مطالعه آزمايشگاهي رفتار اتصالات عرشه سكوهاي نفتي در آتش سوزي
12*3 مصطفي زين الديني، سيد احمد حسيني، محمد رضا بهاري

دانشيار گروه مهندسي عمران، دانشگاه صنعتي خواجه نصير طوسي
دانشجوي دكتري مهندسي عمران، دانشگاه صنعتي خواجه نصير طوسي
دانشيار گروه مهندسي عمران، دانشگاه تهران
چكيده اتصالات تير- ستون تاثير قابل توجهي بر رفتار سازهها در دماي معمولي و در دماهاي بالا دارند. بررسيهاي صورت گرفته بر روي آتش سوزي هاي واقعي و همچنين آزمايشهايي كه صورت گرفته اند، مشخص ميكنند كه اتصالات بر زمان دوام اعضاي ساز هاي در آتش نيز تاثير قابل توجهي دارند. ولي با اين وجود به دليل هزينه بالايي كه آزمايشهاي در دماي بالا دارند در مورد طيف گسترد هاي از اتصالات، اطلاعات آزمايشگاهي كافي موجود نيست.
يكي از اين اتصالات، اتصالات تير I شكل به ستون لوله اي در عرشه سكوهاي نفتي م يباشد. به دليل احتمال بالاي خطر آتشسوزي در سكوهاي نفتي، بررسي رفتار اين اتصالات در حرارتهاي بالا از اهميت ويژ هاي برخوردار ميباشد. بنابراين، 11 آزمايش بر روي اين نوع اتصالات انجام شد تا مقاومت به آتش سوزي اين اتصالات ارزيابي شود. مودهاي گسيختگي و الگوي تغيير شكل نمونه ها مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه مود اصلي گسيختگي اتصال، گسيختگي كششي استار پليت بالايي ميباشد.
كلمات كليدي: اتصالات تير به ستون لوله اي، سكوهاي نفتي، رفتار در دماي بالا، نمودار دما-دوران، آتش، مطالعه آزمايشگاهي

Experimental Study of Structural Fire Behavior of Oil Platform Decks Connections

M. Zeinoddini1, S. A. Hosseini2, M. R. bahaari3

1-Associate Prof., Faculty of Civil Eng. KNToosi University of Technology.
2-Phd student, Faculty of Civil Eng. KNToosi University of Technology.
3- Associate Prof., Faculty of Civil Eng. Tehran University.

Abstract
Beam-to-column connections have been found to be of great significance in influencing structural behavior at ambient and elevated temperatures. Observations from full-scale fire tests and damaged structures confirm that connections have a considerable effect on the stability time of structural components in fire. Due to the high cost of elevated temperature tests, adequate experimental data about a broad range of connections is not available. One type of such connections is the connections between I-shape beam and pipe shape columns in oil platform decks. Considering the high probability of fire in oil platforms, study of the behavior of these connections at elevated temperatures is of great importance. Therefore, 11 experimental tests were conducted on this connection type to investigate their fire-resistance capacity. The failure modes and deformation patterns of these specimens were studied. The results showed that the main failure mode of the connection is the tensile failure of top star plate.
Keywords: topside connections, oil platforms, elevated-temperature, experimental study, fire

