Metocean pushover analysis of a jacket-type offshore platform with different bracing systems
Farklı çapraz sistemli ceket tipi açık deniz petrol platformunun okyanussal yüklerle statik itme analizi
- Tez No: 633352
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KADİR ÖZAKGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Günümüzde insan nüfusu arttıkça enerjiye olan ihtiyaç da artmaktadır. Ancak, her kaynak gibi enerji kaynakları da sınırlıdır. Bunun sonucunda insanlar farklı bölgelerden enerji elde etmeye başlamışlardır. Karadaki petrol ve gaz kaynaklarının sınırlılığı sebebiyle petrol ve gaz platformları, deniz tabanından gaz ve petrol çıkartabilmek için artık dünyanın dört bir yanındaki denizlerde ve okyanuslarda kurulmaktadır. Bu açık deniz platformları yüzlerce metre uzunluğunda ve su içerisinde büyük yapısal elemanlara sahiptir. Açık deniz platformları su üzerinde olduğundan, tasarım aşamasında birçok mühendislik problemlerini birlikte getirir. Bir başka deyişle, kıyı yapılarının aksine açık deniz yapılarının tasarımında, ekstrem fırtına koşulları genellikle ana hususlardır. Açık deniz platformları yapısal farklılıklarına göre üç ana türe ayrılabilir. Bunlar sabit deniz platformları, yüzer platformlar ve yerçekimi yapılarıdır. Bu çalışmada, çelik boru profillerin oluşturduğu çerçeveler ve çaprazlar içeren ceket tipi sabit açık deniz platformu, aşırı fırtına koşullarına tabi olarak incelenmiştir. Bu çalışmada, sonlu elemanlar kullanılarak farklı çapraz sistemler (diyagonal, x-çapraz, v-çapraz, ters v-çapraz ve k-çapraz) ile ceket tipi bir açık deniz platformunun 3-D modeli üzerinde doğrusal olmayan metocean (metorolojik ve okyanussal) itme analizi SAP2000 programı ile yapılmıştır. Bu nedenle, beş farklı yapısal model kullanılmış olup farklı çapraz sistemlerinin karşılaştırılmasında, eşdeğer nitelikleri dikkate almak için aynı tip ve boyutta kolon, kiriş ve çapraz seçilmiştir. Bu çalışmanın temel amacı, tekrarlanma periyodu 100 yıl olan ekstrem metocean koşullara tabi tutulan ceket tipi bir açık deniz platformu için farklı çapraz sistemlerin performansını araştırmak ve karşılaştırmaktır. Çalışmada, tüm fırtına koşulları ve tüm çapraz sistemler için, nihai platform dayanımları, tepe yer değiştirmeleri ve rezerv mukavemet oranları belirlenmiştir. Ulusal yönetmelik ve standartların yetersizliği nedeniyle, bu çalışmada uluslararası yönetmelikler kullanılmıştır. Bunlar Amerikan Petrol Enstitüsü (API) ve Uluslararası Standartlar Örgütü (ISO) 19902'dir. Bu çalışma esas olarak bu iki yönerge uyarınca yürütülmüştür. Ayrıca, Norveç DNV-C205 yönetmeliği, çevresel koşulların tahmini ve yapılara etki eden çevresel yüklerin hesaplanması için rehberlik sağlamıştır. Ek olarak, ulusal ve uluslararası çelik yapıların tasarımı, hesap ve yapım esaslarını içeren yönetmelikler, eleman dayanımlarının belirlenmesinde kullanılmıştır. Sabit deniz platformlarının tasarımında önemli rol oynayabilen dalga ve akıntı yükleri genellikle yoğun, düzensiz, dinamik ve döngüsel yüklerdir ve platformun doğrusal olmayan davranışlar sergilemesine neden olabilirler. Doğrusal olmayan itme analizi, genellikle yapının sadece sismik performansının tahmini için yaygın olarak kullanılmasına rağmen, ceket tipi sabit açık deniz platformunun analizinde de, yapının ekstrem fırtına koşullarındaki performansının tahmin edilmesi için de uygulanabilir. Başka bir deyişle, doğrusal olmayan metocean itme analizi, dalga ve akıntı kuvvetleri gibi eşdeğer statik yüklerle makul bir şekilde temsil edilebilen dinamik yüklere dönüştürdükten sonra bu yapıların davranışlarını analiz etmek için de uygundur. Bu çalışmada 5 farklı 3 boyutlu model kullanılmıştır. Bu 5 modelde de, platformun toplam yüksekliği 90 metredir ve dört adet düşey taşıyıcıya sahiptir. Platformun 75 metrelik bölümü su içerisinde kalmaktadır. Ayrıca tüm çerçeveler kare formlara sahiptir. Platformun güvertesi doğrusal olmayan davranış sergilemesi beklenmediği için modellenmemiştir, bu nedenle 5000 tonun toplam güverte yükü olarak dört düşey taşıyıcı üzerine konsantre dikey yük olarak uygulanmıştır. Platformun tüm 3 boyutlu modellerinde, doğru şekilde dalga ve akıntı kuvvetlerinin hesaplanması amacıyla operasyon ekipmanları, yükselticiler ve ek parçalar gibi yapısal olmayan elemanlar da yer almalıdır. Bu nedenle, hem yapısal elemanlar hem de bu yapısal olmayan elemanlar için yerel dalga ve akıntı kuvvetleri hesaplanmalıdır. Daha sonra, global dalga ve ankıntı kuvvetleri tüm yerel kuvvetlerin vektör toplamı olarak hesaplanmalıdır. Fakat, yapısal olmayan elemanlar platformun genel rijitliğine katkıda bulunmazlar. Sadece