حفاظت كاتدی فولاد
معرفی گروه تحقیقاتی فنآوریهای نوین دریایی در زمینة سازه و مصالح
هدف از تحقیقات این گروه، ارزیابی واقعبینانه از مسائل و مشكلات مرتبط با زمینة سازه و مصالح در محیطهای دریایی، و نیز دستیابی به روشهای مناسب و عملی جهت حل چنین مسائل و مشكلاتی میباشد. در همین ارتباط، محورهای تحقیقاتی زیر مشخص شده كه پروژههای مرتبطی در هر زمینه تعریف شده و یا در حال تعریف است.
1- بارگذاری و تحلیل سازههای دریایی و ساحلی
یكی از مسائل موجود در اسكلهها، سكوها و به طور كلی سازههای ساحلی و دریایی كه در چند دهة اخیر بسیار مورد توجه بوده است، تحلیل این نوع سازهها در مقابل بارهای وارده است. مسئلة عمدهای كه این سازهها را از سازههای متعارف جدا میسازد، وجود آب در تماس با سازه است. وجود آب نه تنها در ارتعاشات تأثیر میگذارد، بلكه خود میتواند به وسیلة امواج، عاملی مهم برای ایجاد نیروهای خارجی باشد. چنین نیروهایی ممكن است بخش مهمی از بارگذاری اسكلهها و سازههای دریایی را تشكیل دهند. این مسئله هم بر قسمتهای بالایی سازه و هم بر فونداسیون سازه كه اكثراً به صورت شمع میباشد، تأثیر میگذارد.
در مواردی كه تحلیل سازههای دریایی با ابعاد بزرگ، نظیر سكوهای ثقلی و موجشكنها موردنظر باشد، باید از تئوری پراكندگی (Diffraction theory) برای تعیین اثرات آب استفاده نمود. لیكن برای سازههای بلند و لاغر كه نسبت ابعاد قسمتی از سازهها كه در معرض امواج قرار دارد به طول موج كوچك باشد، مسئله به صورت دیگری مطرح میشود. در حقیقت در این موارد، نیروهای وارده ناشی از اثرات متقابل آب و پایه اغلب تابعی از سرعتهای نسبی بین آب و پایه میباشد. سرعت و شتاب ذرات آب را میتوان با استفاده از تئوری موج تعیین نمود؛ لكن تعیین سرعت پایه در لحظات مختلف اساسیترین مشكل را در تحلیل ایجاد میكند؛ خصوصاً از این نظر كه این نیروها با توان دوم سرعت نسبی بستگی داشته و باید هم جهت سرعت نسبی در نظر گرفته شوند. به بیان دیگر، در هر لحظه برای آن كه بتوان نیروهای وارده ناشی از عملكرد آب بر پایه را بهدست آورد، باید سرعت نسبی بین آب و پایه را تعیین نموده و نیروی وارده را متناسب با توان دوم این سرعت و همجهت با آن در نظر گرفت.
از طرفی از آنجا كه عموماً قسمتی از پایههای سازههای دریایی و ساحلی نظیر سكوها و اسكلهها به صورت شمع در خاك كوبیده میشود، مسئلة عمدة دیگری كه در تحلیل دینامیكی اسكله ایجاد میشود، وجود خاك در اطراف شمع و تأثیر آن در ارتعاشات اسكله تحت بارهای دینامیكی است. برای تعیین اثرات خاك میتوان از مدلهای گوناگونی كه توسط محققین ارائه شده استفاده نمود. ارزیابی این مدلها و انتخاب بهترین مدل برای هر نوع سازة خاص، نیاز به بررسی مسئله به صورت دقیق و انجام تحلیلهای فراوان دارد.
علاوه بر تحلیل دینامیكی سازههای دریایی و ساحلی تحت امواج، اثرات زلزله بر سازه نیز از اهمیت به سزایی برخوردار میشود. این اثرات را میتوان به صورت اثرات زلزله بر آب به صورت تولید موج و بالطبع اثر متقابل آن بر سازه، همچنین اثر زلزله بر جرم سازه و نیز اثر زلزله بر خاكی كه اطراف پایههای سازه را در برگرفته است، خلاصه نمود. بررسی این اثرات نیز كار چندان سادهای نبوده و امروزه در هر مورد مدلهای بسیار متنوعی ارائه شده است. انتخاب مدل مناسب در هر مورد و برای هر سازة به خصوص نیز از اهمیت بسیار ویژه برخوردار بوده و نیاز به انجام تحقیقات مفصل و همچنین كسب تجربه دارد.
2- بارگذاری و تحلیل شناورهای دریایی
شناورهای دریایی نظیر قایقها، كشتیهای كوچك و بزرگ، بویهها و زیردریاییها نیز از نظر بارگذاری و تحلیل در چند دهة اخیر بسیار مورد توجه بودهاند. بارهای وارده بر چنین سازهها، علاوه بر بارهای معمول و متداول كه متأثر از ظرفیت آنها و نیز نحوة استفاده از آنها است؛ شامل بارهای ناشی از اثرات جریانهای روآبی و زیرآب، اثرات امواج، اثرات متقابل سازه و آب كه در اثر بارهای دینامیكی ایجاد میشوند، اثر باد، و حتی اثرات انفجار میباشد. شناخت این بارها به صورت دقیق موضوع تحقیقات گستردهای در چند دهة اخیر بوده كه منجر به معادلات و مدلهایی گردیده است. لكن كاربرد این مدلها و روابط در هر منطقه به صورت چشم بسته صحیح نبوده و در هر منطقة خاص نظیر خلیجفارس، باید اثرات منطقهای را نیز به صورت مناسب لحاظ نمود. پس از شناخت بارهای وارد بر هر شناور دریایی، لازم است سیستم باربر مناسبی برای آن درنظر گرفته و آن را تحلیل نمود. این سیستم باربر كه در حقیقت اسكلتبندی سازههای شناور را تشكیل میدهد نیز از یك طرف نیازمند تجربة فراوان و آشنایی با انواع اسكلتبندیهایی كه امروزه در دنیا بهكار میرود، و از طرف دیگر نیازمند دانش تئوریك سازهای بالا میباشد. پس از انتخاب سیستم سازهای مناسب شناور دریایی باید آن را به صورت مناسب تحلیل و طراحی نمود. تحلیل سیستم را میتوان با استفاده از نرمافزارهای قدرتمند موجود انجام داد؛ لكن مسئلة طراحی چنین سازههایی نیز نیازمند تحقیقات فراوان و آشنایی با آئیننامههای مربوطه در كشورهای مختلف میباشد. چنین تحقیقاتی ممكن است به تهیه و تنظیم دستورالعملها، توصیهها و حتی آئیننامهای مناسب جهت طراحی سازههای شناور در شرایط اقلیمی خلیجفارس و بر اساس امكانات و شرایط اجرایی موجود در كشور ما گردد.
3- بررسی و انتخاب مصالح جدید متناسب با شرایط خلیج فارس
مصالحی كه به صورت سنتی در ساخت انواع سازههای موجود در شرایط اقلیمی جنوب ایران و به خصوص شرایط اقلیمی ساحلی و دریایی خلیجفارس بهكار میرفته، عمدتاً فولاد و بتن بوده است. از طرفی شرایط آب و هوایی خلیجفارس، شرایطی بسیار خشن و متغیر بوده، بتن و به خصوص فولاد را به شدت تحت تهاجم قرار میداده است. در این راستا ضرورت مقابله با این تهاجم و حفاظت مصالح به كار رفته در منطقه در مقابل عوامل مخرب از دیرباز مورد نظر بوده و كشورهای پیشرفتة دنیا تحقیقات گستردهای را در این ارتباط انجام داده و تكنولوژیهای مناسبی را توسعه دادهاند. با این وجود در ایران متأسفانه كمتر به صورت علمی به این مسئله پرداخته شده است. در همین ارتباط انجام تحقیقاتی به صورت زیر بسیار مناسب به نظر میرسد.
الف- حفاظت كاتدیك فولاد در سازههای فولادی و نیز میلگردهای فولادی در سازههای بتنی
اگرچه حفاظت كاتدیك فولاد از دیرباز در دنیا مطرح بوده است؛ در ایران و به خصوص در سازههای دریایی و ساحلی خلیجفارس این مسئله كمتر مورد توجه قرار گرفته است. عمدهترین حفاظت به كار گرفته شده در ایران معمولاً استفاده از رنگهای مخصوص بوده كه این مسئله در مورد میلگردهای به كار رفته در سازههای بتنآرمه قابل استفاده نیست. به همین جهت در سازههای بتنآرمة ساحلی و دریایی خلیجفارس، بزرگترین مسأله، خوردگی میلگردها و مترادف با آن زوال و خردشدگی بتن بوده است؛ به طوری كه گاه عمر سازة بتنآرمه را به كمتر از 5 سال نیز تقلیل داده است. تحقیقات مناسب در این ارتباط و تنظیم توصیهنامه و دستورالعمل مناسب در جهت حفاظت كاتدیك فولاد به خصوص در سازههای بتنآرمه، میتواند در این راستا بسیار راهگشا باشد. اجباری كردن رعایت چنین دستورالعملهایی در سازههای بتنآرمة ساحلی و دریایی جنوب توسط مقامات ذیصلاح، به صرفهجویی كلانی در سرمایههای كشور منجر خواهد شد.
ب- استفاده از مصالح جدید به جای فولاد
استفاده از مصالح جدید و به خصوص كامپوزیتها به جای فولاد در دهة اخیر در دنیا به شدت مورد علاقه بوده است. كامپوزیتها از یك مادة چسباننده (اكثراً اپوكسی) و مقدار مناسبی الیاف تشكیل یافته است. این الیاف ممكن است از نوع كربن، شیشه، آرامید و ... باشند، كه كامپوزیت حاصله به ترتیب، به نام
AFRP, GFRP, CFRP خوانده میشود. مهمترین حسن كامپوزیتها، مقاومت بسیار عالی آنها در مقابل خوردگی است. به همین دلیل كاربرد كامپوزیتهای FRP در بتنآرمه به جای میلگردهای فولادی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
لازم به ذكر است كه خوردگی میلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان یك مسئلة بسیار جدی تلقی میگردد. تاكنون بسیاری از سازههای بتنآرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، كلرورها و سایر عوامل خورنده دچار آسیب جدی گردیدهاند، چنانچه فولاد به كار رفته در بتن تحت تنشهای بالاتر در شرایط بارهای سرویس قرار گیرند، این مسئله به مراتب بحرانیتر خواهد بود. یك سازة بتنآرمة معمولی كه به میلگردهای فولادی مسلح است، چنانچه در زمان طولانی در مجاورت عوامل خورنده نظیر نمكها، اسیدها و كلرورها قرار میگیرد، قسمتی از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادی كه در داخل بتن زنگ میزند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ریختن پوستة بتن میگردد.
تاكنون تكنیكهایی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد در بتنآرمه توسعه داده شده و به كار رفته است كه در این ارتباط میتوان به پوشش میلگردها توسط اپوكسی، تزریق پلیمر به سطح بتن و یا حفاظت كاتدیك اشاره نمود. با این وجود هر یك از این روشها تا حدودی و فقط در بعضی از زمینهها موفق بودهاند. به همین جهت به منظور حذف كامل خوردگی میلگردها، توجه محققین و متخصصین بتنآرمه به حذف كامل فولاد و جایگزینی آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. در همین راستا كامپوزیتهای FRP (پلاستیكهای مسلح به الیاف) از آنجا كه به شدت در محیطهای نمكی و قلیایی در مقابل خوردگی مقاوم هستند، موضوع تحقیقات گستردهای به عنوان یك جانشین مناسب برای فولاد در بتنآرمه، به خصوص در سازههای ساحلی و دریایی گردیدهاند.
لازم به ذكر است كه اگر چه مزیت اصلی میلگردهای از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر كامپوزیتهای FRP نظیر مقاومت كششی بسیار زیاد (تا 7 برابر فولاد)، مدول الاستیسیتة قابل قبول، وزن كم ، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن، مجموعهای از خواص مطلوب را تشكیل میدهد كه به جذابیت كاربرد FRP در بتنآرمه افزودهاند. اگر چه بعضی از مشكلات نظیر مشكلات مربوط به خم كردن آنها و نیز رفتار كاملاً خطی آنها تا نقطة شكست، مشكلاتی از نظر كاربرد آنها فراهم نمودهاند كه امروزه موضوع تحقیقات گستردهای به عنوان یك جانشین مناسب برای فولاد در بتنآرمه، به خصوص در سازههای ساحلی و دریایی گردیدهاند.
با توجه به آنچه كه ذكر شد ، بسیار به جاست كه در ارتباط با كاربرد كامپوزیتهای FRP در بتن سازههای ساحلی و دریایی مناطق جنوبی ایران و به خصوص منطقة خلیجفارس، تحقیقات گستردهای صورت پذیرد. در همین راستا مناسب است كه تحقیقات مناسبی بر انواع كامپوزیتهای FRP (AFRP, CFRP, GFRP) و میزان مناسب بودن آنها برای سازههای دریایی كه در منطقة خلیجفارس احداث شده است، صورت پذیرد. این تحقیقات شامل پژوهشهای گستردة تئوریك بر رفتار سازههای بتنآرمة متداول در مناطق دریایی (به شرط آنكه با كامپوزیتهای FRP مسلح شده باشند) خواهد بود. در همین ارتباط لازم است كارهای تجربی مناسبی نیز بر رفتار خمشی، كششی و فشاری قطعات بتنآرمة مسلح به كامپوزیتهای FRP صورت پذیرد.
لازم به ذكر است كه چنین تحقیقاتی در 10 سال اخیر در دنیا صورت گرفته كه نتیجة این تحقیقات منجمله آئیننامة ACI-440 است كه در چند سال اخیر انتشار یافته است. با این وجود كامپوزیتهای FRP در ایران كماكان ناشناخته باقی مانده است و به خصوص كاربرد آنها در بتنآرمه در سازههای ساحلی و دریایی كاملاً دور از چشم متخصصین و مهندسین ایرانی بوده است. تحقیقاتی كه در این ارتباط صورت خواهد گرفت، میتواند منجر به تهیة دستورالعمل و یا حتی آئیننامهای جهت كاربرد FRP در بتنآرمه به عنوان یك جسم مقاوم در مقابل خوردگی در سازههای بندری و دریایی ایران گردد. این حركت میتواند فرهنگ كاربرد این مادة جدید در بتنآرمة ایران را بنیان گذارد و از طرفی منجر به صرفهجویی میلیاردها ریال سرمایهای شود كه متأسفانه همه ساله در سازههای بتنآرمة احداث شده در مناطق جنوبی ایران (به خصوص در مناطق بندری و دریایی)، به جهت خوردگی میلگردها و تخریب و انهدام سازة بتنی، بههدر میرود.
ج- افزایش پایایی بتن در محیط خورندة دریایی
بتن به عنوان یك مادة ساختمانی بسیار خوب، در 100 سال گذشته مورد استفاده قرار گرفته است. مقاومت فشاری بسیار خوب بتن و تركیب مناسب آن با فولاد، و نیز شكلپذیری مناسب آن به توسط قالب، از عوامل مؤثر در كاربرد بهینة بتن محسوب میشده است. با این وجود، دوام و پایایی بتن از مسائلی است كه در كنار سایر مسائل مربوط به بتن، مورد توجه قرار میگیرد. پایایی بتن در محیطهای خورنده و به خصوص محیطهای ساحلی و دریایی (و بالاخص شرایط بسیار خورندة خلیجفارس)، از مسائلی است كه كاربرد بتن را در آن شرایط، به صورت جدی مورد تردید قرار داده است. این مسئله تا آنجا جلو رفته است كه بتنهای ساخته شده در شرایط آب و هوایی خلیجفارس، تحت تأثیر یونهای كلرور و سولفات، گاه عمری كمتر از یكسال از خود بروز دادهاند.
تاكنون تحقیقات مفصلی در دنیا در جهت بهبود پایایی بتن در محیطهای خورنده صورت گرفته است. این تحقیقات شامل مسائل مختلفی از جمله افزودن مواد پوزولانی نظیر میكروسیلیس، سرباره و ... به بتن به عنوان جایگزین قسمتی از سیمان، و نیز افزودن مواد شیمیایی مضاف مناسب، و حتی انتخاب دانهبندی به خصوص میباشد. با این حال چنین تحقیقاتی هنوز كامل نشده و هنوز هم زمینة گستردهای جهت تحقیقات مفصلتر وجود دارد. بدین ترتیب میتوان در یك پروژة مستقل، افزایش پایایی و دوام بتن در شرایط محیطی خلیجفارس را مورد مطالعه قرار داده و با ساخت نمونههایی در شرایط تشدید شده در آزمایشگاه، قابلیت اعتماد روشهای پیشنهادی جهت بهبود پایایی بتن در شرایط نامساعد را سنجید.
4- تعمیر بتن در مناطق دریایی
در مناطق گرمسیری و دریایی، به سبب وجود شرایط محیطی حاد و خورنده، سازههای بتنآرمه در معرض ابتلا به انواع خرابیها قرار دارند. در حال حاضر سالانه برای ترمیم خرابیهای آرماتور و خسارت ناشی از آن، میلیاردها دلار در سراسر دنیا هزینه میشود. تعمیر بتن در مناطق دریایی شامل تعمیر بتن در خارج از آب و تعمیر آن در داخل آب میگردد. در خارج از آب عمدهترین خرابیها ناشی از خوردگی میلگرد در بتن، خرابی سولفاتی، واكنش قلیایی سنگدانهها و كربناتی شدن بتن میباشد كه سبب خوردگی فولاد میگردد. تعمیر سازههای بتنی در زیر آب مسائل پیچیده و مشكلی را در بردارد. هر چند كه روشهای تعمیر و نوع مصالحی كه به كار میرود شبیه به حالتهای تعمیر بتن در خارج از آب است، ولی شرایط سخت محیطی و مشكلاتی كه كار در زیر آب و یا در ناحیة پاشش آب به همراه دارد، تفاوتهای عمدهای را ایجاد میكند. فرسایش و تخریب بتن در نواحی جزر و مد و یا در ناحیة پاشش آب نیز یك مسئلة جدی از نقطهنظر اقتصادی میباشد. موج آب كه حاوی اكسیژن و املاح متعددی میباشد، اثر تخریبی مؤثری بر سنگدانههای بتن دارد.
از نقطهنظر اقتصادی، پیشگیری از ایجاد خرابی مقدم بر تعمیر بتن میباشد؛ هر چند كه در زمانی كه انجام تعمیرات اجتنابناپذیر است، بهكارگیری اصول علمی ضرورت مییابد. با توجه به اهمیت موضوع، مراكز علمی متعددی در سراسر جهان بر روی نكات علمی و اجرایی تعمیرات بتن در حال فعالیت و تحقیق میباشند كه با توجه به وجود هزاران كیلومتر مرز آبی در كشور و وجود بسیاری از مراكز اقتصادی و صنعتی در این نواحی، ضرورت انجام فعالیتهای علمی و تحقیقات، با هدف تهیه و تدوین استانداردها و آئیننامههای علمی، در این زمینه به خوبی حس میگردد.
بعضی از زمینههای تحقیقاتی در این مورد عبارتند از:
× بررسی اثر عوامل محیطی بر عملكرد مصالح تعمیراتی
× بررسی رفتار دراز مدت مصالح تعمیراتی
× عوامل مؤثر بر روشهای تعمیر
× كاربرد رزینها در تعمیرات بتن
× كاربرد بتن پلیمری در تعمیرات بتن
× تعمیر بتن با استفاده از كامپوزیتهای الیافی
× روشهای علمی ارزیابی تعمیرات بتن
5- استفاده از روشهای عددی در طراحی و پیشبینی عملكرد سیستمهای حفاظت كاتدی
با توجه به حجم سنگین سرمایهگذاریهای انجام شده بر روی تأسیسات در حوزههای دریایی كشور، اهمیت مسئلة افزایش دوام و عمر مفید این تأسیسات بر كسی پوشیده نیست. یكی از مسائل مهم در حفاظت كاتدی سازههای دریایی، طراحی و نظارت بر عملكرد سیستم حفاظت كاتدی میباشد. در روش سنتی طراحی سیستمهای حفاظت كاتدی، تنها معیار طراحی شدت جریان الكتریكی مورد نیاز میباشد. با توجه به این كه در شرایط واقعی، پارامترهای متعدد و متغیری همچون درجة حرارت، شوری و سرعت حركت جریان آب و همچنین شرایط هندسی سازه نیز بر عملكرد سیستم حفاظت كاتدی تأثیرگذار میباشند، بنابراین روش سنتی از دقت كافی برخوردار نمیباشد و به میزان زیادی بستگی به تجربه و مهارت مهندس طراح دارد. پیچیدگی هندسی و شرایط محیطی در اغلب مسائل علمی سبب میگردد كه انجام یك آنالیز دقیق بر روی عملكرد یك سیستم حافظت كاتدی بدون استفاده از روشهای عددی، كاری دشوار و تقریباً غیر ممكن باشد.
یكی از پیشنیازهای آنالیز عملكرد سیستم حفاظت كاتدی در یك سازة دریایی، دستیابی به حل عددی پدیدة خوردگی گالوانیكی این سازهها میباشد. پدیدة فیزیكی خوردگی گالوانیكی را میتوان یك مسئلة مقدار مرزی در میدان الكترولیت آب دریا توصیف نمود. چنانچه مشخصة توزیع پتانسیل نسبی هر نقطه نسبت به پتانسیل مرجع به عنوان متغیر میدان و مشخصة شارة جریان پلاریزة سطحی به عنوان شرط مرزی طبیعی فرض گردد، این مسئلة مقدار مرزی با یك معادلة دیفرانسیل با مشتقات پارهای لاپلاس تبیین میشود.
در سالهای اخیر با توجه به روند رو به رشد كاربرد روشهای عددی در حل مسائل خوردگی، نرمافزارهای متنوعی بر مبنای روشهای تفاوتهای محدود (FD)، اجزاء محدود (FEM) و مرزهای محدود (BEM) بسط و توسعه داده شده است و فعالیتهای تحقیقاتی در این زمینه ادامه دارد.
از جمله مواردی كه به عنوان زمینههای تحقیقاتی میتواند مورد توجه قرار گیرد، موارد زیر میباشند:
× حل عددی پدیدة خوردگی گالوانیكی
× به كارگیری روشهای عددی در طراحی سیستمهای حفاظت از خوردگی
× توسعه و بسط نرمافزارهای كاربردی
× به كارگیری روشهای عددی در پیشبینی فرآیند خوردگی در انواع سازهها و شناورهای دریایی
6- پایداری اجزاء سازهای در مسائل دریایی
الف- مطالعات شكلپذیری سازههای دریایی در مقابل زلزله و واكنش سكوهای دریایی
هنگامی كه سكوهای دریایی تحت تأثیر نیروهای سیكلی زلزله قرار میگیرند، ظرفیت جذب انرژی آنها شدیداً به شكلپذیری سازة آن بستگی پیدا میكند. پارامترهای مؤثر در اعضای مختلف سازههای دریایی میتواند تأثیر به سزایی در ظرفیت شكلپذیری اینگونه سازهها ایفا نماید. هدف از این مطالعه بررسی كلی شكلپذیری در سكوهای دریایی و تعیین پاسخ سكو در مقابل نیروهای دینامیكی ناشی از زلزله است.
ب- كمانش الاستیك و پلاستیك اعضای سازههای دریایی
اعضای مهاری سكوهای دریایی در مقابل بارهای وارده باید نیروهای محوری زیادی را تحمل نمایند. این نیروها همراه با نیروهای عرضی وارد بر عضو، ظرفیت خمشی مهار سازههای دریایی را به طور قابل ملاحظهای كاهش میدهد. رفتار یك عضو مهاری یك سكوی دریایی میتواند به نواحی قبل و بعد از كمانش الاستیك و غیر الاستیك آن كه نهایتاً منجر به كاهش شدید مقاومت آن میگردد، تقسیمبندی شود.
با توجه به مطلوبیت وقوع كمانش غیرالاستیك بعد از تسلیم شدن عضو، بررسی كمانش الاستیك و غیرالاستیك اینگونه سازهها از مسائل مهم در طراحی اجزاء پلاتفورمهای دریایی است.
ج- روشهای تحلیلی در تعیین مقاومت نهایی سازههای دریایی در اثر زلزله
روشهای تحلیلی گوناگونی با فرضیات خاص جهت تحلیل مقاومت نهایی سازههای دریایی در مقابل نیروهای سیكلی توسط پژوهشگران ارائه شده است. همة این روشها بر اساس مدلسازی سازهای اعضای سكوهای دریایی استوار است كه در نتیجه نمیتواند به طور دقیق و صحیح رفتار واقعی آنها را مدل نماید. از این رو تعیین مناسبترین روش تحلیل در تعیین مقاومت نهایی اهمیت ویژهای دارد.
د- تعیین مودهای انهدامی سازه
سكوهای دریایی عمدتاًبا مودهای پرتال Portal و به صورت خمشی و یا با مود Strut به صورت محوری دچار انهدام میگردند. ابعاد و شكل سازه تأثیر فراوانی در نوع وقوع مود انهدام دارد. در بعضی مواقع به علت نوع سازه و بارگذاری، تركیبی از مودهای مختلف پارامتر تعیینكنندهای در انهدام اینگونه سازهها است.
هدف از این پژوهش تعیین مودهایی از سازه است كه امكان انهدام موضعی و یا كلی سازه در آن محتملتر باشد.
هـ- پایداری الاستیك و غیرالاستیك ورقها و اعضای سختكننده در سازة دریایی
ورقها و اعضای متشكل از ورقهای لایهلایه به دلیل دارا بودن مقاومت بالا و وزن كم به طور روزافزون در صنایع دریایی استفاده میشود. بهبود دقت و شایستگی تحلیل پایداری الاستیك و غیرالاستیك چنین سازههایی توجه بسیاری از محققین را به خود جلب كرده است.
در این پژوهش بر اساس روشهای نوارهای محدود مختلط و با استفاده از تئوری تغییر شكل برشی با مرتبة بالاتر، تئوری ورقها و ورقهای سخت شدة ضخیم توسعه یافته و منحنیهای طراحی برای وقوع تسلیم قبل از پدیده كمانش ارائه خواهد شد.
و- بررسی رفتار بعد از كمانش عناصر مقاوم سازههای دریایی در مقابل بارهای سیكلی
عناصر مقاوم در سازههای دریایی هنگامی كه تحت تأثیر نیروهای فشاری زیادی قرار میگیرند، كمانشهای كلی و موضعی در آنها پدید میآید. در اغلب مواقع كمانش اولیه باعث انهدام سازه نخواهد شد و عضو سازة دریایی قادر خواهد بود نیروهای بیشتر از مقدار بار بحرانی كمانش اولیة خود را تحمل نماید. هدف از این پژوهش تحلیل قدرت بعد از كمانش كلی و موضعی اعضای تشكیلدهندة سازههای دریایی است.
7- آنالیز دینامیكی سازههای دریایی
تحلیل و طراحی سازههای ساحلی و دریایی خصوصاً سازههای سطحی و سازههای غوطهور در آبهای سطحی و كنار ساحل به روش دینامیكی تقریباً غیرقابل انكار است. به عبارتی به دلیل وجود امواج و ضربههای ناشی از این امواج و نیز ضربههای جسم به جسم نظیر ضربة ناشی از برخورد كشتیها با سواحل و یا سكوها، آنالیز دینامیكی اینگونه سازهها اجتنابناپذیر است. علاوه بر این برجهای دریایی كه دارای ارتفاع قابل توجهی در بیرون از آب بوده و پایة آنها در آب قرار میگیرند، تحت بارگذاری دینامیكی باد رفتاری وابسته به زمان دارند كه امكان استفاده از هر نوع راهحل استاتیكی و یا شبه دینامیكی را برای رسیدن به جواب منتفی میسازد.
باد و زلزله نوع دیگری از بارگذاری دینامیكی بر روی سازههای دریایی است كه اگر چه ممكن است در بعضی از مناطق دریایی تعیینكننده نباشد، لیكن در بسیاری از مناطق كه در محدوده یا مجاورت نوار لرزهخیز اقیانوسها واقع شده است، بعضاً ممكن است نقش تعیین كننده داشته باشد.
از ویژگیهای تمام انواع بارگذاریهای فوقالذكر، طبیعت nondeterministic بودن آنها است كه اجازة آنالیز دینامیكی deterministic را نمیدهد و لذا باید متوسل به راهحلهای stochastic شد. بنابراین یكی از مسائل مطرح در آنالیز و طراحی سازههای دریایی، ارائة مدل تصادفی بارگذاریهایی نظیر بار باد، امواج و زلزله است كه چنانچه این مدل تصادفی بر اساس آمارهای چندین ساله با دقت بالا به نحو مطلوب ارائه شود، امكان حصول یك جواب مبتنی بر واقعیات تصادفی بودن بارگذاری را میسر میسازد. واضح است كه در این آنالیز، اطلاعات آماری دو پدیدة مهم حركت امواج و وزش باد، و نیز اطلاعات لرزهخیزی دورههای طولانیتر منطقه، نقش اساسی را بازی میكند.
مسئلة اندركنش (Interaction) از مسائل مهم دیگری است كه در مورد سازههای دریایی، خصوصاً آنهایی كه نیروهای برخورد امواج، نیروهای خط مقدم برای آنها محسوب میشوند، بسیار با اهمیت جلوه میكند. نیروهای هیدرودینامیكی امواج كه در برخورد با موانع از جمله پایه یا بدنة سازه اهمیت پیدا میكند، علاوه بر شكل ظاهری سازه تا حدود زیادی به چگونگی پاسخ سازه كه خود تابعی از آن نیروهاست، بستگی پیدا میكنند. دسترسی به جواب در مورد اینگونه مسائل وقتی میسر است كه كل سیستم شامل سازه و محیط مجاور تحریككننده و مؤثر در حركت سازه به طور پیوسته مدل شوند. مدل اجزاء محدود بسیار مؤثر و كارآ است، مشروط بر اینكه یك اساس منطقی و قابل اتكاء برای مرتبط نمودن متغیرهای اصلی دو محیط مجاور در گرههای مشترك پایهگذاری شود. از جمله اندركنشهای مهم در مورد سازههای دریایی میتوان به اندركنش آب–سازه، خاك–سازه، آب–خاك–سازه، و اندركنش دو سازه كه معمولاً یك یا هردوی آنها متحرك هستند، اشاره نمود.
با توجه به بحث فوق، محورهای تحقیقاتی زیر كه عمده مسائل علمی این زمینه را در برمیگیرند، معرفی میشوند. واضح است كه هر یك از این محورها با توجه به سلیقه و توانایی پژوهشگران علاقمند قابل تجزیه به پروژههای خاص با دامنة كاربرد محدود و یا فرضیات مشخص میباشند.
الف- آنالیز زلزله سازههای برونساحلی با درنظر گرفتن اثرات اندركنش آب–سازه
تاكنون تحقیقات گستردهای در زمینة آنالیز زلزلة سازههای واقع بر زمین انجام شده و نتایج فراوان كاربردی حاصل شده است. همین مسئله در شرایطی كه خاك زیر سازه نرم باشد نیز سالهاست مورد توجه محققین واقع شده و نتایج گستردهای از حل آن استخراج شده است. در مسألة اخیر، اندركنش خاك–سازه و پیشنهادات مختلف برای مدل نمودن آن مورد توجه واقع شده است. بر خلاف دو مورد فوق، مسئلة آنالیز سازههای برونساحلی تحت اثر حركت لرزهای زمین به دلیل پدیدة اندركنش آب-سازه كه علاوه بر خواص فیزیكی جرم و سختی سازه، به شكل هندسی و سطح مانع درمقابل آب بستگی پیدا میكند، هنوز با ابهامات زیادی روبرو است. در این محور تحقیقاتی، پروژههای متعددی را میتوان تعریف نمود كه اگر با موفقیت انجام شود، به گوشهای از ابهامات فوقالذكر پاسخ داده میشود.
وبلاگی برای دانلود جزوات, کتب ,مقالات, پروژه ها, نرم افزارها و...تخصصی عمران