پایان نامه کاربرد روش آنالیزدینامیکی افزایشی (IDA) در بررسی رفتار لرزه ای سکوهای ثابت فلزی دریائی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.Sc“

مهندسی عمران – سازه 

چکیده

تقاضا برای تولید و استخراج نفت و گازدر سرتاسر جهان از چند دهه گذشته در حال رشد بوده است . به دنبال تلاشها برای اکتشاف و استخراج نفت از منابع انرژی دریایی ، فرم های سازه ای گوناگونی برای سکوهای دریایی پیشنهاد گردیده است . یک سکوی ثابت فلزی دریایی مجموعه ای متشکل از عناصر مختلف سازه ای نظیر شمع ها، جاکت و عرشه با عملکردهای متفاوت در برابر زلزله می باشد. آرایش مهاربندهای سکو نقش مهمی در عملکرد لرزه ای آن دارد، بطوریکه در آیین نامه های مختلف منجمله آیین نامه API حالتهای مختلفی برای آن پیشنهاد گردیده است .

آنالیز دینامیکی غیرخطی افزایشی (IDA) روش جدیدی است که با استفاده از آن تخمین نیاز و ظرفیت سازه امکان پذیر می باشد. این امر از طریق تحلیل دینامیکی غیرخطی و به کمک دسته رکوردهایی با مقیاس های متعدد انجام می شود. این روش کارایی های بسیاری دارد که از جمله مهمترین آنها محاسبات زلزله بر اساس عملکرد (PBEE)١ ، بخصوص ارزیابی میانگین فراوانی سالانه (MAF)

تجاوز یک سطح مشخص نیاز سازه ای (بطور مثال ماکزیمم نسبت انحراف میان طبقات در تمام طبقات

max ) یا یک ظرفیت حالت حدی مشخص (بطور مثال ناپایداری کلی دینامیکی ) می باشد. با توجه به اهمیت سکوهای ثابت دریایی مطمئناً استفاده از روش آنالیز دینامیکی افزایشی که دارای توانایی های زیادی برای درک رفتار سازه  است می تواند بسیار مفید واقع شود.

با توجه به نفت خیز بودن ایران و اهمیت این صنعت در اقتصاد کشورمان و ضرروت استخراج نفت در مناطق جنوبی ایران ، سکوهای دریایی ثابت ، از اهمیت بسزایی برخوردارند . در این مطالعه کوشش شده تا با مدلسازی یک سکو با چهار حالت مختلف مهاربندی (موارد توصیه شده و منع شده در آیین نامه API) و انجام تحلیل های دینامیکی افزایشی به بررسی رفتار غیرخطی سکوهای دریایی پرداخته شود . در این مطالعه رفتار سکو در راستای x با مدلسازی سه بعدی مورد بررسی قرار می گیرد.

همچنین با بدست آوردن منحنی IDA و خلاصه سازی نتایج و همچنین تعریف حالات حدی ، دوره بازگشت سکو برای حالات حدی مختلف محاسبه می گردد. این آنالیزها توسط نرم افزار OpenSees

انجام گردیده است .

 کلید واژه :

آنالیز دینامیکی افزایشی ، مهاربند ، اندازه شدت ، اندازه خرابی ، سکوهای ثابت فلزی ، ارزیابی بر اساس عملکرد ، دوره بازگشت

مقدمه

با توجه به کاربرد وسیع سکوهای ثابت فلزی خصوصا" در منطقه خلیج فارس و از آنجایی که کشور ایران از منابع بسیار غنی و بکر نفتی برخوردار است و این منابع در نزدیکی گسلهای فعال واقع شده اند ، در تحقیق حاضر این نوع سکو محور اصلی مطالعه واقع شده است . بکر بودن بسیاری از منابع نویافته نفتی در خلیج فارس و همچنین در دریای خزر باعث شده است تا سکوهای فراوانی در میادین مختلف نفت و گاز در دست طراحی و اجرا یا بازبینی و مقاوم سازی باشند. عوامل فوق سبب شده تا بررسی این نوع از سکوها از دیدگاه جدیدی مانند تحلیل دینامیکی افزایشی در این تحقیق مورد توجه واقع شود. پیشرفت روزافزون تکنولوزی پردازش داده ها در علوم رایانه ای امکان تحلیلهای فزاینده را فراهم ساخته است .

بنابراین صنعت ساختمان را از حالت هنری به حالت تحلیلی سوق داده است که از حالت تحلیلهای استاتیکی و الاستیک شروع و به تحلیلهای دینامیکی ارتجاعی پیشرفت حاصل نمود و پس از آن تحلیل استاتیکی غیرخطی و در نهایت تحلیل دینامیکی غیرخطی بوجود آمد.

در تحلیل دینامیکی غیرخطی لازم است که چند رکورد مختلف برای هربار مطالعه اجرا شود که غالبا" به علت حجیم بودن کار ،از این روش برای کنترل طراحی های انجام شده استفاده می شود .

از طرف دیگر روشهایی مثل تحلیل استاتیکی غیرخطی ،Push Over ، یا روش طیف ظرفیت

،Capacity Spectrum، از ازدیاد فزاینده بار استاتیکی در روش خود سود می برند که یک تصویر از رفتار سازه را در اختیار قرار می دهد که از حالت رفتار الاستیک سازه شروع و به حد جاری شدن و در نهایت با فروریزش سازه به انتها می رسید. با شباهت بین عبور از روش آنالیز استاتیکی خطی به آنالیز استاتیکی غیرخطی ،Push Over ، این ایده بوجود آمد که از روش آنالیز دینامیکی تنها به روش آنالیز دینامیکی فزاینده سوق پیدا کنیم . بصورتی که بار لرزه ای مقیاس شود و به تدریج افزایش یابد.

مفاهیم روش آنالیز دینامیکی غیرخطی فزاینده (IDA) نخستین بار در سال ۱۹۷۷ توسط Bertero

بسط پیدا کرد و در سال ۲۰۰۰ توسط Professor C.Allin Cornell در دانشگاه استنفورد مطرح

گردید. [٨] این مفهوم در سالهای اخیر به عنوان روشی جدید در مباحث مختلف از جمله عملکرد لرزه ای سازه ها مورد مطالعه بیشتر بوده و در نرم افزارهای متعددی نیز بکار رفته است .

از سوی دیگر آئین نامه API توصیه هائی را در خصوص نحوه بادبندی جاکت های فلزی ارائه می نماید که اجرای این راهنمائیها در طراحی سازه سکو منجر به ایجاد شکل پذیری کافی برای شرایط بارگذاری غیرمعمول خواهد گردید. هدف این راهنمائیها این است که وقتی کمانش در بادبندیهای قطری اتفاق می افتد توزیع مجدد بارهای برشی افقی را میسر ساخته و همچنین رفتار بعد از کمانش بادبندهای قطری و اعضای غیر لوله ای در اتصالات را بهبود بخشد. اعتقاد آئین نامه API بر این است که رعایت این ضوابط رفتار شکل پذیری سازه را تحت اثر بارگذاری تناوبی جانبی بیش از حد انتظار، بهبود خواهد بخشید.

با توجه به موارد فوق در تحقیق حاضر سعی شده است با در نظر گرفتن مدل سازه ای یکی از سکوهای فعال در منطقه خلیج فارس و با استفاده از روش آنالیز دینامیکی غیرخطی فزاینده (IDA) به بررسی رفتار غیرخطی سکوهای ثابت فلزی دریایی تحت تاثیر انواع مختلف مهاربندی جانبی پرداخته و از صحت و سقم توصیه های مذکور در آئین نامه API در این خصوص اطمینان حاصل گردد.

 فصل اول

کلیات

۱-۱-  هدف از تحقیق :

هدف از انجام این تحقیق بررسی میزان تطبیق پیشنهادات ارائه شده در آئین نامه API در خصوص مزایا و معایب بکارگیری انواع مختلف مهاربندی جاکت ها با استفاده از نتایج آنالیزهای غیرخطی دینامیکی نموی (IDA) می باشد. بدین منظور یکی از سکوهای موجود در خلیج فارس با استفاده از چهار حالت مختلف مهاربندی (سه مورد توصیه شده و یک مورد منع شده در آئین نامه API) مدلسازی گردیده و تحت اثر هفت رکورد زلزله مختلف تحلیل خواهد گردید. در پایان براساس نتایج بدست آمده شامل محاسبه ظرفیت حالات حدی و ارزیابی عملکرد سازه تحت بارهای لرزه ای برای هریک از مدلها و انجام تحلیلهای آماری بر روی این نتایج میزان تطبیق رفتار هرسکو با پیش فرضهای آئین نامه مقایسه شده و بررسی می گردد که کدامیک از انواع مهاربندیهای پیشنهادی برای جاکتها رفتار بهتری تحت اثر زلزله خواهد داشت .

 ۱-۲- پیشینه تحقیق :

این روش در سال ۲۰۰۰ توسط Professor C.Allin Cornell در دانشگاه استنفرد مطرح گردید و در ماه جولای سال ۲۰۰۲ در پروژه دکتری D.Vamvastikos به راهنمائی Professor Cornell در سازه های مختلف ساختمانی تحت بررسی قرار گرفت . این مفهوم در سالهای اخیر به عنوان روش جدیدی در مباحث مختلف از جمله عملکرد لرزه ای سازه ها مورد مطالعه بیشتر بوده و در نرم افزارهای متعددی نیز بکار رفته است .

روش تحلیل دینامیکی فزاینده یک روش آنالیز است که اخیرا" به صور مختلف برای محاسبه عملکرد سازه تحت اثر بارهای لرزه ای توسعه داده شده است . در سالهای اخیر تحقیقات متعددی با استفاده از روش مذکور در زمینه رفتار لرزه ای سکوهای دریائی صورت پذیرفته که هریک از آنها از منظر خاصی به بررسی موضوع پرداخته اند ولی هیچیک از آنها دقیقا" با موضوع این پایان نامه مطابقت نداشته و به بررسی تاثیر نحوه مهاربندی جانبی جاکت ها در عملکرد لرزه ای سازه سکوها نپرداخته اند. برخی از سوابق تحقیقاتی بعمل آمده در این خصوص در بخش مراجع فارسی ذکر گردیده است .

۱-۳-  روند انجام پایان نامه :

در این تحقیق در گام نخست به ایجاد چهارچوبی کلی پرداخته شده است که از طریق آن بتوان سکوهای ثابت فلزی را از دیدگاه تحلیل دینامیکی افزایشی مورد نقد و بررسی قرار داد و متعاقبا" به تخمین نیاز و ظرفیت اینگونه از سازه ها در برابر زلزله دست یافت . سپس به عنوان گام دوم یکی از سکوهای طراحی شده خلیج فارس مورد بررسی واقع شده تا از این راه به بررسی رفتار دینامیکی این نوع سازه تحت تاثیر انواع مختلف مهاربندی جانبی و تحت رکوردهای مختلف زلزله بصورت بارگذاری فزاینده پرداخته شود.

برای انجام این کار و دستیابی به نتایج مطلوب سکوی ثابت فلزی فروزان واقع در یکی از میادین نفتی خلیج فارس در نظر گرفته شده و مشخصات ابتدایی و بارهای ثقلی موجود براساس دفترچه محاسبات طراحی تعیین گردیده است . سکوی مورد بررسی یک سکوی فرآوری بوده و در عمق آب متوسط ۴۷ متر طراحی و اجرا گردیده است .

 ۱-۳-۱-  فصل بندی پایان نامه :

در ادامه فصل اول این پایان نامه به آشنایی با سکوهای ثابت فلزی پرداخته و تاثیر عوامل محیطی بر این سکوها مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین ملاحظات آئین نامه ای برای تحلیل سکوهای ثابت دریایی،ضوابط شکل پذیری و انواع مهاربندی توصیه شده در آئین نامه API در این فصل مورد اشاره قرار خواهد گرفت .

در فصل دوم از این پایان نامه انواع روشهای آنالیز متداول برای تحلیل سکوهای دریایی بخصوص تحلیل لرزه ای آنها مورد بررسی قرار گرفته و به تفصیل در خصوص روش آنالیز دینامیکی غیرخطی افزایشی (IDA) توضیح داده خواهد شد.

درفصل سوم به معرفی نرم افزار Opensees خواهیم پرداخت . این نرم افزار به دلیل قابلیتهای فراوان آن انتخاب گردیده است .

فصل چهارم به معرفی سکوی انتخابی و مشخصات این سکو پرداخته و حالتهای مختلف مهاربندی انتخاب شده را تشریح نموده است . همچنین جزئیات مدل سازی سکو در نرم افزارOpensees و تحلیل مودال هریک از چهار مدل مورد بررسی قرار گرفته در این فصل تشریح گردیده است .

در فصل پنجم به آنالیز مدلهای چهارگانه پرداخته و نتایج حاصل از تحلیل مدلها با یکدیگر مقایسه شده اند. در این فصل نحوه انتخاب شتاب نگاشتها و بدست آوردن طیف شتاب آنها ، نحوه انجام تحلیل دینامیکی غیرخطی مدلها و نتایج مربوط به تحلیل مدلهای چهارگانه به همراه منحنی های IDA مربوط به این چهار مدل آورده شده است . همچنین ظرفیت حالات حدی برای هریک از مدل ها شامل سطح عملکرد آستانه فروریزش و سطح عملکرد قابلیت بهره برداری بی وقفه محاسبه شده و بالاخره در بخش پایانی این فصل نیز به ارزیابی عملکرد سازه تحت بارهای لرزه ای (PBEE) پرداخته و میانگین فراوانی سالیانه تجاوز (MAF) و پریودهای بازگشت متناظر با آنها برای هرحالت حدی در هریک از مدل ها محاسبه گردیده است .

نهایتا" فصل ششم این پایان نامه به بررسی نتایج و ارائه پیشنهادات جهت تحقیقات آتی پرداخته است .

۱-۳-۲- روند گام به گام پایان نامه  :

روند گام به گام فعالیتهای مربوط به فصول ۴ و ۵ و ۶ به شرح زیر می باشد :

۱) انتخاب مدل سکو و تعیین مشخصات اولیه و بارهای ثقلی و سایر اطلاعات لازم .

۲) مدل سازی سکو در نرم افزار Opensees با استفاده از المان های تیر- ستون غیرخطی و مقاطع فایبر که در فصل سوم توضیح داده شده است .

۳) انجام آنالیز مودال هر یک از ۴ مدل جهت بدست آوردن پریود ارتعاشی مد اول .

۴) انتخاب رکوردهای زلزله مورد استفاده مطابق جدول ۵-۱ و اشکال ۵-۱ تا ۵-۷ (تمامی رکوردها از خاک نوع B انتخاب شده اند)

۵) رسم طیف شتاب مربوط به هر رکورد و محاسبه (%5=ζ,Sa)T1 برای هر رکورد و هر مدل .

۶) انجام تحلیل دینامیکی خطی با یک Sa کوچک (0.005g) و بدست آوردن شیب الاستیک (شیب خطی θmax بر حسب (%5=ζ,Sa)T1)

۷) افزایش گام به گام Sa و انجام تحلیلهای دینامیکی غیرخطی و بدست آوردن شیب منحنی IDA

(θmax و Sa) و مقایسه با حالت قبلی تا رسیدن به مقدار حدی (مقدار حدی زمانی است که شیب نهایی برابر ۰.۲ شیب الاستیک اولیه گردد و یا نرم افزار دیگر قادر به انجام تحلیل دینامیکی غیرخطی نباشد .(یعنی به قسمت صاف شدگی منحنی رسیده باشیم و نتایج همگرا نشود.)

۸) استخراج خروجیهای مورد نیاز از هر آنالیز دینامیکی غیر خطی شامل a) ماکزیمم مطلق تغییرمکان نسبی هر تراز. b) ماکزیمم مطلق تغییر مکان هر تراز و c) ماکزیمم مطلق برش پایه .

۹-۱) رسم منحنی IDA برای هر مدل  و هر رکورد زلزله بگونه ای که محور افقی آن θmax نسبی کل سکو و محور قائم آن (%5=ζ,Sa)T1 باشد.

 ۹-۲) رسم منحنی تغییرمکان ماکزیمم هر تراز بر حسب ارتفاع سکو برای کلیه Sa های در نظر گرفته شده برای سکو.

۹-۳) رسم منحنی IDA برای هر مدل  و هر رکورد زلزله بگونه ای که محور افقی آن θmax مربوط به هر تراز سکو و محور قائم آن (%5=ζ,Sa)T1 باشد.

۹-۴) رسم منحنی تغییرات مربوط به تغییر مکان نسبی ماکزیمم (θmax) بر حسب برش پایه ماکزیمم برای رکوردهای زلزله مختلف و برای هر مدل .

۱۰) خلاصه سازی نتایج بدست آمده از منحنی IDA جهت بدست آوردن ظرفیت سکو و دوره

بازگشت آن در هر سطح عملکرد شامل :

۱۰-۱) ترسیم درصدک های ۱۶% ، ۵۰% و۸۴% از روی هر منحنی IDA و برای هریک از مدلها

۱۰-۲) محاسبه ظرفیت مدلهای مختلف سکو در دو سطح عملکرد CP و IO .

۱۰-۳) محاسبه عملکرد لرزه ای مدلهای مختلف سکو (PBEE) در هریک از سطوح عملکرد انتخابی (CP یا IO) و محاسبه دوره بازگشت با استفاده از رابطه ۲-۲ (فصل دوم ) .

۱۱) مقایسه نتایج تحلیل های بعمل آمده برای ۴ مدل انتخابی و ارائه پیشنهادات .

۱-۴- آشنایی با سکوهای دریایی و تاثیر عوامل محیطی بر روی آنها

سکوهای دریایی سازه های بسیار گران قیمتی هستند که به منظور استحصال نفت و گاز از اعماق دریا ساخته می شوند. این سازه ها پیشینه ای نزدیک به یکصد سال دارند و در شرایط اقلیمی بسیار متفاوت از قطب شمال تا خلیج فارس مورد بهره برداری قرار می گیرند. در سال ۱۹۸۸ سهم سکوهای دریایی در تولید نفت ۹ % مصرف جهانی و در سال ۲۰۰۰ معادل ۲۴% بوده است . [۲۷]

صنعت سازه های دور از ساحل امروزی را از نظر تکنیکی می توان با در نظر گرفتن عمق دریا در منطقه عملیاتی و سازه های مورد استفاده برای عملیات برآورد کرد. اولین حفاری در آبهای کم عمق و با استفاده از سکوهای ثابت ساخته شده از الوار که بوسیله شمعهایی به کف دریا ثابت گردیده بود، انجام می گرفت و بتدریج استفاده از بارجهای مهار شده در آبهای محدود نیز عملی شد. لذا با توجه به عمق دریا سکو های دریایی را به سکو های متحرک و ثابت طبقه بندی می کنند که با توجه به موضوع این پایان نامه صرفا" به سکوهای ثابت خواهیم پرداخت .

 ۱-۴-۱- سکوهای ثابت نوع شابلونی :

این نوع سکو معمولاً در محل آبهای کم عمق نصب می گردد. البته امروزه در اعماق ۳۱۵.۵ متری نیز نصب شده است ولی معمولاً بیشتر تا عمقی حدود ۱۰۰ متر از آنها استفاده می گردد. شکل ۱-۱ یک سکوی استخراج ثابت را برای آبهای با عمق متوسط در دریای شمال نمایش می دهد. نام گذاری این سکو بدین سبب می باشد که از پایه های سکو به عنوان هادی جهت نصب شمع ها استفاده می شود. به این

سکو، اصطلاحاً سکوی جاکت نیز گفته می شود و شامل قسمت های زیرمی باشد:

الف - عرشه سکو٣ : که در واقع یک خرپای فضایی سه بعدی است که کلیه وسایل و تجهیزات بهره برداری از سکو، بالاتر از سطح آب بر روی آن نصب می گردد.

ب - پایه سکو٤ : در واقع یک خرپایی فضایی سه بعدی متشکل از اعضای فولادی (معمولاً لوله ای ) در داخل آب می باشد .

 وظیفه اصلی این قسمت ، دریافت و انتقال بارهای محیطی دریایی (نظیر امواج و جریان های دریایی ) و بارهای ناشی از زلزله ، به سیستم فونداسیون وعملکرد به عنوان شابلون برای هدایت و کوبش شمع ها و در برخی موارد نیز هدایت و انتقال مستقیم بارهای عرشه به سیستم فونداسیون سازه می باشد.

ج - شمع ها٥ : که در واقع سیستم فونداسیون سکو را تشکیل می دهند. کلیه بارهای عرشه و بارهای محیطی وارد بر سکو نهایتاً از طریق شمع ها به خاک منتقل می گردند.

(تصاویر وجداول در فایل اصلی موجود است)

فونداسیون پایه سکو بوسیله شمع های فلزی لوله ای با انتهای باز با قطری تا ۲ متر تهیه شده است .

شمع ها تقریباً به عمق ۴۰-۸۰ متر و در بعضی نمونه ها تا عمق ۱۲۰ متر در کف دریا کوبیده شده اند.

بطور کلی ۳ نوع ترکیب شمع . پایه سکو وجود دارد:

- شمع میان ساق ، که شمع ها در گوشه ساق های پایه سکو نصب شده اند.

- شمع های حاشیه ای ، در غلاف های شمع در پایه سکو، که شمع در هادی های چسبیده به ساق سکو نصب شده است . شمع های حاشیه ای می توانند اطراف هر ساق پایه سکو بصورت گروهی باشند.

ABSTRACT

There have been increasing demands for petroleum and Gas production, and extraction

throughout the world  since many past decades. Different  structural forms  for

construction of steel offshore platforms have been recommended following efforts for

oil exploration and extraction from offshore energy sources. A Fixed steel offshore

platform is a complex consists of different structural elements such as piles, Jacket and

platform with different functions against earthquake. The arrangement of bracing

elements of jacket structure has important role in seismic performance, which different

forms have been suggested for it in different standards and documents including API

Recommended Practice “RP 2A”.

An important issue in Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) is the

estimation of structural performance under seismic loads, in particular the estimation of

the Mean Annual Frequency (MAF) of exceeding a specified level of structural demand

(e.g., the maximum, over all stories, peak interstory drift ratio θmax) or a certain limit-

state capacity (e.g., global dynamic instability).

A promising method that has recently risen to meet these needs is Incremental Dynamic

Analysis (IDA), which offers thorough seismic demand and capacity prediction

capability & involves performing nonlinear dynamic analyses of the structural model

under a suite of ground motion records, each scaled to several intensity levels designed

to force the structure all the way from elasticity to final global dynamic instability

(Vamvatsikos and Cornell 2002a).

By considering that Iran is an oil-rich country and importance of this industry on its

economy, and necessity of oil extraction in southern Iran, the fixed offshore  platforms

are of significant importance. This study has attempted to investigate the nonlinear

behaviour of offshore platforms by modelling a fixed steel offshore platform with four

different states of bracing method (the recommended and prohibited cases in API

RP-2A) using incremental dynamic analysis.

The behaviour of platform in X direction is investigating by 3-dimension modelling

in this study. The Return period of platform for different limit states also is calculated

by gaining IDA curve using  results summarization and also by definition of limit

states. These analysis have performed by OpenSees software.

Key words:

Incremental Dynamic Analysis – Bracing – Intensity Measure- Damage Measure- Fixed

steel  platforms  –  Performance-Based  Earthquake  Engineering  –  Return  Period