بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از راههای مهار نیروهای رانشی در اتصالات لولههای تحت فشار، استفاده از بلوکهای مهاری میباشد. محاسبه بلوک مهاری به روش سعی و خطا انجام شده که این امری زمانبر و طولانی است. در این پژوهش با استفاده از زبان برنامه نویسی متلب، الگوریتمی مناسب جهت طراحی بهینه بلوک مهاری ارائه شده است. محاسبات یکبار برای ضخامت خاکریز 1، 1/5 و 2 متر و و یکبار برای خاکهای رس سخت شده، ماسه خشک و خاک معمولی تکرار شد، نتایج حاصل شده نشان دادکه الگوریتم طراحی شده کارایی خود را در طراحی بلوک مهاری بادقت بالا اثبات کرده است همچنین با افزایش ضخامت خاکریز روی لوله و وزن مخصوص آن مقدار حجم بتن مصرف شده در بلوک مهاری برای اتصال خم افقی کاهش مییابد و هرچه مقدار زاویه اصطکاک داخلی خاک کمتر باشد، میزان حجم بتن مصرفی در بلوک مهاری افزایش مییابد.
1. مقدمه
در لولههای تحت فشار، به علت فشار داخلی و تغییر در مقدار حرکت جریان در نقاطی مانند انشعاب T ، زانوها ، انتهای کور خطوط لوله و ... نیروهای رانشی وجود میآید که این نیروها می تواند باعث از هم گسیختگی اتصالات و نشست خاک های مجاور آن شود. این نیروها به علت وجود نیروهای استاتیکی ناشی از فشار داخلی خط لوله و نیروهای دینامیکی ناشی از تغییر مقدار حرکت جریان به وجود می آیند. یکی از راههای مهار این نیروها استفاده از بلوک مهاری میباشد. این بلوکها در واقع با افزایش نیروی اصطکاک و نیروی مقاوم خاک در محل تماس با پیشانی اتصال، مانع از گسیختگی اتصالات در لولهها میشود.[1] نیروهای رانشی نامتعادل اغلب توسط بلوکهای مهاری و سیستم اتصال محدودکننده و یا ترکیبی از این دو مهار میشوند که انتخاب طرح مناسب به وضعیت مکانیک خاک بستگی دارد.[2] بلوکهای مهاری که مقاومت لازم برای مهار نیروهای رانشی در خمهای افقی را فراهم میکنند، بلوکهای مهاری حمایتی نامیده می شوند.[3] بلوکهای مهاری در محل اتصالات سه راهی، انشعابات T شکل، تبدیلها، انتهای کور و خمهای افقی و قائم به جهت حمایت در برابر خاکهای سفت، خشک، مرطوب و دست نخورده هم استفاده میشوند.[1] بتن استفاده شده در بلوک مهاری باید دارای حداقل مقاومت فشاری 28 روزه 20000 کیلونیوتن بر متر مربع باشد.[4]
تورلی و اتکینسون - 1994 - در گزارش شماره 128 تحت عنوان » راهنمای طراحی بلوکهای مهاری برای خط لولههای مدفون « به بررسی دقیق فرآیند طراحی بلوکهای مهاری پرداختند.[5] واتکینز در سال 2000 یک روش ساده شده برای طراحی بلوک های مهاری مکعبی ارائه کرد که در این روش از نیروهای برشی در کناره های بلوک و ظرفیت تحمل خاک زیر بلوک، صرف نظر کرد.[6] القحطانی - 2009 - در پژوهشی با محاسبه نیروهای وارد شده از طرف خاک به بتن توسط تئوری رنکین، ابعاد بلوک را توسط نرم افزار اکسل بهینه کرد. او در این تحقیق مشخص کرد که ارتفاع بلوک رابطهای توانی با نیروهای فشاری دارد در حالی که بقیه ابعاد رابطهای خطی با عمق دفن شدن بلوک خواهند داشت.[7] انوار و همکاران - 2012 - با استفاده از الگوریتم ژنتیک طراحی بلوک را در خاک های مختلف بهینه سازی کردند. آنها در تحقیق خود با تحلیل اثر بار مرده بر روی خاک و بار زنده ناشی از رفت و آمد نشان دادند که اثر این نیروها در برابر اثر نیروهای رانشی قابل اغماض است.[8] ژانگ و همکارانش - 2016 - نیروهای فشاری موجود در بلوک مهاری را با مطالعه موردی درباره خط لوله گازرسانی غرب - شرق واقع در کشور چین، بر مبنای روش تعادل انرژی بررسی کردند و به این نتیجه دست یافتند که با توجه به شرایط واقعی خاکریز خط لوله که در محل ورودی و خروجی تونل قرار دارد، خم موجود در خط لولهی داخل تونل به همراه بلوک مهاری، تحت تاثیر فشار قائم و افقی عرضی از سمت زمین قرار دارد و با استفاده از روش بار واحد، نیروهای محوری بلوک مهاری برای حفاظت از خط لوله فراهم میشود.[9] در این پژوهش سعی شده است که با توجه به آئیننامههای موجود و با استفاده از نرم افزار متلب، تاثیرات نوع و ضخامت خاکریز بر روی ابعاد بلوک مهاری بررسی گردد. برای اینکار ابعاد بلوک مهاری توسط ابزار بهینه سازی موجود در نرم افزار متلب بهینه سازی میگردد و نتایج حاصل شده با نتایج حاصل از کد نوشته شده در نرم افزار مقایسه میشود.
2. مواد و روشها
بلوک مهاری به دو دسته ی بلوک های مهاری در خم های افقی و بلوک های مهاری در خم های قائم تقسیم بندی می شود. بلوک های مهاری استفاده شده در خمهای افقی، انشعابT ، تبدیل ها، انتهای کور و سه راهیها در دستهی بلوکهای مهاری در خمهای افقی و بلوکهای استفاده شده در خمهای قائم محدب و مقعر ، در دسته ی بلوکهای مهاری در خمهای قائم قرار میگیرند.[1] با این حال روش محاسبه انواع بلوک-های مهاری ثابت بوده و از یک روند واحد پیروی میکند که در ادامه مشاهده می شود:
-1-2 تعیین پارامترهای مورد نیاز برای طراحی
برای شروع محاسبه بلوکهای مهاری مقادیر قطر لوله - - D و وزن مخصوص آن - p وزن مخصوص خاک - - s و زاویه اصطکاک داخلی آن - - و همچنین ضریب اصطکاک میباشد. - ، ضخامت خاکریز - - h ، تنش مجاز خاک - - s ، بین بتن و خاک - - وحداکثر فشار داخل لوله - p - نیاز
-2-2 محاسبه نیروهای رانش نامتعادل
نیروی رانشی در خم افقی توسط رابطه - 1 - به دست میآید:
- 1 - که در این رابطه R، نیروی رانشی و A، سطح مقطع لوله و ، زاویه خم میباشد.
-3-2 درنظر گرفتن مقدار اولیه برای طول، عرض و ارتفاع بلوک با توجه به ابعاد لوله مقدار طول، عرض و ارتفاع را با توجه به قطر خارجی لوله میتوان انتخاب کرد .
-4-2 محاسبه وزن خاک روی بلوک
وزن خاک روی بلوک از رابطه - 2 - بدست میآید :
- 2 - s hLB w 1
که در این فرمول w1 وزن خاک روی بلوک ، s وزن مخصوص خاک ، L طول بلوک ، h ضخامت خاکریز و B عرض بلوک میباشد.
-5-2 محاسبه وزن لوله و محتویات آن
که در این رابطه، d قطر داخلی، D قطر خارجی، p وزن مخصوص لوله، γ وزن مخصوص سیال درون لوله و l ، طول لوله در داخل بلوک می باشد .
