پارامترهای مورد نیاز جهت انتخاب فندر مناسب برای اسکله ها متناسب با نوع شناورها جهت پهلوگیری

نویسندگان : مصطفی طبسی، کاظم دژانگاه، مهدی سیفی مرادی- پذیرفته شده در بیستمین همایش صنایع دریایی-آذر 97

چکيده

نقش غیر قابل انکار صنعت حمل و نقل دریایی در جابجایی کالا و مسافر بر کسی پوشیده نیست. امروزه با توجه به افزایش ابعاد  و ظرفیت کشتی ها و همچنین لزوم پهلوگیري شناورها در اسکله ها ، نیاز به سیستم فندر  با ظرفیت جذب انرژي مناسب به طرز چشمگیري در اسکله هاي بنادر مشاهده می گردد.

اسکله ها، به عنوان یکی از مهمترین سازه های دریایی، می بایست پهلودهی به کشتی ها را به صورت ایمن تامین نمایند. فندرها یکی از مهمترین اجزای اسکله ها هستند که در زمان پهلوگیری شناورها، با جذب بارهای ضربه ای و جلوگیری از تماس مستقیم کشتی با اسکله، با تغییر شکل خود، فرآیندی ایمن را برای کشتی و اسکله فراهم می کنند.

در این مقاله برخورد  شناور یدک کش رشید 1 با اسکله شماره 1 در بندر امام خمینی (ره) شبیه سازی شده است. اسکله شماره 1 و شناور یدک کش رشید 1 به طور همزمان شبیه سازی شده اند. شناور به صورت جرم متمرکز متصل به یک فنر غیر خطی مدل شده است. یک فنر غیرخطی دیگر، فرورفتگی در بدنه عضو مورد تصادم را مدل می کند. شناور و اسکله مورد تصادم را با استفاده از نرم افزار ANSYS 5.4 اجرا محدود، مدل کرده و با انجام تحلیل دینامیکی و بررسی پدیده برخورد شناور با اسکله پرداخته شده است.

نتایج این تحقیق نشان می دهد؛ که عوامل اثر گذار در میـزان انـرژي وارده بـه فنـدر هـا عبارتنـد از وزن کشـتی، سـرعت پهلـوگیري، ضـریب جــرم، ضریب گریز از مرکز، ضریب ساختار پهلو، ضریب نرمی است که در بین این عوامل، سرعت پهلوگیری مهمترین عامل تأثیرگذار بر انرژی وارده فندر می باشد.

کلمات کليدی: اسکله، ضربه گیر، شناور کانتینربر، فندر محافظ سطحی، فندر جذب کننده انرژی

مقدمه

ضربه گیرها یا فندرها در سازه های دریایی، لایه میانی مورد نیاز بین شناور پهلو گیرنده و سازه اسکله را بوجود می آورند. بنابراین عملکرد اصلی فندر تبدیل ضربه و انرژی ناشی از پهلوگیری شناور به عکس العمل های قابل تحمل شناور و سازه اسکله می باشد. طراحی مناسب سیستم فندر باید به گونه ای باشد که شناور پهلو گیرنده به آرامی متوقف شده و پهلوگیری بدون ایجاد صدمه به شناور و اسکله همراه باشد. هنگامیکه شناور در اسکله پهلو گرفته است، سیستم فندر باید توانایی و ظرفیت کافی جهت حفاظت شناور و اسکله در برابر نیروها و حرکت های ناشی از وزش باد، امواج، جریان آب، تغییرات جزر و مدی و تخلیه و بارگیری کالاها را داشته باشد. طراحی سیستم فندر باید به گونه ای باشد که بارهای ناشی از حوادث را بدون وارد آمدن خسارت به اسکله و شناور، تحمل نماید.

در گذشته طراحی اسکله و سیستم فندر بدین صورت بوده است که طراحی اسکله در ابتدا به تنهایی و به طور مستقل صورت می گرفت و سپس انتخاب فندر و نوع آن براساس ضوابط ایمنی مورد نیاز برای اسکله و شناور انجام می شد. در این روش طراحی، اغلب خرابیها و آسیب ها در سازه اسکله و سیستم فندر به وجود می آمد و آسیب های به وجود آمده در شناور محدودتر بود.

