مهندسی سازه‌های دریایی
مهندسی سازه‌های دریایی درباره انواع سازه‌های دریایی اعم از ساحلی، فراساحلی و تجهیزات زیر دریا است. این رشته به مسائل مربوط به ساخت و طراحی سازه‌های مختلف دریایی ساحلی، فراساحلی و تجهیزات زیر دریا مانند انواع سکوها، اسکله‌ها، بندرها، موج شکن‌ها، دیوارهای ساحلی و تأسیسات حفاظتی سواحل، ستون‌های مهاربند و تأسیسات بندری می‌پردازد. سازه‌های دریایی در برگیرنده طیف وسیعی از سازه‌ها هستند که با اهداف متنوع و مختلفی احداث می‌شوند. در یک تقسیم بندی کلی میتوان این سازه‌ها را به دو گروه سازه‌های ساحلی و سازه‌های فراساحلی تقسیم نمود.
سازه‌های فراساحلی
سازه‌هایی هستند که در نواحی دور از ساحل و در اعماق مختلف و در اشکال مختلف و اهداف مشخص ساخته نصب می‌شوند. از انواع این سازه‌ها میتوان به برج‌های انتقال امواج ماکرویو، تولید انرژی و سکوهای نفت و گاز و سکوهای انتقال و فراورده‌های هیدرو کربوری را نام برد. طراحی و ساخت و نصب سازه‌های دریایی با توجه به شرایط ویژه محیط و بارگذاری‌های مربوطه در رده پیشرفته‌ترین مسائل مهندسی قرار گرفته و در حال حاضر مطالعات بسیاری در زمینه‌های مختلف آن از جمله بحث خستگی این سازه‌ها تحت بارهای ناشی از موج و جریان‌های دریایی در حال انجام است.
این شاخه از مهندسی سازه‌های دریایی به طراحی و ساخت سازه‌های دور از ساحل و در آب‌های عمیق مانند سکوهای نفتی، سکوهای تفریحی، پایانه‌های فراساحلی، سکوهای بادی و خطوط لوله کف دریا در آب‌های عمیق پرداخته میشود.
آیین نامه‌هایی که در طراحی این نوع سازه‌ها به کار می‌روند شامل موارد زیر است.
که هم اکنون در طراحی‌ها از آنها استفاده میشود.
سکوهای بزرگ سازه‌های اصلی صنعت فراساحل هستند که تجهیزات و وسائل مورد نیاز استخراج و تولید نفت و گاز طبیعی را در دریاها فراهم می‌کنند. در مراحل اول جک آپ یا به عبارت دیگر دکل‌های شناور برای حفر چاه‌های اکتشافی به کار می‌روند، و در صورت موفقیت آمیز بودن عملیات حفاری سکوی دائمی تولید در همان محل نصب خواهد شد.
انواع سازه‌های فراساحلی
سازه‌های نرم
منظور از سازه‌های نرم در مبحث مهندسی سواحل، استفاده از فرایندها و عملیاتی نظیر تغذیه مصنوعی سواحل با استفاده از مصالح طبیعی بستر دریا و امثال آن است. انتقال و ریختن ماسه بر روی ساحل و پخش و تسطیح مناسب آن، تغذیه ساحل (Beach Nourishment) یا احیاء ساحل نامیده میشود که رایج‌ترین روش نرم جهت تثبیت سواحل محسوب میشود. مهمترین اهداف و کاربرد‌های تغذیه سواحل به تنهایی، شامل احداث تفریحگاه ساحلی، حفاظت در برابر طوفان با کاهش انرژی موج و احداث ساحل مصنوعی در اثر طوفان است.
سازه‌های سخت
سازه‌های سخت عموماً به منظور جلوگیری از فرسایش بیشتر ساحل و جلوگیری از حرکت و فرار ماسه در طول خط ساحل مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سازه‌ها معمولاً در اثر فرسایش ساخته می‌شوند. به گونه‌ای که اثر ترکیب این سازه‌ها باعث تثبیت نسبی خط ساحل در دراز مدت میشود. این سازه‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند.
- دسته اول سازه‌هایی هستند که با سخت نمودن و تغییر ساختا‌ر و حفاظت مستقیم ساحل، مانع حرکت ماسه در طول خط ساحل می‌شوند، مانند دیوارهای ساحلی و Revetments.
- دسته دوم سازه‌هایی که به صورت هیدرولیکی مانع از حرکت ماسه و تغییر شکل ساحل می‌شوند، مانند آب شکن‌ها، جتی‌ها و موج شکن‌های جدا از ساحل، دسته دوم عموماً باعث فرسایش مجدد در پایین دست خود می‌شوند.
کاربرد
به طور کلی از سازه‌های فراساحل برای مقاصد گوناگون میتوان استفاده کرد.
- اکتشاف نفت و گاز
- فرایند تولید
- لوازم مورد نیاز محل سکونت
- پل‌ها و راه‌های ارتباطی
- بارگیری و تخلیه تجهیزات
عوامل متعددی در طراحی و تجزیه و تحلیل سکوهای فراساحلی باید مورد توجه قرار گیرند. برخی از مهمترین این عوامل در مورد فشارهای وارده به سکو به شرح زیر است.
- بارهای مربوط به شرائط آب و هوائی (فشار امواج و بادها)
- بارهای مربوط به حمل و نقل وجابجائی
سازه‌های فراساحلی به منظور اطمینان از حداکثر ایمنی از نظر فرسایش‌های دینامیکی و مرور زمان با در نظرگرفتن اطلاعات موجود از وضعیت آب و هوائی و امواج طی ۵۰ تا ۱۰۰ سال گذشته طراحی می‌شوند.
ضعف سازه‌های سنتی (دریایی و ساحلی)
هنگامی که یك سازه فلزی در مجاورت آب‌های شور قرار گیرد، سطح فلز طی یك واکنش الکتروشیمیایی شروع به زنگ زدن و خورده شدن می‌نماید و به سرعت، ظرف کمتر از چند سال از بین می‌رود. سازه‌های بتن آرمه نیز در مجاورت محیط خورنده دریایی دچار پوسیدگی زودرس می‌شوند. از یك سو خوردگی موجب از بین رفتن مقاومت و ازدیاد حجم اسکلت فلزی داخل سازه میشود که نهایتاً به ترک خوردن داخلی و شکست آن منجر میشود. از سوی دیگر بافت بتنی نیز در اثر تماس با رطوبت محیط، انسجام خود را از دست می‌دهد و شروع به ترک برداشتن خارجی و گسیختن می‌نماید. تغییرات دمای محیط‌های دریایی نیز به نوبه خود با انقباض و انبساط موجب خستگی و از کار افتادن سازه میشود.
کابرد کامپوزیت در سازه‌های فراساحلی
مهمترین دلیل استفاده از کامپوزیت‌ها در صنعت ساختمان مقاومت بالای آنها در برابر خوردگی است. به کارگیری پروفیل‌ها و آرماتورهای کامپوزیتی تولید شده به روش پالتروژن باعث افزایش عمر و کاهش هزینه‌های ساخت و ساز و نگهداری در محیط‌های خورنده‌ی ساحلی و دریایی شده است. کاربرد کامپوزیت‌ها در شرایط خورنده‌ی آب‌های شور و سواحل دریایی قابل توجه است. فرآیند پالتروژن یکی از سریع ترین و مهمترین روش‌های تولید محصو‌لات کامپوزیتی است. به کمک این روش میتوان انواع پروفیل کامپوزیتی با مقطع ثابت و با سرعت بالا تولید نمود.
بر خلاف بتن و فولاد، یك سازه دریایی ساخته شده از کامپوزیت‌ها هم در برابر خوردگی شیمیایی و بیولوژیك ناشی از میکرو ارگانیسم‌های دریایی مقاومت بالایی دارد و هم در اثر تغییرات دمایی آب، دچار تغییر طول و انقباض و انبساط سازه‌ای نمی‌شود. این سازه‌ها نیاز چندانی به تعمیر و بازرسی ندارند و تا چندین برابر سازه‌های متداول عمر می‌کنند. یکی از خواص مواد کامپوزیتی، عملکرد بسیار مناسب شان در برابر ارتعاشات زلزله است. در نتیجه این مواد می‌تواند بهترین گزینه جهت مقاومت سازی سازه در برابر لرزه‌ها باشد.
صنایع نفت و گاز
استفاده از سازه‌های کامپوزیتی باعث صرفه جویی تا ۶۰٪ در زمینه صنایع نفت میشود. از ساخت سکوهای نفتی تا خطوط انتقال و به خصوص در مکان‌هایی که میزان خورندگی زیاد است. به عنوان مثال در محیط‌های دریایی استفاده از کامپوزیت‌ها بسیار مقرون به صرفه و مناسب است. از کاربرد‌های جالب کامپوزیت‌ها استفاده از آنها در استحکام بخشیدن به لوله‌‌های گاز و نفت است. با این روش میتوان بدون از مدار خارج کردن خطوط لوله، همان خطوط فرسوده و خورده شده را با کامپوزیت بطور کامل تقویت کرد.
سکوهای بتنی
توسعه‌ی سکوها در دریای شمال باعث به وجود آمدن نوع جدیدی از سکوها شد که سازه‌ی اصلی آنها از بتن ساخته میشود. چنین سکوهایی به علت وزن زیاد می‌توانند روی کف دریا پابرجا بمانند. اگر چه سکوهای بتنی نسبت به سکوهای فو‌لادی، گرانتر هستند، اما برای مناطقی شبیه به دریای شمال با شرایط آب و هوایی بد و امواج قوی، طرح مناسبی قلمداد می‌شوند. از طرف دیگر در این سکوها فضای بیشتری برای ذخیره سازی نفت وجود دارد که آنها را قادر به سرویس دهی به نفتکش‌هایی با ظرفیت‌های متفاوت می‌سازد. از دیگر مزایای این نوع سکوها میتوان به قابلیت ساخت کل سکو در ساحل و تست آن قبل از به آب اندازی اشاره نمود. بدین ترتیب نصب سکو تنها نیازمند وارد کردن آب به مخازن مخصوص و پابرجا کردن آن بر کف دریا است. البته برای این سکوها انجام یك زیرسازی در بستر دریا لازم است. از طرف دیگر پس از پایین آمدن سکو، باید فضاهای خالی بین سکو و کف دریا به وسیله پمپ مواد پر شود. حذف شمع‌های فو‌لادی که مقاومت کمتری در مقابل آب دریا دارند، از دیگر برتری‌های این نوع سکوها نسبت به سکوهای فو‌لادی است.
انواع سکو
سکوهای بزرگ فراساحلی نفت و گاز از جمله بزرگترین سازه‌های متحرکی هستند که در جهان به دست بشر ساخته شده‌اند. این سکوها انواع بسیار مختلفی دارند.
سکوهای ساکن
شکلی از سکوهای معمولی با اجزاء مختلفی است.
- اغلب سکوها از فولاد ساخته شده و با پایه‌هائی که به بستر دریا فرو رفته در قعر آب محکم شده‌اند.
- تعداد بسیار کمی از سکوها با سیمان ساخته شده و با استفاده از نیروی جاذبه در بستر دریا مستقر شده‌اند.
سکوهای جکتی
- سکوهای معمولی از نوع جکتی با ۴ تا ۸ پایه هستند این جکت‌ها با پایه‌هائی محکم شده‌اند که تا حدود ۵۰ متر در بستر دریا فرو رفته‌اند.
سکوهای استار
این سکو طوری طراحی شده که بدون نیروی انسانی کار می‌کند و با استفاده از علائم رادیوئی از راه دور و از سکوی اصلی خاموش میشود. بنابراین از هزینه کمتر و ایمنی بیشتری برخوردار است.
تآسیسات این سکوی بخصوص سه پایه‌ای که قرار دارد بسیار اقتصادی ساخته شده است. این تأسیسات را میتوان برای حفاری چاه‌ها روی یک دکل حفاری متوسط نیز نصب نمود. دسترسی به بارج‌های مجهز به جرثقیل به ندرت امکان‌پذیر است. بنابراین نصب این تأسیسات روی دکل حفاری می‌تواند از نظر اقتصادی جایگزین بسیار مناسبی باشد.
برج‌های انطباقی
برج‌های انطباقی از یک برج باریک و قابل انعطاف تشکیل شده‌اند. تجهیزات حفاری و عملیات تولید روی عرشه این سکوها قرار می‌گیرد. از این برج‌ها برای ایجاد توازن بین نیروهای جانبی و مستقیم استفاده میشود. کاربرد آنها در اعماق ۱۲۰ تا ۵۰۰ متری است.
سکوهای نیمه شناور
ویژگی این سکوها داشتن پایه‌هائی با قدرت رانشی کافی است که می‌تواند سازه را بصورت شناور و ثابت نگهدارد. دکل‌های نیمه شناور را میتوان با آبگیری یا تخلیه آب در محفظه رانشی از محلی به محل دیگر تغییر مکان داد. این سکوها عموماً در حین عملیات حفاری با لنگرهای زنجیری در مکان خود نگهداشته می‌شوند. البته آنها را به روش موقعیت دینامیک هم میتوان در جای خود ثابت نمود. از سکوهای نیمه شناور برای محل‌هائی با عمق ۱۸۰ تا ۱۸۰۰ متر استفاده میشود.
سکوهای پایه کششی
سکوهای پایه کششی دارای دکل‌های شناور هستند. این سکوها به گونه‌ای در بستر دریا مهار شده‌اند که هرگونه حرکت عمودی سازه‌ها را خنثی می‌کنند. این گونه سکوها در آب‌های با عمق تا ۲ کیلومتر بکار می‌روند. نوع معمولی این سکوها برای چهار پایه طراحی شده و مانند سکوهای نیمه شناور بنظر می‌رسند. از سکوهای پایه کششی کوچک میتوان برای نصب تأسیسات آب و برق، آنتن‌های ماهواره یا در مراحل اولیه نصب سکوهای بزرگتر جهت استفاده در آب‌های عمیق استفاده نمود.
سکوهای تک پایه
سکوهای تک پایه نیز مانند سکوهای پایه کششی دارای مهار (mooring) در بستر دریا هستند. سکوهای پایه کششی دارای لنگر عمودی هستند اما در سکوهای تک پایه بیشتر از لنگرهای معمولی استفاده میشود. این گونه سکوها در سه نوع طراحی شده‌اند.
- نوع معمولی که بشکل استوانه است.
- نوع خرپا که که در وسط دارای یک خرپا است و قسمت فوقانی را به قسمت شناور در آب (به نام مخزن سخت) متصل می‌کند. قسمت شناور در آب دارای مخزنی است که به کمک آن تعادل سکو در آب حفظ میشود.
- نوع تک محفظه‌ای که از چند استوانه عمودی تشکیل شده است. سکوهای تک پایه در مقایسه با سکوهای پایه کششی برای ساخت مخازن کوچک یا متوسط اقتصادی تر هستند.
سکوهای جک آپ
سکوهای جک آپ را میتوان را با استفاده از پایه‌هایشان که در آب است، تا قعر دریا پائین فرستاد و بصورت جک از سطح آب بالا آورد. از این سکوها بیشتر در آب‌های نسبتاً کم عمق برای اکتشاف نفت بکار می‌روند.
سیستم‌های شناور تولید
سیستم‌های شناور تولید کشتی‌های بزرگی هستند که اغلب مجهز به تآسیسات فرآورش هستند و قادرند برای مدتی کوتاه یا بلند در محلی لنگر بیاندازند. انواع مختلف اینگونه شناورها شامل FPSO (سیستم تولید شناور،ذخیره سازی، وتخلیه)، FSO (سیستم ذخیره و تخلیه شناور) و FSU (واحد ذخیره شناور) است.
سیستم تولید در بستردریا
از آنجائی که هر روز فاصله بین چاه‌ها و تأسیسات تولید بیشتر میشود لذا اهمیت سیستم‌های مستقر در بستر دریا نیز رو به افزایش است. فن آوری تکمیل چاه در بستر دریا طی چهار دهه گذشته پیشرفت کرده است. این فن آوری از زمانی که یک تئوری ساده مهندسی آزمایش نشده بود به بهبود تولید، و به پیشرفت ابزارها و تکنیک‌های میدانی که مورد قبول صنایع نفت و دولت‌های کشورهای تولید کننده نفت بوده کمک کرده است. از زمانی که این سیستم برای اولین بار چهار دهه قبل نصب شد تاکنون بیش از ۱۰۰۰ چاه در سرتاسر دنیا در بستر دریاها تکمیل شده است. هنوز دوسوم این چاه‌ها فعال هستند.
تحلیل برخورد کشتی با سازه‌های فراساحلی
سازه‌های دریایی به هنگام نصب و طی مدت بهره برداری در معرض خطر برخورد با شناورهای تدارکاتی قرار دارند لذا بررسی و تحلیل برخورد کشتی با سازه‌های فراساحل الزامی است. در برخورد با سرعت پایین انرژی جنبشی عمدتاً به صورت ارتعاش الاستیک سازه مورد تصادم، جذب میشود لیکن در تصادمات شدید، انرژی جذب شده بر اثر ارتعاش الاستیک کافی نیست. در این حالت انرژی وارده می‌تواند به صورت تغییر شکل‌های خمیری در اعضای کشتی و سازه مورد تصادم و سیستم جاذب انرژی (فندر) جذب شود. لذا در این گونه موارد اثر دینامیکی قابل توجه است و معادله حرکت کشتی و سازه مورد تصادم بایستی به صورت همزمان و دینامیکی حل شود.
در پدیده برخورد، سازه فراساحل انرژی برخورد را به شکل‌های زیر جذب می‌کند.
- فرورفتگی بدنه عضو مورد تصادم
- خمش الاستوپالستیک عضو مورد تصادم
- تغییر شکل محوری االاستوپالستیک
- ابراز جاذب انرژی (فندرها)، در صورت استفاده
- تغییر شکل کلی سازه که به صورت جانبی است
- فرورفتگی در بدنه کشتی
در شیوه معمول جهت بدست آوردن پاسخ سازه مورد تصادم و بررسی کفایت آن در برابر ضربه صرفاً انرژی جذب شده در بخش فرورفته عضو مورد تصادم لحاظ میشود و مابقی سازه تحت اثر نیروهای انتهایی عضو مورد تصادم به صورت خطی تحلیل میشود. از معایب عمده این روش در نظر نگرفتن رفتار غیر خطی اعضاء مجاور عضو مورد تصادم و لحاظ نکردن سایر تغییر شکل‌هایی است که در جذب انرژی مشارکت دارند.
