مقاله بررسی مدلسازی همزمان سازه ، فونداسیون و تجهیز بر پاسخ سازه

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی مدلسازي همزمان سازه، فونداسیون و تجهیز بر پاسخ سازه

خلاصه

در این مقاله اثر مدلسازي همزمان سازه، فونداسیون و تجهیز، بر تلاشهاي داخلی، جابجایی و طراحی سازه مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور یک سازه بتنی نگهدارنده سیلو، که در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی داراي اهمیت خاصی میباشد، در نظر گرفته شده و در سه حالت مختلف در نرم افزار SAP 2000 مدل گردیده است. در هر مدل، سازه بصورت مجزا در دو حالت استاتیکی و دینامیکی تحلیل، طراحی و اندرکنش تجهیز، سازه و پی بررسی میگردد. جهت در نظر گرفتن اثر اندرکنش سازه و تجهیز بر ضریب رفتار سازه از ضوابط آئیننامه ASCE-7

استفاده شده است. در مدل اول عکسالعمل نیروهاي پایه تجهیز که از قبل محاسبه شده بطور نقطهاي در محل قرارگیري پایهها بر روي سازه اعمال و پاسخ سازه بدست میآید. در این حالت فونداسیون سازه در نرم افزار SAFE، طراحی میگردد. حالت دوم شامل مدلسازي همزمان سازه و تجهیز میباشد؛ بهطوریکه سیلو (تجهیز) در نرم افزار مدل گردیده و وزن پوسته سیلو از نوع بار مرده و ماده داخل آن از نوع بار زنده جهت محاسبه نیروي زلزله بصورت گسترده در ارتفاع توزیع میشود. قابل ذکر است که طراحی لرزهاي بر حسب آئیننامه UBC انجام گرفته است. در مدل آخر؛ سازه، فونداسیون و تجهیز همزمان در نرم افزار طراحی مدل گردیده و پس از تحلیل، نیروهاي داخلی و جابجایی سازه حاصل میگردد. براي به دست آوردن اثر مدلسازي همزمان سازه نگهدارنده سیلو، فونداسیون و تجهیز مستقر بر روي سازه، نتایج آنالیز و طراحی حالت سوم با سایر حالتها مقایسه و نتایج بیان میگردد.

کلمات کلیدي: سازه بتنی، فونداسیون، سیلو، ضریب رفتار، آنالیز.

