0-92834

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(95 -108)
بررسی پاسخ مونوپایلها تحت بارگذاري جانبی بوسیله مدلسازي سانتریفوژ
حمیدرضا خدایی1*، مجید مرادي2، عباس قلندرزاده3

دانشجوي کارشناسی ارشد، گروه سازههاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران، پردیس دانشکدههاي فنی، دانشگاه تهران؛ [email protected]
استادیار، گروه سازههاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران، پردیس دانشکدههاي فنی، دانشگاه تهران؛ [email protected]
دانشیار، گروه سازههاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران، پردیس دانشکدههاي فنی، دانشگاه تهران؛ [email protected]
اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

یکی از متداولترین روشهاي تحلیل و طراحی مونوپایلها تحت بار جانبی، روش منحنیهاي p-y یا به طور کلی استفاده از منحنیهاي نیرو- تغییر مکان در نقاط مختلف سازه است. به همین منظور و براي بررسی رفتاري و اندرکنش بین خاك و مونوپایل تحت بار جانبی در این تحقیق به مدلسازي این پدیده به تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 25/09/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 02/12/1394

صورت فیزیکی و با استفاده از دستگاه سانتریفوژ ژئوتکنیکی دانشگاه تهران و در فضاي Ng پرداخته شد .در تحقیق حاضر با در نظر گرفتن دو پارامتر عمق نفوذ شمع در خاك( L) و همچنین طول آزاد( e) در سر شمع و تغییر در مقادیر و نسبتهاي این دو پارامتر ،5 آزمایش مدلسازي شد. با ترسیم منحنیهايp-y موجود در API و مقایسه آنها با منحنیهاي حاصل از آزمایشها به بیان تفاوتها و اصلاح آنهامیپردازیم.

کلمات کلیدي:
مونوپایل
بارگذاري جانبی مدلسازي سانتریفوژ منحنی p-y

Response of Monopiles Under Lateral Loading By Centrifuge Modeling

Hamid Reza Khodaei1*, Majid moradi2, Abbas Ghalandarzadeh3

Msc. Student, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; [email protected]
Assistant Professor, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; [email protected]
Associate Professor, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 16 Nov. 2014
Accepted: 21 Feb. 2016
One of the most common methods to analyze and design monopiles under lateral load is load-displacement curves, particularly the p-y curves, at different locations of the structure. Thus, in order to investigate the soil-monopile behavior and interaction

Keywords:
Monopile
Lateral Load
Centrifuge Modeling p-y Curve

20726401167753

under lateral load is physically modeled and tested by utilizing the Geotechnical Centrifuge of Tehran University in the Ng space. In this study, five modeling tests are designed by considering the following two parameters with changes in their values and ratios: the penetration depth of the pile in soil (L) and the free length of the pile (e). The existing p-y curves in API are extracted and compared to experimental curves to observe differences and make the necessary modifications.
1 – مقدمه
مونوپایلها معمولاً براي مقاومت در برابر نیروهاي قائم و جـانب ی بـهکار گرفته میشوند. در بسیاري از مـوارد نیروهـا ي جـانب ی وارد بـهمونوپایل از نیروهاي قائم وارد بر آن بیشتر اسـت و مـلاك طراحـی قرار می گیرد. به عنوان مثال مـ یتـوان بـه مونوپایـلهـا یی کـه درتوربینهاي بادي غول پیکر در مقابل بار ناشی از باد وارده مقاومـ ت میکنند، همچنـ ین بـه شـمعهـا ي بـ هکـار رفتـه در اسـکلههـا ي پهلوگیري (دولفین1) که تحت بار جانبی ناشی از برخورد کشتی بـااسکله قرار میگیرند اشاره کرد. در چنـ ین مـوارد ي بایـ د شـمع راتحت بار جانبی تحلیل کرد و اندرکنش بـ ین شـمع و خـاك را بـهدقت مدلسازي نمود. نمونهاي از این مونوپایلها را به عنوان دولفین پهلوگیري در شکل 1 میتوان ملاحظه کرد.

