بخشی از مقاله
تحلیل دوبعدی لوله های فلزی مدفون تحت جابه جایی های گسل امتداد لغز به روش اجزای محدود
چکیده:
یک مدل دوبعدی خاک- لوله به روش اجزای محدود خطی با کمک نرم افزار ABAQUS 6.11 ارائه شده است. فرض اساسی در این تحقیق وقوع یک گسل امتداد لغز بر مدل ارائه شده می باشد. گسل در جهت عمود لوله و به صورت عمودی حرکت می کند. رفتار مواد به صورت الاستوپلاستیک و همچنین شرایط خاص برای مدل سازی برخورد و شکست در این سیستم اندرکنش خاک و لوله مورد بررسی قرار گرفته است. نکته مهمی که در این مطالعه ارائه شده این است که برای اولین بار مدل بصورت دوبعدی مدلسازی شده است. طول و عرض آن به ترتیب، 60 و 10 متر می باشد و عرض ناحیه گسل 1 متر در نظر گرفته شده است. در این تحقیق اثر انواع خاک رس با چسبندگی متفاوت، نسبت قطر به ضخامت متغیر لوله مدفون و مقدار جابجایی های افقی مختلف گسل بر روی پاسخ سازه ای لوله مدفون در دو ناحیه فشاری و کششی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از تحلیل این موارد مشخص نمودن محل گسیختگی لوله و همچنین مقدار کرنش محوری در دو ناحیه کششی و فشاری آن که برای طراحی سازه لوله مدفون استفاده می شود می باشد. نتایج بر گرفته شده از 30 تحلیل انجام شده مختلف در این مدل بر روی نمودارهایی براساس جابجایی های مختلف گسل و اثر آن بر روی کرنش عمود محوری ترسیم شده است.
واژه های کلیدی: تحلیل اجزای محدود مدل دو بعدی خاک، گسل امتداد لغز، پاسخ کرنشهای عمودی لوله
مقدمه:
سیستم لوله های مدفون در شهرهای بزرگ و صنعتی وظیفه اساسی انتقال آب، فاضلاب، مخابرات و فرآورده های نفتی را بر عهده دارند. تقویت بخشهای صنعتی کلان شهرها و ارائه خدمات مداوم و ایمن شهری نیازمند توجه ویژه به عملکرد لوله های مدفون می باشد به گونه ای که می توان گفت نقش لوله های مدفون هم زمان با رشد و توسعه صنعت در جوامع بشری حیاتیتر می گردد. در طی وقوع زلزله پدیده هایی همچون انتشار امواج زلزله و حرکات بزرگ زمین زمینه آسیب رسانی به لوله ها را فراهم می آورد که در این میان حرکات بزرگ زمین همچون حرکات گسل زمین، لغزش و روانگرایی خاک از مهمترین عوامل بشمار می آید. بدلیل اهمیت مقاوم سازی لوله های مدفون در برابر اثرات زمین لرزه بررسی رفتار خطوط لوله مدفون در برابر حرکات ارتعاشی زمین جابجایی های بزرگ زمین مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. بررسی های انجام شده بر روی خرابی لوله های مدفون در اثر وقوع زلزله ثابت نموده است که بر خلاف سازه های رو زمینی بارهای حاصل از ارتعاشات لرزه ای علت اصلی انهدام لوله های مدفون نمی باشد [1] بلکه حرکات زمین عامل عمده خرابی لوله ها میباشد، به عبارت دیگر خطوط لوله مدفونمعمولاً توانایی تحمل امواج زلزله را دارا میباشد اما غالباً نمی توانند حرکات بزرگ زمین را تحمل نمایند. حرکات گسل تأثیر بسیار زیادی بر رفتار لوله های مدفون اعمال می نماید یکی از مهمترین عواملی که شدت این تأثیر را کنترل می نماید مقدار و نوع جابجایی گسل می باشد. گسل های سطحی ممکن است بصورت جابجایی های صفحه ای دیده شود. مقدار جابجایی سطحی گسل با بزرگی زلزله و طول گسیختگی گسل مرتبط است. با توجه به اهمیت خطوط لوله مدفون و تأثیر بسزایی که حرکات گسل بر لوله های مدفون می تواند داشته باشد طراحی لوله های مدفون در برابر حرکات گسل غیر قابل اجتناب است البته واضح است که اگر چه طراحی مقاوم این سازه در برابر حرکات بسیار بزرگ گسل امکان پذیر نیست ولی میتوان آن را تا حدی مقاوم نمود و از شدت خسارات احتمالی کاست. اگر چه تاکنون تحقیقات سودمندی پیرامون موضوع مورد بحث صورت گرفته است اما به نظر می رسد با اعمال بعضی اصلاحات رفتار لوله مدفون در برابر حرکات گسل با دقت مناسب تری بر آورده گردد.
هدف اساسی دراین تحقیق بررسی اثرات انواع گسل بر خطوط لوله مدفون می باشد. بدین منظور تأثیر برخی پارامترهای مهم بر رفتار لوله های مدفون در تقاطع با گسل های امتداد لغز عادی مورد ارزیابی قرار گرفته است. کار نیومارک و هال [ 2] اولین تلاش برای محاسبه پاسخ مکانیکی لوله تحت جابه جایی گسل بود. بدین منظور این کار با استفاده از مدل تحلیلی ساده یک کابل بلند با جابه جایی کوچک که اصطکاک شیب خاک روی لوله را مستقیما به فشار استاتیکی زمین ارتباط می داد انجام شد. ادامه این کار بوسیله کندی و همکاران [3] و همچنین کندی و کین کید [ 4] که شامل اصطکاک غیر یکنواخت بین لوله و خاک اطراف بود انجام شد. به این روند تحقیق، وانگ و یه [ 5] محاسبه سختی خمشی لوله را نیز افزودند و وگیوکاس و همکاران [ 6] هر دو جهت حرکت گسل قائم و افقی را لحاظ کردند و لوله های مدفون را به مدل یک تیر الاستیک بصورت عددی تحلیل کردند. بعدها مک کافری و رورکه [ 7] و دیزمود و همکاران[8] گسترش کرنش ها در لوله های مدفون گازی و آبی عبوری از گسل بر اساس زلزله سن فرناندو را مورد مطالعه قرار دادند. عکس العمل خاک به حرکات محوری لوله و جانبی شمع و یا اجسام استوانه ای صلب طویل توسط نواک و همکاران [9] و نوگامی و همکارانش [10] [11] با درنظر گرفتن کرنش دینامیکی در صفحه محاسبه شد. به گونه ای که سختی دینامیکی خاک بصورت ترکیبی از پارامتر های بدون بعد سختی و میرایی دینامیکی خاک در واحد طول شمع در اثر نوسانات افقی و قائم در دو جهت محوری و جانبی ارائه شد. لیو و پنزین [12] روشی را برای محاسبه توابع مقاومت و نیروی عکس العمل در سیستم خاک و شمع ارائه داده اند. پارملی و لودک [13] مدلی از سیستم لوله و خاک را با این فرض که خاک اطراف لوله بصورت محیط نیمه الاستیک عمل می کند مورد بررسی قرار داده اند. هیندی و نواک [14] عکس العمل خاک به حرکات هارمونیک لوله را با این فرض که خاک محیطی با ویسکو الاستیسته خطی و با فرکانسی تابع میرایی مصالح می باشد محاسبه نمودند. تاکادا [15] با بهره گیری از تجربیات آزمایشگاهی نیروی اصطکاک غیر خطی در حالتهای استاتیکی و دینامیکی را برای لوله آلومینیومی مدفون در ماسه خشک تحت تأثیر بارگذاری متغیر ناشی از فشار زمین مورد مطالعه قرار داد.
مدل سازی عددی:
نرم افزار ABAQUS 6.11 برای تحلیل عددی مدل اجزای محدود سیستم اندرکنش خاک- لوله مورد استفاده قرار گرفته است. شکل 1 شکل دو بعدی مدل اجزای محدود سیستم اندرکنش خاک- لوله میباشد که در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته است و لوله مدفون در خاک می باشد. یک شبکه اجزای محدود برای لوله در شکل 2 نمایش داده شده است. المان خطی دوگرهی در یک صفحه (PIPE21) برای لوله و همچنین المان های چهارض لعی کرنش صفحه ای دو سویه چهار گرهی با انتگرال کاهش یافته و کنترل ساعت شنی (CPE4R) برای خاک های اطراف لوله مدلسازی شده است.
سطح لغزش گسل، عمود بر محور لوله و به صورت امتداد لغز می باشد و خاک را به دو قسمت مساوی تقسیم می کند. خاک به وسیله المان مسطح پوسته ای ( Shell Planar) شبیه سازی شده است. تعداد المان های موجود در جهت محورهای X وY برای خاک به ترتیب 12 و 101 می باشد. لوله به وسیله المان سیم (Wire) با مقطع لوله ای مدل شده و شبکه بندی به گونه ای انتخاب شده که در قسمت هایی که مقادیر تنش و کرنش بیشترین مقدار را دارند شبکه ریزتری داشته باشیم. پس در نواحی نزدیک گسل شبکه بندی اجزای محدود هم برای خاک و هم لوله ریزتر و در نواحی دورتر از گسل درشت تر می باشد. برای انجام تحلیل مدل، مجموع 160 عدد المان پیوسته در طول لوله برای مش بندی (شبکه بندی) در نظر گرفته شده است. تحلیل در یک گام با اعمال جابه جایی های گسل انجام می پذیرد.
کل مدل به سه قسمت تقسیم شده که شامل بلوک عقبی، جلویی و میانی است. طول بلوک عقبی و جلویی 29/5 متر و قسمت میانی (عرض گسل1 ( w متر می باشد. در هنگام وقوع زلزله بلوک عقبی در جهت عمودی کاملا ثابت فرض شده است (و همچنین برای گره ابتدایی لوله) در حالیکه یک جابجایی مشخص در هر مرحله بر اساس حرکت گسل به گره های خارجی دومین بلوک (بلوک جلویی) در جهت محور افقی Y اعمال می شود (و همچنین به گره انتهایی لوله). گرچه سختی خاک کمتر از سختی لوله است اما حرکت لوله متعاقبا با حرکت خاک می باشد. تحلیل مورد نظر در هر گام به صورت خطی با اندازه ابتدایی 0/0001 از نوع دینامیکی ضمنی فرض شده است. رفتار مواد برای خاک و لوله غیر الاستیک میباشد. شکل 3 شکل مدل خاک- لوله را پس از حرکت جابجایی گسل در جهت Y نشان میدهد.
حرکت گسل همراه با یک ناحیه متقاطع باریک به عرض w (قسمت میانی) انجام می پذیرد. این قسمت از مدل، جهت اجتناب از گسستگی در ناحیه ای به همسایگی گسل مدلسازی شده است [17] [16] که گاها عدم وجود این قسمت باعث بروز خطاهای عددی گردیده است. تحلیل این مدل با عرض های میانی مختلف میتواند برای تحقیقات آینده انجام پذیر باشد. رفتار مواد برای هر دو مدل خاک و لوله به صورت الاستو پلاستیک می باشد. برای رفتار مکانیکی لوله مدل پلاستیک ونمیسز کالیبره شده توسط منحنی های تنش- کرنش تک محوری انتخاب شده است (شکل.( 4 علاوه بر این برای رفتار خاک مدل موهر-کولمب الاستیک- پلاستیک کامل با تخصیص ضریب چسبندگی c، زاویه شکست ، مدول الاستیسیته E، ضریب پواسون و ضریب آماس (تاخیر) انجام پذیرفته است. به دلیل استفاده از مدل موهر-کولمب در مدلسازی خاک در حالت دوبعدی، نمی توان از مدل تنش صفحه ای استفاده کرد و ما برای گرفتن نتایج در این کار از مدل کرنش صفحه ای استفاده می کنیم. در قسمت مدلسازی تماس و اثر متقابل، لوله به صورت مدفون داخل خاک تعریف شده است. روش مورد استفاده در این تحلیل روش کنترل جابجایی است که با افزایش تدریجی حرکت گسل (Displacement) انجام می گیرد. در هر گام این تحلیل ، کرنش های فشاری روی نواحی تحت فشار و کرنش های کششی روی نواحی تحت کشش لوله ثبت می شوند و نهایتا نتایج بر روی نمودارهایی براساس جابجایی های مختلف گسل و اثر آن بر روی کرنش عمودی ترسیم می شوند.
