بخشی از مقاله
خلاصه
از برجهای خنک کننده برای خنک کردن آب در گردش نیروگاههای حرارتی، پالایشگاهها و نیروگاههای اتمی استفاده میشود و آسیب دیدن آنها میتواند عملکرد مستمر نیروگاه را تحت تاثیر قرار دهد، از این رو از سازههای مهم نیروگاهی میباشند. برجهای خنککننده از دید سازهای به دو نوع فلزی و بتنی تقسیم میشوند، نوع بتنی آنها از یک پوستهی بتن مسلح تشکیل شده که روی ستونهایی قرار دارد و نوع فلزی آن میتواند از سازهی فضاکار ساخته شود و یک پوشش فلزی روی آن قرار گیرد.
ساخت برجهای خنککننده با سازهی فضاکار موجب کاهش وزن سازه و سرعت بالای ساخت آن میگردد. با توجه به اینکه در کشور ایران از نظر آییننامهای توجه چندانی به این قبیل سازهها نشده است، در این مقاله ضریب رفتار برجهای خنککنندهی ساخته شده از سازههای فضاکار با استفاده از آنالیز دینامیکی افزاینده - IDA - 3 ، بهکمک نرمافزار المانمحدود OpenSees تحت اثر رکوردهای زلزله، مورد بررسی قرارگرفته و با استفاده از نتایج حاصل از این آنالیز، مقدار ضریبرفتار سازه محاسبه شده و با مقدار آییننامهای مقایسه گردیده است.
.1 مقدمه
اطمینان از عملکرد مناسب برج خنککننده برای کارکرد مستمر یک نیروگاه بسیار با اهمیت است و در طراحی آنها بسته به محل ساخت ممکن است بار زلزله نسبت به بار باد تعیین کننده باشد. روشهای معمول تحلیل این نوع سازهها در مقابل بار زلزله، روش استاتیکی معادل، روش طیفی و تاریخچه-زمانی است، اختلاف نظر عمده میان آیین نامهها و روشهای محاسباتی، ضریب رفتار - - R میباشد.
سازه ها در هنگام وقوع زلزلههای متوسط و شدید وارد محدودهی غیرخطی میگردند و برای طراحی آنها نیاز به یک تحلیل غیرخطی میباشد، ولی به دلیل وقتگیر بودن، پر هزینه بودن و عدم سهولت روش غیرخطی، روشهای تحلیل متداول بر اساس تحلیل خطی سازه و با نیروی کاهش یافته ی زلزله صورت میگیرد.
کاهش مقاومت سازه از مقاومت الاستیک موردنیاز عموماً از طریق استفاده از ضرائب کاهش نیرو انجام میشود. با وجودیکه ضرائب رفتار تعیین شده در آییننامهها در نظر دارند رفتار هیسترزیس، میرایی، اضافه مقاومت و ظرفیت استهلاک انرژی را درنظر گیرند، مقادیر این ضریب در آییننامههای زلزله اصولا بر اساس مشاهدات عملکرد سیستمهای سازهای مختلف در زلزلههای شدید گذشته میباشد، بر این اساس محققان متعددی نگرانی خود را از بابت فقدان وجود ضرائب رفتار معقول و مبتنی بر مطالعات تحقیقاتی در آییننامههای زلزله بیان داشتهاند و بر اصلاح این ضرائب بر اساس مطالعات علمی تاکید ورزیدهاند.
هدف از این مطالعه، تعیین ضریب رفتار - - R برای نمونهی خاصی از برج خنککنندهی ساخته شده از سازهی فضاکار میباشد. نمونهی مطالعاتی به کمک نرم-افزارهای [1] Formian، و [2] Sap 2000، مدلسازی شده و طراحی اولیه به منظور بدست آوردن مقاطع اعضاء انجام گردیده، سپس با استفاده از نرمافزار المانمحدود[3] Opensees، سازه تحت تحلیل دینامیکی غیرخطی افزاینده قرار گرفته و منحنی ظرفیت سازه حاصل شده است که این منحنی نقش اساسی در تعیین ضریب رفتار - - R را به عهده دارد.
.2 توصیف مدل
در این تحقیق یک برج خنککننده با ارتفاع 50 متر از سطح زمین، ارتفاع گلوی 42 متر از سطح زمین، شعاع گلوی برج 12 متر، شعاع قسمت تحتانی برج 20 متر، نقاط تکیهگاهی برج - اتصال به زمین - 24 نقطه، مطابق با شکل 1 در نظر گرفته شده است.
شکل -1 هندسهی برج خنککنندهی ساخته شده از سازهی فضاکار
.3 مدلسازی و تحلیل و طراحی اولیهی سازه
الف- مدل اولیه: مدل اولیه برج خنک کنندهی مورد مطالعه با استفاده از نرمافزار Formian نسخه 2/2 ترسیم و سپس به نرمافزار Sap 2000 نسخه 16 انتقال یافت و جهت بدست آورن مقاطع اعضای سازه، تحلیل و طراحی اولیه با استفاده از نرم افزار Sap 2000 روی سازه انجام گرفته است، این سازه دارای 2592 عضو و 888 گره میباشد، سپس مدل با مقاطع بدستآمده همراه با جزئیات کامل در نرم-افزارOpenSees نسخه 2/4/0 بازسازی شده و تحلیلهای دینامیکی غیرخطی روی سازه صورت گرفته است.
ب- بارگذاری برج: بارگذاری برج خنککننده مطابق با آییننامهVGB آلمان[4] و مبحث ششم مقررات ملی ساختمان[5] صورت گرفته است. بارهایی که در تحلیل و طراحی این سازهها در نظر گرفته شده، بارهای مرده شامل وزن اعضا و پوشش و تجهیزات جانبی و برف و یخ انباشته شده روی پوشش برج و همچنین بار باد میباشند. با توجه به اینکه در نگاه اول اثر بارهای باد روی این سازهها به دلیل ارتفاع زیادشان بیشتر از بارهای ناشی از زلزله میباشد، بر این اساس در تحلیل و طراحی اولیه به منظور به دست آوردن مقاطع اعضاء برای تحلیلهای نهائی، روی سازه بارگذاری باد مطابق با آئین نامه VGB آلمان انجام پذیرفته است.
ج-شرایط تکیهگاهی و اتصالات گرهی: شرایط تکیهگاهی که در مورد سازه در نظر گرفته شده همگی بهصورت صلب با 24 تکیهگاه بر روی زمین بوده و با توجه به تک لایه بودن سازهی فضاکار در این سازه، تمامی اتصالات در مدلهای مورد بررسی به صورت کاملاً صلب لحاظ گردیده است.
د-تحلیل و طراحی: تحلیل و طراحی اولیه سازه جهت استخراج نیروها و مقاطع در نرم افزار Sap 2000 انجام گرفته و در نهایت توسط نرم افزار المان محدود OpenSees ، روی مدل تحلیل دینامیکی غیر خطی افزاینده - IDA - انجام گرفته است.
.4 ویژگیهای مصالح و مقاطع
ویژگیهای مصالح و مقاطع بکار رفته در تحلیل مطابق جداول 1 و 2 میباشند، مصالح فولاد به صورتاِلاستو پلاستیک در نظر گرفته شده و ضریب b نسبت سخت شوندگیکرنشی یا نسبت مدول اِلاستیسیته پس از تسلیم به مدول اِلاستیسیته اولیه میباشد.
جدول :1 مشخصات مصالح فولاد
جدول 2مشخصات: مقاطع اِلمانهایکارب رفته - بر اساس جدول اِشتال -
.5 مشخصات رکوردهای بکار رفته در تحلیلهای دینامیکی سازه:
تعداد دو رکورد افقی، مربوط به زلزلهی کوبه ژاپن[6] با مشخصات جدول 3 در نظر گرفته شده که در تحلیلهای دینامیکی انجام شده به صورت هم-زمان در دو جهت افقیبه سازه اِعمال گردیده است.
جدول : 3 مشخصات رکوردهای افقی زلزلهی کوبه
.6 معرفی پارامترهای مؤثر در محاسبهی ضریب رفتار:
آیین نامههای طراحی سازهها در برابر زلزله، نیروهای طراحی لرزهای سازه ها را از طیفی که وابسته به پریود طبیعی سازه و شرایط خاک محل احداث آن است بدست آورده و برای لحاظ کردن اثرات رفتار غیر خطی، قابلیت استهلاک انرژی و میرایی و همچنین اثرات اضافه مقاومت سازه، این نیروی خطی را به کمک ضریب رفتار به نیروی طراحی تبدیل مینمایند. ضریب رفتار سازه در واقع ضریبی است که عملکرد غیر ارتجاعی سازه را در بر داشته و نشان دهندهی مقاومت پنهان سازه در محدودهی غیر ارتجاعی می باشد و با تقسیم مقاومت سازه در حالت کاملاً ارتجاعی به این ضریب، مقاومت مورد نیاز حاصل میشود.
الف- ضریب شکل پذیری کلی سازه - : - μs با ایدهآل کردن منحنی رفتار کلی سازه به منحنی الاستوپلاستیک کامل در شکل 2، ضریب شکل پذیری کلی سازه را میتوان به صورت زیر تعریف کرد که در آن max ماکزیمم جابجایی و y جابجایی در نقطه ی تسلیم است
