بخشی از مقاله
مقاله ترجمه شده تحلیل فنداسیون کارخانه های سیمانی فن ID گریز از مرکز
چکیده
این مطالعه واکنش بارگذاری با میزان بالا، طبیعت بازگذاری پیچیده، و تعداد دوره های بارگذاری در ساختارهای بتنی در فنداسیون های بزرگ مانند فن های ID را بررسی میکند که در کارخانه های سیمان صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. این تحقیق بر اساس یک مدل اجزای محدود (FEM) با قابلیت انجام تحلیل های خطی سه بعدی (3D) تحت بارهای استاتیک و دینامیک برای Fc مختلف و ضریب کشسانی (Es) بود. FEM ها دارای قابلیت مدلسازی فشار و کشش برای بازبینی نقطه های مهم فنداسیون در همه محورها هستند. ما همچنین
اثرات پارامترهای مختلف مانند تاب فشردگی بتن و آرماتور رفتار فنداسیون تحت میزان بارهای استاتیک و دینامیک سرعت موتور فن ID (400، 800، 1200، 1500، و 180 دور در دقیقه) را برای شناسایی نقاط مهم در همه محورها بررسی کردیم. نتایج FEM با فنداسیون های موجود فن ID (بر اساس مدارک آزمایشگاهی) مقایسه شدند تا دقت شبیه سازی های ایجاد شده توسط FEM ارزیابی گردد. مشاهده می گردد که یافته های این مطالعه تأیید می کند که چه چیزی حرکت اصلی از تفکر جاری را در مورد خصوصیات مواد مدلسازی بتن تحت بارهای مختلف برای افزایش دادن طول عمر فنداسیون بتنی فن ID تشکیل میدهد.
کلمات کلیدی: فنداسیون بتنی، تاب فشردگی، بارگذاری، مدلسازی.
1- مقدمه
بعلت لرزش فن و مشکلات عملیاتی در پی آن، تعطیل کار، و عملیات متوقف شده، تحلیل فنداسیون های بتنی سازه های بزرگ برای فن های ID چالش برای کارخانه های صنعتی متنوع است. ترک برداشتن فنداسیون بتنی نه تنها بخاطر نقص های مکانیکی بوجود می آید که پرسنل کارخانه نمی توانند آنرا بطور کامل برطرف کنند (مانند عدم تعادل و نامیزان بودن)، بلکه همچنین بخاطر نوع بارگذاری، سرعت روتور ها، و بارگذاری دوره ای و دینامیک بوجود می آید (شکل 1). لرزش فن، که بخاطر دلایل ذکر شده و همچنین تشدید فرکانس بار دینامیک ایجاد می شود، ممکن است عامل امینتی فنداسیون فن ID را کاهش دهد. با بررسی اعتبار طراحی فنداسیون برای موقعیت ثابت (چون عملاً خیلی اتفاق می افتد) ممکن است برای ایجاد یک طراحی مناسب فنداسیون کافی نباشد.
شکل 1 – فنداسیون بتنی سیستم فن ID که ترک برداشته است.
محققان زیادی تلاش کرده اند که دلایل حساسیت بالاتر فنداسیون های فن ID را تعیین کنند تا بتوانند طول عمر آنها را افزایش دهند. در آغاز قرن بیستم، تحلیل فنداسیون های بتنی بزرگ محدود به محاسبات استاتیک بر مبنای بارهای عمودی بود که شامل بار مرده به اضافه 3 تا 5 برابر وزن ماشین بود. البته، اکنون مشخص است که این طرح ها با فرکانس طبیعی رده اول به تنهایی برای توصیف کردن رفتار دینامیک فنداسیون های بتنی بزرگ کافی نیستند. بعبارت دیگر، درک بهتری از فرآیندها نیازمند یک تحلیل دینامیک می باشد. چالش های
جدی ایجاد شده بوسیله ارتفاع برج ها و فنداسیون ها همراه با مسائل مربوط به مفاهیم طراحی، طول عمر، تأثیرات محیطی، و بار دینامیک ضرورت بازبینی راه حل های جمع آوری و تولید موجود را ایجاد میکند. بنابراین مدل عناصر نهایی (FEM) روش مفیدی برای شمول سازی همه پارامترها بدون ساختن فنداسیون در مقیسا کامل است. تحقیقات در مورد FEM
نشان داده است که فرکانس های طبیعی اول و دوم بدست آمده از ماتریس سختی با رفتار جانبی مطابقت خیلی خوبی را با FEM فنداسیون ایجاد کرده است وقتی که اثرات اینرسی بر روی فنداسیون را بتوانیم نادیده بگیریم. مدل های شکل خمیدگی عملکردی (ODS) هم برای شناسایی ضعف فنداسیون در یک فن ID بزرگ اعمال می گردند. این مدل ها نشان داده اند که اضافه کردن حجم و سختی بتن می تواند قابل اعتماد باشد بجز زمانیکه مقاومت در آن وجود داشته باشد. قابلیت اطمینان این مدل ها را می توان از قانون دوم نیوتن در مورد
حرکت بدست آورد که بیانگر اینست که سطوح شتاب (a) بتدریج با افزایش جرم (m) کاهش پیدا میکند. از طرف دیگر قانون هوک ، نشان میدهد که سختی افزایش یافته (k) عموماً با سطوح جایگزینی پایین تری (x) همراه است. بنابراین، سیستم های مجزا برای کاهش لرزش فنداسیون مفید خواهند بود. و بسامدهای همنوای روتور و سیستم پشتیبانی ممکن است سبب لرزش زیاد دامنه گردد. جرم بلوک فنداسیون هم باید کافی باشد. دقت و ابعاد فنداسیون ها، خصوصاً فنداسیون های پیچیده تر، را می توان توسط تحلیل کامل فشارها و کشش های موجود ارزیابی کرد.
راهکارها و استانداردهای مختلفی از نوع بارگذاری (بر اساس ضریب بار)، خصوصیات مواد، و عامل امنیت برای تعیین طراحی مناسب فنداسیون های فن ID تحت بارهای استاتیک و پویا استفاده کرده اند. با اینکه چندین مطالعه پارامترهای فن ID را مشروط به بار استاتیک یا دینامیک ارزیابی کرده اند، با اینحال تغییر شکل بار و فشار ایجاد شده توسط لرزش فن و جرم مورد مطالعه قرار نگرفته اند. این عوامل هم به نوبه خود تحت تأثیر شکل و اندازه فنداسیون و استحکام مواد قرار می گیرند. خصوصیات داکت پیچ ها و مهره ها، که برای متصل کردن ماشین به فنداسیون استفاده می شوند، هم باید با دقت طراحی گردد. اجرا و تعیین دقیق طراحی می توانند فشارها و کشش های اعمال شده به فنداسیون فن را کاهش دهند و در نتیجه طول عمر آنها را افزایش دهند.
چون پیش بینی رفتار فنداسیون در شرایط مختلف می تواند کارایی ساختاری آنرا افزایش دهد، مطالعه حاضر در صدد است تا از FEM برای برآورد دقیق رفتار فنداسیون بتنی تحت بارهای استاتیک و دینامیک با فراوانی های مختلف استفاده کند. این نکته حائز اهمیت است که بعلت عدم تعادل ممکن فن، بار اعمال شده به فنداسیون عموماً دینامیک است مگر اینکه از میراگر یا مقره استفاده شود. بنابراین ما تلاش کرده ایم تا رفتار ساختاری فنداسیون فن تحت بارهای مختلف – برای مثال، بار استاتیک و دینامیک با سرعت روتور 400، 800، 1200 و 1800 دور در دقیقه (rpm)– را ارزیابی کنیم. ما همچنین از استحکام مواد مختلف، همچون تاب فشردگی بتن و آرماتور، استفاده کردیم تا نقاط مهم ساختارهای فنداسیون را بر حسب جابجایی و فشارهای وارد شده تعیین کنیم تا بتوانیم رفتار واقعی ساختار و احتمال آسیب های بیشتر را پیش بینی کنیم. و ما در آخر پیش بینی های خود را با فنداسیون بتنی واقعی کارخانه مقایسه کردیم.
2- حالت های بار
تحلیل فنداسیون نیازمند بررسی دقیق بارهای ماشینی است که به بارهای استاتیک و دینامیک و بارهای اعمال شده در حین عملیات تقسیم می گردد، که توسط کارخانه های تولیدی فراهم می گردد. بار استاتیک اصلی معمولاً توسط بار مرده تجهیزات ایجاد می گردد. از طرف دیگر، اندازه لحظات ایجاد شده توسط مکانیزم های رانش، که معمولاً بعنوان بار عمودی محاسبه می گردد، به سرعت چرخش و خروجی قدرت بستگی دارد.
عدم تعادل، که زمانی ایجاد می گردد که مرکز بخش چرخشی جرم با مرکز چرخش مطابقت نداشته باشد، مسئول بارهای دینامیک اصلی در حین عملیات است. اگرچه این بارها معمولاً توسط سازندگان ماشین معرفی می گردند، با اینحال آنها را می توان بر اساس درجه کیفیت تعادل روتور محاسبه کرد.
بار نامتعادل برآیند با جرک چرخشی بصورت زیر محاسبه می گردد:
که :
= خروج از مرکز مجاز
و
= سرعت روتور.
چون این عدم تعادل در عملیات افزایش می یابد، بدست آمده از معادله 1 را باید در یک عامل ضرب کرد، که معمولاً و نه همیشه باید بیشتر از 2 باشد.
تحلیل دینامیک بر اساس حالت های لرزش ساختارهای مشابه و لرزش های اندازه گیری شده در سرعت های مختلف فن انجام می شود. مطابق معادله 1، کلی همه پیچ ها، که توسط چرخش ایجاد می شود، بترتیب 10، 20، 30، 40 و 50 تن برای فرکانس های چرخشی ذکر شده در بالا خواهد بود. بر اساس جهت چرخش فن، نیروی متمرکز را باید در یک طرف کششی و در طرف دیگر فشاری فرض کنیم. بار استاتیک اعمال شده در سطح توسط ورزش تجهیزات 60 تن فرض شده است.
3- توضیح مدل و مطالعه پارامترها
یک مدل عددی سه بعدی برای بررسی رفتار فنداسیون های بتنی فن های ID در شرایط بارگذاری ترکیبی ایجاد شد. شکل 2 اطلاعات کاملی – مانند اندازه و تعداد آرماتور ها، طول (7 متر)، عرض (3 متر)، و عمق (2 متر) – را درباره فنداسیون بتنی نشان میدهد.
شکل 2: جزئیات فنداسیون
برنامه ریزی اجزای محدود با استاندارد FEA 6.13 انجام شد. نسبت های موقعیت پوسان 0.2 و 0.3 و چگالی های 2400 و در نرم افزار وارد شدند. مؤلفه های بتن و میله های فولادی ابتدا توسط نرم افزار (بر اساس جزئیات عملی و واقعی) تولید شدند و سپس در موقعیت های مناسب جمع آوری شدند. بعلاوه، میله های فولادی به هم متصل شدند و بطور کامل در ساختار بتنی جاسازی شدند.
شکل 3: ابعاد فنداسیون، مدل اجزای محدود و منطقه تعیین شده
شبکه بندی صحیح مؤلفه های ساختاری بدست آمده برای دقت نتایج مهم است. بنابراین، یک شبکه چهاروجهی مربعی و یک شبکه تیر مربعی 3 گره ای در فضا بترتیب برای ساختار بتنی و میله های فولادی در نظر گرفته شد. در مرحله بعدی، بارگذاری استاتیک و دینامیک بر اساس معادلات مربوطه نیروی گریز از مرکز انجام شد. سپس داده های مربوط به اتصالات پشتیبانی ثابت، که شامل همه چرخش ها و حرکت ها است، در منطقه فنداسیون بتنی (A) ایجاد شدند. در مدل دینامیک، مراحل پله/مجموعه بر اساس روش آنالیز، خروجی های مورد نظر (مانند تنش، جابجایی ها، و واکنش های پشتیبان)، و بارهای اعمال شده تحلیل شد. در حین مدلسازی، ما A را بصورت محکم و جابجایی های در محورهای X, Y و Z و
همچنین چرخش را صفر در نظر گرفتیم. چون برآورد ژئوفیزیکی منطقه مطالعه بطور واضح واکنش ها و تنش های اعمال شده بر روی ساختار را تعیین می کند، مدلسازی بر اساس این ارزیابی ها منجر به نتایج دقیق تری خواهد شد. شکل 1 ابعاد فنداسیون مدلسازی شده را نشان میدهد و بخش های مختلف فنداسیون مانند منطقه خاک شده (A)، پایه ستون زیر موتور فن اصلی (B)، سوراخ های ایجاد شده بصورت متقارن در هر دو طرف فنداسیون برای محکم کردن پیچ ها بر روی صفحه زیرین ماشین (C)، پایه ستون زیر فن (D)، و سطوح بارگذاری فنداسیون (E و F) را نشان میدهد.
چهار مدول کشسانی مختلف بتن و سه مدول آرماتور برای مطالعه اثرات خصوصیات فنداسیون انتخاب شدند. یک مسئله اصلی در مدلسازی عددی فنداسیون ها، شبیه سازی نوع بارگذاری اعمال شده در سطح فنداسیون بتن است.
4- فرکانس بار و فرکانس طبیعی
در حین مرحله اولیه فن های ID گریز از مرکز در یک کارخانه بزرگ، لرزش های فنداسیون های متصل به روتور معمولاً در 1200 rpm از 0.05 mm بیشتر می شوند. شکل 4 فرکانس طبیعی فنداسیون بدست آمده از FEM با یافته های اسمیت مقایسه میکند. همانطور که مشاهده میشود، فرکانس در سرعت 1200 دور در دقیقه بود. در این شرایط، جابجایی طبیعی ساختار و جابجایی ایجاد شده توسط لرزش فن ID بترتیب 0.08 و 0.16 mm بود.
شکل 4: دامنه لرزش در مقابل فرکانس طبیعی فنداسیون و فرکانس فن
بنابراین، مقایسه بین سرعت فن و فرکانس طبیعی در سرعت حرکت می تواند سرعت مورد نظر را تعیین کند. اسمیت کمترین فرکانس طبیعی 70 درصدی سرعت حرکت فرکانس فن را پیشنهاد کرده است. محافظه کاری بیشتر در مدل FEM با استفاده از مقدار محدود کمتر از مدول یانگ از برای فنداسیون بتنی وجود دارد.
شکل 5: اثر در مقابل فرکانس فنداسیون طبیعی
شکل 5 اثرات (بترتیب برابر با ) بر روی فرکانس های طبیعی فنداسیوننشان میدهد. تغییرات فنداسیون برای کاهش دامنه های لرزش با استفاده از FEM تحلیل شدند. در این مدل، فرکانس طبیعی بصورت موقتی در مقابل مدول طرف راست بتن و مدول طرف چپ آرماتور قرار داده شد. این نشان میداد که فرکانس چطور به تغییرات در مدول مواد (برای مثال، بتن و آرماتور) وابسته است. البته، بیشتر تغییرات بررسی شده بعلت محدودیت هزینه یا فضا عملی نبودند. در ضمن، FEM می تواند ترکیب بهینه مدول بتن و آرماتور را برای بدست آمدن فرکانس طبیعی بهینه و افزایش عامل امنیت تعریف کند. بعلاوه، فرکانس توسط عامل دو و سه برآیند افزوده در بترتیب مدول کشسانی بتن و آرماتور افزایش داده شد.
بر خلاف پدیده تشدید، فرکانس طبیعی فنداسیون با سرعت حرکت باید حداقل 20 درصد تفاوت داشته باشد. با پیروی از چنین رابطه ای، محل تقاطع دو نمودار می تواند بهترین ترکیب مواد و در نتیجه بیشترین ایمنی را تعیین کند.
4.1 تحلیل خستگی
فشار دینامیک تکراری است و می تواند باعث خستگی شود. خستگی را می توان توسط ضرب کردن فشار دینامیک در ضریب خستگی محاسبه کرد. چون خستگی می تواند به فنداسیون فن های ID آسیب وارد کند، بنابراین خستگی محاسبه دقیق فنداسیون را محدود می کند. ترکیب بار همراه با این شرایط بر اساس منحنی های S-N تعیین می گردد که تعداد دوره های (N) دامنه معکوس (S) هر بار را توصیف میکند. این منحنی ها بر اساس در نظر گرفتن همه موقعیت های بار ممکن که ممکن است در حین عملیات رخ دهد و برای طول عمر فنداسیون پیش بینی گردد (معمولاً 20 سال) بصورت سالیانه ایجاد می گردند/ عمر خستگی بعنوان تعداد دوره های قبل از شکست تعریف می گردد. عمر خستگی بتن مشروط به فشارهای دوره ای را می توان از معادله زیر محاسبه کرد:
که:
= تاب فشردگی نوع شکست مورد نظر
= بزرگترین فشار فشردگی محاسبه شده بعنوان مقدار میانگین در هر بلوک فشار
= کمترین فشار فشردگی محاسبه شده بعنوان مقدار میانگین در هر بلوک فشار
= پارامتر تاب خستگی. برای بتن C5
= 12 برای ساختارهای داخل هوا
5- بحث و تحلیل نتایج و چالش ها
تحلیل اولیه FEM فنداسیون نشان داد که نقاط مهم (1 تا 15 نقطه برای داکت های مستطیلی و 16 تا 28 نقطه برای داکت های دایره ای) مدل باید بعلت موقعیت خود بیشتر ارزیابی شوند. بعلاوه، ترک های فنداسیون بتنی معمولاً نزدیک داکت ها بوجود می آید (شکل 6). بنابراین، تعداد کلی نقاط انتخاب شده حدود 28 نقطه بود، یعنی 1 تا 15 نقطه برای داکت های مستطیلی و 16 تا 28 نقطه برای داکت های دایره ای (بترتیب شکل های 7 و 8).
شکل 6 – نقطه مهم واقعی
شکل 7 – نقاط خمیدگی فنداسیون فن ID تحت بار استاتیک در محور ایکس برای داکت مستطیلی شکل
شکل 8 – نقاط خمیدگی فنداسیون فن ID تحت بار استاتیک د محور y برای داکت های دایره ای شکل
5.1 اثر مواد تغییر یافته و شکل داکت
این مدل تحت بار یکسان 60000 کیلوگرم برای بالای سطح با 20000 کیلوگرم بار نقطه ای طراحی شد که در همه پین ها بعنوان یک نیروی کششی در یک طرف و نیروی فشاری در طرف دیگر عمل میکرد. این مدل برای ترکیب داکت های مستطیلی و دایره ای در مدول های مختلف بتن و آرماتور تعریف شد. تعداد کلی ترکیب ها 14 مدل بود (جداول 1 و 2). داده های فشار و خمش انتخاب شده برای مطالعه از این 28 نقطه در محور Y بدست آمده اند. مقادیر خمش و فشار این نقاط تحت بار فشردگی استاتیک بترتیب بعنوان U و C نشان داده شده است. مقادیر مطابق تحت بار استاتیک کششی بعنوان Ut و Ct نشان داده شده است (شکل های 9 و 10).
شکل 7 نشان میدهد که با افزایش در بتن در طرف راست و آرماتور در طرف چپ، خمیدگی چطور برای نقاط مشخص 5 و 10 کاهش داده می شود. همچنین نشان میدهد که افزایش از 20 به چطور خمیدگی را تا 40 درصد برای نیروی فشاری کاهش میدهد، که با رنگ آبی نشان داده شده اند. اما به همان شیوه برای نقطه کششی تا 30 درصد کاهش داده خواهد شد. از دیدگاه مدول های آرمه شده می توان نتیجه گیری کرد که با افزایش در ، خمیدگی حدود 10 درصد کاهش می یابد. نیروی فشاری همچنین خمیدگی کمتری در مقایسه با نیروی کششی در هر دو شیوه خواهد داشت. در نقطه 5 برای نیروی کششی و فشاری این نتیجه گیری را میتوان کرد که در مدول های کشسانی بالا از بتن و آرماتور، تغییرات زیادی در مقایسه با مدول کم وجود نخواهد داشت. می توان از جداول 2 و 3 نتایج مشابهی را بیان کرد و برای همه نقاط توصیف کرد اما در اینجا فقط دو نقطه نشان داده شده است.
شکل 9 – اثر مختلف بر روی خمیدگی برای نقاط فشردگی (C) ، 5 و 50 و نقاط مطابق با آنها در طرف کششی دیگر
مطابق شکل 10، افزایش در طرف راست و در طرف چپ فشار را بترتیب در نقاط 5 و 10 کاهش میدهد. تحت بار فشردگی، افزایش از به فشار را حدود 25 درصد کاهش میدهد. البته تحت بار کششی، این کاهش به 10 درصد می رسد. از طرف دیگر، ارزیابی شده فشار را 10 درصد کاهش می دهد. مسلماً بار فشردگی سبب فشار کمتری در مقایسه با بار کششس در م یگردد. با این وجود، با مقادیر بالای ، فشارهای ایجاد شده توسط بارهای فشاری و کششی زیاد با هم متفاوت نبودند.
شکل 10 – اثر مختلف بر روی نقاط فشردگی (C) ، 5 و 10 و نقاط مطابق با آنها در طرف کششی دیگر
مطابق شکل 11، داکت های دایره ای میتوانند فشار بر روی نقاط مهم را کاهش دهند. البته، شکل داکت نمی تواند بر روی خمش تأثیری داشته باشد. مقایسه ای بین شکل داکت های مستطیلی و دایره ای، حساسیت بالای داکت نسبت به فشار را نشان میدهد.
شکل 11 – اثر مختلف بر روی فشار برای نقاط فشردگی (C) ، 19 و 22 و نقاط مطابق با آنها در طرف کششی دیگر
5.2 تحلیل فنداسیون تحت بارگذاری استاتیک و دینامیک
همانطور که در 28 نقطه مهم فنداسیون فن تحت بار استاتیک دیده می شود، تفاوت در سطوح فشار و جابجایی در هر جهت و خصوصاً برای شکل های مختلف داکت زیاد مهم نبود. البته مقدار فشار و جابجایی برای فنداسیون فن تحت بار دینامیک حساس تر بود. FEM دینامیک تحت بار دوره ای و سرعت های مختلف فن بود. این مدل برای هر دو نوع شکل داکت و همچنین مورد تحلیل قرار گرفت.
شکل 13 اثرات خصوصیات مادی و سرعت فن در خمیدگی را نشان میدهد. در کل 12 FEM برای تحلیل این شکل بدست آمدند. نتایج حساسیت نقاط ارزیابی شده را نه تنها برای بلکه برای سرعن فن هم مشخص ساخت. با این وجود، این شکل فقط یک سرعت از پنج سرعت و یک نقطه از 28 نقطه را نشان میدهد.
