بخشی از مقاله
چکیده
نشست غیریکنواخت تکیهگاهی در سازهها از اهمیت ویژهای برخوردار است؛ چراکه نشست ناهمگون باعث ایجاد نیروهای اضافی در سازه شده و در نتیجه سازه باید قادر به تحمل نیروهای اضافی به وجود آمده در اثر این نوع نشست باشد. در سازههای بزرگ مانند برجهای خنککننده، مسئله نشست غیریکنواخت اهمیت بیشتری مییابد، زیرا بهدلیل بزرگی ابعاد پی، امکان تغییرات جنس خاک زیر پی نیز بیشتر میشود و این مسئله خود موجب بروز نشست غیریکنواخت در برجهای خنککننده میگردد. هدف این پروژه بررسی رفتار برج خنککننده فولادی تحت بارهای وارده و همچنین نشست غیریکنواخت تکیهگاهی میباشد. بدین منظور ابتدا یک برج خنک-کننده فولادی موجود در تحقیقات گذشته با روش اجزاء محدود مدلسازی شد و نشست غیریکنواخت تکیهگاهی با استفاده از یک مدل ریاضی بههمراه دیگر بارگذاریها به برج اعمال گردید. سپس رفتار برج تحت بارهای وارده در حالت غیر خطی استاتیکی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. نتایج تحلیل نشان داد، در صورت بروز نشست غیریکنواخت تکیهگاهی، اعضای ترازهای پائینی این برج وارد محدوده پلاستیک شده و در نهایت موجب تخریب کلی این برج خواهد شد.
مقدمه
در طراحی نیروگاهها، معمولاً بهدلیل فنآوری سادهتر برجهای خنککننده بتنی نسبت به فلزی، گزینه بتنی انتخاب میشود؛ اما در مناطقی که خطر زلزله بالا بوده و یا خاک با مقاومت پائین در زیر پی برج خنککننده قرار دارد، استفاده از مصالح سبکتر مانند مصالح فلزی مطرح میگردد. این نوع سازه بسیار سبکتر از نوع بتنی و جهت استفاده در مناطق با خطر زیاد زلزله مناسب بهنظر میرسد؛ بنابراین مزیت اصلی برجهای فلزی نسبت به بتنی، کاهش وزن و در پی آن کاهش نیروهای زلزله و تنشهای وارد بر بستر خاک میباشد. در ادامه ابتدا به بررسی قسمتهای مختلف یک برج خنککننده فلزی و سپس مروری بر چند نمونه از برجهای خنککننده فلزی ساخته شده پرداخته میشود .[1] برجهای خنککننده از عظیمترین سازههای ساخته شده بهدست بشر بهشمار میروند و به خاطر مسائل خاص در آنالیز و طراحی همواره مورد توجه محققین و مهندسان طراح بوده است. برجهای خنککننده علاوه بر اهمیت سازهای در زمینه عملکرد، دارای تعریف مهمی نیز در مبحث مکانیک سیالات میباشند مهندسان و محققان سازه برای ارائه طراحی بهتر در این زمینه ناگزیر به دانستن آن هستند. در اکثر صنایع عظیم امروزی مانند صنایع پتروشیمی، پالایشگاهها، کارخانههای فولادسازی، صنایع پلاستیک و از همه مهمتر در نیروگاههای حرارتی تولید برق، برای جلوگیری از بالا رفتن دمای قسمتهای مختلف کارخانه، باید گرمای حاصل از عملکرد ماشینها و موتورها، به نحوی مناسب از سیستم گرفته شده و به محیط خارج منتقل میگردد.
هنگامیکه روی خاک بارگذاری صورت میگیرد خاک تغییر شکل میدهد یا به عبارت دیگر نشست میکند. نشست خاک شامل دو قسمت است. قسمت اول ناشی از تغییر حجم کلی دانهها - تغییر حجم خاک در اثر عواملی نظیر تراکم و فشرده شدن - و قسمت دوم ناشی از تغییر شکل خود دانهها - جمعشدگی اسکلت خاک - . به کمک روابط ارائه شده در مکانیک خاک، نشست خاک تحت اثر نیروهای وارده در نقاط مختلف قابل محاسبه است .[2] اگر خاک زیر پی یک سازه بهطور یکسان دچار اندکی نشست شود و یا مجموعه سازه و پی بهصورت یک جسم صلب دوران نماید، این امر موجب ایجاد تنشهای جدید در سازه نخواهد شد؛ اما نشست غیریکنواخت نقاط مختلف پی میتواند تنش قابل ملاحظهای را هم در خود پی و هم در سازه ایجاد نماید. در نتیجه، نشست غیریکنواخت بهعنوان یک عامل بارگذاری سازه محسوب میگردد. بدین لحاظ در آییننامههای مختلف طراحی سازهها، برای در نظر گرفتن نیروهای متناظر با نشست غیریکنواخت سازه و ترکیب آن با سایر عوامل بارگذاری، ضرایبی در نظر گرفته شده است.
بدیهی است مقدار نشست غیریکنواخت در پیهای منفرد بهدلیل استقلال هر پی، بیشتر از انواع پیهای یکپارچه است. تجربیات و آزمایشهای مختلف ثابت کرده است هر قدر مقدار نشست یکنواخت بیشتر باشد، اختلاف نشست در نقاط مختلف پی نیز بیشتر خواهد بود بهگونهای که بین نشست یکنواخت و اختلاف نشست رابطههایی پیشنهاد شده است. بهطور کلی میتوان گفت مقدار نشست کل در خاکهای ماسهای کمتر از خاکهای رسی میباشد. همچنین اختلاف نشست در خاکهای ماسهای تقریباً برابر با نشست حداکثر است ولی در خاکهای رسی، این اختلاف نشست بسیار کوچکتر از نشست حداکثر میباشد .[3 نتایج تحلیلها نشان میدهند که تغییرات تنشها تا عمق 10 تا 20 درصد ارتفاع برج نفوذ میکند که این امر خود در برجهای بتنی باعث بروز ترکهای بزرگ در پوسته شده و موجب خراب شدن برج میگردد. در سال 1972 اولین تحقیق در مورد نشست غیریکنواخت برجهای خنککننده توسط گولد1 صورت گرفت .]4] مدل مورد استفاده وی یک برج خنککننده کلی هیپربولیک بود. در سال 1986 لو2 با استفاده از مدل گولد به مطالعه و بررسی نشست غیریکنواخت پرداخت .[5] لو نیز در تحلیل خود فرض نمود فقط یک ستون به میزانی نشست داشته باشد که نیروی فشاری ناشی از بار مردهی آن به صفر تقلیل یابد. مقدار این جابهجایی نسبی، 2/19 میلیمتر در نظر گرفته شده بود. او برای تحلیل نیروی به وجود آمده در ستونها، همان استدلال گولد را پذیرفت با این تفاوت که وی پوسته را با استفاده از روش المان محدود و توسط رایانه تحلیل کرد، در حالیکه گولد از سری فوریه و با فرضهایی در جهت اطمینان، این تحلیل را انجام داد. لو در نهایت مشاهده کرد که عمق نفوذ تغییرات نیروها 20 تا 25 درصد ارتفاع برج است.
یکی از اولین تحقیقات تجربی در زمینه نشست غیریکنواخت در سال 1977 توسط چسیلسکی انجام شد .[6] تحقیقات چسیلسکی با تحقیقات قبلی یک تفاوت ویژه داشت. چسیلسکی برخلاف گولد، نشست تکیهگاهی را فرض نکرد بلکه او چهار برج خنککننده بتنی را در مقیاس واقعی در نظر گرفت و نشست غیریکنواخت آنها را در مدت 6 سال اندازهگیری کرد. اندازهگیریهای واقعی انجام شده توسط چسیلسکی نشان داد که فرض نشست صرفاً یکی از ستونها در برجهای خنککننده نمیتواند گویای همه واقعیت باشد. یکی دیگر از تحقیقات انجام شده در زمینه نشست غیریکنواخت توسط رائو در سال 1992 صورت گرفت .[7] وی بهمنظور مقایسه نتایج خود با کارهای گذشته، از مدلهای نشست ارائه شده توسط محققین قبل استفاده نمود و یک برج خنککننده با ابعاد معلوم را با استفاده از رایانه تحلیل الاستیک خطی نمود. در سال 2007 کبیربیک با استفاده از نرمافزار SAP 90 یک برج بتنی با ابعاد مشخص را مدلسازی کرده و با استفاده از فرمول کالوزا و ماتژا نشست غیریکنواخت را بر این برج اعمال نمودند. سپس این برج را در دو حالت خطی تحلیل کرده و نتایج را مورد بررسی قرار دادند. ایشان در نهایت نیروها و تنشهای قسمتهای مختلف سازه را در مودهای زوج مورد بررسی قرار دادند .[8]
همچنین در سال 1381 اختری با استفاده از فرمول ارائه شده توسط کالوزا و ماتژا نشست غیریکنواخت را تحت مدل ریاضی U FRV - Q - بر برج خنککننده اراک اعمال کرد که در آن مقدار 8 برابر 30 درصد میانگین نشست تحت بار مرده در نظر گرفته شده بود .[9] او برای تحلیل از نرمافزار ANSYS 5.4 استفاده کرد و برج را تحلیل در دو حالت خطی و غیرخطی تحلیل نمود. اختری به این نتیجه رسید که تنشها در کلیه قسمتها بهمقدار زیادی نسبت به-حالت خطی کاهش مییابد ولی مقدار تغییرشکل برج افزایش پیدا میکند و نیروهای داخلی بحرانی را در مودهای مختلف بهدست آورد. از آنجائیکه سازه در حالت واقعی وارد محدودهی غیرخطی میشود بنابراین نتایج این تحلیل به واقعیت نزدیکتر است و شاید تغییرشکل برج بر اثر نشست غیریکنواخت تعیین کننده باشد و باعث ناپایداری برج گردد .[10]
معرفی و مدلسازی برج خنککننده مورد مطالعه: معرفی مدل
در این تحقیق بهمنظور ادامه تحقیقات بر روی برجهای خنککننده فولادی هیپربولیک، از مدل آقای کاتو استفاده شده و پس از اعمال بارگذاریهای مختلف، رفتار برج مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه این برج بهشرح زیر است: ارتفاع این برج از سطح زمین 170 متر از سطح زمین میباشد. شعاع بیشینه برج مذکور در قسمت تحتانی برابر 60 متر و شعاع کمینه آن در قسمت فوقانی 36/5 متر میباشد. برج مذکور تا ارتفاع 122 متری بهشکل هیپربولیک بوده و بعد از این تراز با شعاع ثابت و بهشکل استوانه تا تراز 170 متری ادامه پیدا میکند. معادله شعاع هر تراز برج مطابق رابطه زیر میباشد.
دراین رابطه zتراز برج از سطح زمین می باشد و c شعاع انحنای بخش هیپربولیک برج است که برای این برج برابر 93/51 متر محاسبه شده است. در شکل 1 هندسهی برج نشان داده شده است.
شکل - 1 هندسهی برج خنککنندهی مورد مطالعه [10]
معمولاً بهعلت طول زیاد اعضای استفاده شده در برجهای خنککننده فولادی، این اعضاء باید شعاع ژیراسیون بالایی داشته باشند تا لاغری در حد مجاز باقی بماند. بدین منظور در گذشته از اعضای مرکب خرپایی استفاده میشد ولی استفاده از مقاطع لولهای کمکم جایگزین اعضای مرکب خرپایی شد. استفاده از مقاطع لوله در برج خنککننده فولادی منجر به کاهش وزن فولاد مصرفی میشد. در مدل آقای کاتو نیز کلیه مقاطع از نوع لولهای میباشد. مشخصات مقاطع استفاده شده در این مدل در جدول 1 آورده شده است. در مدل مذکور تیرها و ستونها نسبت به هم دارای اتصال صلب میباشند. اتصال اعضای مهاربندی نیز بهصورت مفصلی میباشد و این اعضاء در وسط بههم متصل هستند بهطوری که طول کمانش آنها به نصف کاهش پیدا میکند. ستونها و مهاربندهای ردیف اول نیز دارای اتصال مفصلی میباشند و این اعضاء نیز بهصورت محوری عمل میکنند. نوع فولاد مصرفی در پروفیلهای اعضای این برج خنککننده، از نوع فولاد ST-37 با تنش تسلیم 2400 کیلونیوتن بر سانتیمترمربع و مدول الاسیسیته 2000000 کیلوگرم نیوتن بر سانتیمترمربع میباشد.
کمانش در اعضای فشاری
یکی از مهمترین مسائل در سازههای فضاکار، کمانش در اعضای فشاری این سازهها میباشد. در این تحقیق برای کنترل کمانش اعضای برج خنککننده از رابطه اولر استفاده شده که رابطه اولر به صورت حداکثر نیروی محوری فشاری - Pcr - برای هر عضو در ادامه ارائه شده است Le طول مؤثر است که بستگی بهشرایط تکیهگاهی دارد. تکیهگاهی و مقادیر طول مؤثر3 برای شرایط تکیهگاهی مختلف در شکل 2 ارائه شده است. شکل - 2 نمودار بار کمانشی و طول مؤثر برای شرایط تکیهگاهی مختلف [11] با توجه به شکل 2 برای اعضای مهاربندی برج خنککننده طول مؤثر برابر Le خواهد بود. همچنین با توجه به این مطلب که در واقعیت شرایط تکیهگاهی در تیرها و ستونهای برج مورد نظر وضعیتی بین - 1 - و - 2 - است، طول مؤثر را نیز یرای این اعضاء مقدار 0/75L در نظر میگیریم. با توجه به رابطه 3 و جدول 1 مقادیر cr برای کلی اعضاء محاسبه و در جداول 2 تا 4 ارائه شده است. با توجه به مقادیر cr به دست آمده برای اعضاء مشاهده میشود تنش فشاری هیچ
کدام از اعضاء پیش از تسلیم بهمرحله کمانش نمیرسد =2400 - . - critical > yield به عبارت دیگر کلیه اعضاء این برج چاق هستند و در حین بارگذاری مشکلی از نظر ناپایداری کمانشی الاستیک پیدا نخواهند کرد.
مدلسازی و تحلیل روش اجزاء محدود
برای حل معادلات تعادل و سازگاری علاوه بر استفاده از روشهای معادلات کلاسیک، استفاده از روشهای اجزاء محدود امکانپذیر میباشد .[12] در این روش به جای حل تمام نقاط هر المان، المان به نقاط مجزایی تبدیل میشود و از طریق Shape Function برای نقاط بین آنها نتایج درونیابی میشود. از روش اجزاء محدود در تحلیل غیرخطی یعنی زمانی که مصالح غیرخطی است با استفاده از روش افزایشی برای حل معادله . - استفاده میشود.