[email protected] نويسنده مسئول مقاله *
1- مقدمه
قابهاي فولادي از تير و ستونهايي تشكيل شد هاند كه توسط اتصالات به هم متصل شد هاند. عملكرد قاب از رفتار اتصالات تاثير ميپذيرد كه در تحليل كلي سازه بايد در نظر گرفته شود. براي ساد هسازي در طراحي و تحليل قابهاي فولادي و كامپوزيت، فرض ميشود كه اتصالات تير- ستون يا كاملاً مفصلي و يا كاملاً گيردار هستند [1]. گرچه فرض كردن اتصالات به صورت مفصلي و يا گيردار، طراحي و تحليل را به طور قابل ملاحظه اي ساده مي كند ولي در عمل رفتار واقعي اتصال در طيف گسترد هاي بين اين دو حد است. اكثر اتصالاتي كه مفصلي در نظر گرفته شد هاند داراي مقداري سختي دوراني هستند و اتصالاتي كه صلب در نظر گرفته شد هاند نيز مقداري انعطافپذيري نشان مي دهند. طراحان ميتوانند در تحليل از رفتار دقيقتر اتصالات استفاده كنند ولي اكثر طراحان اين كار را انجام نميدهند زيرا روشهاي ساد هسازي شده باعث صرفه جويي در وقت و هزينه ها ميشوند و در ضمن نتايج حاصل به اندازه كافي قابل اعتماد هستند. اگر چه اين روشهاي ساد هسازي شده براي طراحي در دماي معمولي كفايت مي كنند ولي وقتي ساز ههاي فولادي در معرض آتش قرار ميگيرند رفتار اتصالات تاثير بيشتري بر پاسخ كلي سازه ميگذارند و در صورتي كه رفتار اتصال به درستي بررسي نشود نتايج حاصل از اعتبار كافي برخوردار نخواهند بود.
با توجه به اهميت رفتار اتصالات در ساز ههاي فولادي در حين آتش سوزي، تحقيقات متعددي به صورت آزمايشگاهي و عددي بر روي رفتار اتصالات فولادي انجام شده است [2]- [12]. اما روي رفتار اتصالات سكوهاي نفتي در برابر آتشسوزي مطالعات بسيار كمي صورت گرفته است.
ايورت و نهرينگ1 در سال 1976، روشي را براي مقابله با حريق هاي ايجاد شده در سكوهاي عظيم مناطق دورافتاده درياي شمال، ارائه دادند. در اين تحقيق، كه نتايج تجربه چندين ساله كميته بهره برداران از ساز ههاي فراساحلي انگلستان م يباشد، بعد از ارائه پارامترهاي طراحي، پيشنهادهايي براي جايابي كشتي هاي كنترل آتش و حالت هاي اجرايي براي مناطق با فعاليت صنعتي متمركز در درياي شمال ،داده شده است [31].
ايبرگ2 و همكاران در سال 1992، به توسعه روشي براي تحليل خرابي سكوهاي دريايي قرار گرفته در معرض آتش پرداختند. در اين روش كه توافق خوبي با نتايج آزمايش هاي انجام شده روي تير- ستون ها و قابها و همچنين با پيش بيني هاي عددي در ساز ههاي واقع بر خشكي دارد، نشان داده شده است كه ارائه مدل سادهشد هاي از پروفيل دمايي مقطع قابل پذيرش م يباشد و دما در خرابي نهايي، بطور عمده بزرگتر از دما در خرابي اولين عضو مي باشد[14].
در سال 1998، شتي3 و همكاران، يك روش احتمالاتي براي بررسي ايمني در برابر آتش و طراحي بهينه سيستم حفاظت در برابر آتش براي عرشه ساز ههاي دريايي ارائه دادند. تحليل قابليت اعتماد، هم براي خواص مكانيكي و حرارتي فولاد، عايق كاري ساز ههاي روكش دار و ساز ههاي قابي عرشه، كه جز عدم قطعيت ها در بارگذاري آتش و انفجار مي باشند، ارائه شده است. بهينه سازي سيستم حفاظت در برابر آتش به نحوي انجام شده است كه مجموع هزينه هاي مورد انتظار سيستمهاي حفاظتي حداقل شده باشد [51].
اهميت طراحي دقيق اتصالات در طراحي ساز هها با افزايش سطح اهميت سازه مورد نظر افزايش مضاعف م ييابد. بدان معنا كه در سازه هايي كه كاربرد هاي خاص و با اهميت ويژه دارند طراحي دقيق و واقع گرايانه با كمترين فرضيات ساده كننده لازم و ضروري است. لذا با توجه به اين مساله، طراحي دقيق اتصالات در ساز ههايي مانند سكوهاي نفتي كه از نظر سياسي ،اقتصادي و استراتژيك از جايگاه ويژ هاي برخوردارند و علاوه بر اين احتمال بروز آتش سوزي نيز در آنها بسيار بالاست، بسيار مهم و ضروري است .
با توجه به موارد ذكر شده، هدف اصلي در اين تحقيق بررسي رفتار اتصالات تير I شكل به ستون لوله اي در عرشه سكوهاي نفتي م يباشد. در شكل1 نمايي از سكوهاي نفتي نشان داده شده است. اتصالات تير I شكل به ستون لوله اي در اين نما به خوبي مشاهده م يشود.

شكل 1 – نمايي از كاربرد وسيع اتصالات تير I شكل به ستون لوله اي در سكوهاي نفتي [16]

2- سكوهاي نفتي
نفت يكي از مهمترين منابع تامين انرژي در سطح جهان م يباشد و افزايش و يا كاهش استخراج نفت در كشورهاي نفت خيز، تاثيرات اقتصادي و سياسي متعددي را در سطح بين المللي ايجاد م يكند. اين مساله موجب شده كه استخراج نفت از ميادين نفتي يكي از مسائل مهم كشورهاي نفتخيز باشد. با توجه به وجود ميادين نفتي متعدد در اعماق درياها، ساخت و استفاده از سكوهاي نفتي همواره مورد توجه بوده است .
با توجه به كاربرد فراوان سكوهاي نفتي فلزي و وجود منابع سوختي دائمي در آنها، خطر آتشسوزي يكي از مهمترين خطراتي است كه سكوهاي فلزي نفتي را تهديد م ينمايد. علاوه بر آتشسوزي هايي كه بر اساس بروز حوادث در حين كار در اين سازهها بروز م ينمايد به دليل اهميت بالاي اين ساز هها از نظر استراتژيك و نظامي در حين بروز جنگ ها نيز، سكوهاي نفتي جزو مهمترين اهداف نظامي م يباشند، كه در بسياري موارد مورد هدف تسليحات نظامي قرار گرفته و علاوه بر بروز انفجار، دچار آتش سوزي نيز م يشوند. انفجار و آتش سوزي سكوهاي نفتي در جنگ بين ايران و عراق از جمله شواهد اين مساله م يباشد[16].
آمار ارائه شده در مجموعه ” بانك اطلاعاتي سوانح دريايي در سراسر جهان4″نيز نشان م يدهد كه هر ساله وقوع آتشسوزي يكي از عواملي است كه بيشترين خرابي را در سكوهاي فلزي نفتي ايجاد م يكند[17]. در شكل 2 نمايي از وقوع آتشسوزي در سكوهاي دريايي را نشان م يدهد.

