سازه های دریایی، مشکلات و راه حل ها

- بارگذاری و تحلیل سازه‌های دریایی و ساحلی

            یکی از مسائل موجود در اسکله‌ها، سکوها و به طور کلی سازه‌های ساحلی و دریایی که در چند دهة اخیر بسیار مورد توجه بوده است، تحلیل این نوع سازه‌ها در مقابل بارهای وارده است. مسئلة عمده‌ای که این سازه‌ها را از سازه‌های متعارف جدا می‌سازد، وجود آب در تماس با سازه است. وجود آب نه تنها در ارتعاشات تأثیر می‌گذارد، بلکه خود می‌تواند به وسیلة امواج، عاملی مهم برای ایجاد نیروهای خارجی باشد. چنین نیروهایی ممکن است بخش مهمی از بارگذاری اسکله‌ها و سازه‌های دریایی را تشکیل دهند. این مسئله هم بر قسمت‌های بالایی سازه و هم بر فونداسیون سازه که اکثراً به صورت شمع می‌باشد، تأثیر می‌گذارد.

            در مواردی که تحلیل سازه‌های دریایی با ابعاد بزرگ، نظیر سکوهای ثقلی و موج‌شکن‌ها موردنظر باشد، باید از تئوری پراکندگی (Diffraction theory) برای تعیین اثرات آب استفاده نمود. لیکن برای سازه‌های بلند و لاغر که نسبت ابعاد قسمتی از سازه‌ها که در معرض امواج قرار دارد به طول موج کوچک باشد، مسئله به صورت دیگری مطرح می‌شود. در حقیقت در این موارد، نیروهای وارده ناشی از اثرات متقابل آب و پایه اغلب تابعی از سرعت‌های نسبی بین آب و پایه می‌باشد. سرعت و شتاب ذرات آب را می‌توان با استفاده از تئوری موج تعیین نمود؛ لکن تعیین سرعت پایه در لحظات مختلف اساسی‌ترین مشکل را در تحلیل ایجاد می‌کند؛ خصوصاً از این نظر که این نیروها با توان دوم سرعت نسبی بستگی داشته و باید هم جهت سرعت نسبی در نظر گرفته شوند. به بیان دیگر، در هر لحظه برای آن که بتوان نیروهای وارده ناشی از عملکرد آب بر پایه را به‌دست آورد، باید سرعت نسبی بین آب و پایه را تعیین نموده و نیروی وارده را متناسب با توان دوم این سرعت و هم‌جهت با آن در نظر گرفت.

            از طرفی از آنجا که عموماً قسمتی از پایه‌های سازه‌های دریایی و ساحلی نظیر سکوها و اسکله‌ها به صورت شمع در خاک کوبیده می‌شود، مسئلة عمدة دیگری که در تحلیل دینامیکی اسکله ایجاد می‌شود، وجود خاک در اطراف شمع و تأثیر آن در ارتعاشات اسکله تحت بارهای دینامیکی است. برای تعیین اثرات خاک می‌توان از مدل‌های گوناگونی که توسط محققین ارائه شده استفاده نمود. ارزیابی این مدلها و انتخاب بهترین مدل برای هر نوع سازة خاص، نیاز به بررسی مسئله به صورت دقیق و انجام تحلیل‌های فراوان دارد.

            علاوه بر تحلیل دینامیکی سازه‌های دریایی و ساحلی تحت امواج، اثرات زلزله بر سازه نیز از اهمیت به سزایی برخوردار می‌شود. این اثرات را می‌توان به صورت اثرات زلزله بر آب به صورت تولید موج و بالطبع اثر متقابل آن بر سازه، همچنین اثر زلزله بر جرم سازه و نیز اثر زلزله بر خاکی که اطراف پایه‌های سازه را در برگرفته است، خلاصه نمود. بررسی این اثرات نیز کار چندان ساده‌ای نبوده و امروزه در هر مورد مدل‌های بسیار متنوعی ارائه شده است. انتخاب مدل مناسب در هر مورد و برای هر سازة به خصوص نیز از اهمیت بسیار ویژه برخوردار بوده و نیاز به انجام تحقیقات مفصل و همچنین کسب تجربه دارد.

2- بارگذاری و تحلیل شناورهای دریایی

            شناورهای دریایی نظیر قایق‌ها، کشتی‌های کوچک و بزرگ، بویه‌ها و زیردریایی‌ها نیز از نظر بارگذاری و تحلیل در چند دهة اخیر بسیار مورد توجه بوده‌اند. بارهای وارده بر چنین سازه‌ها، علاوه بر بارهای معمول و متداول که متأثر از ظرفیت آنها و نیز نحوة استفاده از آنها است؛ شامل بارهای ناشی از اثرات جریان‌های روآبی و زیرآب، اثرات امواج، اثرات متقابل سازه و آب که در اثر بارهای دینامیکی ایجاد می‌شوند، اثر باد، و حتی اثرات انفجار می‌باشد. شناخت این بارها به صورت دقیق موضوع تحقیقات گسترده‌ای در چند دهة اخیر بوده که منجر به معادلات و مدل‌هایی گردیده است. لکن کاربرد این مدل‌ها و روابط در هر منطقه به صورت چشم بسته صحیح نبوده و در هر منطقة خاص نظیر خلیج‌فارس، باید اثرات منطقه‌ای را نیز به صورت مناسب لحاظ نمود. پس از شناخت بارهای وارد بر هر شناور دریایی، لازم است سیستم باربر مناسبی برای آن درنظر گرفته و آن را تحلیل نمود. این سیستم باربر که در حقیقت اسکلت‌بندی  سازه‌های شناور را تشکیل می‌دهد نیز از یک طرف نیازمند تجربة فراوان و آشنایی با انواع اسکلت‌بندی‌هایی که امروزه در دنیا به‌کار می‌رود، و از طرف دیگر نیازمند دانش تئوریک سازه‌ای بالا می‌باشد. پس از انتخاب سیستم سازه‌ای مناسب شناور دریایی باید آن را به صورت مناسب تحلیل و طراحی نمود. تحلیل سیستم را می‌توان با استفاده از نرم‌افزارهای قدرتمند موجود انجام داد؛ لکن مسئلة طراحی چنین سازه‌هایی نیز نیازمند تحقیقات فراوان و آشنایی با آئین‌نامه‌های مربوطه در کشورهای مختلف می‌باشد. چنین تحقیقاتی ممکن است به تهیه و تنظیم دستورالعملها، توصیه‌ها و حتی آئین‌‌نامه‌ای مناسب جهت طراحی سازه‌های شناور در شرایط اقلیمی خلیج‌فارس و بر اساس امکانات و شرایط اجرایی موجود در کشور ما گردد.

 

3- بررسی و انتخاب مصالح جدید متناسب با شرایط خلیج ‌فارس

            مصالحی که به صورت سنتی در ساخت انواع سازه‌های موجود در شرایط اقلیمی جنوب ایران و به خصوص شرایط اقلیمی ساحلی و دریایی خلیج‌فارس به‌کار می‌رفته، عمدتاً فولاد و بتن بوده است. از طرفی شرایط آب و هوایی خلیج‌فارس، شرایطی بسیار خشن و متغیر بوده، بتن و به خصوص فولاد را به شدت تحت تهاجم قرار می‌داده است. در این راستا ضرورت مقابله با این تهاجم و حفاظت مصالح به کار رفته در منطقه در مقابل عوامل مخرب از دیرباز مورد نظر بوده و کشورهای پیشرفتة دنیا تحقیقات گسترده‌ای را در این ارتباط انجام داده و تکنولوژی‌های مناسبی را توسعه داده‌اند. با این وجود در ایران متأسفانه کمتر به صورت علمی به این مسئله پرداخته شده است. در همین ارتباط انجام تحقیقاتی به صورت زیر بسیار مناسب به نظر می‌رسد.

 

الف- حفاظت کاتدیک فولاد در سازه‌های فولادی و نیز میلگردهای فولادی در سازه‌های بتنی

            اگرچه حفاظت کاتدیک فولاد از دیرباز در دنیا مطرح بوده است؛ در ایران و به خصوص در سازه‌های دریایی و ساحلی خلیج‌فارس این مسئله کمتر مورد توجه قرار گرفته است. عمده‌ترین حفاظت به کار گرفته شده در ایران معمولاً‌ استفاده از رنگ‌های مخصوص بوده که این مسئله در مورد میلگردهای به کار رفته در سازه‌های بتن‌آرمه قابل استفاده نیست. به همین جهت در سازه‌های بتن‌آرمة ساحلی و دریایی خلیج‌فارس، بزرگترین مسأله، خوردگی میلگردها و مترادف با آن زوال و خردشدگی بتن بوده است؛ به طوری که گاه عمر سازة بتن‌آرمه را به کمتر از 5 سال نیز تقلیل داده است. تحقیقات مناسب در این ارتباط و تنظیم توصیه‌نامه و دستورالعمل مناسب در جهت حفاظت کاتدیک فولاد به خصوص در سازه‌های بتن‌آرمه، می‌تواند در این راستا بسیار راهگشا باشد. اجباری کردن رعایت چنین دستورالعمل‌هایی در سازه‌های بتن‌آرمة ساحلی و دریایی جنوب توسط مقامات ذیصلاح، به صرفه‌جویی کلانی در سرمایه‌های کشور منجر خواهد شد.

 

ب- استفاده از مصالح جدید به جای فولاد

            استفاده از مصالح جدید و به خصوص کامپوزیت‌ها به جای فولاد در دهة اخیر در دنیا به شدت مورد علاقه بوده است. کامپوزیت‌ها از یک مادة چسباننده (اکثراً اپوکسی) و مقدار مناسبی الیاف تشکیل یافته است. این الیاف ممکن است از نوع کربن، شیشه، آرامید و ... باشند، که کامپوزیت حاصله به ترتیب، به نام
 AFRP, GFRP, CFRP خوانده می‌شود. مهمترین حسن کامپوزیت‌ها، مقاومت بسیار عالی آنها در مقابل خوردگی است. به همین دلیل کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن‌آرمه به جای میلگردهای فولادی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

لازم به ذکر است که خوردگی میلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان یک مسئلة بسیار جدی تلقی می‌گردد. تاکنون بسیاری از سازه‌های بتن‌آرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، کلرورها و سایر عوامل خورنده دچار آسیب جدی گردیده‌اند، چنانچه فولاد به کار رفته در بتن تحت تنش‌های بالاتر در شرایط بارهای سرویس قرار گیرند، این مسئله به مراتب بحرانی‌تر خواهد بود. یک سازة بتن‌آرمة معمولی که به میلگردهای فولادی مسلح است، چنانچه در زمان طولانی در مجاورت عوامل خورنده نظیر نمک‌ها، اسیدها و کلرورها قرار می‌گیرد، قسمتی از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادی که در داخل بتن زنگ می‌زند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ریختن پوستة بتن می‌گردد.

            تاکنون تکنیک‌هایی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد در بتن‌آرمه توسعه داده شده و به کار رفته است که در این ارتباط می‌توان به پوشش میلگردها توسط اپوکسی، تزریق پلیمر به سطح بتن و یا حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود هر یک از این روش‌ها تا حدودی و فقط در بعضی از زمینه‌ها موفق بوده‌اند. به همین جهت به منظور حذف کامل خوردگی میلگردها، توجه محققین و متخصصین  بتن‌آرمه به حذف کامل فولاد و جایگزینی آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. در همین راستا کامپوزیت‌های FRP (پلاستیک‌های مسلح به الیاف) از آنجا که به شدت در محیط‌های نمکی و قلیایی در مقابل خوردگی مقاوم هستند، موضوع تحقیقات گسترده‌ای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.

            لازم به ذکر است که اگر چه مزیت اصلی میلگردهای از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر کامپوزیت‌های FRP نظیر مقاومت کششی بسیار زیاد (تا 7 برابر فولاد)، مدول الاستیسیتة قابل قبول، وزن کم ، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن، مجموعه‌ای از خواص مطلوب را تشکیل می‌دهد که به جذابیت کاربرد FRP در بتن‌آرمه افزوده‌اند. اگر چه بعضی از مشکلات نظیر مشکلات مربوط به خم کردن آنها و نیز رفتار کاملاً خطی آنها تا نقطة شکست، مشکلاتی از نظر کاربرد آنها فراهم نموده‌اند که امروزه موضوع تحقیقات گسترده‌‌ای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.

            با توجه به آنچه که ذکر شد ، بسیار به جاست که در ارتباط با کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن‌ سازه‌های ساحلی و دریایی مناطق جنوبی ایران و به خصوص منطقة خلیج‌فارس، تحقیقات گسترده‌ای صورت پذیرد. در همین راستا مناسب است که تحقیقات مناسبی بر انواع کامپوزیت‌های FRP (AFRP, CFRP, GFRP) و میزان مناسب بودن آنها برای سازه‌های دریایی که در منطقة خلیج‌فارس احداث شده است، صورت پذیرد. این تحقیقات شامل پژوهش‌های گستردة تئوریک بر رفتار سازه‌های بتن‌آرمة متداول در مناطق دریایی (به شرط آنکه با کامپوزیت‌های FRP مسلح شده باشند) خواهد بود. در همین ارتباط لازم است کارهای تجربی مناسبی نیز بر رفتار خمشی، کششی و فشاری قطعات بتن‌آرمة مسلح به کامپوزیت‌های FRP صورت پذیرد.

لازم به ذکر است که چنین تحقیقاتی در 10 سال اخیر در دنیا صورت گرفته که نتیجة این تحقیقات منجمله آئین‌نامة ACI-440 است که در چند سال اخیر انتشار یافته است. با این وجود کامپوزیت‌های FRP در ایران کماکان ناشناخته باقی مانده است و به خصوص کاربرد آنها در بتن‌آرمه در سازه‌های ساحلی و دریایی کاملاً دور از چشم متخصصین و مهندسین ایرانی بوده است. تحقیقاتی که در این ارتباط صورت خواهد گرفت، می‌تواند منجر به تهیة دستورالعمل و یا حتی آئین‌نامه‌ای جهت کاربرد FRP در بتن‌آرمه به عنوان یک جسم مقاوم در مقابل خوردگی در سازه‌های بندری و دریایی ایران گردد. این حرکت می‌تواند فرهنگ کاربرد این مادة جدید در بتن‌آرمة ایران را بنیان گذارد و از طرفی منجر به صرفه‌جویی‌ میلیاردها ریال سرمایه‌ای ‌شود که متأسفانه همه ساله در سازه‌های بتن‌آرمة احداث شده در مناطق جنوبی ایران (به خصوص در مناطق بندری و دریایی)، به جهت خوردگی میلگردها و تخریب و انهدام سازة بتنی، به‌هدر می‌رود.

 

ج- افزایش پایایی بتن در محیط خورندة دریایی

            بتن به عنوان یک مادة ساختمانی بسیار خوب، در 100 سال گذشته مورد استفاده قرار گرفته است. مقاومت فشاری بسیار خوب بتن و ترکیب مناسب آن با فولاد، و نیز شکل‌پذیری مناسب آن به توسط قالب، از عوامل مؤثر در کاربرد بهینة بتن محسوب می‌شده است. با این وجود، دوام و پایایی بتن از مسائلی است که در کنار سایر مسائل مربوط به بتن، مورد توجه قرار می‌‌گیرد. پایایی بتن در محیط‌های خورنده و به خصوص محیط‌های ساحلی و دریایی (و بالاخص شرایط بسیار خورندة خلیج‌فارس)، از مسائلی است که کاربرد بتن را در آن شرایط، به صورت جدی مورد تردید قرار داده است. این مسئله تا آنجا جلو رفته است که بتن‌های ساخته شده در شرایط آب و هوایی خلیج‌فارس، تحت تأثیر یون‌های کلرور و سولفات، گاه عمری کمتر از یک‌سال از خود بروز داده‌اند.

            تاکنون تحقیقات مفصلی در دنیا در جهت بهبود پایایی بتن در محیط‌های خورنده صورت گرفته است. این تحقیقات شامل مسائل مختلفی از جمله افزودن مواد پوزولانی نظیر میکروسیلیس، سرباره و ... به بتن به عنوان جایگزین قسمتی از سیمان، و نیز افزودن مواد شیمیایی مضاف مناسب، و حتی انتخاب دانه‌بندی به خصوص می‌باشد. با این حال چنین تحقیقاتی هنوز کامل نشده و هنوز هم زمینة گسترده‌ای جهت تحقیقات مفصل‌تر وجود دارد. بدین ترتیب می‌توان در یک پروژة مستقل، افزایش پایایی و دوام بتن در شرایط محیطی خلیج‌فارس را مورد مطالعه قرار داده و با ساخت نمونه‌هایی در شرایط تشدید شده در آزمایشگاه، قابلیت اعتماد روش‌های پیشنهادی جهت بهبود پایایی بتن در شرایط نامساعد را سنجید.

 

4- تعمیر بتن در مناطق دریایی

            در مناطق گرمسیری و دریایی، به سبب وجود شرایط محیطی حاد و خورنده، سازه‌های بتن‌آرمه در معرض ابتلا به انواع خرابی‌ها قرار دارند. در حال حاضر سالانه برای ترمیم خرابی‌های آرماتور و خسارت ناشی از آن، میلیاردها دلار در سراسر دنیا هزینه می‌شود. تعمیر بتن در مناطق دریایی شامل تعمیر بتن در خارج از آب و تعمیر آن در داخل آب می‌گردد. در خارج از آب عمده‌ترین خرابی‌ها ناشی از خوردگی میلگرد در بتن، خرابی سولفاتی، واکنش قلیایی سنگدانه‌ها و کربناتی‌ شدن بتن می‌باشد که سبب خوردگی فولاد می‌گردد. تعمیر سازه‌های بتنی در زیر آب مسائل پیچیده و مشکلی را در بردارد. هر چند که روش‌های تعمیر و نوع مصالحی که به کار می‌رود شبیه به حالت‌های تعمیر بتن در خارج از آب است، ولی شرایط سخت محیطی و مشکلاتی که کار در زیر آب و یا در ناحیة پاشش آب به همراه دارد، تفاوت‌های عمده‌ای را ایجاد می‌کند. فرسایش و تخریب بتن در نواحی جزر و مد و یا در ناحیة پاشش آب نیز یک مسئلة جدی از نقطه‌نظر اقتصادی می‌باشد. موج آب که حاوی اکسیژن و املاح متعددی می‌باشد، اثر تخریبی مؤثری بر سنگدانه‌های بتن دارد.

            از نقطه‌نظر اقتصادی، پیشگیری از ایجاد خرابی مقدم بر تعمیر بتن می‌باشد؛ هر چند که در زمانی که انجام تعمیرات اجتناب‌ناپذیر است، به‌کارگیری اصول علمی ضرورت می‌یابد. با توجه به اهمیت موضوع، مراکز علمی متعددی در سراسر جهان بر روی نکات علمی و اجرایی تعمیرات بتن در حال فعالیت و تحقیق می‌باشند که با توجه به وجود هزاران کیلومتر مرز آبی در کشور و وجود بسیاری از مراکز اقتصادی و صنعتی در این نواحی، ضرورت انجام فعالیت‌های علمی و تحقیقات، با هدف تهیه و تدوین استانداردها و آئین‌نامه‌های علمی، در این  زمینه به خوبی حس می‌گردد.

بعضی از زمینه‌های تحقیقاتی در این مورد عبارتند از:

×      بررسی اثر عوامل محیطی بر عملکرد مصالح تعمیراتی

×      بررسی رفتار دراز مدت مصالح تعمیراتی

×      عوامل مؤثر بر روش‌های تعمیر

×      کاربرد رزین‌ها در تعمیرات بتن

×      کاربرد بتن پلیمری در تعمیرات بتن

×      تعمیر بتن با استفاده از کامپوزیت‌های الیافی

×      روش‌های علمی ارزیابی تعمیرات بتن

 

5- استفاده از روش‌های عددی در طراحی و پیش‌بینی‌ عملکرد سیستم‌های حفاظت کاتدی

            با توجه به حجم سنگین سرمایه‌گذاری‌های انجام شده بر روی تأسیسات در حوزه‌های دریایی کشور، اهمیت مسئلة افزایش دوام و عمر مفید این تأسیسات بر کسی پوشیده نیست. یکی از مسائل مهم در حفاظت کاتدی سازه‌های دریایی، طراحی و نظارت بر عملکرد سیستم حفاظت کاتدی می‌باشد. در روش سنتی طراحی سیستمهای حفاظت کاتدی، تنها معیار طراحی شدت جریان الکتریکی مورد نیاز می‌باشد. با توجه به این که در شرایط واقعی، پارامترهای متعدد و متغیری همچون درجة حرارت، شوری و سرعت حرکت جریان آب و همچنین شرایط هندسی سازه نیز بر عملکرد سیستم حفاظت کاتدی تأثیرگذار می‌باشند، بنابراین روش سنتی از دقت کافی برخوردار نمی‌باشد و به میزان زیادی بستگی به تجربه و مهارت مهندس طراح دارد. پیچیدگی هندسی و شرایط محیطی در اغلب مسائل علمی سبب می‌گردد که انجام یک آنالیز دقیق بر روی عملکرد یک سیستم حافظت کاتدی بدون استفاده از روش‌های عددی، کاری دشوار و تقریباً غیر ممکن باشد.

            یکی از پیش‌نیازهای آنالیز عملکرد سیستم حفاظت کاتدی در یک سازة دریایی، دست‌یابی به حل عددی پدیدة خوردگی گالوانیکی این سازه‌ها می‌باشد. پدیدة فیزیکی خوردگی گالوانیکی را می‌توان یک مسئلة مقدار مرزی در میدان الکترولیت آب دریا توصیف نمود. چنانچه مشخصة توزیع پتانسیل نسبی هر نقطه نسبت به پتانسیل مرجع به عنوان متغیر میدان و مشخصة شارة جریان پلاریزة سطحی به عنوان شرط مرزی طبیعی فرض گردد، این مسئلة مقدار مرزی با یک معادلة دیفرانسیل با مشتقات پاره‌ای لاپلاس تبیین می‌شود.

            در سال‌های اخیر با توجه به روند رو به رشد کاربرد روش‌های عددی در حل مسائل خوردگی، نرم‌افزارهای متنوعی بر مبنای روش‌های تفاوت‌های محدود (FD)، اجزاء محدود (FEM) و مرزهای محدود (BEM) بسط و توسعه داده شده است و فعالیت‌های تحقیقاتی در این زمینه ادامه دارد.

            از جمله مواردی که به عنوان زمینه‌های تحقیقاتی می‌تواند مورد توجه قرار گیرد، موارد زیر می‌باشند:

×      حل عددی پدیدة خوردگی گالوانیکی

×      به‌ کارگیری روش‌های عددی در طراحی سیستم‌های حفاظت از خوردگی

×      توسعه و بسط نرم‌افزارهای کاربردی

×      به‌ کارگیری روش‌های عددی در پیش‌بینی فرآیند خوردگی در انواع سازه‌ها و شناورهای دریایی

 

6- پایداری اجزاء سازه‌ای در مسائل دریایی

الف- مطالعات شکل‌پذیری سازه‌های دریایی در مقابل زلزله و واکنش سکو‌های دریایی

            هنگامی که سکوهای دریایی تحت تأثیر نیروهای سیکلی زلزله قرار می‌گیرند، ظرفیت جذب انرژی آنها شدیداً به شکل‌پذیری سازة آن بستگی پیدا می‌کند. پارامترهای مؤثر در اعضای مختلف سازه‌های دریایی می‌تواند تأثیر به سزایی در ظرفیت شکل‌پذیری این‌گونه سازه‌ها ایفا نماید. هدف از این مطالعه بررسی کلی شکل‌پذیری در سکوهای دریایی و تعیین پاسخ سکو در مقابل نیروهای دینامیکی ناشی از زلزله است.

 

ب- کمانش الاستیک و پلاستیک اعضای سازه‌های دریایی

            اعضای مهاری سکوهای دریایی در مقابل بارهای وارده باید نیروهای محوری زیادی را تحمل نمایند. این نیروها همراه با نیروهای عرضی وارد بر عضو، ظرفیت خمشی مهار سازه‌های دریایی را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌‌دهد. رفتار یک عضو مهاری یک سکوی دریایی می‌تواند به نواحی قبل و بعد از کمانش الاستیک و غیر الاستیک آن که نهایتاً‌ منجر به کاهش شدید مقاومت آن می‌گردد، تقسیم‌بندی شود.

            با توجه به مطلوبیت وقوع کمانش غیرالاستیک بعد از تسلیم شدن عضو، بررسی کمانش الاستیک و غیرالاستیک این‌گونه سازه‌ها از مسائل مهم در طراحی اجزاء پلاتفورم‌های دریایی است.

 

ج- روش‌های تحلیلی در تعیین مقاومت نهایی سازه‌های دریایی در اثر زلزله

            روش‌های تحلیلی گوناگونی با فرضیات خاص جهت تحلیل مقاومت نهایی سازه‌های دریایی در مقابل نیروهای سیکلی توسط پژوهشگران ارائه شده است. همة این روش‌ها بر اساس مدل‌سازی سازه‌ای اعضای سکوهای دریایی استوار است که در نتیجه نمی‌تواند به طور دقیق و صحیح رفتار واقعی آنها را مدل نماید. از این رو تعیین مناسب‌ترین روش تحلیل در تعیین مقاومت نهایی اهمیت ویژه‌ای دارد.

 

د- تعیین مودهای انهدامی سازه

            سکوهای دریایی عمدتاً‌با مودهای پرتال Portal و به صورت خمشی و یا با مود Strut  به صورت محوری دچار انهدام می‌گردند. ابعاد و شکل سازه تأثیر فراوانی در نوع وقوع مود انهدام دارد. در بعضی مواقع به علت نوع سازه و بارگذاری، ترکیبی از مودهای مختلف پارامتر تعیین‌کننده‌ای در انهدام این‌گونه سازه‌ها است.

            هدف از این پژوهش تعیین مودهایی از سازه است که امکان انهدام موضعی و یا کلی سازه در آن محتمل‌تر باشد.

 

هـ- پایداری الاستیک و غیرالاستیک ورقها و اعضای سخت‌کننده در سازة دریایی

            ورقها و اعضای متشکل از ورقهای لایه‌لایه به دلیل دارا بودن مقاومت بالا و وزن کم به طور روزافزون در صنایع دریایی استفاده می‌شود. بهبود دقت و شایستگی تحلیل پایداری الاستیک و غیرالاستیک چنین سازه‌هایی توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است.

            در این پژوهش بر اساس روش‌های نوارهای محدود مختلط و با استفاده از تئوری تغییر شکل برشی با مرتبة بالاتر، تئوری ورقها و ورقهای سخت شدة ضخیم توسعه یافته و منحنی‌های طراحی برای وقوع تسلیم قبل از پدیده کمانش ارائه خواهد شد.

 

و- بررسی رفتار بعد از کمانش عناصر مقاوم سازه‌های دریایی در مقابل بارهای سیکلی

            عناصر مقاوم در سازه‌های دریایی هنگامی که تحت تأثیر نیروهای فشاری زیادی قرار می‌گیرند، کمانش‌های کلی و موضعی در آنها پدید می‌آید. در اغلب مواقع کمانش اولیه باعث انهدام سازه نخواهد شد و عضو سازة دریایی قادر خواهد بود نیروهای بیشتر از مقدار بار بحرانی کمانش اولیة خود را تحمل نماید. هدف از این پژوهش تحلیل قدرت بعد از کمانش کلی و موضعی اعضای تشکیل‌دهندة سازه‌های دریایی است.

 

7- آنالیز دینامیکی سازه‌های دریایی

            تحلیل و طراحی سازه‌های ساحلی و دریایی خصوصاً‌ سازه‌های سطحی و سازه‌های غوطه‌ور در آب‌های سطحی و کنار ساحل به روش دینامیکی تقریباً غیرقابل انکار است. به عبارتی به دلیل وجود امواج و ضربه‌های ناشی از این امواج و نیز ضربه‌های جسم به جسم نظیر ضربة ناشی از برخورد کشتی‌ها با سواحل و یا سکوها، آنالیز دینامیکی این‌گونه سازه‌ها اجتناب‌ناپذیر است. علاوه بر این برج‌های دریایی که دارای ارتفاع قابل توجهی در بیرون از آب بوده و پایة آنها در آب قرار می‌گیرند، تحت بارگذاری دینامیکی باد رفتاری وابسته به زمان دارند که امکان استفاده از هر نوع راه‌حل استاتیکی و یا شبه دینامیکی را برای رسیدن به جواب منتفی می‌سازد.

            باد و زلزله نوع دیگری از بارگذاری دینامیکی بر روی سازه‌های دریایی است که اگر چه ممکن است در بعضی از مناطق دریایی تعیین‌کننده نباشد، لیکن در بسیاری از مناطق که در محدوده یا مجاورت نوار لرزه‌خیز اقیانوس‌ها واقع شده است، بعضاً ممکن است نقش تعیین کننده‌ داشته باشد.

            از ویژگی‌های تمام انواع بارگذاری‌های فوق‌الذکر، طبیعت nondeterministic  بودن آنها است که اجازة آنالیز دینامیکی deterministic را نمی‌دهد و لذا باید متوسل به راه‌حل‌های stochastic شد. بنابراین یکی از مسائل مطرح در آنالیز و طراحی سازه‌های دریایی، ارائة مدل تصادفی بارگذاری‌هایی نظیر بار باد، امواج و زلزله است که چنانچه این مدل تصادفی بر اساس آمارهای چندین ساله با دقت بالا به نحو مطلوب ارائه شود، امکان حصول یک جواب مبتنی بر واقعیات تصادفی بودن بارگذاری را میسر می‌سازد. واضح است که در این آنالیز، اطلاعات آماری دو پدیدة مهم حرکت امواج و وزش باد، و نیز اطلاعات لرزه‌خیزی دوره‌های طولانی‌تر منطقه، نقش اساسی را بازی می‌کند.

            مسئلة اندرکنش (Interaction) از مسائل مهم دیگری است که در مورد سازه‌های دریایی، خصوصاً آنهایی که نیروهای برخورد امواج، نیروهای خط مقدم برای آنها محسوب می‌شوند، بسیار با اهمیت جلوه می‌کند. نیروهای هیدرودینامیکی امواج که در برخورد با موانع از جمله پایه یا بدنة ‌سازه اهمیت پیدا می‌کند، علاوه بر شکل ظاهری سازه تا حدود زیادی به چگونگی پاسخ سازه که خود تابعی از آن نیروهاست، بستگی پیدا می‌کنند. دسترسی به جواب در مورد این‌گونه مسائل وقتی میسر است که کل سیستم شامل سازه و محیط مجاور تحریک‌کننده و مؤثر در حرکت سازه به طور پیوسته مدل شوند. مدل اجزاء محدود بسیار مؤثر و کارآ است، مشروط بر اینکه یک اساس منطقی و قابل اتکاء برای مرتبط نمودن متغیرهای اصلی دو محیط مجاور در گره‌های مشترک پایه‌گذاری شود. از جمله اندرکنش‌های مهم در مورد سازه‌های دریایی می‌توان به اندرکنش آب–سازه، خاک–سازه، آب–خاک–سازه، و اندرکنش دو سازه که معمولاً یک یا هردوی آنها متحرک هستند، اشاره نمود.

            با توجه به بحث فوق، محورهای تحقیقاتی زیر که عمده مسائل علمی این زمینه را در برمی‌گیرند، معرفی می‌شوند. واضح است که هر یک از این محورها با توجه به سلیقه و توانایی پژوهشگران علاقمند قابل تجزیه به پروژه‌های خاص با دامنة کاربرد محدود و یا فرضیات مشخص می‌باشند.

 

الف- آنالیز زلزله سازه‌های برون‌ساحلی با درنظر گرفتن اثرات اندرکنش آب–سازه

            تاکنون تحقیقات گسترده‌ای در زمینة آنالیز زلزلة سازه‌های واقع بر زمین انجام شده و نتایج فراوان کاربردی حاصل شده است. همین مسئله در شرایطی که خاک زیر سازه نرم باشد نیز سالهاست مورد توجه محققین واقع شده و نتایج گسترده‌ای از حل آن استخراج شده است. در مسألة اخیر، اندرکنش خاک–سازه و پیشنهادات مختلف برای مدل نمودن آن مورد توجه واقع شده است. بر خلاف دو مورد فوق، مسئلة آنالیز سازه‌های برون‌ساحلی تحت اثر حرکت لرزه‌ای زمین به دلیل پدیدة اندرکنش آب-سازه که علاوه بر خواص فیزیکی جرم و سختی سازه، به شکل هندسی و سطح مانع درمقابل آب بستگی پیدا می‌کند، هنوز با ابهامات زیادی روبرو است. در این محور تحقیقاتی، پروژه‌های متعددی را می‌توان تعریف نمود که اگر با موفقیت انجام شود، به گوشه‌ای از ابهامات فوق‌الذکر پاسخ داده می‌شود.

 

ب- آنالیز غیرخطی سازه‌های دریایی با اثر اندرکنش آب–سازه

            از آنجا که روش مؤثر برای آنالیز سازه‌های دریایی یک روش nondeterministic مبتنی بر مدل stochastic بارگذاری است، لذا چنانچه بر اساس ملاحظات اقتصادی انتظار رفتار خطی این‌گونه سازه‌ها فقط تا حد میانگین شدن تصادفی بارگذاری برآورده شود، واضح است که در شرایط خشن امواج یا هر سیستم دیگر اعمال بار، رفتار سیستم سازه، غیرخطی خواهد بود. خوشبختانه طبیعت نوسانی بارهایی از نوع بار امواج یا بار باد، طراحی غیرخطی سازه‌ها را در شرایط ویژه توجیه‌پذیر می‌سازد؛ در این زمینه اگرچه پژوهشگرانی فعالیت داشته‌اند، لیکن امکان فعالیت‌های تحقیقاتی گسترده بر اساس تعریف پروژه‌های متعدد وجود دارد.

 

ج- بررسی رفتار خستگی اتصالات لوله‌های سازه‌های دریایی تحت بارهای دینامیکی امواج

بنا به دلایل متعددی اعضاء فولادی سکوهای دریایی، مقاطع لوله‌ای شکل هستند که در محل اتصالات به یکدیگر جوش می‌شوند. به سبب طبیعت چرخه‌ای بودن نیروهای امواج دریایی و تعداد زیاد این چرخه‌ها در طول عمر مفید سکوها، خستگی ناشی از این نیروها باعث شکست اتصالات می‌شود. شکست اتصالات سکوهای دریایی بر اثر خستگی ناشی از برخورد امواج با سازه دومین علت عمدة شکست‌های گذشته بوده است. با طراحی مدل‌های متعدد آزمایشگاهی و دسته‌‌بندی اتصالات متداول در سکوها و قرار دادن این اتصالات در شرایط آبی شبیه آب دریا برای پدید آوردن محیط خورندگی مناسب، می‌توان تحقیقات در این محور را تکامل بخشید.

 

د- نظارت بر سلامتی کامل سازه‌های دریایی و پیش‌‌بینی خسارت به روش مودال

Health Monitoring and Damage Detection by Model Analysis

با سرمایه‌گذاری هنگفتی که در طی دهه‌های گذشته خصوصاً سه دهة اخیر بر روی ساخت سازه‌های مختلف انجام شده است؛ اکنون مسئلة رفتار سلامت این سازه‌ها نظر محققین را به خود جلب نموده است. اطمینان از سلامت رفتار سازه‌هایی نظیر پل‌ها، سکوهایی دریایی و دیگر سازه‌های مشابه حیاتی است و لذا در دهه‌های اخیر مبحث سلامت رفتار و کشف خرابی نظر پژوهشگران را در گشودن باب جدیدی در زمینة مهندسی به خود جلب نموده است. این موضوع خصوصاً در زمینة بازرسی پل‌ها و اطمینان از سلامت آنها مورد توجه قرار گرفته است و روشی تحت عنوان روش مودال پایه‌گذاری گردیده است. تحقیقات در این مورد ادامه دارد و علیرغم پیشرفت‌های حاصله هنوز راهی طولانی تا رسیدن به نقطه‌ای که پاسخ مسائل مهم خسارات سازه‌ای پل‌ها از آن استخراج گردد، باقی مانده است. روش مودال بر پایة تغییر خواص دینامیکی سازة نو و خسارت دیده و مقایسة فرکانس‌های طبیعی مودها شکل گرفته است.

            دور نمای استفاده از روش مودال در کشف خسارات سازه‌های دریایی، دورنمای بسیار امیدوار کننده‌ای است که پیش‌بینی می‌شود به زودی منجر به ارائة جواب‌های کاربردی شود. این روش و گسترش آن به منظور کشف خسارات سازه‌های دریایی می‌تواند به عنوان یک محور کاملاً نو و مهم مورد توجه قرار گیرد. پیشرفت در این مورد مستلزم فعالیت همزمان تئوریک و انجام تست‌های آزمایشگاهی می‌باشد.