عنوان : تحلیل هیدرودینامیکی سکوی نیمه شناور خرپایی(TSP) تحت امواج تصادفی

دانشگاه هرمزگان

دانشکده فنی و مهندسی

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته عمران گرایش سازه های دریایی

عــــنــــوان پایان نامه :

تحلیل هیدرودینامیکی سکوی نیمه شناور خرپایی(TSP) تحت امواج تصادفی

استاد راهنما :

دکتر کیوان صادقی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه و معرفی
1-1 پیشگفتار ………………………………………………………………………………………… 1
2-1 روش پژوهش…………………………………………………………………………………………….3
3-1پیشینه‏ی پژوهش………………………………………………………………………………………3
4-1 اختصار کار انجام شده ………………………………………………………………………….6
فصل دوم: آشنایی کلی با انواع سکو ها
1-2  سکو ی ستونی (اسپار)………………………………………………….………………9
2-2 سکوهای ستونی خرپایی(تراس اسپار)……………………………………………10
3-2  نیمه مغروق ها:…………………………………………………………………………..12
4-2 سکوی نیمه شناور خرپایی (Truss Pontoon Semi-submersibl )………………..17
فصل  سوم: نیروهای محیطی و تئوری امواج
1-3 نیروهای وارد بر سکو…………………………………………………………………20
1-1-3 نیروی ناشی ازموج……………………………………………………………………23
1-1-1-3 معادله موریسون …………………………………………………………………29
2-1-1-3 تئوری تفرق(diffraction theory) ………………………………37     
2-3 مقدمه ای بر امواج…………………………………………………………………………….41 
3-3 تئوری امواج……………………………………………………………………………………42 
1-3-3 امواج منظم…………………………………………………………………………………43 
2-3-3 امواج نامنظم………………………………………………………………………………..49
4-3 توصیف آماری امواج………………………………………………………………………..53
5-3 طیف دامنه و انرژی امواج………………………………………………………………53
1-5-3 طیف پیرسون موسکویچ…………………………………………………..58
2-5-3 طیف جانسوپ………………………………………………………………….59
3-5-3 طیف برت اشنایدر…………………………………………………………..61
4-5-3 طیف نیومن……………………………………………………………………..62
5-5-3 طیف نیومن……………………………………………………………………..62
فصل چهارم : سیستم های خطی یک در جه آزادی
1-4 ارتعاش آزاد نامیرا ……………………………………………………………………..63
2-4 ارتعاش آزاد میرا ………………………………………………………………………65
3-4 کاهش لگاریتمی…………………………………………………………………………70
فصل پنجم:اطلاعات مساله و تحلیل سکوی نیمه شناور خرپایی
1-5 معرفی مشخصات مساله…………………………………………………………………72
1-1-5- مدل تست……………………………………………………………………………….73
2-5 محاسبه نیروهای وارد بر سازه………………………………………………………76
1-2-5 محاسبه نیروی surge وارد بر سکو به روش موریسون…………………….76
2-2-5 محاسبه نیروی surge وارد بر سازه با بهره گیری از تئوری تفرق…………….79  
-32-5 نیروی heave وارد بر سکو با بهره گیری از معادلات موریسون………………..80
4-2-5 نیروی heave  وارد بر سکو با بهره گیری از تئوری تفرق………………83
5-2-5 لنگر pihtch وارد بر سکو با بهره گیری از معادلات موریسون………..85
1-5-2-5  لنگر ناشی از نیروی surge وارد بر یک استوانه……………85
2-5-2-5 لنگر ناشی از نیروی heave وارد بر ستون ها………………….86
3-5-2-5 لنگر ناشی از صفحات افقی(heave plate)…………………….86
6-2-5 محاسبه لنگر pitch با بهره گیری از تئوری تفرق……………………………87
1-6-2-5 لنگر ناشی از نیروی surge……………………………………………….
2-6-2-5 لنگر ناشی از نیروی heave………………………………………………
3-6-2-5 لنگر ناشی از صفحات افقی…………………………………………………88
3-5 محاسبه حرکت سازه(RAO) تحت موج تکی……………………………………..89
1-3-5 محاسبه پاسخ واحد سازه برای حرکت در جهتheave…………………
2-3-5 محاسبه پاسخ واحد سازه برای حرکت در جهت pitch…………………..
4-5 پاسخ سازه تحت موج های تصادفی(طیفی)…………………………………91
فصل ششم: ارائه نتایج و بحث در آنها
1-6 نیروی وارد بر سکو در جهت surge  …………………………………..
