و معرفی
1-1- پیشگفتار
با توجه به اهمیت انرژی‏‏‏های فسیلی در دنیای امروز و نقش‏آفرینی این نوع انرژی در تمام مناسبات جهان، مساله استخراج آن یكی از موضوعات مهم تكنولوژی روز دنیا می باشد.همچنین پایان پذیری منابع فسیلی و محدود بودن ذخایر آن، باعث توجه به ذخایری شده است كه تاكنون بهره برداری از آنها صرفه اقتصادی نداشته است. یكی از مهم‏ترین این ذخایر، ذخایر انرژی مدفون در كف دریاهاست. لذا دانشمندان در طول قرن گذشته روش‏هایی را جهت استخراج از كف دریاها ارائه داده‏اند. حركت علمی كه در این راستا در غرب آغاز شده است اكنون دارای تاریخچه‏ای بیش از یک قرن است و با توجه به موقعیت حساس كشور ما در این برهه زمانی و برخورداری از منابع غنی انرژی های فسیلی در دریاهای شمال و جنوب كشور، كسب این تكنولوژی به یكی از رئوس برنامه علمی كشور تبدیل شده است. نكته قابل توجه در این باره، لزوم استفاده از روشهای اقتصادی و سیستم های بهینه استخراج می باشد كه در دنیای رقابتی امروز امری اجتناب ناپذیر می‏نماید.
جهت استخراج نفت و گاز از كف دریاها، كاربردی ترین روش شناخته شده، استفاده از سكو است. این نوع سازه طی عمر هفت دهه‏ای خود تحولات بسیاری را در سیستم سازه‏ای و قابلیت بهره برداری از سر گذرانده است.در ابتدا این نوع سازه در آب‏های كم عمق و به صورت خرپایی ساده مورد استفاده قرار گرفت و طی زمان، تكامل سازه در راستای استفاده در آب‏های عمیق و كاهش هزینه‏های ساخت مورد توجه قرار گرفت. به علت افزایش بسیار زیاد هزینه احداث سكو‏های ثابت با افزایش عمق، نوع جدیدی از سكو‏های دریایی با نام سكوی نیمه شناور مطرح شد كه دارای مزایای اقتصادی و كاربردی قابل توجه‏ای می باشد. سیر تكامل كلی سكو‏ها و به خصوص نوع خاصی از آنها را (سكوی نیمه شناور خرپایی) به صورت كامل در فصل یك شرح خواهیم داد.
سکوی نیمه شناور خرپایی نوع خاصی از سکوهای نیمه شناور است که دارای شش درجه آزادی می­باشد: حرکت افقی طولی (­­surge)،

 حرکت افقی عرضی (sway)، حرکت قائم (heave)، که به ترتیب جابجایی در امتداد محورهای x و y و z بوده و چرخش طول این محورها به ترتیب، غلتش عرضی (roll)، غلتش طولی(pitch) و چرخش در صفحه افقی (yaw) نامیده می شود.

با توجه به مقدمات بالا، در این پروژه سعی شده است اصول آنالیز یك سكوی نیمه شناور خرپایی مورد بررسی قرار گیرد و با شناسایی و مقایسه تئوری های موجود جهت محاسبه ی بارهای وارد بر سازه، برداشت جامعی از چگونگی آنالیز یك سكوی نیمه شناور خرپایی ارائه شود. در این راستا از تئوری های موریسون و دیفركشن خطی جهت محاسبه‏ی نیروی موج و از تئوری موج ایری برای توضیح طبیعت دریا استفاده شده است كه در فصل های ابتدایی توضیح كلی آنها خواهد آمد. نتایج محاسباتی پروژه با یك مدل تست نیز معتبر سازی شده است و در پایان شاهد بحث در نتایج و مقایسه آنها خواهیم بود.