شكل 2 – نمونه هايي از آتشسوزي در سكوهاي نفتي [17]

اگرچه با توجه به اهميت بالاي سكوهاي نفتي، اين ساز هها به طور معمول در مناطق بحراني با استفاده از پوشش هاي ضدحريق محافظت م يشوند اما بايستي به اين نكته توجه نمود كه با توجه به هزينه بالاي پوشش هاي ضدحريق، امكان استفاده از آنها در تمامي بخش هاي سازه يا ميسر نيست و يا هزينه بالايي را موجب م يشود؛ در حاليكه در صورتي كه طراحي ضد آتش براي سازه مورد نظر انجام شده باشد م يتوان هزينه استفاده از پوشش ها را تا 03 در صد كاهش داد [81].
سكوهاي نفتي از 3 قسمت اصلي شمع، جاكت و عرشه تشكيل شد هاند. در اين تحقيق رفتار اتصال تير I شكل به ستون لوله اي به كار رفته در عرشه سكوهاي نفتي در برابر آتشسوزي به صورت آزمايشگاهي مطالعه شده است.

3- مطالعات تجربي
3 -1- چيدمان و ابزار آزمايش
آزمايشات در داخل يك كوره گازي كه به منظور انجام آزمايشات اتصال طراحي شده بود انجام گرديد. شكل 3 چيدمان تست هاي آزمايشگاهي را نشان م يدهد.
از انجاييكه در اين تحقيق هدف بررسي رفتار اتصالات تحت شرايط كوره استاندارد بوده لذا دماي كوره متناسب با منحني هاي ايزو834 5 و اي اس ت يام-اي-119 6 [19]،[20] افزايش يافته است.
ابزار آزمايش شامل شيبسنج براي اندازهگيري دوران ،ترانسديوسرهاي تغيير مكان و سلول هاي بار و ترموكوپل بوده است. هم ابزارهاي آنالوگ و هم ابزارهاي ديجيتال توسط يك ديتالاگر مدل ت يدي اس- 303 7 و ساخت كمپاني ت يا مال 8 ژاپن مونيتور شد هاند .توضيح كامل در مورد ابزارهاي استفاده شده در آزمايش ها، قبلا منتشر شده است [21].
رويه آزمايش شامل سه مرحله است. در ابتدا نمونه ها تا رسيدن به تراز بار از پيش تعيين شده بارگذاري شد هاند. سپس كوره روشن شده در حاليكه بار ثابتي بر روي نمونه ها اعمال شده است و در نهايت وقتي كه گسيختگي در اتصال رخ داد ،كوره خاموش م يشود. در طول هر آزمايش در دماهاي مختلف عكسبرداري انجام شده است.
تير و ستون كه در داخـل كـوره قـرار گرفتـه اسـت بـاروكــش فيبرســراميك بــه ضــخام ت cm 5/2پوشــانده شده اند. تنها ناحيه اتصـال در معـرض آتـ ش قـرار دادهشده است.
در شكل 4 نمايي از يكي از نمونه ها در داخل كوره در حين آزمايش نشان داده شده است. در اين تصوير فيبرهاي سراميكي در بالا و پايين محدوده چشمه اتصال روي ستون به خوبي مشاهده م يشوند. همانطور

شكل 3 – چيدمان آزمايش (نماي روبرو)

كه ذكر شد با استفاده از اين فيبرها سعي شده تا صرفا محل چشمه اتصال حرارت داده شود و ساير نقاط مستقيما گرم نشوند.

شكل 4 – نمايي از يكي از نمونه ها در حين حرارت دهي
(نماي روبرو)

3 2– جزييات نمونه ها
تمام موارد نمونه هاي آزمايشگاهي، شامل يك ستون تكي به ارتفاع 08 سانتيمتر از نوع لوله به قطر mm 1/219 و ضخامت mm 7/12 و يك تير
آي پ ياي 220 9 بطول 57 سانتيمتر بودند. بار نيز در فاصله 07 سانتيمتري از ابتداي تير اعمال شده است.
جزييات دقيق اتصال تير I شكل به ستون لولهاي در نمونه هاي آزمايشگاهي در شكل 5 ارائه شده است .
به منظور جلوگيري از پيچش احتمالي تير در طي انجام آزمايش، در طول تير مهارهاي جانبي تعبيه شده بود؛ اين مهارها با توجه به ماكزيمم ظرفيت پيچشي تير طراحي شده بودند. در شكل 3 نوع مهار هاي استفاده شده و جهت قرار گيري آنها نشان داده شده است.
در مجموع 11 آزمايش بر روي اتصالات فوق انجام شده است. در جدول 1 مشخصات اتصال در هر آزمايش ارائه شده است. تصوير جامعي از تعدادي از نمونه ها بعد از آزمايش در شكل 6 نشان داده شده است. با توجه به حساسيت و اهميت بالاي آزمايشات حرارتي نمونه هاي S1,S3,S5 هر كدام دو بار آزمايش شد هاند تا صحت و دقت نتايج حاصل از آزمايشات كاملا روشن شود. نتايج حاصل از دو بار آزمايش انجام شده بر اين نمونه ها با اختلاف كمتر از 7%، نزديك به هم بودند .

