بهسازی لرزهای مخازن بتنی مرتفع ذخیره آب با استفاده از ورقه های FRP
پایان نامه ی کارشناسی ارشد
رشته ی مهندسی عمران
عنوان :
بهسازی لرزهای مخازن بتنی مرتفع ذخیره آب با استفاده از ورقه های FRP
با فرمت قابل ویرایش word
تعداد صفحات: 135 صفحه
تکه های از متن به عنوان نمونه :
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 FRP…………………………………………………… 30
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 آنها…………………………………. 90
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 زمانی و فشار افزون…………………………………. 95
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
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
میبایست به سازه اعمال
کنیم، شامل نیروهای استاتیکی و نیروهای دینامیکی میشود. نیروهای استاتیکی
شامل وزن سازه و وزن آب داخل مخزن میباشد. نیروهای دینامیکی، که منشا
پیدایش آنها حرکت زمین است؛ شامل نیروهای ناشی از جرم سازه، جرم آب ثابت و
جرم آب متحرک میباشد.
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.
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.
همانطور که ذکر شد، مخزن صلب در نظر گرفته شده است، بنابراین از انعطاف پذیری
دیوارهها
صرفنظر شده است. هاوزنر (Housner)، در سال 1957 [2]، فشارهای
هیدرودینامیکی را بر دیوارهای مخزن با روش تحلیلی محاسبه کرد. سپس وی در
سال 1963 فشار آب را با فنر و جرم مدل کرد. ولتسس (Veletsos)، در سال 1974
[3]، جواب
انعطافپذیر مخزن را
در نظر گرفت؛ وی بیانی برای فشار تکان دادنی صلب در حد مقدماتی لرزش بدست
آورد. وی در این کار فرض کردکه سیستم یک درجه آزادی است. فیشر (Fischer)،
در سال 1979 [4]، فشارهای هیدرودینامیکی را با در نظر گرفتن انعطافپذیری
دیوارهای مخزن تاثیر بسزایی در به وجود آمدن امواج سطحی ندارد. ولی دلیل
خود را بر پایه کم تاثیر بودن درگیری مودهای امواج و سازه بیان کرد. هارون و
هاوزنر
(Haroun &
Housner)، در سال 1981 [5]، مدل اصلی هاوزنر را با در نظر گرفتن رفتار
انعطافپذیر مخزن در مورد مقدماتی، ارائه دادند. هارون (Haroun) در سال
1985 [6]، با مدل کردن فنر و جرم مجزا جهت در نظر گرفتن اثرات امواج در
نیروهای هیدرودینامیکی، مدل کاملتری را ارائه داد؛ درا ین مدل انعطافپذیری
و جرم سازه، با اضافه کردن فنر و رم دیگری در نظر گرفته میشود. وی همچنین
تحریک چرخشی را نیز در مدل خود مورد بررسی قرار داد. در تمام مدلها، تنها
مود اول امواج در نظر گرفته شده بود. لازم به ذکر است که تنها مود اول
پایه مدل سازی است و مودهای بعدی اهمیتی ندارد. ماهری و سورن (Maheri &
Severn)، در سال 1988 [7]، تأثیر انعطافپذیری بر فشارهای هیدرودینامیکی
را بررسی کردند، در این کار سعی بر آن شده است که بر پایه آزمایشات انجام
شده، روشی پیشنهاد شود، که بتوان فشارهای هیدرودینامیکی را با در نظر گرفتن
انعطافپذیری مخزن 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
سالها
برای سازههای صلب استفاده شده است. در بررسی آزمایشگاهی که ماهری و سورن
در سال 1991 به انجام رسانیدهاند، تاثیر استفاده از این روش برای سازههای
انعطافپذیر، به صورت مقایسههای با روش فشار- شتاب
(pressure-acceleration) ارائه میشود.
بهمراه تعداد رفرنس بالا
و......