1. مقدمه

مسئله بررسی اندرکنش سازه و تجهیز بر پاسخ سازه مورد توجه آیین نامههاي مختلف طراحی بوده است.[4-2] به گونهاي که در آییننامه UBC در ناحیه سه و چهار، تعریف شده توسط آییننامه، میبایست اثر اندرکنش سازه و اجزا غیرسازهاي، که توسط سازه نگهداري می شوند، مد نظر قرار گرفته شود.[3] همچنین در آییننامه ASCE-7 با مقایسه وزن سازه و تجهیز معیاري جهت تعیین ضریب رفتار سازه به منظور در نظر گرفتن اندرکنش سازه و تجهیز بیان میشود.[2] در آییننامه طراحی لرزهاي تاسیسات و سازههاي صنعت نفت ایران ضوابط طراحی لرزهاي به منظور انتخاب روش تحلیل و گستره آنها براي سازههاي غیر ساختمانی مستقر بر سازههاي دیگر بیان شده است.[4] هدف این آییننامهها ارائه ضوابط لرزهاي براي طراحی و ساخت سازهها و تجهیزات صنعت نفت است به نحوي که احتمال اختلال در کارایی و بهره برداري از این تاسیسات در زلزلههاي متوسط و احتمال فروریزي آنها در زلزلههاي قوي به حداقل برسد. با رعایت ضوابط این آییننامهها، انتظار میرود رفتار سازه صرفنظر از نوع و اهمیت آن در زلزله خفیف به گونهاي باشد که اعضا در بازه خطی باقی بمانند. در این آییننامهها با رعایت اصول ایمنی و اقتصادي، براي جذب و استهلاك انرژي زلزله، ورود برخی از اعضاي اصلی سازه به بازه غیر ارتجاعی مصالح اجازه داده میشود. لذا بروز خسارات محتمل سازهاي و غیر سازهاي در زلزلههاي قوي قابل انتظار است؛ اما احتمال بروز خسارات جانی، نشت گازهاي مضر و فروریزي سازه حداقل میباشد. با توجه به آنکه در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی با سازههاي نگهدارنده تجهیزات صنعتی و مکانیکی روبرو هستیم؛ لزوم بررسی این سازهها بیش از پیش احساس میشود. طراحی صحیح این سازهها با توجه به اهمیت ویژه از لحاظ اقتصادي و فنی توجه محققین و مهندسان را به خود جلب کرده است. در این مقاله اثر مدلسازي همزمان سازه، فونداسیون و تجهیز بر تلاشهاي داخلی، جابجایی و طراحی سازه مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور یک سازه بتنی نگهدارنده سیلو در نظر گرفته شده و در سه حالت مختلف در نرم افزار SAP 2000 مدل گردیده است. کلمات سیلو، بونکر و مخازن ذخیره بسیار به هم نزدیک هستند، ولی به صورت خاص کلمه سیلو براي مخازن بلند و اکثرا استوانهاي حمل سیمان و سایر مواد دانهاي اعم از محصولات کشاورزي و غیره به کار میرود، در حالی که بونکر بیشتر جهت مخازن مخصوص ذخیره ذغال سنگ، سنگهاي معدنی و سایر سنگها (به صورت خرد شده و دانهاي) استفاده میشود. در یک تقسیمبندي دیگر، سیلو براي مخازن ذخیره عمیق و بونکر براي مخازن ذخیره کم عمق بکار میرود.[6] در هر مدل، سازه بصورت مجزا در دو حالت استاتیکی و دینامیکی تحلیل، طراحی و اندرکنش تجهیز، سازه و پی بررسی میگردد. در مدل اول عکسالعمل نیروهاي پایه تجهیز که از قبل محاسبه شده بطور نقطهاي بر محل قرارگیري پایهها بر روي سازه اعمال و پاسخ سازه بدست میآید. در این حالت فونداسیون سازه در نرم افزار SAFE، طراحی میگردد.

حالت دوم شامل مدلسازي همزمان سازه و تجهیز میباشد؛ بهطوریکه سیلو (تجهیز) در نرم افزار مدل گردیده و وزن دیواره سیلو از نوع بار مرده و ماده داخل آن از نوع بار زنده جهت محاسبه نیروي زلزله بصورت گسترده در ارتفاع توزیع میشود. جهت در نظر گرفتن اثر اندرکنش سازه و تجهیز بر ضریب رفتار سازه از ضوابط آئیننامه ASCE-7 استفاده شده است. در این حالت نیز فونداسیون در نرم افزار طراحی فونداسیون طراحی میگردد. در مدل آخر؛ سازه، فونداسیون و تجهیز همزمان در نرم افزار طراحی سازه مدل گردیده و پس از تحلیل، نیروهاي داخلی و جابجایی سازه حاصل میگردد.

قابل ذکر است که طراحی لرزهاي بر حسب آئیننامه UBC انجام گرفته و طراحی سازه بتنی نگهدارنده سیلو براساس آیین نامه ACI 318-05

صورت گرفته است. براي بررسی اثر مدلسازي همزمان سازه نگهدارنده سیلو، فونداسیون و تجهیز مستقر بر روي سازه، نتایج آنالیز و طراحی حالت سوم با سایر حالتها مقایسه و نتایج بیان گردیده است.