1-2- روش تحقیق
در این تحقیق ابتدا نیرو‏های وارد بر سكوی نیمه شناور خرپایی ناشی از موج، توسط تئوری های موریسون و دیفركشن خطی برای درجات آزادی غیر وابسته‏ی surge ، heave و pitch به دست می‏آید. سپس با استفاده از حل معادله حركت دینامیكی سكوی نیمه شناور خرپایی در درجات آزادی heave و pitch ، پاسخ سازه به موج با دامنه واحد[1](RAO) به نیرو‏ها در این درجات به دست می‏آید.این نتایج با نتایج به دست آمده از مدل تست و با یكدیگر مقایسه خواهند شد. هم‏چنین طیف پاسخ سازه مورد نظر با استفاده از طیف های انرژی P-M و JONSWAP در درجات آزادی ذكر شده به دست می‏آید و مقایسه می‏شود.
1-3- پیشینه تحقیق
افراد زیادی رفتار هیدرو‏دینامیكی یك سیلندر شناور عمودی را مطالعه كرده‏اند. هاوس (1990) یك سیلندر را در بازه kc كوچكتر از 0.01 بررسی كرد. بررسی های او نشان می‏داد كه نیروی درگ به صورت خطی با سرعت نسبت دارد و ضریب درگ نیز فوق‏العاده كوچك بود. چاكرابارتی و هانا (1990) در بررسی‏هایی كه بر روی سیلندری با KC كمی بیستر از 0.01 انجام دادند، به نتایج مشابهی رسیدند. در آزمایشات آنها حركت نوسانی آزاد سیلندر در جهت عمودی در خلال یك آزمایش (Decay test) مورد بررسی قرار گرفت.
هاوس و یوتس (1994) یك سیلندر عمودی را درون یك جریان قرار دادند و نشان دادند كه جریان میرایی سیلندر را در kc های مشابه افزایش می‏دهد.
درگ هیدرودینامیك یك سیلندر از دو مولفه تشكیل شده است: درگ ناشی از اصطكاك و درگ ناشی از شكل. (تیاگاراجان و تروش 1994)
درگ ناشی از اصطكاك به علت نیروی ویسكوزیته سیال روی سیلندر می باشد در حالیكه درگ ناشی از شكل بر اثر جدا شدن جریان در لبه پایینی سیلندر بر اثر حركت heave ایجاد می‏شود. در kc های بسیار پایین، درگ در وحله اول از نوع اصطكاكی است كه به صورت خطی با سرعت تغییر می‏كند. همچنین درگ ناشی از شكل یك نسبت درجه دوم با سرعت دارد. آزمایشات هاوس و چاكرابارتی و هانا نشان داد كه درگ اصطكاكی قسمت كوچكی از درگ هیدرودینامیك بر روی سیلندر را تشكیل می‏دهد.
تیاگاراجان و راج آزمایش‏هایی با رنج kc بزرگتر از 1 انجام دادند كه در آنها درگ ناچیز و همینطور غیر خطی بود.در تمام این حالات دمپینگ ناشی از درگ كه در اثر حركت سیلندر ایجاد می‏شد بسیار كوچك می باشد.
توا و تیاگاراجان (2003) یك دیسك با kc بالای 0.75 را تست كردند و دمپینگ درگ بیشتری را یافتند.
هی(2003) نتایج عددی و آزمایشگاهی ارائه داده است كه به بررسی حركت heave صفحه‏های نازك استوانه‏ای پرداخته و مقادیر دمپینگ را نشان داده است. این مطالعات به حركت‏های كوچك اصلی محدود شده‏اند و برای سكوی پایه كششی به صورت موردی انجام شده است.
اطلاعات جرم اضافی بر اثر نوسان صفحات افقی در راستای عمود بر صفحه در این متون در دسترس نیست.آزمایش‏هایی روی سكوی نیمه شناور خرپایی با صفحات افقی انجام شده و بعضی گزارش‏ها تهیه شده‏اند كه در مورد كارآیی صفحات افقی در سكوی نیمه شناور خرپایی بحث می‏كنند.(مگی و همكاران 2003)
سكوی نیمه شناور خرپایی (TPS) یك سازه جدید شناور است كه از ادغام مزایای سكوهای نیمه شناور پانتونی و خرپا و پرهیز از بعضی اشكالات سكو‏های پانتونی ایجاد شده است. سكوی پانتونی نیمه شناور از چهار ستون شناور تشكیل شده است كه در قسمت پایین خود به پانتون های كف كه پایداری سازه را كنترل می‏كنند متصل می‏شوند. عرشه نیز در بالای ستون‏ها قرار می‏گیرد. این سازه در مكان‏های دور از ساحل جهت حفاری و تولید به كار می‏رود. مزایای آن شامل فضای عرشه زیاد و همینطور بار قابل تحمل بالا می‏باشد. در یك طراحی روتین، ستون‏ها عمیق و پانتون‏ها نیز دارای حجم زیاد می‏باشند. مركز جرم اعضا پایین تر از مركز شناوری آنها قرار می‏گیرد (حدود 4 تا 12 فوت). این طراحی باعث كنترل دوره تناوب حركات roll و pitch سازه می‏شود.
برای یك سكوی نیمه شناور پانتونی، تغییر مكان كلی بزرگ است و دور كردن پریود طبیعی سازه از پریود موج غالب كار مشكلی می‏باشد. در واقع چون دمپینگ كوچك است و به صورت شدیدی تناوبی، بنابراین برای سكوی نیمه شناور پانتونی نوسان در جهت heave زیاد است و توسط میرایی نیز كنترل نمی‏شود. به عبارت دیگر، میرایی ناشی از جریان منتشر شونده، به صورت موثری در طراحی سكوی نمیه شناور پانتونی برای حركت heave استفاده نشده است.
TPS (سرینیواسان 2004) جرم اضافی ناشی از صفحات افقی كه در پایین ستون‏های خرپایی استفاده شده‏اند را به كار می‏گیرد و بنا بر این از جریان منتشر شونده حول این صفحات استفاده می‏كند. 
1-4- خلاصه کار انجام شده
هنگام طراحی یك سازه دور از ساحل، یكی از اولین و مهم‏ترین مراحل، انتخاب روش محاسبه نیرو‏های موثر بر سازه می‏باشد.یكی از روش‏های محاسبه نیرو استفاده از تئوری دیفركشن موج است. استفاده از فرمول تجربی موریسون (موریسون و همكاران 1950) اغلب یك روش معمول برای به دست آوردن نیروهای وارد بر سازه‏های دور از ساحل است.فرمول موریسون اثرات ناشی از برگشت امواج از سطح مغروق سازه را در نظر نمی‏گیرد و ضرائب نیرو برای اعمال این آثار به كار می‏روند. نیروی موریسون می‏تواند یك روش بسیار موثر برای آنالیز سازه‏های كوچك باشد.زیرا اثرات ناشی از برگشت موج ناچیز است، اما تئوری دیفركشن برای سازه‏های بزرگ قابل استفاده تر است. یك جدول كمی برای تشخیص سازه های كوچك و بزرگ توسط چاكرابارتی ارائه شده است(1987).
در این تحقیق از هر دو این روش‏ها برای محاسبه‏ی نیرو‏ها استفاده شده است.تصویر كلی سازه TPS در شكل نمایش داده شده است.حركات این سازه در جهات Heave و Pitch به دو روش موج خطی و موج تصادفی آنالیز شده است(با استفاده از فرمول  موریسون و تئوری دیفركشن خطی). سپس این نتایج با نتایج  به دست آمده از مدل تست مقایسه شده‏اند. مدل تست طی مقاله‏ای توسط آقای سرینیواسان در سال 2005 تشریح شده است.
سازه حاضر برای امواج خطی در بازه تناوب 7-22 ثانیه آنالیز شده است.در مرحله محاسباتی پاسخ یكه سازه (RAO) برای نیروهای surge ، heave و pitch  به دست آمده است و هم چنین پاسخ یكه حركت سازه‏ها در جهات heave و pitch  نیز به دست آمده است. طیف JONSWAP برای موج‏های تصادفی نیز برای تحلیل سازه تحت اثر امواج تصادفی استفاده شده است.
Response Amplitude Operation-[1]