روش صحیح امروزی، طراحی سیستم فندر و اسکله به طور همزمان و وابسته به یکدیگر می باشد. انتخاب فندرها باید براساس ابعاد شناورها و حداکثر انرژی ضربه آنها، انجام شود. بعد از تعیین مشخصات و ابعاد فندر، می توان طراحی سازه اسکله را نهایی نمود.

ضوابط سیستم فندر

برای مسائل مربوط به سیستم فندر، راه حل ساده و منحصر به فردی وجود ندارد. انواع مختلف اسکله ها، دارای نیازهای متفاوتی هستند. عواملی که بر انتخاب نوع فندر مؤثر می باشند به شرح زیر است:

• ابعاد شناور
• روش های مانور و حرکت شناور
• محل احداث اسکله
• تغییرات جذر و مدی
• عمق آب
• و ......

سیستم فندر مورد نیاز برای شناوری که در اسکله ای احداث شده در بخش محافظت نشده واقع است با سیستم فندر مورد نیاز برای اسکله واقع در بخش محافظت شده کاملاً متفاوت است.

به طور کلی اسکله بسته (صلب) نسبت به اسکله باز دارای مقاومت بیشتری در برابر بارهای جانبی است. به عبارت دیگر با افزایش انعطاف پذیری سازه، حساسی سازه نسبت به ضربه جانبی بیشتر می شود. برای مثال، اسکله بلوکی نسبت به اسکله باز شمع و عرشه، در برابر بارهای جانبی دارای ضعف و حساسیت کمتری است. بنابراین در اسکله های با انعطاف بیشتر، عملکرد فندر دارای اهمیت بیشتری می باشد.

درهنگام طراحی سیستم فندر، اهداف عملکردی و بهره برداری از اسکله باید مدنظر قرار بگیرد. اسکله های باکاربرد خاص، نظیر اسکله های نفتی، نیاز به در نظر گرفتن تمهیدات خاص می باشند. لیکن در برخی موارد که اسکله دارای کاربری چند منظوره است و شناورهایی با ظرفیت ها و ابعاد متفاوت در اسکله پهلوگیری می کنند، طراحی و انتخاب سیستم فندر بسیار مشکل و طراحی فندر نیاز به لحاظ کردن جزئیات خاص و شرایط ویژه می باشد. درصورتیکه محل احداث اسکله بگونه ای باشد که شرایط مانور شناورها مشکل و یا تغییرات جذر و مد زیاد باشد، انتخاب و طراحی سیستم فندر، پیچیده تر می گردد.

انواع فندرهایی که در اسکله ها، برای شناورهای کالاهای عمومی مورد استفاده قرار می گیرند، برای شناورهای کانتینربر مناسب نمی باشد.

باتوجه به سطح تماس بسیار کوچک بین سیستم فندر و بدنه شناور کانتینربر، نیروی متمرکز زیادی به اسکله و سیستم فندر وارد می شود. برای رفع این مورد باید شکل فندرهای مورد نیاز در اسکله های کانتینربر اصلاح شود. که برای این مورد شکل فندرهای مورد نیاز در اسکله های کانتینربر باید اصلاح شوند.

باید مقدار حداقلی را در فاصله افقی بین امتداد لبه اسکله و امتداد لبه فندر رعایت نمود. رعایت این فاصله باتوجه به عواملی نظیر عملکرد صحیح جرثقیل دروازه ای تخلیه و بارگیری کانتینرها لازم است.

فندرهای محافظ سطحی و فندرهای جذب کننده انرژی

وظیفه اصلی فندر که بین شناور پهلوگیرنده و اسکله قرار می گیرد، جذب انرژی یا ضربه پهلوگیری و تبدیل آن به نیروی قابل تحمل سازه اسکله می باشد.

باتوجه به تفاوتهای عمده در انواع اسکله ها، نیازهای متفاوتی در طراحی و انتخاب فندرها وجود دارد. اسکله های بسته (صلب) توانایی تحمل نیروهای افقی بزرگی را در مقایسه با اسکله های باز دارند در نتیجه قابلیت جذب انرژی توسط فندرها و اعمال نیرو به اسکله های باز دارای حساسیت بیشتری می باشد. در هنگام پهلوگیری شناور به اسکله، انرژی جنبشی ناشی از حرکت شناور، باید توسط سیستم فندر جذب شده و تبدیل به نیروی افقی قابل تحمل توسط اسکله شود. بنابراین درطراحی سیستم فندر، ابتدا میزان انرژی مورد جذب (Ef) محاسبه و سپس براساس آن، نیروی عکس العمل وارد برسازه (P) تعیین می گردد. بر این اساس ضریب فندر در طراحی فندر تعریف می گردد. ضریب فندر، نسبت بین نیروی عکس العمل و جذب انرژی توسط فندر می باشد. 

براین اساس فندرها، معمولاً به دو گروه تقسیم بندی می شوند:

الف) فندرهای محافظ سطحی

ب) فندرهای جذب کننده انرژی

الف) فندرهای محافظ سطحی

در این فندرها به ازای انرژی واحد که باید جذب شوند، نیروی عکس العکل بزرگی به اسکله وارد می شود. به عبارت دیگر ضریب فندر (P\Ef) در این فندرها، بزرگ است.

ب) فندرهای جذب کننده انرژی

در این فندرها به ازای انرژی واحد که باید جذب شوند، نیروی عکس العکل کوچکی به اسکله وارد می شود. به عبارت دیگر ضریب فندر (P\Ef) در این فندرها، کوچک است.

از دیدگاه عملکردی، عکس العمل کم و جذب انرژی زیاد و ثابت ماندن عکس العمل وارد بر سازه با افزایش میزان تغییر شکل فندر، مزیت عمده ای محسوب می شود، لیکن برای محدوده بزرگی از شناورها که از شناور طرح کوچکتر می باشند فندرها می توانند سخت و صلب باشند.

در تعیین نیروی عکس العمل فندر (P) و درنهایت انتخاب نوع فندر، 2 عامل اصلی وجود دارد:

الف) نیروی افقی قابل تحمل توسط اسکله

ب) حداکثر فشار قابل تحمل توسط بدنه شناور

فندرها را می توان به سه دسته؛ فندر سخت یا تیپ 1، فندر متوسط یا تیپ 2 و فندر نرم یا تیپ 3 تقسیم کرد.

در فندر تیپ 1، تقریباً در هر پهلوگیری، حتی در شناورهای کوچکتر از شناور طرح، میزان نیروی عکس العمل، حداکثر است. از دیدگاه جذب انرژی فندر تیپ 1، دارای بالاترین عملکرد می باشد، لیکن در صورتیکه محدوده شناورهایی که در اسکله پهلوگیری خواهند نمود بزرگ باشند، استفاده از این فندرها توصیه نمی شود.

شمع های انعطاف پذیر یا فندرهای تیپ 2، در شرایطی قابل استفاده می باشند که شرایط ژئوتکنیکی بستر دریا مناسب باشد. این شمع ها دارای عملکرد ترکیبی هستند، بدین صورت که علاوه بر هملکرد ضربه گیری به عنوان سازه پهلوگیر نیز می باشند.

فندرهای تیپ 3 یا فندرهای نرم در محل هایی که نیاز به جذب انرژی زیاد نباشد، بسیار متداول می باشد.

پس از اینکه میزان انرژی مورد نیاز برای پهلو گیری تخمین زده شد، مقدار عکس العمل وارد به سازه، با استفاده از منحنی های ارایه شده تعیین می شود. به دلایل زیر در سیستم فندر، می تواند تغییر شکل غیر یکنواخت ایجاد گردد:

الف) زاویه انحراف بین شناور و امتداد اسکله

ب) قوس افقی موجود در سینه شناور که با سیستم فندر تمای پیدا می کند

پ) زاویه قائم بدنه شناور

با بررسی قوس موجود در بدنه شناورها، مشاهده می شود که زوایای برخورد و نقاط برخورد شناور به سیستم فندر باتوجه زاویه پهلوگیری و موقعیت قائم فندر نسبت به شناور بسیار متغیر می باشند.

باتوجه به موارد فوق در طراحی باید مقدار حداکثر زاویه پهلوگیری شناور به اسکله را مشخص نمود. در اغلب شناورهای موجود، بدنه شناور در محل تماس با فندر، تقریباً قائم می باشد، لیکن در شناورهای پیشرفته، نظیر شناورهای نسل سوم یا شناورهای کانتینربر بزرگ، بدنه شناور در محل تماس با فندر، دارای زائیه است. در مل تماس بدنه شناور با فندر، زاویه بدنه شناور دارای نقادیر متفاوتی برای شناورها مختلف می باشد.

انتخاب نوع فندر بر سیستم سازه و زیرسازه، تأثیرگذار است. در صورتیکه قابلیت جذب انرژی فندر زیاد باشد، میزان نیروی وارد به سازه اسکله کاهش یابد، به عبارت دیگر با استفاده از فندرگران قیمت تر، میزان نیروهای وارد بر اسکله و در نتیجه، هزینه های اجرایی سازه کاهش می یابد. این موضوع علاوه بر اینکه در طراحی اسکله های جدید مناسب است، می تواند برای افزایش ظرفیت در اسکه های موجود، مورد استفاده قرار گیرد.

انواع فندر

فندرهای لاستیکی در حال حاضر بیشترین کاربرد را دارند لذا در این بخش به معرفی آنها پرداخته می شود.

ساخت فندرهای لاستیکی از سال 1930 شروع شده است و عملکرد این فندرها برای جذب انرژی برخرود شناور با اسکله و همچنین مقاومت در برابر خوردگی و آب های آلوده به اثبات رسیده است. هزینه ساخت و نگهداری این فندرها، نسبت به سایر فندرها کمتر می باشد. براساس عملکرد مورد نیاز، فندرهای لاستیکی در ابعاد و شکل های متفاوت و مختلف ساخته می شوند. فندرها به 2 دسته کلی تقسیم بندی می شوند:

الف) فندرهایی که بطور ثابت بر روی اسکله نصب می شوند. فندرهای ثابت به دو دسته کلی، فندرهای کمانشی (فندرهای سلولی، V شکل و ...) و فندرهای غیر کمانشی (فندرهای استوانه ای) تقسیم می شوند.

ب) فندرهای شناور که بین اسکله و شناور قرار می گیرند. فندرهای شناور به دودسته کلی، فندرهای بادی و فندرهای فومی[2] تقسیم می شوند.

نصب فندر

سیستم نصب فندر باید ساده و قوی باشد و در آن باید فقط از یک نوع فلز به منظور جلوگیری از خوردگی الکتروشیمیایی استفاده شود. شایان ذکر است برای نصب فندر نباید از آرماتورهای موجود در بتن استفاده شود بویژه در صورتیکه در سازه اصلی از روش حفاظت کاتدیک برای بتن استفاده نشده باشد.

متداول ترین سیستم در اسکله های سراسر جهان، استفاده از لاستیک های مستعمل خودروها می باشد.

عمر طراحی

باوجود اینکه سازندگان فندر، عمر طراحی فندرهای تولیدی را در حدود 20 تا 30 سال عنوان می کنند، لیکن عمر واقعی فندر به عواملی نظیر نوع شناور پهلو گیرنده در اسکله، تعداد و توزیع میزان شناورهای پهلوگیرنده، اثرات شرایط دما (از جمله دما، میزان ازن، میزان تابش آفتاب و ....) آلودگی ها و نمک های محلول در آب دریا، جانوران دریایی و ...... وابسته است.

بیتشر خرابی های گزارش شده در فندرها، در اثر انتخاب نامناسب ابعاد، عملیات مانور نامناسب و سرعت بالای پهلوگیری شناورها بوده است، به همین دلیل در طراحی فندر باید ضریب اطمینان بالایی در نظر گرفته شود.

تولید کنندگان فندر عمر مفید طراحی فندرهای مورد استفاده برای شناورهای کالاهای عمومی با انواع مختلف این شناورها در حدود 5 تا 15 سال در نظر می گیرند. برای شناورهای خاص نظیر اسکله های شناورهای نفتی عمر فندر در حدود 10 تا 20 سال است.

فاصله فندرها

فاصله فندرها که به نوع سازه اسکله، نوع شناور پهلو گیرنده و ضوابط و نیازهای اسکله وابسته می باشد، از اسکله ای به اسکله دیگر متغیر است. در شناورهایی که در پهلوگیری از یدک کش استفاده نمی کنند، در بیشتر موارد فاصله فندرها براساس ابعاد و شعاع بدنه کوچکترین شناور پهلوگیرنده به اسکله تعیین می شود.. فاصله فندرها به ارتفاع فندرها و میزان فشردگی آنها در هنگام پهلوگیری نیز وابسته است.

به عنوان توصیه کلی، فاصله فندرها برای شناورهای کوچکتر از 20000DWT به میزان تقریبی 5 تا 10 درصد طول شناور و برای شناورهای بزرگتر این فاصله در حدود 25 درصد طول شناور است. درصورت استفاده از یدک کش برای پهلودهی، آن را می توان به 50 درصد طول شناور افزایش داد.

روش تحقیق

سازه های دریایی به هنگام نصب و طی مدت بهره برداری در معرض خطر برخورد با شناورهای تدارکاتی قرار دارند لذا بررسی و تحلیل برخورد کشتی با اسکله ها الزامی است . در برخورد با سرعت پایین انرژی جنبشی عمدتا به صورت ارتعاش الاستیك سازه مورد تصادم جذب می شود لیکن در تصادمات شدید ، انرژی جذب شده بر اثر ارتعاش الاستیك کافی نیست . در این حالت انرژی وارده می تواند به صورت تغییر شکل های خمیری در اعضای کشتی و سازه مورد تصادم و فندر جذب شود .

در این مقاله برخورد شناور یدک کش رشید 1 با اسکله شماره 1 در بندر امام خمینی (ره) شبیه سازی شده است. اسکله شماره 1 و شناور یدک کش رشید 1 به طور همزمان شبیه سازی شده اند. شناور به صورت جرم متمرکز متصل به یک فنر غیر خطی مدل شده است. یک فنر غیرخطی دیگر، فرورفتگی در بدنه عضو مورد تصادم را مدل می کند.  شناور و اسکله مورد تصادم را با استفاده از نرم افزار ANSYS 5.4 اجزا محدود، مدل کرده و با انجام تحلیل دینامیکی و بررسی پدیده برخورد شناور با اسکله پرداخته شده است.

شناور رشید 1 یکی از یدک کش های واقع در بندر امام خمینی(ره)  می باشد. که با استفاده از المان PIPE 20 نرم افزار ANSYS 5.4 مدل شده است. المان PIPE 20، یک المان دو گرهی سه بعدی است که در هر انتها شش درجه آزادی، شامل سه درجه آزادی انتقال و سه درجه آزادی دورانی دارد. از قابلیتهای این المان، مدل کردن رفتار غیر خطی مصالح و غیرخطی هندسی با امکان تغییر شکل های بزرگ است.

نتيجه‌گيری و جمع‌بندي

درطرح یک سیستم ضربه گیر پیش از هرچیـز پیشـینه ي ضربه گیرهاي بکارگرفته شـده در گذشـته بمنظـور کنتـرل هزینه هاي طرح، نصـب، راه انـدازي و نگهـداري از اهمیـت بسزایی برخوردار است.

نتایج این تحقیق نشان می دهد که عوامل اثرگذار  در میـزان انـرژي وارده بـه فنـدر هـا عبارتنـد از وزن کشـتی، سـرعت پهلـوگیري، ضـریب جــرم، ضریب گریز از مرکز، ضریب ساختار پهلو، ضریب نرمی که در بین این عوامل، سرعت پهلوگیری مهمترین عامل تأثیرگذار بر انرژی وارده فندر می باشد.

دیگر نتایج تحقیق دلالت بر این می کند که گنجایش وزنی بار مرده داراي رابطـه اي مسـتقیم بـا میزان انرژي که یک کشتی در لحظه ي پهلوگیري به فنـدر وارد خواهد نمود، دارد.

مراجع

[1] British Standard BS 6349 (1994) Part 4, Code Of Practice For Design Of Fendering And Mooring System. London: BSI.

[2] EAU (1996) Empfehlungen des Arbeitsausschusses fur Ufereinfassungen (recommendation of the Committee for Waterfront structures, Harbors and Waterways, 7th English version).

[3] International Navigation Association, PIANC (2002) Guidelines for the Design of Fenders Systems 2002, Report of Working Group 33.

[4] Ministerial de obras public as Y Transports (1990) ROM Recommendations Para Obras Maritimes (Maritime   Works recommendations, Actions in the Design of Maritime and harbor Works ROM 0.2-90. English Version), Madrid.

[5] کتاب مهندسی سواحل, بنادر و سازه‌های دریایی تألیف آقای کبیرصادقی؛ انتشارات تهران