کاربرد تئوري موج نو در روش موج دوام جهت ارزیابی سکوي پایه ثابت تحت بارگذاري امواج خلیج فارس
سعید مهاجرنسب1، محمدعلی داستان2، محمدرضا تابشپور3*، محمدسعید سیف4، حمید مهدیقلی5

کارشناس ارشد، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
دانشجوي دکتري، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected] ٣ استادیار، قطب علمی هیدرودینامیک و دینامیک متحركهاي دریایی، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
استاد، قطب علمی هیدرودینامیک و دینامیک متحركهاي دریایی، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
استادیار ،قطب علمی هیدرودینامیک و دینامیک متحرك هاي دریایی، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف؛ [email protected]
سال نهم/ شماره 18/ پاییز و زمستان 1392(71-82) نشریه مهندسی دریــا
260908810013696

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این مقاله، اصلاح روش تحلیل موج دوام( EWA) در ارزیابی سکوهاي دریایی بر اساس تئوري موج نو معرفی شده است. موج دوام روشی جدید براي تخمین پاسخ سازههاي فراساحل در حالتهاي دریایی مختلف با استفاده از رکوردهاي افزایشی است .مطالعه فوق، یک روش کاربردي جهت انتخاب مدت زمان تحلیل و روند افزایشی رکوردها ارائه میکند. روند تولید رکوردهاي امواج بر اساس تئوري موج نو ارائه شده است. علاوه بر این، ارزیابی یک مدل ساده شده چند درجه آزادي از یک سکوي پایه ثابت واقعی تحت امواج حدي نیز بر اساس روش فوق انجام گرفته است. همچنین مقایسهاي بین این تحلیل و شبیه-سازي 3 ساعته امواج تصادفی براي بررسی دقت این روش صورت گرفته است. نتایج نشان میدهد که روش پیشنهاد شده، کاربردي سادهتر در طراحی و ارزیابی سکوهاي دریایی دارد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 23/06/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 13/11/1392 تاریخ انتشار مقاله: 28/12/1392

کلمات کلیدي:
تحلیل موج دوام اصلاح شده سکوي پایه ثابت تئوري موج نو، ارزیابی

Application of New-wave theory in the Endurance Wave method to assess offshore structures under the Persian Gulf wave conditions

Saeed Mohajernassab1, Mohammad Ali Dastan2, Mohammad Reza Tabeshpour3, Mohammad Saeed Seif4, Hamid Mehdigholi5

M.Sc, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology
PhD candidate, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology
Assistant professor, Center of Excellence in Hydrodynamics and Dynamic of Marine Vehicles, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology
Professor, Center of Excellence in Hydrodynamics and Dynamic of Marine Vehicles, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology
Assistant professor, Center of Excellence in Hydrodynamics and Dynamic of Marine Vehicles, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 14 Aug. 2013
Accepted: 23 Jan. 2014
Available online: 19 Mar. 2014 In this paper, the modification of Endurance Wave Analysis (EWA) in assessment of offshore platforms based on the new-wave theory is introduced. EWA is a new method to estimate the response of offshore structures in different sea states by use of incremental records. This study is offered practical procedures to select time duration

Keywords:
Endurance Wave Analysis
Jacket platform
New-wave theory
Assessment

and intensifying trend of the records. In addition, a simplified multi-degree of freedom model of a jacket platform under extreme waves is assessed through current study. A comparative study between this analysis and 3-hour random wave simulation to investigate the accuracy has also been carried out. The results show that the proposed procedure is a convenient method in design and assessment of offshore platforms.
1- مقدمه
اصلیترین هدف در ارزیابی تحت امواج حدي اطمینان از مقاومت سازه در مقابل طوفان در حالتهاي دریایی1 مختلف است. به بیان دیگر، پاسخ سازه براي نیازهایی مانند عملیات تولید، ایمنی و قابلیت سرویسدهی سازه مورد قبول باشد [1]. همچنین تغییر در کاربري سکو، اصلاح شرایط محیطی آن و دوباره ارزیابی کردن تحت بارگذاريهاي محیطی بر اهمیت ارزیابی تاکید میکند [2]. با این وجود، به دلیل هندسه پیچیده، اندرکنش آب – سازه و خاك – شمع – سازه، ارزیابی سکوهاي دریایی یک گام چالشبرانگیز در مهندسی فراساحل محسوب میشود.
به دلیل ماهیت دینامیکی و تصادفی امواج دریا، تحلیل تاریخچه زمانی یک روش مطمئن براي ارزیابی دقیق عملکرد سازه به خصوص سکوهاي آبهاي عمیق و سازههاي منعطف است [3].
در این روش، رفتار دینامیکی سکو براساس اعمال امواج تصادفی به اعضاي مختلف آن به عنوان تابعی از زمان درنظر گرفته میشود. با وجود مزیتهاي مختلف روش تاریخچه زمانی، به دلیل پیچیدگی و زمان بر بودن آن، این روش کارایی محدودي در فرآیند ارزیابی دارد.
در طول دهههاي گذشته، مطالعات زیادي در مورد ارزیابی سکوهاي فراساحل در سطح طراحی یا ظرفیت نهایی انجام شده است [4-9].
با گسترش توان محاسباتی رایانهها، تحلیل در سطوح مختلف بارگذاري موج با استفاده از روشهاي تاریخچه زمانی ممکن شد .
گلافشانی و همکاران روش تحلیل موج افزایشی2 (IWA) را براي ارزیابی عملکرد سازه تحت تحریکهاي مختلف موج معرفی نمودند [10]. این روش مزیتهاي تحلیل دینامیکی افزایشی3 (IDA) که روشی شناخته شده در ارزیابی لرزهاي است را به همراه داشت [11]. براي غلبه بر هزینههاي محاسباتی، آنها پیشنهاد دادند که به جاي مدت زمان 3 ساعت براي شبیهسازي امواج دریا، فقط میتوان بر روي بیشینه ارتفاع امواج تمرکز کرد. اما این روش نمی -تواند به درستی به ماهیت پدیده بارگذاري موج اشاره داشته باشد ،از این رو نویسندگان اذعان داشتند که ممکن است در سایر سکوها جوابهاي متفاوتی حاصل شود. زینالدینی و همکاران، روش تحلیل موج دوام4 (EWA) را که در آن از تئوري موج نو مقید شده5 به عنوان تئوري قابل اطمینان براي شبیهسازي امواج حدي استفاده شده است را معرفی نمودند [12]. در این روش، زمان رکورد به طور چشمگیري کاهش پیدا میکند و یک مدت زمان ثابت براي هر حالت دریایی در نظر گرفته میشود. علاوه بر این ،روند افزایش خطی براي افزایش ارتفاع موج مشخصه6 در نظر گرفته شده است.
با وجود مزیت هاي تحلیل موج دوام، این روش نیازمند اصلاحاتی به مخصوص در انتخاب زمان است. تحلیل موج دوام اصلاح شده ،روشی نوین براي به دست آوردن زمان بهینه تحلیل بر اساس دوره تناوب قله طیف را ارائه می دهد که در آن بازه زمانی قابل قبولی براي رکورد امواج نتیجه می شود. این روش می تواند براي طراحی و ارزیابی سکوهاي فراساحل مورد استفاده قرار گیرد.

(الف)

(ب)

شکل 2 – نمونهاي از (الف) تحلیل موج دوام (ب) موج دوام اصلاح شده و طیفهاي مربوطه

شکل 1 – آزمایش فرضی براي نشان دادن مفهوم روش موج دوام [12]