شکل 1 – شکل مونوپایل به عنوان دلفین پهلوگیري تحت بار جانبی

روشهاي مختلفی براي مدلسازي تحلیل رفتـار شـمع تحـت بـارجانبی پیشنهاد شده است که میتوان در حالت کلی آنهـا را بـه دوگروه متمایز تقسیم کرد [1]:
روشهایی بر اساس بار- جابجایی (عکسالعمل بستر)
روشهایی بر اساس به کارگیري مکانیک محیطهاي پیوسته روش عکسالعمل بستر (وینکلر) بـه دل یـ ل سـادگ ی و جـواب هـاي واقعی آن در جامعه مهندسی از مقبولیت خاصی برخوردار است. در این روش شمع توسط المانهاي تیـ ر خمشـ ی مـدل مـیشـود کـهتوسط فنرهاي خطی و غیرخطی مدل کننـده خـاك احاطـه شـدهاست. استاندارد و آییننامه مربوط به طراحی شمعها تحت بارهـاي جانبی API میباشد که در آن منحنیهاي p-y مطرح شده اسـت.البته پارامترهاي مربوط به تغییرات p در API نیز مطرح شـده کـهمیتوان به نوع خاك و خواص آن همانند چگالی و زاویه اصـطکاكداخلی (φ) اشاره کرد. روش منحنی p-y از سایر روشها معمولتر است. در این روش خاك را به صورت فنرهاي غیر خطـ ی متعـدد ي مدل میکنند که هر یک، از منحنـ ی نیـ رو- تغییـ ر مکـان خاصـی تبعیت میکند [2].
منحنیهاي معمول p-y منحنیهـا ي نیمـه تجربـ ی هسـتند. ایـ ن منحنیها ارتباط بین نیروهاي جانبی وارده از طرف شمع به المـانخاك( p) را با تغییر مکان جانبی ایـ ن المـان ( y) بیـ ان مـ یکنـد.تاکنون منحنیهاي p-y مختلفی براي انواع خاكها پیشنهاد شـدهاست که مهمترین این منحنیها ، منحنیهـا ي ارائـه شـده توسـطریسه و همکاران در سال 1974 [3] و نیز منحنیهاي ارائـه شـدهتوسط مارکینسـون و انُیـ ل در سـال 1984 [4] بـرا ي خـاك هـا ي ماسهاي می باشد.
یکی از مشکلات مطرح در منحنیهاي p-y موجـود، آن اسـت کـهچنین منحنیهایی به صورت نیمـه تجربـی و بـراي شـمع و خـاكخاصی ارائه شده اند و نمیتوان از آنها در هـر نـوع شـمع و خـاکیاستفاده کرد. همچنین روابطی که این منحنیها ارائه میدهند براي شمعهاي با قطرهاي متوسط و کوچک مورد اسـتفاده مـیباشـند ونمیتوان به سادگی از آنها براي شمعهاي با قطر زیاد بهره بـرد. درنتیجه طراحی مونوپایل بر اساس این منحنیها و بدون اصلاح آنهـامنجر به طراحی سازه اي سختتر از انتظار براي شمع خواهد شد و قابلیت جذب انرژي مونوپایل را کاهش میدهد. از ایـن رو یکـی از راههاي بدست آوردن منحنیهـايp-y و همچنـین منحنـیهـاي نیرو – تغییر مکان سر شمع فارغ از چنین مشکلاتی، انجام آزمایش بر روي شمعهاي با قطر زیاد می باشد. بـه گونـهاي کـه ایـن روشمیتواند کمک شایانی به درك رفتار واقعی مونوپایل تحـت بارهـايجانبی بنماید. انجام آزمـایش هـاي بارگـذاري افقـی برجـا بـر رويمونوپایلها در محیط دریا به سبب محدودیت امکانـات آزمـایش ونیز هزینه زیـاد آن کـاري بـه نسـبت دشـوار اسـت. در حـالی کـه مدلسـازي شـمع در مقیـاس کوچـک در دسـتگاه سـانتریفوژ راهمناسبی براي پی بردن به رفتار واقعی مونوپایـل تحـت بـار جـانبیارائه میدهد که در مقایسه با آزمایشهاي بزرگ مقیاس روي شـمعاصلی بسیار سادهتر، کارآمدتر و ارزانتر میباشد. براي ایـن منظـوربراي انجام آزمایشها دستگاه شبیهساز بارگذاري جانبی طراحـی وراهاندازي شد. در ادامه نتایج حاصل از بارگذاري جانبی یکطرفه بـهصورت نمودار نیرو – تغییرمکان سـر شـمع و همچنـینp-y بـرايهریک از آزمایشها نشان داده خواهد شد و با منحنیهاي موجـودبا API مقایسه و مورد بررسی قرار میگیرد. همچنین نمودار تغییر شکل در طول مونوپایل نیز با توجه به شرایط مرزي رسم میشود.

