آئروديناميكي بيشتر [1]، افزودن مهار براي بالابردن سختي سازهاي [2]، يا استفاده از ميراگرهاي فعال [3] و غير فعال [4]، جهت نيل به اهداف مورد اشاره، رواج يافته است.
با مطالعه در مورد طرحهاي جديد ارائه شده براي سكوهاي دريايي، ايدهاي جديد به نظر رسيد. اين طرح با هدف استفاده از نيروي شناوري به عنوان نيرويي كمكگر ارائه شد كه حاصل از تلفيق سيستم بكار رفته در سكوها ي پايه كششي و برج ي است.
در سكوهاي پايه كششي، نيروي شناوري عامل ايجاد كشش در كابلها ميباشد. با تغيير مكان جانبي سكو، جهت نيرو ي كششي تغيير كرده و عامل بازگردانندهاي ايجاد ميشود كه سكو را به حالت اول باز ميگرداند. ميزان سختي افزوده توليدي، وابسته به جابجايي سكو و مقدار نيروي شناوري متغير (تغيير حجم داخل آب جسم در اثر حركت جانبي و موج برخوردي) است.
جهت حفاري در رودخانههاي خروشان و يا آبهاي عميق، رايزر حفاري را تحت كشش قرار ميدهند كه اين كار باعث ايجاد سخت ي اضافي وابسته به نيرو ي كششي در سيستم خواهد شد و نوسانات دائمي رايزر را كاهش خواهد داد. لازم به ذكر است كه در گذشته براي كاهش انتقال وزن بخشهاي بالايي سكو به پايهها و يا به عبارتي كم كردن امكان كمانش پايههاي سكو، استفاده از مخازن مستغرق ثابت در سكوهاي تطبيقي و برجي رواج داشته-است، ولي براي كاهش نيروي موج، مخازن در اعماق زيادي قرار ميگرفتند.
با تركيب دو سيستم مذكور، تصميم بر آن شد كه سكويي ثابت كه مهاربندهاي آن در قسمت تحتاني حذف شدهاند و پايههاي آن توسط مخازني تحت كشش قرار گرفتهاند، بررسي شود. اين طرح به واقع، مشابه سكويي پايه كششي است كه در پايهها بهجاي كابل، از لوله استفاده شدهاست.
تصوير شماتيكي از سيستم در شكل 1 – الف آورده شده- است.
مشكل اصلي اين طرح، حجم زياد مخزن مورد نياز ميباشد. با انجام آناليزها ي سازهاي مشخص شد كه وجود مخازن بزرگ باعث اعمال نيروي بزرگتري از سوي موج به سكو ميگردد و لذا پاسخهاي سيستم افزايش خواهد يافت. بدين ترتيب سكو به سمت سكو ي پايه كشش ي ميل ميكند و اثر سختي افزوده ناشي از كشش ناچيز ميگردد تا نهايتاً ماهيت طرح زير سوال رود.
با تأمل بيشتر در طرح ارائه شده، تصميم بر آن شد كه به جاي استفاده از مخازن ثابت مستغرق متصل به سكو، از مخزن متحركي كه با اتصال برشي و با دو فنر خطي به سكو متصل است، استفاده شود. طرح جديد باعث شكلگيري نيروي جديدي شد به گونهاي كه به هنگام اعمال نيروي موج به مخزن، جابجايي مخزن بيشتر از پاسخ سكو گرديد و لذا لنگر بازگردانندهاي كه ناشي از خروج از مركزيت نيروي شناوري مخزن بود، به سكو اعمال گشت. اين لنگر شرايط تغيير الگوي توزيع بار كششي در پايههاي سكو را فراهم آورد و جابجايي سيستم را كاهش داد.
58 سال ششم/ شماره 12/ پاييز و زمستان 89

پايههاي اصلي پايههاي اصلي
مهاربند از نوع X
مهاربند اضاف ي براي انتفال بار شناوري مخزن متحرك
مهاربند از نوعX
مخازن ثابت
فنر خطي
مخزن متحرك مستغرق
Pile Stubs
Pile Stubs
الف – سكو ي داراي مخازن ثابتب – سكو ي داراي مخزن متحرك تراز عرشه

