بخشی از مقاله
سیستم اسکله های شمع و عرشه و توسعه استفاده از آن در مناطق ساحلی
چکیده
تحقق دکترین توسعه دریا محور و ارتقای سهم مناطق ساحلی و دریایی کشور در توسعه پایدار کشور در سالهای اخیر مورد توجه ویژه قرار گرفته است. یکی از راهکارهای توسعه مناطق ساحلی کمتر توسعه یافته کشور، ایجاد بنادر کوچک و بزرگ و رونق حمل و نقل و تجارت دریایی و جذب گردشگر است. اسکله شمع و عرشه یکی از انواع اسکله های رایج در بنادر جنوبی کشور است که با توجه به کارآیی این نوع سیستم سازه ای در امر بندر و اسکله سازی و شرایط طبیعی خاص خلیج فارس، همین طور ویژگی های خاص این نوع اسکله در زمینه های فنی، اقتصادی و حتی جذب گردشگر، به نظر می رسد که توسعه استفاده از این سیستم، می تواند موجبات رشد و شکوفایی در کل منطقه و علی الخصوص بنادر کوچک خلیج فارس را فراهم آورد. در این مقاله ، ضمن معرفی سیستم اسکله شمع و عرشه، انواع مختلف آن مرور شده و در ادامه ضمن بررسی مزایا و معایب آن، نگاهی به اجزای تشکیل دهنده آن شده است.
واژههای کلیدی: اسکله شمع و عرشه، شمع فولادی، شمع بتنی، عرشه، پهلوگیر، خلیج فارس، بندر
-1 مقدمه
رشد و توسعه همه جانبه نواحی ساحلی یکی از مهمترین اهداف برنامه های توسعه ای کشور است. بنادر و اسکله ها به عنوان یکی از حیاتی ترین سازه های عمرانی، نقش مستقیمی در معیشت و زندگی مردم و پیشرفت و توسعه یک ناحیه داشته و از نظر ارتباط نواحی مختلف ساحلی علی الخصوص ارتباط جزایر دورافتاده با سرزمین اصلی، همچنین نقل و انتقال کالا به نواحی دورافتاده، جلب گردشگر و نظایر آن حائز اهمیت زیادی هستند. به عبارت دیگر، احداث بنادر و اسکله ها منجر به رشد و توسعه سریع مناطق ساحلی شده و می تواند ابزاری برای نیل به اهداف اسناد بالادستی به ویژه طرح مدیریت یکپارچه مناطق ساحلی کشور (ICZM) باشد. از جمله پرکاربردترین سازه های بندری، می توان به اسکله شمع و عرشه اشاره نمود که بیشتر در بنادر دور افتاده یا کم اهمیت تر، پذیرای شناورهای نسبتا کوچک بوده و تعداد زیادی از بنادر کشور در خلیج فارس و دریای عمان از جمله بنادر کیش، گناوه، قشم، بندر حقانی بندر عباس و چندین بندر دیگر، از این نوع سازه استفاده شده است.
1
این سازه بندری تاکنون توسط تنی چند از محققین مورد بررسی قرار گرفته است. از جمله مطالعات انجام شده می توان به گرویک اشاره نمود .(Gerwick, 2007) جواهریان یزدی و برگی (1388) روش جدیدی برای تعمیر و تقویت این نوع اسکله با بکارگیری بلوک های بتنی ارائه دادند (جواهریان یزدی و برگی، .(1388 امیدعلی و همکاران تاثیر شمع مایل بر رفتار استاتیکی گروه شمع را در اسکله های شمع و عرشه مطالعه نمودند (امیدعلی و همکاران، .(1390 مهدوی و همکاران استفاده از جداگرهای لرزه ای را به منظور بهسازی رفتار این نوع اسکله با مدلسازی آن در نرم افزار اوپنسیس مورد مطالعه قرار دادند (مهدوی و همکاران، .(1391 حسینی و همکاران، به ارائه تجربیات طراحی و اجرای چند اسکله شمع و عرشه با قطعات پیش ساخته در کشور پرداختند (حسینی و همکاران، .( 1391 مقدسی و همکاران به تخمین ضریب اندرکنش در شمعهای اسکله ها به کمک آنالیز بازگشتی پرداخته، رابطه ای برای بیان ضریب اندرکنش ارائه داده و به بررسی صحت و دقت آن پرداختند ( مقدسی و همکاران، .(1391 قنبریان و همکاران انواع شمعهای مورد استفاده به منظور کوبش جهت احداث اسکله را معرفی نموده و مزایا و معایب آنها را مورد بررسی قرار دادند (قنبریان و همکاران، .(1391 خیری و همکاران رفتار اسکله های احداث شده بر روی بستر شیبدار را تحت مطالعه قرار دهند (خیری و همکاران، .(1391
با توجه به وسعت زیاد سواحل کشور و امکان بهره برداری هر چه بیشتر از این مناطق در جهت توسعه دریامحور، به نظر می رسد که می توان این نوع سیستم سازه ای را در مناطقی که تاکنون فاقد اسکله مناسب هستند اجرا نمود. از این رو، در این تحقیق به مطالعه و بررسی این سیستم سازه ای و قسمت های تشکیل دهنده آن خواهیم پرداخت.
-2 انواع سازه ای تاسیسات پهلوگیری
انواع سازه ای تاسیسات پهلوگیری با در نظر گرفتن مشخصات و ویژگی های سازه ای آن و ارزیابی مواردی همچون شرایط طبیعی، شرایط کاربردی، شرایط عملیات اجرایی و ساخت، هزینه های ساخت و نگهداری و نیز به کار گیری انواع سازه ای در یک بندر تعیین می شود.
تاسیسات پهلوگیری معمولا از لحاظ مشخصات سازه ای به دسته های زیر طبقه بندی می شوند. -1 اسکله دیواری -2 اسکله سپری
-3 اسکله سپری با سکوی کمکی
-4 اسکله دیواری سلولی الف) اسکله سپری سلولی صفحه فولادی
ب) اسکله سلولی صفحه فولادی -5 اسکله شمع و عرشه موازی ساحل
الف) اسکله شمع و عرشه با شمعهای قائم ب) اسکله شمع و عرشه با شمعهای زوج( جفتی مرتب) -6 اسکله جدا از ساحل -7 اسکله شناور
-8 دلفین ( ستونهای مهار بند)
-9 سرسره و اسکله با آبخور کم عمق -10 تاسیسات انتقال به خشکی مربوط به وسایل نقلیه روی بالشتک هوا -11 بویه مهاری و ستون مهاری
2
-3 سازه های متکی بر شمع
این سازه ها شامل شمع های فلزی و شمع های بتنی است که در رس نرم و ماسه کف دریا کوبیده می شوند. به دلایل اقتصادی، فاصله شمع ها معمولا بین 7 تا 10 متر است. بنابراین ظرفیت طراحی در هر شمع معمولا در محدوده 100 - 250 تن و یا 1 -2/5 MN قرار دارد. هم شمع های فولادی و هم شمع های بتنی در سازه های بندری و نیز در پایه های پل با اندازه های بزرگتر استفاده می شوند.
-1-3 انواع اسکله شمع و عرشه
دو نوع کلی اسکله شمع و عرشه عبارتند از -1اسکله شمع و عرشه موازی ساحل با شمعهای قائم
-2 اسکله شمع و عرشه موازی ساحل با شمعهای زوج مایل
شکل -1 اسکله شمع و عرشه با شمع های قائم شکل -2 اسکله شمع و عرشه با شمع های مایل
طراحی اسکله شمع و عرشه با شمعهای قائم در سه مرحله صورت می پذیرد.
الف) در ابتدا یک سطح مقطع از اسکله شمع و عرشه موازی ساحل برای تحمل نیروهای غیر لرزه ای طراحی می شود. ب) سطح مقطع در برابر نیروی زلزله طراحی می شود.
ج) اگر عملکرد مقاومت در برابر زلزله برای سطح مقطع رضایتبخش باشد، طراحی وارد مرحله جزئیات شده و در غیر اینصورت سطح مقطع اصلاح و مجددا کنترل می شود. به عبارت دیگر، در نخستین گام از طراحی، شمعهای لوله ای فولادی برای نیروهای غیر لرزه ای و بر اساس روش تنش مجاز طراحی شده و در مرحله دوم از روش طراحی ظرفیت باربری نیروهای لرزه ای با این فرض که تغییر شکل شمعهای لوله ای فولادی در طول یک زلزله به منظور جذب انرژی لرزه ای وارد مرحله پلاستیک می شود، استفاده می شود.
چنانچه شمع های قائم جوابگوی بارهای جانبی ناشی از ضربه شناورها، نیروهای ناشی از امواج و جریان آب دریا و یا بارگذاری افقی جرثقیلهای مستقر بر روی عرشه و فشار جانبی خاک نباشد، علاوه بر شمع های عمودی از شمع های مورب نیز استفاده می شود.
اسکله شمع و عرشه موازی ساحل با شمعهای زوج مایل اسکله شمع و عرشه موازی ساحل با شمعهای زوج مایل، نیروی افقی وارد بر اسکله (شامل نیروی زلزله، نیروی عکس
العمل ضربه گیر و نیروی کششی مهار شناور) را با شمعهای زوج مایل تحمل می کند. بنابر این، این نوع اسکله ها باید در زمینی اجرا شوند که ظرفیت باربری کافی برای شمعهای مایل را تامین نماید.
شمعهای مایل معمولا برای مقاومت در برابر بارهای جانبی استفاده می شوند . آنها در ترکیب با یک شمع مایل عمودی یا مخالف1 عمل می کنند، به صورتی که یکی از شمع در برابر فشار و دیگری در برابر کشش مقاومت می کند. تغییر مکان اعمالی
3
نظیر موارد ایجاد شده توسط زلزله یا ضربه کشتی، ممکن است آسیبهایی به سر شمع ها یا تیرهای کلاهک دار1 وارد کند. بنابراین روند کنونی در مناطق لرزه خیز، استفاده تمام از شمعهای عمودی و گرفتن نیروهای جانبی از طریق خمش الاستیک یا الاستوپلاستیک شمعها است. در کف های شیبدار، شمعهای کوتاهتر که سخت تر هستند، تقریبا تمام بار جانبی را تحمل خواهند کرد. به این منظور بزرگتر ساخته شده و بیشتر مسلح می شوند یا نسبت به شمعهای واقع در آبهای عمیق تر با فاصله کمتری نسبت به هم قرار داده می شوند.
از آنجا که طراحی شمعهای مایل به منظور مقاومت در برابر نیروهای افقی در جهت عمود بر محور طولی اسکله صورت می گیرد، تغییر مکان افقی در آن جهت نسبت به اسکله شمع و عرشه موازی ساحل با شمعهای قائم کمتر خواهد بود. شمعهای زوج مایل به ندرت برای مقاومت در برابر نیروهای افقی در جهت محور طولی اسکله طراحی می شوند و بنابر این بهتر است که مقاومت اسکله در برابر نیروهای افقی موازی با محور طولی، با روشی مشابه روش بررسی اسکله شمع و عرشه موازی ساحل با شمعهای قائم بررسی شود.
فاصله میان شمع ها یا بین مراکز شمعهای مایل معمولا متناسب با شرایط بارگذاری و عملیات اجرایی، بین 4 تا 6 متر لحاظ می شود. از دیدگاه تامین مقاومت در برابر نیروی افقی، بهتر است برای شمعهای مایل از زاویه شیب بزرگ استفاده شود، اما در بیشتر موارد به دلیل محدودیت های موجود برای حفظ حداقل فاصله از سایر شمع ها و محدودیت های مربوط به عملیات اجرایی مانند ظرفیت تجهیزات شمع کوبی موجود، از شیبی برابر با 1: 0/33 تا 1: 0/2 استفاده می شود.
نیروهای خارجی اصلی وارد بر مقطع یک تکیه گاه شمعی مربوط به یک اسکله شمع و عرشه موازی ساحل به شرح ارائه شده در جدول زیر هستند.
جدول -1 نیروهای افقی و عمودی موثر بر یک اسکله شمع و عرشه
نیروهای افقی نیروهای قائم
نیروهای زلزله وارد بر عرشه وزن مرده عرشه
نیروهای زلزله وارد بر بارهای استاتیکی بارهای استاتیکی
نیروهای زلزله وارد بر بارهای زنده بارهای زنده
نیروی باد وارد بر بارهای زنده بار قطار
نیروی عکس العمل ضربه گیر بار خودرو
نیروی کششی مهار شناور بار تجهیزات حمل شناور
بار زنده پیاده رو
نیروی کششی مهار شناور
نیروی بالابرنده
از بین نیروهای خارجی بالا، معمولا نیروی زلزله، بار باد و نیروی کششی مهار شناور باید به عنوان نیروهای تحت شرایط فوق العاده در نظر گرفته شود.
-2-3 شرط عملکرد
اصولا شرط عملکرد باید به این مفهوم باشد که الف) تنش ایجاد شده در شمع لوله ای فولادی باید کمتر از تنش مجاز در برابر نیروهای غیر لرزه ای باشد.
ب) نشست، سطح خرابی و غیره در محدوده مقادیر مجاز تعریف شده بر اساس اهمیت تاسیسات و یا دیگر معیار های مرتبط با نیروی زلزله، قابل قبول باشد.
ظرفیت باربری شمع و پایداری کلی سازه را نیز می توان به عنوان معیار شرط عملکرد استفاده نمود.
عوامل موثر در اندازه بلوک عرشه و جانمایی شمعها
4
اندازه بلوک عرشه و فواصل بین شمع ها و ردیف شمعها، با توجه به مواردی نظیر عرض محوطه بارگیری، موقعیت انبارهای اسکله، زمین بستر دریا (مخصوصا پایداری شیروانی)، سنگچین های موجود (پوشش حفاظتی)، موارد مربوط به عملیات اجرایی نظیر ظرفیت بتن ریزی و نیز بارهای استاتیکی و بارهای زنده ( مخصوصا بار جرثقیل) تعیین شود.
ابعاد عرشه
ابعاد عرشه مستقر بر تکیه گاه شمعی باید با در نظر گرفتن مواردی نظیر فواصل بین شمعها و ردیف شمعها، شکل و ابعاد شمعها، بارهای استاتیکی و بارهای زنده، تراز جزر و مد، سهولت عملیات قالب بندی، شرایط زمین، چیدمان مهار بندها و در نهایت چیدمان، شکل و ابعاد ضربه گیرها تعیین شود.
-3-3 انواع شمعهای بکار رفته در اسکله شمع و عرشه شمعهای فولادی
این شمع ها هم شامل لوله های با قطر 400 تا 600 میلی متر و هم شامل شمعهای H هستند. شمعهای لوله ای دارای مساحت در معرض خوردگی کمتری بوده و از این رو حافظت آنها ساده تر است. اگرچه در بسیاری از خاکها شمعهای H بسیار راحت تر نفوذ می کنند، ولی در رس سفت، خاک بین بالها بسته1 شده و شمع به صورت اتکایی جزئی با سطح مقطع مربعی عمل می کند. شمع لوله فولادی نیز همانند شمع H در محیط فراساحل بسته می شود که این حالت زمانی رخ می دهد که اصطکاک سطحی داخلی از مقدار باربری نهایی خاک در نوک تجاوز کند.
از آنجا که عمق آب مناسب برای کشتی های کانتینری و باری مدرن در حدود 16 متر و ظرفیت طراحی شمع فقط بین200-400 ton است، در اغلب موارد شمعها در محدوده طولهای 30 تا 40 متر هستند. کشتی های کانتینری با آبخور بیشتر و تیر بزرگتر به 20 متر عمق در لنگرگاه نیاز دارند و ممکن است برای فراهم کردن ظرفیت باربری بیشتر برای تحمل بار جرثقیل سمت آب، شمع به 40 تا 50 متر در طول و برای حصول سختی در برابر بارهای جانبی به 1000 میلی متر در قطر نیز برسد. ترمینالهای نفتی نیاز به عمق بیشتری (معمولا 23 متر) در وجه رو به اسکله داشته و از این رو نیاز به شمعهای بزرگتر و تحت بارگذاری سنگین تری دارند. شمعهای فولادی می توانند به آسانی برپا شده و در کنداکتورها قرار گیرند. در تراز عرشه، شمع توسط یک گیت شابلونی یا مکانیکی در مرکز قرار داده می شود، در حالی که در بالا یک بازوی هیدرولیکی برای در مرکز قرار دادن و تراز کردن آن در کنداکتور، حول شمع چرخانده شود.
شمعهای بتنی
این شمعها شامل شمعهای بتنی پیش تنیده بوده و برای اندازه های تا 500 میلی متر معمولا از سطح مقطع مربعی، 600 میلی متر از سطح مقطع هشت ضلعی و از 900 تا 2100 میلی متری از سطح مقطع دایروی با یک هسته ی میان تهی (پوک) استفاده می شود. پیش فشردگی شمع با لحاظ تلفات، بین 7 تا 10 مگاپاسکال بوده و به تجربه ثابت شده است که مقادیر کمتر از7 Mpa تحت تاثیرات کوبش، به خوبی مقادیر بالاتر اجرا نمی شوند.
در برپایی ( نشاندن(2 شمعهای بتنی، به خاطر وزن و ظرفیت خمشی آنها، معمولا نقاط برداشت متعددی نیاز است که موقعیت آنها در کارگاه ساخت معمولا لیفت قائم بر شمع افقی تعیین می شود. در مورد نشاندن در راهنماها3 یا up- ending زنجیرها در زوایایی که با تغییر شمع از حالت افقی به قائم تغییر می کنند، هدایت خواهند شد. مولفه های افقی و عمودی ریسمان های مختلف با راهنمایی ریسمان های لیفت کننده و شیب شمع تغییر می کنند. معمولا مورد بحرانی، لیفت اولیه از افقی است. مسلح کردن، خواه به شیوه سنتی یا پیش تنیده باید هم برای نقل و انتقال و هم برای برپا سازی مناسب باشد.
5
شکل- 3 برپا کردن یک شمع بتنی پیش تنیده طویل. به شش نقطه برداشت در طول شمع دقت نمایید.
-4-3 نصب
پس از برپا کردن، شمع فولادی یا بتنی تحت وزن خود به سمت پایین رانده می شود. چکش و کلاهک شمعکوبی1 در حالی که زنجیر شمع رها می شود، بر روی شمع پایین آورده شده و شمع تحت وزن چکش، نفوذ بیشتری می کند. کوبش در این مرحله آغاز می شود. نخستین ضربات باعث کوبش شمع در یک متر یا بیشتر می شود، از این رو زنجیر چکش برای نگه داشتن چکش و کلاهک شمعکوبی بر روی شمع باید آزاد شود.
اگرچه ممکن است برای نفوذ اولیه شمعهای فولادی در خاکهای غیر چسبنده از چکشهای نوسانی استفاده شود، سطح اتکای نهائی2 معمولا توسط چکشهای ضربه ای بدست می آید. شمعهای بتنی عموما با چکشهای ضربه ای کوبیده می شوند. سه نوع چکش ضربه ای متداول وجود دارد. چکش بخاری یک طرفه که ممکن است بوسیله هوای فشرده نیز فعال شود، چکش هیدرولیکی و چکش دیزلی. در هر سه نوع بسته به جرم چکش، ضربه ای بر کلاهک شمعکوبی وارد می شود که متعاقبا تکانه را به شمع منتقل می کند. در چکش بخاری یک جهته، نیروی محرک ثقل بوده، در حالیکه در چکش هیدرولیکی از نیروی ثقل به همراه فشار هیدرولیکی استفاده می شود. در چکش دیزلی، نیرو به صورت پی در پی اعمال می شود، به صورتیکه ابتدا فشار هوا بوسیله چکش سقوطی، شمع را پیش بارگذاری می کند، سپس ضربه چکش وارد شده و سرانجام نیروی سوخت منفجر شده رو به پایین واکنش می دهد، در حالی که در همان زمان چکش برای ضربه بعدی بالا برده می شود.
در نتیجه انرژی های چکش به صورت متفاوتی محاسبه می شوند. به دلیل عدم کارآیی در کوبش، یک فرمول دست بالا، انرژی اسمی یک چکش بخاری یا هیدرولیکی را 6/1 برابر انرژی اسمی یک چکش دیزلی در نظر می گیرد. این امر نه فقط به تفاوت در ضربه، بلکه به وزن نسبتا کمتر چکش دیزلی که تا حدی با سرعت بیشتر جبران می شود مربوط است.
کلاهک های شمعکوبی برای انتقال ضربه به سر شمع (کلاهک شمع) طراحی می شوند. بنابراین در شمع های فولادی، سرشمع برای تطابق با مقطع شمع، پیکر بندی می شود. ضربه از فولاد به فولاد منتقل شده و هیچ بالشتکی در میان نیست. کلاهک شمعکوب برای محصور کردن سر شمع و جلوگیری از کمانش و پیچش موضعی آن استفاده می شود.
در شمعهای بتنی، یک بالشتک به منظور تقلیل ضربه و افزایش مدت زمان آن برای جلوگیری از ترک خوردگی تحت تنش ارتجاعی نیاز است. کلاهک شمعکوب برای در برداشتن بالشتک سر شمع پیکر بندی می شود. بالشتک سر شمع در بهترین حالت به شکل یک بلوک ورقه ورقه از چوب نرم با ضخامت 200 تا 400 میلی متر ساخته می شود. لایه های تخته چند لا3 ممکن است برای کمک به چسبیدن بلوک در حین کوبش به هم در بالا و پایین متصل شده و یا در وسط وارد شوند. تجربه و اندازه گیری های دینامیکی نشان می دهد که چنین بالشتکی معمولا مناسب خواهد بود.
