آنالیز و طراحی اتصالات نوع T و K در سازه های متشکل از اعضاءلوله ای شکل و بررسی موردی سکوی دریایی F9A در خلیج فارس

چکیده

اتصالات لوله ایT وk به مقیاس وسیعی درخرپاهای صفحه ای و فضاکار، برجهای انتقال نیرو،منابع فلزی وسکوهای دریایی بکار گرفته می شوند.دراین مقاله با استفاده از روش اجزاء محدود،آنالیز پارامتریک اتصالاتT وk دارای مقطع مربعی تحت اثر بارگذاری محوری وخمشی درون صفحه انجام پذیرفته است.اجزاء محدود توپر (solid) درمدل کردن جوشها واجزاء محدود پوسته ای (shell) برای مدل کردن سایر نواحی اتصال مورد استفاده قرا گرفته است. در یک بررسی پارامتریک، 17 مورد اتصال T شکل و 24 متر اتصال نوع k موردمطالعه خاص قرا گرفته اند .نتایج این تحلیل ها دستیابی به19 فرمول ریاضی میباشد که بیان کننده ضریب تمرکز تنش برحسب پارامترهای هندسی اتصال است .

دقت این روابط توسط برنامه های مورد بررسی قرا گرفت ونتایج دقیقی حاصل شد. بمنظور کاهش تمرکزتنش و بهبودرفتار اتصالات Tشکل،از تقویت اتصال بااستفاده ازبتن یا ورقهای تقویتی استفاده گردیده واثرات اعمال تقویتهای ذکرشده بر ضرائب تمرکزتنش مورد بررسی قرارگرفته است. فلسفه طراحی حالت حدی بر اساس آئین نامه هایCIDECTو AWS تشریح شده و به موازات آن اثر تغییر زاویه عضو مهاری اتصال Y شکل و فاصله بین دوعضو فرعی اتصال نوع K بر مقاومت نهایی اتصالات مذکورتوسط برنامه کامپیوتری PROKON مورد بحث قرار گرفته است .

تحلیل غیرخطی آلاستوپلاستیک کامل سه بعدی برای اتصالات Tشکل بمنظورپیش بینی مقاومت نهایی انجام پذیرفته است.اثر ضخامت عضواصلی (Chord)برمقاومت نهایی اتصالات T شکلی که تحت اثربارگذاری محوری فشاری میباشند نیز بررسی شده وبرای آن رابطه ای ریاضی بدست آمده است.رابطه ریاضی مورد نظر بامقادیر حاصله براساس سایر آئین نامه های معتبر جهانی مقایسه شده وانطباق مطلوبی حاصل گردیده است.از برنامه کامپیوتری LUSAS برای تحلیل غیر خطی کلیه اتصالات T شکل وهمچنین آنالیز کمانشی آلاستیک اتصالات نوع T استفاده شده است .یک سکوی نفتی از نوع سکوی ثابت دریای واقع در منطقه نفتی فروزان در خلیج فارس موسوم به F9A توسط برنامه کامپیوتری PROKON آنالیز وطراحی شد .

1- طراحی اتصالات لوله ای توسط برنامه PROKON :

اتصالات مورد بررسی در این مقاله از نوع T و K بوده که در شکل (1-1) نشان داده شده است. برنامه PROKON یک برنامه آنالیز و طراحی سازه ها می باشد. این برنامه جهت طراحی اتصالات لوله ای در مقاله حاضر با پیگیری های نگارنده از کشور انگلیس خریداری گردید. برنامه PROKON بر اساس ضوابط آئین نامه CIDECT تهیه گردیه است با این برنامه می توان اتصالات ساده نوع T و Y و X و K و N و KT را طراحی نمود. در شکل های
(1-2) الی (1-6) چند نمونه طراحی اتصال نشان داده شده است .
2- تحلیل آلاستیک اتصالات نوع T و تعیین روابط تمرکز تنش :

2-1- روش آنالیز

در این بخش با استفاده از روش اجزاء محدود یک آنالیز تنش پارامتریک روی اتصالات لوله ای با مقطع قوطی انجام شد. اتصالات فوق تحت اثر بار محوری و لنگر خمشی درون صفحه ای قرا گرفتند .
اجزاء محدود توپر(Solid) در مدل کردن جوشها و اجزاء محدود پوسته ای (Sell) برای مدل کردن سایر نواحی اتصال مورد استفاده قرا گرفت. در یک مطالعه پارامتریک 17 مورد اتصال T شکل با مقطع قوطی مورد بررسی خاص قرا گرفتند. نتایج این آنالیزها دستیابی به یک سریروابط ریاضی می باشند که بیان کننده ضرایب تمرکز تنش بر حسب پارامترهای هندسی اتصال است . در شکل های (2-1) و(2-2) ناحیه اتصال عضو اصلی (Chord) و عضو فرعی (brace) نشان داده شده است .

2-2- مطالعات پارامتریک

برای انجام مطالعات پارامتریک، محدوده تغییرات زیر مد نظر قرا گرفت .

تمام پارامترهای فوق در شکل (2-3) تعریف گردیده اند .
نهایتاً روابط ذیل برای محاسبه ضرائب تمرکز تنش اتصالات T شکل حاصل گردید :

الف) اتصالات T شکل تحت بارگذاری فشاری و کشش :

ب) اتصال T تحت اثر بارگذاری خمشی :

ج) اتصال T تحت اثر ترکیب بارگذاری فشاری و خمشی :

اثرات پارامترها در ضریب SCF (به عنوان مثال پارامتر…..) در شکل(2-10) و (2-11) نشان داده شده است .

3- تحلیل الاستیک اتصالات نوع k به روش اجزاء محدود :

مشابه باقسمت فصل دوم این مقاله اتصالKشکل بامقاطع مربعی رامورد برسی قرار داده وضرائب تمرکز تنش را محاسبه میکنیم .
اتصالات فوق تحت اثر 6 نوع بارگذاری قرار دارند.

اتصالات k شکل مورد بررسی توسط برنامه SAP90 آنالیز شده وبا استفاده از برنامه آمرای SPSSروابط پارامتریک بدست امد .
در شکل(3-11) یک نومنه از مدل های اجزاء محدود ملاحظه می گردد .
همچنین در شکل(3-4) الی(3-6) اثر پارامتر  بر SCF بررسی گردیده است .

4- تقویت های اعمال شده به اتصالات مورد بررسی :

اصولاً اتصالات لوله ای به سه دسته تقسیم می شوند که عبارتند از: اتصالات ساده، اتصالات تقویت شده موضعی و اتصالات تقویت شده کامل. اگر اتصالات لوله ای در یک سازه دارای مقاومت کافی نباشد می توان از تقویت استفاده نمود. این تقویت ها می تواند به طرق مختلفی اجرا شود که در شکل های(4-1) و(4-10) نمونه هایی از آنها نشان داده شده است. در این فصل ما همان اتصالات مورد بررسی در فصل دوم را مورد تقویت قرار میدهیم و ضرائب تمرکز تنش را محاسبه می کنیم . در اشکال(4-11) الی(4-18) انواع مختلف تقویت های در نظر گرفته شده در این مقاله را نشان داده شده است. نهایتاً در شکل(4-19) اثر تقویت اتصال در ضریب تمرکز تنش نشان داده شده است .

5- برسی مورد سکوی F9A در خلیج فارس

5-1- مقدمه:

در این قسمت با استفاده از آئین نامه 1993 و API و برنامه کامپیوتریPROKON طراحی جاکت موسوم بهF9A واقع در خلیج فارس را کنترل می کنیم این سکو در جنوب غربی خلیج فارس (مرز آبی ایران و عربستان) و منطقه نقتی فروزان قرار دارد. سکو از نوع ثابت دریایی یا شابلونی میباشند. این سکوی نفتی ابتدا توسط برنامهSAP90 آنالیز استاتیکی و دینامیکی شد و سپس با استفاده از برنامهPROKON اتصالات آن مورد تجزیه و تحلیل قرا گرفت. ارتفاع آب در محل نصب سکو 49 متر است .

5-2- محاسبه ارتفاع و پریود موج طرح در محل نصب سکو

برای محاسبات موج از مشخصات موج طراحی یک سکوی نفتی مجازی با مشخصات زیر استفاده می شود . (در یک دوره طرح 30 ساله)

داده های جدول بالا مربوط به سکوی دریایی Compose Basin در 80 کیلومتری بندر ریودوژانیرو و دذر برزیل که توسط مهندس مشاور برزیلی در محاسبات موج طراحی سکوی F9A مد نظر قرا گرفته است .
نهایتاً مختصات موج طرح را بصورت زیر در نظر گرفتیم:

نتایج تحلیل و طراحی اتصالات سکوی F9A در اشکال صفحات الی درج گردیده است .

6- مقاومت نهایی اتصالات لوله ای مورد بررسی

اتصالات لوله ای پس از تسلیم اولیه دارای ظرفیت ذخیره قابل ملاحظه ای هستند.
در این فصل روابط موجود جهت تعیین مقاومت نهایی اتصالات T شکل مورد بررسی قرا گرفت .
معمولا معادلات مقاومت نهایی اتصالات لوله ای بر حسب پارامترهای بدون بعد محاسبه می شود .
روابط ذیل مقادیر مقاومت بدون بعد اتصال T شکل را بر حسب پارامترهای هندسی بیان می کنند .

الف) روابط آئین نامه API :

ب) روابط بدست آمده در این مقاله

رابطه(6-2) توسط آنالیزهای غیر خطی که توسط برنامه LUSAS انجام گرفت، بدست آمد. (اتصال T شکل با تغییر دادن مقدار ضخامت عضو اصلی(chord) در حالت مختلف توسط برنامه LUSAS مورد آنالیز قرا گرفت و نتایج بدست آمده را توسط برنامه آماری Spss تجذیه و تحلیل نموده ای که نهایتاً رابطه(6-2) حاصل گردید.)

تهیه کنندگان :مهندس محمد چوبدار طوسی – دکتر شاهرخ ملک