2-6 نیروی وارد بر سکو در جهت heave……………………………………
3-6 لنگر وارد بر سکو در جهت pitch ………………………………………
4-6 پاسخ حرکتی سازه در جهت heave به موج با دامنه واحد ………………96
5-6 پاسخ حرکتی سازه در جهت pitch به موج با دامنه واحد………………..98
6-6تحلیل سازه برای موج های تصادفی…………………………………….99
1-6-6طیف پاسخ سازه برای حرکت در جهت heave ………………………..
2-6-6طیف پاسخ سازه برای حرکت در جهت pitch…………………………
7-6 نتیجه گیری…………………………………………………………………….104
8-6پیشنهادات برای ادامه کار…………………………………………………105
چکیده:
سکوی نیمه شناور خرپایی یک سازه جدید در صنعت سازه های فراساحل می باشد که از یک قسمت خرپایی برای ایجاد جرم اضافه با بهره گیری از صفحات افقی بهره گیری می کند. در این پایان نامه این سازه با بهره گیری از قسمت خطی معادله موریسون تحلیل می گردد و نتایج با تحلیل سکو به روش تئوری تفرق خطی مقایسه می گردد. هدف از این تحلیل معرفی یک روش محاسباتی ساده برای تحلیل سازه هایی با ابعاد بزرگ مانند سکوی حاضر می باشد. نزدیکی قابل قبول نتایج تحلیل با نتایج مدل تست و نتایج تحلیل با روش تفرق نشان می دهد که بهره گیری از معادله موریسون می تواند برای محاسبه نیروهای وارد بر سازه های بزرگی مانند سکوی مورد مطالعه روش مناسبی باشد و تا مقدار زیادی باعث ساده تر شدن محاسبات گردد بدون آن که از کیفیت نتایج چشم پوشی کند. نکته مهم در این خصوص، وابستگی نتایج به ضرائب هیدرودینامیکی انتخابی می باشد که در صورت درست انتخاب شدن باعث ایجاد نتایج صحیح می شوند.
فصل اول: مقدمه و معرفی
1-1- پیشگفتار
با در نظر داشتن اهمیت انرژی‏‏‏های فسیلی در دنیای امروز و تأثیر‏آفرینی این نوع انرژی در تمام مناسبات جهان، مساله استخراج آن یکی از موضوعات مهم تکنولوژی روز دنیا می باشد.همچنین پایان پذیری منابع فسیلی و محدود بودن ذخایر آن، باعث در نظر داشتن ذخایری شده می باشد که تاکنون بهره برداری از آنها صرفه اقتصادی نداشته می باشد. یکی از مهم‏ترین این ذخایر، ذخایر انرژی مدفون در کف دریاهاست. پس دانشمندان در طول قرن گذشته روش‏هایی را جهت استخراج از کف دریاها ارائه داده‏اند. حرکت علمی که در این راستا در غرب آغاز شده می باشد اکنون دارای تاریخچه‏ای بیش از یک قرن می باشد و با در نظر داشتن موقعیت حساس کشور ما در این برهه زمانی و برخورداری از منابع غنی انرژی های فسیلی در دریاهای شمال و جنوب کشور، کسب این تکنولوژی به یکی از رئوس برنامه علمی کشور تبدیل شده می باشد. نکته قابل توجه در این باره، لزوم بهره گیری از روشهای اقتصادی و سیستم های بهینه استخراج می باشد که در دنیای رقابتی امروز امری اجتناب ناپذیر می‏نماید.
جهت استخراج نفت و گاز از کف دریاها، کاربردی ترین روش شناخته شده، بهره گیری از سکو می باشد. این نوع سازه طی عمر هفت دهه‏ای خود تحولات بسیاری را در سیستم سازه‏ای و قابلیت بهره برداری از سر گذرانده می باشد.در آغاز این نوع سازه در آب‏های کم عمق و به صورت خرپایی ساده مورد بهره گیری قرار گرفت و طی زمان، تکامل سازه در راستای بهره گیری در آب‏های عمیق و کاهش هزینه‏های ساخت مورد توجه قرار گرفت. به علت افزایش بسیار زیاد هزینه احداث سکو‏های ثابت با افزایش عمق، نوع جدیدی از سکو‏های دریایی با نام سکوی نیمه شناور مطرح گردید که دارای مزایای اقتصادی و کاربردی قابل توجه‏ای می باشد. سیر تکامل کلی سکو‏ها و به خصوص نوع خاصی از آنها را (سکوی نیمه شناور خرپایی) به صورت کامل در فصل یک تبیین خواهیم داد.
سکوی نیمه شناور خرپایی نوع خاصی از سکوهای نیمه شناور می باشد که دارای شش درجه آزادی می­باشد: حرکت افقی طولی (­­surge)، حرکت افقی عرضی (sway)، حرکت قائم (heave)، که به ترتیب جابجایی در امتداد محورهای x و y و z بوده و چرخش طول این محورها به ترتیب، غلتش عرضی (roll)، غلتش طولی(pitch) و چرخش در صفحه افقی (yaw) نامیده می گردد.
با در نظر داشتن مقدمات بالا، در این پروژه کوشش شده می باشد اصول واکاوی یک سکوی نیمه شناور خرپایی مورد مطالعه قرار گیرد و با شناسایی و مقایسه تئوری های موجود جهت محاسبه ی بارهای وارد بر سازه، برداشت جامعی از چگونگی واکاوی یک سکوی نیمه شناور خرپایی ارائه گردد. در این راستا از تئوری های موریسون و دیفرکشن خطی جهت محاسبه‏ی نیروی موج و از تئوری موج ایری برای تبیین طبیعت دریا بهره گیری شده می باشد که در فصل های ابتدایی تبیین کلی آنها خواهد آمد. نتایج محاسباتی پروژه با یک مدل تست نیز معتبر سازی شده می باشد و در پایان شاهد بحث در نتایج و مقایسه آنها خواهیم بود.
1-2- روش پژوهش
در این پژوهش آغاز نیرو‏های وارد بر سکوی نیمه شناور خرپایی ناشی از موج، توسط تئوری های موریسون و دیفرکشن خطی برای درجات آزادی غیر وابسته‏ی surge ، heave و pitch به دست می‏آید. سپس با بهره گیری از حل معادله حرکت دینامیکی سکوی نیمه شناور خرپایی در درجات آزادی heave و pitch ، پاسخ سازه به موج با دامنه واحد[1](RAO) به نیرو‏ها در این درجات به دست می‏آید.این نتایج با نتایج به دست آمده از مدل تست و با یکدیگر مقایسه خواهند گردید. هم‏چنین طیف پاسخ سازه مورد نظر با بهره گیری از طیف های انرژی P-M و JONSWAP در درجات آزادی ذکر گردیده به دست می‏آید و مقایسه می‏گردد.
1-3- پیشینه پژوهش
افراد زیادی رفتار هیدرو‏دینامیکی یک سیلندر شناور عمودی را مطالعه کرده‏اند. هاوس (1990) یک سیلندر را در بازه kc کوچکتر از 0.01 مطالعه نمود. مطالعه های او نشان می‏داد که نیروی درگ به صورت خطی با سرعت نسبت دارد و ضریب درگ نیز فوق‏العاده کوچک بود. چاکرابارتی و هانا (1990) در مطالعه‏هایی که بر روی سیلندری با KC کمی بیستر از 0.01 انجام دادند، به نتایج مشابهی رسیدند. در آزمایشات آنها حرکت نوسانی آزاد سیلندر در جهت عمودی در خلال یک آزمایش (Decay test) مورد مطالعه قرار گرفت.
هاوس و یوتس (1994) یک سیلندر عمودی را درون یک جریان قرار دادند و نشان دادند که جریان میرایی سیلندر را در kc های مشابه افزایش می‏دهد.
درگ هیدرودینامیک یک سیلندر از دو مولفه تشکیل شده می باشد: درگ ناشی از اصطکاک و درگ ناشی از شکل. (تیاگاراجان و تروش 1994)
درگ ناشی از اصطکاک به علت نیروی ویسکوزیته سیال روی سیلندر می باشد در حالیکه درگ ناشی از شکل بر اثر جدا شدن جریان در لبه پایینی سیلندر بر اثر حرکت heave ایجاد می‏گردد. در kc های بسیار پایین، درگ در وحله اول از نوع اصطکاکی می باشد که به صورت خطی با سرعت تغییر می‏کند. همچنین درگ ناشی از شکل یک نسبت درجه دوم با سرعت دارد. آزمایشات هاوس و چاکرابارتی و هانا نشان داد که درگ اصطکاکی قسمت کوچکی از درگ هیدرودینامیک بر روی سیلندر را تشکیل می‏دهد.
تیاگاراجان و راج آزمایش‏هایی با رنج kc بزرگتر از 1 انجام دادند که در آنها درگ ناچیز و همینطور غیر خطی بود.در تمام این حالات دمپینگ ناشی از درگ که در اثر حرکت سیلندر ایجاد می‏گردید بسیار کوچک می باشد.
توا و تیاگاراجان (2003) یک دیسک با kc بالای 0.75 را تست کردند و دمپینگ درگ بیشتری را یافتند.
هی(2003) نتایج عددی و آزمایشگاهی ارائه داده می باشد که به مطالعه حرکت heave صفحه‏های نازک استوانه‏ای پرداخته و مقادیر دمپینگ را نشان داده می باشد. این مطالعات به حرکت‏های کوچک اصلی محدود شده‏اند و برای سکوی پایه کششی به صورت موردی انجام شده می باشد.
اطلاعات جرم اضافی بر اثر نوسان صفحات افقی در راستای عمود بر صفحه در این متون در دسترس نیست.آزمایش‏هایی روی سکوی نیمه شناور خرپایی با صفحات افقی انجام شده و بعضی گزارش‏ها تهیه شده‏اند که در مورد کارآیی صفحات افقی در سکوی نیمه شناور خرپایی بحث می‏کنند.(مگی و همکاران 2003)
سکوی نیمه شناور خرپایی (TPS) یک سازه جدید شناور می باشد که از ادغام مزایای سکوهای نیمه شناور پانتونی و خرپا و پرهیز از بعضی اشکالات سکو‏های پانتونی ایجاد شده می باشد. سکوی پانتونی نیمه شناور از چهار ستون شناور تشکیل شده می باشد که در قسمت پایین خود به پانتون های کف که پایداری سازه را کنترل می‏کنند متصل می‏شوند. عرشه نیز در بالای ستون‏ها قرار می‏گیرد. این سازه در مکان‏های دور از ساحل جهت حفاری و تولید به کار می‏رود. مزایای آن شامل فضای عرشه زیاد و همینطور بار قابل تحمل بالا می‏باشد. در یک طراحی روتین، ستون‏ها عمیق و پانتون‏ها نیز دارای حجم زیاد می‏باشند. مرکز جرم اعضا پایین تر از مرکز شناوری آنها قرار می‏گیرد (حدود 4 تا 12 فوت). این طراحی باعث کنترل دوره تناوب حرکات roll و pitch سازه می‏گردد.
برای یک سکوی نیمه شناور پانتونی، تغییر مکان کلی بزرگ می باشد و دور کردن پریود طبیعی سازه از پریود موج غالب کار مشکلی می‏باشد. در واقع زیرا دمپینگ کوچک می باشد و به صورت شدیدی تناوبی، پس برای سکوی نیمه شناور پانتونی نوسان در جهت heave زیاد می باشد و توسط میرایی نیز کنترل نمی‏گردد. به بیانی دیگر، میرایی ناشی از جریان منتشر شونده، به صورت موثری در طراحی سکوی نمیه شناور پانتونی برای حرکت heave بهره گیری نشده می باشد.
TPS (سرینیواسان 2004) جرم اضافی ناشی از صفحات افقی که در پایین ستون‏های خرپایی بهره گیری شده‏اند را به کار می‏گیرد و بنا بر این از جریان منتشر شونده حول این صفحات بهره گیری می‏کند. 
1-4- اختصار کار انجام شده
هنگام طراحی یک سازه دور از ساحل، یکی از اولین و مهم‏ترین مراحل، انتخاب روش محاسبه نیرو‏های موثر بر سازه می‏باشد.یکی از روش‏های محاسبه نیرو بهره گیری از تئوری دیفرکشن موج می باشد. بهره گیری از فرمول تجربی موریسون (موریسون و همکاران 1950) اغلب یک روش معمول برای به دست آوردن نیروهای وارد بر سازه‏های دور از ساحل می باشد.فرمول موریسون اثرات ناشی از برگشت امواج از سطح مغروق سازه را در نظر نمی‏گیرد و ضرائب نیرو برای اعمال این آثار به کار می‏طریقه. نیروی موریسون می‏تواند یک روش بسیار موثر برای واکاوی سازه‏های کوچک باشد.زیرا اثرات ناشی از برگشت موج ناچیز می باشد، اما تئوری دیفرکشن برای سازه‏های بزرگ قابل بهره گیری تر می باشد. یک جدول کمی برای تشخیص سازه های کوچک و بزرگ توسط چاکرابارتی ارائه شده می باشد(1987).
در این پژوهش از هر دو این روش‏ها برای محاسبه‏ی نیرو‏ها بهره گیری شده می باشد.تصویر کلی سازه TPS در شکل نمایش داده شده می باشد.حرکات این سازه در جهات Heave و Pitch به دو روش موج خطی و موج تصادفی واکاوی شده می باشد(با بهره گیری از فرمول  موریسون و تئوری دیفرکشن خطی). سپس این نتایج با نتایج  به دست آمده از مدل تست مقایسه شده‏اند. مدل تست طی مقاله‏ای توسط آقای سرینیواسان در سال 2005 تشریح شده می باشد.
سازه حاضر برای امواج خطی در بازه تناوب 7-22 ثانیه واکاوی شده می باشد.در مرحله محاسباتی پاسخ یکه سازه (RAO) برای نیروهای surge ، heave و pitch  به دست آمده می باشد و هم چنین پاسخ یکه حرکت سازه‏ها در جهات heave و pitch  نیز به دست آمده می باشد. طیف JONSWAP برای موج‏های تصادفی نیز برای تحلیل سازه تحت اثر امواج تصادفی بهره گیری شده می باشد.
Response Amplitude Operation-[1]
تعداد صفحه : 126
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد رشته عمران : بررسی علل تصادفات و روشهای کاهش اثرات آن

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران