تحقیق مقاله طرحی نوین در ساخت اسکله های شناور

مقدمه

اسکله ها تأسیساتی می باشند که به منظور پهلوگیری کشتی جهت انجام بارگیری یا تخلیه کالاها و یا به منظور سوار و پیاده نمودن مسافرین مورد استفاده قرار می‌گیرند انواع مختلفی از این نوع تأسیسات وجود دارد که برحسب نوع استفاده و مصالح مختلف طبقه بندی می شوند تأسیسات پهلو گیری علاوه بر ایجاد تکیه گاه برای پهلوگیری ممکن است برای مهاربندی کشتی ها تامین رابطه بین کشتی و خشکی و درنهایت به عنوان دیوار حائل نیز به کار روند. چنانچه سازه پهلوگیر همه وظایف اشاره شده در بالا را  دارا باشد آن را اصطلاحاً اسکله دیوار ساحلی (Quary wall) گویند و عمدتاً به صورت ثقلی طراحی می شود اگر علاوه بر نقش پهلوگیری به منظور مهاربندی و تأمین رابطه بین خشکی و کشتی مورد استفاده قرار گیرد آن را اسکله جدا از ساحل (wharf) می نامند و ممکن است از نوع ثقلی، شمع و عرشه و غیره باشد. ممکن است سازه فقط نقش مهاربندی را داشته باشد و درآن صورت یا به صورت شناور (عمدتاً برای کشتی های حمل نفت که در آبهای عمیق پلهو می گیرند (Mooring Buoy) و یاثابت می باشد که اصطلاحاً ستون مهاربند یا دولفین (Dolphin) به آنها اطلاق می شود.

اسکه شناور :

این نوع اسکله همانطور که از نام آن مشهود است به صورت شناور بوده و برای مناطقی که تغییرات جزر و مد درآنها زیاد است کارآیی مطلوبی دارد همچنین درصورتیکه عمق بستر درپای اسکله زیاد باشد و یا عرض رودخانه یا دریاچه یا محل استقرار اسکله تا ساحل زیاد باشد و ساخت پایه مقرون به صرفه نباشد و یا اینکه رودخانه یا دریاچه و یا دریا دارای بستر سست باشد استفاده از اسکله شناور اقتصادی است از مزایای دیگر این سیستم امکان انتقال آن از نقطه ای به نقطه  دیگر بندر و حتی از بندری به بندی دیگر می باشد طول رپی که ساحل را به اسکله شناور متصل می کند برحسب تغییرات سطح آب و نوع خودروی عبور کننده تعیین می شود و این موضوع بر هزینه اسکله اثر می گذارد از معایب این اسکله نوسان آن درحین تخلیه و بارگیری شناور می باشد لذا در بنادر تجاری مورد استفاده کمتر و در بنادر تفریحی ومسافرتی استفاده بیشتری دارد.

اسکله شناور که درقرن حاضر به عنوان رقبای اصلی اسکله های ثابت شناخته شده است درحقیقت ماحصل تلاش طراحان دررفع مشکلات موجود در کاربرد اسکله های ثابت می باشند. سرویس دهی مناسب درشرایط جز و مد امکان توسعه در بنادر با فضای محدود، مدت زمان کوتاهتر درساخت، تعمیر و توسعه و همچنین هزینه اجرایی کمتر در بسیاری شرایط از جمله عواملی بوده اند که کاربرد اسکله شناور را روز افزون نموده اند اکنون با وجود کیلومترها مرز آبی درایران و اهمیت حمل ونقل دریایی در رشد توسعه اقتصادی کشور و از سوی دیگر تجربیات عملی بسیار اندک در طراحی و ساخت این اسکله ها درکشورمان، مطالعه و تحقیق درطراحی و ساخت این اسکله ها بسیار حائز اهمیت است.

اجزاء اسکله های شناور :

1-بدنه اصلی :

بدنه اصلی اسکله های شناور از به هم متصل شدن قعطات شناوری که خود به یکی از اشکال پانتون تکی، پانتون دوقلو یا کاتاماران و قطعه نیمه مستغرق می باشد، تشکیل شده است. نحوه اتصال این قطعات شناور می تواند به صورت اتصال پانتون‌های بزرگ، اتصال پانتونهای کوچک با عرشه فردی یا اتصال پانتونت های کوچک با عرشه یکپارچه باشد.

2-پل دسترسی:

این سازه به منظور اتصال بدنه اصلی اسکله به ساحل احداث می‌شود و انواع گوناگونی دارد که مهمترین آنها پلهای مفصلی، پلهای شناور و پایه ای و گوه ای، پلهای متحرک و پلهای قائم بالا رونده می باشند.

3-سیستم مهاربندی :

مجموعه عناصری هستند که از یک سو تأمین کننده ایمنی لازم حین عملیات نقل وانتقال کالا بوده و از سوی دیگر اجازه حرکات قابل قبولی را نیز در جهات طولی وعرضی به اسکله می دهند. این عناصر خودبه گونه های مختلفی می باشند که مهمترین آنها عبارتند از :

سیستم مهاربندی فقط درون ساحلی

سیستم مهاربندی با کابلهای درون ساحلی و برون ساحلی

سیستم مهاربندی شامل دلفین های مهاری و سیستم مهاربندی شامل کابلهای زیر سطحی دو طرفه

4-سیستم ضربه گیر :

مجموعه عناصری هستند که انرژی ضربه حاصل از پهلوگیری کشتی را جذب می‌کنند.

عوامل مؤثر در طراحی اسکله های شناور :

انتخاب سیستم سازه ای اسکله صرفاً به وضعیت ژئوتکنیکی بستر منحصر نمی باشد بلکه عواملی چند در انتخاب سیستم سازه ای اسکله ها دخیل هستند که از آن جمله به عوامل زیر می توان اشاره کرد:

- نوع بهره برداری از اسکله (بارگذاری)

- وضعیت ژئوتکنیکی محل احداث اسکله 

- نوع مصالح موجود و قابل دسترس 

- تکنولوژی ساخت و نیروی متخصص 

- زمان اجرا 

- شرایط هیدرودینامیکی و با د جریان های دریایی 

- زلزله با توجه به عمر مفید سازه 

- هزینه اجرا و هزینه های نگهداری 

معیار طراحی و آنالیز اسکله شناور :

پس از نتیجه گیری از عوامل موثر درطرح سازه ای اسکله ها درصورت نیاز به اجرای اسکله شناور، به لحاظ شناور بودن روی آب باید معیارهای زیر در طراحی تأمین شوند:

- رانندگی راحت، تخلیه و بارگیری ایمنی در مدت شرایط طوفان های شدید

- ایمنی خوب درمدت طوفانهای شدید

- مقاومت در برابر بار امواج و عدم نفوذپذیری آب به داخل آنها

حرکات قطعات شناور و بارهای وارده بر سازه آنها نقش مهمی در کیفیت کاری آنها دارد و معمولاً حرکات بیش از حد شناور، مانع از انجام عملیات می گردد لذا در طراحی شناور ها حداقل حرکت ومیل به پابرجایی درحالت مدنظر بالا، فضای کافی برای تجهیزات و هزینه پایین فاکتورهای اساسی هستند.

طراحی اسکله شناور :

درطراحی اسکله های شناور ویا پل های شناور باید درنظر داشت که بارهای زنده و مرده توسط نیروی بویانسی آب تحمل می شود. در طراحی یک قطعه شناور (پل یا اسکله) از تئوری تیر برروی بستر الاستیک (Beam on Elastic Foundation) استفاده می شود. طراحی و اندرکنش سازه، موج انجام می شود مشابه آنچه در کشتی ها در اثر بار موج انجام می شود ماهیت این روش بر این فرض است که جریانی که ازیک مقطع عبور می کند درمقاطع دیگر پل و یا اسکله اثر ندارد با استفاده از تئوری نواری می توان اثر موج برسازه را در دامنه فرکانسی تحلیل نمود ماکزیمم پاسخ (خمش- برش- پیچش-تغییر مکان) را می توان با استفاده از اثر طیفی بدست آورد برای این منظور یک مدل اجزای محدودی از پل و یا اسکله می توان تهیه کرد و از حل آن طیف پاسخ حرکت اسکله را تعیین نمود.

بارگذاری اسکله های شناور:

1-بارهای موج و باد:

درمورد فعالیت های موج و باد پل یا اسکله شناورتحت اثر چهار بار زیر می باشد:

- بارهای جانبی دائمی موج و استاتیکی باد

- بارهای دینامیکی باد 

- بارهای موج درمرتبه اول برخورد

- بارهای موجی که به آهستگی درحال تغییر است

باراستاتیکی باد مرکب است از نیروهای بالا برنده و مقاوم در برابر حرکت آب و عامل لنگر و واژگونی روی مقطع عرضی، بار دینامیکی باد، جزئی از مؤلفه تغییر این نیروها و لنگرها می باشد.

بارهای جانبی موج یکنواخت از نتایج انعکاس موج هستند. مولفه دینامیکی فعالیت موج مرکب است از مرتبه اول بارهای موج، سپس بارهای موجی که به آهستگی درحال تغییر هستند. درمرحله دوم تأثیرات امواج قرار دارند که این امر نتیجه تلفیق امواج با فرکانس نزدیک می باشد. بارهای موجی که به آهستگی درحال تغییر هستند در فرکانس هایی که به اندازه کافی پائین هستند اتفاق می افتد تا اینکه نزدیک فرکانس طبیعی سازه شوند.

2-بارهای مرده :

2- بارهای مرده: شامل وزن بدنه اصلی اسکله و کلیه تاسیسات وتجهیزات ثابت روی آن

3- بارهای زنده: شامل وزن کلیه ماشین آلات متحرک بر اسکله، کالاها و افراد

4- بارهای محیطی: که خود به چند شکل می تواند بر اسکله اثر کند. مهمترین آنها باد، جریان و موج می باشند که نیروهای حاصل از باد و جریان غالباً‌ بصورت نیروهای وارده از کشتی بر بولاردهای اسکله در نظر گرفته می شود. حساسیت اسکله های شناور نسبت به موج ایجاب می کند که غالباً‌ آنها را در حوضچه های  حفاظت شده احداث نمایند.

5- نیروهای مهاری: این نیروها توسط خطوط مهار کشتی به پایه های ثابت روی اسکله (بولاردها) وارد می شوند و مقادیر آنها تابع وزن کشتی، باد و جریان است. در این تحقیق از جداول نیروی بولارد برای کشتی های با تناژ مختلف از مراجع ژاپنی استفاده شده است.

6- نیروهای حاصل از ضربه کشتی در پهلوگیری: این نیروها در هنگام پهلوگیری کشتی به فندرها وارد می شوند. برای محاسبه نیروها ابتدا انرژی وارده را از رابطه‌ی زیر محاسبه می کنند:

(1)

که در آن E کل انرژی ضربه ای، V­­­­n مولفه ی عمود بر اسکله ی سرعت کشتی، K ضرب خروج از مرکزیت، g شتاب گرانش، W1 وزن کشتی و W2 جرم افزوده که خود از رابطه زیر بدست می آید:

(2)

که در آن D آبخور کشتی و  طول کشتی و  وزن مخصوص آب می باشد. نهایتاً با استفاده از جداول طراحی فندرها که در این تحقیق جداول شرکت بریجستون می باشد می توان نیروهای وارده را بدست آورد.

انتخاب یک سیستم شناور به منظور مدل سازی

جنس اسکله از فولاد انتخاب می شود که این بدلیل سهولت ساخت و اجرای آن نسبت به انواع بتنی یا لاستیکی است. اجزاء تشکیل دهنده بدنه اصلی بدلیل ساخت آسانتر و پایداری بهتر، از پانتونهای ساده انتخاب می شوند. ارزیابی مدلهای مختلف بهم بستن این قطعات شناور بهم نشان می دهد که سری پانتونهای بزرگ بهم مفصل شده با توجه به اینکه بدنه اصلی خود شامل عرضه نیز است از نظر اقتصادی و هزینه ساخت بهینه تر می باشند. از سویی در مواقع آسیب دیدگی نیز، تعویض قطعه معیوب به راحتی صورت گرفته و اسکله را از سرویس دهی مختل نمی‌کند. سیستم مهاربندی انتخاب شده، مدل دولفین های مهاری می باشد. اسکله به کمک شمعهایی که در یک طرف پانتون یا در چهارگوشه آن نصب می شوند مهار می گردد. این روش مهاربندی بدلیل عدم نیاز به تکنولوژی پیچیده و مصالح قابل دسترس در ایران کاربرد بیشتری دارد و معمولاً‌ شمع کوبی در یک طرف پانتونها هم از نظر سهولت اجرایی و هم سهولت تعمیرات در مواقع آسیب دیدگی بر شمع کوبی در چهار گوشه ترجیح داده می‌شود. در یان روش معمولاً پانتونها توسط اتصالات طوقه ای شکل به شمع ها وصل می گردند.

تیپ بندی اسکله های شناور

با توجه به اینکه اسکله های شناور برای طیف وسیعی از شناورها کاربرده دارند، سه تیپ خاص از آنها به منظور ارزیابی رفتار انتخاب شده و بارگذاری لازم نیز برهمین اساس صورت گرفته است.

اسکله مسافری

برای سرویس دهی به کشتی های با حداکثر تناژ 500 تن با عر ض پیشنهادی 3،4،5 متر بدون عبور ماشین آلات بر عرشه آن.

اسکله باربری سبک

برای سرویس دهی کشتی های با حداکثر تناژ 500 تن با عرض پیشنهادی 5،6،7 متر که اجازه عبور وانت بر آن داده می شود.

اسکله باربری نیمه سنگین

برای سرویس دهی به کشتی های با حداکثر تناژ 15000 تن با عرض پیشنهادی 6،7،8 متر که مجهز به یک جرثقیل متحرک 5 تن بوده و اجازه عبور کامیون 10 تن بر آن داده می شود.

بارهای تعریف شده:

براساس مطالب گفته شده نیروی بلارد و ضربه پلهو گیری بدست می آیند. بارهای مرده برابر 500 کیلوگرم بر متر مربع و بارهای زنده بسته به نوع اسکله به ترتیب 150، 500،1000 کیلوگرم بر متر مربع در نظر گرفته شده است. اثرات جریان و باد نیز در نیروی بولارد لحاظ شده است.

انتخاب مدول های مناسب

با توجه به ملاحظات اجرایی در ساخت پانتونها از ورق های فولادی، طول پانتونها مضارب 3 در نظر گرفته شده و بطول های 9،12،15،18،21،24،27،30،45،60 متری در نظر گرفته شده است. بدین ترتیب با فرض نیاز به حداقل 3 پانتون به منظور رفتار سنجی، طول اسکله براساس طویل‌ترین پانتون بکار رفته حدود 180 متر خواهد بود.

جانمایی شمع های مهاری:

در این تحقیق ظرفیت باربری شمعها و بررسی نیاز به استفاده از شمع یا گروه شمع در رفتار سنجی نقشی نداشته و فقط محل قرارگیری آنها در هر پانتون مهم می باشد. برای این منظور کافیست هر پانتون را بصورت یک تیر با حداقل دو تکیه گاه غلطکی فاصله دار از دو سر آزاد (Overhang) فرض کنیم که فاصله ی دو تکیه گاه ابتدا و انتهایی براساس ماکزیمم لنگر قابل تحمل بدنه پانتون ها که قبلاً از ساختار سازه ای آنها و نیروی عرضی وارده بر فندرها تعیین می گردند، بدست می آید و در هیچ حال با توجه به ملاحظات اجرایی از 5/1 متر کمتر فرض نمی گردد. سپس تیر تحت بارهای عرضی وارده تحلیل می گردد و لنگر ماکزیمم درون دهانه آن بدست می آید که در صورت بزرگتر بودن از لنگر قابل تحمل لازم است تعداد شمع ها بصورت متقارن اضافه گردد. بعنوان مثال در اسکله تیپ اول برای عرض 3 متر و پانتونهای 21 متری، دو تکیه گاه با فاصله 5/3 متر از سر آزاد (14متر فاصله خالص بین دو شمع ) لازم خواهد شد.

اتصالات

اتصالات بین پانتونها در مدل مورد بحث این تحقیق غالباً به دو شکل می باشند. کلید برشی بصورت کام و زبانه ی استوانه ای که عملاً‌ امکان تغییر مکان را به صورت لولایی امکان پذیر می سازد و در دو محور عرضی و ارتفاعی جابجایی ندارد و دیگری مفصل ارتباطی که دو پانتون توسط رابط های مفصلی که از نظر اجرایی در نصب و تعمیر مناسب تراند به هم متصل می شوند. در هر دو مدل حداقل یک فاصله ی Cm30 بین دو پانتون ایجاد می شود که توسط ورقهای فولادی برای سهولت در تردد پوشیده خواهند شد.