2. مشخصات کلی

سازه مورد بررسی در یکی از فازهاي منطقه پارس جنوبی در عسلویه واقع شده است. روي سازه دو تجهیز (سیلو) در ارتفاع 12/75 متر از سطح زمین قرار میگیرند. ارتفاع سیلوها 20 متر میباشد. ارتفاع خاك روي فونداسیون 3 متر و بیشترین عمق دفن 5/5 متر است. مشخصات ژئوتکنیکی محل مطابق جدول1 میباشد:

جانمایی پایههاي سیلو بر روي سازه در تراز 12/75 متر از سطح زمین مطابق شکل زیر میباشد:

بارگذاري

هدف از طراحی یک عضو سازهاي یا یک سازه، تامین ایمنی کافی و رعایت مسائل اقتصادي میباشد. یک عضو سازهاي از آن جهت طرح میشود که از ایمنی کافی برخوردار باشد؛ به این مفهوم که در مقابل بارهاي وارده و تحت انواع شرایط محتمل، از پایداري کافی برخوردار باشد. بمنظوربررسی بارهاي وارد بر سازه، بارگذاري را به دو بخش شامل بارگذاري سازه ساختمانی و بارگذاري سازه غیر ساختمانی تقسیم میکنیم:
1.3 بارهاي وارد بر سازه ساختمانی:

بارهاي قائم: بارهاي مرده شامل وزن دال و اجزاء سازهاي که در نرمافزار به طور خودکار محاسبه میشود، بار زنده وارد بر دال کف: m 2 500 k g وبار مرده وارد بر فونداسیون بر اثر خاك روي فونداسیون برابر m 2 5700 k g می باشد.
بار باد (براساس آیین نامه :[3](UBC فشار یا مکش ناشی از باد بر روي سطوح ساختمان در هر ارتفاعی از آن مطابق آییننامه از رابطه زیر محاسبه می-شود:


که در آن ضرایب مطابق جداول آییننامه و مشخصات هندسی سازه به ترتیب برابر است؛ فشار مبناي باد میباشد.
بار زلزله (براساس آیین نامه :[3](UBC برش پایه طراحی مطابق آییننامه براساس فرمول بدست میآید. با توجه به قرارگیري سازه در ناحیه چهار آیین نامه UBC و همچنین مشخصات خاك، ضریب Cv برابر 0/56 می باشد. I ضریب
اهمیت سازه برابر 1/25 و T پریود سازه مطابق آیین نامه برابر 0/45 ثانیه میباشد. جهت تعیین ضریب رفتار سازه می بایست اندرکنش سازه و تجهیز

مدنظر قرار گیرد؛ از آنجا که وزن تجهیز از یک چهارم وزن سازه بیشتر است؛ ضریب رفتار تجهیز R s ilo  3/6 ، بعنوان ضریب رفتار در فرمول (2) قرار داده میشود.[2] بدین ترتیب ضریب برش پایه برابرC  0/43 بدست میآید.
2.3 بارهاي وارد بر سازه غیر ساختمانی:

بارهاي قائم: مطابق اطلاعات سازنده تجهیز از آنجاکه ماده داخل سیلوي مورد نظر گوگرد خشک میباشد،کل بار مرده و زنده براي هر سیلو (شامل 6پایه) به ترتیب برابر 80/76 تن و 2143/85 تن.بار ضربه: 225/76 تن و به دلیل آنکه ماهیت آن شبیه بار زنده است، در طراحی به همراه بار زنده محاسبه میشود.

بار باد: برش در جهت طولی، 25/10 تن و در جهت عرضی، 31/80 تن و همچنین لنگر خمشی ایجاد شده در پایهها به صورت کشش و فشار اعمال می-شود.
بار زلزله: برش افقی (در هر دو جهت)884/70 تن و همچنین لنگر خمشی ایجاد شده در پایهها به صورت کشش و فشار اعمال میشود.
ترکیب بار جهت آنالیز و طراحی نیز با توجه به آیین نامه UBC و ACI 318-05 در نظر گرفته میشود1]و.[3

4. مدلسازي

در حالت اول سازه نگهدارنده سیلو به تنهایی و بدون مدلسازي تجهیز در نرم افزار SAP 2000 مطابق شکل2 مدل شده است. عکسالعمل پایههاي سیلو را مطابق مقادیر محاسبه شده توسط سازنده تجهیز ،که در بخش قبل توضیح داده شد، در محل پایهها و بر روي دال مطابق شکل1 اعمال میکنیم.

نیروي جانبی زلزله به صورت خودکار و توسط نرم افزار محاسبه میشود؛ ضریب برش پایه C  0/43 است. وزن لرزهاي در این حالت شامل وزن مرده و زنده سازه میباشد. سیستم بار بر جانبی سازه در دو جهت قاب خمشی انتخاب شده است. به منظور تحلیل طیفی از طیف آیین نامه UBC استفاده شده است. در این حالت فونداسیون سازه در نرمافزار طراحی فونداسیون SAFE، آنالیز و طراحی میگردد. بهمنظور سرعت و دقت بیشتر جهت انتقال عکسالعمل پاي ستونها به نرم افزار طراحی فونداسیون از نرم افزار کمکی SAP2exSAFE استفاده شده است.

در حالت دوم علاوه بر سازه، تجهیز را نیز در نرم افزار SAP مدل میکنیم و اثر آن را در آنالیز و طراحی در نظر میگیریم. تجهیز بوسیله المان پوسته1 و استوانهاي شکل مدل میشود (شکل.(3 وزن جداره سیلو از نوع بار مرده و ماده داخل آن از نوع بار زنده بصورت گسترده در ارتفاع توزیع میگردد. وزن لرزهاي در این حالت شامل وزن مرده و زنده سازه و تجهیز میباشد. جهت در نظر گرفتن صلبیت تجهیز و دقت مدل سازي در فواصل معینی در ارتفاع و داخل سیلو، در سطح افقی المانهاي پوسته دایره شکل بدون جرم در نظرگرفته شده به طوریکه مرکز این دوایر با المانهاي قائم به یکدیگر متصل هستند. این کار باعث ایجاد عملکرد یکنواخت سازه و تجهیز مورد نظر شده و از ایجاد مودهاي غیرضروري در آنالیز مودال جلوگیري کرده و درصد مشارکت جرمی را، در آنالیز طیفی، افزایش میدهد. در این حالت نیز مانند حالت اول فونداسیون سازه در نرمافزار طراحی فونداسیون SAFE، آنالیز و طراحی میگردد.

حالت سوم شامل مدلسازي همزمان سازه، تجهیز و فونداسیون در نرم افزار SAP می باشد (شکل.(4 فونداسیون بصورت المان پوسته و افقی مدل میگردد. براي در نظر گرفتن اثر خاك زیر فونداسیون، خاك را به صورت فنر در زیر پی مدل میکنیم. در این حالت اندرکنش سازه و فونداسیون در نرمافزار طراحی مورد بررسی قرار میگیرد.

سازههاي نگهدارنده سیلو، سازههاي بسیار سنگینی هستند که تنش انتقال یافته از آنها به زمین میتواند قابل توجه باشد. لذا در هنگام طراحی شالوده باید دقت زیاد بعمل آید. تعیین تنش مجاز باربري زمین با توجه به معیار مقاومت و نشست خاك، از اهمیت ویژهاي برخوردار است. با توجه به تنش مجاز خاك منطقه و همچنین محدودیتهاي طراحی و از آنجا که از لحاظ اقتصادي و اجرایی در نظر گرفتن شمع مقرون به صرفه نمی باشد لذا در این سازه از نوع خاصی پی مطابق شکل5 استفاده شده است، به گونهاي که ضخامت پی در زیر ستونهاي سازه نزدیک به هفتاد درصد بیشتر از سایر قسمتها