– تحلیل شمعهاي تکی تحت بار افقی
سه معیار در طراحی پیهاي عمیق که تحت بارهاي جانبی و لنگـرقرار گرفتهاند باید رعایت شوند: 1) خاك بیشـتر از مقاومـت نهـاییخود تحت تنش قرار نگیرد .2) تغییر مکـان جـانبی سـر شـمع درمحدوده مجاز باشد .3) خود سازه شمع تسلیم نشود .معمولاً تغییـرمکان سر شمع قبل از اینکه خاك به مقاومت نهایی خود برسـد، ازحد مجاز تجاوز میکند. پس حداکثر تغییرمکان جانبی شمع معیار بحرانی در طراحی میباشد .پارامتر لازم براي طراحی مونوپایـل هـاتحت بار جانبی در ادامه مورد بررسی قرار میگیرد و روابط مربوطه ارائه میگردد .

2-1- ضریب عکس العمل بستر خاك
ضریب عکسالعمل افقی بستر که با Kh نشان داده می شـود، برابـربا عکس العمل نیرویی است که بر واحد سطح خاك در اثـر تغییـرمکان جانبی شمع به میزان واحد اعمال میشود در واقع اگـر قطـرشمع را D بنامیم، با تغییر مکان جانبی مقطعی از شمع به میـزانy، مقدار نیروي اعمالی به مقطع شمع در طـولl از آن بـه صـورترابطه (1) میشود.

= (1)

پارامتر Kh با مدول اولیه عکس العمل بستر 1K طبـق رابطـه( 2) مرتبط میگردد.

= (2)

تعیین ضریب عکس العمل بستر خـاك بـه سـه روش امکـانپـذیر است:
آزمایش بارگذاري جانبی روي شمع با مقیاس واقعی
آزمایش بارگذاري صفحهاي
روابط تجربی با استفاده از دیگر خصوصیات خاك ترزاقی مقادیر جدول 1 را براي محاسبه مقدار Kh در خاك ماسهاي پیشنهاد داده است.

جدول 1 – مقادیر پیشنهادي Kh توسط ترزاقی

زیر سطح آب بالاي سطح آب
2 1/1 غیر متراکم
8/3 5/5 تراکم متوسط
18 11 متراکم

لازم به ذکر این نکته نیز ضروري میباشد که مقدار ضریب عکـس -العمل بستر علاوه بر نوع خاك و میزان تـراکم آن بـه هندسـه و درواقع قطر شمع نیز وابسته میباشد.

3 – منحنیهاي غیر خطی p-y
همانگونه که میدانیم خاك فقط در کرنشهاي کوچک رفتار خطی دارد و از طرفی با استفاه از تحلیلهاي صورت گرفته روي شمعهاي تحت بار جانبی در حالتی که خاك با فنرهاي خطی مدل میشود به خطاي زیاد فنرهاي خطی در تحلیل رفتار واقعی سیستم خاك و فنر پی میبریم. براي رفع این ایراد اساسی ، فنرهاي غیر خطی جایگزین خاك یا همان منحنی هاي p-y توسط ریسه و همکارانش پیشنهاد شد. منحنیهاي p-y تغییر شکل خاك را در هر عمق دلخواهی زیر سطح زمین براي محدوده فشارهاي افقی اعمال شده تعیین میکنند. این فشار می تواند از صفر تا مقدار مقاومت نهایی خاك تغییر کند. مهمترین ایراد روش منحنیهاي p-y این است که پیوستگی خاك را در نظر نمیگیرد. زیرا این روش، خاك را به صورت فنرهایی مجزا مدل میکند. بنابراین تأثیر لایههاي بالا یا پایین در پاسخ خاك در یک لایه مشخص در نظر گرفته نمیشود .
یعنی تنش برشی ایجاد شده بین لایههاي خاك لحاظ نمیشود .
همچنین نقص دیگر منحنیهاي p-y سنتی این است که تأثیر مشخصات شمع (سختی شمع ، شرایط سرشمع و شکل شمع) در این منحنیها در نظر گرفته نمیشود [5]. از طرف دیگر منحنی-هايp-y یک سري منحنی نیمهتجربی هستند. یعنی علاوه بر یک مبناي تحلیلی، استوار بر نتایج آزمایشها هستند و چون این منحنیها از نتایج آزمایشهاي واقعی بدست آمدهاند میتوان اینگونه استدلال کرد که اثر پیوستگی خاك به صورت خود به خود و تجربی در بدست آوردن این منحنیها لحاظ شده است. به هر حال روش منحنیهاي p-y یکی از رایجترین روشها در طراحی پیهاي شمعی تحت بارهاي جانبی میباشد که در عین سادگی ،رفتار سیستم خاك – شمع را به خوبی تخمین میزند .از آنجا که خاك مورد بحث در این تحقیق، خاك ماسهاي میباشد لذا در اینجا فقط به معرفی منحنیها و روابط مربوط به خاكهاي ماسهاي میپردازیم.
روش دیگر براي بدست آوردن منحنی p-y توسط API [6] ارائه شد که همان روش مارکینسون و اُُنیل در سال 1984 میباشد. مارکینسون و انُیل براي بدست آوردن مقاومت جانبی نهایی خاك در منحنی پیشنهادي خود از روابط بدست آمده از نظریه گوه گسیختگی ریسه استفاده میکنند. مطابق این نظریه مقاومت جانبی نهایی ماسه براي اعماق سطحی از رابطه (3) و براي عمق-هاي زیاد از رابطه (4) بدست میآید. در نهایت مقاومت جانبی نهایی خاك کمترین مقدار این دو رابطه خواهد بود.

= (.+.) .
=…
={,}
1C و 2C و 3C ضرایبی هستند که از شکل 2 بدست میآیند.

شکل 2 – ضرایب 1C و 2C و 3C تابعی از زاویه اصطکاك داخلی [4]

منحنی غیر خطی p-y مارکینسون و انُیل براي مقاومت جانبی خاك بر حسب تغییر مکان با استفاده از رابطه (6) قابل ترسیم است.

=..ℎ

که در آن A ضریب تجربی براي در نظر گرفتن استاتیکی یا سیکلیک بودن بار است.

بار استاتیکی

8.0 − 3=
بار سیکلیک 9.0 =

در رابطه( 6)، k مدول عکس العمل اولیه بستر برحسب

که بر اساس زاویه اصطکاك داخلی مؤثر خاك از نمودار شکل 3 بدست میآید.

