The Sinking of Offshore Concrete Gravity Base - Sleipner Alpha 3/3

การวิบัติของโครงสร้างนอกชายฝั่งแบบคอนกรีตถ่วงน้ำหนัก Sleipner Alpha 3/3

K.KUROJJANAWONG

Link ตอนที่ 1/3 - http://blog.gooshared.com/view/166

Link ตอนที่ 2/3 - http://blog.gooshared.com/view/167

Link ตอนที่ 3/3 - http://blog.gooshared.com/view/168

Link รวมทุกตอน - https://kkurojjanawong.wordpress.com/2015/02/22/sleipnera/

Flawed FEM Analysis

Tricell-Joints ถูกนำมาวิเคราะห์ใหม่โดยพยายามเลียนแบบต้นฉบับที่ทำไว้ตอน Engineering ดังแสดงในรูปที่ 17 โดยจำลองอาศัย Symmetrical Benefit เพียง 1/6 ของ Tri-cell Joints ถูกจำลองขึ้นโดยใส่ Boundary Condition ตามรูปที่ 18

รูปที่ 17 Original FE model of Tri-cell Joint [1]

รูปที่ 18  FE model of Tri-cell Joints Reanalysis [22]

ทีมวิจัยพบว่า FE model ที่ใช้ในการวิเคราะห์ Global analysis ที่ทำโดย NC มีความผิดพลาดเนื่องจากมี Uncommon Element อย่าง Skew Element (Element ที่ไม่ใช่รูปร่างเรขาคณิตปกติ แต่มีการบิดเบี้ยว ซึ่งเป็นที่รู้กันว่าการ distort element จะทำให้ผลที่ได้มีความคลาดเคลื่อนจากที่ควรจะเป็นขึ้นกับ degree of distortion ซึ่งเป็นสิ่งที่วิศวกรต้องมีพื้นฐานในความเข้าใจก่อนที่จะใช้ซอฟ์ทแวร์) ปะปนอยู่โดยเฉพาะบริเวณจุดสำคัญอย่าง Tri-cell Joints โดยจากการตรวจสอบขั้นตอนควบคุมคุณภาพ (Quality Assurance) ทั้งใน บริษัท NC และ OO พบว่ามีขอบกพร่องอยู่ในหลายๆจุด อย่างไรก็ดีทั้งสองบริษัทได้มีการ Cross Check ซึ่งพบว่าได้มีการ Highlight เรื่อง Skew element จากบริษัท OO ไปยัง NC ว่าพบ Skew Element ในหลายๆจุดของ Global model แต่ไม่ได้มีการเน้นย้ำจุดที่ต้องพิจารณาเป็นพิเศษ ซึ่งพบว่า NC ทำการแก้ไขโมเดลในหลายจุด แต่ละเลยจุดสำคัญอย่าง Tri-cell Joints

ด้วยการจำลองโครงสร้างตามต้นฉบับ (รูปที่ 18) จะพบว่าเมื่อมีแรงกระทำตามหลักการเบื้องต้นควรจะได้ Shear Force Diagram (SFD) ที่เป็นเส้นตรง โดยมีค่าเป็นศูนย์ที่ปลายคือจุดกลางของ Tri-cell Joints และมีค่าสูงที่สุดที่จุดต่อของ Tri-cell Joints ซึ่งตามหลักการพื้นฐาน ค่า Maximum Shear Stress จะเท่ากับ 3.98GPa แต่ด้วยผลของ Skew element รวมไปถึงการ Extrapolate (2^nd order polynomial) ดังหลักการที่แสดงในรูปที่ 15 จะให้ค่า Shear stress เพียง 2.33GPa ซึ่งคิดเป็น 59% ของที่ควรจะเป็น และต่ำกว่าที่ควรจะเป็นไปถึง 41%

เมื่อทำการเพิ่มจำนวน Element แต่ยังคงมี Skew Element อยู่ พบว่าค่า Shear Stress เพิ่มขึ้นเป็น 3.25GPa คิดเป็น 82% ของที่ควรจะเป็น และเมื่อทำการแก้ไข Skew Element ให้หายไปพบว่าได้ค่าเท่ากับที่ควรจะเป็น คือ 3.98GPa

ซึ่งผลจากความผิดพลาดในการคำนวณครั้งนี้ทำให้ได้จำนวนเหล็กเสริมที่น้อยเกินไป และรวมไปถึงการให้แบบรายละเอียดที่มีความยาวของ T-head bar ที่ไม่เพียงพอ (ดูรูปที่ 20) นำมาซึ่งความวิบัติของโครงสร้างที่มีความเสียหายถึง 700ล้านยูเอส โดยเป็นความเสียหายเนื่องจากโครงสร้าง 180ล้านยูเอส และเป็นค่าความเสียหายเนื่องจากความล่าช้า 520ล้านยูเอส ซึ่งราคานี้เป็นราคาเมื่อปี 1991

รูปที่ 19 Effect of Skew Element and Extrapolation Concept [22]

รูปที่ 20 Sleipner A Strut-and-Tie Model [22]

Model Test

ฤดูหนาว ปี 1992 หลังจากการวิบัติ 1 ปี การทดสอบแบบ Full Scale ด้วยอัตราส่วน 1:1 เทียบกับของจริง รวมทั้งเหล็กเสริมภายใน โดยทำการทดสอบทั้งหมด 14 ตัวอย่าง โดยทำการทดสอบในทุกรูปแบบเพื่อที่จะหาจุดอ่อนและความน่าจะเป็นของการวิบัติ ซึ่งผลการทดสอบได้ยืนยันถึงสมมติฐานที่ทีมวิจัยได้ตั้งไว้ โดยโหมดของการวิบัติ (ดูรูปที่ 21) ตรงกับผลที่ได้จากการ Re-analysis ดังที่ได้กล่าวมา

หลังจากการยืนยันโหมดของการวิบัติ ทีมวิจัยได้ตัดสินในทำการทดสอบในอีก 10 ตัวอย่าง โดยมีการปรับปรุงจุดอ่อนในทุกๆจุดตามผลที่ได้จากการ Re-analysis ทั้งการเพิ่ม Shear Reinforcement (Stirrup) การเพิ่มจำนวน T-head bar รวมไปถึงความยาวของมัน ซึ่งพบว่าความยาวของ T-head bar เพิ่มขึ้นอีกเพียงเล็กน้อยสามารถเพิ่มกำลังรับแรงเฉือนที่จุดวิกฤตของ Tri-cell Joints ได้อย่างมีประสิทธิภาพ  สุดท้ายรูปแบบเหล็กเสริมดังแสดงในรูปที่ 22 เป็นรูปแบบที่คิดว่าดีที่สุด รวมถึงได้นำรูปแบบนี้ไปใช้ใน Sleipner A-2 ที่สร้างขึ้นมาแทนตัวที่พังไปด้วย

รูปที่ 21 Experiment Test of Tri-cell Joints [Courtesy by SINTEF]

รูปที่ 22 Reinforcement in Y-shape Test Specimen [12]

Conclusion

โดยทีมวิจัยและตรวจหาสาเหตุ ได้สรุปบทเรียนจากการวิบัติครั้งนี้ไว้โดยคร่าวๆ ดังนี้

• วิศวกรโครงสร้างที่เป็นคนวิเคราะห์โครงสร้างไม่มีความเข้าใจในพื้นฐานของ FEM อย่างเพียงพอ โดยเฉพาะผลของ Skew Element ที่จะตามมา

• วิศวกรโครงสร้างขาดความเข้าใจใน Fundamental Mechanic ที่ต้องรู้ว่า Shear Stress จะมีการกระจายเป็นเส้นตรงไม่ใช่รูปแบบ Parabola

• ขาดระบบควบคุมคุณภาพที่ดีในการตรวจสอบและติดตามปัญหาภายในบริษัท Engineering

• 3^rd Party independent บกพร่องในการที่จะหาข้อบกพร่องในช่วงออกแบบและก่อสร้าง

โดยหลักๆ เลยก็คือวิศวกรขาดความรู้และเข้าใจในโปรแกรมและงานที่ได้รับมอบหมายอย่างเพียงพอ รวมไปถึงขาดวิศวกรอาวุโสที่มีความสามารถในการตรวจเช็คงานก่อนที่จะส่งแบบรายละเอียด (ขณะนั้นมีอีกสองงานที่ใหญ่ติด Top 2 ในโลก ที่ออกแบบและก่อสร้างที่บริษัทเดียวกัน)

การวิบัติของ Sleipner A-1 เกิดขึ้นในเดือน สิงหาคม ปี 1991 โหมดการวิบัติถูกค้นพบในอีก 2 เดือนถัดมา (ตุลาคมปี 1991) โดยได้รับการยืนยันโดยการทดสอบแบบ Full Scale ในอีก 1 ปี ถัดมา หลังจากนั้น Statoil มีความมั่นใจว่าสามารถที่จะขจัดปัญหาเดิมออกไปได้ โดยตัดสินใจที่จะสร้างขึ้นมาอีก 1 ตัวโดยใช้ชื่อเดิม Sleipner A-2 โดยตัวใหม่นี้ได้ทำการออกแบบและวิเคราะห์โดยใช้ FEM บวกกับการคำนวณด้วยมือ เพื่อเป็นการตรวจสอบผลในทุกขั้นตอน โดยตัวใหม่สร้างเสร็จและติดตั้งได้ในวันที่ 29 เมษายน ปี 1993 ล่าช้าจากหมายกำหนดเดิมไป 20 เดือน

บทเรียนจากการวิบัติครั้งนี้คือวิศวกรควรจะมีความรู้และความเข้าใจพื้นฐานที่ดีในงานที่ได้รับหมอบหมาย โดยเฉพาะการใช้ Computer เข้ามาช่วยในการวิเคราะห์และออกแบบซึ่งนิยมมากในปัจจุบัน วิศวกรหลายๆ คนลืม Fundamental Basic ไป โดยเชื่อผลที่ได้จาก Computer มากเกินไป หรือบางครั้งขาดความเข้าใจใน Limitation ของโปรแกรม ขาดการตรวจสอบ หรือขาด Engineering Sense ที่จะสามารถสุ่มตรวจในบางจุดที่สำคัญได้ ผลจากการละเลยเพียงเล็กน้อยอาจจะนำมาซึ่งการเสียหายทั้งชีวิตและทรัพย์สิน ยังอาจจะรวมไปถึงอนาคตของตัววิศวกรเองด้วย

รูปที่ 23 Sleipner A-2 installed in 29 April 1993 (20 months delay)

References

[1] Jakobsen, B. and Rosendahl, F. (1994), “The Sleipner Platform Accident”, Structural Engineering International, IABSE, Vol. 3, pp. 190-193.

[2] Jakobsen, B. (1992), “The Loss of the Sleipner A Platform”, Proceedings of the 2nd International Offshore and Polar Engineering Conference, San Francisco 1992.

[3] Holand, I. (1994), “The Loss of the Sleipner Condeep Platform”, First Diana Conference on Computational Mechanics, Delft, The Netherlands, October.

[4] Collins, M.P. and Selby, R.G. (1997), “Failure of An Offshore Platform”, Concrete International 19(8), August 1997, pp. 28-35.

[5] Wackers, G. (2004), “Engineering Opimization in the Design and (1991) Loss of the Sleipner A GBS”, Center of Technology, Innovation and Culture, University of Oslo, May 2004.

[6] Arnold, D. (2009), "The sinking of the Sleipner A offshore platform," Institute for Mathematics and its Applications (IMA) at University of Minnesota, 7 September 2009

[7] Mellgren, D. (2009), "North Sea oil platforms: Hard work, strict safety and inventive fun". The Associated Press (Alexander's Gas & Oil Connections). Retrieved 2009-12-26.

[8] Tretiakova, K. (2012), “Sleipner A - North Sea Oil Platform Collapse”, Available: http://failures.wikispaces.com/Sleipner+A+-+North+Sea+Oil+Platform+Collapse

[9] Jersin, E., Soreide, T.H., Reinertsen, A.R. (1997), “Sleipner A GBS Loss Report 16 Quality Assurance”, STF38-A97428, SINTEF, November 1997.

[10] Schlaich, J. and Reineck, K.H. (1993), “Die Ursache fur den Totalverlust de Betonplattform Sleipner A”,  Beton- u. Stahlbetonbau 88 (1993), H.1, 1-4

[11] Barry, J. (2013), “The Loss of the Sleipner A Platform”, Journal of Undergraduate Engineering Research and Scholarship, Faculty of engineering and Applied Science, Memorial University of Newfoundland, March 2013.

[12] Holand, I., Gumestad, O.T. and Jersin, E. (2003), “Design of Offshore Concrete Structure”, SPON Press, Taylor and Fransis Group.

[13] Holand, I. (1996), “Structural Analysis of Offshore Concrete Structure”, IABSE congress report, 15/1996.

[14] OGP (2003), “Disposal of Disused Offshore Concrete Gravity Platform in OSPAR Maritime Area”, Report No.338, International Associate of Oil & Gas Producers, February 2003.

[15] Oyvind, S. (2006), “Eminent Structural Engineer: Dr techn. Olav Olsen (1913-1998)”, Structural Engineering International, 4/2006.

[16] Vos, C.J., “25 Years Gravity Base Structures Design, Construction and Installation”

[17] Unocal, “Concrete Offshore Structures – General Introduction”, Presentation provided by Unocal.

[18] Clauss, G., Lehmann, E. and Östergaard, C., “Offshore Structures Volume 1: Conceptual Design and Hydromechanics,” Springer-Verlag, 342 pp, 1992

[19] http://en.wikipedia.org/wiki/Sleipner_gas_field

[20] http://en.wikipedia.org/wiki/Sleipner_A

[21] http://home.versatel.nl/the_sims/rig/sleipnera.htm

[22] NSDL, "Other Failure Cases/Sleipner A" MatDL, 15 July 2011. [Online], Available: http://matdl.org/failurecases/Other_Failure_Cases/Sleipner_A.html