ارزيابي قابليت اطمينان سكوهاي جك‌آپ تحت بارگذاري شديد محيطي بر پايه روش المان محدود

Finite element based Reliability assessment of jack up rigs under extreme environmental loading

در اين تحقيق از رهيافت مبتني بر تحليل المان‌محدود، براي محاسبه قابليت‌اطمينان مستقل از زمان سازه فراساحلي جك‌آپ، تحت شرايط بارگذاري واقعي استفاده شد. براي اين منظور، بارهاي وارد بر سازه ناشي از نيروي باد، موج، جريان‌هاي داخلي و زمين‌لرزه، به‌عنوان منابع عدم اطمينان لحاظ شدند. سپس، با بررسي نحوه پراكندگي منابع عدم اطمينان، ارتفاع و طول موج، سرعت باد و همچنين سرعت جريان‌هاي داخلي، به‌عنوان متغيرهاي تصادفي با توزيع نرمال، و ساير پارامترها مؤثر به‌صورت متغيرهاي قطعي لحاظ شدند. به‌طور خاص، براي تخمين توزيع احتمال بارهاي ناشي از نيروي موج، از يك كد عددي مبتني بر فرمول ماريسون و قاعده انتشار خطا استفاده شد. در ادامه، به‌منظور تخمين احتمالاتي پاسخ سازه به بارهاي اعمالي، از تحليل المان محدود مبتني بر تكنيك شش برابر انحراف استاندارد استفاده شد. در اين رهيافت، از روش نمونه‌برداري مركب مركزي براي ايجاد رويه پاسخ مناسب، و از روش نمونه‌برداري ابرمكعب لاتين براي تعيين توزيع احتمال نيروهاي داخلي در اعضاي مختلف جك‌آپ استفاده شد. سپس، با در نظر گرفتن مقاومت استاتيكي سازه به‌عنوان تابع حالت حدي، قابليت اطمينان هر يك اجزا با استفاده از سه رهيافت قابليت اطمينان مرتبه اول، قابليت اطمينان مرتبه دوم و شبيه‌سازي مونت‌كارلو محاسبه و نتايج مورد مقايسه قرار گرفت. درنهايت از تكنيك شاخه و حد براي تشخيص مسيرهاي شكست كل سازه و تخمين قابليت اطمينان كل سيستم استفاده شد.

This paper is concerned with a new approach for jack-up time-independent finite element (FE) based reliability calculation under extreme environmental loading. To this end, extreme condition of the wind, wave, seismic and current loads have been considered as uncertainty sources. Then, by investigating the scatter of uncertainty sources, height and wave length, wind speed and the current velocity is selected as random variables with normal distribution, and the other influencing parameters as deterministic. To compute probabilistic nature of the external loads applied to the structural members, a MATLAB code was developed utilizing Morison formula and uncertainty propagation schemes. Next. To determine the statistical characteristics of internal loads in each member, FE analysis is performed in ANSYS software using six sigma schemes with Central Composite Design (CCD) as design of experiment and Latin Hyper Cube (LHC) as sampling algorithm in six sigma. The limit state functions (LSF) is determined based on yielding and buckling for members in tension and compression respectively. To calculate the component reliability of critical members, the results of six sigma analysis and LSF are introduced to First Order Reliability Method (FORM), Second Order Reliability Method (SORM), and Monte-Carlo Simulation (MSC) method and the obtained results were compared. Finally, the paths leading to complete failure of the structure are identified using the statistical branch and bound method and the system reliability is calculated by serializing cut sets with maximum probability of failure.