بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی پاسخ برج هاي خنک کن به بارهاي ناشی از باد
چکیده :
برج هاي خنک کن هذلولی جزء سازه هاي بلند بوده و در معرض بارهاي باد قرار می گیرند این نیروها باعث ایجاد نیروهاي نصف النهاري و محیطی در برج ها می شوند. در این مقاله، با مطالعه موردي بر روي دو برج خنک کن به ارتفاع 122 متري و 200 متري از سطح زمین، نتایج تحلیل مورد بررسی قرار می گیرد. بررسی برج هاي خنک کننده با استفاده از نرم افزار Ansys با فرض پایداري در پایه، پوسته براي بارهاي ناشی از باد مورد تحلیل قرار گرفت. بارهاي ناشی از باد بر روي این برج هاي هذلولی شکل، با استفاده از ضرایب فشار باد طراحی،توزیع یافته پیرامونی مطابق با استاندارد IS:11504-1985 همراه با فشارهاي باد طراحی در سطوح مختلف مطابق با استاندارد IS:875(part3)-1987 محاسبه شده است. تحلیل با استفاده از المان 8 گره اي پوسته اي با 5 درجه آزادي به ازاي یک گره انجام شده است. نتایج تحلیل، شامل نیروهاي پوسته اي، بصورت نیروي نصف النهاري (Nφ) و نیروي مماسی محیطی((Nθ و ممان هاي خمشی، بصورت ممان نصف النهاري (Mφ) وممان مماسی((Mθ هستند.توزیع عمودي نیروهاي پوسته اي (غشایی) و ممان هاي خمشی در امتداد اوج 0 درجه و 70 درجه و توزیع هاي پیرامونی در پایه ، سطوح گلویی و نوك براي هردو برج خنک کننده مورد مطالعه قرار گرفته است براي توزیع پیرامونی ، مقادیر بدون بعد با نرمال سازي نیروهاي پوسته اي وممان هاي خمشی با استفاده از مقادیر مرجع در اوج صفر درجه بدست آمده اند. به همین نحو ، مقادیر مرجع در پایه براي توزیع عمودي بکار گرفته شده است. در تحقیق حاضر این منحنی هاي بدون بعد براي هر دو برج خنک کننده به منظور بررسی امکان هرگونه تعمیم ، مقایسه شده اند .
واژه هاي کلیدي: برج خنک کن ، بارهاي ناشی از باد ، نیروهاي پوسته اي ، ممان هاي خمشی
-1 مقدمه :
جریان هواي طبیعی در برج هاي خنک کن نیروگاه هاي حرارتی و اتمی یک عنصر مهم و حیاتی است .به دلیل پیچیدگی هاي آنها در هندسه و خرابی غیرمنتظره برج خنک کن در فري بریج انگلستان در سال 1965و آردیر اسکاتلند در سال 1973، توجه بسیاري از محققین در سراسر دنیا را به خود جلب نموده اند. باد سهم اصلی را در نبودن بارگذاري زمین لرزه، براي طراحی برج هاي خنک کننده با جریان هواي طبیعی تشکیل می دهد. فعالیت هاي تحقیقاتی بسیاري در دهه حاضر درخصوص بارگذاري ناشی از باد بر برج هاي خنک کن گزارش شده است .[1-8]
باخ و همکارانش [1]، بهینه سازي یک برج خنک کن با جریان هواي طبیعی با ارتفاع 200 متر را با تغییر ارتفاع گلویی و انحراف اوج در کاهش تنش به دلیل بار ناشی از باد اثبات نمودند. مشاهده شد که هنگامیکه منحنی اوج بطور پیوسته از پایین تا گلویی افزایش می یابد و با صرف نظر از تغییر تند منحنی در بالاي گلویی تا حد امکان ، رفتار تکیه گاهی بار بهترین حالت خود را دارد. کراتزیگ و همکارانش [2] به منظور افزایش دوام آنها با تقویت ، شیوه هاي شبیه سازي کشسان- تغییر پذیر (مدل الاستو پلاستیک) را براي یافتن نواحی آسیب پذیر بصورت ترك به دلیل اثرات باد و دما، توصیف کردند. بوسمن و همکارانش [3] کفایت رویکرد سخت کردن براي تقویت برج خنک کن را از طریق تحلیل المان محدود اعمال شده به برج هاي خنک کن سخت شده و سخت نشده، مورد بحث قرار دادند. لنگ و همکارانش [4] بسط المان حلقه پوسته اي استاتیکی خطی را براي به حساب آوردن رابطه غیرخطی سینماتیک وپاسخ غیرخطی ماده در پوسته دورانی ، نشان دادند. میدان جابجایی در جهت پیرامونی بوسیله سري هاي فوریه نشان داده شد ، که به واسطه آن هیچ جدا کننده ایی براي جهت پیرامونی لازم نبود. ویلادکار و همکارانش [5] اثر برهم کنش خاك- سازه بر نیروهاي طراحی پوسته ، ستون هاي racker و فونداسیون رادیه اي در مقایسه با حالت پایه ثابت مورد مطالعه قرار دادند .
نیمان وکوپر [6] با ارزیابی عوامل تداخل ، پاسخ ماکزیمم اثر ساختمان مجاور و برج هاي خنک کن را بر باد القا کننده ، مورد مطالعه قرار دادند . اورلاندو [7] اثر تداخل باد القاکننده را از طریق اندازه گیري هاي فشار بر مدل هاي برج خنک کن در یک تونل باد لایه مرزي بر دو برج خنک کن مجاور ، مورد مطالعه قرار داد . تحلیل هاي خطی عددي بیشتري براي محاسبه پاسخ هاي سازه اي برج هاي مجزا و گروهی انجام شدند. مونگام و ویتک [8] ارزیابی بارهاي طراحی ناشی از باد را بر پوسته برج خنک کن RC تحت باد آشفته مورد مطالعه قرار دادند . مقایسه میان شیوه هاي مختلف نیز با استفاده از داده هاي اندازه گیري شده تست تونل باد بر روي پوسته یک برج مجزا انجام شد . پاسخ شبه استاتیکی پوسته برج خنک کن RC تحت باد آشفته، با نتایج بدست آمده با بار طراحی ناشی از باد به کمک (GRF) ،(( LRC و شیوه هاي توزیع هاي بار ماکزیمم بهینه شده مقایسه شد.
در انجام تحلیل المان محدود برج هاي خنک کن می توان مشاهده کرد که براي بارهاي ناشی از باد نیاز به مهارت هاي کامل طراح معمولی دارد . فرمول بندي منحنی هاي طراحی براي نیروهاي پوسته اي و ممان هاي خمشی بصورت بدون بعد به طراح در انجام تحلیل المان محدود مفصل مورد نیاز براي چنین برج هایی کمک می کند. در مطالعه حاضر ، دو برج خنک کن با ارتفاع 122 متري (CT1) و 200 متري (CT2) با جزئیات هندسی مطابق جدول شماره 1 مورد بررسی قرار گرفته اند.
تحلیل المان محدود دو برج خنک کن براي ارزیابی نیروهاي پوسته اي بطور مختصر نیروهاي اوجی نصف النهاري((Nφ و نیروهاي مماسی محیطی (Nθ) و ممان هاي خمشی ، بطور مختصر ، ممان هاي نصف النهاري (Mφ) وممان هاي مماسی (Mθ) انجام شده است.
در این مقاله ، سعی شده است تا امکان تعمیم توزیع نیروهاي پوسته اي وممان هاي خمشی بصورت بدون بعد در امتداد محیط در سطوح نوك(تاج) ، گلویی و نزدیک پاي برج همچنین در امتداد عمودي براي اوج هاي صفر درجه و 70 درجه بررسی شود. این مقادیر بدون بعد با نرمال سازي مقادیر واقعی با مقادیر مرجع بدست آمده اند . براي توزیع محیطی ، مقادیر مرجع در اوج صفر درجه درنظرگرفته شده اند. مقادیر مرجع درپایه براي توزیع عمودي درنظر گرفته و هرگونه تشابه و نقطه اشتراك سپس اختلاف در این منحنی هاي نرمال سازي شده مورد مطالعه قرار گرفته است. بعلاوه ، یک برخ خنک کن دیگر((CT3 با ارتفاع 200 متر که مشابه برج (CT2) ولی با نسبت ارتفاع (برابر نسبت ارتفاع گلویی به ارتفاع کل) و نسبت
قطر ( برابر با نسبت قطر دهانه به قطر پایه) مشابه برج (CT1) براي بررسی هرگونه وابستگی منحنی هاي نرمال سازي شده به این نسبت ها مورد تحلیل قرار گرفته است.
در تحقیق حاضر ، تحلیل المان محدود سه برج خنک کن، بطور مختصر CT1 ، CT2 و CT3 (جدول شماره (1 براي ارزیابی نیروهاي پوسته اي غشایی (Nφ , Nθ) و ممان هاي خمشی (Mφ , Mθ) انجام شده است.
جدول _1 جزئیات هندسی برج خنک کن هاي هذلولوي شکل با ارتفاع 122متر (CT1) ، 200 متر (CT2&CT3)تحت بار ناشی از باد
توجه : در جدول فوق پارامتر H بیانگر ارتفاع برج از تراز سطح زمین ، Hthr بیانگر ارتفاع گلوگاه برج از تراز سطح زمین ، Dt بیانگر قطر مقطع تاج برج ، Db بیانگر قطر مقطع پاي(پایه) برج ، Dthr قطر مقطع گلوگاه برج می باشد.
-2 بارهاي ناشی از باد :
توزیع هاي فشار باد در مطالعه حاضر ، تنها بصورت متقارن مورد بررسی قرار گرفته است. ضریب توزیع فشار با درنظرگرفتن امکان مکش داخلی از استانداردهاي IS:11504-1985 در شکل شماره 1 نشان داده شده است فرض می شود توزیع فشار باد بر بخش خارجی پوسته حول محور مرکزي در جهت باد، متقارن است . توزیع فشار محیطی را می توان با یک سري کسینوسی فوریه به شکل سري زیر نشان داد که در آن P’ ضریب فشار ، n عدد همساز ، θ زاویه افقی اندازه گیري شده از اوج سمت باد و Fn ثابت هاي همساز هستند .[0.00071 , 0.24611,0.62296, 0.48833 , 0.10756, -0.09579 ,-0.01142]:
شکل _1 توزیع فشار محیطی طبق بر روي برج هاي خنک کن
توزیع مشابهی در کلیه سطوح در امتداد ارتفاع برج بکار رفته است .فشار طراحی ناشی از باد در تراز ارتفاع بالای سطح زمین با استفاده از رابطه معادله شماره (1) میان فشار باد ، Pz(N/m2) ، وسرعت باد طراحی Vz(m/s) بدست آمده است:
ضریب 0.6 در معادله شماره (2) به فشار محیط و دمای ھوای محیط بستگی دارد. سرعت پایه باد برای طراحی برج خنک کن از سرعت بار پایه باد Vbو با گنجاندن عوامل زیر بدست می آید : (1 سطح ریسک، (2 ناھمواری سطح زمین، (3 ارتفاع و اندازه سازه و (4 توپوگرافی(وضعیت جغرافیایی).
این سرعت را می توان بصورت پارامتری مطابق با معادله زیر بیان نمود :
در معادله شماره (3) پارامتر Vbسرعت بار پایه باد است که برای نواحی مختلف در کشورھا مشخص شده است ،k1 عامل احتمال (ضریب ریسک( مبتنی بر مفاھیم آماری است که درجه قابلیت اطمینان و دوره زمانی لازم برای درمعرض باد قرار گرفتن را به حساب می آورد ، یعنی عمر سازه ، k2 پارامتر ارتفاع عوارض زمینی و اندازه سازه است که عامل ضرب شونده را نتیجه می دھد که باید در سرعت بار پایه باد ضرب شود تا سرعت باد در ارتفاع ھای مختلف در ھر دسته بندی عوارض زمینی برای اندازه ھای مختلف ساختمان ھا و سازه ھا بدست آید ھمچنین k3 عامل توپوگرافی (وضعیت جغرافیایی) است .
شکل -(a)-2 ساختار هندسی برج خنک کن با ارتفاع 122 متر
