بخشی از مقاله
خلاصه
در پژوهش حاضر به بررسی پاسخ و رفتار دینامیکی مخازن هوایی نگهدارنده سیال تحت بار انفجار پرداخته شده است. بدین منظور مخزن هوایی فولادی و بتنی تحت بار انفجاری با در نظر گرفتن اندرکنش جداره مخزن و سیال داخل مخزن و تقویت مخازن با الیاف FRP توسط نرم افزار Abaqus مدلسازی شده است.
نخست، میزان جابجایی و چگونگی توزیع تنش و نشانه ی تخریب در مخازن محاسبه و ناحیه های بحرانی شناسایی شدند. سپس، پاسخ مربوط به مخازن مقاوم سازی شده با عملکرد مخازن مسلح با یکدیگر مقایسه شده ومیزان تاثیر استفاده از این روش مقاوم سازی برای مخازن در برابر بارگذاری انفجاری مشخص گردیده است. در پایان، با توجه به نتایج حاصل ازبررسی چیدمان الیاف FRP در مقابل پوشش کامل مخازن، بکارگیری این روش در مقاوم سازی مناسب ارزیابی شده است.
مقدمه
یکی از روشهای تأمین فشار آب مورد نیاز در شبکه توزیع آب و پاسخ گویی به حجم متغییر مصرف آب در طول روز استفاده از مخازن آب می باشد . مخازن سازه هایی هستند که برای ذخیره کردن و نگه داری مایعات بکار می روند و به اشکال مختلف از جمله کروی، استوانه ای - که در واحدهای صنعتی مهمی مانند پالایشگاه ها و طرحهای شیمیایی برای ذخیره مواد شیمیایی سمی و یا قابل اشتعال ، مورد مطالعه هستند - و مکعب مستطیل شکل ساخته می شوند. مخازن زمینی برای احجام بسیار بزرگ - بالاتر از 1000 مترمکعب - بسیار مناسب و کم هزینه تر از مخازن هوایی می باشند.
شانگ و لین[1]، به بررسی 242 مورد حادثه ای که در چهل سال اخیر در مخازن موجود در تأسیسات صنعتی رخ داده پرداخته اند. نتایج این مقاله نشان می دهد که 74 درصد حوادث برای مخازن در پالایشگاه های نفت و مخازن روغن رخ داده است که 85 درصد این حوادث ناشی از انفجار و آتش سوزی بوده است. از این رو با توجه به اهمیت ویژه مخازن باید تدابیر لازم جهت تأمین ایمنی آن ها اتخاذ شود. لذا لزوم بررسی رفتار چنین سازه هایی تحت بار انفجاری از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بررسی رفتار سازه ای مختلف تحت بارهای انفجاری در طی سال های اخیر توسط محققین مختلف صورت گرفته است.
میتال و همکاران به آنالیز دینامیکی مخازن زمینی ذخیره سیال تحت بار انفجار پرداخته اند. آن ها مخازن نگهداری سیال استوانه ای شکل فولادی با جدار نازک مورد بررسی قرار دادند
این مخازن فولادی به صورت سه بعدی با استفاده از روش المان محدود FEM در نرم افزار Abaqus شبیه سازی شده اند. فرمول بندی به کار گرفته شده در این مقاله فرمول بندی کوپل اولر-لاگرانژی است .در این مقاله توضیحات مفصلی در مورد روش CEL و نحوه مش بندی سیال و مخزن ارائه شده است و همچنین چهار مخزن با شعاع مقطع ثابت و ارتفاع ها و ضخامت های مختلف در نظر گرفته شده اند که هر کدام از این مخازن در سه حالت به طوری که 50 ، 75 و 100 درصد مخزن پر باشد، تحت بار انفجار با بزرگی های مختلف مدل سازی شده و مورد بررسی قرار گرفته است.
همچنین شرایط تکیه گاهی هر یک از مخازن نیز به سه صورت تکیه گاه گیردار ، تکیه گاه ساده و تکیه گاه صلب در نظر گرفته شده است. بزرگی فشار انفجار نیز با در نظر گرفتن فواصل مختلف انفجار در معادله اصلاح شده فردلندر به دست آمده است. نهایتاً در این مقاله پس از مدل سازی مخازن، تنش حلقه و تنش برشی به وجود آمده در جداره مخزن تحت بار انفجار و حداکثر ارتفاع موج آب داخل مخزن مورد بررسی و مقایسه قرارگرفته است. مهم ترین نتایج به دست آمده از این پژوهش موارد ذیل هستند
- a تنش حلقوی تحت بیشینه فشار انفجار در رأس مخزن و بخش فوقانی مخزن بالاتر از سطح آب، حداکثر مقدار است. با افزایش ضخامت جداره مخزن و فاصله مقیاس شده انفجار، حداکثر مقدار تنش حلقوی در رأس مخزن افزایش می یابد. همچنین نتایج به دست آمده نشان می دهد که تنش حلقوی برای مخازن با شرایط گیرداری کامل و صلب نسبت به شرایط گیرداری ساده بیش تر است.
- bبا افزایش نسبت ارتفاع به شعاع مخزن توزیع تغییرات تنش برشی در جداره مخزن غیرخطی می شود. برای ضخامت 1 میلی متری تنش برشی پایه با افزایش نسبت ارتفاع به شعاع مخزن کاهش می یابد . با افزایش ضخامت جداره مخزن و همچنین افزایش نسبت ارتفاع به شعاع مخزن برش پایه افزایش می یابد.
- cدر جداره مخزن در تمام نسبت ارتفاع به شعاع مخزن با فواصل مقیاس شده کم و ضخامت های کمتر تسلیم پلاستیکی اتفاق می افتد. با افزایش ضخامت جداره مخزن تسل یم پلاست یکی فقط برای حالات نسبت ارتفاع به شعاع مخزن کم رخ می دهد.
- dتلاطم سطحی در مخزن با افزایش نسبت ارتفاع به شعاع مخزن افزایش می یابد. با افزایش ضخامت جداره مخزن و فاصله مقیاس شده تلاطم سطحی کاهش می یابد به طوری که در فواصل مقیاس شده زیاد هیچ تلاطم سطحی مشاهده نمی شود.
هرچند طی تحقیقات صورت گرفته اطلاعات مفیدی در خصوص پاسخ دینامیکی سازه های مختلف تحت بارهای انفجاری حاصل گردیده است با این وجود تا کنون مقاله ای که به بررسی رفتار و پاسخ مخازن هوایی تحت بار انفجاری و تقویت آن با الیاف FRP پرداخته باشد صورت نگرفته است از این رو با توجه به اهمیت موضوع خلاء پژوهشی در این زمینه به شدت احساس می شود.
بدین منظور به بررسی کارایی استفاده از مصالح مرکب بر عملکرد مخازن بتنی و فولادی در برابر انفجار پرداخته است. بدین صورت که مخازن مقاوم سازی شده با پلیمرهای مسلح با الیاف FRP تحت اثر بار انفجاری قرار گرفته است.الیاف بکار رفته شامل رزین از جنس اپوکسی و الیاف کربن، شیشه و آرامید می باشند. دراین پژوهش بار انفجاری، مخازن و شرایط تکیه گاهی ثابت فرض شده و تاثیر چیدمان الیاف برای مدل سازی، تحلیل و پردازش نتایج ازنرم افزار Abaqus استفاده شده است.
پس از انجام تحلیل، نحوه و مقدار توزیع پارامترهایی نظیر تغییرمکان و تخریب در مدل ها محاسبه و مورد مقایسه قرارگرفته و نواحی بحرانی شناسایی و معرفی شده است .
تحلیلهای انفجاری سابقهای در حدود چندین قرن دارد. تحلیل های ابتدایی که با روش های تقریبی انجام می گرفت به قرن های 13 و 14 میلادی باز می گردد. در سال 1919 قانون مقیاس برای انفجارهای ساده توسط هاپکینسون ارائه شده که پایه ریاضی نداشت ولی از نظرکاربردی بسیار با اهمیت بود.[3] وی ادعا نمود که اگر دو ساختمان با شکل و مصالح مشابه ولی در اندازه های مختلف ساخته شوند و سپس تحت اثر انفجار قرار گیرند، مقدار ماده منفجره مورد نیاز برای ایجاد تاثیرات مشابه با توان سوم ابعاد ساختمان ها نسبت مستقیم دارد. این قانون بطور کامل و در سال 1926 توسط گرنز ارائه شد.
هوراس لمب ریاضیدان دانشگاه منچستر تحقیقات بسیاری را در مورد هیدرودینامیک و پدیده انتشار امواج انجام داد.[4] تیلور دانشمندی بود که مطالعاتش بر روی دینامیک موج های انفجار ناشی از مواد منفجره نقش بسیار زیادی در پیشرفت مرکز تحقیقات وزارت دفاع بریتانیا در سال های بین 1936 تا 1950 داشت. مقاله های نخست وی در مورد انتشار و استهلاک موج های انفجار ناشی از سلاح های متعارف بود ولی در مطالعات بعدی وی بر روی رفتار موجهای انفجار ناشی از نخستین انفجار اتمی در نیو مکزیکو متمرکز شد
پژوهش های مختلف نشان داده اند که مصالح شکل پذیر حتی با مقاومت کمتر عملکرد بسیار بهتری در برابر بارهای انفجاری دارند. یکی از مطالعه هایی که در این زمینه انجام شده است بررسی عملکرد عرشه پل ها با مصالح مختلف در برابر بار ناشی از انفجار وسیله نقلیه می باشد
جین سون و آستانه در این پژوهش عرشه ی پل ها را در دو حالت شامل قوطیهای فولادی و نیز بصورت کامپوزیت تحت بررسی قرار دادند. در حالت قوطی فولادی رفتار سه نوع فولاد مختلف و در حالت کامپوزیت رفتار بتن معمولی و مقاومت بالا مورد بررسی قرار گرفت و جالب آنکه نتایج حاصله حاکی از این است که مصالح فولاد و یا بتن با مقاومت پایین تر و انعطاف پذیری بیشتر عملکرد به مراتب بهتری دارند. پژوهش دیگری که توسط آستانه در این زمینه انجام شده است، مربوط به بررسی تاثیر انفجار ناشی از وسیله نقلیه بر روی دیوار پیشنهادی ایشان که ترکیبی از دیوار برشی فولادی و بتنی می باشدچ
لوچیونی یکی دیگر از پژوهشگرانی است که در زمینه انفجار مطالعات بسیاری انجام داده است. در یکی از این پژوهش ها، رفتار دال بتنی تحت اثر بار انفجار بررسی شده است.[8] وی ابتدا بصورت آزمایشگاهی دال بتنی را تحت اثر بار انفجاری قرار داده است و سپس نتایج بدست آمده را با مدلسازی توسط نرم افزار Abaqusو Ansys مقایسه نموده است و پس از نمایش صحت مدلسازی، کوشیده است رابطه ای بین قطر حفره ناشی از انفجار، وزن مواد منفجره و محل انفجار ارائه نماید و در پایان مقایسه ای بین مدل ها و نرم افزارهای استفاده شده انجام داده و در هر مورد نقاط ضعف و قوت آنها را تشریح نماید.
پایههای مخازن هوایی بهعنوان مهمترین عضو این سازهها نقش مهمی در انتقال و استهلاک نیروهای جانبی ایفا میکند. سیستم ستون گذاری و مهاربندی مخازن ارتفاعی اگر به روش قابی باشد با توجه به درجات بیشتر آزادی و جذب و استهلاک بیشتر انرژی رفتار مناسبتری در برابر بارهای جانبی نشانمیدهد.
با توجه به شکل 6 و مدلسازی در نرمافزارStaad Pro ، ترکیب ستون گذاری شعاعی - radial - با شش تراز تیر ریزی و تعداد ستونهای 6، 8 یا 12 بهترین پاسخ لرزهای را میدهد. روش صلیبی و معمولی در رتبههای بعدی قرار میگیرند. مخزن پر پاسخهای بحرانی بیشتری نشان میدهد ولی نمیتوان این وضعیت را به تمام حالات ستون گذاری و بارگذاری تعمیم داد. لذا بهتر است بهجای افزایش تعداد ستون و صلبیت سازه در جهت ضریب اطمینان، از پاسخ مناسب سازه مطمئن شد
محققین زیادی بر روی رفتار سازه های بتنی تقویت شده با الیاف FRP تحت بار انفجار کارهای فراوانی انجام دادند که تا حد زیادی میزان صدمات و شکست ها را کاهش دادند و سبب افزایش مقاومت سازه تحت بار انفجار شده است.با توجه به تحقیقات ، الیاف کربن CFRP تاثیر مثبت تری بر روی مقاومت نهایی نسبت به الیاف شیشه و آرامید داشته است و که پیشنهاد می شود از الیاف CFRP جهت تقویت سازه ها از جمه مخازن استفاده گردد
2. صحت سنجی
در این پژوهش، به منظور صحت سنجی نتایج مدل سازی عددی ، داده های مرجع [12] استفاده شده است. مخازن طبق مشخصات بالا در نرم افزار مدل شده شده است و تحت زلزله El-Centro قرار گرفته است. دو نوع مخزن با پایه قابی و استوانه ای با مشخصات ارائه شده در جدول 1، مورد بررسی قرار گرفته اند.
جدول :1 مشخصات منابع آب با پایه های استوانه ای و قابی شکل[12]
ساختار این منابع آب مذکور با پایه های استوانه ای و قابی شکل در شکل 1 نشان داده شده است.