2- مفاهیم تحلیل موج دوام و موج دوام اصلاح شده در تحلیل موج دوام براي بررسی عملکرد سازهها از توابع قطار موج افزایشی استفاده میشود. مفاهیم پایهاي تحلیل موج دوام را می -توان با یک آزمایش فرضی مطابق شکل 1 توضیح داد. در این آزمایش، سه سازه مختلف با مشخصات دینامیکی نامعلوم در معرض یک تابع قطار موج افزایشی7 (IWTF) قرار میگیرند. در ابتدا، یک بارگذاري تاریخچه زمانی مربوط به ارتفاع موج مشخصه( Hs) دوره تناوب قله طیف( Tp) و مدت زمان مشخص( td) به سازه وارد می -شود. به دلیل این که دامنه تحریک کوچک است، هر سه سکو بعد از این بارگذاري پایدار باقی میمانند. در گامهاي بعدي، ارتفاعهاي موج مشخصه به صورت خطی افزایش پیدا میکند ولی مدت زمان تحریک ثابت باقی میماند. با گذشت زمان، شدت تحریک به نقطه -اي میرسد که یکی از سازهها (سکو 2) از حد سرویس دهی8 خود خارج میشود. با گذشت بیشتر زمان، تحریک شدیدتر شده به طوري که سکو 2 به طور کامل فرومیریزد، سکو 3 آسیب جدي دیده و از سرویس دهی خارج میشود ولی سکو 1 همچنان پایدار است. با توجه به این آزمایش، هرچه زمان دوام بیشتر باشد، سکو عملکرد بهتري دارد. در این روش، هر متغیر پاسخ مهندسی9 را میتوان به عنوان معیار خرابی در نظر گرفت و تحلیل می تواند تا زمانی که سطح تحریک مورد نظر پوشش داده شود، ادامه پیدا کند. یک چالش در تحلیل موج دوام در نظر گرفته شده و تحلیل موج دوام اصلاح شده بر اساس این موضوع صورت گرفته است. در تحلیل موج دوام، مدت زمان رکورد براي تمام سطوح تحریک ثابت در نظر گرفته شده است. در این مورد، اگر این زمان طولانی در نظر گرفته شود، نه تنها هزینه محاسباتی افزایش پیدا می کند بلکه در تناقض با مهمترین مزیت تحلیل موج دوام یعنی کاهش زمان محاسبات خواهد بود. از طرف دیگر، اگر زمان کوتاه در نظر گرفته شود، ممکن است پاسخ بحرانی سازه و یا مانا بودن سطح آب از دست داده شود. در ادامه توضیح داده خواهد شد که در این مطالعه براي هر حالت دریایی، زمان تحلیل متغیر در نظر گرفته شده و بر اساس دوره تناوب قله طیف تعیین می گردد.شکل 2 مقایسه بین تحلیل موج دوام و موج دوام اصلاح شده را نشان میدهد.
همانطور که در قسمت (الف) مشخص است، مدت زمان ثابت درنظر گرفته شده است و ارتفاع موج مشخصه به صورت خطی افزایش پیدا کرده است. همچنین، در تولید رکوردهاي موج دوام، دوره تناوب قله موج براي تمام حالات دریایی ثابت در نظر گرفته شده است. در قسمت (ب)، تغییر در مدت زمان در حالات دریایی ،افزایش ارتفاع موج مشخصه بر اساس داده هاي موج مربوط به محل مورد نظر و تغییر دوره تناوب قله طیف با توجه به ارتفاع موج مشخصه نشان داده شده است. بنابراین، روش تحلیل موج دوام اصلاح شده زمان محاسباتی بهینهتر، کاربرد سادهتر و همچنین انطباق بیشتري با ماهیت امواج دارد.

3– مشخصات رکوردهاي تحلیل موج دوام اصلاح شده
3– 1– مدت زمان تحلیل
استفاده از شبیهسازي زمانی به طور متداول در تخمین پاسخ حدي سازهها مورد استفاده قرار میگیرد. روشهاي مختلفی را میتوان براي تولید رکوردهاي تاریخچه زمانی استفاده کرد که در آنها در نظر گرفتن زمان بهینه به دلیل هزینه محاسباتی بسیار مهم است .
در این راه، گزارش ITTC اهمیت این مورد را بیان میکند و استفاده از تعداد سیکلهاي موج را براي تخمین مدت زمان پیشنهاد میکند [13]. در تحلیل موج دوام، مدت زمان رکوردهاي تولید شده براي تئوري موج تصادفی 100 ثانیه در نظر گرفته شده که نمیتواند به درستی سطح امواج دریا را شبیهسازي کند. به طور معمول ،3 ساعت زمان استاندارد پیشنهاد شده براي رکوردهاي موج تصادفی است ولی این زمان قطعی و غیرقابل تغییر براي مانا بودن رکورد امواج نیست. در واقع آئیننامه بیان میدارد که مدت زمان مانا بودن سطح دریا میتواند از 30 دقیقه تا 10 ساعت تغییر کند [14].
در این مطالعه، ضرایب مختلف دوره تناوب قله طیف که ضریب مدت زمان10 (TDF) نامگذاري شده است مورد تحقیق قرار گرفتهاند تا زمان بهینه در حالات حدي را مشخص نمایند. تئوري موج نو نیز براي تولید رکوردهاي تحلیل موج دوام اصلاح شده مورد استفاده قرار گرفته و با درنظر گیري این روش، ضریب مدت زمان مناسب به دست آمده است.
تئوري موج نو11 یک موج مرتبه اول است که از طیف انرژي موج12 به دست میآید و به عنوان جایگزین براي شبیهسازي تاریخچه زمانی امواج تصادفی معرفی میشود [15]. این روش شامل مجموع موجکهاي خطی جهتدار با یک قله حدي می شود که این قله از مجموع تمامی قلههاي موجکها در یک زمان و مکان خاص به وجود میآید. فرضیات مورد نیاز در تئوري موج نو همان فرضیات استفاده شده در تولید امواج تصادفی در شبیهسازيهاي تاریخچه زمانی است. موج نو، خود حالت خطی محتمل ترین موج حدي است و شکلی شبیه تابع خودهمبستگی13 دارد [16].
معیار پیشنهاد شده براي محاسبه زمان بهینه به صورت زیـر قابـلتعریف است:

