بخشی از مقاله
چکیده
ایران از جمله کشورهای زلزله خیز جهان است و90 درصد خاک ایران بر روی نوار زلزله واقع شده است. خطوط و شبکه توزیع انتقال آب در سیستم آبرسانی به عنوان قسمتی از یک شبکه حیاتی محسوب میگردند. این امر سبب میشود تا تحلیل و مقاوم سازی لرزهای در مناطق با خطر لرزه-خیزی بالا و همچنین در محل برخورد خطوط لوله با گسل ضرورت یابد. در این مقاله پس از انجام مطالعات زمینشناسی، لرزهخیزی و نیز جمع آوری اطلاعات ژنوتکنیک موجود در شهر بیرجند، نقاط خطر پذیر توسط نرمافزار GIS مشخص گردیدهاست.
پس از آن نیز تحلیل رفتار لرزهای خطوط لولههای آبرسانی با نرمافزار المان محدود ABAQUS 13-6 انجام شدهاست و میزان آسیبپذیری سیستم آبرسانی رسانی شهر تعیین شدهاست. در این مطالعه 4 مدل مورد ارزیابی قرار گرفتهاست و مدل بهینه با دو پارامتر عمق دفن 4 متر و ضخامت لوله 1/2 سانتیمتر انتخاب گردیده-است.
در نتایج نشان داده شدهاست که این مدل نسبت به مدلهای دیگر دارای جابجایی کمتر و مقاومت بیشتری در برابر نیروی زلزله داشتهاست. نتایج نشان دادهاست که در نقاط خطرپذیر با اجرای این مدل سیستم در برابر نیروی زلزله بهینه گردیدهاست. در پایان نیز راهکارهایی جهت بهسازی و مقاومسازی شبکه موجود و همچنین سیاستهای بهینه جهت ایجاد شبکههای جدید لوله آبرسانی با توجه به تحلیلهای صورت گرفته در برابر با خطرات ناشی از زلزله در شهر بیرجند ارائه گردیده است.
مقدمه
کشور ایران در یکی از نواحی زلزله خیز دنیا واقع شده است. از این رو توجه خاص به روشهای مقاومسازی سازهها و به ویژه شریانهای حیاتی بسیار ضروری است. توجه به مقاومسازی و طراحی شبکه بر اساس ضوابط لرزهای برای کاهش خطرات زلزله در شبکههای آبرسانی امری ضروری میباشد. نحوه عملکرد لولههای شبکههای آبرسانی در زلزله مربوط به دو بخش انتشار امواج لرزهای و تغییر مکانهای ماندگار زمین میباشد.
بیشتر لولههای انتقال آب مدفون بوده و به دلیل احاطه بودن توسط خاک، بیشتر تحت تأثیر تغییر مکانهای ماندگار زمین قرار میگیرند. بروز مشکلات ناشی از تأثیر نیروهای داخلی و خارجی وارده بر لولهها در شریانهای اصلی انتقال و توزیع آب شرب شهری، سالانه خسارات زیادی را به شرکتهای آب و فاضلاب کشور وارد میسازد.
بنابراین تجزیه و تحلیل نیروهای وارده از اهمیت بالایی برخوردار است. این لولهها نقشی حیاتی در تولید انرژی، اقتصاد و سلامت جوامع دارد و از آنها به عنوان شریانهای حیاتی هر جامعه یاد شده است. لولههای مختلف چدنی، فولادی، بتنی، آزبست سیمان و پلاستیکی وجود دارند که بر اساس نوع کاربری شبکه لولهکشی، قطر لوله، دبی گذرنده از لوله و نوع خاک محل از انواع مختلف آن استفاده می- شود
از جمله تهدیدهای بسیار جدی برای خطوط لوله، بلایای طبیعی و در رأس آن زلزله است. جابجایی گسلها یکی از مهمترین عوامل مخرب شریانهای حیاتی پیوسته مدفون به خصوص هنگام ایجاد فشار خالص بر لوله میباشد. زمین لرزهها به طور بالقوه، رویدادهای طبیعی ویرانگری هستند که موجودات زنده را تهدید کرده، اموال و داراییها را تخریب میکند و خدمات استمرار بخش به زندگی را مختل مینمایند.
عامل اصلی زلزلهها، گسیختگی گسلها در پوسته زمین و لغزشهای سریع مربوط به این گسلها میباشد. تغییر شکل دائمی زمین میتواند به شدت بر خطوط لولههای مدفون از جمله لولههای آبرسانی تأثیر گذار باشد. مطالعات نشان میدهد که خرابیهای شدید که منجر به از کار افتادگی کامل خط لوله میشود، عموماً ناشی از حرکت ماندگار زمین در منطقه گسل است.
همچنین، انفجارهای تصادفی و عمدی در مجاورت خطوط لوله مدفون انتقال گاز مجاور خطوط لولههای آبرسانی میتوانند برای این خطوط لوله خطرآفرین باشند. بنابراین، خطوط لوله تحت بارگذاریهاییبا ماهیت کاملاً متفاوت قرار میگیرند.
با توجه به اهمیت شرح داده شده در این مقاله علاوه بر مروری بر مطالعات گذشته پس از انجام مطالعات زمین شناسی، لرزهخیزی و نیز جمع آوری اطلاعات ژنوتکنیک موجود در شهر بیرجند، تحلیل رفتار لرزهای خطوط لولههای آبرسانی با نرمافزار المان محدود ABAQUS 13-6 انجام شده است و میزان آسیبپذیری سیستم آبرسانی شهر تعیین شدهاست. در آخر، با بررسی نتایج حاصل از تحلیل این لولهها، راه حل مناسب جهت جهت تعویض لوله و یا مقاوم سازی ارائه گردیده است.
مروری بر مطالعات گذشته
با توجه به اهمیت سیستم آبرسانی شهری محققان پژوهشهای بسیاری را در این زمینه انجام دادهاند که در ادامه به برخی از آنها اشاره میگردد. در پژوهشی از المان Plane 42 در نرم افزار Ansys برای شبیهسازی فشار داخلی در لوله متقارن تحت اثر بارگذاری مثبت استفاده شدهاست. در دو حالت خالی و پر با احتساب فشار داخلی ماکزیمم این شبیه سازی صورت گرفته است. در نتیجه بدست آمده تنش، خمش و فشردگی اثرات متفاوتی داشتهاست. در ابتدا و حالت بدون فشار داخلی در اثر بارگذاری دیواره لوله تغییر شکل یافتهاست، ولی پس از زمانی و احتساب فشار ماکزیمم در مرکز لوله تا حدودی و بسته به درجه مقاومت و انعطاف پذیری جدار، این تغییر شکل جبران شده است
در پژوهش دیگری مسأله انتشار دینامیکی کمانش در لولههای بلند تحت فشار خارجی ثابت با استفاده از لوله آلومینیومینسبتاً نازک و در سال 2000 روی لولههای فولادی SS-304 مورد بررسی واقع شده است
با توجه به اهمیت موضوع، تحقیقات زیادی در رابطه با تحلیل لرزهای و بررسی دینامیکی عملکرد لولههای مدفون1 انجام گرفته است. بیشتر پژوهشها در رابطه با مدلسازی عددی لولههای مدفون، اندرکنش خاک، لوله و نیز تنشهای ناشی از بارگذاریهای لرزهای بوده است. در پژوهشی با استفاده از نرمافزار المان محدود ABAQUS به مدلسازی سه بعدی شیروانی خاکی پرداخته و تأثیر پارامترهای هندسی و ژئوتکنیکی شیروانی و محل قرارگیری لوله بر عملکرد لوله مدفون تحت بارگذاری دینامیکی سینوسی2 مورد بررسی واقع شده است
در پژوهش دیگری به بررسی تأثیر بارهای وارده و بافت پیرامونی بر لوله فولادی در شبکه آب شهری با مدل اجزاء محدود در نرمافزار Ansys پرداخته شده است
در پژوهشی به بررسی رفتار دینامیکی شبکهای از خطوط لوله با روانگرایی بخشی از خاک ناشی از شتاب زلزله پرداختهاست. نتایج این پژوهش نشاندادهاست که در حالت روانگرایی مقاومت برشی فنرهای اصطکاکی به حداقل میل داده میشود افزایش عمق دفن لوله، سختی خاک را افزایش میدهد و به همین دلیل جابجایی وتنش المان وسط لوله کاهش مییابد
در پژوهشی، مکانیزم رفتاری لوله های مدفون بتنی با قطر بزرگ تقویت شده با ور قهایFRP3 توسط نرم افزار ABAQUS مورد بررسی قرار گرفته و میزان تأثیر روش مقاومسازی بر این لولهها مشخص گشتهاست. نتایج حاصل از تحلیل نرمافزار نشان دادهاست که پلیمرهای مسلح به الیاف کربنی CFRP4 مناسبتر و مؤثرتر از پلیمرهای مسلح به الیاف شیشهای GFRP5 بودهاست. نتایج این پژوهش نشان دادهاست که با مقاومسازی لولهها از داخل میتوان تنشها را تا 30 درصد کاهش داد
در پژوهش دیگری مدل الاستیک- پلاستیک اجزای محدود برای تحلیل رفتار غیر الاستیک خط لوله فولادی در نظر گرفتهشدهاست. از المان لوله در 1 گره و با 11 درجه آزادی در مدل ABAQUS استفاده شدهاست. المان مفروض در زمانی که از تعداد المانهای کمی در مسئله استفاده شود، توانستهاست بار گسیختگی در خط لوله را بادقت بالایی مشخص کند
همچنین در پژوهشی، در بررسی لوله و اتصالات فولادی آن با بارگذاریهای مرکب در شرائط آزمایشگاهی نشان داده شدهاست که در بین تمامی پارامترها و بارهای مفروض در مسئله، تنها نیروی محوری قابلیت توزیع لنگر حاصل از شرائط پلاستیسیته شدن در لوله را دارد و همچنین کشش محوری بوجود آمده نیز در رسیدن به مقاومت حالت پلاستیک در لوله موثر است. از دیگر پارامترهای دخیل در مسئله مذکور، افزایش میزان قطر لوله نسبت به ضخامت خارجی آن بود
