بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کمانش مخازن استوانه ای فولادی نفت تحت اثربارهای دینامیکی زلزله به روش اجزاءمحدود
چکیده
باتوجه به رشداستفاده ی اقتصادی ازمخازن حاوی سیال درسراسردنیاوآسیب پذیری آنهادرزلزله های پیشین ، بررسی رفتاراین مخازن ازاهمیت ویژه ای برخورداراست. دراین مقاله ، رفتار لرزه ای مخازن فولادی روزمینی نفت درحالت خالی وپربا نسبت های ارتفاع به قطر((H/D مختلف (کوتاه وبلند) مورد مطالعه قرار گرفته اند و مکانیزم خرابی کمانش الماسی وهمچنین اولین ،دومین وسومین تنش اصلی با تحلیل غیر خطی تاریخچه زمانی بررسی شده است. در این مطالعات، علاوه بر ارزیابی ضواب آیین نامه های معتبرازجمله API650 و ASCE ، تحلیلهای استاتیکی و مودال و تاریخچه زمانی(غیر خطی زلزله های طبس السنترو وامپریال والی)نیز استفاده شده است.مطالعات موردی نشان می دهدکه مخازن حاوی نفت با نسبت قطر به ضخامت ( ( tD بین دو عدد ثابت 2322و2991،همواره ازنظرکنترل تنش فشاری جداره وکمانش الاستیک الماسی پایدارمی باشند.همچنین تنش های اصلی در پوسته های بلندخالی ازنفت، با آنالیزغیرخطی تاریخچه زمانی ،در مقایسه باپوسته های کوتاه خالی ازنفت،ازمقداربیشتری برخورداربودند.علاوه برآن، نتایج تنش های اصلی حاصل ازآنالیزاستاتیکی مخازن بلندحاوی نفت، تقریبا"بانتایج آنالیزتاریخچه زمانی پوسته های بلندخالی ازنفت برابری دارند.
واژه های کلیدی: مخازن استوانه ای ،کمانش ،روش اجزاءمحدود ،باردینامیکی.
-1 مقدمه
مخازن ذخیره مایع برای ذخیره انواع متفاوت مواد مانند:آب ، نفت ، نیتروژن ، گازهای تحت فشارو سوخت استفاده می شود . پوسته ها بخش مهمی از بسیاری از سازه های ویژه مانند مخازن نگهداری مایع، سیلو ها و مبدل های حرارتی را تشکیل می دهند. پوسته ها از نظر شکل به گروه های مختلف کروی، استوانه ای، هذلولی و نظایر آن طبقه بندی می شوند. پوسته هایی که دارای ضخامت جداره کمی در مقایسه با قطرشان هستند، پوسته های جدار نازک نامیده می شوند. به طور کلی در پوسته های جدارنازک مهمترین و معمول ترین شکل خرابی کمانش پوسته است.خرابی وانفجار مخازن شامل مواد شیمیایی باعث آلودگی های محیطی جبران ناپذیری می شود. این گونه مخازن تحت تاثیر زلزله های پیشین خسارات زیادی به بار آورده اند برای مثال زلزله1991 نیگاتا باعث وقوع آتش سوزی در مخازن پالایشگاه گردید.
پنج مخزن ذخیره نفت خام در پالایشگاه در آتش سوخت.آتش سوزی 11روز ادامه داشت وحدود 239خانه و کارخانه در آتش سوختند. نخستین مطالعات انجام شده در زمینه کمانش پوسته های استوانه ای تحت اثر فشار محوری خالص توس لورزنر 1 تیموشنکو 2 و ساوتول 2 انجام گرفت. در این مطالعات پوسته استوانه ای با تکیه گاههای ساده در دو انتها و کاملا ایده آل(بدون نقص) در نظرگرفته شدند. مطالعات آزمایشگاهی اولیه پوسته استوانه ای تحت فشار توس رابرتسون 1 ، فلوگه 1 و لاندسکویت [9انجام شد. نتیجه این آزمایشات نشان داد که کمانش پوستههای استوانه ای تحت بارهای بسیار پائینتر از بارهای کمانش بدست آمده از رواب تحلیلی بوقوع میپیوندد.مطالعات بارهای دینامیکی برپوسته هاتوس محققان سیدرزاقی 7 ومسلمی 3 صورت پذیرفته است دراین مطالعات اثرموج سیال وکمانش مخازن موردبررسی قرارگرفته است.
