بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی مخازن مایع استوانه اي بتن آرمه اي نیمه مدفون با لحاظ نمودن اندرکنش سازه، مایع و خاك
خلاصه
در صورت اعمال بارهاي دینامیکی به سازه مخزن، امواجی در مایع درون آن ایجاد شده و به تلاطم می افتد. این تلاطم و برخورد امواج با دیواره نیروهاي عظیمی به مخزن وارد میکند. مخزن در کف و دیواره ها با خاك در تماس بوده و با این محیط نیز دچار اندرکنش می شود. کاربرد سیستم عایق لرزه اي می تواند در کاهش انرژي بارهاي دینامیکی وارده مؤثر باشد. در این تحقیق رفتار اندرکنشی محیطهاي آب، خاك و سازه مخزن نیمه مدفون استوانه اي در اثر انفجار در اطراف مخزن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد در بارگذاري ضربهاي بیشتر امواج آکوستیک با نوسان بسیار بالا در محیط آب منتشر میشود که در لحظه اول، بار ضربهاي، جهشی را نه تنها در آب بلکه در کل سازه ایجاد مکند. استفاده از جداسازهاي لرزه اي تا 60 درصد میزان انرژي امواج رسیده به مخزن را کاهش می دهد.
کلمات کلیدي: مخزن نیمه مدفون استوانه اي، اندرکنش آب و خاك و سازه، سیستم عایق لرزه اي، تحلیل دینامیکی
1. مقدمه
ذخیره سازي حجمی از مایعات در راستاي بهره برداري از آنها در فرآیندهاي گوناگون از جمله تامین آب شرب و ذخیره و تامین سوختهاي فسیلی مایع، همواره از دغدغههاي بنیادین طرحهاي عمرانی مرتبط محسوب میگردد. مخازن ذخیره مایعات به لحاظ ذخیره سازي، نگهداري و همچنین تنظیم جریان در مسیر خطوط انتقال، از جمله سازه هاي حیاتی و پراهمیت به شمار می آید. در این میان مخازن ذخیره آب نقش مهمی را در راستاي نگهداري آب، به عنوان مهمترین نیاز بشر، براي مصارف گوناگون از جمله شرب، صنعت و کشاورزي ایفا میکند.
مخازن ذخیره مایعات از نظر موقعیت قرارگیري نسبت به زمین به دو دسته زمینی و هوایی تقسیم می شود که مخازن زمینی به دو صورت مدفون یا نیمه مدفون احداث میگرددهمچنین. مخازن از نقطه نظر جنس عموماً در دو نوع فلزي و بتنی طبقه بندي می شود. مخازن زمینی معمولاً براي ذخیره سازي مایعات متنوعی چون آب شرب، فرآورده هاي نفتی و شیمیایی بکار گرفته می شود.
در کنار نقش بنیادین مخازن مذکور، تخریب اینگونه سازه هاي حیاتی و حساس، با توجه به عواملی چون موقعیت قرارگیري مخزن، نوع و حجم مایع ذخیره شده در آن، می تواند ریسک بالایی به لحاظ مالی، زیست محیطی و حتی جانی در پی داشته باشد، لذا پایداري آنها در مقابل بارهاي استاتیکی و به خصوص دینامیکی مستلزم طراحی صحیح و در نظر گرفتن تمامی پارامترهاي دخیل در آن می باشد. از این رو تحقیقات فراوانی در زمینه طراحی و بررسی پایداري آنها در برابر عواملی چون انفجار و زلزله صورت گرفته است.
