بخشی از مقاله
چکیده
مخازن فولادی جدار نازک در صنایع مختلف ازجمله در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و صنایع تأمین آب قابل استفاده میباشد. مخازن استوانهای عمودی روزمینی نمونهای از چنین مخازنی میباشند. در این تحقیق رفتار مخازن ذخیره نفت تحت بارگذاری زلزله مورد بررسی قرارگرفته است.
برای انجام مدلسازی از روش اجزای محدود و نرمافزار آباکوس استفاده شده است. در ابتدا برای اطمینان از صحت پیشبینی نتایج مدلهای اجزای محدود، صحت سنجی با استفاده از نتایج تحقیقات محققین قبلی انجام شده است. پس از اطمینان از دقت پیشبینیهای مدل اجزای محدود به بررسی رفتار مخازن تحت اثر زلزله پرداخته شد.
متغیرهای تحقیق شامل هندسه مخزن، نوع رکورد زلزله و عمر مخزن با توجه به خوردگی جدار مخزن در طول مدت عمر مخزن است. تحلیل بهصورت تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی و با در نظر گرفتن غیرخطی شدن مواد و هندسه انجام گرفت. نتایج حاصل از تحلیل نشان داد که بهطور کلی، با افزایش عمر مخزن و کاهش ضخامت جداره آن، تغییرمکان افقی جدار در زلزله بیشتر شده است با این حال میزان حداکثر برش پایه مخزن در طول زلزله تغییر قابل توجهی نداشته است.
-1 مقدمه
مخازن یکی از شاخصترین سازههای صنعتی میباشد که برای نگهداری سیالات متفاوت و در گسترده وسیعی به ابعاد مختلف از کوچک تا بسیار بزرگ ساخته میشوند. ازآنجاکه انتقال مستقیم و بیواسطه سیالات نظیر نفت، گاز و آب از محل استخراج، تولید و یا جمعآوری به محل مصرف، کاری است که بهندرت انجام میشود و به دلیل عدم توانایی در تطبیق میزان تولید و مصرف، استفاده از چنین سازههایی الزامی میباشد. کلمه مخزن، عموماً تداعیکننده نوع خاصی از تأسیسات مورداستفاده در صنعت است، اما در حقیقت مخازن در فرمهای مختلف برای نگهداری هر نوع سیال، بخار و حتی جامدات بکار میروند.
مخازن نگهداری سیالات در اشکال و ابعاد مختلف ساخته میشوند که معمولترین آنها فرم استوانهای قائم میباشد. مخازن موردنظر در این پژوهش، مخازن معمولی جدار نازک استوانهای قائم فولادی است که برای نگهداری سیالات در درجه حرارت محیط بکار میروند. آسیبپذیری این مخازن در برابر زلزله بسیار زیاد است و براساس تجربه زلزلههای گذشته خیلی بیشتر از ارزش خود و محتویاتشان خسارات مالی به بار میآورند. هرچند مخازن را سازههایی کاملاً انعطافپذیر در نظر میگیرند اما در حقیقت این سازهها برای جلوگیری از تخریب و یا خروج سیالات، در برابر تحریکات لرزهای دارای محدودیتهای خاص خود هستند.
طی مراحل ساخت و در طول دوره بهرهبرداری، عوامل متعددی میتوانند موجب ایجاد اختلال در عملکرد طبیعی و پیشبینیشدهی مخازن گردند. ازجمله این عوامل میتوان به نواقص هندسی به وجود آمده در حین ساخت و عوامل محیطی نظیر طوفانها و زلزلههای شدید اشاره کرد. یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر کارکرد مخازن که بهآرامی و درگذر زمان تأثیر مخرب خود را آشکار میسازد، پدیدهی خوردگی میباشد که شدت آن بسته به ماهیت سیال درون مخزن، شرایط آب و هوایی، لایههای خاک زیرین و ضربههای مکانیکی وارده به مخزن میتواند متفاوت باشد.
کلیهی مخازن فارغ از کاربری و شرایط متفاوت حاکم بر آنها تحت تأثیر زلزله قرارگرفته و آسیب میبینند. مخازن استوانهای مهارشده نگهداری مایعات با توجه به اندرکنش موجود بین سازه و مایع دارای رفتار دینامیکی نسبتاً پیچیدهای میباشند. عوامل متعددی ازجمله نسبت ارتفاع به قطر مخزن , - H/D - درصد پرشدگی یا نسبت ارتفاع مایع داخل مخزن ب ارتفاع کل مخزن - HL/H - و بیشینه شتاب زلزله ورودی نیز میتوانند بر رفتار لرزهای این مخازن تأثیرگذار باشند.
-2 کارهای انجام شده
- ولتسوز و تانگ - 1987 پاسخ مخازن استوانههای با دیوار صلب و شکلپذیر را تحت اثر حرکت گهوارهای کف مخزن را مطالعه نمودند و رابطه میان پاسخ سیستم به حرکت گهوارهای کف و تحریک جانبی پایه را تشریح نمودند.
- ماهری و سورن 1989 - ، با آزمایش مخازن روی میز لرزان تأثیر تغییر شکلپذیری دیوار مخزن روی نیروهای هیدرودینامیکی مایع را بررسی نمودند. آزمایشها روی دو مدل مخزن و در دو فاز انجام شد. در فاز اول اثرات سیال - در دو حالت مخزن پر و مخزن خالی - روی خصوصیات دینامیکی مخازن موردبررسی قرار گرفت و در فاز دوم آزمایشهای ارتعاش اجباری بهمنظور بررسی نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر پوستهی مخازن انجام گرفت .نتایج حاصل از بررسیها نشان داد که نیروهای هیدرودینامیکی برای مخازن انعطافپذیر بسیار بزرگتر از آن است که برای مخازن صلب به دست میآید.
- ملهوترا و ولتسوز 1994 و - 1996 مقاومت در برابر بلندشدگی تیر نیمه بینهایت روی بستر صلب را تحلیل نمودند. تیر موردبررسی تحت اثر بار گسترده یکنواخت قرار داشت و در تحلیل موردنظر تأثیر رفتار غیرخطی مصالح، اثرات غیرخطی هندسی و تأثیر سختی دیوار مخزن روی بلندشدگی لحاظ گردید .تحلیلهای انجامگرفته تأثیر نیروهای محوری ایجادشده در ورق کف مخزن در مکانیزم تحمل بار ورق کف را نشان داد.
- ملهوترا 1995 و - 1997 با فرض امکان ایجاد مفصل پلاستیک تنها در لبهی ورق کف روابط حاکم بر بلندشدگی تیر با طول نیمه بینهایت و قرارگرفته روی بستر الاستیک را توسعه دادند. همچنین با استفاده از آن بلندشدگی استاتیکی و دینامیکی مخزن قرارگرفته بر شالودهی انعطافپذیر را بررسی نمود.
- یونان و ولتسوز - 1998 با استفاده از روشی ساده و تقریبی پاسخ مخازن استوانهای صلب و دارای دیوار تغییر شکلپذیر محتوی مواد ویسکوالاستیک تحت اثر مؤلفهی افقی زلزله را برآورد نمودند.
مطابق مطالعات ادبیات فنی، بعضی از محققان تأثیر میزان ضخامت ورق کف در مخازن عریض در مقاومت در برابر بلندشدگی این مخازن را ناچیز شمردهاند .همچنین تعدادی از آنها تأثیر افزایش ضخامت دیوار مخازن در برابر بلندشدگی را زیاد برشمرده و آن را همسنگ افزایش ضخامت ورق کف دانستهاند. نکتهای که در مورد اغلب تحقیقات انجامشده بر روی مخازن مهار نشده محتوی مایع مطرح است این است که این تحقیقاتعمدتاً بر اساس مدلهای سادهشده و مبتنی بر روشهای استاتیکی معادل و یا بر اساس مطالعات تجربی بر روی عملکرد واقعی مخازن در زلزله های گذشته میباشد.
این در حالی است که مدلهای سادهشدهغالباً تقریبی هستند. و قادر به نشان دادن رفتار واقعی سازه پیچیدهای نظیر مخزن در زمان زلزله نیستند.
مطالعات تجربی نیز با توجه به محدود بودن تعداد مخازن قرارگرفته در معرض زلزله اغلب دارای عدم قطعیتهای قابلتوجهی میباشند. و انجام مطالعات پارامتری بر روی اینگونه دادههاعملاً امکانپذیر نمیباشد.
در این میان در مطالعات انجامشده با استفاده از مدلهای دینامیکی دقیقتر نیز به دلیل وقتگیر بودن تحلیلها و پیچیدگی مدل یا رفتار مخزن تحت یک تحریک ورودی خاص مدنظر قرارگرفته یا تنها بر روی یک پارامتر مطالعه نموده اند.
- دهقان منشادی و ماهری - 2010 با در نظر گرفتن سه مخزن با نسبت ارتفاع به قطر 0/4، 0/63 و 0/95 برای اولین بار اثرات خوردگی در دیواره مخزن را بر خصوصیات دینامیکی مخزن موردمطالعه قرار دادند.
در ادامهی پژوهش قبلی، - ماهری و عبداللهی - 2012 اثرات پدیده درازمدت خوردگی را روی مقاومت کمانشی دیوارهی مخازن موردبررسی قرار دادند.
-3 روش تحقیق
برای انجام تحقیق از روش اجزای محدود استفاده خواهد شد. نرمافزار اجزای محدود Abaqus برای ساخت و تحلیل مدلها استفاده میشود. برای اطمینان از دقت و صحت پیشبینی مدلهای ساختهشده توسط نرمافزار ذکر شده، از نتایج یک تحقیق آزمایشگاهی استفاده خواهد شد. مدلهای مشابه نمونه آزمایششده با ابعاد هندسی و مشخصات مصالح کاملاً یکسان ساختهشده و تحت بارگذاری مشابه آزمایش مدل تحلیل میگردد و نتایج آزمایش با پیشبینیهای حاصل از تحلیل مدلها مقایسه میشود و در صورت انطباق، میتوان به نتایج حاصل از مدلسازی اجزای محدود اعتماد نمود.
• صحت سنجی مدل اجزای محدود
در گام اول برای اطمینان از دقت و صحت پیشبینیهای مدلهای اجزای محدود با استفاده از نرمافزار آباکوس شبیهسازی شده و نتایج حاصله با نتایج مراجع ذکرشده مقایسه گردید.
بهمنظور اطمینان از صحت مدلهای ساختهشده مخزنی با ارتفاع 0,50 و شعاع 0,13 متر مطابق آزمایشهای انجامشده توسط ماهری و سورن شکل1 در نرمافزار آباکوس شبیهسازی شده و تحلیل مودال بر روی آن انجام گرفت - شکل. - 2 در جدول1 نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه شده است که حکایت از انطباق نتایج دارد.
شکل: 1 مدل ساخته شده توسط ماهری و سورن
شکل: 2 مدل سهبعدی ساختهشده در برنامه آباکوس
جدول: 1 مقایسه فرکانسهای بهدستآمده در آباکوس با نتایج مرجع
• کنترل صحت مدلسازی بر اساس روابط ارائه شده توسط ولتسوز و همکاران
زمان تناوب طبیعی مودهای ضربهای و مود گهوارهای بر اساس رابطه ارائهشده توسط ولتسوز که اساس روابط موجود در آئین نامه ها است - آییننامه - API، بهصورت معادله 1 - محاسبه خواهد شد.
