دستورالعمل تحلیل سکوهای ثابت جکت و بخش روی آب (تاپ ساید) در سازه های فراساحل (بارگذاری) Design Instructions Of Jacket And Topside Analysis (Loading Phase)

منابع و مراجع

استانداردهای بین المللی و منابع

API RP2A – API recommended practice 2A-WSD (RP 2A-WSD) twenty-first edition, December 2000.

Errata and supplement 1 , December 2002

SACS 5.3.1.1 manual Copyright ©2010 by ENGINEERING DYNAMICS, INC                Version 7.0  Revision 1

تعاریف

آنالیز درجای سکو: در برگیرنده آنالیز سکو تحت اثر بارهای مرده، زنده، بهره برداری و بارهای ناشی از شرایط محیطی دریا شامل نیروهای باد، جریانهای دریایی و موج در دوره بهره برداری میباشد.

ملاحظات طراحی

ملاحظات بهره برداری

در ابتدا میبایست موارد اساسی زیر با توجه به مطالعات و با هماهنگی کارفرما و سایر دیسیپلینها ، مورد بحث و نهایی گردند:

کارکرد سکو، موقعیت و جهت سکو ،عمق آب در محل سکو، دسترسیها، نحوه محافظت در برابر آتش و انفجار، ترازهای مورد نیاز برای TOPSIDE، کمترین تراز مجاز جهت اجتناب از برخورد موج با عرشه، تعدادچاه ها، EQIPMENT LAYOUT ، نحوه حمل و جابجایی نفرات و تجهیزات در زمان ساخت و بهره بردای، ظرفیت و نوع CRANE مورد نیاز روی سکو، نیاز به HELIDECK، تعداد و محل BOATLANDING، اندازه و محل بازشو های عرشه (TOPSIDE OPENINGS)، نحوه زهکشی مایعات از عرشه، نحوه ارتباط با سایر سکوها، جانمایی پلهای ارتباطی.

ملاحظات شرایط محیطی

شرایط محیطی تاثیر گذار در طراحی سکو همچون تفکیک شرایط عادی (NORMAL CONDITION)  و شرایط حدی (EXTREME CONDITION) ، باد، موج، جذر و مد، جریانات زیر آب، یخ (در شرایط خلیج فارس کاربردی ندارد)، زلزله و گسلهای فعال، ناپایداری لایه های زمین، آبشستگی، گازهای محبوس در عمق کم و روییدنیهای دریایی (MARINE GROWTH) میبایست مورد مطالعه و براورد قرار گیرند.

مطالعات ژئوتکنیک

با توجه به اینکه جکتها به وسیله شمع در محل خود ثابت میگردند، مطالعات ژئوتکنیک در محل ساختگاه جهت شناسایی لایه های مختلف خاک درعمق احتمالی شمع کوبی از طریق حفر گمانه با عمق مناسب الزامیست. همچنین جهت بررسی هرگونه عارضه محیطی در بستر، برداشتهای هیدروگرافی از بستر در محل احداث سکوها میبایست انجام گردد.

بارگذاری

برای تحلیل سازه بارهای زیر میبایست به سازه اعمال گردند.

بارهای مرده که شامل وزن سازه و تجهیزاتی که به صورت دائمی روی سکو نصب میشوند میگردند، این بارها باید در برگیرنده موارد زیر باشند:

وزن سازه غیرمغروق شامل شمعها، وزن گروتینگ و بالاست

وزن تجهیزات ثابت سکو

نیروهای هیدرواستاتیکی که به سازه وارد میگردند

بارهای زنده، که بارهایی هستندکه در حین بهره برداری به سازه اعمال میگرند که ممکن است بنا به نوع کاربری سکو متفاوت باشند و باید در برگیرنده موارد زیریاشند:

وزن تجهیزات حفاری و تولید که میتوانند به سکو الحاق یا از آن جدا شوند.

وزن LQ, Helideck ، تجهیزات ایمنی، تجهیزات غواصی و غیره که به سکو الحاق یا از آن جدا خواهند شد.

وزن مواد مصرفی و مایعات درون مخازن

نیروهای حاصل از حفاری، حمل ونقل تجهیزات، و نیروهای حاصل از مهار شناورها و هلیکوپتر

نیروهای عرشه که ناشی از استفاده از جراثقال هستند.

بارهای محیطی، که ناشی  از محیط طبیعی محل استقرار سکو هستند شامل باد، جریان، موج، زلزله، برف، یخ و حرکت بستر هستند. همچنین بارهای ناشی از تغییرات فشار هیدرواستاتیک و شناوری که در اثر تغییرات تراز آب در جذر و مد هستند نیز جزو بارهای محیطی هستند.

بارهای حین ساخت، این بارها ناشی از ساخت، بلند کردن، حمل و نصب هستند که در این گروه قرار میگیرند.

بارهای برچیدن و نصب، برای سکوهایی که میبایست در موقعیت جدیدی دوباره جانمایی گردند کاربرد دارند که شامل بارهای برچیدن، بارگیری، حمل، بالابری و بازنصب آنها میباشند.

بارهای دینامیکی، بارهای ناشی از تحریک سازه توسط بارهای رفت و برگشتی و ضربه میباشند. تحریک سازه میتوانند ناشی از موج ، باد، زلزله و تجهیزات باشد. بارهای ضربه نیز میتوانند ناشی از برخورد کشتی یا تجهیزات حفاری به سکو باشند.

شرایط بارگذاری

بارهای وارده به سکو باید به نحوی به سکو اعمال شوند که سخت ترین اثر را روی سکو داشته باشند. شرایط بارگذاری باید دربرگیرنده بارهای محیطی به همراه ترکیب مناسبی از بارهای مرده به شرح زیر باشند.

شرایط محیطی بهره برداری بهمراه بار مرده و بیشینه بار زنده متناسب با شرایط نرمال بهره برداری

شرایط محیطی بهره برداری بهمراه بار مرده و کمینه بار زنده متناسب با شرایط نرمال بهره برداری

شرایط محیطی طراحی بهمراه بار مرده و بیشینه بار زنده برای بدست آوردن بیشترین اثر بر روی سازه

شرایط محیطی طراحی بهمراه بار مرده و کمینه بار زنده برای بدست آوردن بیشترین اثر بر روی سازه

بارهای محیطی میبایست در غیاب زلزله و به نحوی به سازه اعمال شوند که احتمال همزمانی اثر آنها در سازه دیده شوند.

بار زلزله نیز با ترکیبات جداگانه به عنوان بار محیطی به سازه اعمال میشود.

شرایط محیطی بهره برداری باید به گونه اعمال شوند که شدتی از تاثیرات متوسط را روی سکو ایجاد نمایند و درصورتیکه باعث ازکار افتادگی سکو میشوند میبایست محدود گردند. به طور معمول امواج طوفانی برای دوره بازگشت از یک تا 5 سال برای شرایط بهره برداری در نظر میگیرند. بیشینه بار زنده سکوهای حفاری و تولید باید شامل بارهای ناشی از عملیات حفاری و بهره برداری سکو و بارهای حالت  workover  (شرایط خاصی از عملیات حفاری) و ترکیبات مناسب آنها باشند. همچنین تغییرات وزن و محل اثر بارهای متحرک برای بدست آوردن بیشترین تنش طراحی باید در نظر گرفته شوند.

بارهای موقت نیز که احیانا در طول عمر بهره برداری به سازه اعمال میشوند با ترکیب مناسبی از بار مرده و بیشینه بار موقت و شرایط محیطی متناسب باید به سکو اعمال شوند.

در نهایت هر عضو سکو میبایست برای بدترین شرایط و بیشینه تنش وارده به آن، تحت بارگذاری های متفاوت طراحی گردد.

پیش نیاز ها

جهت انجام آنالیز inplace عموما از نرم افزار SACS بهره گرفته می شود. که طبعا مهمترین پیش نیاز این آنالیز ساخت مدل هندسی topside  و jacket در نرم افزار SACS می باشد.

مهمترین آیین نامه مورد استفاده در این بحث API RP2A میباشد که در خصوص بارگذاری و طراحی ارجاعات زیادی به آن خواهد شد.

بارهای طراحی (انواع بارگذاری و پارامترهای مربوطه)

بار موج

آنالیز استاتیکی موج

بار موج طبیعتی دینامیکی دارد ولی در خیلی از موارد و بسته به شرایط سکو وامواج، آنالیز استاتیکی تحت بار امواج قابل قبول است. در شرایط آبهای عمیق و یا در مواردی که سکو به صورت انعطاف پذیرتری طراحی میشود، آنالیزهای دینامیکی بار موج میبایست انجام گردد. آنالیز استاتیکی موج

پروسه آنالیز استاتیکی برای هر جهت معین شامل مشخص کردن خصوصیات موج با ارتفاع و پریود مربوط به آن، عمق آب در شرایط طوفانی و پروفیل جریان میباشد. گامهای عملی جهت انجام آنالیز استاتیکی موج شامل موارد زیر میشوند:

پریود ظاهری امواج با محاسبه اثر داپلر ناشی از جریان مشخص میشود.

تئوری مناسب موج با توجه به مشخصات موج و شرایط محیطی انتخاب میشود (معمولا استوکس مرتبه 5 حاکم میشود)

کاهش دادن سرعت ذره و شتاب ذره موج با درنظر گرفتن ضریب جنبشی موج (wave kinematic factor)

اثر موضعی پروفیل جریان با ضرب ضریب blockage factor محاسبه می شود.

جمع برداری مولفه های پروفیل جریان و موج جنبشی جهت محاسبه سرعت و شتاب ذرات جهت استفاده در معادله موریسون.

افزایش ابعاد اعضایی که در معرض روییدنیهای دریایی هستند

استخراج ضرایب دراگ واینرسی (که تابعی از پارامترهای موج و جریان، شکل و زبری مقطع... میباشند)

کاهش ضرایب نیروی موج برای کنداکتورها (به واسطه conductor shielding factor)

ایجاد مدل هیدرودینامیکی برای رایزرها و ملحقات

محاسبه نیروهای محلی ناشی از موج وجریان برای کلیه اعضای سازه، کنداکتورها، رایزرها وملحقات با استفاده از رابطه موریسون

محاسبه نیروی کلی با استفاده از جمع برداری نیروی همه اعضا.

پریود ظاهری موج

زمانی که جهت جریان و راستای تابش امواج یکسو باشند، طول موج کشیده تر خواهد شد در حالیکه که اگر این راستاها با هم مخالف باشند طول امواج کاهش خواهند یافت. برای انجام یک براورد ساده جهت محاسبه پریود ظاهری میتوان ازگراف زیر که در ایین نامه API توصیه شده استفاده کرد

در گراف فوق T  پریود واقعی موج (از دید یک ناظر ثابت) ، VI سرعت جریان و g شتاب گرانش و d عمق آب در شرایط طوفانی (شامل جذر و مد و storm surge) میباشد. گراف فوق برای d/gT2>0.01 قابل استفاده است. برای مقادیر d/gT2 کوچکتر و مساوی 0.01 میتوان از رابطه زیر استفاده کرد:

روابط فوق برای پروفیلهای جریان یکنواخت در کل عمق آب استفاده میشوند. در صورتیکه پروفیل جریان شکل متفاوتی داشته باشد باید از مدلهای عددی مناسب استفاده شود. سرعت جریان برای استفاده در روابط فوق میبایست در حالت جریان آزاد (بدوندرنظر گرفتن کاهش ناشی از structure blockage ) باشد.

چنانچه پروفیل جریان شکل خاصی داشته باشد، میتوان از روش پیشنهادی زیر مطابق آیین نامه API استفاده کرد که در برگیرنده حل سه معادله زیر است که نیازمند استفاده از روشهای عددی میباشد.

تئوری موج (شکل و نوع حرکت موج) مناسب

با محاسبه پریود ظاهری، ارتفاع موج، عمق آب در شرایط طوفان میتوان مناسبترین تئوری موج را با توجه گرافهای پیشنهادی انتخاب کرد.

ضریب جنبشی موج wave kinematics factor

با توجه به اینکه در شرایط واقعی راستای انتشار و شکل همه امواج دقیقا باهم یکسان نیستند با ضرب سرعت و شتاب ذرات موج در ضریب جنبشی، این شرایط به حالت واقعی نزدیک میشوند. این ضریب برای طوفانهای حاره ای بین 0.85 و 0.95  است و برای طوفانهای فوق حاره ای بین 0.95 تا  1.0 می باشد. البته این رقم توسط بیشتر شرکتهای مهندسی برای شرایط خلیج فارس برابر 0.95 در نظرگرفته شده.

تصویر زیر محل مشخص کردن wave kinematic factor را در نرم افزار SACS نشان میدهد:

نحوه تعریف بار موج در نرم افزار SACS

برای تعریف مشخصات موج در نرم افزار SACS مشخصات موج شامل ارتفاع، پریود و تئوری موج (مطابق آنچه در بخشهای قبلی توضیح داده شد) استخراج و در خط دستور wave وارد میشوند. مشخصات مذکور به همراه جهت تابش موج در پنجره Parameters معرفی میگردند.

همچنین با توجه به اینکه موقعیت های مختلف حرکت موج در سازه نیروهای متفاوتی ایجاد میکنند، موقعیت اولیه تاج موج و تعداد و فاصله گامهای آنالیز موج روی سازه (بر اساس زاویه، زمان یا طول موج) در پنجره Crest Position به نرم افزار معرفی میگردد. همچنین با توجه با اینکه وضعیت بحرانی برای اعضای مختلف در موقعیتهای متفاوتی از موج ایجادمیشوند میبایست معیار شرایط بحرانی با توجه به انتخابهای تعیین شده توسط نرم افزار توسط کاربر مشخص شوند.

در پنجره Miscelineouse   نیز اطلاعاتی همچون عمق آب و تراز mudline قابل بازتعریف هستند. همچنین بیشینه و کمینه اجزای هر عضو جهت محاسبه نیروی موج روی آنها (و در نهایت کل سازه) مشخص میگردد.

در نظر گرفتن اثر دینامیکی موج:

برای منظور کردن اثر دینامیکی بار موج بر روی سازه ، و براساس روابط ارایه شده در کتابهای دینامیک سازه های دریایی، میتوان از ضریب فزاینده زیر برای بار موج استفاده کرد.

در نهایت این ضریب در ترکیب بار مربوطه اعمال میگردد.

بار جریان و نحوه اعمال آن در نرم افزار SACS

پس از مشخص شدن پروفیل جریان بر اساس مطالعات میدانی، مقادیر و پارامترهای جریان در نرم افزار SACS، و در ادامه فیلدهای بار موج و drag و با استفاده از فیلد current ، به صورت زیر اعمال می شود:

همانطور که مشاهده میشود بار جریان به همراه بار موج و تحت یک حالت بار گذاری اعمال می گردد. مشخصات جریان می بایست برای تمامی جهات(مطابق جهت های اعمال بار موج) و برای حالت طوفانی و نرمال به سازه اعمال گردد.

همچنین برای اعضای لاغر که در معرض جریان هستند میبایست مطالعات لرزه ای در اثر پدیده vortex shedding انجام پذیرد. (برای مطالعه بیشتر مراجعه شود به بخش C2.3.1 b.12 از آیین نامه API).

ضریب انسداد جریان current blockage factor

در شرایطی که مانعی همچون سکو در برابر روند عادی جریانات دریایی قرار میگیرد، باعث اختلال در روند عادی جریان میگردد، به نحوی که مسیر جریان دچار تفرق شده و بخشهایی از جریان تمایل به عبور از اطراف مانع را دارند تا عبور از میان آن، همچنین سرعت جریان نیز دچار افت میگردد. برای یک سکوی مشخص شکل تغییر بردارهای حرکت جریان به صورت زیرتغییر کرده است:

شکل 9 – تغییر بردارهای جریان در تقابل با یک مانع (سکوی بول وینکل)

از اینرو با ضریب کاهشی current blockage factor این پدیده را واقعی سازی میکنیم. ضرایب پییشنهادی API برای خلیج مکزیک در جدول زیر قابل مشاهده هستند. این ضریب معمولا بین 0.7 تا 1.0 میباشد.

تصویر زیر محل مشخص کردن current blockage factor را در نرم افزار SACS نشان میدهد:

جمع برداری مولفه های موج وجریان

موج اصلاح شده توسط ضریب جنبشی و جریان اصلاح شده توسط ضریب انسداد، میبایست با هم جمع برداری شوند. ولی از آنجا که عموما پروفیل جریان در design criteria برای طراز آب متوسط طوفانی مشخص شده، باید از روشهای مذکور در آیین نامه برای کشیدن یا فشرده کردن پروفیل جریان به طراز موج در عمق مورد نظر استفاده کرد. روش غیر خطی (Nonlinear) در آیین نامه API ترجیح داده شده است.

شکل زیر نحوه امتداد پروفیل جریان از Mean Water Level (MWL) تا تراز تاج موج را نشان میدهد.

شکل 11 – مقایسه امتداد پروفیل جریان در روش خطی و غیرخطی

این عمل (کشیدن یا فشرده کردن پروفیل جریان به طراز موج در عمق مورد) به صورت یک گزینه در نرم افزار SACS  فعال میگردد. مطابق شکل زیر:

ضرایب دراگ و اینرسی

به عنوان یک قاعده کلی ضرایب دراگ و اینرسی جهت استفاده در معادله موریسون برای مقاطع استوانه ای، به صورت زیر در نظر گرفته میشوند.

برای مطالعه بیشتر برای سایر شرایط به API مراجعه شود.

تصویر زیر محل مشخص کردن ضرایب فوق را در نرم افزار SACS نشان میدهد:

Conductor shielding factor

بسته به شکل سازه و نحوه قرارگیری کنداکتورها، نیروهای جذب شده توسط کنداکتورها میتوانند سهم زیادی از کل نیروهای جانبی ناشی از موج داشته باشند. اگر کنداکتورها با فواصل کمی از هم جانمایی شده باشند نیروی موج وارده به آنها میتواند در اثر حفاظت هیدرودینامیک (hydrodynamic shielding) کاهش پیدا کند. باتوجه به قطر و فاصله کانداکتورها ، ضریب کاهنده ای را مطابق گراف زیر برای ضرایب دراگ و اینرسی مربوطه در نظر میگیریم.

که S فاصله مرکز به مرکز بین کنداکتورها و  D قطر آنها  با در نظرگرفتن روییدنیهای دریایی می باشد.

در نرم افزار SACS این ضریب یرای اعضای مورد نظر از طریق دستور MEMOV یا  GRPOV در محیط  Data Generator قابل اعمال است.

برای مطالعه شرایط کامل به API مراجعه نمایید.

مدل هیدرودینامیکی ملحقات

از آنجاییکه نیروهای هیدرودینامیکی از طریق ملحقاتی همچون boatlanding، فندر ها و ضربه گیرها، پلکانها و راهروها، لوله های گروت وآندها به سکو وارد میشوند، این ملحقات میبایست با استفاده از اعضای غیر سازه در مدل لحاظ شوند. محاسبه این نیروها در برخی از اعضا حالتهای بحرانی ایجادمیکنند بخصوص از بعد نیروهای محلی. همچنین نیروی حاصله از برخورد موج به boatlanding به خاطر اثرات shielding factor به طرز قابل توجهی با جهت تابش موج در ارتباط است. برای مطالعه بیشتر به شرایط مذکور در تفسیر API مراجعه شود.

در برخی موارد boatlanding به صورت یک صفحه بزرک به ابعاد معادل آن مدل میشود. قابهای  conductor guide نیز حالت مشابهی دارند.

همچنین در صورتیکه نیروهای ناشی از پلکان، راهرو و لوله های گروت قابل توجه نباشند می توان از مدل کردن آنها صرف نظر کرد. برای آندها نیز به همین ترتیب میتوان عمل کرد.

معادله موریسون

نیروهای وارد بر اعضا شامل نیروی دراگ و اینرسی میشود که از معادله زیر محاسبه میشوند:

نهایتا برای محاسبه نیروی کلی وارده بر سازه، نیروهای تک تک اعضا که از معادله فوق محاسبه شده اند به صورت برداری جمع میشوند.

نرم افزار SACS برای محاسبه نیروهای وارده از معادله فوق استفاده می کند.

بار باد

اثر بار باد در سکوهای معمول (جاکتها) با اثرات بار موج و جریان جمع میشود. منتها برای سکوهای tension leg و برجی، آنالیز بار باد باید به صورت جداگانه مد نظر قرارگیرد (به خاطر نزدیکی فرکانس ارتعاشی این نوع از سکوها با نوسانات باد). همچنین برای طراحی ملحقات سازه ای میبایست از سرعت تندبادها استفاده شود.

روابط زیر برای پرفیل باد در ارتفاع z و زمان t کوچکتر 3600  ثانیه قابل استفاده هستند:

در سازه های جاکت با دوره های تناوب کم معمولا نیروهای ناشی از باد یک ساعته، با بیشینه نیروهای ناشی از موج ترکیب میشوند. هرچند تند بادهای 3 ثانیه، 5 ثانیه، 15 ثانیه و یک دقیقه ای، مطابق موارد ذکر شده در بخش 2.3.2.b.3 آیین نامه API میبایست در طراحی سکو مد نظر قرار گیرند.

نیروهای وارده ناشی از باد با استفاده از رابطه زیر با سرعت باد مرتبط میشوند (ذکر شده در API):

ضرایب شکل  CS  (shape factor) در آیین نامه API به شرح زیر پیشنهاد شده اند:

محاسبه سطح بادگیر:

با توجه به نصب تجهیزات متعدد روی سکوها از جمله تجهیزات مکانیکال و ماژولهای زیست و ... که عموما در نرم افزار SACS مدل نمیشوند ولی نیاز است تا سطوح بادگیر آنها در محاسبات مربوط به نیروی باد در نظرگرفته شود، این امکان در نرم افزار SACS برای کاربر ایجاد شده که از طریق معرفی این سطوح در جهت های اصلی، نیروهای مربوطه را محاسبه نماید. لذا لازم است کاربر به صورت دستی سطوح مذکور را محاسبه و در قسمت wind, drag and inertia  وارد نماید.

شکل 15 – نحوه وارد کردن سطوح بادگیر درنرم افزار SACS

برای این منظور سطح بادگیر، مختصات مرکز سطح و نقاط (joint) اتصال سطح به سازه میبایست در منوی مربوطه وارد شوند (شکل بالا).  همچنین ضریب شکل (shape factor) نیز در همین منو قابل تعریف میباشد.

نمونه محاسبات جهت سطح بادگیر برای یک سکوی مشخص برای جهت x در زیر قابل مشاهده میباشد:

اعمال بار باد در نرم افزار SACS

برای اعمال بار باد در نرم افزار SACS میبایست از منویwind  استفاده کرد. برای هر جهت مطابق با جهت های تابش موج  و در حالت نرمال و درحالت طوفان میبایست بار باد وارد گردد. که شامل اطلاعاتی همچون آیین نامه مورد استفاده، سرعت باد، ارتفاع مبنای باد، زاویه تابش باد، عمق آب و سطوح باد (که در مرحله قبل نحوه محاسبه و تعریف آنها در نرم افزار ذکر شد) میباشند. شکل زیر نشان دهنده منوی  wind در نرم افزار SACS میباشد:

روییدنیهای دریایی

از آنجایی که روییدنیهای دریایی خود به عنوان یک بار برای سازه عمل میکنند و به مرور زمان به صورت جزیی جدانشدنی از سازه تبدیل میشوند، لذا در تمام ترکیبات بارگذاری به صورت ثابت وارد میشوند. به همین دلیل این پدیده به صورت کلی در مدلسازی اعمال میشود. مقادیر ضخامت برای روییدنیهای دریایی در اعماق مختلف و بر اساس مطالعات میدانی به سازه اعمال میشود. ضخامت روییدنیهای دریایی در منطقه splash zone بیشتر است همچنین وزن مخصوی آنها نیز به عنوان یک پارامتر تاثیرگذار میبایست در فیلد ورودی اطلاعات دربخش مربوطه (مطابق شکل زیر) وارد شود.

اجزای غیر باربر ولی بارگیر dummy structure

برخی از اعضای سکو نقشی در باربری سازه ای ندارند، ولی در جذب بارهای موج و جریان نقش زیادی دارند. اعضایی همچون pile conductors ، risers و موارد مشابه. از این رو به جهت در نظر گرفتن اثر بارگیری این اعضا، پس از اتمام مدلسازی سازه (با در نظر گرفتن اعضای مذکور در مدل)، با استفاده از امکانات نرم افزار SACS، اثر مقاومت سازه ای را در این اعضا نادیده میگیریم.

بار اجزای سکو

به غیر از بارهای محیطی، بار اجزا وملحقات سکو نیز به سازه اعمال میشود که البته بار مرده برای بیشتر آنها از طریق مدلسازی با المانهای مناسب قابل اعمال هستند. در خصوص برخی از اجزا نکات زیر قابل ذکر هستند:

Blast wall: نیروهای موضعی ناشی از عملکرد این اجزا میبایست به صورت جداگانه محاسبه شوند و اعضای درگیر با آنها به نحو مناسبی طراحی شوند.

Crane: بار وضعیت عملکردی این تجهیز میبایست در تمام جهات عملکردی crane  به نحوی که بدترین اثر را با همزمانی بارهای محیطی ایجاد میکند به سکو اعمال گردد. همچنین اجزای درگیر با این تجهیز همچون pedestal و boom rest میبایست به صورت جداگانه طراحی گردند.

LQ: بارهای زنده و مرده ناشی از LQ میتوانند به صورت جداگانه در نقاط تکیه گاهی اعمال شوند یااینکه در مدلسازی به صورت کامل و یکپارچه وارد شوند.

Bridge: از آنجا که در مدلسازی، عموما سازه bridge به صورت مجزادرنظر گرفته میشود لذا میبایست کلیه بارهای ناشی از اجزای مختلف bridge که شامل بارهای زنده و مرده، electrical ، piping و غیره میباشند محاسبه و در نقاط تکیه گاه درقالب بار مناسب (متناسب با تعاریف اولیه بار در پروژه) اعمال شوند.

Boat landing:  این بخش از سازه را میتوان به طور کامل در نرم افزار SACS مدلسازی کرد. اما به خاطر اجتناب از پیچیدگی مدل میتوان از مدلسازی این بخش صرفنظر کرد و در عوض بارهای ناشی از boat landing را در نقاط اتکا به سازه اعمال نمود. در خصوص بارهای مرده، این کار از طریق تعریف بار مربوطه در گره های اتصال انجام میشود. حال آنکه برای برای در نظر گرفتن نیروهای هیدرودینامیک و هیدرواستاتیک ناشی از موج و جریان، میبایست معادل المانهای مورد استفاده در ساخت boat landing ، در نرم افزار SACS سطح drag  (تقریبا مشابه آنچه که در محاسبه سطوح بادگیر ذکر شد) تعریف شود. شکل زیر مثالی از تعریف drag area به جای مدلسازی اعضای boat landing میباشد.

شکل 18 – نحوه تعریف سطح drag در نرم افزار SACS

درنهایت سطح تعریف شده در این بخش میبایست در بخش بارگذاری موج و جریان بازخوانی شود که در مثال فوق B1 نامگذاری شده که درشکل زیر نحوه معرفی آن در برای بار موج و جریان نشان داده شده است:

Helideck: کلیه اجزا و المان های helideck میبایست برای سناریوهای مختلف فرود و صعود هلیکوپتر (مطابق ضوابط و دستورالعملهای مربوطه) طراحی گردند. منتها در آنالیز inplace سکو میبایست اثر وجود هلیکوپتر روی سکو در نظر گرفته شود.

Grouting: در سکوهایی که پایه Jacket در آنها به صورت grouted مدل میشود، از آنجاکه در مدل از مقاومت بتن بین المانها صرفنظر میشود و مقطع leg و Pile بصورت یک مقطع مرکب (بدون حضور بتن) مدل میشود، میبایست وزن بتن بین leg و pile به صورت دستی در گره ها اعمال شود.

بار مرده ناشی از وزن المانهای سازه

برای محاسبه بار مرده ناشی از وزن المانهای سازه ای در نرم افزار SACS، میبایست این بارها تحت یک load case مجزا که در برگیرنده عمق آب (برای در نظر گرفتن تاثیر غوطه وری) به نرم افزار معرفی شوند. این load case معمولا برای سه حالت عمق حداقل جذر و مدی، عمق حداکثر جذر و مدی در شرایط نرمال و عمق حداکثر جذر مد طوفانی تعریف میشود. در شکل زیر یک نمونه از نحوه تعریف بارهای مرده ناشی از المانهای سازه ای نمایش داده شده است:

شکل 20 – نحوه ایجاد Load Case برای بار مرده ناشی از وزن اجزای سازه ای در نرم افزار SACS

تعریف ترکیبهای بارگذاری در نرم افزار SACS

پس از معرفی کلیه حالتهای بارگذاری، میبایست ترکیبهای بارگذاری مناسب جهت تحلیل سازه مشخص شوند. با استفاده از خط دستورLCOMB میتوان حالت بارگذاری و ضریب بار مربوطه را مطابق شکل زیر در نرم افزار SACS معرفی کرد.

تنظیمات جهت تحلیل درجای سکو در فایل SACINP

با انتخاب گزینه AA در code check option طرای براساس ASD method AISC2005 برای اعضای غیر لوله ای و WSD method API RP2A 21 برای اعضای لوله ای انجام میشود. با انتخاب AL طرای یه روش LRFD تحت آیین نامه های مذکور انجام میگردد.

کاربر میتواند بجای مشخص کردن آیین نامه ذکر شده در LRFD PHI Factors، با افزودن خط دستور RFLRFD ضرایب دلخواه خود را به صورت دستی اعمال نماید.

برای در نظر گرفتن آنالیز P-Delta میباست load case مربوطه در خط LCSEL مشخص و حالت  P-Delta برای آن انتخاب گردد. این آنالیز برای سازه هایی که بارهای قائم اثر عمده ای بر سازه دارند انجام میشوند. در صورتیکه حالتهای بارگذاری قائم برای آنالیز P-Delta بیش از یک حالت باشد، این آنالیز میبایست برای هر حالت به صورت جداگانه انجام شود. به عنوان مثال برای حالتی که بارهای قائم باعث افزایش تنش فشاری میشوند یک آنالیز و برای بارهایی که باعث ایجاد تنش کششی میشوند آنالیز دیگری انجام میشود.

از تحلیل P-Delta استفاده کنیم یا Large Deflection

هنگامیکه میخواهیم از بین دو شیوه تحلیل P-Dleta و Large Deflection یکی را انتخاب کنیم میبایست برخی از شرایط را مدنظر قرار دهیم.

با استفاده از تحلیل P-Delta میتوان یک برآورد مرتبه اول از اثر نیروهای محوری روی سختی خمشی سازه به دست آورد. همینطور گزینه P-Delta برای سازه هایی که تغییر مکان جانبی آنها کمتر از 10 درصد ارتفاع است مفید میباشد (سازه هایی که به زمین متکی هستند). برای مثال برای یک سکو به ارتفاع 100 متر آنالیز P-Delta برای تغییر مکانهای جانبی تا 10 متر قابل انجام میباشد. تحلیل P-Delta به تغییر شکلهای جانبی اعضای قاب بندی شده (تیرها) محدود شده است. برای سازه هایی که دارای المانهای plate یا Solid هستند، تحلیل P-Delta سودمند نیست و استفاده از این تحلیل تغییر خاصی را در نتایج حاصل نمیکند.

تحلیل Large Deflection زمانی انجام میشود که عمل دیافراگمی (diaphragm action) یا تغییر مکانهای وابسته به بار، تاثیر عمده ای در سازه داشته باشند. به عنوان نمونه هنگامیکه یک boiler که با ورق ساخته شده را تحت تحلیل Large Deflection قرار میدهیم، تغییر مکانهای بزرگ ورق منجر به این خواهدشد که دیواره های boiler به جای اینکه عملکرد یک ورق خطی (linear plate) و با سختی فقط خمشی داشته باشند،  رفتاری شبیه یک دیافراگم با عملکرد membrane داشته باشند.

معرفی پارامترهای ldopt

در این بخش به معرفی پارامترهای مشخص شده در خط دستور ldopt میپردازیم. هنگامیکه فایل sacinp را در محیط datagenerator باز میکنیم و روی گزینه ldopt که معمولا در سطور ابتدایی فایل قرار داردکلیک میکنیم (یا از طریق دستور insert line دستور ldopt را فراخوانی میکنیم)، پنجره ای با سه انتخاب اصلی (شامل Gerneral, Reports ,  Simplified Hydro Collapse) نمایان میشود. این پارامترها درواقع مشخص کننده شرایط seastate جهت انجام آنالیز میباشند.  پارامترهای قابل تعریف در هریک از این پنجره ها در تصاویر زیر قابل مشاهده هستند:

Seastate Analysis Options: نرم افزار SACS به طور پیش فرض بارها را جهت انجام تحلیل استاتیکی ایجاد میکند در صورتیکه که کاربر بخواهد از سایر تواناییهای نرم افزار جهت انجام آنالیز استفاده کند این امکان در این بخش فراهم شده است که به اختصار شرح هریک از آنها در جدول زیر قابل مشاهده هستند.

پنجره Simplified Hydro Collapse

sources and resources

International standards and resources

API RP2A - API Recommended Practice 2A-WSD (RP 2A-WSD) twenty-first edition, December 2000.

Errata and supplement 1, December 2002

SACS 5.3.1.1 manual Copyright © 2010 by ENGINEERING DYNAMICS, INC. Version 7.0 Revision 1

Definitions

Platform analysis: Contains platform analysis based on dead, live, exploitation and loads due to marine environmental conditions including wind forces, sea currents and wave during exploitation.

Design Considerations

Operating Considerations

First of all, the following basic issues should be discussed and finalized in the light of studies and in coordination with the employer and other disciplines:

Platform function, platform position and direction, depth of water in the platform, access, fire and explosion protection, required levels for TOPSIDE, the lowest level allowed to avoid collision with the deck, number, EQIPMENT LAYOUT, how to carry and The movement of personnel and equipment during construction and utilization, the capacity and type of CRANE needed on the platform, the need for HELIDECK, the number and location of the BOATLANDING, the size and location of the deck openings (TOPSIDE OPENINGS), how to drain the liquids from the deck, how to communicate with others Platforms, location of bridge bridges.

Environmental considerations

Environmental conditions affecting the design of the platform such as NORMAL CONDITION, EXTREME CONDITION, wind, wave, runoff and weather conditions, underwater, ice currents (not applicable in Gulf conditions), earthquakes and active faults, Instability of ground layers, scouring, deep-sea gases and marine erosion should be considered and estimated.

Geotechnical studies

Due to the fact that the jackets are fixed by a candle in their place, geotechnical studies in the site are necessary to identify the different layers of soil at the probable depth of the piling of piles through borehole drilling with appropriate depth. Also, to investigate any environmental complications in the bed, hydrographic impressions of the bed at the site of the construction of platforms should be performed.

Loading

To analyze the structure, the following loads should be applied to structures.

Deadloads that include the weight of structures and equipment that are permanently installed on the platform, these loads should include:

The weight of non-shaft structure includes piles, grouting weight and ballast weight

Weight of stationary platform equipment

Hydrostatic forces entering the structure

Live loads, which are loads that operate on structures during operation that may differ according to the type of platform used by the platform and should include the following items:

The weight of the drilling and production equipment that can be unloaded or unloaded into the platform.

LQ, Helideck, safety equipment, diving equipment, etc., which will be unlocked or unplugged from the platform.

Weight of materials and fluids inside the reservoirs

Drilling forces, equipment transportation, and forces from harnesses and helicopters

Deck forces resulting from the use of cranes.

Environmental loads, which are caused by the natural environment of the platform location, include wind, stream, wave, earthquake, snow, ice and bed motion. Also, loads due to changes in hydrostatic pressure and flotation which are due to changes in water level in the rocks and modes are also environmental loads.

Loads during construction are due to build, lifting, carrying and installing this group.

Disconnecting and installing loads are used for platforms that need to be repositioned in a new position, including dismantling, loading, carrying, lifting and rebuilding loads.

Dynamic loads are loads caused by structural stimulation by back and impact loads. Stimulation of the structure may be due to wave, wind, earthquake and equipment. Impact loads can also be due to collision damage or drilling equipment on the platform.

Loading conditions

The loads on the platform should be applied to the platform somehow that has the hardest effect on the platform. Loading conditions should include environmental loads along with a suitable combination of dead loads as follows.

Environmental conditions of operation with dead load and maximum live load proportional to normal operating conditions

Environmental conditions of operation with dead load and minimum live load proportional to normal operating conditions

Designed environment conditions including dead load and maximum live load to obtain the maximum effect on the structure.

Designed environment with dead load and minimum live load to obtain the highest effect on the structure.

Environmental loads should be applied in the absence of an earthquake and in some way to structures that are likely to be synonymous with their effect on the structure.

The earthquake load is also applied to the structure with separate compositions as an environmental load.

Operating environment conditions should be applied to create a moderate impact on the platform, and should be limited if they cause landing. Typically, storm waves for a return period of one to five years are considered for exploitation conditions. The maximum life-span of drilling and production platforms should include loads due to drilling operations and platforms operating, and loads of workover conditions (specific conditions of drilling operations) and their suitable combinations. Also, changes in the weight and location of the moving loads should be considered in order to obtain the highest design tension.

Temporary loads, which may be applied to the structure during the lifetime of the operation, should be applied to the platform with a suitable combination of dead weight and maximum temporary load and appropriate environmental conditions.

Finally, each platform member should be designed for the worst conditions and the maximum stresses that it has on the platform.

Prerequisites

For inplace analysis, SACS software is generally used. Which is, of course, the most important prerequisite for this analysis is the construction of the geometric topside and jacket model in the SACS software.

The most important rule used in this discussion is API RP2A, which will be highly referenced in terms of loading and designing.

Design loads (loading types and related parameters)

Wave load

Static wave analysis

The load has a dynamic nature, but in many cases and depending on the platform conditions, static analysis is acceptable under wave load. In deep water conditions or in cases where the platform is designed to be more flexible, dynamic load analyzes should be performed. Static wave analysis

The static analysis process for each specific direction involves identifying the characteristics of the wave with its height and period related to it, the depth of water in the storm conditions and the flow profile. The practical steps for static wave analysis are:

The apparent duration of the waves is determined by calculating the flow-induced Doppler effect.

The appropriate wave theory is chosen according to the wave specification and environmental conditions (usually a 5th Stokes rule)

Decrease the particle velocity and accelerate the wave particle by considering the wave kinematic factor

The local effect of the flow profile is calculated by multiplying the blockage factor.

Composition of flow profiles and kinetic wave components for calculating the velocity and acceleration of particles for use in the Morrison equation.

Increasing the dimensions of the members exposed to sea voyages

Extraction of Drag and Vinier coefficients (which is a function of wave and flow parameters, shape and roughness of the cross section ...)

Reduction of waveguide constants (by conductor shielding factor)

Creating a hydrodynamic model for radiators and attachments

Calculation of local forces due to the wave and flow for all structural members, constants, radiators, and fittings using Morrison's relation

Calculation of total force using the total force collection of all members.

The apparent waveform of the wave

When wavelengths are in the direction of flow and direction, the wavelength will be wider, while if these lines are opposed, the wavelengths will decrease. To perform a simple estimate to calculate the appearance of the period, you can use the following statement in the recommended API statement:

In the graph above, T is the actual waveform (from the point of view of a constant observer), VI the velocity of the flow, and g the gravitational acceleration, and d the depth of water in stormy conditions (including rotation and storm surge). The above graph can be used for d / gT2> 0.01. For d / gT2 values ​​smaller than and equal to 0.01, we can use the following equation:

The above relations are used for uniform flow profiles at full depth of water. If the flow profile has a different shape then appropriate numerical models should be used. The flow velocity for use in the above relationships should be in free flow mode (see below for a reduction in the structure blockage).

If the flow profile has a particular shape, then the following proposed method can be used in accordance with the API statement, which involves solving the following three equations that require the use of numerical methods.

Wave theory (shape and type of wave motion) appropriate

By calculating the apparent period, wave height, depth of water under storm conditions, the best wave theory can be chosen according to the proposed graphs.

Waveguide kinematics factor

Given that under the actual conditions of the direction of propagation and the shape of all the waves are not exactly the same, by multiplying the velocity and acceleration of wave particles in the kinetic coefficient, these conditions are close to real. This coefficient for tropical storms is between 0.85 and 0.95 and for supra-tropical storms between 0.95 and 1.0. Of course, this figure is considered by most engineering companies for the Persian Gulf conditions of 0.95.

The image below shows the location of the wave kinematic factor in the SACS software:

How to define wave load in SACS software

To define wave characteristics in the SACS software, the wave specification, including height, period, and wave theory (as described in the previous sections) are extracted and entered into the waveform line. These specifications are presented along with the direction of radiation in the Parameters window.

Also, considering that different situations of wave motion in the structure create different forces, the initial position of the wave crown and the number and spacing of the wave analysis steps on the structure (based on the angle, time, or wavelength) are presented in the Crest Position window to the software. Also, given that the critical situation for different members in different situations is caused by the wave, the criterion of critical conditions should be determined according to the choices determined by the software by the user.

In the Miscelineouse window, information such as depth of water and mudline alignment can be redefined. Also, the maximum and minimum components of each member are determined to calculate the wave force on them (and ultimately the total structure).

Considering the Dynamic Wave Effect:

To determine the dynamic effect of wave load on the structure, and based on the relationships presented in the dynamic books of marine structures, we can use the following coefficient for wave load.

Finally, this coefficient is applied to the corresponding load combination.

Flow rate and how it is applied in SACS software

After determining the flow profile, based on field studies, the values ​​and flow parameters in the SACS software, and in the field of load wave and drag fields using the current field, are applied as follows:

As can be seen, the load current, along with the load wave, is applied under a loading condition. The flow profile must be applied to the structure in all directions (in accordance with the directions of the wave load) and for the storm and normal conditions.

Also, for lean members exposed to it, seismic studies should be carried out on the phenomenon of vortex shedding. (For further reading, see section C.2.3.1. B.12 of the APIs).

Current blockage factor factor

In a situation where a barrier such as a platform is placed against the normal course of the currents, it disturbs the normal course of the stream, in such a way that the flow path is disrupted and parts of the flow tend to pass through the barrier to pass through it, as well The flow velocity also decreases. For a specific platform, the shape of the displacement vectors of the flow is as follows:

Fig. 9 - Changing the current vectors in opposition to an obstacle (Boolevic platform)

So, with the current blockage factor, this phenomenon is realistic. The following API coefficients for the Gulf of Mexico are shown in the table below. This coefficient is usually between 0.7 and 1.0.

The image below specifies the current blockage factor in the SACS software:

Collecting wave and wave components

The modified wave by the coefficient of motion and the current corrected by the coefficient of obstruction should be combined together. However, since the flow profile in the design criteria is generally specified for a moderate storm water, the methods mentioned in the regulations should be used to draw or compress the flow profile in the desired depth. The nonlinear method is preferred in the API.

The following figure shows how to extend the flow profile from the Mean Water Level (MWL) to the crown wave alignment.

Figure 11 - Comparison of flow profile profiles in linear and nonlinear methods

This operation (pulling or compressing the flow profile in depth of the case) is activated as an option in the SACS software. As shown below:

Drag coefficients and inertia

As a general rule, the Drag coefficients and inertia for use in the Morrison equation for cylindrical sections are considered as follows.

Refer to the API for further study for other conditions.

The image below shows the location of the above coefficients in the SACS software:

Conductor shielding factor

Depending on the shape of the structure and the placement of the constants, the absorbed forces by the constants can account for a large proportion of all the lateral forces due to the wave. If the constants are spaced apart at a small distance, the waveform produced by them can be reduced by hydrodynamic shielding. Considering the diameter and distance of the conduitors, we consider the decreasing coefficient for the Drag coefficients and the corresponding inertias as follows.

S is the center of the center to the center between the constants and their diameter D, taking into account sea vessels.

In the SACS software, this coefficient is applied to the members by the MEMOV or GRPOV command in the Data Generator environment.

Refer to the API for full study.

Hydrodynamic model of accessories

Since hydrodynamic forces are introduced into the platform through fittings such as boatlanding, fenders and bumpers, stairs and corridors, grout pipes and joints, these accessories should be considered in the model using non-structural members. Calculation of these forces in some of the members creates critical situations, especially the local forces. Also, the force generated by the boatlanding collision due to the effects of the shielding factor is significantly related to the direction of the waveguide. For further reading, refer to the above terms in the API Interpretation.

In some cases, boatlanding is modeled as a large screen size equivalent. Guide conductor frames have the same status.

Also, if the forces due to stairs, corridors and grout pipes are not noticeable, they can be ignored. For anodes, the same can be done.

Morrison equation

The forces on the members include the drag force and inertia calculated from the equation:

Finally, to calculate the total force on the structure, the forces of each member that are calculated from the above equation are compiled.

The SACS software uses the equation to calculate the forces involved.

Load the wind

The effect of wind load on common platforms (jackets) is combined with the effects of wave load and flow. However, for tension leg and tower platforms, the wind load analysis should be considered separately (due to the vibrational frequency of these types of platforms with wind oscillations). Also, for the design of structural fittings, the speed of the gusts should be used.

The following relationships can be used for wind turbine at altitude z and time t less than 3600 seconds:

In low frequency rotational structures, wind forces of one hour are combined with the maximum wave-induced forces. Although 3 seconds, 5 seconds, 15 seconds, and one minute, the fast winds should be considered in the design of the platform in accordance with the provisions in Section 2.3.2.b.3 of the API.

The wind-induced forces are related to the wind speed using the following equation (mentioned in the API):

The shape factors of the API in the API are as follows:

Bug level calculation:

Due to the installation of multiple equipment on the platforms, including mechanical equipment and biological modules, which are not generally modeled in the SACS software, but it is necessary to consider their windward levels in wind power calculations, this is possible in the SACS software It is created for the user to calculate the forces by introducing these levels in the main directions. Therefore, the user must manually calculate the levels and enter the wind, drag and inertia.

Figure 15 - How to insert winder surfaces in the SACS software

For this purpose, the surface of the winder, the coordinates of the center of the surface and the joint joints of the surface to the structure should be entered in the relevant menu (figure above). Also, the shape factor is also defined in this menu.

The calculation sample for the winder surface is visible for a specific platform for the x direction below:

Wind load in SACS software

To apply the wind load in the SACS software, you must use the wind menu. For each direction, according to the direction of the wave radiation, in the normal state and during the storm, the wind load must be introduced. Which includes information such as regulations, wind speed, wind speed, winding angle, depth of water and wind levels (as previously stated in the software and their definition in the software). The following figure shows the wind menu in the SACS software:

Seafront

Since their navy vessels act as a single load for the structure and over time, they become inseparable from the structure, thus, in all loading compositions, they enter in a constant manner. For this reason, this phenomenon is generally applied in modeling. Thickness values ​​are applied to sea structures in depths and based on field studies. The thickness of seagrass in the splash zone is greater, and their specific weight as an effective parameter should be entered in the input field of the relevant information section (as shown below).

Non-loader components but dummy structure

Some members of the platform do not play a role in structural loading, but they play a large role in attracting wave loads. Members like pile conductors, risers, and the like. Therefore, considering the effect of loading these members, after the completion of modeling of the structure (considering the members mentioned in the model), using the SACS software features, the structural resistance of these members is ignored.

Load components of the platform

Except for environmental loads, the load of components and accessories of the platform is also applied to the structure, which, of course, dead dead for most of them can be applied through modeling with suitable elements. Some of the following points are worth mentioning:

Blast wall: Local forces due to the performance of these components should be calculated individually and the involved members should be designed with them appropriately.

Crane: The operating condition of this equipment must be applied to the platform in all functionalities of the crane in such a way that it produces the worst effect by simultaneous loading of the load. Also, the components involved with this device, such as pedestal and boom rest, should be designed individually.

LQ: Live and dead loads due to the LQ can be applied individually at the support points or integrated into the modeling in full.

Bridge: Since in the modeling, generally, the bridge structure is considered as a distinct. Therefore, all loads due to various bridge components, including live and dead loads, electrical, piping, etc., should be calculated and calculated at the support points at the appropriate load (proportional to Initial definitions of load in the project).

Boat landing: This part of the structure can be fully integrated into the SACS software. But for avoiding the complexity of the model, it is possible to dismiss the modeling of this section, and instead apply the boat landing loads in the points of reference to the structure. In the case of dead loads, this is done by defining the load on the connection nodes.