بهسازی لرزهای مخازن بتنی مرتفع ذخیره آب با استفاده از ورقه های FRP
 واژگان کلیدی: مخزن بتنی مایعات، آنالیز فشار افزون، نمودار مقاوم سازی لرزه ای، FRP فهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول: مقدمه ........ 2 فصل دوم:مروری بر تحقیقات گذشته................. 5 فصل سوم: مبانی تئوری 3-1-مقدمه...... 9 3-1-1-تعریف مخزن بتنی ..................... 9 3-2- مثال‌های زوال مخازن مرتفع................ 10 3-2-1- گزارش زلزله منجیل درباره زوال و خسارتهای مخازن مرتفع........ 10 3-2-1-1-مخزن شماره یک ................... 10 3-2-1-2-مود زوال مخزن شماره یک........... 11 3-2-1-3-مخازن شماره دو و سه ............. 11 3-2-1-4-مواد زوال مخزن شماره دو.......... 12 3-2-1-5-مواد زوال مخزن شماره سه ......... 12 3-2-2- زلزله BHUJ در سال 2001 ............. 13 3-2-3- زلزله بم در سال 2003 ............... 15 3-3- رفتار مخازن مرتفع در برابر زمین لرزه ... 17 3-3-1- خرابی‌های کلی در مخازن ذخیره مایعات و عوامل آن 18 3-4- محاسبه نیروها و بارگذاری................ 18 3-4-1- بارهای وارده بر مخازن هوایی......... 18 3-4-2- نحوه محاسبه بارها................... 19 3-4-2-1-بار مرده ........................ 19 عنوان صفحه 3-4-2-2-بار زنده......................... 19 3-4-2-3-فشار استاتیکی سیال .............. 19 3-4-2-4-نیروی ناشی از تغییرات دما........ 19 3-4-2-5-نیروهای دینامیکی وارده به مخزن... 19 3-4-3- فشارهای هیدرودینامیکی در مخازن...... 20 3-5- عوامل مهمر دیگر ........................ 20 3-5-1- تاثیر انعطافپذیری دیوارهای مخزن .... 20 3-5-1-1- بررسی تأثیر انعطافپذیری بر فشارهای هیدرودینامیکی.............................................. 20 3-5-1-2- استفاده از روش جرم افزوده با در نظر گرفتن انعطافپذیری دیوارها .................... 22 3-5-2- تاثیر بر هم کنش خاک و مخزن.......... 24 3-5-3- رفتار پیچشی ارتعاشی غیرارتجاعی مخازن مرتفع 29 3-6- بهسازی رفتار با استفاده FRP............. 29 3-6-1- تعریف FRP........................... 29 3-6-2- الیاف مورد استفاده در کامپوزیتهای FRP30 3-6-2-1- الیاف شیشه .................... 30 3-6-2-2- الیاف کربن .................... 31 3-6-2-3- الیاف آرامید................... 31 3-6-3- رزینهای موجود در ساخت FRP............ 31 3-6-4- پوششهای FRP.......................... 32 3-6-4-1- پوششهای دست ساز................ 32 3-6-4-2- ورقهها یا صفحات پیش ساخته شدهی کامپوزیت 33 3-6-4-3- ورقههای ماشینی ................ 34 3-6-5- استفاده از پوششهای FRP.............. 34 3-6-5-1- استفاده از FRP در بهسازی سازههای بتنی 34 3-7- مبانی تئوریک تحلیل استاتیکی غیر خطی (فشار افزون) 36 3-7-1- مقدمه............................... 36 3-7-2- مبانی تئوری تحلیل فشار افزون........ 39 3-7-3- جابجایی هدف......................... 46 3-7-4- الگوهای بار جانبی................... 50 عنوان صفحه
3-5- انجام تحلیل فشار افزون.................. 52 3-7-6- محدودیتهای تحلیل فشار افزون......... 54 3-7-7- نتیجه گیری.......................... 59 3-8- چگونگی محاسبه شکل پذیری و ضریب رفتار سازه ها 61 3-8-1- مقدمه............................... 61 3-8-2- تعیین ضریب رفتار و پارامترهای موثر درآن 62 3-7-3- ایده آل سازی منحنی ظرفیت............ 71
فصل چهارم: مدل سازی و تحلیل اجزاء محدود اتصالات 4-1- مقدمه................................... 74 4-2- تحلیل اجزاء محدود و مفهوم تحلیل غیر خطی. 74 4-3- مدل سازی اجزاء محدود بتن آرمه در ANSYS.. 76 4-3-1- معیار شکست حاکم بر رفتار بتن در نرم افزار ANSYS 77 4-3-2- پارامترهای مورد نیاز برای مدل سازی اجزاء محدود بتن آرمه.......................................... 79 4-3-3- المانهای مورد استفاده برای مدل سازی بتن و آرماتور در ANSYS......................................... 82 4-4- مدل سازی سیال در ANSYS.................. 82 4-5- مدل سازی کامپوزیتهای FRP در ANSYS....... 82 4-5-1- معیار شکست حاکم بر رفتار کامپوزیتها. 83 4-5-2- المانهای مورد استفاده در ANSYS برای مدل سازی FRP 84 4-6- مقایسه نتایج بدست آمده از ANSYS......... 86 4-7- تحلیل اجزاء محدود غیر خطی مخازن، تشخیص مکانیزم شکست آن ها و تقویت آنها با ورقهای FRP................... 86 4-7-1- ابعاد، مشخصات و مصالح مورد استفاده در ساخت نمونه های مورد نظر...................................... 87 4-7-2- مدل سازی مخازن با استفاده از ANSYS... 88 4-7-2-1-ترسیم مدل........................ 88 4-7-2-2- تعریف المان ها و معرفی ثابت های حقیقی آنها90 4-7-2- 3-معرفی مواد مورد استفاده......... 91 4-7-2-4- اعمال شرایط مرزی ............... 93 4-7-3- انجام آنالیز دینامیکی تاریخچه ی زمانیو فشار افزون95 4-7-4- تشخیص مکانیزم شکست.................. 97 عنوان صفحه 4-7-5- انتخاب ضخامت های FRP................ 98 4-7-6- نتایج حاصل از آنالیز فشار افزون مدلهای با FRP 99 4-7-7- انجام آنالیز دینامیکی تاریخچه ی زمانی بر روی مدلهای برگزیده...................................... 107 4-7-8- نتیجه گیری.......................... 107 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 5-1- نتیجه گیری............................. 110 5-2- پیشنهادات.............................. 111 فهرست منابع و مأخذ ........................... 112 فهرست جدول‌ها عنوان صفحه جدول شماره 3-1- مقایسه نتایج آزمایشات ماهری .. 23 جدول شماره 3-2- روابط لازم جهت مدل کردن مخزن .. 25 جدول 3-4 مقادیر پارامترهای a و b .............. 68 جدول 4-1- تعریف ماده ANISO در ANSYS............ 84 جدول 4-2- مشخصات مواد مورد استفاده در تحلیل .. 91 جدول 4-3- مشخصات کامپوزیت به کار رفته ........ 91 جدول 4-4- مدلهای انتخابی...................... 99 جدول 4-5- ضرایب شکل پذیری .................... 103 جدول 4-6- تنش در میلگردها (مگا پاسکال)........ 107 فهرست شکل‌ها شکل (3-1) مود زوال مخزن شماره ی 1 ............ 11 شکل (3-2) ساختار سازه ای مخزن شماره ی 2 ...... 12 شکل (3-3) ترکهای محیطی در مخازن .............. 13 شکل (3-4) مخازن زوال یافته ................... 14 شکل (3-5) مقطع با تقویت پایین ................ 14 شکل (3-6) توزیع تنش در مخازن مرتفع ........... 15 شکل (3-7) مخزن هوایی با سازه نگهدارنده قاب خمشی 16 شکل (3-8) ترک در محل اتصال ................... 16 شکل (3-9) ترک در محل اتصال ................... 17 شکل (3-10)- مخازن مورد آزمایش ................ 21 شکل (3-11)- نتیجه‌گیری آزمایشات ماهری ......... 22 شکل (3-12)- مقایسه مدل با آزمایشات ماهری ..... 23 شکل (3-13)- مدل مخزن مورد آزمایش Laviaoglu ....... 24 شکل (3-14)- مدل مکانیکی مخزن مورد آزمایش Laviaoglu 25 شکل (3-15)- مدل مکانیکی مخزن ................. 25 شکل (3-16)- مثال آزمایش Laviaoglu ................ 26 شکل (3-17)- مدل مثال آزمایش Laviaoglu ............ 27 شکل (3-18)- مدل پی بی جرم .................... 27 شکل (3-19)- مقایسه نتایج آزمایش Laviaoglu ........ 28 شکل (3-20)- نتایج آزمایش Laviaoglu ............... 28 شکل (3-21) پوششهای FRP به صورت دست ساز......... 33 شکل (3-22) تسمههای FRP......................... 34 شکل (3-23) ورقهای FRP در ستونهای دایروی ....... 35 عنوان صفحه شکل3-24- شبیه سازی MDOF بوسیله SDOF........... 37 شکل3-25- نمونه ای منحنی فشار افزون............ 38 شکل 3-26- مشخصات نیرو – جابجایی سازه چند درجه آزادی و سیتم یک درجه آزادی معادل ............................ 43 شکل 3-27- پاسخ جابجایی بام در مقابل برش پایه استاتیکی سازه چند درجه آزادی ................................... 44 شکل 3-28- روش طیف ظرفیت: ..................... 49 شکل 3-29- چند الگوی بار نمونه (A) آیین نامه (مثلثی)، (B) چند مودی و (C) یکنواخت ................................ 51 شکل 3-30- تفاوتهای مابین سه الگوی بار جانبی .. 51 شکل 3-31- تشریح تحلیل فشار افزون ............. 53 شکل 3-32- تغییرات جابجایی نسبی گریز طبقه در طول ارتفاع سازه قابی با T=1.22 s..................................... 56 شکل 3-33- نسبت جابجایی نسبی گریز طبقه به جابجایی نسبی کل 57 شکل 3-34- افزایش تقاضای برش پایه برای سازه های با عملکرد دیوار .............................................. 58 شکل 3-35- لنگرهای واژگونی طبقه برای سازه های دیوار با T=2.05 s 59 شکل3-36- منحنی پاسخ کلی سازه ................. 63 شکل 3-37- طیف خطی و غیر خطی با شکل پذیری ثابت 66 شکل 3-38- ضریب کاهش مقاومت بدست آمده از تحقیق ناسار و کراوینکلر .............................................. 69 شکل 3-39- منحنی "بار – جابجایی" ایده آل شده .. 71 شکل 3-40- چهار روش ایده آل سازی منحنی ظرفیت توسط پارک 72 شکل 4-1- سطح شکست محاسباتی ویلام و وارنک ...... 77 شکل 4-2- خواص مشخصه بتن....................... 79 شکل 4-3- شکل قرار گیری گره ها و سایر مشخصات المان SOLID65 80 شکل 4-4- افت تنش کششی بلافاصله پس از ایجاد ترک 81 شکل 4-5- المان LINK8 .......................... 82 شکل 4-6- موقعیت قرار گیری گره ها و دستگاه مختصات محلی المان SOLID46 ....................................... 85 شکل 4-7- موقعیت قرار گیری گره ها و دستگاه مختصات محلی المان SOLID45 ....................................... 86 شکل 4-8- مشخصات مخزن شماره‌ی یک................ 87 شکل 4-9- مشخصات مخزن شماره‌ی دو................ 88 شکل 4-10- سطح گسترش داده شده مخزن شماره ی 2... 89 عنوان صفحه
شکل 4-11- حجم به هم چسبانده شده مخزن شماره ی 289 شکل 4-12- شبکه بندی مخزن شماره ی 2............ 90 شکل 4-13- نمودار "تنش – کرنش" آرماتورهای به کار رفته در مدل سازی و تحلیل مبدا، همان مقدار معرفی شده برای مدول الاستیسیته آنها باشد.......................................... 92 شکل 4-14- نمودار "تنش – کرنش" بتن به کار رفته در مدل سازی و تحلیل اتصال ........................................ 93 شکل 4-15- شرایط مرزی مخزن شماره ی 2........... 94 شکل 4-16- شرایط مرزی مخزن شماره ی 2........... 94 شکل 4-17- سطح مشترک بین سیال و سازه........... 94 شکل 4-18- نمودار "شتاب – زمان" زلزله ی منجیل پس از فیلتر شدن95 شکل 4-19- نمودار "جابجایی – زمان" زلزله ی منجیل پس از فیلتر شدن.............................................. 95 شکل 4-20- نتیجه ی آنالیز فشار افزون مخزن شماره ی 1 96 شکل 4-21- نتیجه ی آنالیز دینامیکی تاریخچه ی زمانی مخزن شماره ی 1.............................................. 97 شکل 4-22- نتیجه ی آنالیز فشار افزون مخزن شماره ی 1 97 شکل 4-23 3 نقطه ی کلیدی...................... 98 شکل 4-24- تنش بیشینه قبل از بهسازی بوسیله ی FRP100 شکل 4-26- نمودار "نیرو – جابجایی" مخزن شماره ی 2 بدون FRP101 شکل 4-27- نمودار "نیرو – جابجایی" مدل شماره ی 1101 شکل 4-28- نمودار "نیرو – جابجایی" مدل شماره ی 2102 شکل 4-29- نمودار "نیرو – جابجایی" مدل شماره ی 3102 شکل 4-30- نمودار "نیرو – جابجایی" نقطه ی 3، مدلهای شماره ی 3 و 6 و 9 .......................................... 102 شکل 4-30- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 1 104 شکل 4-32- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 3 104 شکل 4-33- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 4 104 شکل 4-31- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 2 105 شکل 4-34- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 5 105 شکل 4-35- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 6 105 شکل 4-36- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 7 106 شکل 4-37- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 8 106 شکل 4-38- نمودار "نیرو – تنش" نقطه ی 3، مدل شماره ی 9 106 شکل 4-38- مقدار تنش در آرماتورها پس از آنالیز. 107 فصل اول مقدمه مخازن هوایی ذخیره مایعات، نه تنها برای ذخیره آب، بلکه برای ذخیره مواد شیمیایی و سمی، در اشکال مختلف بکار میروند. با در نظر گرفتن کاربرد این سازهها در عمران و شهرسازی و شبکههای صنعتی، اهمیت آن ها، قبل و بعد از وقوع زلزله مشخص میگردد. اهمیت این سازهها از آنجاست که وظیفه مهمی چون آبرسانی، به عهده این مخازن میباشد. همچنین در هنگام وقوع زلزله، اگر شکستی در مخازن ذخیره مواد شیمیایی و سمی رخ دهد، باعث ایجاد ضررهای محیطی و طبیعی میگردد. با توجه به پیچیدگی رفتار این سازهها، نیاز به بررسیها و مطالعات بیشتری در این نوع مخازن احساس میشود. این پیچیدگیها، بیشتر مربوط به اندر کنش بین آب و سازه میباشد. تعدادی از این مخازن در زلزله سال 1990 منجیل (در شهر رشت و بندر انزلی) و در سال 2003 بم سقوط کرده یا خسارت دیدهاند. زمانی که مخزن ذخیره مایع به لرزش میافتد، نیروهای هیدرودینامیکی در سطح تماس بین آب و دیوارهای سازه ایجاد میشود؛ که مقدار این نیروها وابسته به شتابی است که مخزن از طرف زمین دریافت میکند. در مخازن مرتفع علاوه بر این نیروها، جرم مخزن که در قسمت بالایی سازه نگهدارنده قرار دارد، لنگری به پای سازه نگهدارنده منتقل میکند. زوال در مخازن مرتفع، عمدتاً به علت لنگر ایجاد شده در پای سازه نگهدارنده میباشد. این لنگر باعث زوال موضعی یا کلی سیستم میشود. با داشتن مشخصات سازهی مخزن بتنی مرتفع، که در زلزله سال 1990 منجیل
(در شهر رشت) و در سال 1990 منجیل به زوال رسیده است، آن را مدل میکنیم.
نیروهایی را که اعمال نیروهای هیدرو دینامیکی به سازه، به دو روش کلی میتواند صورت بگیرد: 1- بصورت استاتیکی (با استفاده از آییننامههای مختلف) 2- بصورت دینامیکی بعد از آنکه نیروها به سازه اعمال شد، نوبت به بررسی تنشها، نیروهای داخلی سازه و در نهایت تشخیص مکانیزم شکست سازه میرسد. شکست سازه به دو نوع صورت می پذیرد: 1- شکست خمشی: شکست خمشی معمولاً با تسلیم میلگرد همراه میباشد. در این حالت، کاهندگی مقاومت در حلقههای پسماند دیده نمیشود، اما کاهندگی سختی ناشی از تسلیم میلگردها مشخص میباشد. در شرایطی که دیوار تحت نیروی فشاری نیز قرار گیرد شکست خمشی، با خرد شدن بتن فشاری همراه است؛ در این حالت علاوه بر کاهش سختی کاهش مقاومت نیز به وجود میآید. 2- شکست برشی: دیوارهائی که نسبت ابعاد (ارتفاع به طول) کمی دارند، دچار شکست برشی میگردند، در این حالت دیوارها دچار ترکهای قطری میشوند. مود شکست در این حالت به صورت ترد در پای دیوار رخ میدهد. با تشخیص نوع و چگونگی شکست، بحث بهسازی مخزن مطرح میشود. امروزه نگهداری و مرمت سازهها، به دلیل هزینههای بالای ساخت آنها، اهمیت بسیار زیادی پیدا نموده است، به همین دلیل و به علت نیاز روز افزون مهندسین و متخصصین صنعت ساختمان به تقویت، ترمیم و بهسازی سازههای بتنی، روشهای مختلف و متعددی برای این موضوع مطرح گشته است. از جمله روشهای مقاومسازی لرزهای سازههای بتنی، استفاده از کامپوزیتهای FRP میباشد. از جمله مزیتهای این مواد، سادگی اجرا در عین سرعت عمل بالا، وزن کم، مقاومت کششی بالای ورقها، مقاومت در برابر خوردگی، جذب ارتعاشات و افزایش مقاومت و استحکام سازه (خصوصاً در مقابل بارهای دینامیکی) میباشد. در قیاس با سایر روشهای مقاوم سازی، میتوان به عملکرد مناسب سازهای و تسهیلات اجرایی آن اشاره نمود. در این تحقیق می‌خواهیم با مشخص کردن رفتار مخازن بتنی ذخیره آب، مرتفع با استفاده از نرمافزار المان محدود، مکانیزم شکست این سازهها را تشخیص دهیم. سپس جهت مقاومسازی لرزهای این مخازن با استفاده از کامپوزیت FRP، آن را مدلسازی مجدد کرده و تحت بارهای دینامیکی مورد کنترل و بررسی قرار دهیم. فصل دوم مروری بر تحقیقات گذشته ساخت مخازن مرتفع (بصورت کامپوزیت) برای اولین بار در اواخر دهه 1970 در کشور کانادا شروع شد. در اواخر دهه ی 1980 آمریکا شروع به ساختن این نوع مخازن کرد. مباحث مخازن ذخیره آب مرتفع، در ادامهی مباحث مطرح شده در ارتباط با مخازن ذخیره آب زمینی قرار دارند. ارتباط مستقیم بین آنها باعث میشود پشینهی مربوط به مخازن زمینی، که خود بخش اعظمی از پیشینه مخازن مرتفع میباشد، در ابتدا مورد بررسی قرار گیرد. در مبحث مخازن، یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار در طراحی، نیروهای
هیدرودینامیکی هستند. اولین تحقیق عمده برای بدست آوردن نیروهای ناشی از
زمین لرزه در مخزنهای دایرهای حاوی مایعات، توسط جیکوبسن (Jacobsen)، در
سال 1949 [1]، انجام گرفت. وی تابع بسل (Bessel) را بکار گرفت، وی معادله
لاپلاس را برای حرکت مایع حل کرد، سپس برای فشار و نیروهای هیدرودینامیکی
که بر سیلندر صلب وارد میشوند، بیانی بدست آورد. در آزمایش شک ناگهانی، شاهد اختلافات زیادی در مقادیر بدست آمده نسبت
به مقادیر بدست آمده توسط روابط جیکوبسن هستیم، که نشان دهنده اثر انعطاف
پذیری در پدید امدن نیروهای هیدرواستاتیکی است. ماهری و سورن (Maheri &
Severn)، در سال 1991 [8]، روش جرم اضافه (added mass) را برای سازههای
انعطافپذیر بررسی کردند، این روش جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |
