Response of a fixed offshore platform to seismic excitations and fatigue damage assessment
Sabit offshore platformunun sismik uyarılara karşı tepkisi ve yorgunluk hasar değerlendirmesi
- Tez No: 955618
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDUL HAYIR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
20. yüzyılın ortalarından itibaren, özellikle büyük sanayileşmiş ülkeler tarafından yönlendirilen küresel enerji talebindeki ciddi artış, derin denizlerde enerji kaynaklarının araştırılmasını teşvik etmiştir. Bu gereklilik, farklı derinliklerde ve çeşitli kıyı bölgelerinde açık deniz yapılarının inşasının yaygınlaşmasına yol açmıştır. Bu offshore platformlar, zorlu çevresel koşullara dayanabilecek şekilde yüksek ve sağlam yapılar olarak tasarlanmıştır. Hizmet ömürleri boyunca, açık deniz yapıları dalga kuvvetleri, rüzgar basıncı ve deniz akıntıları gibi çevresel yüklerin yanı sıra, kendi ağırlıkları ve tekrarlanan döngüsel yüklemelerden kaynaklanan yorulma hasarları gibi çeşitli yüklemelere maruz kalmaktadır. Bu yüklemelere karşı yeterli dayanım gösterememeleri durumunda, kısmi veya tamamen yapısal çökme meydana gelebilir ve bu da ciddi çevresel ve ekonomik sonuçlar doğurabilir. Bu tez çalışması, Türkiye'nin güney kıyılarına 65.54 metre su derinliğinde yerleştirilmesi varsayılan sabit bir açık deniz platformunun dinamik performansını değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında sismik ve çevresel yüklerin etkileri incelenmiştir. Yapısal model, sonlu elemanlar yöntemiyle oluşturulmuş ve analizler SACS V16 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sabit açık deniz yapısı, eşit düşey aralıklarla yerleştirilmiş dört kattan oluşmaktadır. Ceket yapısının toplam yüksekliği 83.3 metre, tüm bileşenler dahil olmak üzere platformun toplam yüksekliği ise 86 metredir. Platformun bulunduğu bölgedeki su derinliği 65.54 metre olup, yapının toplam ağırlığı 1116 ton olarak hesaplanmıştır. Yapının sismik tepkisi, ISO 19901-2:2004 standardına uygun olarak seçilmiş üç yer hareketi kaydıyla doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu sismik kayıtlar, %5 sönüm oranına sahip elastik tepki spektrumuna uygun hale getirilmiş ve Türk deprem yönetmeliğine göre SEISMOMATCH yazılımı aracılığıyla eşleştirilmiştir. Zaman tanım alanı analizleri, örtük zaman integrasyon yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışma ayrıca, su üstü ve su altındaki kaynaklı boru bağlantılarının yorulma ömrü değerlendirmesini de içermektedir. Yorulma gerilmelerinin hesaplanması, açık deniz yapılarının işletme süresince sürdürülebilirliğinin sağlanması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla, API standartlarına göre tanımlanan S-N eğrileri yöntemi kullanılmış ve uzun dönemli gerilmelerin değerlendirilmesi ile yorulma ömrünün tahmini için spektral yorulma analizi gerçekleştirilmiştir. Doğrusal olmayan dinamik zaman tanım alanı analiz sonuçlarına göre aşağıdaki gözlemler elde edilmiştir: İncelenen yer hareketleri arasında, El Centro depremi yapıda en yüksek taban kesme kuvveti olan 5066.53 kN değerini üretmiş ve bu da yapıya olan etkisinin yüksekliğini göstermiştir. Buna karşılık, Chi-Chi depremi yalnızca 4.188 kN'lik oldukça düşük bir taban kesme kuvveti üretmiş; Kocaeli depremi ise yaklaşık 10.73 kN değerinde bir kuvvetle daha sınırlı etki göstermiştir. Bu farklar, sismik olayların açık deniz yapılarına olan etkisinin ne kadar değişken olabileceğini ortaya koymaktadır. Sismik tepki analizleri, El Centro yer hareketinin, Kocaeli ve Chi-Chi depremlerine kıyasla yapıda en yüksek yer değiştirme değerlerine neden olduğunu göstermektedir. Bu durumun temel nedeni, rezonans veya sismik tepkinin büyütülmesi gibi olayların meydana gelmesi olup, bu yer hareketine yapının özellikle hassas olduğunu göstermektedir. Sabit deniz yapısının her katındaki düğümler için maksimum göreli deplasmanlar hesaplanmış olup, her bir deprem hareketi için üç doğrultuda (X, Y, Z) olmak üzere toplam sekiz nokta değerlendirilmiştir. Başka bir ifadeyle, El Centro depreminin frekans içeriği yapının doğal frekansı ile büyük ölçüde örtüşmekte, bu da rezonans etkisine neden olarak yapısal tepkinin önemli ölçüde artmasına yol açmaktadır. Ayrıca, El Centro depreminin sismik dalga süresi görece daha uzun olduğundan, yapının titreşim süresince daha fazla sismik enerji birikimine maruz kalmasına neden olmuştur. Buna karşın, Kocaeli ve Chi-Chi depremleri yüksek enerji seviyelerine sahip olmalarına rağmen, süresel olarak kısa olmaları ve baskın frekans içeriklerinin yapının doğal frekansı ile uyumlu olmaması nedeniyle daha düşük yapısal tepkilere yol açmıştır. Yorulma gerilmesi çalışması sonuçlarına göre aşağıdaki çıkarımlar yapılmıştır: Airy doğrusal dalga teorisi, dalga hareketlerinden kaynaklanan gerilme dağılımlarını temsil eden transfer fonksiyonlarının oluşturulması sayesinde yorulma ömrünün doğru tahminine önemli katkı sağlamaktadır. Kaynaklı bağlantılar için kullanılan S-N eğrisi, 0.016 metre referans kalınlık temelinde tanımlanmıştır. Malzeme kalınlığı bu değeri aştığında, ISO standardına göre kaynaklı bağlantılar (As-welded) için özel olarak geliştirilmiş uygun kalınlık düzeltme formülünün uygulanması gerekmektedir. Gerilme yoğunlaşma katsayılarının (SCF) belirlenmesinde, boru tipi birleşimlerin geometrik özelliklerini esas alan ve yarı-ampirik bir yöntem sunan Efthymiou yaklaşımı tercih edilmiştir. Yorulma hasarı, gerilme aralığı dağılımının yorulma dayanımına oranı olarak tanımlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, bazı yapısal bağlantıların tahmini yorulma ömrünün 40 yılın altında olduğunu göstermiştir. Bu durum, mevcut açık deniz platformlarının güvenliği ve sürdürülebilirliğini sağlamak adına yorulma dayanımı değerlendirmesinin önemini vurgulamaktadır. Yapılan analiz sonucunda, tasarlanan hizmet ömrünü aşan toplam 24 adet ana eleman ile diyagonal elemanın birleşim noktası (CHORD–BRACE birleşim noktası) tespit edilmiştir. Bu noktaların konumları ve yorulma hasarına ilişkin gerilme değerleri belirlenmiş olup, etkilenen birleşimlerin öngörülen hizmet ömrü kriterlerini karşılayacak şekilde yeniden tasarlanması hedeflenmiştir.
Özet (Çeviri)
The expansion of offshore structures (both reinforced concrete and steel) has seen significant growth since the mid-20th century, driven by the increasing global demand for energy and the need to exploit marine energy resources. These structures have been developed at varying sea depths, ranging from shallow coastal waters to deeper offshore locations. Given the harsh and complex marine environment, offshore platforms are subjected to numerous external forces throughout their Service life. These include wave loads, wind pressures, ocean currents, seismic activity, and fatigue damage. As a result, these platforms must be designed as elevated, resilient, and robust systems capable of withstanding these diverse and dynamic loading conditions. The cumulative effect of these external forces presents substantial risks to the integrity of structural elements, potentially leading to partial or total failure of the platform. Such structural failures can result in serious environmental hazards and significant economic losses. This thesis presents a comprehensive static and dynamic analysis of a hypothetical fixed offshore platform situated in the Mediterranean Sea, off the coast of Türkiye. The structural model was developed and analyzed using the SACS V16 finite element software. The study primarily investigates the effects of seismic and wave-induced loads on the platform and evaluates its structural performance under these combined actions. The objective is to assess the platform's safety, durability, and long-term reliability through detailed numerical simulations, contributing to the broader understanding of offshore structural behavior in challenging marine environments. The ability of offshore structures to withstand seismic loading and resist fatigue damage is a critical design consideration universally recognized by engineers and researchers. These factors play a pivotal role in the structural assessment and design of offshore platforms, where the intensity of such demands is largely influenced by the platform's geographical setting—particularly when located in seismically active regions or environments subjected to severe and recurrent wave action. To evaluate the seismic response of the fixed offshore structure, a nonlinear dynamic time history analysis was performed using three ground motion records in accordance with ISO 19901-2:2004 standards. The selected ground motions were carefully chosen based on the criteria outlined in the same standard and were spectrally matched to the target elastic response spectrum with 5% viscous damping using the SeismoMatch software. The time history analysis was conducted employing the implicit time integration method to ensure accurate representation of the structure's dynamic behavior under seismic excitation. A comprehensive report was conducted to evaluate the stress distribution in the tubular joints and the associated fatigue damage in the fixed offshore structure under the influence of environmental and wave loads from all directions. This assessment contributes to estimating the platform's theoretical Service life. The numerical fatigue analysis was based on the S–N curve methodology in accordance with API standards, employing the spectral wave analysis approach to assess cumulative fatigue damage. The findings offer valuable insights into the structural integrity, safety, and long-term reliability of fixed offshore platforms.
Benzer Tezler
- Evaluation of seismic response of topside equipment at fixed offshore platforms
Sabitlenmiş açık deniz yapılarında üst yapı tanklarının sismik davranışının değerlendirilmesi
ASHRAF HUSEYNLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ SARI
- Hydrodynamic response analysis of a semi-submersible platform using a hybrid rans-bem approach
Bir yarı batık platformun hidrodinamik tepkilerinin hibrit rans-bem yaklaşımı ile incelenmesi
ENVER KÜRŞAT GÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAD DELEN
- Yarı batık açık deniz yüzer rüzgar türbin platformunun hidrodinamik davranışı
Hydrodynamics response of semi-submersible floating wind turbine
MEHMET UTKU ÖĞÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mühendislik BilimleriYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL
- Mut havzasındaki alt miyoser yaşlı kırıntılı kayaçların sedimantolojisi
Başlık çevirisi yok
K. KADİR ERİŞ