بخشی از مقاله
خلاصه
آنچه در این مقاله ارائه می شود، استفاده از الیاف پلیمری GRP بعنوان مصالح جایگزین و روشی جدید، جهت ساخت و اجرای سکوهای دریایی می باشد. شبیهسازی عددی اتصال -Xشکل، با مصالح پلیمری و با کمک روش اجزاء محدود، توسط نرمافزار ABAQUS انجام گرفت . سپس به منظور بررسی بیشتر رفتار اتصال، مطالعات پارامتری بر روی تغییرات نسبت ابعادی تحت بارهای رفت و برگشتی از طریق روش عددی انجام گرفت. مطالعات مذکور، با در نظر گرفتن شرایط بارگذاری و تکیهگاهی آزمایش انجام شده، بررسی گردید و تغییر شکل لوله با توجه به تاثیر بار سیکلی مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور صحتسنجی مدل المان محدود، نتایج این تحلیل با نتایج مبنای کار، مورد مقایسه قرار گرفت. از مقایسه بین نتایج آنالیز عددی و آزمایش مشخص شد که در کل زمان بارگذاری، پاسخهای نیرو-تغییرمکان، تطابق خوبی از نظر سختی، مقاومت و سختشدگی با یکدیگر داشتند.
1. مقدمه
ساخت سازه های دریایی دور از ساحل، در هر افزایش عمقی از آب، طراحان را ناگزیر به ارزیابی مجدد روشهای طراحی ساخته است. امروزه با توجه به پیشرفت علم مهندسی مواد، مصالح مقاومتری نسبت به فولاد تولید شده و در عرصه ساخت و ساز مورد کاربرد قرار گرفته است، استفاده از این مصالح نوین در سکوهای دریایی میتواند بسیاری از مشکلات مصالح فولادی را از بین ببرد .لذا در سالهای اخیر، استفاده از الیاف پلیمری در بسیاری از رشتههای مهندسی کاربرد فراوان داشته است ولی با توجه به بررسی های صورت گرفته تاکنون به استفاده از آن در سکوهای دریایی پرداخته نشده است. در تمامی سازهای مهندسی و مخصوصاً سکوهای دریایی، یکی از بحرانیترین قسمت یک سازه دریایی، گره اتصال اعضا به همدیگر میباشد [1] ، که تا کنون در مطالعات بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است .از سوی دیگر، در سکوهای دریایی، استفاده از مقاطع لولهای فولادی کاربرد زیادی دارد، طراحی اعضا و قطعات تشکیل دهنده اینگونه سازهها، با توجه به اهمیت آنها، بر مبنای رفتار الاستیک - خطی - استوار میباشد. تحقیقات آزمایشگاهی بر روی مقاومت اتصالات لولهای از اوایل سال 1950 در دانشگاه تگزاس و دانشگاه کالیفرنیا آغاز گردید. در این دوره، تنها آزمایشهای اندکی انجام گرفت .تاپراک3 در سال 1966برای اولین بار اثرات پارامترهای α، β و γ را بر روی مقاومت یک اتصال جوش شده مورد بررسی قرار داد و مقادیر چشمگیری را از مقاومت ذخیره شده در اتصال لولهای ساده، مشاهده نمود. در سال 1980، هافمن4 و همکارانش برای اولین بار از روش اجزاء محدود برای پژوهش درباره اتصالات لولهای استفاده کردند. .[2] صنعت کامپوزیت آنگونه که ما امروز آن را میشناسیم، با تولید ترموپلاستیکها در سال 1909 و ورود الیاف فایبرگلاس به بازار تجاری در سال 1935 معرفی شد 3]و .[4 اما شکوفایی صنعت کامپوزیت در دهه 1940 به وقوع پیوست. تولید لولههای جی.آر.پی که مبتنی بر استفاده از ترکیبات مختلف فیبر، شیشه، رزین و ماسه میباشد، از سال 1955 آغاز شده است. در سیستم لولهکشی، لولههای پلاستیکی تقویت شده با الیاف شیشه - GRP - ، به طور فزایندهای معرفی گردیده و در حال حاضر یک گروه مهم از سازههای مهندسی محسوب میگردند. در کاربردهای معمول آنها، چه در سازههای مکانیکی و چه در زیرساختهای عمرانی، لولههای GRP، غالباً در معرض شرایط پیچیده محیطی چون طیف وسیعی از ترکیب تنشها، زمان، دما، رطوبت، تشعشعات رادویی، شیمیایی، و محیطهای گازی بوده و بنابراین از آنها انتظار میرود که دارای عمر مفید 50 سال یا بیشتر باشند .[5]
در این تحقیق ، با کمک روش اجزاء محدود و نرم افزار ABAQUS، سعی شده است که محاسن، معایب و مشکلات کاربرد مصالح پلیمری در مقاطع لولهای -X شکل بصورت عددی با استناد بر یک کار آزمایشگاهی و عددی انجام شده بر روی اتصالات لولهای با مصالح فولادی مورد بررسی قرارگیرد و برمبنای تجربیات کسب شده راهکارهای مناسب برای رفع مشکلات ارایه گردد. مدل عددی برای اتصال لولهای X شکل، با در نظر گرفتن شرایط بارگذاری و تکیهگاهی آزمایش انجام شده، ارائه گردیده و همچنین تغییر شکل لوله با توجه به تاثیر نیروی زلزله - بار سیکلی - مورد توجه قرار میگیرد. این نیرو به صورت چرخهای ظاهر میشود و باعث ایجاد تغییر شکل و تغییر رفتار در اتصال و لوله میگردد.
2. ابعاد و مشخصات مدل عددی
برای مدلسازی اتصال -X شکل از لولههای فولادی و GRP، دو عدد استوانه با ابعاد داده شده طبق جدول 1 بر اساس نمونه آزمایشگاهی و پارامتر های شکل 1، در نظر گرفته شد. لذا بر اساس آنچه که در آزمایش انجام شد، شرایط مرزی اعمالی به قسمت پایین نمونه، به گونهای بود که صرفا درجات آزادی دورانی حول محور عضو پیوسته آزاد گذاشته شد. چراکه در این تکیهگاه، U x U y Uz URx URy 0 است. همچنین در بخش فوقانی نمونه، صرفا تغییرمکانی در جهت قائم Y بصورت کششی و به میزان 150 میلیمتر اعمال شد که این اعمال بارگذاری نیز بصورت خطی و از قسمت فوقانی و به صورت کنترل تغییر مکان انجام گردید. و درجات آزادی دورانی حول محور X باز گذاشته شد تا شرایط مرزی شبیه به شرایط آزمایشگاهی مدلسازی گردد. مابقی درجات آزادی تغییرمکانی و دورانی بسته شدند. [6]
3. بررسی توزیع تغییرمکان مدل عددی فولادی و GRP و مقایسه با نمونه آزمایشگاهی
به منظور صحت سنجی مدل المان محدود، نتایج این تحلیل با نتایج آزمایشگاهی برای اتصال -Xشکل از لولههای فولادی، و GRP مورد مقایسه قرار گرفت. ومشخص شد که در کل زمان بارگذاری، پاسخهای نیرو-تغییر مکان مطابق شکل 2 ، نتایج آمایشگاهی و مدل عددی فولادی ، مطابقت خوبی از نظر سختی، مقاومت و سختشدگی با یکدیگر داشتند. آنچه که از مقایسه این نمودارها منتج میشود، بالاتر بودن سختی و مقاومت مصالح GRP در مقابل فولاد است. هرچند که به لحاظ شکلپذیری، نمونه فولادی شکلپذیرتر عمل میکند درحالیکه مصالح پلیمری شیشه، تردشکنی بیشتری از خود نشان دادهاند. این امر به دلیل آن است که ضریب الاستیسیته الیاف شیشه کمتر از فولاد است.
4. بررسی رفتار چرخهای مصالح فولادی و مقایسه آن با مصالح پلیمری GRP
به منظور مقایسه بهتر، نتایج بارگذاری چرخهای1 نیز با نتایج آزمایشگاهی، مطابق شکل3 مورد مقایسه قرار گرفته است که حاکی از تطابق مناسب این دو نمودار میباشد. همانطور که مشاهده میشود در هر سیکل پس از بارگذاری و باربرداری و سپس بارگذاری مجدد، تغییر چندانی در سختی نمونه فولادی مشاهده نمیگردد که این امر حاکی از شباهت رفتار فولاد در کشش و فشار و همچنین الاستیک رفتار کردن فولاد است. اتصال لولهای -Xشکل از لولههای GRP، تحت بارگذاری سیکلی قرار داده شد مطابق شکل 4، در هر سیکل پس از بارگذاری و باربرداری و سپس بارگذاری مجدد، از سختی نمونه با مصالح پلیمری کاسته شده که این امر میتواند به علت غیر خطی شدن رفتار چسب و رزینی باشد که الیاف شیشه را به یکدیگر متصل کرده است. همچنین مشاهده میگردد که الیاف شیشه، تحت بار فشاری، رفتار ضعیف تری از خود نشان میدهند که این امر می تواند علاوه بر خرد شدگی، منجر به کمانش موضعی در عضو گردد.
