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

word قابل ویرایش
25 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

خلاصه
سیستم های خدماتی در جامعه شهری که کارکرد آنها بر روی یکدیگر اثر متقابل دارند و زندگی شهری به آنها وابسته است را میتوان شریان های حیاتی نامید به طوری که عملکرد بد آنها باعث عملکرد بد فعالیت های شهر میشود و حیات جامعه شهری به خدمت رسانی این شبکه ها وابسته است . شبکه های آب رسانی یکی از اعضاء حساس و حیاتی خانواده بزرگ شریان های حیاتی هستند. برآورد میزان شکستگی های ناشی از نیروی زلزله روی لوله های آب رسانی مدفون در شهرها بسیار مهم است . در این مطالعه ، ابتدا شبکه آب رسانی منطقه مسگرآباد تهران توسط برنامه AutoPIPE مدل سازی شده و با استفاده از طیف های شتاب -زمان سه زلزله مهم که آسیب های زیادی را در شبکه های آب رسانی در مناطق مختلف ایجاد کرده اند، به طور هم زمان مورد تحلیل استاتیکی و دینامیکی قرارگرفته است و نقاط و میزان آسیب دیدگی مشخص گردیده است . همچنین ، شبکه آب رسانی منطقه توسط نرم افزار WaterGEMS مدل سازی گشته است . با مقایسه نتایج هیدرولیکی حاصل از قبل و بعد از وقوع زلزله ، میزان آسیب پذیری شبکه آب رسانی تعیین شده است . با توجه به نتایج محاسبات هیدرولیکی شبکه ، شدت دبی نشت به میزانی خواهد رسید که در برخی از نقاط شبکه آب رسانی سرعت آب درون لوله به زیر حدود استاندارد (کمتر از ۳/۰ متر بر ثانیه ) رسیده است و شبکه عملا قابلیت بهره برداری نخواهد داست . بنابراین انتظار می رود، وقوع یک زلزله محتمل بزرگ در این منطقه باعث افت شدید در عملکرد شبکه آب رسانی این مناطق شده و در برخی از نقاط عملا آب قطع گردیده و یا فشار موجود توانایی برآورد نیازهای اضطراری نظیر عملیات اطفاء حریق آتش نشانی ، فعالیت مراکز حساس از قبیل بیمارستان ها و مانند این را نخواهد داشت . بنابراین با در نظر گرفتن نتایج این تحقیق در برنامه ریزی شهری، میتوان نسبت به پیش بینی شرایط بحرانی بعد از وقوع زلزله و مدیریت بحران تأسیسات حیاتی و امدادی اقدامات اضطراری لازم را از پیش برنامه ریزی و طراحی نمود.
واژه های کلیدی: لوله مدفون – شبکه آب رسانی- زلزله – گسیختگی – مدیریت بحران
١. مقدمه
شبکه های آب رسانی یکی از اعضای حساس و حیاتی خانواده بزرگ شریان های حیاتی هستند. به طوری که حیات جامعه شهری به خدمت رسانی این شبکه ها وابسته است . در زلزله های گذشته ، خرابی های زیادی در این شبکه ها مشاهده شده است که درنتیجه این صدمات ، آسیب های زیادی به طور مستقیم و غیرمستقیم متوجه ساکنین شده است . شبکه های آب رسانی شهری عموما به صورت مدفون در خاک طراحی و اجرا میگردند. به همین دلیل پژوهش های زیادی در مورد اثر زمین لرزه بر کارایی این شبکه ها بعد از وقوع زلزله انجام شده و یا در حال انجام میباشد.
برخی از محققین برای سنجش میزان آسیب به شبکه خطوط لوله مدفون از روابط شکست استفاده نموده اند. این روابط ، میزان آسیب در خط لوله را به طور تجربی و بر اساس اطلاعات به دست آمده از زلزله های قبلی ارائه میکنند. اگوچی و همکاران شکست خطوط لوله در برابر حرکات دائمی زمین و انتشار امواج را جدا نمودند. ارورک و آیالا با تکمیل کارهای قبلی و بر اساس اطلاعات موجود از چهار زلزله ایالات متحده و دو زلزله مکزیک ، نمودار نرخ آسیب را در برابر سرعت موج زلزله برای انواع لوله های بتنی، چدنی و آزبست سیمانی ترسیم نمودند. آنها نمودار نهایی نرخ آسیب را بر اساس رگرسیون خطی از اطلاعات موجود به دست آوردند و دلیل عدم انطباق چند نقطه را با بقیه نقاط ، خوردگی خطوط لوله و اثر خاک منطقه دانستند. چن و همکاران مطالعاتی را در مورد خسارات وارده به لوله کشی گاز و آب در اثر زلزله چی چی در تایوان انجام دادند و روابط شکست را نهایتا پیشنهاد نمودند. همچنین در این تحقیق مشخص شد که بهترین پارامتر برای تعیین میزان خسارت لوله های گاز به ترتیب شتاب بیشینه زمین ، شدت طیفی و سرعت بیشینه زمین است .
میزان آسیب پذیری در لوله های باریک بیشتر از لوله های بزرگ است . توپراک و تسکین خسارات احتمالی وارده به شبکه لوله آب مدفون در شهر دنیزلی ترکیه را در اثر انتشار امواج زلزله به کمک روابط شکست بررسی نمودند. بر اساس روابط شکست به دست آمده از زلزله های قبلی در نقاط دیگر، میزان کل خسارت در شهر برای لوله های نرم و ترد محاسبه و مقایسه شد. نشان داده شد که نتایج به دست آمده از روابط شکست مختلف ، اختلاف زیادی دارند و پیشنهاد شد برای دستیابی به نتایج بهتر، باید اثر قطر لوله ها و مشخصات خاک نیز در روابط شکست لحاظ گردند.
منحنی های شکست لوله های مدفون که نرخ آسیب را در واحد سطح یا طول بیان می نمایند، اکثرا از اطلاعات آماری زلزله های گذشته به دست می آیند. تاداکا و همکاران روشی را برای محاسبه منحنی شکست لوله های مدفون در اثر حرکات شدید زمین ارائه نمودند و با میانگین گیری شکست در لوله اتصالات ، نرخ آسیب را در خط لوله در برابر سرعت موج ترسیم نمودند.
بسیاری از محققین به محاسبه پاسخ خطوط لوله مدفون در برابر زلزله ، به روش های تحلیلی یا عددی روی آورده اند. نیومارک و روزنبلوت پاسخ لوله مدفون را تحت اثر زلزله بررسی نمودند. آنها تغییر شکل لوله را مشابه زمین فرض کردند و طبعا از جابجایی نسبی بین لوله و خاک صرف نظر نمودند. به علت اینکه در این کار، تغییر مکان لوله و خاک یکسان فرض شده بود، نتایج پاسخ در لوله بسیار محافظه کارانه بود. در راستای رفع این نقیصه ، روش های دیگری از سوی ونگ و همکاران ، شاه و چو ، تاکادا و ارورک و همکاران ارائه شده که هرکدام از این روش ها فرضیات تصحیح کننده ای را نسبت به کار اولیه نیومارک و روزنبلوت به کار بستند. ارورک و الحمادی اثر انتشار امواج لرزه ای را روی میله های پوسته مدفون بررسی نمودند. معادله دیفرانسیل ارتعاش دینامیک محوری لوله را نوشتند و ازجمله اینرسی صرف نظر نمودند و حداکثر کرنش ایجادشده در لوله را برحسب کرنش زمین محاسبه کردند. ضمنا فرض کردند که لوله تحت اثر یک موج سینوسی قرار دارد و رفتار لوله خطی است . رفتار فنر معادل خاک را الاستوپلاستیک در نظر گرفتند و در دو حالت رفتار خطی و حالتی که وارد فاز پلاستیک شده باشد مسئله را حل نمودند.
پژوهش حاضر در راستای برآورد میزان شکستگی های ناشی از نیروی زلزله در لوله های آب رسانی مدفون و تأثیر آن بر عملکرد شبکه های آب رسانی انجام شده است و عمده تفاوت آن با موارد اشاره شده در بالا، تغییر نوع محاسبات از عمدتا آماری در روش های فوق به محاسبات دقیق المان محدود و برآورد دقیق محل شکستگیها میباشد
٢. مواد و روش ها
در این مطالعه ، ابتدا شبکه آب رسانی منطقه مسگرآباد* تهران توسط برنامه AutoPIPE و با استفاده از تئـوری فنـر بجای خاک، مدل سازی شد. این نرم افزار با استفاده از تئوری اجزای محدود، به مدل سازی شبکه هـای لولـه مـیپـردازد. در حالت شبکه لوله مدفون ، خاک به صورت فنرهایی با سختی تعریف شده از سوی کاربر مدل میگردد. با استفاده از طیف هـای رکورد شتاب نگاشت سه زلزله حوزه دور مهم که آسیب های عمده ای را به شبکه های آب رسـانی منـاطق حادثـه دیـده وارد کرده اند٬ مدل را تحت بارهای زلزله تحلیل کرده و با استفاده از نتایج به دست آمده ، به بررسی خسـارت هـای وارده پرداختـه میشود.
بعد از انطباق نیروهای حاصل از تحلیل های استاتیکی و دینامیک ، میزان تنش کل بـرای تمـام نقـاط شـبکه نمـایش داده شده است . در این مرحله ، با مقایسه مقدار تنش کل با تنش مجاز لوله های شبکه آب رسانی که از جـنس چـدن نشـکن مدل سازی شده اند٬ نقاطی که نسبت تنش ها از یک بیشتر شده است را به عنوان نقاط گسیختگی شبکه از نتـایج اسـتخراج کرده و با استفاده از روش تادا و پاریس سطح ترک حاصل از اثر نیروی زلزله محاسبه شـده اسـت . همچنـین ، شـبکه آب رسانی این منطقه توسط نرم افزار WaterGEMS مدل سازی شد. ابتدا، شبکه بـا توجـه بـه شـرایط عـادی بـه صـورت هیدرولیکی تحلیل گردیده و سرعت جریان آب در تمامی نقاط شبکه محاسـبه شـده اسـت . سـپس ، بـا اسـتفاده از تئـوری روزنه و با جایگذاری روزنه های معادل ترک در مدل شبکه ، دبی خروجی از نقاط شکستگی محاسبه شده و شـبکه مجـددا توسط نرم افزار WaterGEMS تحلیل هیدرولیکی گردید. با مقایسه نتایج هیدرولیکی حاصل از قبل و بعد از وقوع زلزلـه ، میزان آسیب پذیری شبکه آب رسانی تعیین شد.
٢-١. مشخصات لوله ها در شبکه آب رسانی مسگرآباد
در مدل شبکه آب رسانی مسگرآباد، لوله ها از جنس چدن نشکن انتخاب گردیده ٬ که با توجه بـه اسـتاندارد ASTMA۵٣۶ مشخصات آن به شرح زیر میباشد:
۲۰۰N/mm3 .۲۷۵ ۱٫۶۰/oC E۱۷۰GPa
در این مدل ، لوله هایی با قطرهای مختلف به کار گرفته شده که با توجـه بـه اسـتاندارد ISO٢۵٣١ و اطلاعـات فنـی
دریافت شده از کاتالوگ شرکت لوله و ماشین سازی ایران ، مشخصات هندسی آنهـا بـه شـرح جـدول ١ مـیباشـد. مقـدار e
(شکل ١) جدول ١ از رابطه زیر به دست آمده است :
e۰٫۵.۰۰۱DN) (1)
*این محله در یکی از جنوبی ترین نقاط شرق تهران است . حدود ٣۵-۴٠هکتار مساحت ،منطقه ای دارای فراز و نشیب فراوان است . حدود
١٢٠٠ خانوار در مسگرآباد زندگی میکنند،که حدودا ۴٠٠٠ نفر جمعیت دارند.
†- در شتاب نگاشت زلزله حوزه دور فاصله دستگاه شتاب نگار از گسل بیش از ١٠ کیلومتر بوده است .
‡ – Orifice
۳ www.CAUP.ir

که در آن e ضخامت اسمی جدار لوله و DN قطر اسمی لولـه و همچنـین در جـدول ١، DE قطـر خـارجی، r١ و r٢
شعاع داخلی و خارجی، A مساحت مقطع جدار و I ممان اینرسی سطح مقطع جدار لوله است .
همچنین ، مقدار تنش مجاز لوله های چـدنی نشـکن بـا حـداقل ازدیـاد طـول بعـد از شکسـت (A) ١٢٪٬ بـه میـزان
MPa٢٧٠ تعیین شده است .
شکل ١- مقطع لوله
جدول ١- مشخصات هندسی مقطع لوله ها
DN e(mm) D (mm) D r1(mm) A=(mm)r2)2 2) I(mm)4)r4 4)
r2(mm)
=۲ =r2−e −r1 =42−r1
۵۰۰ ۹ ۵۳۲ ۲۶۶ ۲۵۷ ۱۴۷۸۷٫۴۸ ۵۰۵۷۵۰۱۸۵
۴۰۰ ۸٫۱ ۴۲۹ ۲۱۴٫۵ ۲۰۶٫۴ ۷۱۰٫۶ ۲۳۷۲۶۹۸۱۵
۳۵۰ ۷٫۷ ۳۷۸ ۱۸۹ ۱۸۱٫۳ ۸۹۵۷٫۶۵ ۱۵۳۶۰۲۹۲۷
۳۰۰ ۷٫۲ ۳۲۶ ۱۶۳ ۱۵۵٫۸ ۷۲۱۱٫۰۹ ۹۱۶۵۷۶۶۴
۲۵۰ ۶٫۸ ۲۷۴ ۱۳۷ ۱۳۰٫۲ ۵۷۰۸٫۱۵ ۵۰۹۷۵۲۴۷
۲۰۰ ۶٫۳ ۲۲۲ ۱۱۱ ۱۰۴٫۷ ۴۲۶۹٫۱۴ ۲۴۸۴۹۷۰۲
۱۵۰ ۶ ۱۷۰ ۸۵ ۷۹ ۳۰۹۱٫۳۳ ۱۰۴۰۶۹۵۳
۱۰۰ ۶ ۱۱۸ ۵۹ ۵۳ ۲۱۱۱٫۱۵ ۳۳۱۹۷۸۴
٢-٢. مشخصات خاک در مدل خاک- لوله
با توجه به اینکه عموما در هنگام اجرای لوله گذاری در داخل ترانشه های حفرشده ، ابتدا ماسه زیرسازی شده و سـپس لوله گذاری انجام می گردد و بعد از آن نیز روی لوله ها را با ماسه میپوشانند و با توه به اینکه این کار با تـراکم دهـی خاصـی انجام نمیپذیرد، لذا در این مدل سازی، جنس خاک از نوع ماسه با قابلیت تراکم کم انتخـاب شـده اسـت . همچنـین ، بـرای کمتر شدن حجم محاسبات و ساده تر شدن مدل خاک- لوله ٬ فرض مـیشـود جـنس خـاک در تمـام طـول شـبکه تغییـر نمییابد.
نمونه مشخصات محاسبه شده برای لوله ۵٠٠=DN در جدول ٢ ارائه شده است که در آن P و K به ترتیب مقاومت نهایی و ضریب سختی خاک در برابر تمایل به حرکت لوله در راستای طولی، عرضی و عمودی به سـمت بـالا و عمـودی بـه سمت پایین می باشد. لازم به ذکر است که در نرم افزار اتوپایپ باید برای هر نوع لوله ، مشخصات خاک مربوطه بـا توجـه بـه جنس و قطر لوله ، به طور جداگانه محاسبه گردید و بعنوان اطلاعات ورودی نرم افزار وارد شود.
۴ www.CAUP.ir

جدول ٢- مقادیر P١ و K١ محاسبه شده خاک برای لوله ۵٠٠=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. تحلیل دینامیک مدل شبکه مسگرآباد
٣-١. اطلاعات شتاب نگاشت
در این مرحله و بعد از اتمام مراحل رسم هندسی مدل و محاسبات مربوط بـه مـدل خـاک- لولـه و درج پارامترهـای موردنیاز در محیط نرم افزار میبایست با استفاده از اطلاعات شتاب نگاشت زلزله های موردنظر و استخراج و انتقـال اطلاعـات شتاب – زمان به محیط نرم افزار، مدل شبکه لوله ها برای بارگذاری و تحلیل لرزه ای آماده میگردد.
در شکل های ٢ الی ۴، نمودار شتاب نگاشت سه زلزله (سان فرناندو، کوبه و چی چی به صورت حوزه دور) مورد اسـتفاده
در تحلیل لرزه ای ارائه شده که اطلاعـات آنهـا از peer.berkeley.edu/peer_ground_motion_database//http:
برداشت گردیده و اطلاعات شتاب -زمان آن توسط نرم افزار SeismoSignal استخراج گردیده است .
الف – طولی ب – عرضی
۵ www.CAUP.ir

ج – عمودی
شکل ٢- نمودارهای شتاب – زمان زلزله سان فرناندو (فاصله شتاب نگار از حوزه ١۴ کیلومتر)
شتاب برحسب g (محور عمودی)- زمان برحسب ثانیه (محور افقی)
الف – طولی ب – عرضی ج – عمودی
شکل ٣- نمودارهای شتاب – زمان زلزله چی چی (فاصله شتاب نگار از حوزه ١١ کیلومتر)
شتاب برحسب g (محور عمودی)- زمان برحسب ثانیه (محور افقی)
الف – طولی
۶ www.CAUP.ir

ب – عرضی ج – عمودی
شکل ۴- نمودارهای شتاب – زمان زلزله کوبه (فاصله شتاب نگار از حوزه ١٧ کیلومتر)
شتاب برحسب g (محور عمودی)- زمان برحسب ثانیه (محور افقی)
٣-٢. نتایج محاسبات تاریخچه زمانی * مدل شبکه آب رسانی
در شکل های ۵- الف و ۵- ب نمایی از شبکه آب رسانی مدفون منطقه مسگرآباد تحت اثر بارهای عملیاتی و همچنـین بارهای وارده از زلزله به روش تاریخچه زمانی توسط نرم افزار AutoPIPE به نمایش درآمده است .
شکل ۵- نمای شماتیک شبکه آب رسانی منطقه مسگرآباد، تحلیل شده توسط AutoPIPE
* Time history
۷ www.CAUP.ir

Ratio to Allowable Stress
جدول ٣- نتایج تحلیل دینامیک مدل شبکه آب رسانی منطقه مسگرآباد با استفاده از اطلاعات شتاب – زمان زلزله سان فرناندو
جدول ۴- نتایج تحلیل دینامیک مدل شبکه آب رسانی منطقه مسگرآباد با استفاده از اطلاعات شتاب – زمان زلزله کوبه
۸ www.CAUP.ir

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 25 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد