بخشی از مقاله
خلاصه
حفظ پایداري مخازن ذخیره مایعات در حین زلزله اهمیت ویژهاي دارد. کمانش جداره از مهمترین مودهاي خرابی لرزهاي مخازن فولادي است کهعمدتاً به دو صورت کمانش الماسی و پافیلی به وقوع میپیوندد. در تحقیقات انجام شده بر رويکمانش جداره مخزن معمولاً توجهی به محدوده غالب کمانش جداره نشده و این موضوع موجب غیرکاربردي شدن نتایج میگردد.
در این مطالعه با درنظرگرفتن این واقعیت که روابط آییننامه و پشتوانه تحلیلی آنها در عمل ملاك طراحی مخازن است، محدوده هندسی و فیزیکی محتمل به وقوع هریک از انواع کمانش جداره بر اساس دانش موجود و پشتوانه روابط تحلیلی تعیین میگردد. با تبیین این محدوده، حوزه تعریف و استفاده از مطالعات موجود و آتی در رابطه با کمانش پافیلی تا حدي مشخص شده و بینش طراحان براي انتخاب ابعاد بهینه مخازن ذخیره بهبود خواهد یافت.
.1 مقدمه
پوستههاي استوانهاي جدارنازك با ضخامت جداره یکنواخت یا متغیر، بهصورت گستردهاي در فعالیتهاي مهندسی به کار گرفته میشوند که نمونهاي از کاربرد آنها در ساخت مخازن و سیلوها میباشد. مخازن ذخیره استوانهاي فولادي روزمینی بهعنوان یک بخش مهم از شریانهاي حیاتیمعمولاً داراي یک ورق کف نازك، یک ورق استوانهاي جداره و همچنین یک سقف ثابت یا شناور بوده ویل فاقد سقف میباشند که در تأسیسات صنعتی ذخیره کننده آب، نفت، سوخت، محصولات پتروشیمی و سایر سیالات کاربرد دارند.
کمانش جداره همواره یکی از مهمترین و رایجترین مودهاي خرابی مخازن در زلزلههاي گذشته بوده است .[1-8] نتایج واقعی مشاهدات میدانی خرابیهاي لرزهاي حاکی از آن است که کمانش جداره بسیار وابسته به مشخصات هندسی و فیزیکی مخزن نظیر نسبت ارتفاع به قطر دارد بهگونهاي که در مخازن پهن با نسبت H/D حدود یک کمانش پافیلی و در مخازن لاغر با نسبت H/D حدود دو، کمانش الماسی رخ داده است.
نخستین مسئله تئوریک کمانش در پوستههاي استوانهاي جدار نازك هنگام مواجهه با نیروي محوري فشاري توسط Lorenz 1908 ،و مورد حل تئوریک قرار گرفت . تحلیل آنها منجر به تعیین تنش دوشاخگی خطی در یک استوانه با 1910تکیهگاهTimoshenkoهايسادهوتحت 1914بارگذاريSouthwellیکنواخت درون صفحهاي گردید که به تنش کمانشی بحرانی کلاسیک، معروف است.
مطالعات تجربی محققین بعدي نشان داد که استوانههاي واقعی در تنشی کمتر از تنش کلاسیک کمانش میکنند که علت آن بستگی به پارامترهایی نظیر شرایط مرزي، خروج از مرکزیت بار، نقایص هندسی و تنشهاي پسماند دارد. آزمایشات تعیین مقاومت کمانشی جداره توسط محققین دیگر در دهههاي بعد ادامه یافت.
نتایج آزمایشات Niwa و Clough در [10] 1982 در دانشگاه کالیفرنیا نشان داد که کمانش الماسی مود محتمل خرابی در مخازن لاغر و کمانش پافیلی مود محتمل خرابی در مخازن پهن میباشد. آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که برآورد ظرفیت کمانشی مخزن بر اساس ضوابط آییننامههاي مرتبط آن دوره، محافظهکارانه بوده است. نتیجهاي که نه تنها در ادامه با آزمایشات Jia و Ketter در [11] 1989 در دانشگاه بوفالو نقض گردید، بلکه لزوم بازنگري در ضوابط آییننامه هاي لرزهاي مخازن علی الخصوص در مواجهه با کمانش پافیلی مورد تأکید قرار گرفت.
در مطالعه اخیر کمانش پافیلی براي نخستین بار بر روي میز لرزه شبیهسازي و بازتولید گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که مهارشدگی نمیتواند مانع از وقوع کمانش پافیلی گردد و مخازن مهارشده و مهار نشده هر دو در معرض کمانش پافیلی میباشند. از مطالعات تجربی در سالهاي اخیر میتوان به تأثیر کاربرد الیاف FRP در جداره مخزن و افزایش مقاومت کمانشی جداره در اثر کاربرد آن اشاره داشت
از مطالعات تحلیلی مخازن میتوان به مطالعه Hamdan در سال 2000 اشاره نمود [14] که به مرور ضوابط لرزهاي مخازن استوانهاي فولادي در مواجهه با زلزله پرداخته است. Jaiswal و همکارانش در [15] 2007 نیز در مطالعهاي به بررسی ضوابط ده آییننامه لرزهاي پرداختند. آنها نتیجه گرفتند که اختلافات قابل توجهی در برآورد نیروهاي طراحی لرزهاي مخازن در بین آییننامههاي مختلف وجود دارد. Elkashef و همکارانش در [16] 2014 با انجام یک مطالعه پارامتریک به بررسی مکانیسم وقوع کمانش در مخازن با شعاع ثابت و ارتفاع متغیر بر اساس نسبتهاي 1 ≤ / ≤ 2. 5 پرداختند. نتایج آنها نشان داد که کمانش پافیلی در محدوده - 150-75 - سانتیمتري از پاي مخزن در جایی که بیشترین تنش حلقوي وجود دارد، رخ میدهد.
وقوع کمانش جداره به پارامترهاي بسیاري وابسته است. در تحقیقات بر روي کمانش جداره مخزنمعمولاً، توجهی به محدوده غالب کمانش جداره نشده و این موضوع موجب غیرکاربردي شدن نتایج میگردد. با درنظرگرفتن این واقعیت که روابط آییننامه و پشتوانه تحلیلی آنها، در عمل ملاك طراحی مخازن است، در این مطالعه سعی شده است که محدوده هندسی و فیزیکی محتمل به وقوع هریک از انواع کمانش جداره به روش تحلیلی تعیین گردد. با تبیین این محدوده، حوزه تعریف و استفاده از مطالعات موجود و آتی در رابطه با کمانش پافیلی بیشتر تبیین شده و بینش طراحان براي انتخاب ابعاد بهینه مخازن ذخیره بهبود خواهد یافت.
.2 انواع کمانش در جداره مخزن
به طور کلی مودهاي کمانش جداره مخازن شامل کمانش برشی و کمانش خمشی میباشد. کمانش خمشی شامل کمانش الماسی و کمانش پافیلی میباشد که این مودهاي کمانشی بستگی به مشخصات هندسی مخزن از قبیل ارتفاع به شعاع - H/D - و شعاع به ضخامت - R/t - دارد. کمانش برشی در اثر نیروي برشی ایجاد شده و درنتیجه آن در بخش میانه دیواره مخزن چروكهاي قطري ایجاد میگردد. هر دو کمانش دیگر در اثر تنشهاي قائم به وجود میآیند، اما کمانش الماسی توأم با تنشهاي حلقوي کم و کمانش پافیلی توأم با تنشهاي حلقوي بیشتري میباشد. مقطع عرضی پوسته در محل کمانش الماسی به سمت داخل خم شده و در محل کمانش پافیلی به سمت بیرون گسترده شده و پاي مخزن در قوسی حلقوي بر روي جداره شکم می-دهد. مود دیگري از کمانش خمشی که بر اثر ایجاد خلأ ناشی از خروج آنی محتویات درون مخزن ایجاد میشود و به کمانش ثانویه موسوم است.
شکل :1 - الف - کمانش برشی پس از زلزله Livermore1979 ، - ب - کمانش الماسی و کمانش پافیلی ، - ج - کمانش ثانوي، پس از زلزله .[5] The 2012 Emilia Earthquake
.3 ابعاد سازه اي مخزن
رایجترین شکل مخازن ذخیره، مخازن ذخیره استوانهاي عمودي میباشند که گنجایش ناخالص - Gross Capacity - آنها در محدوده 1/5 تا 240000 مترمکعب میباشد. قطر متناظر مخازن نیز در محدوده 3 تا 126 متر در برخی از مخازن با سقف شناور قرار میگیرد.[17] حداکثر ضخامت اجرایی توصیه شده دیواره مخازن تا 5 سانتیمتر میباشد. حداکثر ارتفاع مخزن - - بر اساس ظرفیت باربري خاك زیر مخزن - - تعیین میگردد. با معلوم بودن حداکثر ارتفاع و مشخص نمودن گنجایش مخزن - Q - در محدوده مجاز و با توجه به ملزومات پروژه، میتوان قطر مخزن را تعیین نمود.
سیال و g شتاب ثقل میباشد. چون مخازن تحت تست آب قرار میگیرند وزن مخصوص سیال نبایستی کمتر از وزن مخصوص آب باشد. براي تأمین ارتفاع مورد نیاز مخزن، لازم است که ورقها به یکدیگر در جهت محیطی متصل شده و استوانههاي با ارتفاع 180 یا 240 سانتیمتر ایجاد نموده و با رويهم قرار دادن هر یک از استوانههاي کوچک - موسوم به کورس - ارتفاع مورد نیاز مخزن را تأمین نمود. بنابراین دیواره مخزن درواقع یک سازه استوانهاي است کهاساساً باید قبل از هر چیز جهت مقاومت و تحمل تنش حلقوي ناشی از فشار داخلی سیال طراحی
گردد. - تنش حلقوي، عمق از سطح مخزن، بازده اتصال، تنش مجاز مصالح و ضخامت جداره مخزن میباشد .
آییننامه نیز با تکیه بر اصول بالا، روشی موسوم به 1 − جهت تعیین ضخامت سازهاي جداره در مخازن با ابعاد
معمول، ارائه مینماید.650این آییننامه در پیوست خود با بهرهگیري از مدل مکانیکی برآورد نیروهاي لرزهاي میپردازد. ضخامت سازهاي جداره بر اساس روابط این آییننامه در ارتفاع 0/3 متر بالاتر از هر کورس محاسبه شده وℎبیشینه ضخامت سازهاي بهدستآمده از رابطه " ضخامت طراحی " یا رابطه " ضخامت تست آب"، نبایستی کمتر از مقادیر مندرج در جدول 1 باشد
ضخامت طراحی برحسب mm، ضخامت تست هیدرو استاتیک برحسب mm، G جرم مخصوص سیال، ضخامت خوردگی برحسب mm، و به ترتیب تنش مجاز طراحی و تست هیدرو استاتیک مصالح ورق بر اساس a میباشد.
جدول :1 حداقل ضخامت اسمی جداره مخزن بر اساس آیین نامه API650
4. الزامات لرزهاي بر اساس ضوابط دستورالعمل طراحی لرزهاي مخازن نیوزلند NZSEE2009 - Blue Book -
دستورالعمل NZSEE2009 نیوزلند [20]، یک مجموعه ضوابط کامل و به روز را جهت تعیین نیروهاي لرزهاي و برآورد ظرفیت کمانشی مخزن ارائه میدهد. در این مطالعه از روابط ارائه شده در این آییننامه استفاده خواهد شد. ضوابط طراحی مخازن در برابر بارهاي لرزهاي در نیوزلند نخستین بار در قالب دستورالعمل موسوم به"[21] "Red Book در 1986 منتشر گردید. ضوابط این دستورالعمل با الزام به حفظ خدمتپذیري مخزن پس از زلزله طرح، عدم اجازه جاريشدگی به مصالح و عدم امکان کاهش نیروهاي طراحی در اثر شکلپذیري عموماً، طراحی محافظهکارانهتري را نسبت به سایر آیین نامهها نظیر API650-E ارائه میدهد.
بازنگري دستورالعمل قبلی در قالب دستورالعمل موسوم به "NZSEE2009" و با توجه به ضوابط آییننامه بارگذاري لرزه اي [22] "NZS1170.5− 2004" ارائه گردید. در آیین نامه جدید ، میرایی ضربانی بهجاي میرایی ثابت %5 بهصورت متغیر دیده شده و با توجه به مشخصات فیزیکی مخزن و مشخصات خاك ساختگاه تعیین میگردد. ضرایب شکلپذیري µ نیز اعمال شده و جهت کاهش نیروهاي طراحی بر اساس مشخصات مخزن اعمال میگردد. همچنین ضریب اصلاح - k - μ, ξ بر اساس شکلپذیري و میرایی ضربانی نیز در طراحی جداره دخیل می گردد.
علاوه بر این، ضریب بازتاب R که منعکسکننده محدوده وسیعی از ایمنی جانی، مشخصات و ویژگیهاي زیستمحیطی و اهمیت سازه میباشد، اعمال میگردد. ریسک حاصل از پیامدهاي خرابی در مخزن که با توجه به سطح اهمیت کاربري آن، امنیت جانی و میزان خطرزایی محتویات، مخاطرات زیستمحیطی، اهمیت ملی و اجتماعی و میزان ارزش داراییهاي در معرض ریسک مستقیم حاصل از خرابی مخزن به پنج رده اندك یا ناچیز - Negligible - ، کم - Slight - ، متوسط - Moderate - ، زیاد - Serious - و خیلی زیاد - Extreme - تقسیمبندي میگردد.
.1-4 عکس العمل هاي لرزه اي
در دستورالعمل طراحی مخازن، NZSEE2009 ، جهت برآورد نیروهاي لرزه اي از مدل مکانیکی Veletsos− 1984 در مخازن صلب و از مدل مکانیکیHaroun− Housner 1982 در مخازن انعطاف پذیر استفاده میگردد. m جرم ضربانی صلب در مخازن صلب و کل جرم ضربانی در مخازن انعطافپذیر، m = m − m جرم صلب ضربانی و m جرم انعطافپذیر نوسانی و m جرم مود اول نوسانی میباشد.
m جرم معادل مخزن و محتویات آن در مود مربوطه، C - T - ضریب عکسالعمل لرزهاي افقی طراحی در مود ام، C - T - طیف خطر الاستیک ساختگاه براي بارگذاري افقی بر اساس نوع خاك زیر سازه در مود لرزهاي مربوطه، - C - T ضریب شکل طیفی بر اساس نوع خاك ساختگاه و مود مربوطه، - k - μ,ξ ضریب اصلاح طیف خطر الاستیک ساختگاه بر اساس شکلپذیري و میرایی ضربانی، Z ضریب خطر پهنهبندي لرزهاي، R دوره بازگشت براي حالت حدي نهایی بر اساس سطح اهمیت مخزن، T پریود ارتعاشی هر مود و S ضریب عملکرد سازهاي است که برابر یک فرض میشود.
- N - T,D ضریب نزدیکی به گسل که اگر فاصله بیش از 20 کیلومتر باشد برابر یک منظور میگردد. μ ضریب شکلپذیري در مود افقی ضربانی است که در مودهاي نوسانی و قائم برابر با یک فرض میشود و جهت محاسبه تغییر مکان مقدار آن برابر با 1/25 فرض میشود. ξ میرایی ضربانی با توجه به موج برشی در خاك ساختگاه و مشخصات مخزن بر اساس اشکال مربوطه تعیین میشود.