شکل 3 – مدول عکس العمل اولیه بستر خاك[4]

بر طبق صحبتهاي فوق، منحنی p-y پیشنهادي مارکینسون و انُیل در نهایت به صورت شکل 4 در میآید:

شکل 4- شکل کلی منحنی p-y مارکینسون و اونیل[4]

– پاسخ خاك با استفاده از منحنی عملی لنگر
همانند آنچه در ابتداي بخش منحنیهاي p-y ریسه ذکر گردید در این روش ابتدا با استفاده از کرنشسنجهاي الکتریکی نصب شده روي طول شمع مستقیماً میزان لنگر وارده به نقاط مختلف شمع محاسبه میشود سپس با رسم دیاگرام لنگر وارد بر شمع و با استفاده از روابط زیر مقدار عکسالعمل خاك و جابجایی شمع بدست میآید .این روش نیز در هر 2 حالت آزمایشهاي محلی و آزمایشهاي مدلسازي در سانتریفوژ کاربرد دارد. لازم به ذکر است حالت وجود بار قائم و جانبی توأمان، در خاك چند لایه و … اشاره کرد. از اولین کارهاي سانتریفوژ انجام شده بر روي شمع تکی تحت بار جانبی میتوان به آزمایش بر روي مدل شمعهاي جزیره موستانگ اشاره کرد که به سفارش API و در دانشگاه کلتک در سال 1977 صورت گرفت. در این آزمایشها یک مدل شمع آلومینیومی مربعی با EI تقریباً معادل EI شمعهاي جزیره موستانگ استفاده شد که در شتاب سانتریفوژ g100 مورد آزمایش قرار گرفت. ایده استفاده از سانتریفوژ ژئوتکنیکی براي شمعهاي تحت بار جانبی به دلیل مشکلات به وجود آمده در اثر اعمال نیروهاي استاتیکی و سیکلیک موج و باد و همچنین نیروهاي دینامیکی زلزله بر سازههاي دریایی دور از ساحل و پیدا کردن راهی براي مدلسازي صحیح اندرکنش میان خاك و سازه پی آنها ایجاد شد. بعدها در سال 1983 در همان دانشگاه، رونالد اسکات یک آزمایش با شتاب g48 را روي شمع معادل دایروي همان شمعهاي جزیره موستانگ به قطر اصلی 61 سانتیمتر انجام داد. بر همین اساس در سال 1991 نیز بوآفیا و گارنیر آزمایش هاي روي شمع تحت بار جانبی در دستگاه سانتریفوژ ژئوتکنیکی انجام دادند که در سالهاي بعد مقدمه ارائه رابطه منحنیp-y توسط بوآفیا بود [7]. به تدریج و به مرور زمان استفاده از شتاب سانتریفوژ براي مدل کردن شمع تحت بار جانبی افزایش چشمگیري پیدا کرد. در جدول 2 تعدادي از جدیدترین کارها در زمینه مدلسازي شمع تحت بار افقی در دستگاه سانتریفوژ ژئوتکنیکی ارائه شده است.

قطر شمع
اصلی [m] قطر شمع مدل
[cm] درصد تراکم شتاب مرجع
0/72 1/8 80% 40g Ruigrok [8]
0/508 1/27 80% 40g Brant et al. [9]
2 2/8 90- 95% 71/4g Leth et al. [10]
2/2
4/4 1/375 2/75 60% 80g
160g Alderlieste [11]
3/115 5 97% 62/3g Z. Li et al. [12]
1 1/6 90% 62/5g Klinkvort
et al. [13]
1 1/6
2/2
2/8
3/4
4

84-96% 62/5g
45/29g
35/69g
29/44g
25g Klinkvort
et al. [13]
Klinkvort et al.
2 2/8 79-96% 71/4g [13]
که این روش در این تحقیق براي بدست آوردن مقادیر p و y به جدول 2- برخی از جدیدترین تحقیقات انجام شده در سال هاي اخیر منظور دستیابی به منحنی p-y مورد استفاده قرار گرفته است.

371551219649

( )
=
=( )

5- مروري بر تحقیقات پیشین
به طور کلی تحقیقات انجام شده در زمینه رفتار شمع تحت بار جانبی را می توان به 4 دسته تقسیم کرد:
آزمایشهاي سانتریفوژ (ng)
آزمایشهاي آزمایشگاهی 1g
آزمایشهاي محلی یا بزرگ مقیاس
کارهاي عددي و تحلیلی
در تحقیقات گوناگون منحنیهاي p-y در شرایط مختلفی استخراج شدهاند که از آن جمله



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید