بخشی از مقاله
بررسی خرابی های ناشی از اثر انفجار بر روی مخازن شکل پذیر فولادی مهار شده با سقف مخروطی دارای تکیه گاه داخلی
چکیده
مخازن فولادی استوانه ای روزمینی از جمله سازه ها و تجهیزات صنعتی هستند که نقش حساسی در ذخیره مواد نفتی و پالایشگاهی، تامین آب آشامیدنی و سیستمهای اطفاء حریق دارند. آمار حملات، گزارش حوادث و اتفاقات رخ داده در پالایشگاه ها نشان می دهد که این سازه ها همیشه در معرض خطر انفجارهایی اعم از حملات تروریستی و یا حوادث حین کار قرار دارند. از آنجائیکه این مخازن جزو تاسیسات حساس و استراتژیک هستند، اهمیت بررسی آسیب پذیری و خرابی این سازه ها تحت بار انفجار دو چندان می شود. در این مقاله بارگذاری انفجار بر روی مخزن فولادی مهار شده دارای سقف مخروطی بررسی شده است. جهت بررسی موضوع، سیال موجود در مخزن در سه سطح مختلف در نظر گرفته شد و با نرم افزار اجزاء محدود(ABAQUS (31.6-4 مدل و تحت بارهای انفجاری با بزرگی و فواصل مختلف تا محل انفجار قرار گرفت. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که خرابی مخازن به شدت بار انفجار وابسته است و خرابی پوسته، سقف و تکیه گاه ها محتمل می باشد و عدم وجود سیال در مخازن، خرابی ها را به مقدار زیادی افزایش می دهد.
واژه های کلیدی
مخازن فولادی مهار شده، سقف مخروطی، انفجار، تحلیل دینامیکی، نرم افزار اجزاء محدود
Keywords:
restrained steel tanks, Conical roof, Blast, Dynamic Analysis, Finite element software
-1مقدمه
مخازن ذخیره سیال در طرح های گوناگونی یافت می شوند که می توان در یک نگاه کلی آن ها را به مخازن هوایی، مخازن روزمینی و مخازن ذخیره زیر زمینی(مدفون یا نیمه مدفون) تقسیم بندی نمود. بخش مهم بسیاری از مجتمع های صنعتی خصوصا پالایشگاه ها و مجتمع های پتروشیمی اختصاص به مخازن استوانه ای روزمینی نگهدارنده مایع دارد. این گونه مخازن از لحاظ سیستم سقف در دو گروه مخازن با سقف ثابت و مخازن با سقف شناور وجود دارند. سقف های ثابت براساس شکل هندسی به دسته های مختلفی چون سقف مخروطی، کروی و مسطح تقسیم بندی می شوند. . مخازن روزمینی بسته به شرایط تکیه گاهی، به دو دسته تقسیم می شوند: مهار شده و مهار نشده. در یک مخزن مهار شده از حرکت قائم نسبی جداره در سطح پی جلوگیری شده است، در حالیکه یک مخزن مهار نشده در اثر تکان های شدید می تواند از روی زمین یا پی بلند شود. با توجه به اینکه سازه های موجود در مجتمع های مرتبط با صنعت نفت، عمدتا به منظور نگهداری، انتقال، فرآوری مواد سمی و یا اشتعال پذیر به کار می روند، آسیب دیدگی این مخازن علاوه بر ایجاد خسارات فیزیکی مستقیم، ممکن است سبب ایجاد خسارات غیر مستقیمی چون آلودگی زیست محیطی و نیز آتش سوزی گردد. بر این اساس، مخازن نفتی در طول عمر خود در معرض مخاطرات زیادی قرار دارند. این مخاطرات به دو دسته اصلی تقسیم بندی می شوند: انسان ساخت (مانند انفجار) و مخاطرات طبیعی ( زلزله، باد و ...). با توجه به پتانسیل خطر بالای این سازه ها، آئین نامه های موجود، مخازن را در رده سازه های خطرناک طبقه بندی نموده اند.
-2تاریخچه
تاکنون مطالعات بسیار کمی بر روی رفتار مخازن تحت بارهای انفجاری انجام شده است و طرح این مساله نو و بدیع می باشد. البته نحوه تعریف بارهای انفجاری و پارامترهای مربوط به آن از حدود نیم قرن پیش مورد توجه محققین بوده است. همچنین رفتار سازه های ساختمانی تحت بارهای انفجاری در مطالعات زیادی بررسی شده است و نتایج پژوهش ها در ضوابط FEMA423. برای محافظت ساختمان ها در برابر حملات تروریستی انفجاری به صورت مفصل آمده است. اولین مطالعات منسجم در مورد رفتار دینامیکی مخازن در سال 1934 توسط هاسکینز و ژاکوبسن [1] انجام گرفت، این مطالعه با فرض های ساده کننده ای از جمله صلب بودن جداره مخزن و پی انجام شد. ایشان فشار هیدرودینامیکی اعمالی به بدنه مخزن را به دو مولفه فشار ضربه ای ناشی از جرم شتاب دار سیال مخزن و فشار نوسانی ناشی از پدیده امواج متلاطم سطحی، تقسیم کردند.
بعدها در سال 1949 ژاکوبسن[2] فرمولاسیونی برای فشار هیدرودینامیکی ضربه ای مایع در یک مخزن استوانه ای شکل صلب به وسیله حل معادله لاپلاس تحت شرایط مرزی خاص ارائه کرد. هاوزنر در سال های [3] 1954 و 1957
[4] فشار هیدرودینامیکی وارد به بدنه مخزن را به دو مولفه فشار ضربه ای ناشی از جرم شتاب دار سیال مخزن و فشار تلاطمی ناشی از پدیده ارتعاش امواج سطحی تقسیم کرد و سیستم معادل دینامیکی جرم-فنر را برای محاسبه نیروهای دینامیکی ارائه نمود.
در سال [5]1974 ولتسوس برای در نظر گرفتن اثر همزمان فشار هیدرودینامیکی وارد به مخزن و پاسخ دینامیکی و با فرض آن که پوسته مخزن دچار تغییر شکل از پیش تعیین شده ای شود، شرایط مرزی جدید و بهبود یافته ای را ارائه نمود. ولتسوس و یانگ در سال [6] 1977 با ادامه تحقیقات ژاکوبسن اثرات نیروهای انتقالی بر روی پاسخ لرزه ای مخزن را نیز در نظر گرفته و ثابت نمودند که فشار تلاطمی (فشار حاصل از امواج سطحی) شدیدا به انعطاف پذیری دیواره مخزن وابسته می باشد.
هارون و هاوزنر در سال [7] 1982 با استفاده از روش المان محدود و فرض مرز جدایی ناپذیر برای مدل سیال و پوسته اطراف آن، مدلی به صورت یک حلقه را به عنوان یک روش قابل اعتماد برای تحلیل رفتار دینامیکی مخازن انعطاف پذیر ارائه نمودند. هارون و هاوزنر و همینطور ولتسوس در سال [8]1984 به صورت جداگانه اثر انعطاف پذیری دیواره مخزن را با استفاده از سیستم یک درجه آزادی، به مدل هاوزنر اضافه نمودند. به منظور افزایش دقت و کارایی روش موجود ملهوترا و همکاران [9] مدل آقای ولتسوس [6] را ساده تر نموده و اثر مودهای بالاتر را نیز علاوه بر رفتار ضربه ای و انتقالی مود اول به آن افزود. این روش نیز هم اکنون توسط یوروکد 8 مورد استفاده قرار می گیرد.
در سال 1999 آقای حمدان [10] به بررسی رفتار لرزه ای مخازن فولادی و استوانه ای ذخیره سیال پرداخت. در سال 2004 ادوارد و گودوی [11] طی مقاله ای به تحلیل دینامیکی غیر خطی مخازن جدار نازک تحت تحریکات نوسانی پرداختند. در این تحقیق از مدل یک مخزن استوانه ای با سقف مخروطی ساده استفاده شد که یک بار نوسانی ناشی از باد به آن اعمال گردید. پاسخ ها با استفاده از روش المان محدود و انتگرال گیری صریح برای مقادیر مختلف فشار و بار نوسانی محاسبه گردید، سپس پاسخ ها را در حوزه زمان و فرکانس آنالیز نمودند و نتایج نشان داد که نوسانات فشار ورودی منجر به این نمی شود که پاسخ ها هم نوسانی باشند.
-3 بارگذاری انفجار
-1-3پدیده انفجار
در فعل و انفعال انفجاری، مقدار زیادی انرژی بهصورت گرما و فشار بهطور سریع و ناگهانی آزاد می شود وفشار ایجاد شده بهصورت موج توسعه می یابد که به آن موج انفجار می گویند. بالا رفتن دما و فشار به طور ناگهانی، اثرات ناشی از انفجار را تشکیل می دهد. در یک فاصله مشخص از محل انفجار با گذشت زمان اندک، فشار آن به طور ناگهانی بالا می رود تا اینکه به نقطه اوج خود برسد بعد از آن فشار به صورت تدریجی میرا شده و به فشار محیط و حتی پایین تر از آن نیز
نزول می کند. در شکل (1) تاریخچه زمانی بار انفجار نشان داده شده است. به طور کلی اثرات انفجار یک ماده منفجره به وسیله دو عامل اصلی قابل بیان است. (1 اندازه ماده منفجره (جرم ماده منفجره در ضریب معادل TNT که از آئین نامه به دست می آید) (2 فاصله بین ماده منفجره تا هدف
شکل(1 نمودار تاریخچه زمانی موج ضربه انفجار[12]
برای بارگذاری بار انفجار از آئین نامه 1ASCE95-.. استفاده شده است.
-2-3 تفاوت بارهای انفجاری و لرزه ای :
بارهای انفجاری در مقایسه با اثرات زلزله، در زمان های بسار کوتاهتری اعمال می شوند. بنابراین اثرات نرخ تغییرکرنش بحرانی تر است و خواص ماده باید برای چنین بارهایی در آنالیز و طراحی لحاظ شود. علاوه بر این بارهای انفجاری به طور غیریکنواخت به سازه اعمال می شوند. بدین معنی که دامنه بارگذاری در طول وجه سازه متغیر است. اثرات بارهای انفجاری عموما موضعی هستند که منجر به آسیب موضعی یا گسیختگی می شوند در حالیکه بارهای ناشی از زلزله به طور یکنواخت در طول فونداسیون سازه ها اعمال می شوند و همه اجزای سازه در معرض این تحریک قرار می گیرند.
-3-3فرضیات ASCE95-.. در تعریف بارگذاری انفجاری
فرضیات زیر برای مدلسازی بارگذاری انفجاری در نظر گرفته می شوند.[12]
· انفجار روی سطح و یا در نزدیکی سطح زمین و خارج سازه رخ می دهد.
· بارگذاری انفجاری از سازه های پیرامونی یا زمین تاثیر قابل توجهی نمی پذیرد.
· شکل سازه منظم است.
-4مبانی رفتار دینامیکی مخزن و سیال و روش مدل سازی
-1-4اندرکنش سیال و سازه
برای مطالعه تحلیل فشار هیدرودینامیکی ناشی از ارتعاش مایع فرضیات اولیه زیر به کار می رود:
· سیال تراکمناپذیر و همگن میباشد.
· سیال دارای ویسکوزیته بسیار ناچیز میباشد و میتوان از آن صرفنظرنمود.
· از وجود آشفتگی در جریان سیال با فرض عدد رینولدز کوچک صرفنظر میگردد.
· میدان سیال غیرچرخشی است و پدیده کاویتاسیون در سیال رخ نمیدهد.
با استفاده از فرضیات فوق مجموعه معادلات هیدرودینامیکی برای محیط ایدهآل در حالت کلی به دو معادله ذیل تقسیم میگردد:
· قانون بقای جرم یا پیوستگی جرم
· قانون بقای مومنتوم یا حرکت سیال (ناویر استوکس)
1-1-4 قانون بقای جرم
قانون بقای جرم یک حالت خاص از قانون پیوستگی میباشد، و بیانگر این مساله است که جرم از بین نرفته و ضمن ثابتماندن فقط میتواند از جایی به جای دیگر منتقل شود. این قانون در مورد حالت خاص سیال با این تعریف میباشد که در مورد جریان پایدار سیال با همان نرخی که وارد یک حجم کنترلی میگردد از آن خارج میشود و فرم دیفرانسیلی این معادله به صورت ذیل میباشد.
