بخشی از مقاله
مودهای شکست لرزه ای و راهکار های مقاوم سازی مخازن استوانه ای فولادی مهار نشده در یک مجتمع نفتی
چکیده
مخازن استوانه ای فولادی روزمینی به طور گسترده در مجتمعهای نفتی و انبارهای نفت ایران به کار برده می شوند. تجربه زلزله های گذشته در کشورهای مختلف نظیر ژاپن، ایالات متحده، ترکیه و غیره نشان می دهد که اینگونه مخازن در مقابل حرکات نیرومند زلزله بسیار آسیب پذیر هستند و لذا مطالعات آسیب پذیری و مقاوم سازی آنها از اهمیت زیادی برخوردار است. در این مقاله رفتار لرزه ای 5 مخزن فولادی روزمینی مهار نشده در یک مجتمع نفتی با نسبتهای ارتفاع به قطر (H/D) مختلف مورد مطالعه قرار گرفته اند و انواع مکانیزمهای خرابی شامل کمانش پافیلی، کمانش الماسی، آسیب دیدگی سقف در اثر نوسان سیال، لغزش، واژگونی، بلند شدگی کف و نشست نامتقارن با تحلیل غیر خطی بررسی شده است. در این مطالعات، علاوه بر ارزیابی ضوابط آیین نامه های معتبر از جمله API650 و ASCE ، تحلیلهای استاتیکی، مودال، طیفی (خطی) و تاریخچه زمانی (غیر خطی) نیز استفاده شده است. نتایج مطالعات موردی نشان می دهد که با در نظر گرفتن ارتفاع آزاد سیال داخل مخازن (Free board) برابر ۱۳ درصد ارتفاع آنها، خطر آسیب دیدگی سقف از بین می رود. همچنین مخازن با نسبت ارتفاع به قطر بزرگتر و یا مساوی با یک ناپایدار می باشند. سایر مکانیزمهای خرابی مذکور در مورد مخازن مورد مطالعه حاکم نمی باشند
کلمات کلیدی : مخازن فولادی، آسیب پذیری، مقاوم سازی، کمانش پافیلی، کمانش الماسی
رفتار دینامیکی مخازن اولین بار توسط هاوزنر مدلسازی شد و مبنای طراحی آیین نامه ها قرار گرفت. وی چنین عنوان کرد که در یک مخزن دارای سطح آزاد که در معرض شتاب دینامیکی افقی قرار دارد، سیال از دو طریق بر روی جداره اثر می گذارد: ۱) فشار نوسانی ۲) فشار ضربانی، فشار نوسانی در اثر حرکت سیال مواج در بالای مخزن پدید می آید و فشار ضربانی در اثر حرکت قسمتی از سیال در پایین مخزن و هماهنگ با پوسته ایجاد می گردد. فرکانس حرکت نوسانی به میزان قابل توجهی پایین تر از فرکانس حرکت ضربانی است بدین معنی که این مود در پریودهای بالای زلزله تحریک می گردد [۱] . در سال ۲۰۰۳ میلادي على الزينی استاد و محقق دانشگاه کالیفرنیا مقاله ای تحت عنوان «بررسی پارامترهای مؤثر در پاسخ لرزه ای غیر خطی مخازن مهار نشده» ارائه کرد. وی در این تحقیق اثرات فشار هیدرودینامیکی سیال را بر روی جداره مخازن مهار نشده در طول ارتعاشات ناشی از زلزله مورد بررسی قرار داد. وی همچنین نتیجه گرفت که احداث مخازن بر روی فونداسیونهای انعطاف پذیر مناسب تر از اجرای آنها بر روی فونداسیونهای صلب می باشد، زیرا نرمی فونداسیون سبب طولانی شدن پریود ارتعاشی مخازن در برابر نیروهای هیدرودینامیکی می گردد [۲] . در سال ۲۰۰۶ میلادی نیز مارتین کولر به همراه پراوین مالهوترا مقاله ای تحت عنوان «ارزیابی لرزه ای مخازن مهار نشده»، ارائه نمودند که در آن هفت مخزن با نسبتهای ارتفاع به شعاع مختلف (H/ R) تحت بررسی قرار گرفت. آنها چنین عنوان کردند که یک ارتباط تنگاتنگ بین نسبت (R /H) و بلند شدگی کف مخازن وجود دارد [۳]. مطالعات آسیب پذیری لرزه ای مخازن فولادی موجود در یک مجتمع پالایشگاهی در سال ۲۰۰۹ نشان داد که حدود 40 درصد مخازن موجود بسیار آسیب پذیر بوده و نیازمند مقاوم سازی اساسی هستند[4].
در این تحقیق، 5 مخزن موجود در یک مجتمع پالایشگاهی با نسبتهای ارتفاع به قطر مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. علاوه بر کنترل ضوابط آیین نامه ای تحلیلهای استاتیکی، مودال، طیفی و تاریخچه زمانی غیر خطی برای هر یک از مخازن صورت پذیرفته است.
۱- مکانیزمهای خرابی مخازن آسیب های وارده به مخازن را می توان در قالب هفت معیار آسیب پذیری بیان نمود که در ذیل به صورت مختصر ارائه می گردند.
۱ - ۱- واژگونی
وقتی نسبت ارتفاع به قطر زیاد می شود، پایداری مخزن در برابر این آسیب دیدگی کاهش می یابد. علت این پدیده بالا رفتن ارتفاع مرکز ثقل مخزن می باشد. این معیار با استفاده از ضوابط آیین نامه API650 و بر اساس نسبت کنترل می گردد. در این رابطه M لنگر واژگونی مخزن بر حسب ، وزن محتويات مخزن در واحد طول محیط وزن ورق جداره در واحد طول محيط مخزن بر حسب می باشند. در صورتی که این نسبت بیشتر از 1.57 باشد مخزن ناپایدار بوده و واژگون خواهد شد [۵]
۲ - ۱ - کمانش الماسی جداره تنشهای فشاری ایجاد شده در جداره مخازن سبب بروز کمانش در قسمتهای میانی آن می گردد که کمانش الماسی کمانش الاستیک) نام دارد. مخازن با ارتفاع زیاد معمولا دچار چنین آسیبی می شوند. با محدود کردن تنش فشاری ایجاد شده در جداره مخزن و مقایسه آن با تنش مجاز جداره مطابق با ضوابط آیین نامه 650 api کنترل می گردد [0]
۳ - ۱ - کمانش پافیلی جداره
کمانش پافیلی (کمانش الاستو پلاستیک) معمولا در مخازن بزرگ و در ارتفاع 1.5 تا 2.5 متری از کف مخزن رخ می دهد. علت ایجاد چنین کمانشی آن است که در هنگام بلند شدگی قسمتی از کف مخزن تحت اثر نیروهای جانبی زلزله، تنش فشاری قائم به شدت افزایش می یابد. در این حالت ترکیب دو تنش کششی حلقوی و فشاری قائم باعث ایجاد این کمانش در جداره می گردد. بدین ترتیب افزایش بیش از حد تنش کششی حلقوی در جداره مخزن معیاری برای کنترل کمانش پافیلی محسوب می شود [5] .
4 - 1- لغزش مخزن نیروهای برشی ناشی از زلزله در تراز کف مخزن ممکن است بر نیروی اصطکاک غلبه کرده و باعث بروز پدیده لغزش مخزن گردد. برای کنترل مخزن در برابر لغزش، برش پایه به عنوان نیروی محرک و نیروی اصطکاک کف مخزن با بستر به عنوان نیروی مقاوم در نظر گرفته می شود. بر اساس پیشنهاد دستور العمل ASCE برای تأسیسات موجود، حداقل ضریب اطمینان لازم در مقابل لغزش برابر 1.5 می باشد. برای محاسبه نیروی مقاوم در برابر لغزش، ضریب اصطکاک بین کف مخزن و پی برابر 4/. پیشنهاد شده است [۱]
۵ - ۱- آسیب دیدگی سقف نیروی ارتعاشی ناشی از زلزله باعث ارتعاش مخزن و سیال درون آن می گردد. ارتعاش سیال با فرکانس خیلی پایینتر از فرکانس جداره رخ می دهد. دامنه ارتعاش سیال متأثر از ارتعاش جداره نیست بلکه عموما به محتوای فرکانسی زلزله بستگی دارد. بنابراین، اگر پیش بینی های لازم صورت نگیرد ممکن است پوشش سقف مخزن صدمه دیده و یا محتویات درونی آن به بیرون پاشیده شود عامل کنترل کننده در این حالت ارتفاع موج سیال می باشد [۱].
۶ - ۱- بلندشدگی کف بلند شدگی کف مخازن مهار نشده یکی از مکانیزمهای خرابی در زلزله های گذشته محسوب می شود. در صورتی که مقدار این بلند شدگی از مقدار مجاز آن ( ۳۰ سانتیمتر) بیشتر شود، ممکن است منجر به پارگی جداره مخزن و یا شکستگی لوله های متصل به آن گردد [۱].
۷ - ۱ - نشست نامتقارن بستر تنشهای ناشی از لنگر واژگونی و ضربه های ناشی از بلند شدگی کف مخزن در هنگام زلزله موجب نشست نامتقارن در تراز پایه می گردد. در نتیجه امکان آسیب دیدگی و خسارت مخزن وجود دارد. حداکثر نشست نامتقارن بستر طبق دستورالعملهای موجود به ۵ سانتیمتر محدود شده است [۱] .
۲- مدلسازی و تحلیل مخازن مشخصات هندسی مخازن مورد بررسی به اختصار در جدول (1) بیان شده است. همچنین، مدل سه بعدی یکی از مخازن به همراه چگونگی مش بندی آن در شکل (1) نشان داده شده است [4]
۱ - ۲- تحلیل استاتیکی
به عنوان اولین گام در تحلیل کمی، مخازن تحت اثر وزن جداره و فشار هیدرواستاتیک سیال تحليل شده اند. نتایج این تحلیل بیانگر تنش های کششی حلقوی ایجاد شده در جداره مخزن تحت اثر فشار هیدرواستاتیک می باشد. همچنین، نتایج این تحلیل در ترکیبات بارگذاری مربوط به بارهای ثقلی و زلزله مورد استفاده قرار می گیرد.
۲ - ۲ - تحلیل مودال
مشخصات ارتعاشی یک مخزن شامل فرکانس های طبیعی و شکلهای مودی از جمله پارامترهای مهم در تحلیل دینامیکی آن محسوب می شود که با تحلیل مودال حاصل می شود. تعیین و بررسی این پارامترها می تواند در تفسیر رفتار دینامیکی مخزن مفید باشد. مودهای نوسانی و ضربانی از جمله مهمترین مودهای ارتعاشی محسوب می شوند که حداکثر جرم موثر را به خود اختصاص می دهند و در تحلیلهای دینامیکی حائز اهمیت هستند.
۳ - ۲ - تحلیل طیفی
پس از انجام تحلیل مودال و تعیین مودهای اصلی مخزن تحلیل طیفی انجام گرفته است. در این تحلیل برای ترکیب مودها از روش جذر مجموع مربعات (CQC) استفاده شده است. طیف طرح ویژه ساختگاه به صورت سه مولفه ای با نسبتهای ۱۰۰، ۳۰ و ۳۰ استفاده شده است. نوع خاک محل تیپ III مطابق استاندارد ۲۸۰۰ زلزله ایران می باشد[۶] مطابق دستورالعمل ASCE جهت ارزیابی لرزه ای تأسیسات نفتی از طیف طرح ویژه ساختگاه با احتمال گذر ۱۰ درصد در ۵۰ سال ( دوره بازگشت 4۷۵ سال ) استفاده شده است که در شکل (۲) ملاحظه می شود. همچنین بر اساس ضمیمه E آیین نامه API650 میرایی ۲ درصد برای مود ضربانی و میرایی 0.5 درصد برای مود نوسانی مخزن در نظر گرفته شده است [5].
۲-4- تحلیل تاریخچه زمانی در این مطالعات از رکوردهای زلزله های گلبافت، طبس و السنترو که بیشترین تطابق را با شرایط ساختگاه داشته اند استفاده شده است. این رکوردها به صورت سه مؤلفه ای در جهات متعامد بانسبتهای ۱۰۰، ۳۰ و ۳۰ درصد به مخازن اعمال گردیده اند [1] . نمودار تاریخچه زمانی شتاب زلزله طبس به عنوان نمونه در شکل (۳) نشان داده شده است.
با بهره گیری از نتایج تحلیلهای دینامیکی غیر خطی هر یک از مخازن مورد نظر، معیارهای آسیب پذیری مربوطه کنترل گردیده است که در ادامه بررسی می شوند.
٣- کنترل واژگونی با بهره گیری از ضوابط آیین نامه ASCE نسبت برای کلیه مخازن مورد نظر محاسبه گردیده است. نتایج این محاسبات در جدول (۲) نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود فقط مخزن شماره 5 از نظر واژگونی مشکل دارد.
تغییرات میزان واژگونی مخازن بر حسب نسبت ارتفاع به قطر (H/D) در شكل (4) نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود تغییرات مربوطه غیر خطی است که با یک رابطه خطی تقریب زده شده است.
جدول (۲): نتایج کنترل واژگونی در مخازن مورد نظر
۴- کنترل کمانش الاستیک الماسی در جداره
طبق ضوابط آیین نامه API650 تنش فشاری جداره مخزن با تنش مجاز مربوطه مقایسه شده است. نتایج بدست آمده از این محاسبات در جدول (۳) ارائه شده است. همچنین تغییرات تنش فشاری جداره بر حسب نسبت H/D در شکل (5) نشان داده شده
