نیروهای وارده محیطی بر سازه‌های غوطه‌ور طبق مقررات DNV

1 – مقدمه 

1-1 ) پیش زمینه

سازه‌های غوطه‌ور در محیط‌های دریایی در معرض انواع نیروهای ناشی از برهم‌کنش دینامیکی بین سازه و آب اطراف هستند. این نیروها شامل نیروهای ناشی از موج، نیروهای القای جریان، شناوری و فشار هیدرو استاتیک می‌باشد. درک و پیش‌بینی دقیق این نیروها برای طراحی ایمن و کارآمد سازه‌های فراساحلی مانند سکوها، خطوط لوله و رایزرها بسیار مهم است.

1-2 ) هدف

هدف این گزارش ارائه تحلیلی جامع از نیروهای وارد بر سازه‌های غوطه‌ور طبق مقررات DNV است. تمرکز بر جزئیات انواع نیروها، روش‌های محاسبه آنها و پیامدهای طراحی و یکپارچگی این سازه‌ها خواهد بود.

2 – مروری بر مقررات DNV 

2-1 ) نگاهی به DNV GL

Det Norske Veritas (DNV) یک نهاد شناخته شده جهانی است که خدمات مدیریت ریسک و تضمین کیفیت را ارائه می‌دهد. DNV GL که از ادغام DNV و Germanischer Lloyd تشکیل شده‌است، استانداردها و دستورالعمل‌های گسترده‌ای را برای اطمینان از ایمنی، قابلیت اطمینان و پایداری زیست محیطی سازه‌های دریایی و فراساحلی ارائه می‌دهد.

2-2 ) استاندارد ها و دستور العمل های مربوطه

• DNVGL-RP-C205

شرایط محیطی و بارهای محیطی

• DNVGL-ST-0126

سازه‌های پشتیبانی برای توربین‌های بادی

• DNVGL-ST-0119

تاسیسات دریایی شناور

این استانداردها متدولوژی‌هایی را برای محاسبه بارهای محیطی و طراحی سازه‌هایی برای تحمل این نیروها ارائه می‌کنند.

شکل 1 – مشخصات کلی برخی فاکتورهای آب

3 – نیروهای هیدرودینامیکی وارده بر سازه های غوطه ور 

3-1 ) نیروهای ناشی از موج

نیروهای ناشی از امواج بر سازه‌های غوطه‌ور در اثر حرکت نوسانی ذرات آب در اثر امواج ایجاد می‌شود. این نیروها برای طراحی و تحلیل سازه‌های دریایی بسیار مهم هستند، زیرا می‌توانند به‌طور قابل توجهی بر یکپارچگی سازه و پایداری عملیاتی تأثیر بگذارند.

3-1-1 ) نیروی اینرسی

نیروهای اینرسی ناشی از شتاب ذرات آب است. برای سازه‌های غوطه‌ور، این نیروها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند زیرا به بارگذاری کلی دینامیکی کمک می‌کنند. محاسبه نیروهای اینرسی معمولاً از معادله موریسون استفاده می‌کند، به‌ویژه برای سازه‌های باریک:

که در این رابطه، FI ضریب اینرسی بوده که با استفاده از روابط تجربی حاصل شده از آزمایش در شرایط متفاوت به‌دست می‌آید. عبارت است از چگالی آب و  قطر سازه است.  شتاب ذرات سازه را نشان‌می‌دهد. در این استاندارد برای محاسبه شتاب ذرات، جداولی تجربی برحسب شرایط دریا از لحاظ توسعه خود، آورده شده‌است.

ضریب اینرسی تحت‌تأثیر عواملی مانند عدد رینولدز و عدد کولوگان-کارپنتر و شکل و ساختار سازه است که جریان در اطراف سازه را مشخص می‌کند.

3-1-2 ) نیروی پسا (Drag)

نیروهای درگ از حرکت نسبی بین آب و سازه غوطه‌ور ناشی می‌شوند. این نیروها به‌سرعت ذرات آب و ضریب پسا بستگی دارد که با رژیم جریان و زبری سطح سازه تغییر می‌کند.
ضریب درگ است که معمولاً به‌صورت تجربی یا از طریق شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) تعیین می‌شود.

که در این رابطه،  CD ضریب درگ بوده که با استفاده از روابط تجربی حاصل شده از آزمایش در شرایط متفاوت به‌دست می‌آید. عبارت است از چگالی آب و  قطر سازه و  سرعت حرکت ذرات آب است.

ضریب پسا می‌تواند به‌طور قابل توجهی بر اساس عدد رینولدز متفاوت باشد، که رژیم جریان را به‌صورت آرام یا متلاطم مشخص می‌کند.

شکل 2 – محدوده پیشنهادی برای بررسی تأثیرات نیروی درگ بر حسب مشخصات موج

شکل 3 – تغییرات نیرو درگ بر حسب α یا زاویه برخورد موج

3-1-3 ) نیروی بالابر (Lift)

نیروهای بالابر عمود بر جهت جریان عمل می‌کنند و ناشی از توزیع فشار تفاضلی در اطراف سازه است. نیروهای بالابر به‌ویژه برای سازه‌های غیر استوانه‌ای مهم هستند و می‌توانند حرکت نوسانی را القاء کنند که منجر به مشکلات پایداری بالقوه می‌شود.

نیروی بالابر را می‌توان به‌صورت زیر بیان کرد:

به‌طور کلی نیروی لیفت ساختار و مکانیزمی شبیه به نیروی پسا داشته و روابط آنها نیز شبیه هم است، با این تفاوت که ضریب نیروی بالابری، مقادیر متفاوتی بسته به‌سرعت جریان و هندسه مقطع دارد.

نیروهای بالابر می‌توانند به ارتعاشات ناشی از گرداب (VIV) منجر شوند، پدیده‌ای که در آن گردابه های متناوب ریخته شده از سازه باعث ایجاد نوسان می‌شود.

شکل 4 – تغییرات نیروی بالابری بر حسب لاغری عضو برای یک عضو سیلندری

3-2 ) نیروی ناشی از جریان

نیروهای ناشی از جریان ناشی از جریان پیوسته آب از کنار سازه‌های غوطه‌ور است. این نیروها برای طراحی خطوط لوله، رایزرها و سیستم‌های پهلوگیری، که در آن جریان‌های پیوسته می‌توانند بارگذاری قابل توجهی را اعمال کنند، مهم هستند.

3-2-1 ) نیروی حالت ماندگاری

جریان‌های ثابت یک نیروی کشش مداوم بر سازه‌های غوطه‌ور وارد می‌کنند. نیروی ناشی از جریان‌های ثابت مشابه نیروهای پسا ناشی از موج است و به وسیله:

در رابطه فوق،  سطح مقطعی از سازه است که در مقابل جریان قرار دارد و از ضرایب موجود برای محاسبه نیروی درگ، برای محاسبه این نیرو، استفاده می‌شود.
ملاحظات طراحی باید حداکثر سرعت جریان مورد انتظار را برای اطمینان از پایداری سازه در نظر بگیرند.

3-2-1 ) نیروی ناشی از نوسان

نیروهای نوسانی از سرعت‌ها و جهت‌های جریان متفاوت ناشی می‌شوند که می‌تواند باعث پاسخ‌های دینامیکی در سازه‌های غوطه‌ور شود. این نیروها برای پیش‌بینی دقیق پاسخ سازه، با در نظر گرفتن عواملی مانند فرکانس‌های طبیعی و شکل مد، نیازمند تحلیل دینامیکی هستند.

3-3 ) نیروی شناوری

نیروهای شناوری ناشی از جابه‌جایی آب توسط سازه غوطه‌ور است. بر اساس اصل ارشمیدس، نیروی شناور

در این رابطه، چگالی آب،  شتاب گرانش و  آب جابه‌جا شده‌است.
شناوری نقش مهمی در طراحی سکوهای شناور، تأسیسات زیردریایی و هر سازه‌ای دارد که در آن موقعیت عمودی و پایداری مهم است.

3-4 ) نیروی هیدرواستاتیک

فشار هیدرو استاتیک با عمق آب افزایش می‌یابد و به‌طور یکنواخت بر روی سطح سازه‌های غوطه‌ور عمل می‌کند.

فشار 𝑃 در عمق h عبارتست از:

رابطه فشار هیدرو استاتیک به‌صورت کلاسیک بر طبق فرمول بالا تعریف می‌شود و در آن، چگالی آب بوده و  شتاب گرانشی و  عمق آب است. این فشار به بارگذاری کلی سازه‌های غوطه‌ور، به‌ویژه در برنامه‌های کاربردی در آب‌های عمیق کمک می‌کند. در طراحی سازه‌های مقاوم در برابر فشار مانند کشتی‌های زیر دریا و خطوط لوله باید فشار هیدرو استاتیک را در نظر گرفت.

شکل 5 – پیش‌بینی مقادیر نیروی فشار ناشی از تغییرات تراز آب. فشار مؤثر محاسبه شده‌است.

4 ) برهم کنش محیطی موثر

4-1) برهم کنش دریا – سازه

برهمکنش ساختار دریا شامل پدیده‌های هیدرودینامیکی پیچیده از جمله سینماتیک موج، پراش و اثرات تشعشع است. مدل سازی دقیق این برهمکنش‌ها برای پیش بینی نیروهای وارد بر سازه‌های غوطه‌ور ضروری است.

4-2 ) سینماتیک موچ

سینماتیک موج حرکت ذرات آب را تحت‌تأثیر موج توصیف می‌کند. نمایش دقیق سینماتیک موج برای محاسبه نیروهای ناشی از موج بسیار مهم است. مقررات DNV دستورالعمل‌هایی را برای استفاده از تئوری‌های موج خطی و غیر خطی برای مدل سازی سینماتیک موج ارائه می‌کند.

4-3 ) ارتعاش ناشی از گردابه

ارتعاشات ناشی از گرداب (VIV) زمانی رخ می‌دهد که جریان آب از کنار یک ساختار استوانه‌ای شکل گرداب‌های متناوب را ایجاد کند. این گرداب‌ها نیروهای نوسانی را القا می‌کنند که می‌تواند باعث آسیب خستگی شود. DNV دستورالعمل‌هایی را برای ارزیابی و کاهش VIV از طریق اصلاحات طراحی و استفاده از سرکوبگرهای گرداب ارائه می‌دهد.

شکل 6 – نمایی از شبیه‌سازی تشکیل گردابه و حالت ممکن برای آن

4-4 ) تاثیرات خزه زدگی

رشد دریانوردی، مانند بارناکل ها و جلبک‌ها، زبری و قطر ساختارهای غوطه‌ور را افزایش می‌دهد. این رشد ضرایب هیدرودینامیکی را تغییر می‌دهد و می‌تواند به‌طور قابل توجهی نیروهای پسا را افزایش دهد. استانداردهای DNV رشد دریایی را با توصیه به بازرسی و نگهداری منظم برای مدیریت اثرات آن به‌حساب می‌آورند

 

شکل 7 –  نمایی از تخریب سازه توسط خزه‌زدگی در خطوط لوله

5 – ملاحظات طراحی و تحلیل

5-1 ) ترکیبات بار

در مهندسی دریایی، به‌ویژه برای سازه‌های غوطه‌ور، در نظر گرفتن اثرات ترکیبی انواع مختلف بارها بسیار مهم است. مقررات DNV روشی را برای ترکیب بارهای مختلف برای اطمینان از یکپارچگی سازه و ایمنی سازه در تمام شرایط ممکن مشخص می‌کند. بارهایی که معمولاً در نظر گرفته می‌شوند شامل بارهای محیطی، بارهای عملیاتی و بارهای تصادفی هستند. ترکیب بارها بسیار مهم هستند زیرا سازه‌ها باید طوری طراحی شوند که در برابر وقوع همزمان این بارها مقاومت کنند. بحرانی‌ترین ترکیب‌ها اغلب آنهایی هستند که مقادیر شدید انواع بارهای متعدد را شامل می‌شوند. در اینجا توضیحاتی در مورد ترکیب بار طبق مقررات DNV ارائه شده‌است:

استانداردهای DNV، مانند DNVGL-ST-0126 برای توربین‌های بادی و DNVGL-RP-C205 برای شرایط محیطی، ترکیب‌های بار خاصی را که باید در طول طراحی در نظر گرفته شوند، ترسیم می‌کنند. مثال‌های زیر ترکیب‌های بار معمولی را طبق مقررات DNV نشان می‌دهند:

• توربین بادی دور از ساحل (DNVGL-ST-0126)

چندین ترکیب بار را مشخص شده‌است که عبارتند از:

در شرایط عملیاتی عادی (NOC):

بار مرده (DL)

بار زنده (LL)

بار محیطی (EL) ناشی از امواج، باد و جریان‌ها

برای شرایط محیطی شدید (EEC):

بار مرده (DL)

بار محیطی (EL) در اثر موج شدید، باد و شرایط فعلی که باید افزایش عوامل ایمنی تضمین شود.

برای وضعیت تصادفی (AC):

بار مرده (DL)

بار زنده (LL)

بار تصادفی (AL) (مانند برخورد کشتی یا انفجار)

• خط لوله زیر دریا (DNVGL-RP-F101)

برای یک خط لوله زیر دریا، ترکیبات بار ممکن است شامل موارد زیر باشد:

برای شرایط عملیاتی:

بار مرده (DL)

فشار داخلی (IP) از سیال داخل خط لوله

فشار خارجی (EP) از عمق آب

بار فعلی (CL)

بار موج (WL)

برای شرایط نصب:

بار مرده (DL)

بار نصب (IL) (که ناشی از تجهیزات گودبرداری یا ترانشه برداری می‌تواند باشد.)

بار موقت محیطی (TEL) (مانند موج موقت و شرایط فعلی)

در شرایط حدی:

بار مرده (DL)

بار شدید محیطی (EEL) (ناشی از شرایط طوفان شدید)

بار فشاری) (PL) ناشی از حوادث تصادفی بیش از حد فشار)

5-2 ) تحلیل و بررسی خستگی

تجزیه و تحلیل خستگی برای سازه‌هایی که تحت بارگذاری چرخه‌ای قرار می‌گیرند بسیار مهم است. دستورالعمل‌های DNV روش‌هایی را برای تخمین عمر خستگی بر اساس منحنی‌های S-N (رویکرد استرس-عمر) و قانون ماینر برای آسیب تجمعی ارائه می‌کنند. برای مدیریت آسیب ناشی از خستگی در طول عمر سازه، بازرسی و نگهداری منظم توصیه می‌شود.

• منحنی‌های S-N

منحنی‌های S-N نشان دهنده رابطه بین دامنه تنش و تعداد چرخه‌های شکست است. استانداردهای DNV منحنی‌های S-N را برای مواد مختلف و جزئیات ساختاری ارائه می‌دهند که امکان تخمین عمر خستگی را فراهم می‌کند. استاندارد حاضر، با ارائه منحنی‌های مذکور برای شرایط مختلف، خستگی را بررسی کرده است.

 

• قانون ماینر

قانون ماینر برای محاسبه خسارت خستگی تجمعی استفاده می‌شود:

در این رابطه،  تعداد چرخه‌های بارگذاری ئ باربرداری در یک محدوده مشخصی از تنش است و  تعداد چرخه‌های منجر به شکست در همان محدوده تنش است.

5-3 ) ضرایب بار

ضرایب بار برای تقویت بارهای خاص به‌منظور محاسبه عدم قطعیت‌ها و اطمینان از طراحی محافظه کارانه استفاده می‌شود. فاکتورهای بار معمولی طبق استانداردهای DNV ممکن است شامل موارد زیر باشد:

ضریب بار محیطی: معمولاً برای شرایط شدید حدود 1.35 تا 1.5 است.

عامل بار عملیاتی: معمولاً 1.0، زیرا این بارها به‌خوبی درک می‌شوند.

ضریب بار تصادفی: بسته به‌احتمال و تأثیر رویداد تصادفی، اغلب حدود 1.0 تا 1.2 متغیر است.

5-4 ) تحلیل خستگی

تجزیه و تحلیل خستگی برای سازه‌هایی که تحت بارگذاری چرخه‌ای قرار می‌گیرند بسیار مهم است. دستورالعمل‌های DNV روش‌هایی را برای تخمین عمر خستگی بر اساس منحنی‌های S-N و قانون ماینر ارائه می‌کنند. برای مدیریت آسیب ناشی از خستگی در طول عمر سازه، بازرسی و نگهداری منظم توصیه می‌شود.

5-5 ) پایداری ساخت وساز

پایداری در حین نصب و بهره برداری از جنبه‌های حیاتی طراحی سازه غوطه‌ور است. استانداردهای DNV بر لنگر انداختن ایمن، بالاست مناسب و روش‌های نصب مناسب برای اطمینان از پایداری تأکید دارند. تحلیل دینامیکی اغلب برای ارزیابی پاسخ سازه به بارهای محیطی در حین نصب مورد نیاز است.

6 ) نتیجه گیری

درک و به‌کارگیری صحیح ترکیبات بار در طراحی و تحلیل سازه‌های مستغرق بسیار مهم است. با پیروی از مقررات و استانداردهای DNV، مهندسان می‌توانند اطمینان حاصل کنند که این سازه‌ها قادر به تحمل شرایط بارگذاری پیچیده و دینامیکی موجود در محیط‌های دریایی هستند. ترکیبات دقیق بار چارچوبی قوی برای اطمینان از ایمنی، قابلیت اطمینان و طول عمر سازه‌های دریایی فراهم می‌کند.

7 ) مراجع 

• DNV GL (2017) *Environmental conditions and environmental loads*, DNVGL-RP-C205. Available at: https://rules.dnv.com/docs/pdf/DNVGL/RP/2017-09/DNVGL-RP-C205.pdf (Accessed: 20 June 2024).
• DNV GL (2016) *Support structures for wind turbines*, DNVGL-ST-0126. Available at: https://rules.dnv.com/docs/pdf/DNVGL/ST/2016-04/DNVGL-ST-0126.pdf (Accessed: 20 June 2024).
• DNV GL (2017) *Submarine pipeline systems*, DNVGL-ST-F101. Available at: https://rules.dnv.com/docs/pdf/DNVGL/ST/2017-12/DNVGL-ST-F101.pdf (Accessed: 20 June 2024).

گردآورنده : دکتر محمد امین کسرائی فر