Επίδραση του πυθμένα στην πλευρική-"out-of-plane" δυναμική συμπεριφορά θαλάσσιων risers

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε για να μπορεί να κατανοηθεί η επίδραση που έχει η αντίδραση του εδάφους του πυθμένα στην πλευρική ("out-of-plane") δυναμική συμπεριφορά θαλάσσιων riser (Steel Catenary Riser – χαλύβδινοι αλυσοειδής αγωγοί) κάνοντας χρήση μαθηματικών μοντέλων αλλά και κάνοντας χρήση μη γραμμικού δυναμικού μοντέλου Πεπερασμένων Διαφορών. Οι αγωγοί αυτοί μεταφέρουν υδρογονάνθρακες από υποθαλάσσια κοιτάσματα σε πλωτές θαλάσσιες κατασκευές. Σε όλο το μήκος της αλυσοειδούς κατασκευής παρατηρούνται καταπονήσεις λόγω των αρμονικών διεγέρσεων που προκαλούνται από τις ίδιες τις κινήσεις της πλωτής κατασκευής. Οι κινήσεις αυτές είναι που δημιουργούν τις δυο εστίες καταπόνησης της αλυσοειδούς κατασκευής, το Touch-down Point ( το σημείο επαφής με το πυθμένα πριν την ανύψωση του αγωγού στην πλωτή κατασκευή) και το κορυφαίο άκρο του που προσδένεται στην πλωτή κατασκευή. Στην εργασία αυτή θα μιλήσουμε μόνο για την αντίδραση που προκαλείται στο Touch-down Point που είναι και το σημείο με την μεγαλύτερη καμπυλότητα της αλυσοειδούς κατασκευής αλλά και το σημείο όπου ξεκινά η διάνοιξη εκσκαφής στην επιφάνεια του πυθμένα λόγω των κατακόρυφων αλλά και των οριζόντιων δυνάμεων που ασκούνται σε αυτό. Μόλις η διάνοιξη ολοκληρωθεί και η αλυσοειδής έχει εισέλθει πλήρως στην τάφρο που έχει δημιουργηθεί, θα προσπαθήσουμε να μελετήσουμε τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτή. Στην κατασκευή μας ασκούνται δυνάμεις και στις δυο κατευθύνσεις. Κατακόρυφα λόγω του ιδίου βάρους αλλά και τις άντωσης που προσπαθεί να σηκώσει των αγωγό αλλά και οριζόντιες λόγω των ρευμάτων στον πυθμένα της θάλασσας. Η αντίδραση του εδάφους ενεργεί σαν συνισταμένη των δυνάμεων και είναι κάθετη στο αγωγό. Προσδιορίζεται στατικά, θεωρώντας στιγμιαία ότι ο κύκλος εισχώρησης της αλυσοειδούς κατασκευής εντός του πυθμένα έχει ολοκληρωθεί. Θα μελετηθούν διάφορες διατομές τάφρων με τις μεταβολές να πραγματοποιούνται τόσο στο μήκος όσο και στο βάθος τους, διατηρώντας πάντα την ίδια διάμετρο για την αλυσοειδή κατασκευή. 14 Κάνοντας χρήση του λογισμικού προγράμματος Phase2, θα υπολογίσουμε την επίπεδη εντατική κατάσταση αστοχίας του εδάφους για τις διάφορες περιπτώσεις εκσκαφής. Μελετάμε τις τάσεις και στις δύο διευθύνσεις, και μετά τις ολοκληρώνουμε αριθμητικά για την τοξοειδή επιφάνεια στο σημείο επαφής μεταξύ του αγωγού και της τάφρου που έχει δημιουργηθεί από την κίνηση του πρώτου μέσα στο δεύτερο παράγοντας έτσι την κατακόρυφη δύναμη αντίδρασης του εδάφους. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλε τις διατομές που έχουμε θεωρήσει. Μόλις συλλέξουμε τις τιμές αυτές , τις εισάγουμε στο μη γραμμικό δυναμικό μοντέλο, το οποίο στην συνέχεια επιλύεται για διάφορες περιπτώσεις αρμονικών διεγέρσεων της κορυφής της αλυσοειδούς κατασκευής εξάγοντας τα διάφορα εντατικά μεγέθη προκειμένου να ελεγχθεί η επίδραση της αντίδρασης του εδάφους στο Touchdown Point.

In the present study we will examine the effects of soil reaction in the out of plane displacement of a slender Steel Catenary Riser using an appropriate formulation and an existing non-linear model based on Finite Differences . These scheme risers transport hydrocarbons from underwater deposit to offshore structures. The entire catenary riser is subjected to high tension forces and bending moments that may lead to fatigue damage due to excitations induced by underwater sea currents and the displacements of the offshore structure. These motions induce high strain effects on the seabed at the Touch down Zone ( this is the area where the riser interacts with the seabed) and the highest end of the riser where it buckles with the offshore structure. In this paper we will concentrate on the reaction at the Touch down Point where the longest curvature occurs and the formations of trenches start taking place due to the horizontal and the vertical forces which are applied on the riser. We will try to examine the force that impacts the riser once the trench is excavated of the sectional area and the riser is performing motions submerged. Quasi static forces act on the riser in both directions. Vertically due to its own weight and horizontally due to the sea current at the seabed level. The soil reaction is the outcome of the interference between the soil and the moving riser inside the excavated trench. Provided that the structure has embedded sufficiently deep into the soil, the obvious direction of the soil reaction is the vertical. However, in the scope of the present thesis we investigated the possibility that the riser is coming into contact with the vertical walls of the trench inducing thus horizontal reaction by the soil. A number of different trench intersections are studied varying in diameter and in depth. The plain stress conditions for the different trenches formations were calculated using Phase2 geotechnical commercial software. 16 The stresses are integrated around the arched riser-soil interaction area for the development of the impact of the soil reaction force in dynamic penetration of the riser, again for each trench formation Finally , these values of the forces are entered in the non-linear dynamic model as concentrated loads applied at the Touch down Point and solved for different types of harmonic excitations in order to examine the soil reaction force in the Touchdown Point.