ببینید؛ مهندسی بی‌نهایت: دکل عظیم Troll A؛ بزرگ‌ترین سازه بتنی ساخت بشر

کیلومترها دورتر از سواحل غرب نروژ، جایی که آب‌های سرد دریای شمال بی‌وقفه می‌خروشند، یک غول مهندسی به نام دکل Troll A قرار دارد. این سازه که ۴۷۲ متر از بستر دریا بالا آمده است، با برج‌های نمادین پتروناس مالزی که تنها ۴۵۱٫۹ متر ارتفاع دارند، رقابت می‌کند. سازه‌ای که نماد جاه‌طلبی‌های بشر به شمار می‌رود، جرمی تقریباً یک و نیم برابر پل گلدن‌گیت در سان فرانسیسکو دارد.

برای سال‌ها، Troll A، عنوان بلندترین و سنگین‌ترین شیء جابه‌جاشده در سطح زمین را در اختیار داشت؛ رکوردی که به شجاعت سازندگان آن اشاره دارد. امروز، بازدیدکنندگانی که به عرشه‌ی آن نگاه می‌کنند، تنها بخش کوچکی از شکوه آن را می‌بینند، چرا که بیشتر این سازه‌ی عظیم در عمق یخ‌زده‌ی دریا غرق شده و مانند یک غول ساکت از بستر دریا سر برآورده است.

Troll A که زمانی بزرگ‌ترین دکل فراساحلی بود، با دکل جدیدتر روسی Berkut به حاشیه رانده شد. البته این امر از عظمت Troll A نمی‌کاهد، زیرا ابعاد بی‌نظیر آن هنوز به شکلی باورنکردنی وسیع است. سفر این دکل، از محل ساخت تا جایگاه فعلی آن در میدان‌های گازی ترول، داستانی از نوآوری، دقت و تاب‌آوری را بیان می‌کند.

میدان‌های گاز ترول: گنجی در زیر دریا

استخراج گاز از میدان ترول در سال ۱۹۹۵ آغاز شد و منابعی را آزاد کرد که پیش‌بینی می‌شود با نرخ فعلی استحصال، تا ۷۰ سال آتی نیاز اروپا را تأمین کند. در قلب این عملیات، دکل Troll A قرار دارد که در میان همتایانش، Troll B و Troll C، به‌عنوان یک نگهبان عظیم ایستاده است.

اگرچه دکل Troll B پس از Troll A ساخته شد، فعالیت خود را زودتر از بقیه آغاز کرد و در سال ۱۹۹۵ به بهره‌برداری رسید. درست یک سال بعد، طراحی Troll A تکمیل شد، اما به‌دلیل طراحی بلندپروازانه‌ی خود که برای انجام سخت‌ترین عملیات استخراج میدان‌های گاز طراحی شده بود، مدت‌زمان بیشتری را در آزمایش‌های پیش از بهره‌برداری گذراند.

با آماده شدن Troll C، دکل شناور دیگری که پس از هر دو به بهره‌برداری رسید، یک گروه سه‌گانه را تشکیل داد. نقش اساسی Troll A در ظرفیت و دوام آن نهفته است که این دکل را به نقطه‌ی مرکزی شبکه‌ی فراساحلی یادشده تبدیل می‌کند.

دریای شمال میزبان مهربانی نیست. آب‌های آن با امواج ۳۰ متری، طوفان‌های شدید و سرمای سوزناک در تلاطم است. این تلاطم، گودال‌هایی در بستر دریا ایجاد می‌کند که بقای سازه‌ها را در معرض خطر قرار می‌دهند. مهندسان نروژی که پیشتاز در مهندسی فراساحلی هستند، ویژگی‌های خاص دریای شمال را به خوبی می‌شناسند.

در ۲۷ مارس ۱۹۸۰، دکل حفاری «الکساندر کییلند» که ۳۲۰ کیلومتر شرق داندی در اسکاتلند قرار داشت، به‌دلیل شکستگی در پایه‌های پشتیبان، فروریخت. این فاجعه، ۱۲۳ نفر از ۲۱۲ سرنشین را به کام مرگ فرستاد. تحقیقات بعدی نشان داد که فروریختن الکساندر کییلند به‌دلیل درزی رخ داده بود که در نتیجه‌ی فشار مداوم امواج، رشد کرده بود. نتایج این تحقیق، نیاز به مواد مقاوم و انعطاف‌پذیر و سیستم‌های ایمنی اضافی را آشکار ساخت.

مهندسانی که در سال ۱۹۹۱ مسئول ساخت Troll A بودند، از حادثه‌ی دکل الکساندر کییلند درس گرفتند و برای مهار و جذب ضربات دریای شمال، از مصالحی استفاده کردند که نیروهای امواج را بین خود توزیع و خنثی کنند. در منطقه‌ای که طبیعت هیچ ضعفی را نمی‌بخشد، Troll A به‌عنوان یک قلعه ایستاده است.

دکل Troll A، شاهکار بلندمرتبه‌ی مهندسی، ساخت خود را مدیون رویکردی جسورانه و غیرمتعارف است. این فرایند که از سال ۱۹۹۱ تا ۱۹۹۶ به طول انجامید، رؤیای ساخت جرمی به بزرگی ۱٫۲ میلیون تن را به واقعیت تبدیل کرد.

برخلاف بسیاری از سازه‌های فراساحلی که در دریا مونتاژ می‌شوند، سازندگان Troll A تصمیم گرفتند آن را در شرایط کنترل‌شده در ساحل بسازند و ساخت و ساز این پروژه را به دو مرحله‌ی متمایز تقسیم کردند: عرشه‌‌ی فوقانی که ساخت آن نسبتاً ساده بود و چهار پایه‌ی عظیم بتنی که چالشی پیچیده‌تر به شمار می‌رفت. جداسازی مراحل ساخت، امکان افزایش دقت و ایمنی را فراهم می‌آورد، اما چالش‌های مهندسی زیادی به همراه داشت، که شامل جابه‌جایی کل سازه در ۲۰۰ کیلومتر آب‌های آزاد می‌شد.

دو مرحله‌ی در نظر گرفته‌شده در ساخت عرشه‌ و پایه‌ها در طرح دکل Troll A

ساخت چهار پایه‌ی عظیم Troll A یکی از پرچالش‌ترین مراحل این پروژه بود. هر پایه، با استفاده از تکنیک قالب‌های لغزنده (Slip forming) ساخته شد. روش مذکور از زمان‌های معرفی در مینه‌سوتا در سال ۱۸۹۹ به طرز چشمگیری تکامل یافته است که در ابتدا برای ساخت سیلوهای بتنی گندم توسعه یافت، اما به‌تدریج به استانداردی برای ساخت سازه‌ها تبدیل شد.

هنگامی که بتن به‌آهستگی و با سرعت حدود پنج سانتی‌متر هر ۲۰ دقیقه ریخته می‌شد، قالب‌ها به آرامی و با ثبات بالا می‌رفتند. جرثقیل‌ها در عملی هماهنگ، قالب‌ها را بالا می‌بردند تا اطمینان حاصل شود که بتن همواره در یک قالب در حال حرکت به‌طور مداوم محصور می‌شود. این فرایند تا زمانی که تمام ارتفاع پایه تکمیل می‌شد، ادامه داشت.

چالش این فرایند جلوگیری از تشکیل ترک‌های سرد بود؛ مناطقی که ممکن بود بتن تازه ریخته‌شده، با ماده‌ی سخت‌شده‌ی قبلی به‌درستی پیوند نخورد. برای جلوگیری از خطر، مخلوط بتن به گونه‌ای طراحی شد که نرخ رطوبت (هیدراسیون) ثابتی را حفظ کند. رطوبت ثابت به سیمان موجود در بتن اجازه می‌داد به‌طور یکنواخت خشک شود، حتی زمانی که به‌طور مداوم ریخته می‌شد.

علاوه بر ملاحظات مربوط به علم مواد، هماهنگی مکانیکی فرایند قالب‌های لغزنده نیازمند همگامی دقیق میان تیم‌های مختلف بود. اپراتورهای جرثقیل، متخصصان قالب‌سازی و مهندسان بتن باید در هماهنگی کامل کار می‌کردند. هرگونه اختلال در ریختن پیوسته‌ی بتن می‌توانست به تأخیرهای قابل توجه یا نقص‌هایی در ساختار منجر شود. با وجود این چالش‌ها، مهندسان موفق شدند چهار پایه‌ی یکپارچه و آب‌بند آماده کنند.

برنامه‌ریزی این عملیات نیازمند شبیه‌سازی‌های دقیق و توسعه‌ی پروتکل‌های اضطراری در صورت بروز مشکلات مکانیکی یا محیطی بود، به‌طوری‌که هر مانع احتمالی از قبل پیش‌بینی و حل می‌شد.

در محیطی که دریای شمال با امواج خود به ساختارهای موجود فشار می‌آورند، دوام بتن اهمیت خود را نمایان می‌کند. مهندسان در هنگام مطالعه‌ی چالش‌های محیطی، متوجه شدند که پایه‌های بتنی تحت نیروهای پیش‌بینی‌نشده‌ای قرار خواهند گرفت. برای ساخت دکل Troll A، استفاده از بتن معمولی، کافی نبود؛ بنابراین، مهندسان به استفاده از مفهوم بتن انعطاف‌پذیر روی آوردند؛ ماده‌ای که استحکام بتن را با تاب‌آوری فولاد ترکیب می‌کند.

بتنی که برای ساخت پایه‌های دکل Troll A استفاده شد، ترکیبی معمولی نبود. فرمولاسیون این بتن باید به‌طور خاص برای بارگذاری‌های دینامیکی و بی‌وقفه‌ی ناشی از ضربه‌های امواج متوالی طراحی می‌شد. مهندسان محاسبه کردند که هر پایه، به‌طور تقریبی در طول عمر پیش‌بینی‌شده‌ی ۷۰ ساله، برخورد حدود ۱۸۰ میلیون موج را تجربه خواهد کرد. این ضربات مکرر نیاز به ماده‌ای داشت که با جذب انرژی امواج، مانع از ایجاد ترک و آسیب در سازه شود.

راه‌حل، استفاده از شبکه‌های فولادی با مقاومت بالا در چندین سطح در داخل بتن بود. این شبکه‌ها به‌طور استراتژیک در بتن قرار داده شدند تا مقاومتی کششی فراهم کنند و از این طریق، هنگام خم شدن بتن، فولاد فشار وارده را تحمل کند تا از شکستگی در سازه جلوگیری شود.

رویکرد بتن انعطاف‌پذیر، در یک نوآوری تاریخی به یک باغبان قرن نوزدهم در کاخ ورسای نسبت داده می‌شود. او برای اولین بار آهن را به بتن افزود تا ترکیبی مقاوم‌تر ایجاد کند. امروزه این ایده به شکل چشمگیری تکامل یافته است و تکنیک‌های مدرن از شبکه‌های فولادی درهم‌تنیده‌ای استفاده می‌کنند که انعطاف‌پذیری و طول عمر سازه را افزایش می‌دهد.

استفاده‌ی موفقیت‌آمیز از بتن انعطاف‌پذیر در ساخت پلتفرم Troll A، تقاطع نوآوری‌های تاریخی و شیوه‌های مهندسی مدرن را نشان می‌دهد. این ترکیب قدرت و تاب‌آوری، یکی از ویژگی‌های برجسته‌ی پلتفرم Troll A است و اطمینان حاصل می‌کند که این سازه به مدت دهه‌ها به‌عنوان نماد برتری مهندسی باقی خواهد ماند.

طراحی پایه‌های دکل Troll A یک ترکیب استادانه از شکل و عملکرد است که اصول مهندسی را برای مقاومت در برابر جرم عظیم سازه و بارهای دینامیکی واردشده از سوی محیط طبیعی به نمایش می‌گذارد. هر پایه ۳۶۵ متر ارتفاع دارد و ضخامت مقطع آن به ۲ متر می‌رسد. این پایه‌ها طراحی منحصربه‌فرد مخروطی شکلی دارند که در بخش پایینی ضخیم‌تر، در وسط باریک‌تر و در ارتفاع دوباره ضخیم‌تر می‌شود.

در قلب این طراحی، مفهوم ساختار یکپارچه و پیوسته قرار دارد. فرایند ساخت از پایه آغاز شد، جایی که مهندسان یک پی‌ریزی گسترده را آغاز کردند که به‌تدریج در حین بالا رفتن از پایه، باریک‌تر می‌شد. این روش نه‌تنها پایه‌ای مستحکم برای مقابله با نیروهای عظیم وارد‌شده از سوی دریا فراهم کرد، بلکه باعث کاهش انحراف جزئی در پایه‌ها نیز شد. طراحی پایه‌ها به این صورت به مهندسان این امکان را داد که نیروهای فشاری را به‌طور یکنواخت توزیع کنند و احتمال خرابی سازه در شرایط بارگذاری شدید را کاهش دهند.

دقت در رعایت جزئیات تا پایان مرحله‌ی ساخت نیز ادامه داشت. مدل‌های رایانه‌ای دقیق رفتار سازه را تحت شرایط بارگذاری مختلف شبیه‌سازی کردند تا اطمینان حاصل شود که هر ریسک احتمالی قبل از بتن‌ریزی برطرف شده است.

یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های طراحی پایه‌ها، گنجاندن اتصالی کمربندی در میانه‌ی ارتفاع و جعبه‌بندی در قسمت پایین است. این ویژگی‌ها برای اطمینان از توزیع یکنواخت نیروهای ناشی از امواج، در نظر گرفته شده‌اند. اتصال کمربندی پایه‌ها به‌عنوان یک سیستم پشتیبانی جانبی عمل می‌کند که با اثرات ارتعاش‌های هم‌فرکانس که می‌توانند باعث تقویت تنش‌ها در سازه و ایجاد خستگی در طول زمان شوند، مقابله می‌کند. جعبه‌بندی نیز همانند یک گره اتصال عمل می‌کند که چهار سازه‌ی جداگانه را به هم پیوند می‌دهد. این ارتباط متقابل نه‌تنها تمامیت کلی دکل را تقویت می‌کند، بلکه اطمینان می‌دهد که بارهای دینامیکی واردشده از سوی دریا به‌طور مساوی تقسیم شوند.

یکی از ویژگی‌های نوآورانه‌ی طراحی پایه‌های Troll A، گنجاندن آسانسور در پایه‌ها است. این آسانسور که می‌تواند در مدت ۹ دقیقه به بستر دریا برسد، به‌عنوان یک نقطه‌ی دسترسی حیاتی برای نگهداری و بازرسی پمپ‌های زیرآبی که برای استخراج گاز ضروری هستند، عمل می‌کند.

در پایین‌ترین نقطه‌ی هر پایه، ثبات کل سازه با ۶ لنگر ۴۰ متری تأمین می‌شود. لنگرها که نمونه‌ای درخشان از فناوری مبتنی بر گرانش هستند، به شکل سیلندرهای توخالی ریخته‌گری و سپس روی بستر دریا نصب شدند تا با تخلیه‌ی هوای موجود در سیلندرها اثر مکشی قدرتمند ایجاد کنند که همانند چسبیدن یک لیوان وارونه روی میز است. وجود مکش، تضمین‌ می‌کند که اتصال دائمی به بستر دریا برقرار خواهد بود، حتی زمانی که نیروهای دریای شمال تلاش می‌کنند آن را جابه‌جا کنند.

طراحی و نصب لنگرهای مکشی نیازمند برنامه‌ریزی دقیق و اجرای منظم بود. مهندسان باید با نقشه‌برداری از بستر دریا، تغییرات لایه‌ی لجن که لنگرها روی آن قرار می‌گرفتند و تأثیرات طولانی‌مدت اثرات امواج را مطالعه می‌کردند.

اتصال عرشه‌‌ی فوقانی به پایه‌های بلند یکی از حساس‌ترین و پیچیده‌ترین مراحل این پروژه بود. تیم مهندسی با یک تصمیم حیاتی روبه‌رو شد: آیا عرشه‌ را باید روی پایه‌های ۳۶۵ متری قرار دهند یا اینکه پایه‌ها باید زیر دکل قرار گیرند؟

برای ارزیابی گزینه‌های موجود، روش‌های شبیه‌سازی‌های گسترده در مقابل مطالعه‌ی پیشینه‌های تاریخی، قرار گرفت. در نهایت، روش دوم انتخاب شد. اتحاذ این تصمیم، تحت‌تأثیر درس‌هایی بود که از حادثه‌ی دکل «اسلیپنر A» در تاریخ ۲۳ آگوست ۱۹۹۱ آموخته شد. در حادثه‌ی مذکور، دیواره‌های بتنی ستون‌ها که به‌درستی تقویت نشده بودند، به‌طور فاجعه‌آمیز شکستند و سازه فروریخت. شدت ضربه‌ی ریزش آنچنان بود که سبب ایجاد زلزله‌ای به بزرگی ۳٫۰ ریشتر در نزدیکی «گانسفیورد» نروژ شد.

سفر به سرنوشت

در پاییز ۲۰۱۰، بخش جدیدی به پلتفرم Troll A افزوده شد که شامل فضای اقامتی مجهز و یک اتاق کنترل مدرن بود. این توسعه به‌منظور پشتیبانی از کمپرسورهای جدیدی انجام گرفت که برای مقابله با کاهش فشار مخزن گاز در چاه‌ها ضروری بودند. با گذشت زمان و استخراج گسترده‌ی گاز، فشار طبیعی مخزن کاهش یافته بود و نصب این کمپرسورها امکان تداوم بهره‌برداری را فراهم کرد.

این به‌روزرسانی‌ها نه‌تنها ظرفیت عملیاتی Troll A را افزایش داد، بلکه آن را به نمادی از تطبیق‌پذیری فناوری‌های انرژی با چالش‌های پیشرو تبدیل کرد. امروزه، این دکل با بیش از سه دهه فعالیت، همچنان به‌عنوان ستون فقرات تولید گاز نروژ و تأمین انرژی اروپا نقش‌آفرینی می‌کند.

پلتفرم Troll A، که از ارکان صنعت گاز طبیعی نروژ به شمار می‌آید، سهم بزرگی از نیازهای انرژی اروپا را تأمین می‌کند. ارقام تولید این پلتفرم، گواهی بر توانمندی آن است. در سال ۲۰۰۸، سه دکل میدان ترول در مجموع حدود ۱۲۰ میلیون متر مکعب گاز در روز استخراج کردند.

نروژ محدودیت سخت‌گیرانه‌ای برای تولید میدان ترول تعیین کرده است که درحال‌حاضر به ۳۶ میلیارد متر مکعب در سال محدود می‌شود. این سقف تولید، که از سوی وزارت نفت و انرژی نروژ تعیین شده، هدفی را دنبال می‌کند که در آن هم از سود اقتصادی بهره‌برداری می‌شود و هم از طول عمر منابع طبیعی حفاظت می‌گردد. اگرچه تا امروز، داده‌های دقیق استخراج کنونی دکل Troll A در دسترس عموم نیست، میدان ترول به‌طور کلی همچنان نقش پررنگی در صنعت انرژی اروپا بازی می‌کند.

ساخت دکل Troll A با هزینه‌ای سنگین همراه بود. این پروژه که بین سال‌های ۱۹۹۱ تا ۱۹۹۶ ساخته شد، هزینه‌ای معادل ۶۵۰ میلیون دلار داشت؛ رقمی که با توجه به نرخ تورم امروز به بیش از یک میلیارد دلار تبدیل می‌شود. سرمایه‌گذاری از سوی غول انرژی دولتی نروژ (که پیش‌تر به نام استات‌اویل شناخته می‌شد)، انجام شد. هر دلار که در پایه‌های بتنی، میلگردها و عملیات پیچیده‌ی یدک‌کشی آن صرف شد، به ثمر نشست و دکلی ایجاد کرد که نه‌تنها گاز استخراج می‌کند، بلکه مرزهای ممکن در مهندسی را نیز دوباره تعریف می‌کند.

Troll A برای مقاومت در برابر امواج بی‌وقفه‌ی دریای شمال طراحی شده است و دوام، ویژگی اصلی این دکل در نظر گرفته می‌شود.

باوجود دستاوردهای مهندسی بی‌شمار، Troll A کمتر در کانون توجه قرار دارد، زیرا اهمیت آن اغلب تحت‌الشعاع سازه‌های معماری‌ها پرزرق‌وبرق‌تر، قرار می‌گیرد. این گمنامی در تضاد با نقش دکل به‌عنوان یکی از ارکان شبکه‌ی انرژی اروپا است که به‌طور بی‌صدا گاز را از طریق خطوط لوله به میلیون‌ها مصرف‌کننده منتقل می‌کند.

دکل Troll A، که ساخت آن پنج سال به طول انجامید، یک سمفونی از نوآوری‌ها بود: ساخت آن روی زمین با استفاده از پایه‌های بتنی از نوع قالب‌های لغزنده، تقویت‌شده با فولاد برای انعطاف‌پذیری در برابر امواج دریای شمال. این پروژه‌ی ۶۵۰ میلیون دلاری دکلی را به وجود آورد که در برابر سرمای شدید دریای شمال تاب آورد. طراحی این سازه به گونه‌ای است که حداقل تا سال ۲۰۶۶ قادر به فعالیت خواهد بود.

تأثیر دکل Troll A از ظاهر بتنی آن فراتر می‌رود و نقشی کلیدی در تأمین گاز اروپا ایفا می‌کند. از سال ۱۹۹۵ تاکنون، این دکل، گاز را از عمق ۱۴۰۰ متری در زیر دریا استخراج می‌کند و از طریق خط لوله‌های انتقال به اروپا می‌رساند. در سال ۲۰۰۸، این پلتفرم روزانه ۱۲۰ میلیون متر مکعب گاز از میدان ترول استخراج کرد و اگرچه امروزه ظرفیت آن به ۳۶ میلیارد متر مکعب در سال محدود شده، تولید آن همچنان حیاتی باقی مانده است.

در میان امواج سرد و بادهای طوفانی، Troll A مانند غولی خاموش ایستاده و گواهی است بر مهندسی بی‌نهایت و نبوغ انسانی. داستان آن، از آزمایش‌های اولیه‌ی تقویت بتن در قرن نوزدهم تا حمل‌ونقل عظیم در دریای شمال، نمونه‌ای برجسته از پیشرفت مهندسی است: یک غول میلیارد دلاری که حضور بی‌صدایش، تضمین‌کننده‌ی امنیت انرژی اروپا است.