دانشگاه هرمزگان
دانشکده فنی و مهندسی
پایان نامه كارشناسی ارشد رشته عمران گرایش سازه های دریایی
عــــنــــوان پایان نامه :
تحلیل هیدرودینامیکی سکوی نیمه شناور خرپایی(TSP) تحت امواج تصادفی
استاد راهنما :
دكتر کیوان صادقی
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه و معرفی
1-1 پیشگفتار ………………………………………………………………………………………… 1
2-1 روش تحقیق…………………………………………………………………………………………….3
3-1پیشینهی تحقیق………………………………………………………………………………………3
4-1 خلاصه كار انجام شده ………………………………………………………………………….6
فصل دوم: آشنایی کلی با انواع سکو ها
1-2 سكو ی ستونی (اسپار)………………………………………………….………………9
2-2 سكوهای ستونی خرپایی(تراس اسپار)……………………………………………10
3-2 نیمه مغروق ها:…………………………………………………………………………..12
4-2 سکوی نیمه شناور خرپایی (Truss Pontoon Semi-submersibl )………………..17
فصل سوم: نیروهای محیطی و تئوری امواج
1-3 نیروهای وارد بر سکو…………………………………………………………………20
1-1-3 نیروی ناشی ازموج……………………………………………………………………23
1-1-1-3 معادله موریسون …………………………………………………………………29
2-1-1-3 تئوری تفرق(diffraction theory) ………………………………37
2-3 مقدمه ای بر امواج…………………………………………………………………………….41
3-3 تئوری امواج……………………………………………………………………………………42
1-3-3 امواج منظم…………………………………………………………………………………43
2-3-3 امواج نامنظم………………………………………………………………………………..49
4-3 توصیف آماری امواج………………………………………………………………………..53
5-3 طیف دامنه و انرژی امواج………………………………………………………………53
1-5-3 طیف پیرسون موسکویچ…………………………………………………..58
2-5-3 طیف جانسوپ………………………………………………………………….59
3-5-3 طیف برت اشنایدر…………………………………………………………..61
4-5-3 طیف نیومن……………………………………………………………………..62
5-5-3 طیف نیومن……………………………………………………………………..62
فصل چهارم : سیستم های خطی یک در جه آزادی
1-4 ارتعاش آزاد نامیرا ……………………………………………………………………..63
2-4 ارتعاش آزاد میرا ………………………………………………………………………65
3-4 کاهش لگاریتمی…………………………………………………………………………70
فصل پنجم:اطلاعات مساله و تحلیل سکوی نیمه شناور خرپایی
1-5 معرفی مشخصات مساله…………………………………………………………………72
1-1-5- مدل تست……………………………………………………………………………….73
2-5 محاسبه نیروهای وارد بر سازه………………………………………………………76
1-2-5 محاسبه نیروی surge وارد بر سکو به روش موریسون…………………….76
2-2-5 محاسبه نیروی surge وارد بر سازه با بهره گرفتن از تئوری تفرق…………….79
-32-5 نیروی heave وارد بر سکو با بهره گرفتن از معادلات موریسون………………..80
4-2-5 نیروی heave وارد بر سکو با بهره گرفتن از تئوری تفرق………………83
5-2-5 لنگر pihtch وارد بر سکو با بهره گرفتن از معادلات موریسون………..85
1-5-2-5 لنگر ناشی از نیروی surge وارد بر یک استوانه……………85
2-5-2-5 لنگر ناشی از نیروی heave وارد بر ستون ها………………….86
3-5-2-5 لنگر ناشی از صفحات افقی(heave plate)…………………….86
6-2-5 محاسبه لنگر pitch با بهره گرفتن از تئوری تفرق……………………………87
1-6-2-5 لنگر ناشی از نیروی surge……………………………………………….
2-6-2-5 لنگر ناشی از نیروی heave………………………………………………
3-6-2-5 لنگر ناشی از صفحات افقی…………………………………………………88
3-5 محاسبه حرکت سازه(RAO) تحت موج تکی……………………………………..89
1-3-5 محاسبه پاسخ واحد سازه برای حرکت در جهتheave…………………
2-3-5 محاسبه پاسخ واحد سازه برای حرکت در جهت pitch…………………..
4-5 پاسخ سازه تحت موج های تصادفی(طیفی)…………………………………91
فصل ششم: ارائه نتایج و بحث در آنها
1-6 نیروی وارد بر سکو در جهت surge …………………………………..
