بخشی از مقاله
چکیده
گسترش روز افزون جوامع شهری، اهمیت شریان های حیاتی بر زندگی عمومی را بیشتر کرده است. یکی از مهمترین شریان های حیاتی خطوط انتقال انرژی می باشد. با توجه به کارایی بالای خطوط لوله مدفون در انتقال آب، نفت، گاز و سیالات دیگر و افزایش چشمگیر استفاده از آنها در نقاط مختلف دنیا، لزوم بررسی رفتار اینگونه سازه ها در برابر تحریکات دینامیکی ناشی از حرکت شدید زمین ضروری به نظر میرسد. ضمن اینکه کشور ایران در یکی از نواحی زلزله خیز دنیا واقع شده است و هر لحظه احتمال وقوع زمین لرزه در کشور وجود دارد. از این رو توجه خاص بهروش های مقاوم سازی سازه ها و به ویژه شریان های حیاتی که غالباً به صورت مدفون شده در خاک می باشند ضروری است.
لازمه این کار تجزیه و تحلیل شرایط به وجود آمده در لحظه زلزله و تغییر مکان های ماندگار زمین پس از زلزله خصوصاً در خاک هایی با شرایط خاص مانند گسل ها، خاک های مستعد روانگرایی، خاک های مستعد نشست و ... می باشد. مهمترین علت شکست لوله ها، جابه جایی ناشی از زلزله می باشد. این جا به جایی ها به دو صورت گذرا و ماندگار می باشد. جابه جایی گذرا در اثر موج و جابه جایی ماندگار در اثر پدیده های ژئوتکنیکی مانند روانگرایی و گسل می باشد. از این میان روانگرایی عمده ترین عامل این شکستگی هاست. لذا در این تحقیق با مدل سازی در نرم افزار المان محدود ABAQUS ورژن 6/14 به بررسی و آنالیز تحلیل دینامیکی خطوط انتقال سیال مدفون شده و در مجاورت خاک ماسه ای اشباع که مستعد روانگرایی می باشد و یکی از شرایط بحرانی و خاص می باشد می پردازیم.
در پایان به این نتیجه می رسیم که هرچه ضخامت لوله ها کوچکتر فرض گردد اثرات تخریبی نیروی زلزله بر خطوط انتقال کمتر خواهد بود و نیز چون بیشترین تاثیر مخرب امواج زلزله در نواحی سطحی زمین می باشد و با افزایش عمق خاک از شدت نیروی زلزله کاسته می شود، پس مطلوب تر این است که لوله های مدفون در عمق بیشتری از سطح زمین قرار گیرند. از نتایج بدست آمده در این تحقیق توصیه می شود برای ساخت لوله های مدفون در خاک از لوله های فولادی و فایبرگلاس استفاده شود و نیز پس از بررسی بر روی چهار نوع سیال - آب، نفت، گازوئیل و گاز متان - نتیجه گرفته می شود که سیال درون لوله تاثیر چندانی بر روی مقاومت و عملکرد لوله ی مدفون در هنگام وقوع زلزله ندارد.
واژه های کلیدی: تحلیل دینامیکی، خطوط انتقال، سیال، خاک ماسه ای
-1 مقدمه
درمیان شریان های حیاتی سازه های مدفون به دلیل گستردگی شان درمحیط شهری و تامین نیازهای حیاتی شهروندان از اهمیت و حساسیت بالایی برخوردارند بخش مهمی ازشریان های حیاتی شهرهای مدرن را خطوط لوله مدفون تشکیل می دهند تا چندی پیش چنین به نظر می رسد که سازه های زیرزمینی به جز سازه هایی که در مناطق مستعد لغزش زمین و یا برروی گسل ها قرار دارند در جریان زلزله با خطر چندانی مواجه نیستند اما تجربیات زلزله های شدید در چند دهه اخیر مانند زلزله های 1994 نوثرریچ و 1995 کوبه لزوم طراحی لرزه ای سازه های مدفون و درنظر گرفتن پدیده های مانند روانگرایی و اثرات ناشی از آن مانند تغییرشکل های جانبی و بالا آمدگی سازه را روشن نموده است زلزله 1989 لماپریتا به خاطر وقوع روانگرایی و تغییر مکان جانبی زمین موجب آتش سوزی و خسارت شد، زلزله 1990 رودبار منجیل منبع بزرگ آب آشامیدنی رشت انزلی را در اثر روانگرایی ویران کرد، زلزله 1994 نوثرریچ باعث شکست تعداد زیادی از لوله ها در اثر تغییر شکل دائمی زمین شد، زلزله کواشیرواکی که درسال 1993 به بزرگی 8/7 درشمال ژاپن به وقوع پیوست باعث ایجاد آسیب های فراوان به تسهیلات فاضلاب و لوله های گازرسانی، قرضه های جاده ها، خانه ها و تسهیلات ساحلی شد.
انتقال فراورده های نفتی و گاز و حتی آب و فاضلاب توسط خطوط لوله که یکی از روش های مناسب، ارزان قیمت، سریع و مطمئن است انجام می گیرد. با توجه به اینکه خطوط لوله در سطح وسیع گسترش می یابند، لذا در اثر خطراتی مانند گسلش، زمین لغزش، تغییرمکانهای ناشی از روانگرایی، چگالش، ترکهای زمین و حرکات شدید زمین که تماما ناشی از زلزله هستند دچار آسیب دیدگی و باعث خسارات اقتصادی و زیست محیطی فراوانی می گردند. لذا باید عملکرد این خطوط در مقابل زلزله بررسی گردد تا بتوان راهکارهایی برای جلوگیری از این آسیبها در نظر گرفت. از عوامل تاثیرگذار بر خطوط لوله مدفون سیال، ضخامت، قطر لوله، مدول یانگ و عمق دفن لوله در مورد خصوصیات لوله و در مورد خصوصیات بستر، دانسیته، ضریب پوآسون، سرعت انتشار امواج و طول موج آن، پریود طبیعی ارتعاش، ضخامت لایه ها، ضخامت بستر و بالاخره سرعت و شتاب طیف طرح را می توان نام برد. لذا در این تحقیق تصمیم بر آن است که یکسری از عوامل بصورت ثابت و تعدادی از عوامل متغییر در نظر گرفته شود و تاثیر عوامل متغییر بر رفتار لرزه ای لوله های مدفون سیال در خاک ماسه ای اشباع مستعد روانگرایی بررسی گردد. در این تحقیق رفتار خطوط لوله مدفون با استفاده از المانهای نرم افزار ABAQUS و تئوری تیر بر بستر ارتجاعی بصورت سه بعدی مدل شده است. همچنین عواملی مانند عمق دفن، قطر لوله، جنس و نوع لوله، ضخامت لوله، بررسی شده است. لذا به دلایل مهم اقتصادی و زیست محیطی ضرورت انجام این تحقیق از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.
-2 روش کار
در تحقیق حاضر از نرم افزار المان محدود ABAQUS ورژن 6/14 استفاده شده که در ابتدا مدل های اولیه خاک و لوله در ماژول پارت1 ساخته شده، سپس در ماژول پراپرتی2 مشخصات مصالح خاک و لوله، به نرم افزار داده می شود. حال باید مدل های ساخته شده اولیه را در ماژول اسمبلی3 با هم ترکیب کرده تا مدل نهایی خاک و لوله به دست آید. هم چنین معیارهای خروجی که از نرم افزار خواسته می شود نیز در ماژول استپ4 تعریف شدند. در ماژول اینترکشن5 اندرکنش های بین نواحی مدل یا بین ناحیه ای از مدل با اطراف آن مشخص می شوند. در ماژول لود6 به معرفی بارهای استاتیکی و دینامیکی وارده به مدل پرداخته شد. سپس در ماژول مش7، مش بندی صورت گرفت. ابعاد مدل استفاده شده در شکل - 1 - آمده است. طول لوله برابر 100 متر و قطر آن برابر 1/524 متر 60 - اینچ - و ضخامت آن 0/02 متر، عرض خاک برابر با 10 متر و ارتفاع خاک برابر با 15 متر می باشد. خاک و لوله به چهار قسمت موازی تقسیم شده اند.
-3 مشخصات مصالح بکار رفته
با توجه به اینکه در این تحقیق مسئله ی روانگرایی خاک مطرح است از خاک ماسه ای اشباع استفاده شده است. از مدل رفتاری موهرکلمب برای خاک مورد نظر استفاده شده است. مشخصات خاک استفاده شده در تحلیل در جدول - 1 - آمده است. مشخصات مصالح لوله با توجه به اهداف تحقیق و بررسی مشخصات جنس لوله تحقیق حاضر در قابل سه نوع لوله فولادی، فایبرگلاس و بتنی در جدول - 2 - آمده است. مشخصات مصالح لوله فولادی با توجه به مقاله - 2010 Hyuk - و مشخصات مصالح لوله فایبرگلاس با توجه به مقاله Nan Ji Jin - و همکاران - 2013 و همچنین مشخصات مصالح لوله ی بتنی با توجه به مقاله Masood Hajali - و همکاران - 2016 بدست آمده است. با توجه به اهداف تحقیق و بررسی سیال درون لوله ی مدفون از چهار نوع سیال آب، نفت، گازوئیل و گار متان استفاده می شود. مشخصات این چهار نوع سیال با توجه به ابعاد لوله و قطر آن از طریق نرم افزار Pipe Flow Wizard محاسبه