جدول 1- مشخصات اتصالات به كار رفته در هر آزمايش
ضخامت ورق جان ضخامت استار پليت
(mm) (mm) شماره نمونه شماره آزمايش
12 6 S1 1
12 6 S2 2
12 6 S3 3
12 6 S4 4
12 6 S5 5
15 6 S6 6
12 8 S7 7
12 6 S8 8
12 6 S9 9
12 6 S10 10
12 6 S11 11

شكل 5- جزييات نمونه هاي آزمايشگاهي

شكل 6- تصوير جامعي از تعدادي از نمونهها بعد از آزمايش

3 3– بارگذاري نمونه ها
با توجه به اينكه نيـروي وارده بـر اتصـالات در ايـنآزمايشات تركيبـي از ممـان ناشـي از بـار وارده توسـطجك هـا و نيروهـاي حرارتـي ناشـي از افـزايش درجـهحرارت ميباشـد در نتيجـه مسـلما هرچـه ممـان واردهبيش تر باش د اتص الات در درج ه ح رارت پ ايينت ري گسيخته مي شوند. با توجه به اين موضوع و از انجـا كـههــدف از ايــن تحقيــق بررســي رفتــار اتصــالات درحرارت هاي بالا مي باشد سعي شـده تـا ممـان وارده بـهنحــوي انتخــاب شــود كــه گســيختگي زودهنگــام دراتصالات رخ نداده و اتصال توانايي تحمل درجه حـرارتبالاتري را داشته باشد تـا بـدين وسـيله امكـان بررسـيرفتار اتصال در حرارت هاي بـالا ميسـر شـود. لـذا ابتـداميزان ظرفيـت دورانـي هـر اتصـال بـه صـورت تئـوريمحاسبه شد و سپس ممان وارده به صـورت ضـريبي ازاين ظرفيت دورانـي بـه هـر نمونـه اعمـال شـد. نحـوهبارگذاري نمونه ها و ظرفيت دوراني اتصـالات در جـدول2 ارايه شده است.

3 4- – نحوه جوشكاري اتصالات و خصوصيات مصالح
جوش ها از جمله مهمترين بخشهاي يك اتصال جوشي مي باشند. استفاده از الكترود مناسب، سيستم جوشكاري مناسب و نحوه صحيح جوشكاري در اتصالات به كار رفته در سكوهاي دريايي كه سازههايي با اهميت بالا تلقي ميشوند، از جايگاه ويژهاي برخوردار م يباشد.
با توجه به اهميت اين مساله در كليه آزمايشات جوشكاري به روش جوش قوس الكتريكي با الكترود روكش دار10 انجام شده است، چرا كه اين روش يكي از مهمترين و سادهترين روشهاي جوشكاري براي فولاد هاي ساختماني است [1].

جدول2- تراز بار وارده بر اتصالات آزمايش شده
سطح لنگربار بكار رفته بار ثبت شده

(kN.m) (kN.m) شماره
آزمايش
44/78 44/8 0.4 Mcc 1
44/85 44/8 0.4 Mcc 2
33/65 33/6 0.3 Mcc 3
22/42 22/4 0.2 Mcc 4
11/28 11/2 0.1 Mcc 5
33/66 33/6 0.3 Mcc 6
33/64 33/6 0.3 Mcc 7
33/55 33/6 0.3 Mcc 8
33/55 33/6 0.3 Mcc 9
33/64 33/6 0.3 Mcc 10
11/24 11/2 0.1 Mcc 11

Mcc ظرفيت پلاستيك اتصال م يباشد

الكترود مورد استفاده براي اين آزمايشات الكترودE7018 بود كه در فرايند جوشكاري به روش SMAW استفاده ميشود و نسبت به الكترودهاي معمول، رفتار شكلپذير تري را ارايه ميدهد .
با توجه به ويژگي ها و كاربردهاي خاص اين نوع اتصالات، از دو نوع جوش گوشه و شياري با نفوذ كامل در ساخت نمونه ها استفاده شده است. محل جوش كاري ها در شكل 5 به خوبي مشخص شده است .
با توجه به اهميت عملكرد جوش ها در رفتار اتصالات ،جوش ها به طور كامل بر اساس مشخصات ارائه شده در در پروسه جوشكاري11[22] مربوطه و توسط جوشكارهاي حرفهاي انجام شدهاند. در نهايت بعد از اتمام ساخت نمونهها به منظور اطمينان از صحت جوشكاري هاي انجام شده، بازرسي و كنترل كامل جوش ها نيز به كمك تست غير مخرب ( با استفاده از اولتراسونيك) بر روي جوشكاري نمونه ها انجام شده است .
براي تمامي نمونه ها ،خصوصيات مصالح در دماي معمولي با استفاده از آزمايشهاي كوپن كششي استاندارد اندازهگيري شده و ابعاد، سطح مقطع و… قبل از انجام آزمايش در كوره، يادداشت شده اند .نتايج گزارش تست ميل براي اين نوع فولاد در جدول 3 آمده است.
جدول3- مشخصات مصالح
مدول
تنش تسليم تنش نهايي
22ارتجاعي CVN (J)
(N/mm ) (N/mm )
(N/mm2) مصالح
-2/05*105 490 355 تير، ستون و
ورق ها
1852/05*105 555 485/5 مصالح جوش

3 5– توزيع دما
براي تمامي نمونه ها 7 ترموكوپل بـر روي اتصـالات نصب شده بـود تـا تغييـرات دمـا در طـول آزمـايش رااندازه گيري نمايند.
بررسي مقادير دمايي ارائه شده توسط ترموكوپـل هـايمختلف نصب شده بر روي اتصالات نشان م يدهد كه در توزيع حرارت در اطراف اتصال اختلافاتي وجود دارد اما تفاوت دماها در اطراف اتصالات خيلي بزرگ نيست .
از آنجا كه استفاده از توزيع حرارت غير يكنواخت درطول اتصال در تحليلها با دشواريهاي زيادي همراه است، در تحليل فرض شده كه اتصالات به طور يكنواخت گرم شدهاند كه براي اين كار از متوسط دمايي كه توسط ترموكوپلها ثبت شده استفاده شده است كه در شكل 7 نشان داده شده است.

