دستورالعمل جامع آشنایی با اصول طراحی سکوهای ثابت فلزی دریایی Comprehensive Guidelines For Understanding The Principles Of Designing Fixed Steel Offshore Platforms

طراحی سکوهای ثابت دریایی

طراحی سکوهای دریایی از جهات بسیاری شبیه سازه های در خشکی است. با این تفاوت که سازه در خشکی ساخته شده و در دریا نصب می شود. از آنجا که ذکر تمام مراحل طراحی سکوهای دریایی مشکل است،‌ فقط به چند مرحله زیر اشاره می شود :‌

1 – مشخص نمودن نیازهای طرح

2 – ارزیابی بارگذاری محیطی و شرایط محلی

3 – طراحیهای اولیه با تاکید کامل بر روش نصب

4 – بررسی گزینه های مختلف بر مبنای اولویتهای اقتصادی، مشکلات اجرا و نصب،‌ مشخصات شالوده و... و انتخاب طرح بهینه.

5 – تعیین اندازه و ابعاد گزینه انتخابی برای تحمل بارها و نیروهای محیطی

6 – کنترل طرح برای تحمل بارگذاریهای حین انتقال و نصب در محل

معمولاً برای سکوهای دریایی در یک منطقه خاص،  فقط حداقل سطح عرشه مورد لزوم و بارهای وارده بر آن بیان می شود. انتخاب سازه اقتصادی برای تحمل عرشه مورد نظر به روشهای اجرا، نصب و شرایط محیطی و محلی بستگی دارد. شرایط محیطی شامل اثر باد، جریان و امواج آب و همچنین خطرات ناشی از قطعات شناور یخ و زلزله می شود. عمق آب و مشخصات بستر دریا جزء شرایط محلی هستند. شالوده سازه با توجه به مشخصات بستر دریا طرح می شود.

پس از بدست آوردن اطلاعات فوق، می توان بر مبنای روشهای معمول نصب و با استفاده از قدرت باربری مورد نیاز و تخمین اولیه از بارهای محیطی، طرحهای مقدماتی را تهیه نمود. در اغلب حالات نیروی موج تعیین کننده است مگر وقتی که یخ و یا زلزله بحرانی تر باشند. تعدادی از گزینه های اولیه به علت غیر اقتصادی و یا غیر اجرایی بودن رد می شوند و بعضی دیگر ( به خصوص از لحاظ هزینه ) دقیقتر بررسی می شوند. نهایتاً یک شکل نهایی طرح و روش اجرا انتخاب شده و نقشه های اجرایی تهیه می شوند. انتخاب ابعاد سازه برای تحمل بارهای اجرایی ساده است اما در تحمل بارهای محیطی معمولاً باید به آزمون و خطا رو آورد،‌ زیرا هر تغییری در ابعاد سازه باعث تغییر در نیروهای وارد شده  بر عضو و در نتیجه سازه می شود. سپس باید سازه را برای تحمل بارهای وارده در حین انتقال و نصب در محل مورد نظر کنترل نمود. ممکن است این نیروها مقدار قابل توجهی داشته باشند و ندیده گرفتن آنها در طراحی باعث شود که سازه قبل از عملیاتی شدن دچار آسیب شود.

انواع سازه های فراساحل

برای سازه های فراساحل تقسیم بندی و انواع مختلفی ذکر شده و مطابق سلیقه های مهندسی موجود و یا مبنای تقسیم بندی می توان لیستی از انواع سازه های فراساحل ارائه داد. در اینجا معمول ترین و رایج ترین طبقه بندی موجود در ادبیات فنی مهندسی سازه های فراساحل بیان می شود که عبارتند از :‌

سکوهای ثابت شابلونی

سکوهای خود بالابر

سکوهای حفاری غوطه ور یا مستغرق

سکوهای حفاری نیمه غوطه ور

کشتی حفاری

سکوهای متکی به یک نقطه

سکوهای کششی

سکوهای وزنی بتنی

سکوهای قطبی

لوله گذاری

سکوهای ثابت شابلونی

ایده استفاده از یک جاکت  به عنوان نگهدارنده عرشه از مدتهای طولانی مد نظر بوده است. سکوهای جاکت متداولترین نوع سازه های دریایی هستند که از یک قاب فولادی به عنوان پایه تشکیل می شوند و این سازه تا بالای سطح آب و ارتفاعی مناسب گسترش می یابد. از نظر سازه ای جاکتها متشکل از تعدادی پایه های اصلی ، مهار بندهای افقی و جانبی، صفحات نشیمن روی بستر دریا ، گوشواره های مرتبط با نصب ، سازه پهلوگیری کشتی ، ضربه گیر شناورها ، آندهای حفاظت کاتدیک و سایر ملحقات مربوط به نوع خاص کاربری سکو می باشند.

معمولاً سازه جاکت در ساحل ساخته می شود و بعد بصورت افقی بر روی بارج تا محل نصب انتقال یافته و از سطح جانبی بر روی آب قرار می گیرد. با استفاده از جرثقیل و وارد کردن آب درون لوله ها، سازه را مغروق کرده و تا بستر دریا پائین می آورند. روش دیگر برای انتقال از ساحل،‌ ساخت جاکت های خود شناور می باشد که با افزایش قطر لوله ها قدرت شناوری بیشتر می شود و بدون استفاده از بارج با یک یدک کش تا محل مورد نظر انتقال می یابد. بطور معمول پایداری جاکت و اتصال آن به بستر دریا وابسته به شمع های موجود در ساختار سازه می باشد که نصب آنها به دو طریق صورت می گیرد. یک روش عبور شمع ها از لوله های توخالی  تعبیه شده ساختمان جاکت است که بعد از کوبیدن شمع ها و اتصال محکم به کف دریا،‌ عرشه به شمع ها جوش داده می شود.

روش دیگر مجهز کردن جاکت به لوله های جانبی توخالی می باشد که ارتفاع کمتری نسبت به کل سازه دارند، شمع ها در این لوله های جانبی قرار گرفته و به وسیله شمع دیگر  و یا چکشهای زیر آبی در بستر دریا فرو می روند همچنین فضای خالی بین شمع و لوله می تواند با سیمان پر شود.

نقش شمع،‌ انتقال بارهای عمودی و جانبی از بدنه و عرشه  به کف دریا می باشد. عرشه بطور کامل بالای سطح آب قرار دارد، بطوریکه فاصله پائین ترین بخش آنها تا سطح حداکثر امواج بصورتی انتخاب میشود که از رسیدن رطوبت خورنده به بخشهای سازه ای و تاسیسات آن جلوگیری شود.

در آبهای عمیق به دلیل عملیات پیچیده و هزینه اقتصادی به جای استفاده از جاکت یک پارچه با ارتفاع زیاد از چند سازه کوچک تر کمک گرفته می شود که این جاکت ها بر روی هم بطور عمودی قرار گرفته و متصل می شوند. سکوهای جاکت دارای 4 تا 8 پایه اصلی،‌ امروزه رایج ترین سکوهای دریایی می باشند.

سکوهای خود بالابر

سکوهای خود بالابر سکوهایی هستند که بر روی آب شناورند و تا محلی که باید جهت حفاری یا کارهای دیگر عمل کند بر روی آب مانند کشتی حرکت می نمایند و پس از استقرار در محل حفاری با جکهای نئوماتیک، هیدورلیک یا الکتریک، پایه های سکو تا کف دریا پائین رانده می شوند و بعد سطح عرشه را به سمت بالا تا ارتفاعی که لازم است بالا برده تا از اثرات موج مصون بماند و یا ارتفاع لازم جهت حفاری را کسب نماید.

سکوی خود بالابر در مواقع استقرار در محل پایداری زیادی دارد و می تواند عملیات حفاری حتی تا اعماق 140 متری از روی آن انجام گیرد ولی معمولاً برای اعماق 15 الی 100 متری از آن استفاده می گردد.

بر روی این سکو،‌ محل اسکان پرسنل، محل فرود هلیکوپتر، دکل حفاری، جرثقیل، قایق نجات و دیگر وسایل ضروری تعبیه می گردد. از آنجا که پایه ها جداگانه عمل می کنند و بهم متصل نیستند، سختی سیستم پائین می آید و کارایی کمتر جک آپ ها نسبت به شناورها در آب های عمیق مشاهده می گردد.

اولین نوع سازه های متحرک که از 85 سال پیش شروع به کار کرد واحد Delong  Mc Dermott می باشد . این سکو شامل یک شناور 10 پایه توخالی با قابلیت حرکت قائم از حفره های تعبیه شده در شناور است.  عرشه شناور توسط جک های بادی قرار داده شده حول پایه ها، ارتفاعی مناسب را از سطح آب می گیرد.

در دهه 50 میلادی با ساخت سکویStromdrill  روش جدیدی برای اتصال پایه ها به بستر دریا،  ابداع گردید. در این روش،‌ پایه ها از انتها به صورت صلب به یک صفحه فولادی متصل می شدند. این نوع کفپوش جایگزین بارج های مورد استفاده در جک آپ های اولیه گردید.

دوره ای جدید در ساخت جک آپ با طرح پیشنهادی  Letourneau آغاز گردید. در این نوع جدید، تعداد پایه ها به 3  عدد کاهش یافت که وزن تجهیزات عرشه تقریباً به طور یکسان بین سه پایه خرپایی تقسیم می شد.

برتری دیگر جک آپ ها استفاده از سیستم بالابر چرخ دنده ای الکتریکی به جای جکهای بادی و هیدرولیکی بود. در سال 1963 شرکت Dixilyn با استفاده از پایه های مورب تغییری در طراحی جک آپ ها داد. با وجود پایداری زیاد این نوع پایه ها، بدلیل سیستم پیچیده جک ها و سختی تنظیم بالابرها - به علت تغییر زاویه پایه ها حین بالا رفتن – این طرح گسترش پیدا نکرد.

سکوهای حفاری غوطه ور

اولین سکوهای غوطه ور بارجهایی بودند که در آب کم عمق غرق شده بودند. این سکو دارای یک بدنه شناور بوده که جهت شناور کردن دستگاه حفاری در محل حفاری بکار می رود. در محل استقرار بدنه، بدنه غرق گشته و در سطح کف دریا قرار می گیرد و عرشه بالایی جهت انجام عملیات حفاری از سطح آب بیرون می ماند. از این نوع دستگاه تا اعماق حدود 53 متر استفاده می گردد. ولی قابلیت استفاده از آن بوسیله ابعاد فیزیکی سکو محدود گشته و از آنجایی که حرکت دادن آن دارای هزینه زیادی می باشد،‌ بدین سبب این سکو در مناطقی محدود و در اعماقی محدود کاربرد دارد.

بعد از تمام شدن مرحله حفاری در این سکوها، آب داخل بدنه پائینی ( بالاست ) خالی شده و سکو دوباره شناور شده و به محل دیگری منتقل می شود. یکی از پارامترهای مهم در این سکوها نشاندن آنها در کف دریا و یا رودخانه می باشد، چون وقتی که بدنه پائین زیر آب رفت، پایداری آن به شدت کاهش می یابد و این نتیجه باعث پیدایش سکوهای نیمه غوطه ور  گردیده است.

لازم به ذکر است که سکوهای غوطه ور در رودخانه ها و آبهای کم عمق بیشتر قابل استفاده اندError! Reference source not found.] و امروزه دیگر رونق گذشته را ندارند هر چند که به عنوان مثال اگر در بهمنشیر و اروندرود روزی عملیات اکتشافی نفتی بخواهد صورت پذیرد، مسلماً یکی از گزینه های خوب همین نوع سکوها می باشند.

سکوهای حفاری نیمه غوطه ور

ایده سکوهای نیمه غوطه ور از سکوهای غوطه ور قبلی نشات گرفته است.  این سکوها شامل دو قسمت بالایی و پائینی می باشند. این دو قسمت بوسیله ستون هایی بهم متصل شده اند و ستونهای مذکور توسط خرپاهایی مهار گشته اند. بدنه پائینی کاملاً در زیر آب غوطه ور بوده و بدنه بالایی،  بالاتر از سطح‌ آب قرار می گیرد. در زمان جابجایی با خالی کردن آب بدنه پائینی کل سکو بالا می آید تا بدنه پائینی به سطح آب برسد. کف گسترده این بدنه باعث پایداری کل سیستم در سطح آب می شود.

سکوهای نیمه غوطه ور امکان حفاری در آبهای بسیار عمیق را فراهم می کنند. برای نگهداشتن آنها در محل مورد نظر دو روش معمول است :‌

1 – سیستم Mooring که از تعدادی لنگر دایره ای تشکیل شده است و به گوشه های بدنه متصل می گردد. اتصال بدنه و لنگرها توسط کابل یا زنجیر و یا ترکیبی از هر دو می باشد.

2 – سیستم Dynamic  Positioning  سیستم پیشرفته ای می باشد که توسط ماهواره و یا نقاطی که در کف دریا تعبیه شده اند هدایت می گردد.

در انتخاب نوع سیستم های فوق , پارامترهای زیر حائز اهمیت هستند :

نوع بستر، حجم مخازن نفت، طول مدت حفاری، مکان تعمیر و نگهداری و ….

البته در اعماق بالای 1000 متر استفاده از سیستم دینامیکی غیر قابل اجتناب است.

از آنجا که قسمت بزرگی از حجم سازه این سکوها در زیر آب قرار دارند، حرکت های دورانی آن حول محورهای عرضی و طولی بسیار ناچیز است. حرکتی که برای این نوع سکو حساس و مساله ساز است، حرکت قائم  آن می باشد. نحوه انتقال سکوهای نیمه شناور به این صورت است که سکوها با دو بدنه خالی غوطه ور و چهار ستون ( دو ستون روی هر شناور ) به محل، حمل می شوند.

در میان سکوهای نیمه غوطه ور، محور روی سکوهای خاصی وجود دارد که یکی از آنها Transworld است که حالتی بین کشتی و سکوی نیمه غوطه ور دارد و بعضی از فن آوری های بکار رفته و ساخت آن مربوط به سکوی خود بالابر می باشد. کشتی اصلی دارای دو Out Rigger می باشد که ستونهای آنها از طریق سیستم سکوی خود بالابر، بالا و پائین می رود. هدف اولیه در تولید آن ساخت واحد حفاری چند منظوره بوده ولی نهایتاً تبدیل به واحدی تولیدی در برزیل شد. مورد دوم سکوی Troll Alje است که تنها سکوی نیمه غوطه ور بتنی است که تاکنون ساخته شده است.

با انتخاب بتن برای ساخت این سکو ابعادی حدود 65 * 101 * 5/101 متر و ظرفیت باربری 130000 تن بدست آمد.

کشتی حفاری

شکل این سکو ها شبیه کشتی می باشد و در حقیقت تغییر یافته کشتی های معمولی حمل و نقل هستند که با نصب تجهیزات حفاری به صورت کشتی حفاری در آمدند. این سکوها دارای قابلیت تحرک زیادی نسبت به سایر انواع سکوهای دریایی می باشند. به همین علت از آنها کمتر استفاده شده است. مورد استفاده آنها مابین جک آپ ها و سکوهای نیمه غوطه ور است. جک آپ ها در مناطق کم عمق و سکوهای نیمه غوطه ور در مناطق عمیق استفاده می شوند و کشتی های حفاری اعماق بین آنها را پوشش می دهند. کشتی های حفاری به علت شکل و تحرک بالا توانایی ناچیزی در حفاری دارند.