در طراحی مخزن باید به انواع خرابی های محتمل ناشی از زلزله توجه کردازجمله آسیبهای مخازن دراثرزلزله کمانش الماسی؛کمانش پافیلی ناشی از تنش فشاری در جداره مخزن؛ تخریب سقف مخزن و ناحیه بالایی دیواره بر اثر امواج حاصل از حرکت نوسانی سیال؛ پارگی جداره و تمرکز تنش در اطراف مهارهای مخزن به پی یا پایه؛ لغزش مخزن زمینی ناشی از غلبه نیروی افقی زلزله بر مقاومت اصطکاکی؛ آسیب به اتصالات غیر انعطاف پذیر لوله ها و دیگر تجهیزات متصل به مخزن؛کنده شدن جوش بین کف و جداره؛و نشست نسبی پی ، بدلیل بلند شدن کف از زمین در مخازن خودمهار یا با مهار نسبی؛ آتش سوزی پس از زلزله، غالبا"، بدلیل شکست اتصالات یا خروج سوخت از محل سقف بویژه درمخازن با سقف شناورمی باشند. 9
-2مدلسازی مخزن بااستفاده ازالمان پوسته
نرم افزار مورد استفاده دراین تحقیق نرم افزار ANSYS 14
است . 11 این نرم افزار از کاراترین برنامه های تجاری است که جهت انجام تحلیل های اجزاء محدود دو بعدی و سه بعدی بکار می رود و قابلیت مدلسازی انواع سازه های مهندسی را به صورت بسیار مناسب دارا می باشد در این پژوهش از روش اجزای محدود که از مجموعه روش های عددی به شمار می رود برای حل مساله کمانش پوسته ها استفاده میشود.درمدلسازی پروژه حاضربااستفاده ازنرم افزارمذکور، مخازن بر روی زمین قرار دارند. فرض متکی بودن به معنی این است که هیچ ممان خمشی از دیواره به کف و به طور معکوس منتقل نمی شود.بنابراین کف تانک در اینگونه مخازن مدل نمی شود. سازه مخزن از المان های 1 shell نقطه ای چهار ضلعی و المان سیال از المان 3 نقطه ای ایزو پارامتریک بلوکی در فضای سه بعدی مدل می شود. ماتریس های جرم و سختی و هر مولفه ی مرتب بر اساس نقاط انتگرال گیری گوسی 2 2 2 در درون سیال و نقاط انتگرال گیری گوسی 2 درون دامنه سازه در نظر گرفته می شود. المان های پوسته 9درجه آزادی (انتقالی y,xوچرخش حول نقاط (z,y,x و رفتار غشایی و خمشی به آن اجازه داده می شود.المان سیال دارای 1درجه آزادی در هر نقطه (انتقالی نقطه ای z,y,xوفشار)می باشد.در مجموعه های سیال - مخزن، حرکت سازه و فشار سیال در سطح باید کوپل گردد. در نتیجه درجات آزادی انتقالی و فشار برای نقاط قرار گرفته درون سازه - سیال لازم می باشد.اما برای اجتناب از زحمات محاسباتی بیش از حد درجه آزادی انتقالی برای نقاط قرار گرفته درون دامنه سیال می تواند صفر قرار داده شود. سطوح سازه- سیال (FSI)در وجوه المان به وسیله ی بارهای سطحی فرش می
شود. در YS سیال و سازه با قرار دادن مقدا پیش فر صفر این
عمل صورت می پذیرد.
در این پروژه جهت انجام تحلیل های غیر خطی دینامیکی تاریخچه زمانی برای رسیدن به بار کمانش، استوانه هایی با قطرهای 21و17/
متر و ضخامت
12میلیمتر به گونه ای که نسبت قطر به ضخامت )
(همواره
بین دو عدد 2322و2991 ثابت باشد، در محی نرم افزار ANSYSمدلسازی
گردید. در تمامی مدل های بررسی شده ارتفاع مخازن ثابت ، برابر 9 و12 متروارتفاع سیال درون مخازن 1/1 و12مترمی باشد که ارتفاعی پر استفاده در سازه های مخازن استوانه ای می باشد. برای مدلسازی پوسته های استوانه ای جدار نازک، از المان SHELL 63 که جزء المانهای موجود در مجموعه المان های نرم افزار است ؛استفاده شده است. قابل ذکر است که ،این المان به صورت چهار گره ای بوده و قابلیت در نظر گرفتن تغییر شکل های بزرگ (غیر خطی هندسی) و رفتار غیر خطی مصالح را در تحلیل های کمانش دارا می باشد. در این پژوهش رفتار مصالح به صورت دوخطی در نظر گرفته شد.
مشخصات مصالح منطبق بر مشخصات فولاد نرمه ساختمانی ST37 در نظر گرفته شد. به بیان دیگر تنش جاری شدن مصالح 2111 کیلو گرم بر سانتی متر مربع و مدول الاستیسیته مرحله رفتاری خطی2/11 ×119 کیلو گرم بر سانتی متر مربع لحاظ شد. شیب ناحیه غیرخطی منحنی تنش کرنش فولاد برابر با دو درصد شیب ناحیه خطی در نظر گرفته شد. مدل شکست در نظر گرفته شده فون میسز با قانون سخت شوندگی سینماتیکی می باشد.
-3تحلیل مخازن بانرم افزازالمان محدودANSYS14
-1-3تحلیل استاتیکی
به عنوان اولین گام در تحلیل کمی، مخازن تحت اثر وزن جداره و فشار هیدرو استاتیک سیال تحلیل شده اند. نتایج این تحلیل بیانگر تنش های کششی حلقوی ایجاد شده در جداره مخزن تحت اثر فشار هیدرو استاتیک می باشد. همچنین ، نتایج این تحلیل در ترکیبات بارگذاری مربوط به بارهای ثقلی و زلزله مورد استفاده قرار می گیرد.همانطوری که ازجداول 1و2،برمی آیدتنش هاوتغییرمکان های آنالیزاستاتیکی درمخازن کوتاه باهمدیگریکسان بوده واین نتایج مستقلا"،درموردمخازن بلندنیزمصداق دارند.شایان ذکراست که ؛اولین قرائت تحلیل دینامیکی نرم افزاز-درحالت شتاب صفر-مربوط به تحلیل استاتیکی میشود .و در مقاله ی حاضر مخازنکوتاه و بلند حاوی سیال با علامات مختصر به جای استفاده شده اند.
-2-3تحلیل تاریخچه زمانی
در این مطالعات از رکورد های زلزله های السنترو ، طبس و امپریال والی که بیشترین تطابق را با شرای ساختگاه نوع خاک داشته اند استفاده شده است.این رکورد ها به صورت سه مولفه ای در جهات متعامد با نسبتهای 111و1و1 درصد به مخازن اعمال گردیده اند.
-1-2-3کنترل کمانش الاستیک الماسی جداره
مطابق ضواب آیین نامه API650 بخشE.5.3 ماکزیمم فشارمجازپوسته ، ماکزیمم تنش فشاری طولی مجاز درپوسته b/1000t(b/12t)نبایدازماکزیمم تنش مجازFaتجاوزنماید.Faرابوسیله فرمول های زیرکه تاثیرفشارداخلی دراثروجودمایع درنظرگرفته می شودرابه دست می آوریم.وقتی که HD2/t2بزرگترمساوی)11باواحد(SIباشد؛داریم:
(
که درآنGجاذبه مشخص طرح مایع ذخیره شده(گرویتی برای آب یک)؛Hماکزیمم ترازمایع طرح (متر)؛tضخامت کورس پایین پوسته شامل هرنوع خوردگی مجاز(میلی متر)؛Dقطراسمی مخزن (متر)؛Faماکزیمم تنش
فشاری طولی مجاز درپوسته (به مگاپاسکال)می باشد.[11]
برای ارزیابی وضعیت آسیب پذیری مخازن موردمطالعه دراثرتنش های فشاری جداره وایجاد کمانش الماسی ،مقادیراولین تنش اصلی((S1بامقدارمجازآئین نامه ای مقایسه گردیدند.بامقایسه ی تنش ها، همانگونه که ازجدول2 ونمودار1 برمی آید،کلیه مخازن موردمطالعه جوابگوی تنش فشاری جداره هستندوازنظر کمانش الاستیک الماسی پایدارمیباشند.
نمودار:1نمودارمقایسه ای تنش فشاری جداره بامقدارمجازآیین نامه جهت کنترل کمانش الماسی.
-2-2-3مقایسه تنش های ماکزیمم ومینیمم ایجادشده درپوسته هاباآنالیزتاریخچه زمانی
شکل:1تغییرشکل پوسته بلندتحت اثرآنالیزدینامیکی تاریخچه زمانی زلزله السنترو، اولین تنش
اصلی(واحدها کیلوگرم برسانتیمترمربع می باشند)
مطابق شکل 1، پوسته بلنددرحالت خالی ازنفت تحت اثرآنالیزدینامیکی تاریخچه زمانی زلزله السنتروقرارگرفت و
مقداراولین تنش اصلی مینیمم-12/3113کیلوگرم برسانتیمترمربع وماکزیمم اولین تنش اصلی1931/91کیلوگرم برسانتیمترمربع حاصل گردید.