شكل 7 – متوسط دماي هر نمونه

3 6- – اندازه گيري دوران اتصال
شيب سنج و ترانسديوسر تغييرمكان براي اندازه گيري دوران اتصال تير به ستون استفاده شده است. ترانسديوسرهاي تغيير مكان براي اندازهگيري خيز عمودي در نقاط مختلف تير به كار برده شده اند. با اين وجود ميتوان از آنها به طرز غير مستقيم براي اندازه گيري دوران اتصال استفاده كرد. دوران اتصال φ را براساس مقدار قرائت شده از ترانسديوسرها ميتوان از معادلة زير بدست آورد [10]:

φ = tan−1 (u/L) (1)

كه در معادله بالا u خيز نقطه مورد نظر از تير و L فاصله بين مركز اتصال و نقطه اندازه گيري خيز بر روي تير است.
در آزمايشات بين اعداد ثبت شده توسط شيبسنج ها و مقادير محاسبه شده از ترانسديوسرها، اختلاف ناچيزي وجود داشت. با توجه به اين موضوع، دوران هاي محاسبه شده براساس ترانسديوسرها در مواقعي كه شيب سنج ها در برخي آزمايشات دچار مشكل شده اند مورد استفاده قرار گرفته اند.

پاسخ دما – دوران اتصالات
امكان استخراج منحنيهاي دما- دوران اتصالاتتير به ستون نمونهها در درجه حرارتهاي بالا با استفاده از دادههاي اندازهگيري شده، وجود دارد. منحنيهاي دما– دوران اتصالات، در شكل 8 مشخص شده است.
ملاحظه مي شود كه منحنيهاي دما – دوران اتصالات به سه ناحيه قابل تقسيم است. در ابتدا تا قبل از وقوع جاري شدن يك يا چند المان اتصال، رابطه تقريباً خطي است. سپس رابطه به حالت منحني شكل در م يآيد كه بيانگر جاري شدن اتصال است. در نهايت نيز وقتي به گسيختگي اتصال نزديك ميشويم نرخ دوران به سرعت افزايش پيدا ميكند كه باعث ايجاد ناحيهاي نسبتاً مسطح در پاسخ اتصال ميشود.

شكل 8 – منحني دما – دوران نمونه ها

تحليل نتايج
11 آزمايش بر روي اتصالات تير I شكل به ستون لوله اي صورت گرفته است و نتايج به صورت خانوادهاي از منحنيهاي دوران – دما براي اين اتصالات استخراج گرديده است. اين نتايج علاوه بر آنكه رفتار اين دسته از اتصالات را در حرارت هاي بالا مشخص م يكند م يتواند معيار مناسبي جهت مدلهاي قدرتمند عددي در زمينه رفتار سنجي اين نوع اتصالات باشد. همانطور كه در ابتدا اشاره شد در اين بررسي، چينش آزمايشات به گونه اي انجام شده كه بتوان تاثير يا عدم تاثير برخي از پارامتر هاي موثر بر رفتار اتصالات را در حرارت هاي بالا بررسي كرد. به منظور روشن شدن نحوه ارتباط اين آزمايشات ،در جدول 4 نحوه ارتباط آزمايشات جهت بررسي اثر هر پارامتر ارايه شده است. البته لازم به ذكر است كه نتايج حاصله در طيف محدود اين تحقيق حاصل شده و نيازبه بررسيهاي بيشتري دارد.

جدول4- نحوه ارتباط آزمايشهاي مختلف
ارتباط بين آزمايش ها شماره آزمايش
تاثير ميزان لنگر روي رفتار اتصال 4،5،1،3
تاثير تقويت اتصال 3،6،7
تاثير استفاده از عايق 3،8،9
تكرار آزمايش 1،2
تكرار آزمايش 3،10
تكرار آزمايش 5،11

5-1- بررسي اثر ميزان ممان وارد شده بر اتصال
يك اتصال مشخص در يك سازه با قرارگيري در موقعيت هاي مختلف و در شرايط متفاوت، تحت تاثير لنگرهاي مختلفي قرار م يگيرد. به عنوان مثال، در يك سكوي نفتي بار مرده وارده در شرايط مختلف كاري (به دليل تجهيزات مختلف) ممكن است متغير باشد و در نتيجه، لنگرهاي متفاوتي در زمان هاي مختلف بر اتصال وارد م يشود. با توجه به اين مهم در اين تحقيق تاثير ميزان ممان وارد شده بر اتصالات مورد بررسي قرار گرفته است. همانطور كه در جدول 5 نيز ذكر شده است تنها تفاوت بين نمونه هاي S1, S3, S4, S5 در ميزان ممان وارده بر اتصال مي باشد. به نمونه S1، بالاترين ميزان لنگر و به نمونه S5، پايين ترين ميزان لنگر وارد شده است. در شكل 9 نمودار دما – دوران اين نمونه ها ارائه شده است .