کشتی های حفاری نسبت به سکوهای نیمه غوطه ور دارای معایبی هستند. به عنوان مثال چون تمام حجم آنها در سطح آب متمرکز شده، نیروی قائم و افقی امواج روی آنها بیشتر تاثیر می گذارد.

تاریخچه استفاده از کشتی های حفاری به دهه 50 میلادی باز می گردد. بعد از توسعه سکوهای نیمه غوطه ور از کشتی های حفاری تنها در موارد خیلی خاص استفاده شد.

در حفاری با این نوع سکو، اختلاف تغییر مکان ابتدا و انتهای میله حفاری بایستی به حدود زاویه 3  درجه از قائم محدود گردد، که این تلورانس در اعماق زیاد خیلی راحت تر از اعماق کم برآورده می گردد،‌ در حالیکه درآبهای کم عمق می توان برای تثبیت از لنگر استفاده کرد ولی در اعماق زیاد باید از تثبیت کننده دینامیکی استفاده نمود.

سکوهای متکی بر یک نقطه

این نوع سکوها از یک سازه شناور که به کف دریا متصل می شود، تشکیل شده است. این اتصال معمولاً به وسیله زنجیر مهار کننده صورت می گیرد. در نوع دیگری از این سکو یک عرشه شناور که دارای یک برج بلند می باشد از پائین به یک تانک متعادل کننده متصل می باشد. اتصال مرکزی برج به پایه سکو امکان جابجایی آزادانه در هر جهت را برای سکو فراهم می کند. پایه برج با یک شمع به کف دریا متصل می باشد و نفت از میان سکو به سمت عرشه هدایت می شود. اولین بار در سال 1959  با همکاری دو شرکت Gusto  و Shell  این نوع سکو ساخته شد. SPM بارگیری کشتی نفتی را در فراساحل بسیار آسان کرد. اولین سکو در Miri مالزی استقرار یافت. سکوی دیگر نیز در دالاروی سوئد مستقر شد.

در سال 1970 به وسیله زوج SPM علاوه بر حفاری به کمک نفت کش موفق به استخراج نفت شدند. این عمل آغازی برای ایده های جدید در دهه 90 در ساخت سازه های فراساحل بود. این نوع سکوها در مجموع کارایی لازم و مطلوبی را از خود نشان داده اند.

سکوهای وزنی بتنی

سکوهای وزنی از جمله پیشرفت های نسبتاً جدید در زمینه صنعت دریایی محسوب می شوند، این سازه های بزرگ و پیچیده یک محیط مناسب برای حفاری، تولید،‌ ذخیره و حمل نفت خام آماده می کند.  این سازه ها بصورت پوسته هایی که یکپارچه عمل می کنند، ساخته می شوند و دارای آرماتور زیادی بوده که پیش تنیده می شوند چرا که باید توانایی مقابله با حدود  8 10 * 2 سیکل اعمال تنش را داشته باشند.

در این نوع سکوها، استفاده از شمع برای استقرار ساده لازم نیست چرا که یک سکوی وزنی دارای سطح اتکای زیادی بر روی بستر دریا بوده و فشار وارده به خاک دریا را تا حد قابل قبولی کاهش داده و به پشتوانه وزن خود پایداری کافی را در برابر واژگونی تامین می کند. وزن زیاد این نوع سکوها نسبت نیروهای افقی به عمودی وارد بر خاک را کاهش داده و در نتیجه نیاز به کاربرد شمع برای مقابله در برابر تغییر مکان های جانبی را منتفی می کند. اکثر سکوهای وزنی از بتن ساخته می شوند که بطور خودکار کاربرد بتن، وزن سازه را افزایش می دهد.

قابل ذکر است که اگر چه تعدادی سکوی وزنی فولادی نیز در دریای شمال وجود دارد ( مانند سکوهای Loango،‌ Offshore Congo و  Maureen A )‌ ولی به هر حال استفاده از مصالح محلی و عملکرد وزنی سازه های بتنی از جمله مزایای کاربرد بتن در برابر فولاد است.

ساخت سکوهای بتنی با احداث یکسری سپر به منظور ایجاد حوضچه و محوطه نسبتاً خشک شروع می شود و در ابتدا پایه سازه ساخته می شود. در مرحله بعد،‌ این پایه از حوضچه خارج شده و به محل عمیقتری که محافظت شده است،  برده می شود.

در این مرحله ستونها بر روی پایه ساخته شده و با افزایش ارتفاع ستون ها، پایه در اعماق بیشتری فرو می رود. زمانی که سازه تحتانی آمده شود، بطور کامل در آب فرو برده شده و این عمل سبب می شود سازه فوقانی بتواند کاملاً بر روی انتهای بالایی ستون ها مستقر شود. هر گاه سازه فوقانی بر روی فونداسیون بتنی خود قرار بگیرد تمام سازه می تواند سرپا بایستد و در این حالت بیش از زمانی که مورد بهره برداری قرار می گیرد از سطح آب بیرون خواهد بود. سازه توسط یک سری یدک کش به محل اصلی استقرار خود برده شده و در آنجا در محل خود قرار می گیرد و احتمالاً در اثر وزن بسیار زیاد خود چند متری نیز در بستر دریا فرو می رود. بالا و پائین رفتن سکو در داخل آب بوسیله پمپاژ آب دریا به درون سکو صورت می گیرد.

باید  اشاره کرد که سکوهای بتنی گرانتر از نوع فولادی هستند و نیز اولاً مقدار فولادی که برای تقویت سکوهای بتنی بکار گرفته می شود در بعضی موارد بیشتر از فولاد یک سکوی فلزی است. ثانیاً این سکوها مشکلاتی از نظر قرارگیری بر روی کف دریا در طول عمر خود دارند و نشست تدریجی باعث کم شدن فاصله بین سطح آب و قسمت فوقانی سکو می گردد. ثالثاً هنوز راه مناسبی جهت از بین بردن آنها پس از بهره برداری پیدا نشده است.

سکوهای ترکیبی بتنی – فولادی

این سکوها از دو جزء بتنی و فولادی تشکیل شده اند که جز بتنی می تواند بالا و پائین باشد.

تقسیم بندی بر مبنای عملکرد سکوها

سکوهای دریایی مرتبط با صنعت نفت و گاز بر مبنای عملکردشان به سازه های اکتشافی،‌ سکوهای سرچاهی، سکوهای تولید، سکوهای خدماتی و مسکونی، سکوی مشعل و سکوهای ذخیره نفت و بارگیری تقسیم بندی میشوند.

مقایسه هزینه نسبی انواع سکوها با توجه به عمق

افزایش تقریبی وزن سکوهای ثابت ( و طبعاً هزینه آن ) بصورت نهایی با عمق آب تغییر می کند و نیاز به تکنولوژی جدید برای کاهش هزینه را کاملاً نشان می دهد. مشکل فوق سبب توجه بیشتر به سازه های تطبیقی   شده است که به کف دریا ثابت می شوند ولی نسبت به تحریکات ناشی از امواج،‌ باد و غیره دارای چند درجه آزادی هستند. کاهش حجم فولاد یا بتن مصرفی برای اتصال تجهیزات فوقانی سکو به کف دریا باعث کاهش قابل توجهی در هزینه ها می شود.

طراحی های جدید مانند سکوهای شناور کشتی و نیمه غوطه ورها یا شناورهای استخراج نفت همگی باعث کاهش چشمگیری در هزینه ساخت سکو برای اعماق زیاد می شود. امروز روشن است که برای استخراج نفت در دریاهای عمیق بهترین راه استفاده از طراحی های فوق است. البته هنوز هم برای حوزه های نفتی بسیار بزرگ و یا حوزه های نفتی واقع در آبهای کم عمق، سکوهای ثابت حائز اهمیت هستند. برای آبهایی که عمق آنها بیش از 475  متر است تنها راه عملی استفاده از سکوهای شناور است.

اصول تحلیل استاتیکی و دینامیکی سکوهای دریایی

آنالیز سکوهای دریایی، با توجه به ماهیت نیروهای محیطی مانند نیروی موج، جریان های دریایی، جریان رسوبات، باد، بارهای ناشی از زلزله و یا ارتعاشات تجیزات، بارهای حین ساخت، نصب و حین بهره برداری ناشی از برخورد کشتی و سایر نیروهای متصور، دارای پیچیدگی خاصی بوده و آنالیزهای ویژه ای را میطلبد. یکی از قویترین و پرکاربردترین نرم افزارهای مورد استفاده در این زمینه، نرم افزار SACS است، در حالیکه تنها روش ممکن برای انجام آنالیز و طراحی سازه های دریایی تا اوایل دهه 1960 روش محاسبات دستی بود. مهندس محاسب برای آنالیز سازه به طریقه دستی مجبور بود که فرضیات ساده کننده بسیاری را به کار میگرفت. محاسب به تقارن سازه اتکا زیادی داشت و سازه را به قطعات مجزا از قبیل خرپا، صفحات، ستونها، و غیره تقسیم کرده و هر قطعه را به صورت یک واحد مجزای دو بعدی آنالیز می کرد. فرصیات ساده کننده ای برای شرایط تکیه گاهی بکار گرفته می شد. با توجه به نقاط ضعف ناشی از تقریبی بودن روش آنالیز، بارهای وارده به سازه را بیش تر در نظر می گرفتند.

با وجود این همه فرضیات ساده کننده، باز هم مهندس محاسب برای آنالیز یک سکوی دریایی زمان زیادی وقت لازم داشت. عملا چنین سازه ای را با روش آنالیز دستی فقط برای تعداد محدودی شرایط بارگذاری می توان آنالیز کرد و بررسی حالتهای دیگری برای یک طرح عملا غیر ممکن است. اما به کمک کامپیوتر می توان پارامترهای طراحی بسیاری را بررسی کرد. ضمن آنکه مهندس طراح در مدت نسبتا کوتاهی می تواند تجربیات بسیاری را در آنالیز سازه کسب کند. بارگذاری های متعددی را بر روی سکو می توان به کمک کامپیوتر به طور سریع مورد مطالعه قرار داد.

در اوایل به علت طاقت فرسا بودن تهیه اطلاعات ورودی کامپیوتر، به کار بردن برنامه های کامپیوتری که به صورت تجاری در دسترس بودند برای حل قابهای فضایی بسیار مشکل بود. لذا شرکتهای مختلف هر کدام برای خود سیستم های آنالیز سازه ای استاتیکی وسیعی را فراهم کردند ویا اینکه با اضافه کردن پیش پردازش کننده و پس پردازش کننده به برنامه های تجاری موجود، برنامه های خاصی را که برای آنالیز سکوهای دریایی مناسب بودند تهیه کردند.

امروزه شرکتهای خدماتی با برنامه های کامپیوتری قادر هستند که تقریبا هرگونه آنالیز سازه ای را انجام دهند. در رابطه با اقیانوس شناسی نیز برنامه هایی وجود دارد که می توانند ارتفاع امواج را پیش بینی کنند، مشخصات موج را تعیین نموده، و ترکیب نیروهای امواج و جریان آب را بر روی سازه محاسبه کنند. در مکانیک خاک و پی برنامه هایی برای آنالیز شمع هایی با بارهای جانبی و قائم و بررسی مشخصات و شرایط شمع کوبی در خاکهای مختلف وجود دارد.

شرکتهای متعددی برنامه هایی خصوصی برای خود تهیه کرده اند که شامل محاسبات تنشهای مجاز برای هر عضو سازه ای مطابق با آئین نامه های طراحی می باشد.

آئین نامه های مورد استفاده در طراحی سکوهای دریایی بطور خلاصه شامل استانداردهای API, DNV, Noble Denton می باشد که امروزه در طراحی پروژه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

روش تحلیل شبه استاتیکی

پارامترهای دخیل در این محاسبه، ارتفاع و پریود موج و عمق آب می باشد محاسبه نیروی اعمال شده از طرف موج بر یک عضو استوانه ای بستگی به نسبت طول موج تقسیم بر قطر استوانه دارد و در مواقعی که این نسبت بزرگ نباشد فرض می گردد در موج حادث اثری ندارد. نیروی وارده از امواج بر استوانه در این حالت از مجموع نیروی پسا که به انرژی جنبشی آب بستگی دارد و نیروی ماند که به شتاب ذرات بستگی دارد بدست می آید این عوامل در فرمول موریسون داده شده است.

با در اختیار داشتن اطلاعات مربوط به موج طرح در منطقه نصب سکو از قبیل عمق آب،ارتفاع و پریود موج ونیز لحاظ نمودن تاثیرات جریانات دریایی  در پریود موج و با در نظر داشتن قطر اعضا مورد نظر، اطلاعات موج با جدول مندرج در آئین نامه API سنجیده و با تئوری موج مناسب می توان در یک نقطه مشخص از نظر مکانی و زمانی مشخصات موج و نیروی وارد بر عضو را مشاهده نمود و در حالت دیگر موج نسبت به عضو حرکت داده شود و در هر گام زمانی می توان پارامترهای بدست آمده از حل معادله موج و نیز نیروهای وارده و نیز ممان ناشی از موج را بر عضو مورد نظر، نتیجه گرفت.

فصل دوم

امواج دریا و نیروی وارد بر اعضا سکو

امواج دریا

در یک دسته بندی کلی امواج دریا را می توان به امواج کاپیلاری،‌ بدلیل تنش های سطحی ناشی از باد، امواج ثقلی، امواج اینرسی حاصل شده از نیروی دورانی کره زمین و امواج نجومی تقسیم بندی نمود.

امواج ممکن است پریودیک باشند،  یعنی الگوی حرکت و پروفیل سطحی آنها در فواصل زمانی متساوی تکرار  شوند. موجی که نسبت به یک نقطه ثابت حرکت کند پیشرونده و جهت حرکت آن جهت پیشرفت موج در نظر گرفته می شود. موج ایستا موجی است که هر نقطه آن فقط بالا و پائین دارد. اگر حرکت ذرات آب در هر پریود موج روی مسیری بسته یا تقریباً بسته انجام شوند،‌ امواج نوسانی یا تقریباً نوسانی خواهند بود

امواج ثقلی

مجموعه بزرگی از امواج دریا که شامل امواج ناشی از باد بر سطح دریا،  امواج حاصل از جزر و مد، امواج در بنادر، امواج حاصل از سیل رودخانه ها و بسیاری دیگر از امواج می شوند جزء امواج ثقلی می باشند .این امواج باعث بارهای نوسانی بزرگی بر کلیه سازه های دریایی می شوند و دارای اهمیت بسزایی در کلیه علوم مهندسی مربوط به دریا بخصوص سازه های دریایی هستند.

امواج ثقلی در مرز بین دو سیال با جرم حجمی های متفاوت بوجود می آیند و مکانیزم حرکتی آنها بر اثر تبدیل اینرسی سیال به انرژی پتانسیل و بالعکس می باشد. تحول فیزیکی بوجود آمدن امواج بوسیله باد و از بین رفتن آنها بر اثر استهلاک انرژی پیچیده است. هنگامی که باد بر سطح آزاد دریا می وزد طول بادگیری لازم است که امواج به تدریج بوجود آیند. این طول بادگیر فچ   نامیده می شود. با وزش باد امواج با دامنه کوتاه و تیز بوجود می آیند.این امواج که در منطقه وزش باد قرار دارند و کم کم به امواجی با دامنه بزرگ تبدیل می شوند، امواج محلی  نامیده می شوند. امواجی که پس از تولید از منطقه وزش باد دور می شوند و تحت وزش باد نمی باشند به امواج دورآ  معروفند. نهایتاً امواج بدلیل شکست و اصطکاک با هوا و اصطکاک درون آب , انرژی خود را از دست داده و مستهلک می شوند. در طبیعت امواج با جهات، پریودها و ارتفاعات متفاوت در یک منطقه از دریا روی می دهند که برآیند همه آنها امواجی خواهد بود بسیار پیچیده با ماهیتی اتفاقی  که می بایستی با روشهای آماری مورد مطالعه قرار گیرند [] برای فهم چنین امواجی آنها را حاصل امواج منظمی با قله های طولانی  در نظر می گیرند.

تئوری های ریاضی مختلفی برای بررسی این امواج وجود دارند که دارای دقتهای متفاوتی هستند. ساده ترین تئوری موجود،  تئوری امواج خطی است که در آن از خواص غیر خطی امواج صرف نظر شده است.

معادلات حاکم در تئوریهای امواج

یک دستگاه محور مختصات کارتزین ( x , y , z ) که جهت مثبت x  آن در جهت پیشرفت موج و جهت z آن از سطح آزاد آب و بطرف بالا و y  عمود بر صفحه xz  می باشد را در نظر می گیریم.

فرض می کنیم که موج دو بعدی در صفحه xz  واقع بوده و کف منطقه عبوری موج، صاف و افقی باشد و عبور موج پیشرونده حالتی دائمی و پایدار داشته و آب نیز دارای عمق  d باشد. همچنین فرض می کنیم که سیال غیر چسبنده، غیر چرخشی ( در سیالات هر ذره سیال نه تنها دارای حرکت انتقالی است بلکه خودش نیز حرکت چرخشی می باشد )  و تراکم ناپذیر است.

ارتفاع موج H فاصله عمودی قله و قعر، طول موج L فاصله قله های متوالی و پریود موج ( T ) فاصله زمانی است که از یک نقطه معین دو قله متوالی عبور می کند. سرعت موج ، سرعتی است که موج در سیال با آن حرکت کرده و برابر (C = L / T) می باشد. معمول است از فرکانس زاویه ای موج  ( = 2/ T  )  و عدد موج (K=2/ L )  و  ( C = /K )  نیز در محاسبات استفاده می شود[6].

معمولاً اجزاء موج را بنا به ( d , L , H  ) یا ( d , T , H  ) نشان می دهند. هدف بسیاری از تئوریهای موج تعیین C و بیان توصیفی از حرکت ذرات آب در سیال بدلیل موج می باشد.

از پارامترهای بدون بعد نیز در مشخص کردن ( تعریف ) یک موج می توان استفاده کرد. در این صورت ارتفاع موج را با  ( H / g T2 ) تندی موج را با ( H/L ) و عمق آب را بنا به ( d / g T2 ) ( پارامتر عمق ) یا (Kd ) یا ( d/L ) ( عمق نسبی ) می توان نمایش داد. موجی را که با ( d , T , H ) توصیف شده را می توان با ( d/gT2 ), ( H / g T2 ) بیان کرد.

جهت حل معادلات حاکم که شامل معادلات پیوستگی و حرکت می باشند تابع پتانسیل سرعت (  ) را که تابعی اسکالر است و مشتق آن در جهت های مختلف اجزا سرعت را در جهت های متفاوت بیان می کند، معرفی می کنیم

تراز سطح آزاد آب است که از سطح آرام آب (Z = 0  ) اندازه گیری می شود. معادله ‏2 3شرط مرزی در کف را بیان می کند و مبین عدم وجود مولفه سرعت عمود بر کف (درکف ) می باشد. ( معادله ‏2 4 ) و ( معادله ‏2 5 ) به ترتیب شرایط مرزی سینماتیکی و دینامیکی سطح آزاد سیال را بیان می کنند. شرط مرزی سینماتیکی سیال مبین این است که اجزائی از سرعت جریانی که عمود بر سطح آزاد هستند برابر سرعت سطح آزاد در همان جهت می باشند. از طرفی شرط مرزی دینامیکی بیان می کند که فشار در سطح آزاد سیال ( قابل بیان بنا به معادله برنولی )‌ ثابت می باشد و در نهایت ( معادله ‏2 6 ) مبین پریودیک بودن موج است. قابل توجه است که بعضی از فرضیاتی که در ( معادله ‏2 1 ) تا ( معادله ‏2 6 ) بکار رفته اند تحقق نمی یابند و شاید بتوان گفت غیر واقعی ترین فرضیات ثابت بودن عمق،  متناوب بودن موج و دو بعدی بودن حرکت ذرات باشد. قابل ذکر است که اکثر این فرضیات در همه تئوریهای امواج وجود دارند. از طرفی دیگر فرض غیر چرخشی بودن ذرات به جز در لایه های مرزی بالای سطح آب و کف منطقی و قابل قبول می باشد.

تئوری امواج دامنه کوتاه

دو مشکل عمده در حل دقیق و تحلیلی یک موج دو بعدی وجود دارد. اولین مشکل این است که شرایط مرزی سطح آزاد غیر خطی هستند و دیگر اینکه این شرایط در  = z در ابتدا نامعلوم هستند. راحت ترین و پایه ای ترین راه حل جستجوی یک حل خطی با فرض اینکه H   بسیار کوتاهتر از هر دو مقدار d , L است (H << L,d) می باشد. تئوری موجی که از این فرض بدست می آید «‌‌‌‌ تئوری موج با دامنه کوتاه »، « تئوری موج خطی »، « تئوری موج سینوسی » یا « تئوری موج ایری » نامیده می شود.

با فرض H << L  عبارات غیر خطی ( معادله ‏2 4 )، ( معادله ‏2 6 ) که در آن عبارات درجه بالایی از H وجود دارد، در مقابل عبارت خطی بر حسب H قابل صرف نظر کردن می شود و شرایط مرزی سطح آزاد بطور مستقیم و تراز سطح آرام آب (Z = 0  ) قابل اعمال می باشد. برای موج با دامنه کوتاه شرایط سطح آزاد آب بصورت زیر می تواند ساده شود.

که A1 و A 2 و A 3 و A 4  ثابتهایی هستند که توسط شرایط مرزی تعیین می شوند. زمان ( t ) وقتی صفر می شود که یک تاج موج از صفحه عبور می کند.

بنابراین از ( معادله ‏2 10 ) نتیجه می شود که 0 = A 3 می باشد و بنا به ( معادله ‏2 3 ) داریم A1 = A 2 و با جایگزینی مقادیر فوق برای تابع پتانسیل سرعت به رابطه زیر می رسیم.

تشریح نتایج

حال که   بدست آمده است بقیه متغیرهای مورد علاقه به سادگی بدست می آیند.  را می توان از (معادله ‏2 10 ) بدست آورد. u و w (‌مولفه های افقی و قائم سرعت لحظه ای ذرات ) بنا به مشتق مناسبی از  , مولفه های شتاب با مشتق زمان u و w و جابجایی های افقی و عمودی ذرات از انتگرال گیریu  و w روی زمان بدست می آیند.

روابط ( معادله ‏2 21 ) و ( معادله ‏2 22 ) مبین این حقیقت هستند که ذرات در مسیرهای بیضوی بسته ای حرکت می کنند مقادیر سرعت افقی و ( جابجایی ) با افزایش عمق کاهش می یابد

]با وجود[ cosh ( k ( z+d ) ) . در عین حال سرعت عمودی و جابجایی نیز با افزایش عمق کاهش می یابد  ]با وجود[ sinh ( k ( z+d ) )  .پروفیل های جابجایی برای آب عمیق، متوسط وکم عمق در شکل  ‏2–3 نمایش داده شده است.

در آب با عمق متوسط، با افزایش عمق دامنه ها کمتر و حلقه ها مسطح تر می شوند. تا اینکه در کف، مطابق شرایط مرزی اجزاء عمودی جابجایی محو شوند. در آب کم عمق با افزایش عمق مقدار دامنه ها که بیضوی هستند با آرامی کاهش می یابند. در آب عمیق مسیر و حرکت ذرات دایره است و با افزایش عمق دامنه مسیر حرکات بصورت توانی کاهش می یابد و در عمق Z = -L / 2 دامنه حرکت چهار صدم تعداد دامنه حرکت در سطح آب می شود. پس می توان گفت که حرکات ناشی از موج فقط تا نصف طول موج زیر سطح آزاد آب موثر است.

در امور مهندسی یک موج طرح با d , H , T  مشخص می شود. بنابراین مقادیر همه اجزاء لازم قابل استخراج می باشد.

تئوری موج استوکس

تئوری موج خطی که در بخش قبلی به بیان آن پرداختیم ساده ترین روش برای تقریب موج می باشد و شامل یک جز فرکانس بوده که توسط یک موج سینوسی با فرکانس  بیان می شود.

استوکس فرض کرد که معادله سطح آب بصورت یک سری بوده و جملات سری با افزایش تعدادشان همگرا می شوند و در این صورت فقط ترمهای درجه اول و دوم تابع پتانسیل سرعت اختیار می شود. در موج استوکس قله ها تیز تر و قعرها سطح تر از موج سینوسی می باشد ( در عمل موجهای اقیانوسی هم به همین صورت هستند). استفاده از این تئوری در آبهای کم عمق توصیه نمی شود و بهتر است که از تئوریهای دیگر استفاده شود.

فرمولاسیون تئوری موج استوکس

که   پارامتر تغییرات جزئی می باشد. همه متغیرهای مشارکت کننده در ترمهای مختلف سری ( …  2  و  1 ) دارای بزرگی یکسان می باشند، بنابراین مقدار هر جمله سری کمتر از جمله قبلی می باشد ( مقدار کم شدگی متناسب با درجه   می باشد ). با جایگزینی معادله ‏2 21 در معادلات حاکمی که قبلاً بیان شد می توان به حل های دارای درجه بالاتر رسید.

با جایگزینی معادله لاپلاس 2-21  و شرایط مرزی درکف و با دسته بندی ترمهای دارای عبارت.. و    به ترتیب به معادلات زیر برسیم.

همانطورکه مشاهده شد شرایط مرزی در کف براحتی قابل بدست آوردن هستند ولی در مورد سطح آزاد یکی از مشکلاتی که وجود دارد غیر خطی بودن شرایط مرزی و نامعلوم بودن سطح آزاد در شرایطz =     می باشد. شرایط مرزی سطح آزاد موجب یک جفت از معادلات که n   و   را بر حسب    بیان می کنند , می شوند.

برای داشتن شکل مناسب تر می توان معادلاتی را که    رامی دهند جداسازی کرد و شرایط سطح آزاد آب را بصورت زیر نوشت.

(معادله ‏2 33) بیان می کند که    بطور مستقیم بنا به عباراتی از    قابل بیان است. همچنین در صورت معلوم بودن   بنا به (معادله ‏2 34) می توان   را بدست آورد. بنا به مطالب فوق حل کاملی از تئوری استوکس مرتبه دوم قابل بیان است. در صورت استفاده از پنج جمله در تعریف تابع پتانسیل سرعت و انجام محاسباتی همانند محاسبات توضیح داده شده در تئوری استوکس مرتبه دوم می توان به روابط استوکس مرتبه پنجم رسید.

اسکاجلبویا  و هندریکسون  (1960) تئوری موج استوکس درجه پنجم را حل کردند [7] و از آن به بعد این تئوری بطور وسیعی در امور مهندسی مورد استفاده قرار گرفت. تابع پتانسیل سرعت بصورت جمع پنج جزء بصورت زیر است ( که   می باشد ).

بامشخص شدن kd  و ضرایب     بنا به ( جدول  ‏2 1 ) می توان همه متغیرهای مورد نظر را محاسبه نمود. در عمل اجزا افقی و قائم سرعت و شتاب و فشار سیال بیشتر مورد نیاز می باشند.

استفاده از تئوری موج استوکس مرتبه پنجم مشکل نبوده و می توان برای یک موج طرح داده شده (d , T , H) مقادیر    و kd  را از حل عددی ( معادله ‏2 38 ) و( معادله ‏2 39) بدست آورد و بنا به kd و ثابتهای C , B , A  و بر اساس    مقادیر    را مشخص نمود , سپس بنا به ( جدول  ‏2 1) اجزا شتاب و سرعت و... را در هر نقطه و در هر لحظه از زمان محاسبه کرد.

در جدول  ‏2 1,  s = d + z   می باشد.

تئوری استوکس مرتبه دوم

تابع پتانسیل سرعت را می توان بصورت … +  2  2+  =  1  در نظر گرفت و اگر در استخراج روابط دو جمله از  را در نظر بگیریم نتایج حاصل تحت عنوان تئوری استوکس مرتبه دوم شناخته می شود.

رابطه پراکندگی  در این حالت همان رابطه پراکندگی تئوری خطی می باشد و بصورت زیر است :‌

در اینجا نیز با مشخص بودن d , H , T بنا به رابطه پراکندگی k را می توان بدست آورد.

تئوری استوکس مرتبه پنجم

اگر در تابع پتانسیل سرعت (   ) پنج جمله را در نظر بگیریم و نتایج مورد نیاز را بدست آوریم , نتایج بدست آمده تحت عنوان تئوری استوکس مرتبه پنجم بیان می شود. خواص موج بنا به تئوری مرتبه پنجم استوکس در جدول 2-1 موجود می باشد. همانطور که مشاهده می شود برای استفاده از جدول  ‏2 1 نیاز به پارامترهای kd  و    می باشد که با حل توام دو معادله زیر آنها را می توان بدست آورد. سایر تئوریهای امواج

بجز تئوریهای خطی و استوکس که به آنها پرداختیم , تئوریهای دیگر هم وجود دارند که به آنها اشاره می کنیم. در آبهای کم عمق از تئوریهای همچون هیپربولیک یا کنوئیدال  و یا روشهای عددی می توان استفاده کرد. قابل توجه است که روش کنوئیدال بر مبنای تئوری موج بوزینسک و بازنویسی معادلات کلی استوکس برای حالت آب کم عمق بدست آمده است. از تئوری تابع جریان  نیز برای هر نوع عمق آب می توان استفاده کرد. در مورد سکوهای دریایی تئوری موج خطی و استوکس مناسب می باشند و اکثر تحقیقات و ارائه ضرائب بر مبنای این تئوریها انجام شده است و همچنین در مطالعات و تحقیقات آماری و احتمالاتی از تئوری خطی استفاده می شود.

محدوده کاربرد تئوریهای مختلف

گرافها و نمودارها و توصیه های زیادی جهت بیان محدوده قابل استفاده هر یک از تئوریهای فوق الذکر وجود دارد که در اینجا شکل موجود در آئین نامه موسسه نفت آمریکا  ارائه می گردد که بنا به عمق آب , ارتفاع و پریود موج تئوری غالب را نتیجه می دهد ( شکل  ‏2–4 ).

جریانهای دریایی

میدان جابجایی تقریباً یکنواخت ناشی از اثر جزر و مد , اثر باد و تخلیه جریان رودخانه ای , جریان نام دارد. عمده ترین جریانهای مورد بررسی از مهندسی سازه های دریایی جریان ناشی از جزر و مد و باد است که بر اثر عمل پس کشیدگی باد بر روی سطح آب ایجاد می شود. این دو جریان افقی فرض می شوند و با عمق تغییر می کنند.

اندازه و جهت جریان جزر و مدی در سطح آب از اندازه گیری در محل تعیین می شود. در هنگام جزر و مد جهت جریان معکوس می شود. سرعت جریان ناشی از باد معمولاً 1 %  سرعت باد در ارتفاع 10  متری بالای سطح آب فرض می شود.  جهت جریانهای جزر و مدی ممکن است نسبت به موج زاویه دار باشد. اما جریان ناشی از باد درهمان جهت حرکت موج است.

توزیع های مختلفی بنا به آئین نامه های طراحی می توان جهت تعیین پروفیل جریان بکار برد. در یک توزیع می توان فرض کرد که جریان ناشی از جزر و مد در عمق با توان یک هفتم و جریان ناشی از باد بصورت خطی تغییر می کند. شکل  ‏2–5 این تغییرات را نشان می دهد.

بجز جریانهای فوق الذکر در صورت وجود جریانهای ثابت دریایی یا اقیانوسی این جریانها نیز باید در نظر گرفته شود.

اندرکنش موج با جریان

در صورت وجود توام موج و جریان درجهت انتشار موج کشیدگی در طول موج و در صورت متضاد بودن آن فشردگی در طول موج را داریم و پریود موج نسبت به حالتی که جریان وجود ندارد تغییر می کند.  در آئین نامه موسسه نفت آمریکا برای در نظر گرفتن اثر فوق الذکر توصیه می شود که پریود موج توسط پریودی بنام پریود ظاهری Tapp جایگزین شود و محاسبات سینماتیک موج با Tapp انجام گیرد. مقدار Tapp را بنا به شکل  ‏2–6 می توان بدست آورد که VI مولفه جریان در جهت موج و d عمق طراحی آب است.

قابل توجه است که نمودار اخیر در حالتی معتبر است که جریان در 50 متر بالای آب یکنواخت باشد.

فصل سوم

تحلیل سکوهای دریایی تحت اثر امواج

مقدمه

محاسبه نیروی موج روی یک سازه دور از ساحل یکی از اهداف اولیه در طراحی سازه و در عین حال یکی از مشکل ترین مراحل می باشد. زیرا شامل پیچیدگی اندرکنش موج و سازه می شود. به علاوه طبیعت تصادفی امواج دریا و عدم توانایی تئوریهای موج ( حتی غیر خطی ها ) در ارائه حل های دقیق و حقیقی مشکل را افزون ساخته است. ولی حداقل تعدادی از تئوریهایی که هم اکنون استفاده می شود با توجه به مفهوم اندرکنش موج و سازه بوده و درستی خود را در آزمایشگاه و سایت نشان داده اند. آنالیز وتحلیل سکوها، تحت اثر امواج را میتوان بعد از محاسبه نیروی امواج انجام داد. در این قسمت از دستورالعمل با معرفی معادله موریسون، نحوه محاسبه بار موج وارد بر یک سیلندر را در شرایط مختلف شرح داده و توضیح مختصری درباره سایر بارهای محیطی وارد بر جاکت سکوهای شابلونی آورده شده است. سرانجام آنالیزهای مختلفی را که برای تحلیل سکوها در برابر بارگذاری امواج وجود دارد، در ادامه بطور مفصل تشریح شده اند..

رابطه نیروی موج

همانطور که قبلاً گفته شد انواع متعددی از سازه های دور از ساحل وجود دارد , همچون جکتها که دارای اعضاء استوانه ای کوچک هستند و یا سازه های وزنی حجیم که شامل اجزا بزرگ و به همراه بادبندهای کوچک هستند و یا سکوهای پایه کششی که دارای اعضاء مورب، افقی وعمودی با مقطع دایره ای یا مربع می باشند. بنا به اندازه و نوع اعضاء سازه های دور از ساحل فرمولهای مختلفی برای اعمال نیروی موج می توان بکار برد. نیروی مورج روی سازه های دور از ساحل بنا به سه روش زیر محاسبه می شود.

برای فهمیدن اینکه درکجا می توان از این سه تئوری استفاده کرد یک تحلیل ابعادی باید انجام شود. نیروی موج  f  به یک جز سازه به قطر D  اعمال می شود ممکن است بصورت تابعی از پارامترهای زیر نوشته شود.

که t زمان و T  پریود موج , L  طول موج و U0 حداکثر سرعت افقی ذرات آب و    جرم حجمی آب و     کینماتیکی می باشند ( شتاب ذرات آب بنا به سرعت قابل محاسبه است ).

در یک سیستم M-L-T  تئوری Pi  باکینگهام تولید 5 کمیت بدون بعد از 8 کمیت فوق می کند. نیروی بدون بعد بنا به تابعی از چهار کمیت بدون بعد قابل بیان است.

معادله موریسون

برای قطرهای کوچک   معادله موریسون جهت بدست آوردن نیروی حاصل از امواج بر روی المان بکارگرفته می شود. اساس این فرمول بر آنست که قطر المان نسبت به طول موج کوچک بوده و در نتیجه شکل موج بر اثر اصابت با المان تغییر نکند. این معادله در سال1950 توسط موریسون پیشنهاد شد و در آن فرض می شود که دو جز ناشی از نیروی اینرسی و دراگ بصورت خطی با هم جمع بسته شوند. موریسون معادله اش را برای توصیف نیروی افقی موج که روی یک شمع عمودی که از کف تا سطح آب ادامه داشت بکار برد.

دلیلی که وجود جز اینرسی را در فرمول نشان می دهد می تواند بصورت زیر بیان شود :

اولاً، در صورت عدم وجود جسم , سیال دارای شتابی می باشد که ممنتمی را حمل می کند. ثانیاً بدلیل وجود جسم الگوی شتاب عوض می شود که تغییر الگوی شتاب نیز موجب بوجود آمدن ممنتم می شود. حال انتقال ممنتم ناشی از دو دلیل فوق به عضو موجب اعمال نیرویی به عضو می شود که آنرا نیروی اینرسی می نامند. این نیرو بستگی به شتاب ذرات آب در مرکز عضو ( در صورت عدم وجود عضو ) دارد و برابر است با :

دریک جریان با شتاب یکنواخت ضریب اینرسی برای مقاطع دایره ای برابر (1.6- 2)  است. مفهومی که وجود جزء دراگ را الزامی می سازد وجود ناحیه ای دنباله ای بنام ویک  در پائین سیلندر است و یک ناحیه کم فشار در مقایسه با فشار بالا دست است. بنابراین یک تفاوت فشار بدلیل  ویک بین بالا دست و پائین دست بوجود می آید

حرکت ذرات آب تحت امواج در یک پریود موج نوسان کننده است. بنابراین پائین دست سیلندر در هر نصف سیکل عوض می شود. تفاوت فشار موجب اعمال یک نیرو در جهت سرعت ذره آب بنام دراگ می شود که متناسب با مربع سرعت ذرات آب است. نماد قدر مطلق برای بیان هم جهت بودن جهت سرعت و جهت اعمال نیرو بکار می رود و داریم :

در یک جریان یکنواخت مقادیر ضریب دراگ ( در حالت جریان پایدار ) Cd به عدد رینولدز و زبری سیلندر بستگی دارد. در شکل 3-3  برای سیلندرهای صاف تا زیر مقادیر Cd که توسط آزمایش بدست آمده , نشان داده شده است.

فرمول موریسون یک فرمول تجربی است. بنابراین کاربرد آن در یک جریان پیچیده سئوال برانگیز است. کوشش ها جهت بدست آوردن فرمولهای جدید تاکنون رضایت بخش نبوده است. مطالعات آزمایشگاهی وسیعی در سایت و آزمایشگاه روی تعیین مقادیر Cd  و Cm  انجام شده است. می توان گفت که این ثابتها حداقل توابعی از عدد رینولدز , کولگان کارپنتر , پارامتر زبری و پارامتر اندرکنش می باشند. بجز در محدوده خاصی از محور kc  فهم ما از مقادیر این ضرایب خوب است.

تاثیرات کف دریا

برای طراحی و بررسی لوله های نفت کف دریا , تاثیرات کف دریا بر نیروهای وارد بر آنها قابل توجه بوده و بایستی مد نظر قرار گیرد. این لوله ها معمولاً در فاصله کمی نسبت به کف دریا قرار می گیرند و بنابراین تقارن جریان در اطراف آنها از بین می رود. آزمایشات انجام شده نشان می دهد که هنوز معادله موریسون را می توان در این حالت بکار برد ولی ضرایب دراگ و اینرسی بستگی زیادی به فاصله لوله از کف دریا خواهد داشت. این مطلب درمورد المانهایی که مقداری در کف دریا فرو رفته اند ( مثل پایه سکو ) نیز صادق است و در هر حال بررسی دقیق نیاز به انجام آزمایش مناسب با حالت مورد نظر دارد. البته ضریب اینرسی را از طریق تئوریهای شکست نیز می توان محاسبه نمود. برای مثال یاماموتو برای لوله ای که در تماس با کف دریا باشد مقدار  29/3 = Cm و برای لوله ای که به اندازه قطرش از کف دریا فاصله داشته باشد 2 = Cm  را بدست آورده است. در هر حال بهترین راهنمای عملی در این زمینه توسط موسسه رده بندی دت نورسک وریتاس  ارائه شده است.

اثرات اندرکنش سازه

این حالت وقتی بوجود می آید که چندین جز سازه دور از ساحل در کنارهم باشند و در این حالت معمولاً در جاکتها و رایزرها دیده می شود و ضرایب هیدرودینامیکی یک رایزر وابسته به محل آن در دسته رایزرها می باشد. آزمایشان زیادی جهت مطالعه این مورد خاص انجام شده است. در بیشتر این آزمایشات رایزرها در یک آرایش دایره ای بوده اند و با توجه به تعداد و فاصله رایزرها در دایره Cm  و  CD  افزایش یافته است. ضریب دراگ و اینرسی در یک مخزن موج برای یک آرایش خطی دو  , پنج سیلندری ( با سیلندرهای قائم ) که فاصله سیلندرها متغیر و بین 4 تا 1/0 قطر بوده است , بدست آمده است. این ضرایب در شکل  ‏3–5 موجود می باشد.

نتایج نشان می دهد که برای فواصل نسبی کوچکتر از 3/1 در Cm  و CD افزایش داریم و تغییر فاصله نسبی از 3/1  تا 1/1 در یک آرایش خطی 5 سیلندری ضریب دراگ را دو برابر و ضریب اینرسی را سه برابر می کند. برای فاصله نسبی بزرگتر از 2 ضرایب همانند حالت یک سیلندری می باشند.

روئیدنی های دریایی

روئیدنی ها و جانوران دریایی که به سکو می چسبند بسته به شدت جریان آب دریا و درجه حرارت آب مقدارشان متفاوت می باشد هر چه سرعت جریان بیشتر باشد مقدارشان کمتر است و تقریبا همیشه وجود دارند. در محاسبه نیروی امواج بر روی سکو تغییر ایجاد می نمایند که باید در محاسبات در نظر گرفته شود زیرا بر قطر اعضاء می افزاید و نیروی پسا را افزایش می دهد و همچنین بر عدد رینولدز و در نتیجه بر ضرایب هیدرودینامیک اثر می گذارد.

اختصاص مقادیر مناسب ضرایب هیدرودینامیکی جهت طراحی

هم اکنون می توان مقادیر Cm  و CD و CL را با اطمینان در مورد یک سازه دور از ساحل بدست آورد. طراحان باید در هنگام اعمال نتایج حاصل از آزمایش به موارد عملی دقت بسیار زیادی بکار بندند. موسسات مختلف قوانین خاصی برای خودشان در اختصاص دادن مقادیر عددی به ضرایب هیدوردینامیکی دارند که به بیان تعدادی از آنها می پردازیم.

پیشنهاد انستیتوی نفت آمریکا

در آئین نامه انستیتوی نفت آمریکا آمده است که از فرمول موریسون جهت محاسبه نیرو روی اعضاء سازه می توان استفاده کرد و مقادیر Cm  و CD به ترتیب بین 2 تا 5/1 و 1 تا 6/0 می باشند. ( برای سیلندر صاف مقادیر CD  و Cm به ترتیب 6/0 و 5/1 و برای سیلندری زبر 1 و 2 می باشند ) و همچنین اگر پریود سازه به پریود موج طراحی نزدیک باشد آنالیز دینامیکی لازم است. Error! Reference source not found.]

پیشنهاد انستیتوی بریتیش استاندارد

مطابق این آئین نامه از فرمول موریسون با مقادیر مقتضی ضرایب هیدوردینامیکی می توان استفاده کرد. اگر از تئوری موج استوکس مرتبه پنجم استفاده شود در ناحیه اسپلش 8/0 = cD  و در نواحی دیگر 6/0 می باشد و 2= cm  است مگر اینکه تئوری شکست مقادیر کوچکتری را نشان دهد و برای تئوری ایری 1 = cD  می باشد.  برای اعضاء ضخیم آنالیز تئوری شکست برای تعین Cm  توصیه می شود و برای اعضاء باریک 2 = Cm  می باشد و نیروی ناشی از برخود سطح آزاد سیال با سطح جسم با توجه به 5/3 = cD تعیین می شود.

پیشنهاد موسسه رده بندی نروژ

مطابق این آئین نامه اگر   باشد ( a شعاع عضو است ) می توان از معادله موریسون استفاده کرد و مقادیر Cm  برای اجسام دو و سه بعدی بنا به تئوری پتانسیل بدست می آیند.

همچنین این آئین نامه مقادیر CD  را برای سیلندر صاف و زیر در جریان دائم می دهد. در جریان نوسان کننده   می باشد. در صورت وجود موج ضرایب هیدوردینامیکی توابعی از اعداد kc , Re و زبری هستند. ضریب نیروی ناشی از برخورد سطح آزاد سیال با سطح جسم در ناحیه اسپلش برای سیلندر افقی حداقل باید 3 باشد و اثرات نوسانات گردابه ها باید منظور شود.

سایر بارهای محیطی وارد بر جاکت سکو

نیروی اسلمینگ

نیروهای ناشی از اسلمینگ نیروهایی است که در هنگام برخورد سطح آزاد سیال با سطح جسم بوجود می آیند. المانهای نزدیک به سطح آزاد همیشه تحت چنین شرایطی قرار دارند چرا که بر اثر تلاطم سطح دریا , دایماً سطح آزاد آب به آنها برخورد می کند. نیروهای ایجاد شده از اسلمینگ در واحد طول المان را می توان بصورت زیر در نظر گرفت.

که در این فرمول r شعاع المان , u سرعت برخورد ,   جرم حجمی سیال و Cs ضریب اسلمینگ است. مقادیر بسیار متفاوتی برای Cs توسط ون کارمن بوده است که مقدار   را برای Cs  بدست آورده است.

تحقیقات تجربی نیز در این زمینه انجام یافته است ولی به علت جدایی شدید بعد از برخورد و تاثیر پاسخ دینامیکی وسایل آزمایش , یافتن مقادیر Cs از آزمایش چندان ساده نبوده است و برای همین تفاوتهای زیادی در مقادیر انتشاریافته دیده می شود. در هر حال تحقیقات میلر مقدار 5/3 را برای این ضریب پیشنهاد می کند که به نظر مناسبترین مقدار برای تخمین نیروی اسلمینگ است.

نیروی شناوری

وزن سیال و حرکت آب ناشی از موج باعث وارد شدن نیروهای فشاری بر عضو کامل و یا نیمه مستغرق می شود.نیروی ناشی از فشار در ارتباط با اثر موج در رابطه کلی موریسون منظور شده است. نیروی اضافی شناوری از فشار هیدوراستاتیکی P ایجاد می شود

نمایانگر وزن واحد حجم آب h عمق آب و y فاصله قائم از کف دریاست. حتی بدون اثر موج نیروی شناوری وارد می‌شود و باید بطور مجزا بررسی شود. جسمی اختیاری با سطح مقطع dA و فاصله y2 , y1  را در نظر می‌گیریم. در اینصورت فرآیند نیروی قائم بصورت زیر است.

می باشد که B حجم آب جابجا شده است و برآیند نیروی افقی وارد بر سازه صفر است. فشار هیدرواستاتیکی باعث می‌شود که نیروی قائم رو به بالا مساوی وزن سیال جابجا شده بر عضو وارد شود. ( اصل ارشمیدس ).

اگر عضو نیمه مستفرق هم باشد نتیجه فوق صادق است. برای منظور نمودن نیروی شناوری وارد بر سکوی دریایی می‌توان وزن سازه را با آن ترکیب نمود و نتیجه را بصورت وزن موثر وارد نمود.

اگر W وزن سازه در هوا و W وزن موثر سازه باشد داریم   که این معادله مربوط به تمام سازه است.

نیروی یخ

در مناطق قطبی ورقه های ضخیم یخ به همراه جزر و مد حرکت نموده و به پایه  سکوی دریایی برخورد می کنند. این برخورد نیروی قابل توجهی به سازه وارد می کند.

معادله زیر میزان نیروی ناشی از برخورد یخ بر پایه سکو را معین می کند.

مقاومت خرد شدن یخ،   ضریب نیرو،   سطح در تماس با یخ است. مقدار متوسط از 0.3 تا 0.7و   از 200 تا 500   است. در صورت دسترسی نداشتن به اطلاعات تجربی می توان از  350  استفاده نمود که بیشترین نیروی وارده را بدست می دهد. برای لایه ای از یخ به ضخامت  که به شمعی به قطر  برخورد می کند، حداکثر مساحت  برخورد مساوی  است. از آنجا که جزر و مد می تواند در سطح آب تغییرات قابل ملاحظه ای ایجاد کند، علاوه بر مقدار نیروی ناشی از یخ باید محل اعمال آن را نیز بررسی نمود.

بارگذاری لجن

لغزش لجن در بعضی مناطق دریایی به خصوص در مناطق دلتایی فعال که مرتبا رسوبات رودخانه ای اضافه می شوند به سازه ها نیرو وارد می کند.

نیروی  بر واحد طول شمع که در خاک لغزنده واقع باشد به صورت زیر بیان می شود:

ضریب نیرو،   مقاومت برشی خاک،  قطر شمع است. مقدار  از 7 تا 9 متغیر است. مقاومت برشی رسوبات نرم در آزمایشگاه از نمونه های خاک منطقه به دست می آید. این مقدار از 100 تا 200  متغیر است.

رسوبات نرم معمولا تا عمق قابل توجهی زیر کف دریا ادامه دارند، بنابراین بارگذاری لجن و شمع به صورت نیروی گسترده منظور می شود. این خصیصه نیروی ناشی از لجن مخالف نیروی ناشی از یخ است که به علت ضخامت کم یخ به صورت متمرکز وارد می شود.

جزر و مد

یکی از عوامل مهم موثر بر طراحی سکو جزر و مد می باشد که تقسیمات آن به شرح زیر است

1_ جزر و مد ناشی از اثرات ماه یا نجومی

2_ جزر ومد ناشی از باد

3_ جزر و مد ناشی از اختلاف فشار

که مجموعه اینها به نام جزر ومد طوفانی نامیده می شود. در طراحی سکوهای ثابت جزر و مد طوفانی با امواج طوفانی به صورت بر هم نهی در نظر گرفته می شود.

زلزله

بررسی زلزله شناسی در اطراف محل نصب سکو، از قبیل روانی خاک و لغزشهای زیر دریایی، فاصله محل نصب سکو تا گسلها، مشخصات حرکت زمین که انتظار می رود در طول عمر سکو ایجاد گردد و ریسک زلزله متناوب با نحوه عملیات مورد نظر بر روی سکو باید صورت گیرد و سکوهای نصب شده در عمق کم که در معرض امواج سونامی قرار می گیرند باید در مقابل نیروی ناشی از امواج سونامی محاسبه گردند.

انواع آنالیز سکوها در برابر بارگذاری امواج

تقسیم بندی پروسه های متعین و تصادفی

بطور کلی پروسه‌ها به دو دسته متعین و تصادفی تقسیم می‌شوند. پروسه‌های متعین در هر زمانی‌، مشخص و قابل تعیین هستند در صورتیکه یک پروسه تصادفی بطور نامنظمی نسبت به زمان متغیر بوده و مقدار لحظه‌ای آن قابل پیش‌بینی نمی‌باشد.

پیچیدگی و غیر خطی بودن سطح آب دریا عمده‌ترین دلیل برای پیشرفت کند روشهای تخمین و تعیین میزان نیروهای حاصل از امواج و جریانهای دریایی است. بنابراین لازم است توصیفی هرچند کوتاه درباره آن بیان شود.

همانطور که اشاره شده بود تنش برشی ناشی از وزش باد روی آب جریانی را تولید می‌کند که با عمق متغیر است و با سایر امواج کنش دارد. بطور کلی سیستم واقعی موج متشکل از تعداد زیادی از مقادیر فرکانس‌ها و جهات انتشار است و در نتیجه آنهاست که دو سیستم را برای امواج در نظر می‌گیریم. بدین صورت که اگر جهات انتشار امواج زیاد باشد سیستم تاج کوتاه  و اگر انتشار موج منحصراً در یک جهت باشد سیستم تاج بلند  تشکیل می‏شود.

با اینکه حالت واقعی سطح آب پیچیده است، اگر مساله موج خطی باشد، حل مقادیر سرعت و شتاب مربوط به آن بصورت مستقیم خواهد بود. در واقع تشریح حالت غیر خطی امواج است که نیاز به کار تقریبی دارد.

در اعماق آب،‌ کافی است بدانیم که در روابط ریاضی مربوط به مسائل امواج و در اعماق آب،‌ هر دو شرایط مرزی در سطح آب غیر خطی هستند. از اینرو اگر این عوامل غیر خطی در نظر گرفته شوند، مانعی جهت جمع خطی این مقادیر خواهد بود. جهت آشکار شدن تفاوت بین این مقادیر حاصل از حالت غیر خطی و خطی در محاسبات مثالی می زنیم : فرض گیرید یک سیستم خطی متشکل از 20 فرکانس و 10 جهت به ازای هر فرکانس است که در سیستم غیر خطی درجه دوم تعداد حالات4000 = 2] (10) × ( 20 ) [ بوده در حالیکه همان سیستم بصورت خطی تنها 200 =  (10) × ( 20 ) حالت تولید می کند.

بدلیل همین پیچیدگی ارتباط میان توزیع انرژی موج در هر فرکانس و جهت انتشار و غیر خطی بودن آنها که قبلاً ذکر شد، دو روش جهت حل این مسائل ارائه شده است :

( 1‌ ) روش طیفی : در نظر گرفتن جمع اثر قوای خطی مقادیر مختلف فرکانس و/یا جهات موج

( 2 ) روش متعین : سیستم موج غیر خطی است ولیکن محاسبات با در نظر داشتن موج پایه تک که بصورت هارمونیک بلندتر شده و تمام توزیع‌ها در یک جهت است، انجام می‏شود.

البته باید در نظر داشته باشیم با هر روشی که بخواهیم محاسبات را انجام دهیم، نامنظمی امواج بسیار مهمتر از غیر خطی بودن آنهاست.

مقایسه روش طیفی در مقابل روش متعین :‌

مقالات و مباحث بسیاری درباره برتری‌های روش طیفی در مقابل روش متعین برای محاسبه نیروی امواج منتشر شده است[8]. این دو روش در اساس متفاوتند. در عین حال هر یک به نوعی در تلاش جهت نشان دادن ارتباط میان سطح آب دریا و نیروی حاصل از آن بر روی سازه می‌باشند.

برتری مهم روش طیفی آن است که مستقیماً و توامان متغیرهای سطح آب و مشخصه‌های جنبشی آن را در نظر گرفته و زمینه مناسبی را جهت نمایش شرایط دریا فرآهم می‌آورد. این روش منحصراً بر پایه شرایط خطی و/یا خطی سازی غیر خطی‌ها استوار است.[8]

در روش متعین متغیرهای مربوط به سطح آب دریا جهت بدست آوردن بیشینه ارتفاع موج در شرایط طوفان محاسبه می‏شود. بنابراین داشتن مشخصه‌های آماری امواج معین قبل از محاسبات روش متعین مطرح است. در تولید نیروی امواج بصورت متعین، شکل موج بصورت متقارن در نظر گرفته می‌شود، در حالیکه در روش طیفی تغییرات نیروی موج با توجه به پروفیل‌های غیر متقارن موج بصورت مستقیم و خودکار بدست می‌آید.

شرایط طراحی مربوط به طیف گسترده‌ای از امواجی که در جهات کمی منتشر می‌شوند و مربوط به آبهای عمیق هستند بهتر است با روش طیفی ارائه گردد و در عوض روش متعین برای امواج با طیف باریک و نزدیک مرحله شکست در آبهای نیمه عمیق و کم عمق مناسب است.[8]

البته در طراحی‌ها ارزنده‌تر آن است که مقادیر نیروها با هر دو روش محاسبه شوند و نتیجه بحرانی جهت طراحی برگزیده شود.

تشریح روشهای طیفی:

روشهای طیفی بطور کل موید نامنظی سطح آب دریا هنگام توزیع انرژی موج با در نظر داشتن فرکانس و جهت انتشار آن است. روش طیفی بر پایه اصل جمع آثار قوا است در صورتیکه موج‌ها در واقع کاملاً خطی نیستند.

از آنجائیکه پروسه‌های تصادفی به صورت تابعی از زمان قابل تعیین نمی‌باشند ( برخلاف پروسه‌های متعین ) بوسیله پارامترهای آماری نظیر میانگین، انحراف معیار و یا تابع چگالی احتمال توصیف می‌گردند. اگر این پارامترهای آماری نسبت به زمان، ثابت باشند پروسه پایا نامیده می‌شود. اکثر پروسه ها از جمله تغییرات سطح آب نسبت به زمان در طول مدت کوتاه و مشخصی ( حدود 3 تا 6 ساعت برای تغییرات سطح آب ) پایا می‌باشند.[7]

یکی از مهم ترین مشخصات آماری یک پروسه تصادفی، تابع چگالی احتمال آن است که بیانگر احتمال وقوع متغیر تصادفی (t)x در محدوده x و x+x وقتی   می‏باشد. متداولترین تابع چگالی احتمال، تابع چگالی احتمال نرمال یا گوسی است که به صورت زیر بیان می‌گردد :

در این رابطه   میانگین و x انحراف معیار متغیر تصادفی می‏باشد. بسیاری از پروسه‌های تصادفی موجود در مهندسی ( از جمله تغییرات سطح آب ) پایا و دارای میانگین صفر بوده و از توزیع گوسی تبعیت می‌کنند.

دامنه این پروسه‌ها نیز بطور دقیقی بوسیله تابع چگالی این احتمال رایس  توصیف می‏شود.

که در این رابطه  عرض باند بوده و در محدوده صفر تا یک قرار دارد.

در مورد پروسه‌های باند باریک  که  می‌توان از تابع چگالی احتمال رایله استفاده نمود که تقریب بسیار خوبی از تابع چگالی احتمال رایس برای مقادیر کوچک  می‏باشد.

انتگرال فوریه و تعیین چگالی طیفی

یکی از مهم‌ترین ویژگیهای پروسه‌های تصادفی محتوای فرکانسی آنهاست و اینکه شدت و ضعف این پروسه‌ها در چه محدوده فرکانسی می‏باشد. تحلیل فوریه روشی است برای تبدیل یک پروسه تصادفی پریودیک به مجموعه‌ای از پروسه‌های متعین که هر یک دارای دامنه و فرکانس مشخصی می‌باشند. دامنه هر فرکانس، نشان‌دهنده اهمیت فرکانس مربوطه در پروسه تصادفی است که طیف نیز از آن نشأت می‌گیرد.

واریانس یک تابع تصادفی با سطح زیر منحنی طیف انرژی آن برابر است و این یکی از مهمترین خواص طیف انرژی است که از آن بهره زیادی حاصل می‌گردد. طیف انرژی که تحت نام تابع چگالی طیفی نیز شناخته شده است به اختصار طیف نامیده می‏شود.

طیف موج و پارامترهای تعیین کننده آن

تغییرات سطح آب در هر نقطه به وسیله مجموعه‌ای از حالات دریا بیان می‏شود. حالت دریا به مدت زمانی اطلاق می‌گردد که بادی با مشخصات ثابت می‌وزد و ایجاد یک حالت در دریا می‌نماید که مشخصات ویژه و نسبتاً ثابتی دارد. در این مدت تغییرات سطح آب نسبتاً ثابت است. هر یک از حالات دریا ممکن است بین 2 تا 12 ساعت طول بکشد.

معمولترین روش تحلیل داده‌های موج روش قطع تراز صفر با شیب مثبت  است. در این روش متوسط تراز سطح آب تعیین شده و هر نقطه‌ای از سطح آب که در جهت بالا رفتن،‌ این تراز متوسط را قطع کند، در نظر گرفته می‏شود. زمان سپری شده بین دو نقطه متوالی، پریود موج و حداکثر فاصله قائم بین تاج و حضیض، ارتفاع موج می‏باشد ( شکل  ‏3–6).

رایج‌ترین بیان ارتفاع موج عبارت است از H33% که متوسط ارتفاع یک سوم بلندترین امواج در آمار مورد نظر است. این ارتفاع عموماً، ارتفاع عمده موج Hs نامیده می‏شود و تقریباً برابر با ارتفاع موجی خواهد بود که یک ناظر مجرب با مشاهده چشمی ارتفاع امواج در دریا، گزارش خواهد کرد.

اگر ارتفاع موج به صورت یک نمودار ارتفاع فراوانی ترسیم شود نتیجه خواهد بود که در آن P(H) فراوانی یا احتمال وقوع ارتفاع H می‏باشد. مساحت هاشور خورده در این شکل عبارت از یک سوم بالایی ارتفاع امواج بوده و ارتفاع عمده موج مربوطه، نشان داده شده است.

برای اهداف مهندسی، مناسب است که یک مدل توزیع ارتفاع امواج ناشی از طوفان ارائه گردد. این توزیع به بهترین شکل توسط توزیع احتمال رایله، تعریف می‏شود. استفاده از این توزیع نیازمند آن است که طیف موج دارای یک عرض باریک از فرکانس باشد.

هر یک از حالات دریایی توسط میانگین پریود قطع تراز صفر با شیب مثبت (Tz) ارتفاع عمده موج (Hs) و درصد زمان وقوع آن توصیف می‌شوند. البته در بعضی موارد ممکن است جهت انتشار موج نیز در بیان حالت دریا به کار رود. بنابراین با داشتن مشخصات هر حالت دریا می‌توان به دیاگرام پراکندگی محیط دریا دست یافت.

شکل واقعی طیف موج ناشی از باد به عوامل موثر در تولید آن نظیر سرعت، طول بادخیز، زمان تداوم و غیر بستگی دارد.  در هر حال شکل کلی معادله طیفی به صورت زیر است :

که در آن ضرایب A و B تنظیم‌کننده شکل و مقیاس طیف بوده و می‌توان آنها را به صورت تابعی از عوامل تولید موج یا به صورت تابعی از پریود و ارتفاع مشخصه موج ( Hs، Tz ) بیان نمود. در هر حال برای هر یک از حالات دریا می‌توان طیف موج مربوطه را به کمک روابط Jonswap، Pierson-Moskowitz یا روابط دیگر تعیین نمود.[7]

طیف پاسخ و نحوه تعیین آن

در بسیاری از مسائل مهندسی، ما با سیستمهای خطی روبرو هستیم که رابطه بین ورودی یا تحریک x(t) و خروجی یا پاسخ y(t) یک رابطه خطی با ضرایب ثابت است. مثالی از این سیستم، نیروی موج وارد بر اعضای سکو به عنوان تحریک و تغییر مکان در نقطه‌ای از سازه به عنوان پاسخ می‌باشد.

سیستمهای خطی بر پایه ارتباط ورودی‌ها و خروجی‌ها در حالیکه خروجی مستقل از بزرگی ورودی باشد مشخص و تعریف می‌شوند. برای مثال اگر بارگذاری نوسانی را برای یک فنر ساده در نظر بگیریم که دو برابر شود، بیشترین جابجایی حاصل از آن نیز 2 برابر خواهد شد. بیشترین تطابق را این سیستم در مورد نیروهای موج حاصل که از یک موج تک سویه خطی، در عمق آب h که با فرکانس معینی پخش می‌شود، دارد.[8]

نحوه تعیین تابع انتقال به نوع طیف ورودی و طیف خروجی بستگی دارد. بطور کلی هر نقطه از تابع انتقال از اعمال یکی از مولفه‌های فرکانسی پروسه ورودی با دامنه واحد بر روی سازه مورد نظر و تعیین پاسخ سازه ( که بستگی به نوع طیف خروجی دارد ) مشخص می‌گردد.

جهت تعیین پاسخ سازه از هر دو آنالیز استاتیکی و دینامیکی می‌توان استفاده نمود. تحلیل استاتیکی در مواقعی مجاز شمرده می‌شود که پریود طبیعی سازه با پریود تحریکات اعمالی فاصله زیادی داشته باشد، در غیر این صورت باید تاثیرات دینامیکی موج بر سازه، مورد توجه قرار گیرد.

طیف تنش ممکن است دارای دو یا چند پیک باشد. پیک اول اغلب متناظر با فرکانس حاکم موج بوده ( پیک استاتیکی ) و پیک دوم نظیر فرکانس طبیعی سازه ( پیک دینامیکی )‌ است.

روش طیفی کاهش یافته

آئین‌نامه‌ها معمولاً در مواردی که پریود سازه کمتر از 3 ثانیه و یا عمق آب کمتر از 150 متر باشد‌، استفاده از تحلیل استاتیکی را برای تعیین تابع انتقال مجاز می‌شمارند

در این حالت اثرات دینامیکی موج بر سازه باید به صورت ضریب بزرگنمایی دینامیکی منظور گردد. لذا پس از تعیین تابع انتقال استاتیکی، با فرض اینکه مود اول بیشترین تاثیر را در پاسخ سازه خواهد داشت بزرگنمایی دینامیکی مود اول به صورت تابعی از فرکانس موج محاسبه و در تابع انتقال و طیف موج ضرب می‏شود تا نهایتاً طیف پاسخ بدست آید. مزیت مهم این روش که به روش شبه استاتیکی نیز موسوم است کاهش زمان و هزینه‌های تحلیل می‌باشد. خلاصه‌ای از این روش در شکل 3-21آورده شده است.

ارتفاع موجی که در این روش برای هر فرکانس موج در نظر گرفته می‏شود، بزرگترین ارتفاع موج نشکسته است که از رابطه   بدست می‌آید. در نظر گرفتن این ارتفاع موج در محاسبات بسیار محافظه‌کارانه است.

تعیین ضریب بزرگنمایی دینامیکی با فرض سیستم یکدرجه آزادی نیز بر محافظه کارانه بودن این روش می‌افزاید :

که 1 فرکانس موداول سازه و  فرکانس موج است.

لذا در مواقعی که دقت زیادی مورد نیاز است، بهتر است از تحلیل دینامیکی استفاده گردد.

عوامل غیر خطی

امواج مهمترین عوامل ایجاد نیرو بر روی سازه‌های دریایی هستند. برای محاسبه نیروی حاصل از امواج ابتدا باید سرعت و شتاب ذرات موج را به صورت تابعی از زمان با استفاده از تئوری موج مناسب بدست آورد. سپس به کمک رابطه موریسون نیروی موج قابل تعیین است. به طور کلی سه عامل اصلی ایجاد رابطه غیر خطی بین ارتفاع موج و نیروی موج و نهایتاً پاسخ سازه عبارتند از :

استفاده از تئوری موج غیر خطی

محاسبه نیروی موج در تراز محلی به جای تراز متوسط آب

نیروی دراگ در رابطه موریسون

اگر رابطه بین پاسخ سازه و ارتفاع موج حقیقتاً خطی باشد، انتخاب ارتفاع موج برای فرکانس مورد نظر مهم نبوده و هر انتخابی، یک نتیجه واحد برای تابع انتقال بدست می‌دهد. اما در سکوهای موجود در آبهای کم عمق که ارتفاع موج با پاسخ سازه رابطه‌ای غیرخطی دارد انتخاب یک ارتفاع موج مناسب برای خطی نمودن این رابطه حائز اهمیت است. برای اطمینان بیشتر معمولاً از بیشترین ارتفاع موج نشکسته برای هر یک از حالات موج پایه استفاده می‏شود.

در نتیجه، نتایج حاصل بسیار دست بالا و محافظه کارانه می‌باشند زیرا ارتفاع موج حقیقی موجود در محیط دریا و طیف موج بسیار کوچکتر از بزرگترین ارتفاع موج نشکسته است.

تکنیک‌های مختلف خطی سازی نیروی دراگ

همانگونه که اشاره گردید نیروی دراگ یک ترم غیر خطی است که از مهمترین دلایل ایجاد رابطه غیر خطی به حساب می‌آید. البته در آبهای کم عمق که ناگزیر از بکارگیری تئوری موج غیر خطی هستیم این رابطه غیر خطی تشدید می‌یابد. لذا بهتر است جهت انجام تحلیل طیفی این رابطه به صورت خطی درآید.

در حالت معمولی نیروی دراگ همانطور که قبلاً نیز تشریح شده بود برابر است با :‌

و اگر بخواهیم آنرا خطی کنیم ترم CDL ( ضریب دراگ خطی ) را وارد می‌کنیم که خواهیم داشت:

شکل  ‏3–11نمایشگر تغییرات سرعت هارمونیک ساده‌ای است که مقایسه‌ای میان مقادیر دراگ درجه دوم با دو حالت خطی شده است که یکی از آنها با توجه به بیشینه مقدار حالت درجه دوم تنظیم شده و دومی با ضریب CDL خطی گشته است که در ذیل آورده شده است :

و توسط Borgman پیشنهاد شده است که در آن urms جذر میانگین مربعات سرعت نوسان است. [8]

تشریح روشهای متعین  ( قطعی ):

این روش که بعضی از آن به عنوان روش مجزا  نیز نام برده‌اند، یک روش ساده جهت آنالیز سازه‌های دریایی می‌باشد. در این روش به کمک دیاگرام توزیع ارتفاع موج در یک سال، برای هر ارتفاع دلخواهی از موج، تعداد سیکلهای بارگذاری در طول یکسال و نهایتاً در طول عمر سازه تعیین می‌شود. در اکثر موارد از دیاگرامهای پراکندگی که درصد وقوع طیف موجهای مختلف را نشان می‌دهند. برای تعیین تعداد امواج استفاده می‌شود. بدین ترتیب که از یک تابع توزیع احتمال که بطور دقیق بتواند توزیع ارتفاع موج را به کمک اطلاعات مربوط به هر طیف ( r،Tz،Hs ) توصیف نماید بهره گرفته شده و در آخر تعداد امواج نظیر ارتفاع مورد نظر تعیین می‌گردد. سپس برای هر ارتفاع موج، پریود مربوط به آن تعیین می‌گردد. هر یک از امواجی که دارای ارتفاع و پریود مشخص بوده و تعداد سیکلهای آن نیز به کمک دیاگرام توزیع ارتفاع موج تعیین گشته است به سازه مورد نظر اعمال شده و بزرگترین محدوده تنش‌ها مشخص می‌شود.

روش تاریخچه زمانی

در بین روشهای مورد استفاده‌، دقیق‌ترین روش بوده و جوابهای کاملی را نتیجه می‌دهد ولیکن بدلیل اینکه حافظه زیادی از کامپیوتر اشغال می‌نماید و عملیات مربوط به محاسبات بسیار وقت‌گیر است، معمولاً از آن در کارهای تحقیقاتی به عنوان یک مرجع ارزیابی نتایج روش‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روشهای تحلیل سکوها

در تحلیل سکوها معمولاً از روشهای شبه استاتیکی و دینامیکی ( در دامنه زمان  یا دامنه فرکانس )  استفاده می‌شود. روشهای شبه استاتیکی روشهای متعینی هستند، یعنی برای یک بارگذاری مشخص پاسخ سازه را بدست می‌آوریم. ولی روشهای دینامیکی می‌توانند غیر متعین باشند. در روشهای غیر متعین فرض بر این است که تاریخچه زمانی بارگذاری را قبل از روی دادن حالت دریای بحرانی نمی‌دانیم و برای بیان بارگذاری و پاسخ سازه از مفاهیم احتمالاتی استفاده می‌کنیم.

روش تحلیل شبه استاتیکی

سکوهای فولادی که در آبهای کم عمق مورد استفاده هستند را می‌توان با دقت خوبی به روش شبه استاتیکی تحلیل نمود، بدین ترتیب که نیروهای خارجی وارد بر سازه بصورت شبه استاتیکی اعمال می‌شوند و رفتار الاستیک سازه مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در این روش فرض بر این است که فرکانس طبیعی سازه به حد کافی از فرکانس امواج ( فرکانس تحریک ) فاصله دارد و بنابراین بزرگنمایی دینامیکی  تاثیر چندانی بر تنشهای محاسبه شده نخواهد داشت.

یک سکو ثابت فلزی در آب کم عمق و نیمه عمیق می‌تواند به ترتیب پریودهای تا 5/1 و 3 ثانیه داشته باشد در حالیکه در حالت بحرانی  پریود موج در حوالی 8 تا  15 ثانیه متمرکز است. سکو به بارگذاری ناشی از موجی که پریود آن به اندازه کافی از پریود طبیعی سازه فاصله داشته باشد پاسخی نزدیک به حالت استاتیکی می‌دهد ولی به قسمتهایی از بارگذاری که دارای پریودی نزدیک به پریود سکو، پاسخی دینامیکی خواهد داد.

زوال سینماتیک سیال با افزایش عمق موجب دخالت عمق آب در اهمیت پاسخ دینامیکی سازه می‌شوند به گونه‌ای که برای طول موج کمتر از %10 ارتفاع سازه اثر دینامیکی کاهش می‌یابد. پریودی که در صورت کمتر بودن پریود طبیعی سازه از آن می‌توان از اثرات دینامیکی صرف‌نظر نمود از رابطه ذیل بطور تقریبی بدست می‌آید.

که در آن رابطه d عمق آب و g شتاب جاذبه زمین است.

مراحل روش شبه استاتیکی را که در آئین نامه API آورده شده است به ترتیب زیر است :

1 ) تعیین اطلاعات لازم جهت طراحی ( اطلاعاتی همچون مشخصات موج و جریان و... ).

2 ) تعیین امتدادها و جهت‌هایی که موج به سازه اعمال می‌شود.

3 ) تعیین پریود ظاهری موج به علت اثر توأمان موج و جریان.

4 )‌ بدست آوردن سینماتیک ذرات آب بدلیل اثر موج.

5 ) اصلاح سینماتیک ذرات آب که در قسمت قبل محاسبه شده بود، بدلیل ثابت نبودن جهت امواج در دریا.

6 ) اصلاح سرعت جریان بدلیل کاهش آن در حوالی محل وجود سازه.

7 ) بدست آوردن سینماتیک ترکیبی موج و جریان.

8 ) افزایش سطح مقاطع سازه بدلیل وجود روئیدنیهای دریایی.

9 ) تعیین ضرایب نیروی دراگ و اینرسی مناسب بنا به حالات سیلندرها از نظر زبری و صافی.

10 ) کاهش ضرایب دراگ و اینرسی در مورد کانداکتورها.

11 )‌ مدل کردن اجزایی از سازه که در آب قرار دارند ( پله‌ها و پهلوگیرها  و آندها و کانداکتورها... ).

12 ) استفاده از معادله اصلاح شده موریسون ( حالتی که موج و جریان به سیلندر ثابت اعمال می‌شود ) جهت محاسبه نیروی اعمالی به اجزا سازه.

13 ) تعیین محلی برای پروفیل سطح آب نسبت به سکو که بنا به آن محل نیروهای وارد بر سازه محاسبه شده و طراحی صورت گیرد ( برای این کار پروفیل سطح موج را نسبت به سکو آنقدر جابجا می‌نمایند تا به حداکثر برش پایه یا لنگر خمشی برسند ).

روش تحلیل دینامیکی :

همانطور که قبلاً ذکر شد این روش به دو صورت انجام می‌گیرد یکی در دامنه زمان و دیگری در دامنه فرکانس. یکی از مبانی تصمیم‌گیری در مورد انتخاب روش، نیروی دراگ می‌باشد. چنانچه شرایط دریا به گونه‌ای باشد که نیروی دراگ قابل صرف نظر کردن باشد و یا از خطی سازی بتوان استفاده کرد از روش آنالیز در دامنه فرکانس استفاده می‌شود و در غیر این صورت باید از روش آنالیز در دامنه زمان استفاده نمود.

در این تحقیق و در قسمت مربوط به آنالیز دینامیکی سکوها از روش آنالیز در دامنه زمان استفاده شده است و بعد نتایج در دامنه فرکانس نیز نمایش داده شده اند.

3-6-5-2-1 تحلیل دینامیکی در دامنه زمان :

معادله اصلی دینامیک سازه‌ها به شکل زیر است :

که p(t) بردار نیروی اعمالی بوده که بنا به زمان تغییر می‌کند و دارای تاریخچه زمانی خاصی می‌باشد. x و   به ترتیب بردارهای تغییر مکان و سرعت و شتاب سازه می‌باشند.

برای حل این معادله وقتی که ماتریس‌های M و C و K با گذشت زمان ثابت بمانند، بهترین راه ارزیابی پاسخ بر حسب روش مودال است. این روش مزیت بزرگی دارد و آن این است که در اکثر مواقع می‌توان فقط با در نظر گرفتن تعداد کمی از مودهای ارتعاشی تخمینی با دقت کافی از پاسخ دینامیکی بدست آورد و به این صورت تلاشهای محاسباتی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابند.

شرایط زیادی وجود دارد که در آنها نمی‌توان فرض ثابت بودن ماتریس‌های فوق‌الذکر را در نظر گرفت بطور مثال ممکن است در اثر تسلیم مواد یا در اثر افزایش زیاد نیروهای عمودی ماتریس سختی تغییر نماید و یا به دلایل دیگری ماتریس جرم یا میرایی ثابت نباشند. هر یک از این تغییرات، مشخصات ارتعاشی سیستم را تغییر خواهند داد. تنها روشی که عملاً در آنالیز سیستمهای غیر خطی دارای کاربرد است، انتگرال‌گیری قدم به قدم معادلات درگیر  حرکت می‌باشد.

در این روش تابع پاسخ به جهشهای زمانی کوتاه و یکسان تبدیل شده و در طول هر جهش زمانی، پاسخ برای یک سیستم خطی با خواصی که در شروع فاصله زمانی تعیین شده است محاسبه می‌گردد. در پایان فاصله زمانی خواص سیستم ترسیم می‌شوند تا با وضعیت تغییر شکل و تنش در آن زمان مطابقت داشته باشند. بنابراین آنالیز غیر خطی به کمک دنباله‌ای از سیستمهای خطی که متوالیاً تغییر می‌نمایند تقریب زده می‌شود.

روش انتگرال‌گیری قدم به قدم برای سیستمهای خطی نیز کاربرد دارد. در این حالت روش محاسباتی بطور عمده‌ای ساده می‌شود. زیرا نیاز به اصلاح مشخصات سازه در هر قدم زمانی نیست. [7]

3-6-5-2-2 تحلیل دینامیکی در دامنه فرکانس :

در این روش با اعمال طیف انرژی موج به سازه، طیف نیروی اعمالی و از روی آن بنا به مفاهیم دینامیک سازه‌ها طیف پاسخ بدست می‌آید. جهت انجام عملیات فوق‌الذکر از تابعی بنام تابع تبدیل  استفاده می‌شود. که مطابق آن اگر دو تابع زمانی به صورت Response(t) = (ROA)(t) به هم مرتبط شوند، رابطه طیف‌های انرژی آنها بصورت زیر خواهد بود.

دراین روش از طیف سرعت و شتاب، طیف نیروی دراگ و اینرسی و از روی آن طیف نیروی کل محاسبه شده و با اعمال طیف نیرو به سازه، طیف پاسخ بدست می‌آید. [7]

فصل چهارم

معرفی برنامه SACS

نرم افزار SACS ( Structural Analysis Computer System ) برنامه‌ای است جهت تحلیل و طراحی سازه‌هایی دریایی و بخصوص سکوهای ثابت فلزی که امروزه بطور گسترده‌ای در جهان مورد استفاده قرار دارد. البته با این نرم افزار می‌توان سازه‌های دیگر را مدل و طراحی نمود ولیکن کاربرد اصلی آن به سکوهای دریایی محدود می‌گردد.

در کشور ما این نرم افزار که توسط موسسه مهندسی دینامیک آمریکا Engineering Dynamic Inc. ارائه و توسعه داده شده است از دیگر برنامه‌های موجود در این زمینه همانند STRUCAD و FASTRUDLE و SESAM بیشتر مورد استفاده است.

SACS مجموعه‌ای از چندین برنامه آنالیز سازه‌ها که با یکدیگر سازگارند می‌باشد و داده‌های خروجی از اثر متقابل آنها در صورتی بدست می‌آید که داده‌های ورودی برای آن برنامه خاص ارائه شده باشد.  برنامه‌های موجود برای سهولت ایجاد فایل ورودی حاوی کلیه پیش فرضهای استاندارد مهندسی مورد استفاده در آنالیز سازه‌ها می‌باشد.

ارتباط بین برنامه‌هایی که در سیستم گنجانده شده است بطور شماتیک نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود، تمام داده‌های لازم برای آنالیز با سازه مورد نظر، اعم از مشخصات مهندسی، اندازه‌های اعضاء، مشخصات مصالح و بارهای محیطی توسط برنامه‌های تولید کننده اطلاعات ورودی ساخته شده و در فایل ورودی برنامه که قابل دسترس از جانب دیگر برنامه‌های سیستم می‌باشند قرار می‌گیرد سپس برنامه‌های آنالیز با انجام عملیات روی این داده‌ها یک فایل قابل دسترسی ایجاد می‌کنند که حاوی تغییر مکانهای گره‌ها و نیروهای داخلی المانها می‌باشد ( Common Solution File )‌.

سپس برنامه‌های پردازنده ( Post Processing Programs ) با استفاده از این اطلاعات و در نظر گرفتن کنترلهای طراحی تعریف شده برای المانها و گره‌ها به ارزیابی اعضای سازه‌ای می‌پردازند و در صورت تامین نکردن نیازهای طراحی برنامه قابلیت طرح دوباره اعضاء را دارا می‌باشد.

یکی از مشکلات و دشواریهای نرم‌افزار SACS، مجزا بودن فایلهای ورودی است بدین معنا که برای انجام یک آنالیز خاص باید فایلهای مربوط به آن آنالیز تهیه و سپس مجموعه‌ای از فایلهای مرتبط با یکدیگر اجرا گردند. اطلاعات مربوط به مدل سازه در فایل sacinp، بارگذاری در فایل seainp ذخیره می‏شود. لذا برای انجام مثلاً آنالیز در جا باید این دو فایل فراخوانی شده و با یکدیگر اجرا شوند. در فایل seainp ضرایب CD و CM و نیز مشخصات هر یک از امواجی که برای تعیین تابع انتقال مد نظر است، وارد شده و تا در مرحله بعد بتوان به کمک آن تابع انتقال را تعریف نمود.

تعیین تابع انتقال برش پایه و لنگر واژگونی در SACS

تابع انتقال برش پایه ( یا لنگر واژگونی ) جهت آن تعیین می‌گردد که فرم کلی تابع انتقال و فرکانسهای حساس و بحرانی آن مشخص شود. با مشخص شدن فرکانسهای بحرانی که عمدتاً نزدیک به فرکانس مود اول ( یا مودهای دوم و بالاتر ) سازه می‌باشند، بطوریکه در محدوده فرکانس بحرانی تابع انتقال که پیک در آن اتفاق می‌افتد، فاصله فرکانسها را کوچکتر نموده تا دقت تحلیل بالاتر رود.

روش تحلیل دینامیکی موج در نرم افزار SACS، حل در حوزه فرکانس است لذا بار غیر هارمونیک موج را به کمک تحلیل فوریه به 59 مولفه‌ هارمونیک تبدیل می‌کند و سپس از روش آنالیز مودال پاسخ به هر مولفه هارمونیک را تعیین می‌نماید.

از آنجا که در روش آنالیز مودال امکان تحلیل غیرخطی وجود ندارد، لذا باید یک طول معادل برای شمع در نظر گرفته شده و انتهای آن بسته شود ( تکیه گاه گیردار )، بطوریکه شمع معادل خطی شده، رفتاری مشابه شمع غیر خطی در سازه ایجاد نماید. بنابراین فایل sacinp و psiinp ( حاوی مشخصات خاک ) با یک طول شمع فرضی خطی شده اجرا می‏شود و نیروهای سرشمع حاصل شده در فایل pilinp قرار داده می‏شود تا پس از اجرا، طول شمع معادل بدست آید. این طول با مقدار فرض مقایسه شده و در صورت عدم دستیابی به دقت مورد نظر، مراحل فوق تکرار می‌گردد. پس از تعیین طول شمع معادل و افزودن آن به فایل sacinp، باید شکل مودها و جرم مودی توسط فایل dynpac تعیین شود تا بتوان از نتایج آن برای انجام آنالیز مودال بهره گرفت. با اجرای فایل Wvrinp ( که حاوی اطلاعات دینامیکی مربوط به تعیین تابع انتقال می‏باشد ) به همراه فایلهای sacinp، seainp، dynmas، dynmod شکل تابع انتقال برش پایه و لنگر واژگونی حاصل می‌گردد.

برنامه‌های داخلی SACS

برنامه SACS حاوی آنالیزهای استاتیکی ودینامیکی و همچنین آنالیزهای مربوط به حمل و نصب دریایی سازه‌ها می‌باشد که هر یک از این برنامه‌ها سازگار با برنامه‌های دیگر بوده و قابلیت انتقال اطلاعات بین دو برنامه وجود دارد.

در زیر شرح مختصری در رابطه با برنامه‌های SACS و قابلیت‌های هر کدام از آنها داده می‌شود.

محیط PRECEDE ‌

محیطی تمام رنگی و گرافیکی جهت مدل سازی سازه:

قابلیت مدل سازی سازه اعم از هندسه سازه، مشخصات مصالح مصرفی و بارگذاری بصورتMenu Driven.

قابلیت خطایابی داده‌های ورودی.

ایجاد فایل Back up از فایل ورودی.

قابلیت مدل سازی المانهای خطی و نیز مدل کردن صفحات و المانهای پوسته‌ای با استفاده از متد المان محدود

قابلیت مدل سازی سکوهای دریایی بطور خاص ( اعم از مدولهای Jacket و Deck ) ‌با استفاده از محیطی گرافیکی برای تعریف المانهای مربوطه.

قابلیت ایجاد مش بندی با استفاده از سیستمهای مختصات کارتزین، استوانه ای و کروی برحسب مورد.

قابلیت ایجاد داده‌های مربوط به بارگذاری، اعم از بارهای ثقلی، بارهای فشاری و بارهای ناشی از تجهیزات جهت حمل و نصب سازه.

قابلیت ایجاد بارهای محیطی در SEASTATE.

قابلیت ایجاد گزارش و چاپ نتایج مورد نیاز در حد قابل توجه .

قابلیت کاربرد هر گونه آحاد در سیستم‌های اروپایی و آمریکایی سیستم بین المللی SI.

ایجاد پارامترهای مربوط به وضعیت هندسی سازه اعم از ضریب طول کمانش اعضاء ( ضریب K ) طول مهار نشده بال فشاری.

محیط SACSDGN ‌

محیطی با قابلیتی قوی جهت تولید داده‌های تمام زیر برنامه‌ها :

ویراستاری قوی حاوی پارامترهای مورد نیاز جهت تولید فایل ورودی همراه با توضیحی مختصر در رابطه با هر یک پارامترهای مشخص شده در هر سطری که برجسته شده باشد.

کنترل اتوماتیک داده‌های ورودی.

محیط SEASTARE

محیطی جهت تولید بارهای محیطی :

حاوی بانک اطلاعاتی کاملی از آیین نامه API ویرایش بیستم.

این برنامه حاوی 5 تئوری موج می‌باشد.

قابلیت تعریف پارامترهای مربوط به جریان آب ( current )‌.

قابلیت تولید بارهای ثقلی، باد، بارهای ناشی از شناوری و بارهای ناشی ازجریان گل و لای بر روی سازه ( Mud Flow )‌.

معرفی اعضای غوطه‌ور و غیر غوطه ور نیز قابلیت معرفی اثرات روئیدنیهای دریایی روی اعضایی که در معرض تماس مستقیم با آب دریا می‌باشند.

قابلیت معرفی اثرات ناشی از قطر اعضاء، عدد رینولدز و نیز اثرات ناشی از برخورد آب با اعضاء با استفاده از ضرایب دراگ ( Drag )‌ و اینرسی ( Inertia ).

قابلیت تعریف مشخصات امواج توسط کاربر.

بارگذاری روی اعضای غیر سازه‌ای ( اعضایی که در ماتریس سختی کلی سازه سهیم نیستند ).

قابلیت تغییر امتداد امواج برای بدست آوردن حداقل و حداکثر برش پایه و لنگر واژگونی ممکن روی سازه.

قابلیت مدلسازی هیدرودینامیکی عضو جهت استفاده اعضاء در آنالیزهای استاتیکی و دینامیکی سازه مورد نظر.

محیط SACSIV

‌ حاوی مقاطع متنوع جهت تعریف المانهای خطی استاتیکی و معرفی المانهای مورد استفاده از آنالیزهای المان محدود و غیر خطی.

المانهای خطی شامل المان‌های لوله‌ای، پروفیل‌های I شکل، ناودانی‌ها، نبشی‌ها، مقاطع مخروطی، تیر ورقهای جعبه‌ای و I شکل و مقاطع استوانه‌ای و جعبه‌ای تقویت شده.

المانهای صفحه‌ای و Solid ( همگن و صلب )‌.

تعریف المانهای پوسته‌ای 6 و 8 و 9 گره‌ای.

حاوی لیستی از مقاطع استاندارد از جمله پروفیل‌های Chinese , German , European , UK , AISC و Japanese .

قابلیت Offset کردن اعضای پوسته‌ای و ضخیم المانهای خطی در مختصاتهای Global و Local اعضاء جهت مدل کردن خروج از محوریت اعضاء.

بارگذاری‌های حرارتی روی المانهای محدود و المانهای خطی.

قابلیت تعریف تکیه‌گاههای الاستیک.

قابلیت تعریف تغییر مکانهای تکیه‌گاهی.

قابلیت تعریف بیش از 400 حالت بارگذاری ( Load Case )‌.

محیط POST

جهت بررسی کد چک‌های طراحی و طرح مجدد اعضاء و بررسی و کنترل المانهای خطی و صفحه‌ای و طرح مجدد آنها با استفاده از آیین‌نامه‌های طراحی معتبر دنیا منجمله API ( ویرایش بیستم )، NPD , LRED , AISC DNV , BS5950 و Danish DS 449.

قابلیت گزارش دهی نتایج طراحی.

آنالیز فروریزی هیدرواستاتیکی اعضاء ( Hydro Static Collapse Analysis )‌.

UPDATE کردن مدل تحلیل سازه‌ای بر مبنای المانهای تغییر یافته در قسمت REDESIGN.

قابلیت اصلاح پارامترهای مربوط به کد چک‌های طراحی.

قابلیت تولید ترکیبات بارگذاری مختلف.

در برگیرنده کد چک‌های طراحی از سال 1977 تا به حال‌.

محیط JOINT CAN

کنترل و طراحی اتصالات لوله‌ای و دربرگیرنده تمامی آیین‌نامه‌های قدیمی و جدید شامل API ( ویرایش بیستم )، ویرایش نخست LRFD و NPD و DNV.

کنترل مقاومت اتصالات در برابر بارهای وارده و کنترل هندسه اتصالات.

آنالیزهای تلاقی و روی هم فتادگی و همپوشانی در نقاط اتصال لوله‌ها.

طرح مجدد اتصالات بطور اتوماتیک.

محیط Concrete

کنترل و طراحی سازه‌های بتن آرمه و در برگیرنده مقاطع مستطیلی، دایروی، T شکل و L شکل.

در برگیرنده اعضای بتنی نظیر تیر، تیر ستونهای دو محوری، دال و دیوار.

در برگیرنده آرایش آرماتورهای مختلف.

کنترل آیین‌نامه‌ای بر اساس ( 318-89 )‌ACI ( بازنگری شده در سال 1992 )‌.

کنترل و طراحی آرماتورهای برشی ( خاموتها ).

کنترل طولهای مهاری و همپوشانی آرماتورها.

انجام محاسبات تغییر شکل و خزش.

محیط FATIGUE

برآورد عمر خستگی و کنترل و طراحی بر اساس آن‌:‌

آنالیز خستگی به روش طیفی و متعین.

انجام محاسبات مربوط به برآورد دامنه تغییرات تنش‌های تناوبی.

محاسبه ضرائب تمرکز تنش بر اساس روشهای Efthymiou , Wordsworth , Kuang و غیره که در برگیرنده نیازهای DNV-NPD نیز هست.

استفاده از طیف‌های Ochi-Hubble , Jonswap , Pierson-Moskowitz و معرفی طیف‌ها توسط کاربر.

امکان تعیین جزئیات اتصال به صورت خودکار و یا توسط کاربر.

ایجاد طیف‌های موج بر اساس منحنی‌های پراکندگی.

استفاده از معادله پاریس برای پیشگویی نرخ رشد ترک ناشی از تنش‌های تناوبی.

محیط PSI ‌

آنالیز اندرکنش شمع سازه خاک ( بصورت غیر خطی ) :

اثرات تیر ستون در این آنالیز لحاظ شده است.

امکان معرفی قطعات غیر یکسان شمع.

امکان معرفی منحنی‌های P-Y و T-Z چسبندگی محوری و فنر.

امکان ترسیم منحنی‌های P-Y و T-Z، معرفی اصطکاک جداره و اطلاعات چسبندگی بر اساس داده‌های خاک مطابق با API .

امکان ایجاد منحنی‌های انتقال یافته P-Y برای حالتیکه لغزش لایه‌ها صورت گرفته است.

کنترل و طراحی شمع‌ها بر اساس آیین‌نامه‌ها شامل NPD , LRED , API و DNV.

امکان نمایش گرافیکی و چاپ نتایج و داده‌های خاک شامل تنش‌ها و منحنی‌های  P-Y و T-Z.

محیط PILESTUB

آنالیز تک شمع اثرات تیر ستون و همچنین شیب شمع‌ها در این آنالیز لحاظ شده است.

امکان استفاده از داده‌های خاک از آنالیز PSI.

امکان معرفی فنرهای سرشمع‌ها ( بر اساس نظر کاربر )‌.

نمایش گرافیکی اطلاعات خاک.

نمایش نیروها و تغییر مکانهای سر شمع‌ها.

تولید خودکار شمع خطی معادل برای آنالیز دینامیکی و یا استاتیکی ( که اثرات خاک را نیز در بر دارد ).

امکانات مشابه نظیر چاپ و کنترل آیین‌نامه‌ای مطابق با آنالیز PSI.

المانهای ویژه

تولید خودکار زیر سازه و اعمال آن روی المان

امکان معرفی المانهای ویژه به تعداد نامحدود.

امکان معرفی تا 300 گره به ازای هر المان ویژه.

امکان استفاده از ماتریس‌های سختی ایجاد شده توسط کاربر.

یک المان ویژه می‌تواند شامل دیگر المانهای ویژه نیز باشد.

امکان انتقال و چرخش المانها.

امکان کنترل و اصلاح تنش‌ها.

محیط POSTVUE

محیطی با قابلیت تولید اطلاعات بصورت گرافیکی :

کنترل اعضاء و طرح مجدد آنها.

نمایش دیاگرام ممان خمشی و برش اعضاء.

نمایش سازه تغییر شکل یافته تحت آنالیزهای استاتیکی و دینامیکی.

نمایش کانتورهای تنش در صفحات به صورت رنگی.

امکان دسترسی و تغییر  بر روی کلیه پارامترهای طراحی توسط کاربر.

کنترل کدهای طراحی و طرح مجدد اعضاء بصورت تکی و یا بصورت گروهی.

قابلیت گزارش دهی و امکان چاپ نتایج خروجی.

تولید فایل ورودی مدل بر اساس آخرین تغییرات روی آنها جهت آنالیز مجدد.

قابلیت طبقه‌بندی بر اساس UC ها، تنشها و نیروهای داخلی اعضاء و نمایش آنها.

محیط REVIEW

کنترل اتصالات لوله‌ای و امکان گزارش دهی از آنها.

کنترل مسیر انتقال بار و نوع اتصال توسط کاربر.

آنالیز خستگی به روش ساده برای اتصالات لوله‌ای.

محیط COMBINE

ترکیب نتایج چند آنالیز با استفاده از اصل Supper Position.

محیطی جهت تولید فایل‌های CSF (‌ Combine Common Solution File ).

ترکیب نتایج استاتیکی و دینامیکی از یک یا چند Solution File.

ایجاد ” بحرانی‌ترین حالت “ ترکیبی ناشی از بارهای مرده و پاسخهای موج و زلزله.

ترکیب سازی مودهای نوسان.

تعیین بارهای بحرانی موج از روی طیف ورودی.

محیط LDF ‌

آنالیز سازه تحت تغییر شکلهای بزرگ :

حل به روش سعی و خطا برای حالت غیر خطی هندسی سازه.

حل مسایل مربوط به صفحات غشایی ( پوسته‌ها )‌.

در نظر گرفتن اثر P-.

محیط COLLAPSE

‌ آنالیز فروریزی غیر خطی :

منظور کردن رفتار غیر خطی و خطی برای مصالح.

ترکیب المانهای ویژه و فنرهای غیر خطی.

قابلیت بارگذاری مرحله به مرحله.

فعال کردن و غیر فعال کردن المانها.

تعیین مشخصات مصالح پلاستیک بطور اتوماتیک یا توسط کاربر.

حالتهای بارگذاری می‌تواند شامل بارگذاری و یا تغییر مکان‌های مشخص باشد.

محیط RISK ANALYSIS

تعیین ظرفیت نهایی و انجام آنالیز احتمال گسیختگی :

تعیین مقاومت نهایی هر یک از گره‌ها، المان‌ها و یا شمع‌ها در سازه.

محاسبه احتمال گسیختگی در هر یک از اعضاء.

امکان در نظر گرفتن ظرفیت نهایی شمع‌ها یا تنش در گره، عضو و یا شمع به عنوان معیار گسیختگی.

قابلیت گزارش دهی از سلسله مراتب گسیختگی در گره‌ها و یا المانها.

محیط SACS/MORA & SACS/WAMIT

جهت انجام آنالیز امواج MORA و WAMIT

تبدیل مدل SACS و اطلاعات موج به مدل جهت انجام آنالیز تفرق موج ( به عنوان مثال MORA ).

تولید ورودیهای مورد نیاز برای انجام آنالیز تفرق موج.

تبدیل ضرایب مربوط نسبت به جهت امواج و فرکانس آنها با توجه به توابع انتقال یافته از SACS.

توابع انتقالی حاوی قسمتهای فرضی در واقع، جهت انجام آنالیز خستی و یا آنالیز ناشی از امواج فوق‌العاده می‌باشند.

لازم به توضیح است که این منو عمدتاً جهت سکوهای فراساحل ثقلی مورد استفاده دارد و یا در مواقعی که D/L<0.15 باشد.

محیط DYNPAC

جهت مدلسازی مشخصات دینامیکی سازه :

روش حل دینامیکی بر اساس روش HOUSCHOLDER – GIVENS با :

امکان کاهش درجات آزادی غیر ضروری.

امکان تولید جرم‌های توده‌ای و یا پیوسته.

امکان تولید خودکار جرم‌های مجازی ( آب همراه ).

امکان مدل سازه هیدرودینامیکی کامل بر اساس وردیهای SEASTATE.

امکان در نظر گرفتن بارگذاری به عنوان جرم در مدل.

بدست آوردن مودهای ارتعاش کامل 6 درجه آزادی برای آنالیز پاسخ سازه تحت بارهای اعمال شده.

محیط WAVE RESPONSE

پاسخ دینامیکی به موج :

امکان تعریف امواج معین و تصادفی.

امکان استفاده از طیف‌های PIERSION- MOSKOWITZ , JANSWAP.

تعیین پارامترهای سرعت و شتاب نسبی مرتبط با اندرکنش سازه – سیال.

امکان تعریف میرایی لزج غیر خطی و شتاب مودال.

پاسخ وضعیت پایداری مدل در حوزه فرکانس تعریف شده.

امکان پلات گرفتن از تنشها، نیروهای داخلی، برش پایه، ممان واژگونی و توابع انتقال.

تطابق کامل با آنالیز خستگی.

پاسخ دینامیکی الاستیک سازه‌های مغروق .

تعریف و یا بدست آوردن طیف انرژی با توزیع احتمالی به عنوان ورودی و یاخروجی.

توضیح اینکه بارهای دینامیکی مربوط به شناوری را نیز شامل می‌شود.

محیط DYNAMIC RESPONSE

آنالیز عمومی زلزله و پاسخ دینامیکی که این آنالیز در حوزه فرکانس تعریف شده.

انجام آنالیز دینامیکی به روش تاریخچه زمانی، طیف پاسخ و PSD بر اساس اطلاعات ورودی.

امکان وارد کردن نیروهای هارمونیک.

ترکیب مودها به روش خطی CQC و SRSS.

استفاده از طیف پاسخ API و طیف ورودی توسط کاربر.

امکان استفاده از تاریخچه زمانی زلزله‌های موجود در SACS.

قابلیت بارگذاری طیفی باد.

امکان تعریف میرایی لزج و سازه‌ای.

امکان بدست آوردن طیف پاسخ در هر یک از گره‌ها به عنوان خروجی.

آنالیز ارتعاش به کمک نقاط ورودی چند تایی با استفاده از فازبندی و فرکانسهای تعریف شده توسط کاربر.

نیروهای پریودیک که بوسیله تحلیل فوریه جداسازی شده‌اند.

آنالیز بارهای ضربه‌ای و آنالیز دینامیکی نخ.

محیط UPENDING

شناوری JACKET:

نمایش تاریخچه زمانی کد دار رنگی از هر مرحله از UPENDING.

انجام آنالیز UPENDING  و کنترل پایداری در مقابل چرخش.

تعیین ضریب شناوری.

مراحل UPENDING  می‌تواند شامل چندین دستورالعمل باشد.

قابلیت پذیرش HOOKING دو نقطه‌ای.

قابل مدل کردن تانکهای شناوری، امکان تعیین نیروی شناوری، شیرهای اضطراری جهت ورود و خروج آب به داخل پایه‌ها و ثقلی نیروهای هیدرودینامیکی توسط کاربر.

نیروهای UPENDING  شامل ثقلی، بار آویزها، شناوری و بار ناشی از تانکهای شناوری برای هر مرحله از پروسه UPENDING قابل تولید می‌باشد.

قابلیت گزارش دهی خلاصه از عملیات UPENDING شامل زوایای طولی، عرضی، زاویه‌دار و پیچشی و تعیین فاصله نسبت به مرکز شناوری و مرکز ثقل ( Meta-Center )‌ فاصله از کنار دریا.

محیط LAUNCH

آنالیز به آب اندازی JACKET

امکان آنالیز LAUNCH بر اساس مدل سه بعدی.

ثبت تاریخچه زمانی حرکت بارج و  JACKET  به همراه کلیه مراحل LAUNCH.

ثبت مولفه‌های حرکت جسم در طول عملیات LAUNCH در 5 فاز.

قابلیت اعمال تمام نیروهای خارجی وارد بر JACKET  و بارج انجام آنالیر دینامیکی بدست آوردن تاریخچه زمانی حرکت و سپس اعمال نیروهای معادل استاتیکی در هر لحظه بر سازه.

تولید بارهایی که جهت حفظ تعادل برای هر مرحله از آنالیز لازم می‌شود.

محیط TOW

قابلیت تولید بارهای حین حمل سازه :

قابلیت تعریف حرکت در 6 درجه آزادی بارج.

امکان خروجی گرفتن برای گره‌های انتخاب شده.

محاسبه وزن سازه و متعلقاات بطور خودکار.

امکان تعریف وزن عضو و لاتصال توسط کاربر.

امکان تولید بار گسترده روی اعضاء و نیز بار فشاری روی صفحات.

امکان تبدیل بارهای وارد شده توسط کاربر به عنوان اینرسی جرمی.

محیط GAP

آنالیز غیر خطی به همراه تعریف اعضاء یک طرفه ( فقط کششی یا فقط فشاری ) :

مدل سازی بعضی از اعضاء بصورت یکطرفه، بطور مثال در آنالیز بارگیری سازه ( LOAD OUT ) و یا آنالیز حمل سازه ( TRANSPORTATION) لازم می‌شود.

آنالیز GAP غیر خطی است.

محیط PRECAD

امکان تهیه نمادهای کلی و جزئی از هر قسمت سازه :

قابلیت نمایش مدل طرح.

قابلیت نمایش نماهای استاندارد از محیط PRECEDE.

امکان کنترل کاربر روی جزئیات لوله‌ها.

تهیه گزارش کلی از وضعیت سازه و اتصالات لوله‌ای.

امکان تهیه جزئیات لازم مربوط به اتصال لوله و پروفیل‌های I شکل ( بال‌دار ).

امکان تهیه فایل‌های DXF.

امکان تهیه جزئیات مربوط به نقشه‌های ساخت اتصالات منجمله مشخصات پخ‌خوردگی بر اساس آیین‌نامه‌های API و AWS و یا مشخصات تعریف شده توسط کاربر.

امکان محاسبه C.O.G ( مرکز ثقل ) مصالح مصرفی، وزن سازه و برآورد هزینه تخمینی.

طول برش خورده مورد نیاز برای اعضاء.

وزن مصالح فلزی و تعیین موقعیت مرکز ثقل.

لیست مصالح مصرفی، برآورد هزینه تخمینی و گزارش مربوط به وزن سازه در هر آنالیز خاص.

برآورد حجم جوشکاری مورد نیاز و تعیین هزینه آن.

تعیین میزان حفاظت کاتدی لازم و هزینه آن.

تهیه میزان سطح فلزی در بین ترازها.