روش هاي تحلیل اندرکنش خاك و سازه که شامل عملکرد پی سازه میشود، سالها پیش در کتابهایی که توسط سلوادري و همسلی١ نوشته شده است ارائه گردیده است. این روش ها از محاسبات دستی ساده گرفته تا روش هاي نیمه تحلیلی و عددي پیچیده تر که نیاز به کامپیوتر دارند، در این کتاب ها وجود دارند. هرکدام از این روش هاي ساده یا پیچیده، کاربري مخصوص خود را دارند به شکلی که روش هاي ساده دستی در بعضی مسائل، جواب هاي قابل قبولی را براي رفتار سازه ها در اندرکنش با خاك بدست دهند.[3,2,1]
هاسکینز و جاکوبسن٢ اولین گزارش را در رابطه با مشاهدات تحلیلی و تجربی خود از یک مخزن مستطیلی مدلسازي شده که تحت یک زمین لرزه افقی قرار گرفته است ارائه دادند.[4] بعد از آنها، گراهام و رودریگز ٣ از یک سیستم ترکیبی جرم و فنر براي تحلیل رفتار آب درون مخزن مستطیلی استفاده کردند.[5]
اولین بار در سال 1960 در نیوزلند از لایه هاي لاستیکی براي مقابله با نیروهاي زلزله استفاده شد. امروزه این روش به عنوان یکی از اصلی ترین راهکارهاي مقابله با نیروي زلزله در تمام دنیا به حساب می آید. لاستیک به عنوان ماده اصلی این عایق لرزه اي توسط افرادي مثل کلی٤ در سال 1976 بکارگرفته شد. امروزه از لایه هاي لاستیکی براي تحمل نیروي وزن سازه در شرایط بارهاي لرزه اي قائم بسیار استفاده می شود.
در رابطه با نقش جداسازهاي لرزه اي٥ روي رفتار سازه ها، ترامر و سامر٦ تحقیقاتی را انجام دادند. آنها نشان دادند که چگونه یک سازه که توسط این سیستم از زمین جدا شده است، داراي رفتار لرزه اي بهتري می باشد. آنها اطلاعات جامعی را درباره انواع سیستم هاي جداساز لرزه اي ارائه داده اند که بر اساس تحقیقات انجام شده روي حوادث طبیعی زیادي بر روي انواع سازه ها در یک پایگاه اطلاعاتی تدوین شده است.[7,6]
هینگ هو تیسانگ٧ در مقاله خود به بررسی نوعی از جداسازهاي لرزه اي که مخلوطی از خاك و تکه هاي لاستیکی است پرداخته است. او توانسته تأثیرات بسیار خوب این مخلوط را براي کاهش ارتعاشات وارده به سازه در اثر زلزله در حالات مختلف درصد ترکیب مخلوط، ضخامت لایه عایق و شدت لرزه هاي متفاوت به شکل نمودارهایی نشان دهد.[8]
2. روش تحقیق
.1,2 مفهوم اندرکنش
مفهوم اندرکنش وقتی مطرح می شود که دو محیط با خصوصیات و رفتارهاي متفاوت در تماس با یکدیگر و در یک سیستم قرار گیرند. در چنین سیستمی نمی توان رفتار هریک از این محیط ها را مستقل از دیگري تحلیل و بررسی نمود. چراکه این دو محیط بواسطه تماس با یکدیگر، بر رفتار هم تأثیر می گذارند. بنابراین به منظور دستیابی به نتایج دقیق و واقع بینانه، معادلات مربوطه به منظور بدست آوردن پارامترهایی مثل تنش ها، تغییر شکل ها و غیره بخصوص در مرز دو محیط، باید براي هردو بطور همزمان نوشته و حل شود.
.1,1,2 اندرکنش مایع و سازه
در بسیاري از مسائل تغییر مکان مایع در حالتی که اندرکنش قابل ملاحظه است، کوچک است. در این دسته از مسائل رفتاري از سازه مشاهده میشود که در اثر توزیع فشار از طرف مایع بر سازه ایجاد می شود. رفتار دیواره مخازن آب در اثر اندرکنش آب داخل آن با دیواره از جمله این مسائل هستند که مقالات زیادي به بررسی این پدیده پرداخته اند. در این مسائل براي توصیف قابل قبول فاز مایع از ساده سازي هایی می توان استفاده کرد . معادلات دینامیکی رفتار مایع را به شکل ساده زیر می توان نوشت :
(1)
در این معادله v سرعت مایع، ρ چگالی مایع و p فشار است و در آن ساده سازي ها و پیش فرض هایی از جمله تغییر ناچیز و ثابت فرض نمودن چگالی مایع، صرفنظر نمودن از گرما با توجه به کم بودن سرعت و همچنین چشم پوشی از اثر ویسکوزیته مایع که موجب تنش هاي منحرف کننده در مایع می شود در نظر گرفته شده است.
۲
با این فرضیات می توان معادله بالا را به عنوان حالت خاصی از یک حالت کلی تر براي تحلیل رفتار مایع در مخزن در نظر گرفت. معادله پیوستگی با توجه به فرضهاي بالا بدین ترتیب نوشته میشود.
(2)
با توجه به رابطه که در آن K مدول حجمی است خواهیم داشت:
(3)
با حذف v از معادلات بالا معادله هلمهولتز براي بیان فشار P بدست می آید:
(4)
این معادلات پایه و اساس بحث آکوستیک در مایعات هستند.
.2,1,2 اندرکنش خاك و سازه SSI)١)
بسیاري از سازه هاي عمرانی داراي اجزایی هستند که در تماس مستقیم با خاك قرار میگیرند. وقتی که نیروهاي خارجی مثل زلزله یا انفجار به سیستم وارد میشود، تغییر مکانهاي سازه و تغییر مکانهاي زمین به طور مستقل از یکدیگر عمل نمیکنند. فرایندي که به جهت تأثیرگذاري رفتار سازه و خاك بر هم بوجود میآید را اندرکنش خاك و سازه می نامند. اثر اندرکنش خاك و سازه وقتی بسیار اهمیت پیدا می کند که مسأله مورد نظر، سازه اي سنگین بر روي خاکی نرم باشد. مثل ساختمان هاي بلند، کارخانه هاي راکتور هسته اي، مخازن بزرگ مایعات و یا بزرگراه هاي مرتفع که پایه هاي آن روي خاك نرم قرار گرفته باشد.
اندرکنش سازه بطور کلی می تواند به دو شکل عمومی شامل اندرکنش سینماتیک و اندرکنش اینرسی دسته بندي شود. زمین لرزه موجب حرکت زمین می شود که به آن حرکت آزاد گفته میشود که باعث تغییر شکل در خاك می شود. با این وجود سازه اي که در دل خاك قرار می گیرد، حرکت آزاد خاك را دنبال نمیکند. این عدم پیروي سازه از حرکت آزاد زمین موجب ایجاد اندرکنش سینماتیکی میشود. از طرف دیگر، جرم سازه باعث بوجود آمدن نیروي اینرسی در خاك شده که موجب تغییر شکل هاي بیشتر خاك می شود. به این پدیده اندرکنش اینرسی میگویند. در ارتعاش هاي کوچک زمین، اثر اندرکنش سینماتیکی مشهودتر است که باعث افزایش طول دامنه و افزایش دمپ سیستم می شود.
.2,2 عملکرد سیستم جداسازهاي لرزه اي
جداساز لرزهاي تکنیک کارامد و مناسبی است که در سالهاي اخیر از آن براي کاهش اثر لرزه هاي وارده بر سازه استفاده میشود. بر اساس این تکنیک، سازه به شکلی از زمین جدا شده و با ایجاد یک محیط انعطاف پذیر بین سازه و زمین، اثر نیروهاي لرزهاي جانبی ناشی از لرزه هاي خارجی را بر روي سازه کاهش می دهد. از این تکنیک در سازه هاي جدید و ساخته شده و تجهیزات بزرگ استفاده می شود.
اساس کار این سیستم، وجود المانها یا قطعات انعطاف پذیري است که در کنار هم مجموعه اي را به منظور کاهش انرژي زلزله بر روي سازه ایجاد می کنند. با وجود سیستم عایق لرزه اي سازه قابلیت تغییرشکل پیدا می کند و خود را با حرکت زمین سازگار میکند. در واقع با وجود این سیستم، سازه از تغییرشکلهاي ناگهانی فرار کرده و شکل خود را حفظ می کند.
.3,2 معیار دراکر پراگر2 براي مدلسازي رفتار خاك
این معیاریک مدل رفتاري بر اساس فشار یا کشش وارده به مصالحی مثل خاك است که رفتار خاك خصوصاً در حالت پلاستیک و در نهایت شکست پلاستیک را بررسی و ارزیابی میکند. معیار شکست خاك در این مدل بر اساس شکل صفحهاي از خاك است که شکست در آن رخ میدهد. بهطور کلی این مدل رفتاري داراي ویژگیهاي زیر است :
۳
براي مصالحی که داراي خاصیت رفتار اصطکاکی هستند مثل انواع خاك و تودههاي سنگریزهاي استفاده میشود. همچنین مصالحی که با افزایش فشار بر روي آنها سختتر و فشرده تر می شوند. همچنین جهت مصالحی که مقاومت تسلیمی فشاري بزرگتري نسبت به مقاومت کششی دارند نیز به کار می رود. این مدل اجازه میدهد که مواد به صورت همگن تحت سختشدگی یا نرمشدگی قرار گیرند و همچنین مصالح با رفتار غیر الاستیک تغییر حجم دهند. استفاده از این مدل براي مصالحی که در طول زمان دچار خزش و تغییرشکلهاي غیر الاستیک میشوند مناسب است.
.3 مدل سازي مخزن نیمه مدفون توسط ABAQUS
نرم افزار آباکوس، یکی از قدرتمندترین نرم افزارهاي المان محدود می باشد که در سالهاي اخیر بسیار مورد استفاده محققان قرار گرفته است. این نرم افزار قادر است بسیاري از مسائل شامل انواع محیطهاي جامد، مایع و گاز را با اعمال انواع نیروها، به روش المان بندي محیطها، تحلیل و آنچه به عنوان خروجی مورد نیاز باشد را در اختیار قرار دهد. با توجه به اینکه روشهاي عددي همواره جواب هاي دقیق تر و مورد اعتمادتري بدست می دهند، امکان بکارگیري رایانه و انجام عملیات حجیم و گسترده روشهاي عددي توسط آنها، بکارگیري نرم افزارها از جمله آباکوس بسیار متداول بنظر می رسد.
.1,3 مشخصات هندسی مخزن
مخزن مورد بررسی داراي ظرفیت 30000 مترمکعب به شکل استوانه اي به قطر داخلی 80 متر و به ارتفاع 7 متر، به صورت نیمهمدفون بتن مسلح با مقاومت زمین حداقل 1 کیلوگرم بر سانتی متر مربع میباشد. کاربري این مخزن به شکلی است که نیاز به سقف ندارد و پوشش روي آن تأثیري در رفتار سازهاي مخزن ندارد. سیستم دیواره مخزن طبق آییننامه از نوع یکپارچه و آزاد در لبه فوقانی می باشد. سیستم سازهاي کف نیز بهصورت یکپارچه و اتصال گیردار با دیواره است. بارگذاري در واقع نوعی شبیه سازي از ضربه انفجاري در اطراف مخزن میباشد. این بار به شکل گسترده و به مقدار 10/000/000کیلو نیوتن بر مترمربع میباشد که در سطح دایرهاي به شعاع 5 متر و به فاصله مرکز 100 متر از مرکز مخزن اعمال میشود. این بار بسیار سریع وارد شده و الگوي اعمال آن در شکل 1 نشان داده شده است.
عمق مایع درون مخزن 4 متر و کل مخزن به عمق 4 متر درون خاك مدفون شده است. ضخامت دیواره و کف مخزن 1 متر در نظر گرفته شده است. سایر مشخصات آب، خاك و سازه در جدول شماره 1 آمده است.
