کتاب مبانی طراحی کاربردی سکوهای فراساحلی اثر محمد دقیق ناشر فدک ایساتیس

کتابی که در حال حاضر در دست دارید حاصل تجربیات چندین ساله اینجانب در سازمانهای مختلف دریایی کشور از آن جمله شرکت نفت و گاز پارس و تدریس مباحث مرتبط با سازه ها دریایی در دوره های کارشناسی و کارشناسی ارشد دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، دانشگاه تبریز و دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات می باشد. مخاطبان اصلی این کتاب، دانشجویان، فارغ تاتحصیلان و کارشناسان صنایع دریایی و نیز علاقه مندان به مبحث صنعت دریایی در منطقه خلیج فارس می باشد. به بیان دیگر، این کتاب پلی بین مباحث تئوری و کاربردهای عملی مهندسی سازه های فراساحل می باشد که در مباحث مدلسازی و تحلیل، طراحی اعضا و اتصالات، آنالیز خستگی، سازه های الحاقی، جانمایی روسازه عرشه و طراحی انواع فونداسیون های سکوهای ثابت دریایی قابل استفاده خواهد بود.

پیش گفتار

در چند سال گذشته صنعت نفت و گاز و استحصال مخازن هیدروکربوری بنحو گسترده ای پیشرفت گستردهای را به خود اختصاص داده است. این پیشرفت ها بهیچ وجه در صنعت نفت و گاز بی دلیل نیست چرا که ایران با حدود 33 تریلیون مترمکعب مخازن شناخته شده گاز، رتبه دوم را در سطح جهان داراست و با حدود 550 میلیارد بشکه نفت درجا و 155 میلیارد بشکه نفت قابل استحصال تقریبا" 12 درصد مخازن شناخته شده نفت را در اختیار دارد. در برخی پروژه های نفت و گاز، هزینه تولید با استفاده از دانش فنی موجود، جذابیت کافی را برای تولیدکنندگان و بهره برداران از دست داده و بمنظور استحصال بهینه از این منابع خدادادی، نیاز به کارگیری دانش و مهارت فنی ویژه در این رشته مهندسی پیش بینی می شود. متاسفانه، شمار مدارک و انتشارات فنی داخلی در زمینه صنایع بالادستی نفت بسیار اندک است و این در حالی است که برخی موسسات بین المللی همانند API و DNV و ... به تنهایی متجاوز از صدها استاندارد، آیین نامه، توصیه کاربردی، مقررات فنی و ... در زمینه صنایع نفت و گاز دارد و اگر مدارک فنی موسسات رده بندی همچون Lloyds، GL، BV، NPD ، ISO و تالیفات و مجموعه های دیگری را که به زبان های خارجی توسط افراد و سازمان ها انتشار یافته است بیفزاییم، به کمبود مدارک فنی در زبان فارسی پی خواهیم برد.
بایستی خاطر نشان شویم که این سازه های عظیم ضرورتا" در یاردهای خشکی ساخته شده و سپس طی عملیات پیچیده به دریا منتقل می شوند. طی مراحل ساخت، این سازه ها به موقعیت پیش بینی شده منتقل شده و در آن موقعیت بحالت غوطه ور و در نهایت به حالت ایستاده نصب می شوند. برای اتصال این پایه ها (جاکت ها) معمولا" از روش شمع کوبی داخل پایه جاکت و یا روش شمع کوبی زیر آب استفاده می شود. پس از نصب سازه های زیر پایه یا جاکت، عرشه این سکوها نیز توسط بارجهای جرثقیل دار به دریا منتقل شده و طی مراحل فنی از پیش تعیین شده، بر روی این سازه های عظیم نصب می شوند.

فصل بندی

هدف از نگارش کتاب حاضر، ارائه الگوی طراحی مهندسی سازه های فراساحلی خصوصا" سکوهای ثابت دریایی می باشد. در فصل اول انواع سکوهای دریایی بصورت مختصر شرح داده شده و گرایش عملی انتخاب سکو برای شرایط محیطی خلیج فارس از نوع سکوی ثابت و جک-آپ ارائه می گردد. با توجه به اهمیت مدل های بارگذاری، در فصل دوم مختصری از تئوری هیدرودینامیکی، محدودیت های فرمول موریسون تشریح شده و سپس مشخصه های بارهای محیطی دیگر شامل جریان های دریایی، باد و زلزله معرفی خواهد شد. در فصل سوم کتاب، انواع سکوهای ثابت دریایی تشریح شده و سپس مدل های تحلیلی مرتبط با انواع بارهای محیطی مورد اشاره قرار خواهد گرفت. معیارهای طراحی اعضاء سازه های فراساحلی ثابت در فصل پنجم و مدلسازی اتصالات در ارتباط با بارگذاری های مختلف در فصل ششم تشریح خواهد شد. نهایتا" مروری گذرا بر طراحی عرشه سکوهای دریایی در فصل هفتم و مختصری از طراحی ژئوتکنیک دریایی انواع سازه های فراساحلی در فصل هشتم کتاب ارائه خواهد گردید.
امید است اساتید، دانشجویان و مهندسان بزرگوار منت نهاده و پیشنهادات و انتقادات خود را جهت افزایش کیفیت مطالب و بهبود کتاب در چاپ های بعدی ارائه فرمایند. از تمامی اساتید و همکاران محترم تقاضا دارد پیشنهادات اصلاحی خود را به آدرس پست الکترونیک زیر برای مولف ارسال نمایند.
Daghigh2001@yahoo.com
در خاتمه از جناب آقای مجید رضا زروئی نصرآباد، مدیر مسئول و آقای مهندس رضا کرمی شاهنده مدیر تولید انتشارات فدک ایساتیس که در زمینه نشر این کتاب تلاش مجدانه ای مبذول داشته اند، تشکر و قدردانی می گردد

محمد دقیق
تهران، زمستان 1392

فهرست مطالب

فصل1 آشنايي با سکوهاي دريايي و سکوهاي متناسب با شرايط ايران 1
1.1 مقدمه 2
1.2 صنايع فراساحلی چيست؟ 3
1.3 تاريخچه 4
1.4 گوشه‌هایی از صنعت فراساحل در ایران 6
1.5 تقسیم بندی انواع سكوهاي دريايي 8
1.5.1 انواع تقسيم‌بندي سكوها 9
1.5.2 سكوهاي ثابت 9
1.5.3 سكوهاي شناور 11
1.5.4 سكوهاي تطبيقي 13
1.6 سکوهای جك - آپ Jack - up 15
1.7 تقسیم‌بندی انواع سکوها برمبنای عملکرد 16
1.8 مقایسه جاكت Jacket با جك – آپ Jack - up 17
1.9 اتصال سکوی جاکت و جک-آپ 17
1.9.1 مسائل مرتبط با این موضوع 18
1.10 پارامترهاي مختلف مؤثر در طراحي سكوها 19

فصل2 تعاريف بارگذاري سکوها شامل بارهاي دايمي، بارهاي محيطي، بارهاي تصادفي و ... 21
1.2 تقسیم‌بندی بارها 22
2.2 نیروهای هیدرودینامیکی 22
2.3 انتخاب تئوری موج 26
2.4 محاسبه نیروی هیدرودینامیکی 26
2.4.1 فرمول موريسون Morison 27
2.4.2 سرعت مطلق Absolute Velocity 28
2.4.3 سرعت نسبی Relative Velosity 29
2.4.4 اثر موج و جریان 30
2.4.5 انتخاب ضرایب اینرسی و پسا 30
2.4.6 محاسبه ضرايب هيدروديناميكي در اعضاء مایل 32
2.4.7 آئین‌نامه DNV و رابطه پایه معادل (شکل 2.9) 33
2.4.8 المان‌های دندانه‌ای 35
2.4.9 نیروی اسلمينيگ slamming 38
5.2 اثر جریان بر روی موج (پریود ظاهری موج) 43
6.2 روینده‌های دریایی (Marine Growth) 44
2.7 سیسنماتیک دوبعدی امواج (Wave Kinematic Factor) 45
2.8 ضريب ممانعت جریان (Current Blockage Factor) 45
9.2 سینماتیک ترکیبی موج- جریان (Combined Wave / Current Kinematies) 46
10.2 ضریب پوشش لوله‌های هادی) (Conductor Shielding Factor 47
2.11 مدل‌های هیدرولیک برای متعلقات (Hydraulic Factors for Appurtenances) 48
2.12 طیف موج 50
2.12.1 عرض باند طیف موج 50
2.12.2 توزیع سطح آزاد آب 52
2.12.3 توزیع صحیح به‌صورت نرمال بادرنظرگرفتن عرض باند 52
2.12.4 توزیع بلندمدت ارتفاع موج 55
2.12.5 طیف پیرسون – موسکویچ (Pierson-Moskowits) 56
2.12.6 طیف عمومی پیرسون – موسکویچ (Bretschneider Spectrum) 57
2.12.7 طیف JONSWAP 58
13.2 محاسبه سینماتیک امواج از طریق طیف 59
14.2 نیروی ناشی از باد 60
2.14.1 روابط آئین‌نامه API برای محاسبه بار باد 60
2.14.2 وابستگی مکانی سرعت 61
2.14.3 باد طوفانی (طیف باد) 62
2.14.4 محاسبه نیروي باد 62
2.15 فرمول محاسبه نیروی موج برحسب آئین‌نامه ABS 64
2.16 مشخصه جریان 66
17.2 نیروی ناشی از جریان (Current Induced Forces) 67
18.2 ترکیب بارهای اصلی برای آنالیز درجا (Basic Load Cases For Inplace Analysis) 67
2.19 زلزله 68
2.19.1 کلیات 68
2.19.2 ارزیابی فعالیت‌های لرزه‌ای منطقه 68
2.19.3 ارزیابی در مناطق دارای فعالیت‌های لرزه‌ای کم 68
2.19.4 نیازمندی‌های مقاومت 69
2.19.5 مدل‌سازی سازه‌ای (طراحی زلزله) 69
2.19.6 تجهیزات الحاقی عرشه و اثر زلزله 69
2.20 بارهای تصادفی 70
2.21 تحلیل زلزله 71
2.21.1 طیف آئین‌نامه API 72
2.21.2 نیازمندی‌های شکل‌پذیری 72
2.22 تحلیل بازتاب سازه 74

فصل 3 مدلسازي و تحليل سکوهاي دريايي 77
1.3 مدلسازی سکوهای دریایی 78
2.3 برآورد اولیه اعضاء 78
3.3 مدل اصلی سازه 79
3.3.1 تحلیل استاتیکی سازه جك – آپ (Jack-up) 79
3.4 محاسبه اعضای قطری 82
3.4.1 روابط آيين نامه DNV 82
3.4.2 تعیین سختی معادل با استفاده از مدلسازی، نرم‌افزار المان محدود 87
3.5 مدلسازی عرشه 88
3.5.1 سختی اتصال (عرشه به پایه) 89

فصل 4 انواع تحليل‌هاي مرتبط با بارگذاري 93
1.4 روش‌های تحلیل سکوهای دریایی 94
4.1.1 تحلیل استاتیکی 94
4.1.2 تحلیل کامل دینامیکی با یک موج طرح 96
4.1.3 تحلیل ديناميكي در بازه فرکانس 96
4.1.4 تحلیل دینامیکی در حوزه زمان 97
4.2 مدلسازی 98
4.2.1 مدلسازی میرایی 98
4.2.2 فرمول روش سرعت نسبی 99
4.2.3 فرمول روش سرعت مطلق 99

فصل 5 معيارهاي طراحي اعضاء 101
5.1 انتخاب نوع مهاربندها 102
5.2 انتخاب نوع تئوری موج 103
5.2.1 معادله موریسون 104
5.3 داده‌های عملیاتی طراحی سکو 104
5.3.1 زلزله 104
5.3.2 روئیدنی‌های دریایی 105
5.3.3 بارهای وارده بر سکو 105
5.3.4 ترکیب‌های بارگذاری 106
5.4 طراحی سازه فلزی سکو 106
5.4.1 تنش‌های اصلی 106
5.4.2 عملکرد سازه‌ای اعضاء استوانه‌ای فلزی 107
5.4.3 اتصالات لوله‌اي 109
5.4.4 تعيين ابعاد هندسي سكوي جاكت 110
5.5 تئوری مرتبه پنجم استوکس 111
5.6 طراحی اعضا 113
5.7 تنش‌های مجاز 114
5.7.1 تنش تسلیم فولاد 114
5.7.2 تنش کششی مجاز 114
5.7.3 تنش فشاری مجاز 115
5.7.4 کمانش موضعی 115
5.7.5 تنش خمشی مجاز 116
5.7.6 تنش برشی مجاز 116
5.7.7 برش ناشی از پیچش 116
5.7.8 فشار هیدرواستاتیک (برای استوانه‌های تقویت‌شده و تقویت‌نشده) 117
5.7.9 تنش کمانشی الاستیک حلقوی 117
5.7.10 تنش کمانشی حلقوی غیرالاستیک 118
5.7.11 طراحی حلقه‌های تقویتی 118
5.7.12 ترکیب تنش‌ها 118
5.8 طراحی دستی یک المان 121
5.9 معرفي برنامه 124

فصل6 مدل سازي و طراحي اتصالات 127
6.1 انواع اتصالات 128
6.2 جزئيات اتصالات 129
6.3 روابط ضرایب تمرکز تنش 131
6.4 روابط کوانگ Kuang Equations برای گره‌های T&Y 132
6.4.1 گره‌های T&Y 132
6.4.2 گره‌های K-1 132
6.4.3 اتصال KT (يا K-2 و K-3) 133
6.5 تعريف تمرکز تنش 134
6.6 تبدیل مخروطی 135
6.7 اتصال لوله‌اي 137
6.8 ظرفيت اتصال 139
6.9 ضابطه برش پانچ 141
6.10 آنالیز خستگی 144
6.10.1 روش (1975) Windenstein Maddox 145
6.10.2 منحنی S-N برای اتصالات لوله‌ای 146
6.10.3 تمرکز تنش 148

فصل7 طراحي عرشه 151
7.1 پیش‌درآمد 152
7.2 عوامل مختلف طراحی 155
7.2.1 حجم و ارتفاع 155
7.2.2 ملزومات جانمایی 156
7.2.3 بارگذاری 158
7.2.4 کنترل فصل مشترک 159
7.2.5 مهندسی اوزان 160
7.3 سیستم سازه‌ای 160
7.3.1 نحوه انتخاب نوع عرشه برای یک سازه جاکت فلزی 160
7.3.2 نحوه انتخاب عرشه برای سکوهای وزنی بتنی 162
7.3.3 سیستم‌های کف 163
7.3.4 مفاهیم طرح پانل کف برای سیستم کف فلزی سنتی 164
7.3.5 مفاهیم پایداری کف‌ها 164
7.4 طراحی طبقات عرشه 166
7.4.1 مقدمه 166
7.4.2 ورق‌های پوشش 167
7.4.3 تیرچه‌ها 168
7.4.4 تیرهای عرشه 169
7.4.5 مهاربندي افقی 171
7.5 عرشه سکوها 172
7.5.1 اساس طراحی عرشه 174
7.5.2 انتخاب سیستم عرشه 174
7.5.3 سیستم پوشش کف عرشه 174
7.5.4 بارگذاری 175

فصل8 ژئوتکنيک دريايي 177
8.1 رفتارشناسي تنش در خاك 178
8.2 آزمون‌های خاک 178
8.3 انواع پی 179
8.4 انواع شمع 179
8.5 طراحي شمع 180
8.6 ظرفيت باربري شمع 181
8.6.1 خاك چسبنده 181
8.6.2 خاك غير چسبنده 182
8.7 طراحی شمع‌ها در برابر بارهای جانبی 183
8.8 روش استفاده از منحنی p-y 185
8.9 ظرفيت باربري شالوده‌هاي كم عمق 189
8.10 پایداری لغزش 191
8.11 اسپادكن Spud Can در پايه جك آپ 191
8.11.1 ظرفيت باربري در خاك‌هاي رس 191
8.11.2 ظرفیت باربری خاک ماسه‌ای 192
8.11.3 ظرفیت باربری افقی خاک (لغزش پی) 194
8.12 پایداری پایه جک آپ 194
8.12.1 برآورد ظرفيت باربري قائم پايه جك- آپ 194
8.13 فرمت محاسبه ظرفیت باربری پایه Jack - up 197
منابع 199