2-6 نیروی وارد بر سکو در جهت heave……………………………………
3-6 لنگر وارد بر سکو در جهت pitch ………………………………………
4-6 پاسخ حرکتی سازه در جهت heave به موج با دامنه واحد ………………96
5-6 پاسخ حرکتی سازه در جهت pitch به موج با دامنه واحد………………..98
6-6تحلیل سازه برای موج های تصادفی…………………………………….99
1-6-6طیف پاسخ سازه برای حرکت در جهت heave ………………………..
2-6-6طیف پاسخ سازه برای حرکت در جهت pitch…………………………
7-6 نتیجه گیری…………………………………………………………………….104
8-6پیشنهادات برای ادامه کار…………………………………………………105
چکیده:
سکوی نیمه شناور خرپایی یک سازه جدید در صنعت سازه های فراساحل است که از یک قسمت خرپایی برای ایجاد جرم اضافه با بهره گرفتن از صفحات افقی استفاده می کند. در این پایان نامه این سازه با بهره گرفتن از قسمت خطی معادله موریسون تحلیل می شود و نتایج با تحلیل سکو به روش تئوری تفرق خطی مقایسه می شود. هدف از این تحلیل معرفی یک روش محاسباتی ساده برای تحلیل سازه هایی با ابعاد بزرگ مانند سکوی حاضر است. نزدیکی قابل قبول نتایج تحلیل با نتایج مدل تست و نتایج تحلیل با روش تفرق نشان می دهد که استفاده از معادله موریسون می تواند برای محاسبه نیروهای وارد بر سازه های بزرگی مانند سکوی مورد مطالعه روش مناسبی باشد و تا مقدار زیادی باعث ساده تر شدن محاسبات شود بدون آن که از کیفیت نتایج چشم پوشی کند. نکته مهم در این خصوص، وابستگی نتایج به ضرائب هیدرودینامیکی انتخابی است که در صورت درست انتخاب شدن باعث ایجاد نتایج صحیح می شوند.
فصل اول: مقدمه و معرفی
1-1- پیشگفتار
با توجه به اهمیت انرژیهای فسیلی در دنیای امروز و نقشآفرینی این نوع انرژی در تمام مناسبات جهان، مساله استخراج آن یكی از موضوعات مهم تكنولوژی روز دنیا می باشد.همچنین پایان پذیری منابع فسیلی و محدود بودن ذخایر آن، باعث توجه به ذخایری شده است كه تاكنون بهره برداری از آنها صرفه اقتصادی نداشته است. یكی از مهمترین این ذخایر، ذخایر انرژی مدفون در كف دریاهاست. لذا دانشمندان در طول قرن گذشته روشهایی را جهت استخراج از كف دریاها ارائه داده اند. حركت علمی كه در این راستا در غرب آغاز شده است اكنون دارای تاریخچهای بیش از یک قرن است و با توجه به موقعیت حساس كشور ما در این برهه زمانی و برخورداری از منابع غنی انرژی های فسیلی در دریاهای شمال و جنوب كشور، كسب این تكنولوژی به یكی از رئوس برنامه علمی كشور تبدیل شده است. نكته قابل توجه در این باره، لزوم استفاده از روش های اقتصادی و سیستم های بهینه استخراج می باشد كه در دنیای رقابتی امروز امری اجتناب ناپذیر مینماید.
جهت استخراج نفت و گاز از كف دریاها، كاربردی ترین روش شناخته شده، استفاده از سكو است. این نوع سازه طی عمر هفت دههای خود تحولات بسیاری را در سیستم سازهای و قابلیت بهره برداری از سر گذرانده است.در ابتدا این نوع سازه در آبهای كم عمق و به صورت خرپایی ساده مورد استفاده قرار گرفت و طی زمان، تكامل سازه در راستای استفاده در آبهای عمیق و كاهش هزینه های ساخت مورد توجه قرار گرفت. به علت افزایش بسیار زیاد هزینه احداث سكوهای ثابت با افزایش عمق، نوع جدیدی از سكوهای دریایی با نام سكوی نیمه شناور مطرح شد كه دارای مزایای اقتصادی و كاربردی قابل توجهای می باشد. سیر تكامل كلی سكوها و به خصوص نوع خاصی از آنها را (سكوی نیمه شناور خرپایی) به صورت كامل در فصل یك شرح خواهیم داد.
سکوی نیمه شناور خرپایی نوع خاصی از سکوهای نیمه شناور است که دارای شش درجه آزادی میباشد: حرکت افقی طولی (surge)، حرکت افقی عرضی (sway)، حرکت قائم (heave)، که به ترتیب جابجایی در امتداد محورهای x و y و z بوده و چرخش طول این محورها به ترتیب، غلتش عرضی (roll)، غلتش طولی(pitch) و چرخش در صفحه افقی (yaw) نامیده می شود.
با توجه به مقدمات بالا، در این پروژه سعی شده است اصول آنالیز یك سكوی نیمه شناور خرپایی مورد بررسی قرار گیرد و با شناسایی و مقایسه تئوری های موجود جهت محاسبه ی بارهای وارد بر سازه، برداشت جامعی از چگونگی آنالیز یك سكوی نیمه شناور خرپایی ارائه شود. در این راستا از تئوری های موریسون و دیفركشن خطی جهت محاسبهی نیروی موج و از تئوری موج ایری برای توضیح طبیعت دریا استفاده شده است كه در فصل های ابتدایی توضیح كلی آنها خواهد آمد. نتایج محاسباتی پروژه با یك مدل تست نیز معتبر سازی شده است و در پایان شاهد بحث در نتایج و مقایسه آنها خواهیم بود.
1-2- روش تحقیق
در این تحقیق ابتدا نیروهای وارد بر سكوی نیمه شناور خرپایی ناشی از موج، توسط تئوری های موریسون و دیفركشن خطی برای درجات آزادی غیر وابستهی surge ، heave و pitch به دست میآید. سپس با بهره گرفتن از حل معادله حركت دینامیكی سكوی نیمه شناور خرپایی در درجات آزادی heave و pitch ، پاسخ سازه به موج با دامنه واحد[1](RAO) به نیروها در این درجات به دست میآید.این نتایج با نتایج به دست آمده از مدل تست و با یكدیگر مقایسه خواهند شد. همچنین طیف پاسخ سازه مورد نظر با بهره گرفتن از طیف های انرژی P-M و JONSWAP در درجات آزادی ذكر شده به دست میآید و مقایسه میشود.
1-3- پیشینه تحقیق
افراد زیادی رفتار هیدرودینامیكی یك سیلندر شناور عمودی را مطالعه كردهاند. هاوس (1990) یك سیلندر را در بازه kc كوچكتر از 0.01 بررسی كرد. بررسی های او نشان میداد كه نیروی درگ به صورت خطی با سرعت نسبت دارد و ضریب درگ نیز فوقالعاده كوچك بود. چاكرابارتی و هانا (1990) در بررسیهایی كه بر روی سیلندری با KC كمی بیستر از 0.01 انجام دادند، به نتایج مشابهی رسیدند. در آزمایشات آنها حركت نوسانی آزاد سیلندر در جهت عمودی در خلال یك آزمایش (Decay test) مورد بررسی قرار گرفت.
هاوس و یوتس (1994) یك سیلندر عمودی را درون یك جریان قرار دادند و نشان دادند كه جریان میرایی سیلندر را در kc های مشابه افزایش میدهد.
درگ هیدرودینامیك یك سیلندر از دو مولفه تشكیل شده است: درگ ناشی از اصطكاك و درگ ناشی از شكل. (تیاگاراجان و تروش 1994)
درگ ناشی از اصطكاك به علت نیروی ویسكوزیته سیال روی سیلندر می باشد در حالیكه درگ ناشی از شكل بر اثر جدا شدن جریان در لبه پایینی سیلندر بر اثر حركت heave ایجاد میشود. در kc های بسیار پایین، درگ در وحله اول از نوع اصطكاكی است كه به صورت خطی با سرعت تغییر میكند. همچنین درگ ناشی از شكل یك نسبت درجه دوم با سرعت دارد. آزمایشات هاوس و چاكرابارتی و هانا نشان داد كه درگ اصطكاكی قسمت كوچكی از درگ هیدرودینامیك بر روی سیلندر را تشكیل میدهد.
تیاگاراجان و راج آزمایشهایی با رنج kc بزرگتر از 1 انجام دادند كه در آنها درگ ناچیز و همینطور غیر خطی بود.در تمام این حالات دمپینگ ناشی از درگ كه در اثر حركت سیلندر ایجاد میشد بسیار كوچك می باشد.
توا و تیاگاراجان (2003) یك دیسك با kc بالای 0.75 را تست كردند و دمپینگ درگ بیشتری را یافتند.
هی(2003) نتایج عددی و آزمایشگاهی ارائه داده است كه به بررسی حركت heave صفحههای نازك استوانهای پرداخته و مقادیر دمپینگ را نشان داده است. این مطالعات به حركتهای كوچك اصلی محدود شدهاند و برای سكوی پایه كششی به صورت موردی انجام شده است.
اطلاعات جرم اضافی بر اثر نوسان صفحات افقی در راستای عمود بر صفحه در این متون در دسترس نیست.آزمایشهایی روی سكوی نیمه شناور خرپایی با صفحات افقی انجام شده و بعضی گزارشها تهیه شدهاند كه در مورد كارآیی صفحات افقی در سكوی نیمه شناور خرپایی بحث میكنند.(مگی و همكاران 2003)
سكوی نیمه شناور خرپایی (TPS) یك سازه جدید شناور است كه از ادغام مزایای سكوهای نیمه شناور پانتونی و خرپا و پرهیز از بعضی اشكالات سكوهای پانتونی ایجاد شده است. سكوی پانتونی نیمه شناور از چهار ستون شناور تشكیل شده است كه در قسمت پایین خود به پانتون های كف كه پایداری سازه را كنترل میكنند متصل میشوند. عرشه نیز در بالای ستونها قرار میگیرد. این سازه در مكانهای دور از ساحل جهت حفاری و تولید به كار میرود. مزایای آن شامل فضای عرشه زیاد و همینطور بار قابل تحمل بالا میباشد. در یك طراحی روتین، ستونها عمیق و پانتونها نیز دارای حجم زیاد میباشند. مركز جرم اعضا پایین تر از مركز شناوری آنها قرار میگیرد (حدود 4 تا 12 فوت). این طراحی باعث كنترل دوره تناوب حركات roll و pitch سازه میشود.
برای یك سكوی نیمه شناور پانتونی، تغییر مكان كلی بزرگ است و دور كردن پریود طبیعی سازه از پریود موج غالب كار مشكلی میباشد. در واقع چون دمپینگ كوچك است و به صورت شدیدی تناوبی، بنابراین برای سكوی نیمه شناور پانتونی نوسان در جهت heave زیاد است و توسط میرایی نیز كنترل نمیشود. به عبارت دیگر، میرایی ناشی از جریان منتشر شونده، به صورت موثری در طراحی سكوی نمیه شناور پانتونی برای حركت heave استفاده نشده است.
TPS (سرینیواسان 2004) جرم اضافی ناشی از صفحات افقی كه در پایین ستونهای خرپایی استفاده شدهاند را به كار میگیرد و بنا بر این از جریان منتشر شونده حول این صفحات استفاده میكند.
1-4- خلاصه کار انجام شده
هنگام طراحی یك سازه دور از ساحل، یكی از اولین و مهمترین مراحل، انتخاب روش محاسبه نیروهای موثر بر سازه میباشد.یكی از روشهای محاسبه نیرو استفاده از تئوری دیفركشن موج است. استفاده از فرمول تجربی موریسون (موریسون و همكاران 1950) اغلب یك روش معمول برای به دست آوردن نیروهای وارد بر سازههای دور از ساحل است.فرمول موریسون اثرات ناشی از برگشت امواج از سطح مغروق سازه را در نظر نمیگیرد و ضرائب نیرو برای اعمال این آثار به كار میروند. نیروی موریسون میتواند یك روش بسیار موثر برای آنالیز سازههای كوچك باشد.زیرا اثرات ناشی از برگشت موج ناچیز است، اما تئوری دیفركشن برای سازههای بزرگ قابل استفاده تر است. یك جدول كمی برای تشخیص سازه های كوچك و بزرگ توسط چاكرابارتی ارائه شده است(1987).
در این تحقیق از هر دو این روشها برای محاسبهی نیروها استفاده شده است.تصویر كلی سازه TPS در شكل نمایش داده شده است.حركات این سازه در جهات Heave و Pitch به دو روش موج خطی و موج تصادفی آنالیز شده است(با بهره گرفتن از فرمول موریسون و تئوری دیفركشن خطی). سپس این نتایج با نتایج به دست آمده از مدل تست مقایسه شدهاند. مدل تست طی مقالهای توسط آقای سرینیواسان در سال 2005 تشریح شده است.
سازه حاضر برای امواج خطی در بازه تناوب 7-22 ثانیه آنالیز شده است.در مرحله محاسباتی پاسخ یكه سازه (RAO) برای نیروهای surge ، heave و pitch به دست آمده است و هم چنین پاسخ یكه حركت سازهها در جهات heave و pitch نیز به دست آمده است. طیف JONSWAP برای موجهای تصادفی نیز برای تحلیل سازه تحت اثر امواج تصادفی استفاده شده است.
Response Amplitude Operation-[1]
تعداد صفحه : 126
قیمت :14700 تومان
