Δυναμική αλληλεπίδραση λεπτόγραμμων θαλάσσιων αγωγών με τον πυθμένα

Abstract

Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια ποσοτικοποίησης της επίδρασης της αντίδρασης του εδάφους στην κατακόρυφη κίνηση/εισχώρηση σε αυτό λεπτόγραμμου αλυσοειδούς αγωγού - Riser (Steel Catenary Riser) μεταφοράς υδρογονανθράκων από υποθαλάσσια κοιτάσματα, και εν συνεχεία εισαγωγή της σε υφιστάμενο, ενιαίο, μη γραμμικό δυναμικό μοντέλο Πεπερασμένων Διαφορών, προσδιορισμού των δυναμικών μεγεθών που κυριαρχούν στην κίνηση του riser λόγω αρμονικών διεγέρσεων στο κορυφαίο άκρο του (π.χ. κινήσεων της πλωτής εξέδρας στην οποία προσδένεται το riser, λόγω αρμονικών διεγέρσεων). Με βάση τις παρατηρήσεις της σύγχρονης διεθνούς έρευνας, τέτοιες κινήσεις αποτελούν, εξ' ορισμού, τις σημαντικότερες πηγές καταπονήσεων της κατασκευής, ιδίως στην πλέον ευπαθή περιοχή "sagbend" (η περιοχή του riser πριν το σημείο επαφής με τον πυθμένα -Touch Down Point/TDP- έως και αυτό) όπου παρουσιάζεται η μέγιστη καμπυλότητα ενώ επίσης αποτελούν και τα "γεννεσιουργά αίτια" διάνοιξης εκσκαφών στην επιφάνεια του πυθμένα, λόγω επαγόμενων κινήσεων του κατώτερου τμήματος του riser, δηλαδή του εδραζόμενου τμήματος στον πυθμένα. Ο προσδιορισμός της αντίδρασης του εδάφους γίνεται στατικά, θεωρώντας ότι έχει ολοκληρωθεί ο κύκλος εισχώρησης/καταβύθισης του riser εντός του εδάφους, για διάφορα βάθη εισχώρησης και διάφορες γεωμετρίες εκσκαφής, οι οποίες καθορίζονται και σχεδιάζονται με βάση τις ήδη δημοσιευμένες διεθνώς πειραματικές παρατηρήσεις. Αρχικώς προσδιορίζεται η επίπεδη εντατική κατάσταση αστοχίας του εδάφους, για τις διάφορες περιπτώσεις εκσκαφής, με χρήση του Γεωτεχνικού κώδικα του εμπορίου, Phase2. Στη συνέχεια οι τάσεις ολοκληρώνονται αριθμητικά, περιμετρικά της τοξοειδούς επιφάνειας επαφής αγωγού-εδάφους σε κάθε εκσκαφή, για την παραγωγή των κατακόρυφων δυνάμεων αντίδρασης του εδάφους στη διείσδυση του αγωγού. Τέλος, οι τιμές αυτές δυνάμεων εισάγονται ως συγκεντρωμένες φορτίσεις στο TDP, στο υφιστάμενο μη γραμμικό δυναμικό μοντέλο, το οποίο εν συνεχεία επιλύεται για διάφορες περιπτώσεις αρμονικών διεγέρσεων της κορυφής του riser, προκειμένου να ελεγχθεί η επίδραση της αντίδρασης του εδάφους στο TDP, στα διάφορα δυναμικά εντατικά μεγέθη που καταπονούν την κατασκευή. Το παραπάνω αναφερόμενο μη γραμμικό-δυναμικό μοντέλο έχει δημοσιευτεί στην εργασία του Αναπλ. Καθηγητή κ. Ι. Χατζηγεωργίου: "Three dimensional nonlinear dynamics of submerged, extensible catenary pipes conveying fluid and subjected to end-imposed excitations" [7]. Ο γεωτεχνικός κώδικας Phase2, της Rocscience, αποτελεί κτήμα του Εργαστηρίου Δομικής Μηχανικής και Στοιχείων Τεχνικών Εργων, της Σχολής Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών ΕΜΠ, το οποίο διευθύνει ο Καθηγητής κ. Μιχαήλ Σακελλαρίου, ο οποίος διέθεσε το συγκεκριμένο υλικό για την πραγματοποίηση των απαραίτητων υπολογισμών.

Ιn the present thesis, an effort has been made for quantification of the effect of soil reaction in the motion of a slender Steel Catenary Riser structure -used for the transport of hydrocarbons from offshore fields- and, sequentially, import of the defined values of soil reaction forces to a published nonlinear dynamic model of Finite Differences that identifies the dominating dynamic parameters of the induced motion of the Riser due to harmonic excitations applied on the top end of the structure (e.g. harmonic wave-induced movements of the floating platform which binds the riser, etc). Based on observations of the contemporary international research, such harmonic moves are, by definition, the major sources of fatigue damage, especially at the most vulnerable area "sagbend" (the area of the riser before the Touch Down Point / TDP - up to it) exhibiting the maximum curvature, and are the fundamental causes for trench formations created at the surface of the bottom due to consequent movements of the lower section of the riser, the bottom laying part. The determination of the soil reaction is static, assuming that the riser has completed the cycle of embedment in the soil, for various penetration depths and various excavation geometries, as well, based on previously published experimental observations. At first, the plain stress condition of the soil, for all cases of penetration depths and trench formations, is accomplished with the contribution of the Geotechnical, commercial software, Phase2. Then the stresses are integrated around the arched riser-soil contact surface for the production of vertical soil-reacting forces in the penetration of the riser, for each case of the examined trench formations, as well. Finally, these force-values are imported as concentrated loads applied at the TDP, in the existing nonlinear dynamic model, which is then solved for various cases of harmonic excitations applied on top of the riser, in order to test the effect of TDP soil reaction in the various dynamic parameters involved in fatigue damage. The non-linear dynamic model has been published on the work of Assoc. Prof. I. Chatjigeorgiou: "Three dimensional nonlinear dynamics of submerged, extensible catenary pipes conveying fluid and subjected to end-imposed excitations" [7]. The Geotechnical Code, Phase2, by Rocscience, is a property of the Laboratory of Structural Engineering and Elements of Structures, School of Rural and Surveying Engineering, NTUA, chaired by Professor Michael Sakellariou, who provided it for all necessary calculations.