بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش دو نوع مخزن متوسط با نسبت H - H/D = 0 .63 ارتفاع مخزن و D قطر مخزن - و بزرگ H/D = 0.95 با در نظر گرفتن اثرات ناشی از خوردگی تحت اثر زلزله مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرند. در تمامی مدلها %90 ارتفاع مخزن از سیال پر است. هدف از انجام این مطالعه بررسی اثر غیر یکنواختی ضخامت دیواره ی مخزن در اثر خوردگی روی پاسخ لرزه ای مخازن نظیر برش پایه، لنگر واژگونی و ... با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی میباشد. به منظور مدل سازی عددی از نرمافزار اجزای محدود آباکوس استفاده میشود. 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 پیش بینی های مدل اجزای محدود به بررسی رفتار مخازن تحت اثر زلزله پرداخته شد. نتایج حاصل از تحلیل نشان داد که بهطورکلی، با افزایش عمر مخزن و کاهش ضخامت جداره آن، تغییر مکان افقی جداره در زلزله بیشتر شده است. با این حال میزان حداکثر برش پایه مخزن در طول زلزله تغییر قابل توجهی نداشته است. در اغلب نمونهها بخش نزدیک به تکیه گاه مخازن دچار تغییر شکل بالایی گردیده است.
-1 مقدمه
مخازن یکی از شاخصترین سازههای صنعتی است که برای نگهداری سیالات متفاوت و در گسترده وسیعی به ابعاد مختلف از کوچک تا بسیار بزرگ ساخته میشوند. مخازن نگهداری سیالات در اشکال و ابعاد مختلف ساخته میشوند که معمول ترین آنها فرم استوانهای قائم است. مخازن مورد نظر در این پژوهش، مخازن معمولی متوسط و بزرگ جدار نازک استوانهای قائم فولادی است که برای نگه داری سیالات در درجه حرارت محیط بکار میروند. آسیب پذیری این مخازن در برابر زلزله بسیار زیاد است و بر اساس تجربه زلزلههای گذشته خیلی بیشتر از ارزش خود و محتویاتشان خسارات مالی به بار میآورند.
طی مراحل ساخت و در طول دوره بهره برداری، عوامل متعددی میتوانند موجب ایجاد اختلال در عملکرد طبیعی و پیش بینی شدهی مخازن گردند. یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر کارکرد مخازن که به آرامی و درگذر زمان تأثیر مخرب خود را آشکار میسازد، پدیده ی خوردگی است که شدت آن بسته به ماهیت سیال درون مخزن، شرایط آب و هوایی، لایههای خاک زیرین و ضربههای مکانیکی وارده به مخزن می تواند متفاوت باشد. مخازن فولادی استوانه ای قائم به دو صورت مهار شده و مهار نشده در صنایع کاربرد دارد که مکانیسم انتقال نیرو به تکیهگاه - شالوده - و فرم هندسه و ابعاد تکیه گاه در هر کدام متفاوت است. اکثر مخازن به خصوص مخازن بزرگ، به صورت مهار نشده ساخته و در صنایع به کار برده میشود. کلیهی مخازن فارغ از کاربری و شرایط متفاوت حاکم بر آنها تحت تأثیر زلزله قرار گرفته و آسیب میبینند. عوامل متعددی از جمله نسبت ارتفاع به قطر مخزن , - H/D - درصد پرشدگی یا نسبت ارتفاع مایع داخل مخزن به ارتفاع کل مخزن - HL/H - و بیشینه شتاب زلزله ورودی نیز میتوانند بر رفتار لرزه ای این مخازن تأثیر گذار باشند. آسیب پذیری مخازن ذخیره ی مایعات در برابر زلزله بسیار زیاد است و بر اساس تجربهی زلزله های گذشته خیلی بیشتر از ارزش خود و محتویاتشان خسارات مالی به بار میآورند. با بررسی مخازن آسیب دیده طی زلزلههای متعدد مشاهده میشود که در اکثر مواقع خسارات ایجادشده در نزدیکی قسمت تحتانی مخزن قرار دارند وعمدتاً ناشی از موارد زیر هستند:
-1 وقوع پدید بلندشدگی و در نتیجه برش و شکست مهار بندی یا دیوارهی مخزن -2 شکست بخش تحتانی مخزن و درنتیجه آسیبدیدگی اجزاء متصل به مخزن ازجمله لولهها مشاهدات و گزارشهای اخیر در خصوص ارزیابی عملکرد مخازن طی زمینلرزههای گوناگون نشان میدهد که مخازن فولادی نسبت به مخازن بتنی در سطح بالاتری از خطرپذیری قرار دارند و باید در مورد آنها آنالیزهای دقیقتری انجام شود. در این میان وجود نواقص هندسی نظیر پدیده خوردگی میتواند بر شدت خرابی اینگونه سازهها تحت اثر زلزله بیفزاید. لذا بررسی رفتار اینگونه سازهها تحت تأثیر توأمان نواقص هندسی و زلزله امری ضروری به نظر میرسد. در این پژوهش دو نوع مخزن متوسط و بزرگ با در نظر گرفتن اثرات ناشی از خوردگی تحت اثر زلزله مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرند . در تمامی مدلها %90 ارتفاع مخزن از سیال پر است. هدف از انجام این مطالعه بررسی اثر غیر یکنواختی ضخامت دیوارهی مخزن در اثر خوردگی روی پاسخ لرزهای مخازن نظیر برش پایه، لنگر واژگونی و ... با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی میباشد. به منظور مدلسازی عددی از نرمافزار اجزای محدود آباکوس استفاده میشود. هدف کاربردی تحقیق حاضر را میتوان اینگونه بیان کرد که نتایج حاصل میتواند در طراحیهای لرزهای مخازن لحاظ شده و بحرانیترین وضعیت موجود با توجه به نتایج بهدستآمده بهعنوان مبنای طراحی در نظر گرفته شود. از سوی دیگر نتایج تحقیق حاضر میتواند در امور مربوط به نگهداری، بازرسی و همچنین مقاومسازی اینگونه سازهها مؤثر باشد.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
هاسکینز و جاکوبسن در سال 1934 فشار ناشی از مود ضربههای مایع درون مخزن را بهطور تجربی آنالیز کردند .[1] جاکوبسن در سال 1949 با فرض صلبیت دیوار مخازن، با حل معادله لاپلاس و توزیع فشار هیدرودینامیکی مایع در مخازن و با اعمال شرایط مرزی مناسب، مسئله فشار دینامیکی مایع ناشی از مؤلفه افقی زلزله در مخازن استوانهای را تحلیل نمود .[2] هارون در سال 1983 به روش آزمایشگاهی اندرکنش سیال-سازه و مشخصات دینامیکی سه مخزن واقعی - دو مخزن مهارشده و یک مخزن مهارنشده - را مطالعه نمود و با استفاده از روش تحلیلی با در نظر گرفتن تغییر شکلپذیری دیوار، برای طراحی مخازن روشی ارائه نمود .[3] هارون و الیسی در سال 1985 برای تحلیل مخازن استوانهای انعطافپذیر تحت اثر مؤلفه افقی زلزله و حرکت گهوارهای بستر صلب مخزن روشی تحلیلی ارائه نمودند .[4] اورورک و سو [5] بر اساس عملکرد مخازن در زلزلههای گذشته نشان دادند که نسبت ارتفاع به قطر مخزن بر روی آسیبپذیری لرزهای مخازن تأثیرگذار است. بر اساس نتایج این بررسی، منحنیهای شکنندگی مخازن با نسبت ارتفاع کل به قطر مخزن برابر و کوچکتر از 0/7 و نسبت به مخازن با نسبت ارتفاع کل به قطر مخزن بزرگتر از 0/7 با یکدیگر متفاوت است. این در حالی است که مالهوترا [6] نسبت H/D = 0/5 را بهعنوان مرز بین مخازن باریک و پهن معرفی مینماید.
نکتهای که در مورد اغلب تحقیقات انجامشده بر روی مخازن مهار نشده محتوی مایع مطرح است این است که این تحقیقات عمدتاً بر اساس مدلهای سادهشده و مبتنی بر روشهای استاتیکی معادل و یا بر اساس مطالعات تجربی بر روی عملکرد واقعی مخازن در زلزلههای گذشته میباشند. مطالعات تجربی نیز با توجه به محدود بودن تعداد مخازن قرارگرفته در معرض زلزله اغلب دارای عدم قطعیتهای قابلتوجهی میباشند [7] و انجام مطالعات پارامتری بر روی اینگونه دادهها عملاً امکانپذیر نیست. ماهری و سورن در سال 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 آزمایشها 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 ازآنچه است که برای مخازن صلب به دست میآید .[8] در سال 2008 آهاری – عشقی [9] و رزاقی – عشقی [10] مطالعاتی در خصوص بلندشدگی مخازن استوانهای مهارنشده فولادی تحت اثر زلزله انجام دادند. دهقان منشادی و ماهری در سال 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 قراردادند .[11] در ادامهی پژوهش قبلی، ماهری و عبداللهی در سال 2012 اثرات پدیده درازمدت خوردگی را روی مقاومت کمانشی دیوارهی مخازن موردبررسی قراردادند .[12]
-3 مواد و روش ها
برای انجام تحقیق از روش اجزای محدود استفاده خواهد شد. نرمافزار اجزای محدود آباکوس برای ساخت و تحلیل مدلها استفاده میشود. برای اطمینان از دقت و صحت پیشبینی مدلهای ساختهشده توسط نرمافزار ذکرشده، از نتایج یک تحقیق آزمایشگاهی استفاده خواهد شد. مدلهای مشابه نمونه آزمایششده با ابعاد هندسی و مشخصات مصالحکاملاً 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.
-1-3 کنترل صحت مدلسازی بر اساس روابط ارائهشده توسط ولتسوز و همکاران
زمان تناوب طبیعی مودهای ضربهای و مود گهوارهای بر اساس رابطه ارائهشده توسط ولتسوز که اساس روابط موجود در آئیننامهها است، به صورت معادله 1 محاسبه خواهد شد ]آییننامه .[API که در آن ضخامت معادل دیواره مخزن، جرم حجمی سیال، مدول الاستیسیته مخزن، ارتفاع سیال درون مخزن و شعاع مخزن میباشد.
ضریب بدون بعدی است که بر اساس جدول 1 یا شکل 1 به دست میآید.
0.4
جدول -1 ضریب بدون بعد برحسب
در شکل 2 مقایسه بین مقادیر محاسبهشده بر اساس فرمول ولتسوز و همکاران و نتایج شبیهسازی قابلمشاهده است. مﻻحظه میشود که بهخصوص در مورد مخازن با عمر کم، نتایج بهدستآمده از رابطه و نتایج پیشبینیشده توسط مدل اجزای محدود بسیار نزدیک هستند. با بالاتر رفتن عمر مخزن میزان اختلاف بیشتر شده و در بیشترین میزان اختلاف به حدود %15 رسیده است.
