مقاله بررسی و مقایسه تحلیل استاتیکی و دینامیکی دودکش های فلزی

بخشی از مقاله

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

بررسی و مقایسه تحلیل استاتیکی و دینامیکی دودکش های فلزی

خلاصه
با توجه به نیاز روزافزون در امر ساخت دودکشهایی با ارتفاع زیاد (به دلیل جلوگیری از آلودگی هوا و توسعه صنایع در کشور)، روشهای مناسب جهت طراحی این نوع سازهها که در واقع، سازههایی خاص به شمار میآیند، احساس میشود. و با توجه به فقدان چنین ضوابطی در کشور، کسب حداقل اطلاعاتی در زمینهی انواع بارهای وارد بر این سازه و نحوهی تاثیر آنها، و رفتار سازه در قبال این بارها ضروری به نظر میرسد. به دلیل ارتفاع زیاد و هندسهی این نوع سازهها، طراحی لرزهای آنها با ساختمانهای معمولی تفاوت های بسیار خواهد داشت.
لذا در این مقاله، هدف بررسی رفتار لرزهای دودکشها با استفاده از نرمافزار ABAQUS 6.9.3 میباشد. به همین منظور دودکش فلزی به ارتفاع 60.13 متر با نرمافزار مذکور مدل گشته و با اعمال بار زلزله بصورت تاریخچه زمانی ظوابط مندرج در آییننامههای مربوطه به ویژه استاندارد 2800 مورد بررسی قرار میگیرد.

1. مقدمه
ساختمانهای بلند، یکی از مظاهر توسعه صنعت در کشورهای پیشرفته در قرن بیستم میباشند. هر چند ریشهی ظهور ساختمانهای بلند به سال-ها پیش از شروع قرن بیستم برمیگردد، ولی نمود آن در این سدهی اخیر آشکار میباشد. از بدو پیدایش و ساخت این ساختمانها، تفاوت و پیچیدگی رفتار آنها هنگامی که در معرض عوامل طبیعی چون باد و زلزله قرار میگرفتند، نسبت به رفتار ساختمانهای متداول و کوتاه آشکار گردید و در نتیجه مهندسین طراح این ساختمانها و محققین، توجه خود را به درک صحیح رفتار ساختمانهای بلند در برابر باد و زلزله و بارهای ثقلی و جانبی معطوف داشتند. حال که ساختوساز ساختمانهای بلند در کشور ما و بخصوص در شهر بزرگ تهران، روند فزایندهای یافته است، امید آن میرود که مهندسین و طراحان اینگونه ساختمانها، به نتایج این تحقیقات توجه کامل داشته و آنها را با شرایط اقلیمی ژئوتکنیکی و خصوصیات شهرنشینی کشورمان تطبیق داده و بهترین طرح را، چه از نظر معماری و چه از نظر سازهای برگزینند و از ضرر و زیانهای جانبی و مالی احتمالی پرهیز نمایند .[1]

2. بارگذاری زلزله
بار زلزله عبارتست از نیروی داخلی جرم ساختمان که در اثر لرزش پی ایجاد میشود. در طراحی برای زلزله، تأکید بر نیروهای اینرسی انتقالی که اثرات آنها بر ساختمان بیش از مؤلفههای لرزشی قائم و پیچشی است، میباشد. نیروهای ناشی از لغزش و یا نشست زمین، فعال بودن گسلهای زیرپی و یا خمیری شدن موضعی زیر پی در اثر ارتعاش نیز از اهمیت زیادی برخوردارند. این نیروها گاهی آن چنان بزرگ میشوند که طراحی سازه در برابر زلزله را از نظر اقتصادی مشکل و انتخاب موقعیت دیگری را برای اجرای پروژه تحمیل میکنند.[ 1 ]
در مناطق زلزلهخیز، شدت زلزله رابطه معکوسی با دفعات آن دارد. زلزله های شدید به ندرت، زلزله های ملایم به دفعات بیشتر و زلزله های ضعیف تقریباً همیشه اتفاق میافتند. گرچه ممکن است بتوان ساختمان را برای مقابله در برابر شدیدترین زلزله ها بدون هیچگونه خسارت طراحی کرد، ولی احتمال عدم نیاز به این مقاومت در طول عمر سازه، طراحی را از نقطه نظر اقتصادی توجیهناپذیر میسازد. لذا اصول عمومی طراحی یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله بر اساس موارد زیر است:
-1 زلزله های ضعیف را بدون خسارت تحمل کند.
-2 زلزله های ملایم را بدون خسارتهای سازهای تحمل کند. ولی احتمال خسارت غیرسازهای قابل قبول است.
-3 زلزله های معمولی و متوسط را بدون انهدام ولی با احتمال خسارتهای سازهای و غیرسازهای تحمل کند .[1]
اصول فوق برای استفاده در سازههایی با کاربری مهم در هنگام زلزله های شدید، مقداری اصلاح گردیده است. کمیت بار زلزله، حاصل پاسخ دینامیکی ساختمان به ارتعاش زمین است. برای تخمین بار لرزهای، دو روش بار جانبی معادل و روش آنالیز مودال وجود دارند.

3. بررسی انواع تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی
3.1 تحلیل استاتیکی
مبتنی بر اثر مد اول زلزله، به صورت مثلث معکوس و اثر سایر مودها در حالت پیشآمدگی زیاد با اثر نیروی شلاقی در بام میباشد.
3.2 تحلیل دینامیکی
3.2.1. تحلیل دینامیکی- طیفی
در این حالت همه مودهای سازه با هم اثر داده میشوند. در واقع این روش بر اصل برهمنهی آثار مودها استوار است، بنابراین تنها برای سیستمهای خطی قابل استفاده میباشد.
.2.2.3 تحلیل دینامیکی-تاریخچه زمانی
تحلیل تاریخچه زمانی هم به طور خطی و هم غیرخطی میتواند انجام شود، در صورتی که تحلیل تاریخچه زمانی به روش مودال باشد، تنها روش خطی آن قابل قبول است. تحلیل تاریخچه زمانی تنها جهت کنترلهای اضافی برای سازه مورد استفاده بوده و برای طراحی سازه مبنای کار قرار نمیگیرد. در این تحلیل تمام پاسخهای سازه (نیرو، تغیرشکل، برش و ...) به صورت توابعی از زمان به دست خواهند آمد.
.3.3 آنالیز مودال
در این آنالیز هدف شناسایی خواص دینامیکی سازه میباشد. خواص دینامیکی شامل فرکانسهای طبیعی، شکل مودها و میرایی هر مود است. در ارتعاشات هر سیستم یک ترکیب خطی از شکل مودهای آن مانند سری فوریه وجود دارد که، هر تابعی را میتوان به صورت سری فوریه (ترکیبی از توابع سینوسی و کسینوسی) نوشت. مدل مودال یک سیستم، یک مدل ریاضی است که میرایی، سختی و شکل مود سیستم را نشان میدهد.

.4.3 تحلیل شبهدینامیکی و دینامیکی دودکش فلزی 60.13 متری و مقایسه نتایج آن با تحلیل استاتیکی معادل
آنالیز سه بعدی دودکش فلزی 60.13 متری شرکت ملی صنایع پتروشیمی به روش تاریخچه زمانی با استفاده از نرمافزار ABAQUS انجام شده است. در این مدلسازی، تحلیل سهبعدی دودکش با روش اجزای محدود (Finite Element Method) و برای سه شتابنگاشت مربوط به سه زمین لرزه مختلف در سطح ODB صورت پذیرفته است. پارامترهای مورد استفاده در این مدل در جدول 1 مشخص شده اند.

جدول -1 پارامترهای مورد استفاده (مشخصات مکانیکی مصالح) در مدلسازی دودکش

.1.4.3 مشخصات کلی مدل هندسی دودکش
ارتفاع دودکش فلزی: 60.13 متر؛ قطر متوسط مقطع در پایین دودکش (ارتفاع 2.30 :(0.0 m متر؛ قطر متوسط مقطع در بالای دودکش (ارتفاع1.70 :(60.13 متر دودکش فلزی مورد نظر به کمک المان پوسته غشایی خمشی مدلسازی شده است. که مجموعاً این سازه با 3250 المان پوسته مشبندی گردیده که از این تعداد المان 3146 المان به صورت چهارگرهای (Quadrilateral Element S4R) و 104 المان سهگرهای (Triangular S3) میباشد.

4. تحلیل استاتیکی معادل

شکل -1 موقعیت مقاطع در نظر گرفته شده در دودکش به منظور ارائه نتایج آنالیز استاتیکی معادل

با توجه به معادلهی زیر، نتایج توزیع برش در ارتفاع دودکش مطابق با آئیننامه )2800ویرایش سوم) [2] در شکل 2 ملاحظه میگردد.

لازم به ذکر است که توان 2 ارتفاع مرکز ثقل مقاطع مختلف در اینجا، از این رابطه ی (1) حذف گردیده است. زیرا که در آئیننامههای معتبر دنیا چنانچه زمان تناوب اصلی سازه کوچکتر از یک باشد، توان ارتفاع مرکز ثقل مقاطع در این رابطه برابر یک و اگر زمان تناوب اصلی سازه بزرگتر از 2/5 باشد، این مقدار مساوی 2 منظور میشود. برای مقادیر بینابین زمان تناوب از اینترپلاسیون استفاده میکنیم.
حال با توجه به نتایج آنالیز مودال، فرکانس مود اول بدست آمده است. از حاصلضرب این مقدار در ، واحد فرکانس بر حسب خواهد بود. یعنی: از اینرو زمان تناوب اصلی سازه از رابطه ی زیر برابر خواهد بود

بنابراین ملاحظه میگردد که زمان تناوب اصلی سازه دودکش ما، کوچکتر از یک بوده و از اینرو توان ارتفاع مرکز ثقل مقاطع مختلف برابر یک خواهد بود. پس با توجه به رابطهی زیر برش پایه را محاسبه و در ارتفاع توزیع میکنیم.

:V برش پایه؛ : A شتاب مبنای طرح برای سایت اجرای دودکش واقع در شیراز برابر 0.3g؛ : B ضریب پاسخ برابر 3.25 (مطابق با آییننامه 2800 ویرایش سوم)؛ : I ضریب اهمیت برابر 1.4؛ : R ضریب رفتار برابر 4؛ :W وزن سازه دودکش فلزی برابر 106417.112 کیلوگرم
در این آنالیزها سه شتابنگاشت مربوط به زمینلرزههای طبس (Tabas)، ال- سنترو (El-Centro) و نورتریج (Northridge) به صورت بار دینامیکی به سازه اعمال شدهاند. شتابنگاشت مربوط به این سه زمین لرزه در ادامه نشان داده شده است. هدف اصلی از تحلیل سهبعدی دودکش فلزی در حالت دینامیکی بررسی رفتار دودکش و حصول نیروهای محوری، لنگرهای خمشی، نیروهای برشی و تغییرمکانهای موجود در این سازه میباشد.

شکل -2 نمودار توزیع برش در ارتفاع دودکش (مبتنی بر اثر مد اول سازه، به صورت مثلث معکوس) با توجه به مقادیر برش

5. نتایج آنالیز مودال

شکل -3 سمت راست: تصویر مود اول سازهی دودکش، سمت چپ: تصویر مود سوم سازهی دودکش