تراز عرشه

شكل 1 – تصويري شماتيك از طرح اوليه سكو و طرح بهينه

جهت مدل سازي و تحليل، از نرم افزارهاي در دسترس 1) محاسبه نيروي موج وارد بر سازه با در نظر گرفتن سازهاي١ و دريايي٢ استفاده شد، وليكن به علت ضعف تركيبي از فرمولاسيون موريسون و فرود كريلف برنامههاي مذكور در مدل سازي و توليد نتايج غلط و 2) در نظر گرفتن اثرات اندركنشي موج و سازه همچنين عدم امكان دستيابي به هسته مركزي 3) روش حل غير خطي سيستم با منظور داشتن اثر نرم افزارها، تصميم بر آن شد تا كد مورد نياز در يك تغيير شكلهاي بزرگ
محيط برنامه نويسي توسعه داده شود تا عملكرد برنامه و نتايج خروجي آن لحظه به لحظه مورد بررسي قرار گيرد. محيط متلب، محيطي ساده و در عين حال پيشرفته ميباشد، لذا جهت ادامة كار، برنامهاي در محيط اين نرمافزار تدوين شد. در واقع براي حل چنين مسئلهاي، برنامهاي نياز است كه تواناييهاي زير را نيز دارا باشد:

1 SAP 2SACS

نرم افزار SAP قابليت در نظر گرفتن اثرات تغيير شكلهاي بزرگ را دارا است ولي قابليت محاسبة نيروي موج وارد براعضاي حجيم را ندارد. از سويي نرم افزار SACS نيز بيشتر براي مقاصد طراحي سكوهاي شابلوني معمول توسعه يافتهاست و توانايي در نظر گرفتن تغيير شكلهاي بزرگ را ندارد، پس برنامه مورد نياز بايد تركيبي از قابليتهاي هر دو نرمافزار را دارا باشد.
5971
2- مباني زيربنايي
در اين بخش، اشارهاي مختصر راجع به مباني و تئوريهاي بكار رفته در تحليل سيستم تركيبي ميشود. اين تئوريها به دو بخش تئوريهاي هيدروديناميكي و تئوريهاي سازهاي قابل تقسيم هستند كه در ادامه به آنها پرداخته ميشود.

2- 1- مباني هيدروديناميكي
مباني هيدروديناميكي، خود به دو زير گروه كوچكتر قابل تقسي م است:
تئوريهاي محاسبه پارامترهاي موج
تئوريهاي محاسبه نيروي موج وارد بر سازه در محاسبه پارامترهاي موج، تئوري استوكس مرتبه 5 به عنوان روش برتر انتخاب شدهاست كه براي آبهاي عميق مناسب تر از ساير تئوريها ميباشد و قابليت مدل ساز ي تيزي امواج را نيز دارا است [5].
در محاسبه نيروي موج وارد براعضا، دو روش استفاده شده است:
براي اعضاي لاغر فرمول موريسون به كار گرفته شده، بدين ترتيب كه با محاسبه سرعت ذرات آب و تبديل آن به سرعت عمود بر المان و نهايتاً ضرب آن در سطح تصوير، و با بدست آوردن شتاب ذرات آب در مركز هر المان و ضرب آن در حجم المان، به ترتيب نيروي درگ و اينرسي عمود بر المان محاسبه شدهاست.
براي مخازن (با توجه به آن كه نسبت قطر مخزن به طول موج كمتر از 1 است) تئوري فرود- كريلف با هدف افزايش دقت و همچنين مقايسه مقدار آن با ترم فشار ديناميك ارائه شده توسط رابطه موريسون، بهره گرفته شده، به نحوي كه فشار كلي موجود در مركز هر مش محاسبه شده و با ضرب آن در مساحت مش، نيروي عمود وارد بر هر مش حاصل گشته است. اين نيرو به واقع معادل ترم اينرسي رابطه موريسون ميباشد و با ضريب 2 وارد محاسبات ميشود تا اثرات مربوط به جرم افزوده را نيز در نيروها منظور كند، لذا ترم درگ نيز بهطور جداگانه از رابطه مورد محاسبه قرار گرفته است.شايان ذكر است كه تأثير اين ترم، با حجيم شدن مخزن، نسبت به ترم اينرسي كاهش م ي يابد [6].

2- 2- مباني سازهاي
مباني سازهاي در دو بخش مورد بررس ي م ي باشند.

2- 2-1- مشخصات سازه
در برنامه توسعه داده شده، المانهاي سازهاي، به شكل المانهاي تير با 12 درجه آزادي منظور شدهاند.
ماتريسهاي سختي و جرم براي هر المان با توجه به توابع شكل [7] و با انتگرالگيري در طول المان محاسبه شده و با توجه به محورهاي مختصات محلي هر عضو از طريق محاسبه ماتريسهاي انتقال به سيستم مختصات كلي منتقل شده و در نهايت ماتريسهاي مشخصات سازهاي تشكيل شدهاند. ماتريس ميرايي به صورت تركيب خطي از ماتريسهاي سختي و جرم (فرض رايلي) در نظر گرفته شده است
.[8]
ماتريس نيرويي نيز ابتدا در مختصات محلي عضو حساب شده و سپس به مختصات كلي انتقال مييابد.
لازم به ذكر است كه ماتريس نيرويي در هر گام، با توجه به پاسخهاي سيستم در گام پيشين، محاسبه شدهاست. در آناليزهاي تغيير شكلهاي بزرگ و ∆P-، ماتريس سخت ي نيز، با توجه به نتايج پاسخ در گام قبل، اصلاح شدهاست.

2- 2-2- روش حل
با توجه به قابليتهاي نرمافزار توسعه دادهشده، دو نوع آناليز برا ي سيستم مورد بررسي امكان پذير است:

آناليز استاتيكي
آناليز ديناميكي

آناليز استاتيكي اين سيستم به صورت نموي و گام به گام صورت گرفته به نحوي كه در ابتداي هر گام زماني با وارون كردن ماتريس سختي مربوط به ابتداي گام و ضرب آن در ماتريس نيرويي، پاسخ سيستم حاصل شدهاست. براي در نظر گرفتن اثر تغيير شكلهاي بزرگ، از روش نيوتن- رافسون استفاده شدهاست. در واقع با بوجود آمدن تغيير شكلهاي بزرگ در سيستم، شكل هندسي و در نتيجه ماتريس سختي كاملاً عوض ميشوند، همچنين نيروهاي داخلي ايجاد شده در گام قبل نيز، روي پاسخ سيستم تأثير خواهند گذاشت [7].
در آناليز ديناميكي، مودها ي سيستم از دو روش سعي و خطا و تكرار ماتريسي بدست آمدند، كه پاسخهايي كاملاً مشابه حاصل شدهاست. اين مطلب حاكي از عملكرد صحيح برنامه ميباشد. ولي در نهايت روش دوم به عنوان روش كارامدتر برگزيده شده است.
آناليز ديناميكي با هر دو روش تركيب مودي و انتگرالگير ي مستقيم (شتاب متوسط) انجام شده است، ولي روش دوم به عنوان روش برتر برگزيده شدهاست. در اين روش ماتريس جرم و سختي و ميرايي محاسبه شده و در خلال آناليز ثابت منظور ميگردند تا آناليز كامل گردد [8] .
با توجه به آنكه، سيستم فوق شامل مخزني است كه آزادي حركت جانبي دارد و همچنين در نظر گرفتن اثر حركت بار قائم ناشي از انتقال مخزن در پاسخها مؤثر است، لذا انجام آنال يز غيرخط ي هندسي با منظور داشتن اثر تغيير شكلهاي بزرگ و ∆P-، اجتناب ناپذير ميباشد.

3- برنامه نويسي
همان گونه كه در بخشهاي قبل گفته شد، با توجه به ضعف نرمافزارهاي موجود، برنامهاي در محيط متلب توسعه داده شد كه قابليت آناليز سيستم تركيب ي را دارا باشد.
انجام دو نوع آناليز در برنامة توسعه داده شده ميسر است:
آناليز استاتيكي با زمان با در نظر گرفتن اثرات ثانويه ∆P- و تغيير شكلهاي بزرگ كه در مقالة حاضر جهت بررسي عملكرد مخزن مورد استفاده واقع شدهاست.
آناليز ديناميكي با منظور داشتن اثرات ∆ P-و تغيير شكلهاي بزرگ به همراه در نظر گرفتن اثرات ميرايي هيدروديناميكي و جرم افزوده و تعيين پاسخ سيستم، به همراه شكل و پريود ارتعاش هر يك ازمودها كه در ادامه مورد صحت سنجي قرار گرفتهاست.
لازم به ذكر است كه كاربر ميتواند، نوع آناليز را در ابتداي كار مشخص كند و در صورت لزوم آناليز ديگري را انجام دهد (مثلاً آناليز استاتيك ي معمولي).

3- 1- صحت سنجي
براي حصول اطمينان از عملكرد صحيح برنامه توسعه داده شده، مدل سادهاي كه قابل تحليل با نرم افزارهاي در دسترس باشد، ساخته شد. نتايج خروجي حاصل از نرم افزار با نتايج خروجي حاصل از برنامه مقايسه شده تا اطمينان از صحت كاركرد برنامه حاصل گردد. با توجه به اختلاف اندك بين نتايج برنامه و نرمججافزارها، صحت برنامه نوشته شده آشكار شدهاست. شايان ذكر است كه فرايند مقايسه در پارامترهاي ممكن و اساسي صورت گرفتهاست، لذا ميتوان از عملكرد برنامه در حالتهاي تركيبي اطمينان حاصل كرد. به عنوان نمونه در برخي موارد جابجايي معيار صحتججسنجي قرار گرفته، لذا نتايج تغيير مكان چهار نقطه كه در گوشههاي سازه و در تراز 1+ قرار داشتند (شكل 2)، مورد مقايسه قرار گرفتهاند.
براي مقايسه نتايج، از دو نرم افزار SAP 9.1 جهت انجام آناليزهاي سازهاي و SACS 5.2براي اعمال بارهاي خارج ي ناشي از موج استفاده شد.
چهار حالت بارگذاري مورد بررسي قرار گرفت:
بارگذاري استاتيكي
بارگذاري ديناميكي
اثرات بارها ي قائم
بارگذاري موج
مدل يك سكوي 4 پايه ميباشد كه قطر پايه هاي اصلي آن 5/1 متر و ضخامت جداره لوله تشكيل دهنده 2 سانتيمتر است. تمامي مهاربندها داراي قطر 5/0 متر و ضخامت 2 سانتيمتر ميباشند. از مدل سازي شمع درون اعضاي جكت صرف نظر شده و در انتها طولي برابر 6 متر به پايهها اضافه شده و سيستم را به كف به شكل گيردار متصل كردهاست. دستگاه مختصات در سطح آب واقع شده به نحوي كه محور X در راستاي
761
نيرو باشد (شكل 2). تراز بستر در 30- متر قرار گرفته و انتهاي پايهها در 36- متر واقع شدهاست. عرشه به عنوان يك تراز در 11+ متر قرار گرفته و چهار جرم نقطه اي به مقدار 200 تن در گوشههاي عرشه و روي پايهها قرار داده شدهاست. سيستم مهاربندي در دو جهت متفاوت است تا اين اختلاف نيز در سختي جكت بررسي گردد.

3- 1- 1- بارگذاري استاتيكي
جدول 1- نتايج تغيير مكان استاتيك ي چهار نقطه مورد بررسي در جهت نيرو

درصد خطا % اختلاف (متر) نتايج SAP (متر) نتايج برنامه (متر) شماره نقطه
2/8 0/0039 0/1370 0/1331 1
2/8 0/0039 0/1366 0/1327 2
3/5 0/0029 0/0829 0/0800 3
3/4 0/0028 0/0825 0/0797 4

الف – نرم افزار SAP ب – برنامه
27188310

4

3

2

Joint No.1

4

3

2

Joint No.1

2

4

3

Joint No.1



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید