مقاله ارزیابی عملکرد هیدرولیکی شبکه انتقال آب مدفون تحت اثر زلزله حوزه دور و تأثیر نتایج آن بر برنامه ریزی و مدیریت بحران شهری

بخشی از مقاله

خلاصه
سيستم هاي خدماتي در جامعه شهري که کارکرد آنها بر روي يکديگر اثر متقابل دارند و زندگي شهري به آنها وابسته است را ميتوان شريان هاي حياتي ناميد به طوري که عملکرد بد آنها باعث عملکرد بد فعاليت هاي شهر ميشود و حيات جامعه شهري به خدمت رساني اين شبکه ها وابسته است . شبکه هاي آب رساني يکي از اعضاء حساس و حياتي خانواده بزرگ شريان هاي حياتي هستند. برآورد ميزان شکستگي هاي ناشي از نيروي زلزله روي لوله هاي آب رساني مدفون در شهرها بسيار مهم است . در اين مطالعه ، ابتدا شبکه آب رساني منطقه مسگرآباد تهران توسط برنامه AutoPIPE مدل سازي شده و با استفاده از طيف هاي شتاب -زمان سه زلزله مهم که آسيب هاي زيادي را در شبکه هاي آب رساني در مناطق مختلف ايجاد کرده اند، به طور هم زمان مورد تحليل استاتيکي و ديناميکي قرارگرفته است و نقاط و ميزان آسيب ديدگي مشخص گرديده است . همچنين ، شبکه آب رساني منطقه توسط نرم افزار WaterGEMS مدل سازي گشته است . با مقايسه نتايج هيدروليکي حاصل از قبل و بعد از وقوع زلزله ، ميزان آسيب پذيري شبکه آب رساني تعيين شده است . با توجه به نتايج محاسبات هيدروليکي شبکه ، شدت دبي نشت به ميزاني خواهد رسيد که در برخي از نقاط شبکه آب رساني سرعت آب درون لوله به زير حدود استاندارد (کمتر از 3/0 متر بر ثانيه ) رسيده است و شبکه عملا قابليت بهره برداري نخواهد داست . بنابراين انتظار مي رود، وقوع يک زلزله محتمل بزرگ در اين منطقه باعث افت شديد در عملکرد شبکه آب رساني اين مناطق شده و در برخي از نقاط عملا آب قطع گرديده و يا فشار موجود توانايي برآورد نيازهاي اضطراري نظير عمليات اطفاء حريق آتش نشاني ، فعاليت مراکز حساس از قبيل بيمارستان ها و مانند اين را نخواهد داشت . بنابراين با در نظر گرفتن نتايج اين تحقيق در برنامه ريزي شهري، ميتوان نسبت به پيش بيني شرايط بحراني بعد از وقوع زلزله و مديريت بحران تأسيسات حياتي و امدادي اقدامات اضطراري لازم را از پيش برنامه ريزي و طراحي نمود.
واژه هاي کليدي: لوله مدفون - شبکه آب رساني- زلزله – گسيختگي – مديريت بحران
١. مقدمه
شبکه هاي آب رساني يکي از اعضاي حساس و حياتي خانواده بزرگ شريان هاي حياتي هستند. به طوري که حيات جامعه شهري به خدمت رساني اين شبکه ها وابسته است . در زلزله هاي گذشته ، خرابي هاي زيادي در اين شبکه ها مشاهده شده است که درنتيجه اين صدمات ، آسيب هاي زيادي به طور مستقيم و غيرمستقيم متوجه ساکنين شده است . شبکه هاي آب رساني شهري عموما به صورت مدفون در خاک طراحي و اجرا ميگردند. به همين دليل پژوهش هاي زيادي در مورد اثر زمين لرزه بر کارايي اين شبکه ها بعد از وقوع زلزله انجام شده و يا در حال انجام ميباشد.
برخي از محققين براي سنجش ميزان آسيب به شبکه خطوط لوله مدفون از روابط شکست استفاده نموده اند. اين روابط ، ميزان آسيب در خط لوله را به طور تجربي و بر اساس اطلاعات به دست آمده از زلزله هاي قبلي ارائه ميکنند. اگوچي و همکاران شکست خطوط لوله در برابر حرکات دائمي زمين و انتشار امواج را جدا نمودند. ارورک و آيالا با تکميل کارهاي قبلي و بر اساس اطلاعات موجود از چهار زلزله ايالات متحده و دو زلزله مکزيک ، نمودار نرخ آسيب را در برابر سرعت موج زلزله براي انواع لوله هاي بتني، چدني و آزبست سيماني ترسيم نمودند. آنها نمودار نهايي نرخ آسيب را بر اساس رگرسيون خطي از اطلاعات موجود به دست آوردند و دليل عدم انطباق چند نقطه را با بقيه نقاط ، خوردگي خطوط لوله و اثر خاک منطقه دانستند. چن و همکاران مطالعاتي را در مورد خسارات وارده به لوله کشي گاز و آب در اثر زلزله چي چي در تايوان انجام دادند و روابط شکست را نهايتا پيشنهاد نمودند. همچنين در اين تحقيق مشخص شد که بهترين پارامتر براي تعيين ميزان خسارت لوله هاي گاز به ترتيب شتاب بيشينه زمين ، شدت طيفي و سرعت بيشينه زمين است .
ميزان آسيب پذيري در لوله هاي باريک بيشتر از لوله هاي بزرگ است . توپراک و تسکين خسارات احتمالي وارده به شبکه لوله آب مدفون در شهر دنيزلي ترکيه را در اثر انتشار امواج زلزله به کمک روابط شکست بررسي نمودند. بر اساس روابط شکست به دست آمده از زلزله هاي قبلي در نقاط ديگر، ميزان کل خسارت در شهر براي لوله هاي نرم و ترد محاسبه و مقايسه شد. نشان داده شد که نتايج به دست آمده از روابط شکست مختلف ، اختلاف زيادي دارند و پيشنهاد شد براي دستيابي به نتايج بهتر، بايد اثر قطر لوله ها و مشخصات خاک نيز در روابط شکست لحاظ گردند.
منحني هاي شکست لوله هاي مدفون که نرخ آسيب را در واحد سطح يا طول بيان مي نمايند، اکثرا از اطلاعات آماري زلزله هاي گذشته به دست مي آيند. تاداکا و همکاران روشي را براي محاسبه منحني شکست لوله هاي مدفون در اثر حرکات شديد زمين ارائه نمودند و با ميانگين گيري شکست در لوله اتصالات ، نرخ آسيب را در خط لوله در برابر سرعت موج ترسيم نمودند.
بسياري از محققين به محاسبه پاسخ خطوط لوله مدفون در برابر زلزله ، به روش هاي تحليلي يا عددي روي آورده اند. نيومارک و روزنبلوت پاسخ لوله مدفون را تحت اثر زلزله بررسي نمودند. آنها تغيير شکل لوله را مشابه زمين فرض کردند و طبعا از جابجايي نسبي بين لوله و خاک صرف نظر نمودند. به علت اينکه در اين کار، تغيير مکان لوله و خاک يکسان فرض شده بود، نتايج پاسخ در لوله بسيار محافظه کارانه بود. در راستاي رفع اين نقيصه ، روش هاي ديگري از سوي ونگ و همکاران ، شاه و چو ، تاکادا و ارورک و همکاران ارائه شده که هرکدام از اين روش ها فرضيات تصحيح کننده اي را نسبت به کار اوليه نيومارک و روزنبلوت به کار بستند. ارورک و الحمادي اثر انتشار امواج لرزه اي را روي ميله هاي پوسته مدفون بررسي نمودند. معادله ديفرانسيل ارتعاش ديناميک محوري لوله را نوشتند و ازجمله اينرسي صرف نظر نمودند و حداکثر کرنش ايجادشده در لوله را برحسب کرنش زمين محاسبه کردند. ضمنا فرض کردند که لوله تحت اثر يک موج سينوسي قرار دارد و رفتار لوله خطي است . رفتار فنر معادل خاک را الاستوپلاستيک در نظر گرفتند و در دو حالت رفتار خطي و حالتي که وارد فاز پلاستيک شده باشد مسئله را حل نمودند.
پژوهش حاضر در راستاي برآورد ميزان شکستگي هاي ناشي از نيروي زلزله در لوله هاي آب رساني مدفون و تأثير آن بر عملکرد شبکه هاي آب رساني انجام شده است و عمده تفاوت آن با موارد اشاره شده در بالا، تغيير نوع محاسبات از عمدتا آماري در روش هاي فوق به محاسبات دقيق المان محدود و برآورد دقيق محل شکستگيها ميباشد
٢. مواد و روش ها
در اين مطالعه ، ابتدا شبکه آب رساني منطقه مسگرآباد* تهران توسط برنامه AutoPIPE و با استفاده از تئـوري فنـر بجاي خاک، مدل سازي شد. اين نرم افزار با استفاده از تئوري اجزاي محدود، به مدل سازي شبکه هـاي لولـه مـيپـردازد. در حالت شبکه لوله مدفون ، خاک به صورت فنرهايي با سختي تعريف شده از سوي کاربر مدل ميگردد. با استفاده از طيف هـاي رکورد شتاب نگاشت سه زلزله حوزه دور مهم که آسيب هاي عمده اي را به شبکه هاي آب رسـاني منـاطق حادثـه ديـده وارد کرده اند٬ مدل را تحت بارهاي زلزله تحليل کرده و با استفاده از نتايج به دست آمده ، به بررسي خسـارت هـاي وارده پرداختـه ميشود.
بعد از انطباق نيروهاي حاصل از تحليل هاي استاتيکي و ديناميک ، ميزان تنش کل بـراي تمـام نقـاط شـبکه نمـايش داده شده است . در اين مرحله ، با مقايسه مقدار تنش کل با تنش مجاز لوله هاي شبکه آب رساني که از جـنس چـدن نشـکن مدل سازي شده اند٬ نقاطي که نسبت تنش ها از يک بيشتر شده است را به عنوان نقاط گسيختگي شبکه از نتـايج اسـتخراج کرده و با استفاده از روش تادا و پاريس سطح ترک حاصل از اثر نيروي زلزله محاسبه شـده اسـت . همچنـين ، شـبکه آب رساني اين منطقه توسط نرم افزار WaterGEMS مدل سازي شد. ابتدا، شبکه بـا توجـه بـه شـرايط عـادي بـه صـورت هيدروليکي تحليل گرديده و سرعت جريان آب در تمامي نقاط شبکه محاسـبه شـده اسـت . سـپس ، بـا اسـتفاده از تئـوري روزنه و با جايگذاري روزنه هاي معادل ترک در مدل شبکه ، دبي خروجي از نقاط شکستگي محاسبه شده و شـبکه مجـددا توسط نرم افزار WaterGEMS تحليل هيدروليکي گرديد. با مقايسه نتايج هيدروليکي حاصل از قبل و بعد از وقوع زلزلـه ، ميزان آسيب پذيري شبکه آب رساني تعيين شد.
٢-١. مشخصات لوله ها در شبکه آب رساني مسگرآباد
در مدل شبکه آب رساني مسگرآباد، لوله ها از جنس چدن نشکن انتخاب گرديده ٬ که با توجه بـه اسـتاندارد ASTMA٥٣٦ مشخصات آن به شرح زير ميباشد:
200N/mm3 .275 1.60/oC E170GPa
در اين مدل ، لوله هايي با قطرهاي مختلف به کار گرفته شده که با توجـه بـه اسـتاندارد ISO٢٥٣١ و اطلاعـات فنـي
دريافت شده از کاتالوگ شرکت لوله و ماشين سازي ايران ، مشخصات هندسي آنهـا بـه شـرح جـدول ١ مـيباشـد. مقـدار e
(شکل ١) جدول ١ از رابطه زير به دست آمده است :
e0.5.001DN) (1)
*اين محله در يکي از جنوبي ترين نقاط شرق تهران است . حدود ٣٥-٤٠هکتار مساحت ،منطقه اي داراي فراز و نشيب فراوان است . حدود
١٢٠٠ خانوار در مسگرآباد زندگي ميکنند،که حدودا ٤٠٠٠ نفر جمعيت دارند.
†- در شتاب نگاشت زلزله حوزه دور فاصله دستگاه شتاب نگار از گسل بيش از ١٠ کيلومتر بوده است .
‡ - Orifice
3 www.CAUP.ir

که در آن e ضخامت اسمي جدار لوله و DN قطر اسمي لولـه و همچنـين در جـدول ١، DE قطـر خـارجي، r١ و r٢
شعاع داخلي و خارجي، A مساحت مقطع جدار و I ممان اينرسي سطح مقطع جدار لوله است .
همچنين ، مقدار تنش مجاز لوله هاي چـدني نشـکن بـا حـداقل ازديـاد طـول بعـد از شکسـت (A) ١٢٪٬ بـه ميـزان
MPa٢٧٠ تعيين شده است .
شکل ١- مقطع لوله
جدول ١- مشخصات هندسي مقطع لوله ها
DN e(mm) D (mm) D r1(mm) A=(mm)r2)2 2) I(mm)4)r4 4)
r2(mm)
=2 =r2−e −r1 =42−r1
500 9 532 266 257 14787.48 505750185
400 8.1 429 214.5 206.4 710.6 237269815
350 7.7 378 189 181.3 8957.65 153602927
300 7.2 326 163 155.8 7211.09 91657664
250 6.8 274 137 130.2 5708.15 50975247
200 6.3 222 111 104.7 4269.14 24849702
150 6 170 85 79 3091.33 10406953
100 6 118 59 53 2111.15 3319784
٢-٢. مشخصات خاک در مدل خاک- لوله
با توجه به اينکه عموما در هنگام اجراي لوله گذاري در داخل ترانشه هاي حفرشده ، ابتدا ماسه زيرسازي شده و سـپس لوله گذاري انجام مي گردد و بعد از آن نيز روي لوله ها را با ماسه ميپوشانند و با توه به اينکه اين کار با تـراکم دهـي خاصـي انجام نميپذيرد، لذا در اين مدل سازي، جنس خاک از نوع ماسه با قابليت تراکم کم انتخـاب شـده اسـت . همچنـين ، بـراي کمتر شدن حجم محاسبات و ساده تر شدن مدل خاک- لوله ٬ فرض مـيشـود جـنس خـاک در تمـام طـول شـبکه تغييـر نمييابد.
نمونه مشخصات محاسبه شده براي لوله ٥٠٠=DN در جدول ٢ ارائه شده است که در آن P و K به ترتيب مقاومت نهايي و ضريب سختي خاک در برابر تمايل به حرکت لوله در راستاي طولي، عرضي و عمودي به سـمت بـالا و عمـودي بـه سمت پايين مي باشد. لازم به ذکر است که در نرم افزار اتوپايپ بايد براي هر نوع لوله ، مشخصات خاک مربوطه بـا توجـه بـه جنس و قطر لوله ، به طور جداگانه محاسبه گرديد و بعنوان اطلاعات ورودي نرم افزار وارد شود.
4 www.CAUP.ir

جدول ٢- مقادير P١ و K١ محاسبه شده خاک براي لوله ٥٠٠=DN
k1(N/mm) P1(N)
mm m
Transverse Horizontal 33.87 74000
Longitudinal 1.24 13750
Transverse Vertical Down 15.2 950000
Transverse Vertical UP 2.14 28550
٣. تحليل ديناميک مدل شبکه مسگرآباد
٣-١. اطلاعات شتاب نگاشت
در اين مرحله و بعد از اتمام مراحل رسم هندسي مدل و محاسبات مربوط بـه مـدل خـاک- لولـه و درج پارامترهـاي موردنياز در محيط نرم افزار ميبايست با استفاده از اطلاعات شتاب نگاشت زلزله هاي موردنظر و استخراج و انتقـال اطلاعـات شتاب - زمان به محيط نرم افزار، مدل شبکه لوله ها براي بارگذاري و تحليل لرزه اي آماده ميگردد.
در شکل هاي ٢ الي ٤، نمودار شتاب نگاشت سه زلزله (سان فرناندو، کوبه و چي چي به صورت حوزه دور) مورد اسـتفاده
در تحليل لرزه اي ارائه شده که اطلاعـات آنهـا از peer.berkeley.edu/peer_ground_motion_database//http:
برداشت گرديده و اطلاعات شتاب -زمان آن توسط نرم افزار SeismoSignal استخراج گرديده است .
الف - طولي ب - عرضي
5 www.CAUP.ir

ج - عمودي
شکل ٢- نمودارهاي شتاب - زمان زلزله سان فرناندو (فاصله شتاب نگار از حوزه ١٤ کيلومتر)
شتاب برحسب g (محور عمودي)- زمان برحسب ثانيه (محور افقي)
الف - طولي ب - عرضي ج - عمودي
شکل ٣- نمودارهاي شتاب - زمان زلزله چي چي (فاصله شتاب نگار از حوزه ١١ کيلومتر)
شتاب برحسب g (محور عمودي)- زمان برحسب ثانيه (محور افقي)
الف - طولي
6 www.CAUP.ir

ب - عرضي ج - عمودي
شکل ٤- نمودارهاي شتاب - زمان زلزله کوبه (فاصله شتاب نگار از حوزه ١٧ کيلومتر)
شتاب برحسب g (محور عمودي)- زمان برحسب ثانيه (محور افقي)
٣-٢. نتايج محاسبات تاريخچه زماني * مدل شبکه آب رساني
در شکل هاي ٥- الف و ٥- ب نمايي از شبکه آب رساني مدفون منطقه مسگرآباد تحت اثر بارهاي عملياتي و همچنـين بارهاي وارده از زلزله به روش تاريخچه زماني توسط نرم افزار AutoPIPE به نمايش درآمده است .
شکل ٥- نماي شماتيک شبکه آب رساني منطقه مسگرآباد، تحليل شده توسط AutoPIPE
* Time history
7 www.CAUP.ir

Ratio to Allowable Stress
جدول ٣- نتايج تحليل ديناميک مدل شبکه آب رساني منطقه مسگرآباد با استفاده از اطلاعات شتاب - زمان زلزله سان فرناندو
جدول ٤- نتايج تحليل ديناميک مدل شبکه آب رساني منطقه مسگرآباد با استفاده از اطلاعات شتاب - زمان زلزله کوبه
8 www.CAUP.ir