min 

max

Maximumamplitudeof thecrestsMinimumamplitudeof thecrests : (1)
t 0 , TDF T p 

همچنین، در شکل 3 کمینه و بیشینه دامنه براي رکـورد مـوج نـودر مدت زمان بررسی نشان داده شده است .شکل 3 نسبت معرفی شده براي ضـریب مـدت زمـانهـاي مختلـف را نشـان مـی دهـد .. بنابراین، بعد از 20 برابر دوره تناوب قله طیف، این نسبت به سمت صفر میل میکند پس این مقـدار میتوانـد مـدت زمـان لازم بـ راي رکوردهاي موج نو باشد.

(الف)

شکل 3 – روش انتخاب TDF براي تئوري موج نو (الف) تعریف متغیرهاي ضریب مدت زمان براي تئوري موج نو و (ب) نسبت کمینه و بیشینه دامنهها براي ضریب مدت زمانهاي مختلف

4- تولید رکوردهاي تحلیل موج دوام اصلاح شده تئوريهاي مختلفی (منظم یا نامنظم) میتواند در تولید رکوردهاي موج دوام اصلاح شده که تابع قطار موج افزایشی اصلاح شده نامگذاري شدهاند استفاده شوند [17]. بر این اساس، m تاریخچه زمانی جداگانه که هر کدام یک طیف انرژي موج با ارتفاع موج مشخصی را نشان میدهند به هم میپیوندند تا یک تاریخچه زمانی را تشکیل دهند. همانطور که بالا اشاره شد، براي kامین سري زمانی، مدت زمان ضریبی از دوره تناوب قله طیف آن خواهد بود و این ضریب بر اساس تئوري موج انتخاب شده تعیین می-گردد. معادله 2 بازه زمانیkام را به دست می دهد.

tk1  ttk
t0  0
tk TDF  (2)
Tp n 1 Tp n 2  … Tp n k1 Tp n k  :
k=1,2,,m

4- 1- مدل موج نو افزایشی اصلاح شده
تئوري موج نو محتمل ترین تراز سطح آب را در اطراف قله با استفاده از تئوريهاي آمار و احتمالاتی محاسبه میکند. با توجه به کوتاهی زمان تحلیل در موج نو، این تئوري بسیار ارزشمند است .
بنابراین این تئوري روشی مناسب براي تخمین پاسخ حدي سازه در بارگذاري موج است .همانطور که قبلا توضیح داده شد ،20 برابر دوره تناوب قله طیف زمان مناسب براي رکوردهاي به دست آمده از تئوري موج نو است. تولید رکورد موج نو افزایشی اصلاح شده به صورت زیر بیان میشود:

1 N
12 n1 S1 n cos(k Xn nt)
659130289607

 2 N
22 n1 S2 n cos(k Xn nt)


MINW ( )t N
k2 Sk  n cos(k Xn nt)
kn1


mN
 2 Sm  n cos(k Xn nt)
m n1 t0  tt1
t1  tt2
tk1  ttk
tm1  ttm
(3)

که ηMIRSE رکورد موج نو افزایشی اصلاح شده ،(Sk(ωn مقدار (Sk(ω در فرکانس ωn براي kامین طیف موج و X مکان را نشان میدهند .α و σ نیز به ترتیب تراز قله14 و واریانس طیف هستند .
در این مقاله تراز قله از یک مطالعه مقایسهاي تعیین شده است .براي مثال، یک نمونه از رکورد تراز دریاي تصادفی افزایشی اصلاح شده در شکل 4 نمایش داده شده است. در جدول 1 ارتفاع موج مشخصه و دوره تناوب هاي مربوط به آن جهت تولید رکوردهاي موج نو افزایشی اصلاح شده ارائه گردیده است.

-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0
50
100
150
200
250
300

آب

سطح
تراز
)
متر
(

زمان
)
ثانیه
(
2
years return period
years return period
5
years return period
10
20
T
p

1
20
T
p

2
20
T
p

3
H
s
3
record
H
s
2
record
H
s
1
record



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید