مطالعه عددی تأثیر اندرکنش شمع- خاک در پاسخ دینامیکی سکوهای ثابت دریایی

کنترل عملکرد شمع دریایی به ویژه تحلیل پاسخ سیستم شمع- خاک، امری اجتناب ناپذیر است. روش های ساده زیادی برای محاسبه مقاومت نهایی و تغییرشکل تحت اثر بارهای جانبی بوجود آمده اند. آیین نامه api روش های مبتنی بر نتایج آزمایشات تمام مقیاس محققان را که در طول سال های متمادی بدست آمده است، هم برای خاک ماسه و هم خاک رس، جهت طراحی پیشنهاد کرده است. روش دیگر استفاده از منحنی های بی بعد طراحی ارائه شده توسط محققان است. لازم به ذکر است مبانی نظری این روش ها که به وسیله برومز تجدید نظر شده به علت پیچیدگی در طراحی مهندسی کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. روش های عددی مانند روش تفاضل محدود و استفاده از سیستم فنر و المان های تیر- ستون از دهه های گذشته بارها جهت بررسی رفتار و پاسخ شمع ها مورد استفاده قرارگرفته شده اند. اخیراً محققان با استفاده از توسعه مدل فونداسیون غیر خطی وین کلر رفتار جانبی شمع ها را زیر بارگذاری دوره ای بررسی کرده اند. با این وجود هنوز استفاده از روش مدل سازی المان محدود به علت پیچیدگی مدل سازی و نیز به علت هزینه زمانی بالا، در مطالعات کاربردی، زیاد معمول نمی باشد. یکی از پارامترهای اساسی در طراحی عددی جکت، تعیین مقادیر دقیق طول های گیرداری شمع های سازه می باشد. حصول مقدار دقیق طول گیرداری در طراحی دقیق بسیار با اهمیت است که در زیر تشریح می گردد. امروزه برای طراحی سکو عمدتاً از نرم افزار های تجاری مانند sacs و یا نرم افزارهای المان محدود مانند ansys استفاده می شود. سازه سکو در معرض بارهای جانبی بسیار بزرگی ناشی از برخورد امواج خواهد بود. به علت ماهیت دوره ای بارهای ناشی از موج محاسبه پاسخ دینامیکی سکوی ثابت و کنترل مقادیر مجاز طراحی، غیر قابل اجتناب خواهد بود. اگر در مدل عددی تحلیل و طراحی جکت پای سازه گیردار فرض شود، قطعاٌ نتایج پاسخ دینامیکی قابل اعتماد نخواهند بود، زیرا اندرکنش خاک- شمع به ویژه در تراز کف دریا باعث می گردد که نقطه واقعی گیرداری شمع در فونداسیون نقطه ای زیر تراز کف دریا باشد. فاصله عمودی کف دریا تا نقطه محل گیرداری واقعی شمع در خاک، در این مطالعه، طول گیرداری نامیده شده است. در این مطالعه، رفتار جانبی شمع های جکت با کمک نرم افزارهای المان محدود ansys و openseespl مورد بررسی قرار گرفته شده است. اثر ماهیت بار (استاتیکی یا دینامیکی), اثر تغییرات پارامترهای خاک و شمع در تغییر طول گیرداری و ماکزیمم پاسخ سازه بررسی شده است. چندین مقایسه میان پارامتری مهم اندرکنش خاک – سازه و جابجایی جانبی، در تراز کف دریا، انجام شد. در این مطالعه مدل المان محدود فونداسیون سه بعدی در نظر گرفته شده است. تعیین طول گیرداری و اثر مقادیر سازه ای خاک و شمع در پاسخ دینامیکی سکوی ثابت، گاهی مهم در جهت طراحی دقیق و ایمن سازه سکو به شمار می رود. اهداف اصلی این پژوهش عبارتند از: 1) مدل سازی سه بعدی و دقیق فونداسیون های شمع دریایی در نرم افزار openseespl 2) تعیین طول گیرداری شمع فونداسیون سکوی ثابت دریایی (فرض می شود شمع مانند یک تیر طره رفتار کند) 3) مدل سازی فونداسیون جرم و فنر در نرم افزار ansys 4) استفاده از روش تحلیل تاریخچه زمانی برای حصول پاسخ دینامیکی سکو در نرم افزار ansys 5) مطالعه اثر نوع خاک در پاسخ شمع به کمک تحلیل پوش آور 6) مطالعه اثر ضخامت جدار شمع لوله ای در پاسخ شمع به کمک تحلیل پوش آور 7) مطالعه اثر نوع خاک در پاسخ دینامیکی سکو 8) مطالعه اثر هندسه شمع در پاسخ دینامیکی سکو مهم ترین نتایج حاصل به شرح زیر است. • پاسخ دینامیکی عادی جکت (بدون مدل سازی فونداسیون) در حدود 30 درصد پاسخ اصلاح شده (با مدل سازی فونداسیون) است، لذا در نظرگیری اندرکنش شمع – خاک در طراحی جکت الزامی می-باشد. • اثر نوع خاک در مقدار پاسخ دینامیکی جکت، بسیار اثرگذارتر از اثر تغییرات هندسه شمع است. • نرم افزار المان محدود openseespl در تحلیل مدل های سه بعدی فونداسیون شمع، کارآمد است و از لحاظ مدت محاسبات و حساسیت نتایج به تغییرات بار و خواص هندسی و مصالح مدل، کاملاٌ بهینه می باشد. • روشی عددی ساده و با دقت بالا برای تخمین طول گیرداری شمع جکت (با این فرض که شمع تحت بار جانبی مانند یک تیر طره رفتار کند)، پیشنهاد شده است. • طول گیرداری وابسته به سختی شمع و سختی خاک است و با تغییر این دو طول گیرداری تغییر خواهد کرد. • برای ضخامت جدارهای بیش از 400/10 اینچ (در این حالت نسبت قطر شمع به ضخامت جدار شمع برابر 40 می باشد) تغییر پاسخ دینامیکی اصلاح شده، چندان زیاد نمی باشد. اما برای ضخامت جدار کمتر، تغییرات پاسخ دینامیکی شدید است. • با افزایش چسبندگی خاک، پاسخ دینامیکی جکت کاهش می یابد اما شیب این کاهش برای رس با چسبندگی کمتر از 45 کیلو نیوتن بر مترمربع، بیشتر است. • به ازای هر یک درصد افزایش ضخامت جدار 0.4 درصد دوران شمع کاهش می یابد • در محدود رس نرم تا رس متوسط، هر یک درصد افزایش چسبندگی باعث کاهش 3.63 درصدی در دوران شمع می گردد. • با افزایش ضخامت شمع با نسبت های مساوی، پاسخ شمع با یک نسبت غیر مساوی کاهش می یابد، طوری که تقریباً با 2.7 برابر شدن ضخامت جدار شمع، پاسخ شمع، به 0.77 برابر مقدار اولیه می رسد و این بدان معنی است که برای کاهش یک درصدی در پاسخ شمع، ضخامت جدار شمع باید 11.74 درصد افزایش یابد. • برای خاک رس متوسط و خاک های رس سفت تر تغییرات پاسخ شمع ناچیز است اما برای خاک های نرم تر از رس متوسط، تغیرات پاسخ شمع شدید است طوری که با کاهش چسبندگی از 45 کیلو نیوتن بر مترمربع به 20 کیلو نیوتن بر مترمربع، پاسخ شمع 5 برابر افزایش داشته است