شكل 9 – تاثير كاهش ممان وارده بر نمودار دما-دوران

همانطور كه از نتايج اين نمونه ها مشخص است با افزايش ممان وارده، اتصال دماي بالاتري را تحملم يكند. در مورد علت اين مساله اينطور م يتواناستدلال كرد كه در شرايط موجود در اين آزمايشات ،اتصال تحت تركيب ممان وارده توسط نيروي حاصل از جك ها و نيروهاي حرارتي ناشي از افزايش دما مي باشد و مسلما با كاهش ممان وارده، اتصال توانايي تحمل حرارت هاي بالاتري را بدست م يآورد.

52- – اثر تقويت اتصال
همانطور كه در جدول 4 نيز اشاره شده است اثر تقويت اتصال بر رفتار دوراني اتصالات تير I شكل به ستون لوله اي با مقايسه نتيجه حاصل از آزمايش نمونه S3 با نمونه هاي S6 و S7 قابل بررسي است .
همانطور كه در جدول 1 نيز قابل مشاهده است تنها تفاوت نمونه S3 با دو نمونه ديگر در آن است كه در نمونه S6 استار پليت در محدوده چشمه اتصال تقويت شده و در نمونه S7 ورق جان در محدوده چشمه اتصال تقويت شده است. در شكل 01 نمودار دوران – دما براي اين سه نمونه ارائه شده است .

شكل 10- تاثير تقويت اتصال بر نمودار دما-دوران

همان طور كه از نتايج حاصل نيز به خوبي مشاهده م يشود تقويت چشمه اتصال موجب افزايش ظرفيت حرارتي اتصال شده و اتصال ترازهاي دمايي بالاتري را نيز تحمل مي نمايد. دليل اين مساله آن است كه سختي و مقاومت يك اتصال به صورت مستقيم وابسته به ميزان سختي و مقاومت اعضاي آن اتصال ميباشد و سختي و مقاومت اعضاي اتصال وابسته به ميزان مدول الاستيسيته و مقاومت فولاد به كار رفته در آنها دارد. با افزايش ضخامت ورق جان در محدوده اتصال و يا ورقبال در محدوده اتصال، سختي اين اعضا و در پي آن سختي اتصال افزايش مييابد. با افزايش درجه حرارت ،مدول الاستيسيته و مقاومت فولاد بر طبق جدول 5 دچار زوال ميشود و ليكن اتصالي كه سختي بالاتري دارد در دماي بالاتري دچار زوال كامل سختي و مقاومت مي شود و نتيجتا نسبت به همان اتصال با ورق هاي نازك تر حرارت هاي بالاتري را تحمل مي كند.
همانطور كه مشاهده مي شود تاثير افزايش ضخامت استارپليت، اندكي بيشتر از تاثير افزايش ضخامت ورق جان ميباشد. اين رويداد به اين علت ميباشد كه گسيختگي نهايي اتصال در استار پليت ميباشد .
بنابراين افزايش اين موضع، گسيختگي را به تاخير انداخته و موثرتر از افزايش ضخامت ورق جان ميباشد.

جدول5- ضرايب كاهش منحني هاي تنش- كرنش مصالح فولادي در دماي بالا [32]
ضريب كاهش تنش تسليم fy ضريب كاهش مدول ارتجاعي Es دماي فولاد
1 1 20
1 1 100
1 0/9 200
1 0/8 300
1 0/7 400
0/78 0/6 500
0/47 0/31 600
0/23 0/13 700
0/11 0/09 800
0/06 0/0675 900
0/04 0/045 1000
0/02 0/0225 1100
0 0 1200

5-3- اثر استفاده از عايق
يكي از موارد متداول در مقاومسازي اعضاي فولادي در برابر آتش، استفاده از عايقها مي باشد. استفاده از عايق ها بالاخص در سازه هاي با درجه اهميت بالا مانند سكوهاي نفتي، بسيار متداول مي باشد (شكل1). اگرچه پر واضح است كه استفاده از عايق ميزان حرارت موثري را كه بر اتصال وارد ميشود كاهش داده و نتيجتا اتصال م يتواند ترازهاي حرارتي بالاتري را تحمل نمايد؛ اما باتوجه به قيمت بالاي پوشش هاي حرارتي و همچنيندشواري هاي خاصي كه در استفاده از آنها وجود دارد استفاده بهينه و حداقلي از عايق ها بسيار حائز اهميت م يباشد.
با توجه به اين مساله در اين تحقيق نمونههاي S8 و S9 به منظور بررسي چينش عايق و همچنين ميزان تاثير عايق انتخاب شد هاند. اين دو نمونه كاملا مشابه نمونه S3 هستند با اين تفاوت كه در نمونه S8 ورق جان در محدوده چشمه اتصال عايق شده است و در نمونه S9، استار پليت در محدوده چشمه اتصال عايق شده است. در شكل 11 نمودار دوران – دما براي اين سه نمونه ارائه شده است.

شكل 11 – تاثير استفاده از عايق بر نمودار دما-دوران نمونه ها

نتايج ارائه شده در نمودارهاي شكل 11 نشان م يدهند همانطوركه انتظار م يرفت استفاده از عايق ها باعث م يشود كه ظرفيت حرارتي اتصال افزايش يابد.
مقايسه نتايج ارائه شده در بخش 5-2 و 3-5 نشان م يدهد كه اگرچه هر دو روش مقاوم سازي اتصال با استفاده از افزايش ضخامت اعضا و همچنين استفاده از عايق باعث افزايش حرارت شده است وليكن در اين سري آزمايشات افزايش ضخامت اعضا موثرتر بوده است. در مورد علت اين مساله ،م يتوان اينطور نتيجه گيري نمود كه احتمالا به دليل آنكه عايق صرفا در بخش كوچكي از محدوده چشمه اتصال استفاده شده است (مثلا استار پليت) موجب شده كه آن بخش نسبت به ساير بخش هاي چشمه اتصال اختلاف گرمايي بسيار زيادي داشته باشد. وجود اين مساله باعث شده كه نسبت دوران و تغيير شكلهاي رخ دادهدر اين بخش نسبت به بخش هاي مجاور در محدوده چشمه اتصال بسيار كمتر شده و پيوستگي بين اعضاي چشمه اتصال و رفتار اندركنشي بين آنها از بين رود و كليه تغيير مكانها و دورانها به ساير بخشهاي چشمه منتقل شده و موجب شود آن بخشها زودتر دچار گسيختگي شوند. در حاليكه در حالتي كه عايق وجود نداشته باشد ،دوران ها و تغيير شكل ها همزمان با افزايش حرارت ايجاد شده و بين بخش هاي مختلف اتصال توزيع شده و هر يك سهم مشخصي در پذيرش آنها دارند. با توجه به اين نتيجهگيري، به نظر م يرسد در صورت تمايل به استفاده از عايق، بايستي كه كل محدوده چشمه اتصال عايق شود تا اعضا چشمه اتصال ه مزمان درجه حرارت يكساني داشته و امكان عملكرد يكپارچه و اندركنشي بين آنها فراهم شده و هر يك سهم مشخصي از تغييرشكل ها و اثرات حرارتي داشته باشند. مقايسه بين نتايج مقاوم كردن و عايق كردن اتصال در شكل 21 نشان داده شده است.

شكل 12- مقايسه بين نتايج مقاوم كردن و عايق كردن اتصال

45- – مد گسيختگي اتصالات
يكي از موارد مهم در بررسي رفتار اتصالات ،شناخت و بررسي نحوه گسيختگي اين نوع از اتصالات م يباشد؛ چرا كه در يك طراحي مناسب، يك طراح بايستي با شناخت دقيق نحوه گسيختگي هر يك از اعضاي سازه به نحوي عمل نمايد كه از گسيختگي هاي ترد و غير منتظره در سازه اجتناب نموده و مد گسيختگي را در بخش هايي از سازه كه گسيختگي
انعطاف پذير و مناسبي دارند ايجاد نمايد. بررسي نتايج حاصله در اين مجموعه نشان م يدهد كه اگرچه ورق
جان در محدوده چشمه اتصال تا حدي جاري م يشودوليكن جاري شدن كامل استار پليت بالا و پايين و درنهايت گسيختگي جوش اتصال دهنده استارپليت به تير موجب گسيختگي اتصالات م يشود. در شكل 31 نحوه گسيختگي اتصالات نشان داده شده است .

شكل 31- نحوه گسيختگي اتصالات

6- نتيجه گيري
با توجه به نقش مهم نفت در عرصه هاي سياسي و اقتصادي و همچنين اهميت سكوهاي نفتي در استخراج نفت، حفظ و افزايش عمر مفيد اين ساز هها از اهميت به سزايي برخوردار است. با توجه به اين مساله از يك سو و احتمال بالاي وقوع آتشسوزي از سوي ديگر، در اين تحقيق رفتار اتصالات تير I شكل به ستون لوله اي به عنوان يكي از انواع رايج اتصالات به كار رفته در اين ساز هها در برابر آتش مطالعه شده است. به منظور انجام اين تحقيق 11 آزمايش مختلف بر روي اين نوع اتصالات انجام شده است .
از نتايج تجربي، خانواد هاي از منحني دوران– دما براي اين اتصالات استخراج گرديد انتظار م يرود كه اين نتايج براي ساير تحقيقات در مورد رفتار اتصالات در آتش نيز مفيد باشد؛ بالاخص از نتايج اين آزمايشات براي ايجاد مدل هاي عددي متناسب براي اين نوع اتصالات م يتوان سود برد. زيرا چنين داد ههايي به دليل كمبود داد ههاي تجربي در اين زمينه در دسترس
نيستند. تاثير يا عدم تاثير پارامتر هاي متعددي بر رفتار اين دو دسته از اتصالات بررسي شده كه با توجه به نتايج حاصله م يتوان گفت استفاده از عايق هاي حرارتي، افزايش ضخامت اعضاي اتصال ( استار پليت ،استيفنر و … )، كاهش ممان وارده بر اتصالات از جمله مواردي هستند كه به كمك آنها م يتوان مقاومت اتصال را در برابر حرارت افزايش داد.
در بحث افزايش مقاومت اعضاي اتصال بايد توجه نمود كه در صورت وجود محدوديت، موثرترين گزينه ،افزايش ضخامت استار پليت م يباشد؛ چرا كه مد اصلي گسيختگي اين اتصالات جاري شدن و گسيختگي استار پليت از محل جوش آن م يباشد كه با افزايش ضخامت استار پليت و پيرو آن افزايش عمق جوش شياري، آن مد گسيختگي به تعويق افتاده و ظرفيت افزايش م ييابد.
وليكن اين نكته قابل توجه است كه همانطور كه نتايج اين آزمايشات نيز نشان م يدهد در صورت استفاده از فولاد معمولي ساختماني امكان آنكه اتصال دمايي بالاتر از 750 درجه سانتيگراد را تحمل كند وجود ندارد و در اين دما سختي اتصال به صفر م يرسد.
علاوه بر اين، نتايج حاصل از اين بررسي نشان م يدهد بدون ترديد جوش ها يكي از مهمترين اجزاي يك اتصال جوشي در حرارت هاي بالا مي باشند و عدم عملكرد مناسب آنها به طور جدي مانع عملكرد ساير اجزا و استفاده مناسب از ظرفيتهاي آن اتصال م يشود.
لذا انجام تستهاي غير مخرب و بازرسيهاي متعدد در اتصالات جوشي به كار رفته در سكوهاي نفتي به شدت توصيه م يشود. با توجه به نمودار دما- دوران ارايه شده ،تمامي منحني تا وقتي كه به يك دماي خاص نرسيد هاند رفتار الاستيك دارند و بعد از اين دما، آنها تا پايان آزمايش از يك منحني تغييرشكل پلاستيك پيروي مي كنند. شروع رفتار پلاستيك نمونه ها در دمايي بين 500 تا 650 درجه سانتيگراد م يباشد .

7- كليد واژگان
1-Evertt and Nehring
2-Eberg
3-Shettty
4-Worldwide offshore accident data bank
5-ISO 834
6-ASTM-E-119
7-TDS- 303
11
8-TML
9-IPE220
10-SMAW (Shielded Metal Arc Welding)
11-Wps
8- مراجع
1-Jones, SW., Kirby, PA. and Nethercot, DA., (1981), The analysis of frames with semi-rigid joints: A state-of-the-art report, Department of Civil and Structural
Engineering, University of Sheffield. 2-Liu, TCH., (1999), Moment–rotation– temperature characteristics of steel/ composite connections, Journal of Structural Engineering, Vol. 125(10), p. 1188–97.
3-Mao, C.J., Chiou, Y.J., Hsiao, P.A. and Ho, M.C., (2009), Fire response of steel semi-rigid beam column moment connections, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 65, p. 1290-1303.
4-Rahman, R., Hawileh, R. and Mahamid, M., (2004), The effect of fire loading on a steel frame and connection, In: Brebbia CA, de Wilde WP, editors. High-performance structures and materials II. WIT Press, p. 307-16.
5-Saedi Daryan, A. and Yahyai, M., (2009), Behavior of bolted top-seat angle connections in fire, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 65, p. 531-54.
6-Saedi Daryan, A. and Yahyai, M., (2009), Modeling of bolted angle connections in fire, Fire Safety Journal, Vol. 44, p. 976988.
7-Saedi Daryan, A. and Bahrampoor, H., (2009), The study of behavior of Khorjini connections in fire, Fire Safety Journal, Vol. 44, p. 659-664.
8-Saedi Daryan, A. and Yahyai, M., (2009), Behavior of welded top-seat angle connections exposed to fire, Fire Safety Journal,Vol. 44. p. 603-611.
9-Saedi Daryan, A., (2011), Building fire simulation and progressive collapse analysis, PhD thesis, Tehran (Iran), K.N. Toosi University.
10-El-Housseiny, OM., Abdel Salam, S.,
Attia, G.A.M. and Saad, AM., (1998), Behavior of extended end plate connections at high temperature, Journal of Construction Steel Research, Vol. 46(1-3), p. 299.
11-da Silva, LS. and Coelho, AMG., (2001), An analytical evaluation of the response of steel joints under bending and axial force, Journal of Computers & Structures, Vol. 79, p. 873-81.
12-Wald, F., Simo˜ nes da Silva, L., Moore, DB., Lennon, T., Chaldna, M. and Santiago, M., (2006), Experimental behavior of a steel structure under natural fire, Fire Safety Journal, Vol. 41, p. 509-22.
13-Everett, E.G. and Nehring, G., (1976), An approach to fire control in offshore operations in the North Sea, Eighth Annual
Offshore Technology Conference Proceedings, Published by: Offshore Technology Conference, Dallas, TX (USA), Vol. 2, p. 405-416.
14-Eberg, E., Amdahl, J., Homlas, H. and Hekkelstrand, B., (1992), Integrated analysis of offshore structures subjected to fire, Conf. on Structural Design against Accidental Loads – London, UK.
15-Shetty, N.K., Soares, C., Thoft- Christensen, P. and Jensen, F.M., (1998), Fire safety assessment and optimal design of passive fire protection for offshore structures, Reliability Engineering & System Safety, Vol. 61 (1-2), p. 139-149. 16-Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), (2010), Tehran, Iran, www.ripi.ir.
17-WOAD, Worldwide Offshore Accident Databank, Det Norske Veritas, Oslo, published biannually.
18-2-Lennon, T., (1996), Personal correspondence, Watford, UK: Building Research Establishment Ltd (BRE). 19-ISO 834, (2002), Fire resistance testselements of building construction.
20-ASTM- E 119- 05a, (2003), Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials.
21-Hosseini, S.A., (2012), Fire effects on behaviour of welded steel I-beam to circular tubular chord connections in oil platform decks, PhD thesis. Tehran (Iran): K.N. Toosi University, (In Persian).
22-AWS Catalogs, (2005), American
Welding Society.
23-European Committee for Standardisation (CEN), Eurocode 3, (2003), Design of steel structures, Part 1.2: General rules structural fire design, prEN-1993-1-2.



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید