بخشی از مقاله
چکیده
بارهاي زنده ناشی از عبور وسایل نقلیه سنگین در محل تلاقی خطوط لوله مدفون با محور راهها میتوانند اثرات قابل ملاحظهاي بر عملکرد سازهاي لولهها داشته باشند. توسعه و تعریض محورهاي جادهاي در محلِ خطوط لوله از قبل کارگذاري شده و عدم امکان انتقال این خطوط از یک سو و عمق دفن سطحی در اغلب نواحی از سوي دیگر، مبین لزوم تحلیل رفتار مکانیکی لولههاي مدفون تحت بار وسایل نقلیه است. در این پژوهش، پاسخ سه بعدي خطوط لوله مدفون تحت بارگذاري حرکتی ناشی از وسائل نقلیه با استفاده از تحلیل المان محدود بررسی شده است. تحلیل با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس و با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش محیط خاك و لوله انجام شده است.
اثر پارامترهاي وسائل نقلیه، جنس لوله و خاك احاطهکننده بر پاسخ محیط خاك و لوله مورد بحث قرار گرفته است. مطالعه نشان میدهد که به ازاي عمقهاي دفن کمتر از 1 متر مقدار تنشهاي اصلی حداکثر بر تاج لوله قابل ملاحظه است. با افزایش عمق دفن، تنشهاي اصلی حداکثر کاهش می یابد که شدت آن با افزایش مدول ارتجاعی لوله و خاك احاطهکننده با افزایش همراه است. به ازاي عمقهاي دفن سطحی عبور وسائل نقلیه به موازات محور لوله مدفون اثرات بحرانیتري بر عملکرد لوله نشان میدهد. با این وجود، افزایش عمق دفن و مدول ارتجاعی لوله و خاك احاطه کننده منجر به همگرائی مقادیر تنشهاي لوله تحت جهات مختلف حرکت وسیله نقلیه میشود.
کلمات کلیدي: لوله مدفون، تحلیل سهبعدي، بار وسایل نقلیه، اندرکنش خاك و لوله
مقدمه
توسعه روزافزون شریانهاي حیاتی مانند خطوط انتقال آب، گاز، نفت و راه منجر به تلاقی این سامانهها با یکدیگر میشود. مطالعات نشان میدهد که اثرات ناشی از اندرکنش این سامانهها بر خطوط لوله مدفون در اغلب موارد قابل ملاحظه بوده و از سوي دیگر بازرسی و نگهداري و تعمیر خطوط لوله مدفون در این نواحی بسیار پیچیده و پرهزینه است . بار وسایل نقلیه عبوري وارد بر خطوط لوله مدفون به دلیل تعریض محورهاي جادهاي در محل لوله هاي از قبل کارگذاري شده منجربه ایجاد اثرات مخرب موضعی و تغییرشکلهاي قابل توجهی در این المان سازهاي میشود .
علاوه براین، فرآیند انتقال و تغییر عمق دفن این خطوط داراي پیچیدگیهاي خاص و مشکلات عدیده اجرائی میباشد. بنابراین، تحلیل رفتار مکانیکی لوله مدفون تحت بارهاي سطحی ناشی از وسائل نقلیه براي طراحی ایمن و همچنین اخذ تمهیدات لازم در مطالعات موردي امري ضروري است. به طور کلی، مطالعات بر حفرات واقع در ترانشه ها سازگاري مناسبی را بین توزیع فشار بارهاي گسترده و توزیع فشار تئوري بوزینسک براي بار متمرکز در محیط نیمه بینهایت نشان میدهد .
با این حال، در مورد عمقهاي دفن سطحی این فرضیه میتواند غیرمنطقی باشد. در این موارد، رفتار مکانیکی لوله تحت بار گسترده یک پدیده سهبعدي خواهد بود . شاید بتوان گفت که سادهترین تحلیل خط لوله مدفون توسط نیومارك و هال انجام شده که در آن از اثرات اندرکنش خاك و لوله صرف نظر شده است. وانگ و همکاران تغییرشکل محوري لوله مدفون را با استفاده از یک مدل تحلیلی شامل تیر و فنر که در آن اثر اندرکنش خاك و لوله در نظر گرفته شده است بررسی کردند. سلبرگ تاثیر فشار آنی بر سطح داخلی حفره استوانهاي را در یک محیط ارتجاعی مورد بررسی قرار داد. جردن یک محیط ارتجاعی تحت اثر فشار دینامیکی خطی بر روي قسمتی از دیواره حفره را بررسی کرد.
هنگام بروز تغییرشکلهاي بزرگ در سطح مقطع خطوط لوله به عنوان سازههاي جدا نازك، دیگر نمیتوان اصل جمع آثار قوا را براي اندرکنش کرنش محوري و کرنش خمشی مورد استفاده قرار داد. همچنین خطوط لوله میتوانند تحت تمرکز تنش و تنشهاي پسماند قرار داشته باشند. از این رو با توجه به پیچیدگیهاي روشهاي تحلیلی در موارد یادشده، روشهاي عددي توسط محققین مختلف براي مسائل لوله مدفون به کار گفته شده است. چنگ و جر اولین کسانی بودند که مسئله حفرات مدفون را بهطور عددي بررسی و تحلیل کردند.
آنها در مطالعه خود از گرههاي سهبعدي با سه درجه آزادي استفاده کردند. وانگ و همکاران به تحلیل سهبعدي دینامیکی خطوط لوله مدفون تحت شرایط تنش صفحهاي و با اعمال اندرکنش خاك و لوله پرداختند. آنها براي مدلسازي اندرکنش خاك و لوله از تئوري وینکلر استفاده کردند. مدل ارائه شده توسط ایشان می تواند بار کمانش موضعی و تغییرمکانهاي محوري را بدست دهد. یون موك و همکاران طول بحرانی جانبی خط لوله و همچنین مقدار بحرانی تغییر ماندگار زمین را که سبب ایجاد کمانش موضعی میگردد را در خطوط لوله فلزي با استفاده از روشهاي عددي محاسبه نمودند.
دوهیونگ لی و همکاران تحلیلهاي تاریخچه زمانی مختلفی را با استفاده از زلزلههاي مختلف بر روي سیستم خط لوله مدفون گاز انجام دادند. ایشان پارامترهاي مختلفی مانند نوع لوله، مشخصات خاك، شرایط تکیهگاهی و عمق دفن را براي مطالعه در نظر گرفتند. همچنین به منظور به دست آوردن پاسخ کرنش در مقطع لوله، جابجائی محوري نسبی و جابجائی انتقالی یک مطالعه مقایسهاي انجام دادند.
ایشان نتیجه گرفتند که کرنش در خط لوله در نزدیکی تکیهگاه به نوع تکیهگاه بستگی دارد. لیو و یانگ با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس یک خط لوله مدفون تحت بار ضربهاي ناشی از جسم فروریزنده را تحلیل کردند. آنها اثرات سختی نسبی و عمق دفن بر توزیع تنش لوله مدفون را مورد برسی قرار دادند. نتایج نشان داد که با کاهش سختی نسبی خاك- لوله و عمق دفن، تنشهاي بوجود آمده در لوله کاهش مییابد. با این حال، مقدار تنش لوله در عمقهاي بیشتر از 3 متر ثابت میماند. همچنین فشار ضربهاي با انرژي ضربهاي افزایش پیدا میکند ولی با افزایش عمق دفن و سختی نسبی خاك-لوله با کاهش همراه است.
چاپمن و همکاران به بررسی آزمایشگاهی لولههاي جدار نازك یو پی وي سی مدفون تحت بارهاي سطحی استاتیکی پرداختند. نتایج مطالعه آزمایشگاهی نشان دهنده اهمیت قابل ملاحظه خصوصیات خاك احاطه کننده بر رفتار بلند مدت لولههاي انعطاف پذیر میباشد. تریکی و مور لوله مدفون تحت بار سطحی دایروي را به صورت سه بعدي و با استفاده از روش المان محدود بررسی کردند. تحلیل براي سختی لوله و عمقهاي دفن مختلف انجام شده است. نتایج نشان داد که براي لولههاي صلب واقع در نزدیکی سطح زمین، تاثیر عمق دفن بر خیز حداکثر قابل صرف نظر است.
با این حال، خیز لولههاي انعطافپذیر با افزایش عمق دفن به طور قابل ملاحظهاي کاهش مییابد. همچنین لنگر خمشی حداکثر با افزایش سختی لوله افزایش و با افزایش عمق دفن با کاهش همراه است. شییوآي تنش و تغییرشکل لوله مدفون تحت بارهاي سطحی را با استفاده از مدل سه بعدي المان محدود محیط خاك و لوله بررسی کرد. نور یک تحلیل سه بعدي المان محدود براي یک لوله بتنی مدفون تحت بارهاي وسائل نقلیه را ارائه داد. نتایج نشاندهنده لزوم بکارگیري اندرکنش خاك و لوله براي عمق هاي دفن کم است. ژانگ و لیانگ به تحلیل رفتار مکانیکی لوله فلزي مدفون تحت بارهاي زمینی پرداختند. با این حال، مطالعات اندکی در زمینه بررسی اثرات بار وسائل نقلیه بر رفتار مکانیکی لوله هاي مدفون در منابع موجود است.
در این پژوهش، تحلیل سهبعدي لوله مدفون تحت بار وسائل نقلیه با استفاده از روش المان محدود انجام شده است. دو نوع لوله فولادي و پلیاتیلن در نظرگرفته شده است. اثرات بار حرکتی، ویژگیهاي لوله و خاك احاطهکننده بر پاسخ محیط خاك و لوله مورد بحث قرار گرفته است. تنشهاي اصلی حداکثر لوله براي موارد مختلف تعیین شده است. نتایج ارائه شده میتواند به عنوان مرجعی مناسب براي مطالعات ارزیابی و طراحی خطوط لوله مدفون بکارگرفته شود.
مدلسازي المان محدود
تحلیل عددي خطوط لوله مدفون تحت بار وسائل نقلیه با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس - 2013 - انجام شده است. به منظور بررسی عددي رفتار محیط خاك و لوله تحت این نوع بارگذاري با انجام آنالیز حساسیت مکعبی به ابعاد 20 m × 15 m × 20 مطابق شکل 1 در نظر گرفته شده است.
