شکست این مخازن از نوع شکست خمشی بدست آمد. محل این شکست در ابتدای شفت نگهدارنده‌ی بتنی می باشد. پس از آن با انتخاب 9 مدل، آنالیز استاتیکی غیر خطی فشار افزون و آنالیز دینامیکی تاریخچه ی زمانی بر روی آنها انجام گردید. سپس با بدست آوردن ضرایب شکل پذیری و تنش های بیشینه به مقایسه‌ی نتایج پرداخته شده است. با توجه به نتایج، مشخص می شود که ورقه های FRP توانایی بهسازی مخازن مورد مطالعه را دارند. در انتها، مدلهای برتر جهت بهسازی معرفی شده است. همچنین مشخص گردید که در صورت وجود فاکتورهای دیگری در ارائه ی طرح بهسازی (از جمله موقعیت لوله های اتصالی و …) طول و ضخامت ورقه‌های FRP مصرفی تغییر می کند. 

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 هیدرودینامیكی……………………. 20

3-5-1-2-  استفاده از روش جرم افزوده با در نظر گرفتن

 انعطاف‌پذیری دیوارها …………………………………………………………………………….. 22

3-5-2- تاثیر بر هم كنش خاك 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 كامپوزیت‌های FRP…………………………………………………… 30

3-6-2-1- الیاف شیشه ………………………………………………………………………………………. 30

3-6-2-2- الیاف كربن ………………………………………………………………………………………… 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 بهره گرفتن 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 شبکه ­های 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 می­ کند. در مخازن مرتفع علاوه بر این نیروها، جرم مخزن که در قسمت بالایی سازه نگهدارنده قرار دارد، لنگری به پای سازه نگهدارنده منتقل می­ کند. 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 می ­تواند صورت بگیرد:

1- بصورت استاتیکی (با بهره گرفتن 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 هزینه­ های 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 بهره گرفتن از نرم­افزار المان محدود، مکانیزم شکست این سازه­ها را تشخیص دهیم. سپس جهت مقاوم­سازی لرزه­ای این مخازن با بهره گرفتن 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.