eşdeğer dalga ve akıntı kuvvetlerine katkıda bulunurlar. Platformun tüm 3 boyutlu modellerinde, bu yapısal olmayan elemanlar, platform yüksekliği boyunca devam eden 0.40 metre çapında 7 adet boru ile temsil edilir. Metocean parametreleri hem meteorolojik hem de okyanussal parametreler anlamına gelir. Metocean parametreleri 100 yıllık fırtına verilerini içermelidir. Bunlar dalga yüksekliği, su derinliği, fırtına gelgitleri, güverte yüksekliği, dalga yönü, dalga periyodu, akıntı profili ve akıntı yönüdür. Tüm modellerde, su derinliği, dalga yüksekliği, dalga periyodu, akıntı hızı, dalga yönleri, akıntı yönü, fırtına gelgit yüksekliği ve güverte alt kısım yüksekliği sırasıyla 75 m, 20 m, 13 s, 1.08 ~ 0.85 m/s, 00 - 450 - 900, 00, 1 m, ve 15 m alınmıştır. Doğrusal olmayan metocean itme analizinden önce, elemanların geometrik özelliklerini belirlemek için doğrusal analiz yapılmıştır ve tüm yapısal elemanlar LRFD yöntemine göre yeterli mukavemete sahiptir. Çalışmada hesap adımları AISC 360-10 LRFD yöntemine göre yapılmıştır. Doğrusal analiz sonucunda, kolonlar, kirişler ve çaprazlar için sırasıyla CHSS1400x50, CHSS1200x30 ve CHSS1000x30 kesitlerindeki boru profiller uygun görülmüştür. Doğrusal olmayan metocean itme analizinde 5 farklı çapraz sistemini karşılaştırmak için tüm 3 boyutlu modellerde bu profiller kullanılmıştır. Yapıya tüm düşey yükler etki ettirildikten sonra, dalga ve akıntı gibi yatay yükler her bir elemana (yapısal ve yapısal olmayan), elemanların konumuna, geometrik yapısına ve su altındaki pozisyonları gibi çeşitli faktörlere bağlı olarak farklı büyüklük ve dağılımlarda uygulanır. Daha sonra lineer olmayan bu yükler adım adım arttırılır. Her bir adımda yapının düğüm noktalarındaki yerdeğiştirmesi, eleman kuvvetleri, eleman rijitliği ve yapının global rijitliği güncellenir. Herhangi bir veya birkaç elemanda oluşan plastikleşme, yapının toptan göçmesini ima etmez ve yatay yükler arttırılarak uygulanmaya devam ettirilir. Yapı göçme durumuna geldiğinde ise, tepe yerdeğiştirmesi ve taban kesme kuvveti eğrileri elde edilebilir. Rezerv mukavemet oranı ise, göçme anında yapının tabanında oluşan kesme kuvvetinin, yapıya tekrarlanma periyodu 100 yıl olan fırtına yüklerinin oranı ile bulunabilir. Rezerv mukavemet oranları yapıya etki eden farklı yönlerdeki dalga yükleri için ayrı ayrı hesaplanmalıdır. Yapının nihai rezerv mukavemet oranı ise her bir yön için elde edilen rezerv mukavemet oranlarının en küçüğünü temsil eder. Platform doğrusal olmayan davranışını temsil etmek için, ASCE41-17 yönetmeliğinde yer alan eksenel kuvvet-eksenel deformasyon ilişkileri kullanılmış olup, yığılı plastic mafsal hipotezi esas alınmıştır. Doğrusal olmayan metocean itme analizi yapıldıktan sonra, çalışmanın sonuç kısmında 3 dalga yönü için 5 farklı çapraz sisteme sahip ceket tipi sabit açık deniz platformunun rezerv mukavemet oranları belirlenmiş ve sonuçlar karşılaştırılarak irdelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Today, as the human population increases, the need for energy increases accordingly. However, energy sources are limited. A result of this, people have started to get energy from different places. Oil and gas platforms are now installed in offshores around the world in order to exploit gas and oil from the under seafloor. These offshore platforms have hundreds of meter length and large structural members on the sea. Since offshore platforms are located on the water, many engineering problems occurs at the design process. In the design of offshore structures unlike onshore structures, extreme storm conditions are generally major considerations. Offshore structures can be categorized in three main types. These are fixed offshore platforms, floating platforms and gravity structures. In this study, a jacket-type fixed offshore platform which has form of steel frames includes tubular legs, braces and beams is examined subjected to extreme storm conditions. In this study, nonlinear metocean pushover analysis is performed with using a jacket-type offshore platform with different bracing configurations (diagonal, x-bracing, v bracing, inverted v-bracing and k-bracing) by using finite element software SAP2000. Therefore, five different structural models are used and the selection of the same type and size of columns, beams and diagonals are considered in order to take the equivalent qualities in the comparison of different bracing systems. The main aim of this study is to investigate and to compare the performances of different bracing systems for a jacket-type offshore platform subjected to 100-year extreme metocean conditions with different direction. The behavior of the platform with different bracing systems is examined under metocean pushover analysis. For all storm cases and all systems, ultimate platform resistances and reserve strength ratios are determined. Due to insufficient national specifications and guidelines, international guidelines are used in this study. These are American Petroleum Institute (API) Recommended Practice and International Standards Organization (ISO) 19902. This study is mainly conducted in accordance with these two guidelines. Furthermore, DNV Recommended Practice helps the calculation of metocean loads acting on structures. Metocean loadings (wave plus current) which may be dominated in the design of fixed offshore platforms are generally intensive, irregular, dynamic and cyclic loads and they may cause the platform to behave nonlinear. Although pushover analysis is extensively used for only the estimation of seismic performance of the structure, in the analysis of jacket-type offshore platform nonlinear pushover analysis is also applicable for the estimation of the performance of the structure on extreme storm conditions. In other words, nonlinear metocean pushover analysis is also well suited for analyzing offshore platforms after transforming dynamic loadings which can be identified by equivalent static loadings such as wave plus current forces. In all structural models, the platform has four legs, 90 meters total height and the parts of 75 meters of the platform is on the water and also all framing have square forms. The deck of the platform is not modelled so the total dead load of 5000 tones is applied as vertical load on the four legs. In 3D model of the platform, non-structural members such as conductors, risers, and appurtenances should be developed because of the purpose of calculation of accurate wave/current forces. Therefore, local wave plus current forces should be calculated for both structural members and these non-structural members. Then, the global wave/current forces should be calculated with the summation of all local forces. Additionally, the global stiffness of the platform does not change with the existence of non-structural members. They only contribute equivalent wave/current forces. In all 3D models of the platform, appurtenances are represented by 7 non-structural pipes with the diameter of 0.40 meter. Metocean parameters mean both meteorological and oceanographic parameters. Metocean parameters should include 100-year storm data and should include several subjects. These are wave height, water depth, storm tide, deck elevation, wave direction, wave period, current profile and current direction. In all models, water depth, wave height, wave period, current speed, wave directions, current direction, storm tide and elevation of underside of the deck are 75 m, 20 m, 13 s, 1.08 ~ 0.85 m/s, 0 - 45 - 90, 0, 1 m, and 15 m respectively. Before nonlinear metocean pushover analysis, linear analysis is performed to obtain geometric properties of the members and all structural members have sufficient strength according to LRFD method. The procedures are carried out according to AISC 360-10 LRFD method. In the result of linear analysis, CHSS1400x50, CHSS1200x30, and CHSS1000x30 are selected for columns, beams and braces, respectively. In nonlinear metocean pushover analysis, these sections are used to identify and compare the systems. In order to represent platform nonlinearity, only axial force-axial deformation relationships are used for circular hollow sections according to ASCE41-17. After performing nonlinear metocean pushover analysis, reserve strength ratios of a jacket type offshore platform with 5 different bracing systems are determined for 3 wave directions and results are identified.
Benzer Tezler
- Liman ulaşım kanallarında kumlanma analizi ve uygulayıcılar için basitleştirilmiş bir model
Sedimentation analysis in harbour approach channels and a basic model for practitioners
SELMAN BAYSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
- Dolgu zeminlere oturan kıyı yapısı temellerinin tasarımında yeni yöntemlerin incelenmesi
Investigation of new methods in the foundation design of coastal structures placed on embankments
RIZA EVREN KILCI
Doktora
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
- 3-dimensional numerical circulation modeling: A case study on the coastal processes in Göcek and Fethiye bays
3 boyutlu sayısal çevrim modellemesi; Göcek ve Fethiye kıyı süreçlerine uygulama
İZEL GÜREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CEVDET YALÇINER