دانشگاه شیراز

دانشکده مهندسی

پایان نامه ­ی کارشناسی ارشد در رشته­ ی مهندسی عمران – سازه های هیدرولیکی

 بهسازی لرزه‌ای مخازن بتنی مرتفع ذخیره آب با بهره گیری از ورقه های FRP

 استادان راهنما

دکتر محمود رضا ماهری

دکتر غلامرضا رخشنده رو

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)


چکیده
مخازن هوایی ذخیره مایعات، نه تنها برای ذخیره آب، بلکه برای ذخیره مواد شیمیایی و سمی، در اشکال مختلف بکار می‌طریقه. 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 زیرا 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.
در این پایان نامه در آغاز با مطالعه رفتار مخازن مرتفع بتنی ذخیره آب و  با بهره گیری از نرم­افزار المان محدود، ANSYS، مکانیزم شکست این سازه­ها مشخص گردیده اند. سپس جهت مقاوم­سازی لرزه­ای این مخازن با بهره گیری از کامپوزیت FRP، با مدلسازی مجدد، تحت بارهای دینامیکی مورد کنترل و مطالعه قرار گرفته اند. مکانیزم 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، واکاوی استاتیکی غیر خطی فشار افزون و واکاوی 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 می باشد. با در نظر داشتن نتایج، مشخص می گردد که ورقه های FRP توانایی بهسازی مخازن مورد مطالعه را دارند. در انتها، مدلهای برتر جهت بهسازی معرفی شده می باشد. همچنین مشخص گردید که در صورت وجود فاکتورهای دیگری در ارائه ی طرح بهسازی (مانند موقعیت لوله های اتصالی و …) طول و ضخامت ورقه‌های FRP مصرفی تغییر می کند. 
واژگان  کلیدی: مخزن بتنی مایعات، واکاوی 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 درمورد 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- چگونگی 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- مطالعه تأثیر انعطاف‌پذیری بر فشارهای هیدرودینامیکی……………………. 20
3-5-1-2-  بهره گیری 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 بهره گیری FRP……………………………………………………………………………. 29
3-6-1- تعریف FRP……………………………………………………………………………………………. 29
3-6-2- الیاف مورد بهره گیری 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- بهره گیری از پوشش­های FRP……………………………………………………………………………. 34
3-6-5-1- بهره گیری 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 بهره گیری 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 بهره گیری 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 بهره گیری در ساخت نمونه های مورد نظر………. 87
4-7-2- مدل سازی مخازن با بهره گیری 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 بهره گیری………………………………………………………………………. 91
4-7-2-4- اعمال شرایط مرزی ………………………………………………………………………………. 93
4-7-3- انجام واکاوی 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 واکاوی فشار افزون مدلهای با FRP ………………………………………….. 99
4-7-7- انجام واکاوی 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 می­طریقه. 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 زیرا 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 در نظر داشتن پیچیدگی رفتار این سازه­ها، نیاز به مطالعه­ها و مطالعات بیشتری در این نوع مخازن احساس می­گردد. 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 می­گردد؛ که مقدار این نیروها وابسته به شتابی می باشد که مخزن از طرف زمین دریافت می­کند. در مخازن مرتفع به علاوه نیروها، جرم مخزن که در قسمت بالایی سازه نگهدارنده قرار دارد، لنگری به پای سازه نگهدارنده منتقل می­کند. زوال در مخازن مرتفع، اکثراً به علت لنگر ایجاد شده در پای سازه نگهدارنده می­باشد. این لنگر باعث زوال موضعی یا کلی سیستم می­گردد.
با داشتن مشخصات سازه­ی مخزن بتنی مرتفع، که در زلزله سال 1990 منجیل (در شهر رشت) و در سال 1990 منجیل به زوال رسیده می باشد، آن را مدل می­کنیم. نیروهایی را که
 می­بایست به سازه اعمال کنیم، شامل نیروهای استاتیکی و نیروهای دینامیکی می­گردد. نیروهای استاتیکی شامل وزن سازه و وزن آب داخل مخزن می­باشد. نیروهای دینامیکی، که منشا پیدایش آنها حرکت زمین می باشد؛ 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 بهره گیری از آیین­نامه­های مختلف)
2- بصورت دینامیکی
بعد از آنکه نیروها به سازه اعمال گردید، نوبت به مطالعه 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 نمی­گردد، 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 می باشد؛ 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 می­گردد.
امروزه نگهداری و مرمت سازه­ها، به دلیل هزینه­های بالای ساخت آنها، اهمیت بسیار زیادی پیدا نموده می باشد، 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 می باشد. مانند روش­های مقاوم­سازی لرزه­ای سازه­های بتنی، بهره گیری از کامپوزیت­های FRP می­باشد. مانند مزیت­های این مواد، سادگی اجرا در عین سرعت اقدام بالا، وزن کم، مقاومت کششی بالای ورق­ها، مقاومت در برابر خوردگی، جذب ارتعاشات و افزایش مقاومت و استحکام سازه (خصوصاً پیش روی بارهای دینامیکی) می­باشد.
در قیاس با سایر روش­های مقاوم سازی، می­توان به عملکرد مناسب سازه­ای و تسهیلات اجرایی آن تصریح نمود.
در این پژوهش می‌خواهیم با مشخص کردن رفتار مخازن بتنی ذخیره آب، مرتفع با بهره گیری از نرم­افزار المان محدود، مکانیزم شکست این سازه­ها را تشخیص دهیم. سپس جهت مقاوم­سازی لرزه­ای این مخازن با بهره گیری از کامپوزیت FRP، آن را مدلسازی مجدد کرده و تحت بارهای دینامیکی مورد کنترل و مطالعه قرار دهیم.
مروری بر تحقیقات گذشته
ساخت مخازن مرتفع (بصورت کامپوزیت) برای اولین بار در اواخر دهه 1970 در کشور کانادا شروع گردید. در اواخر دهه ی 1980 آمریکا شروع به ساختن این نوع مخازن نمود. موضوعات مخازن ذخیره آب مرتفع، در ادامه­ی موضوعات مطرح شده در ارتباط با مخازن ذخیره آب زمینی قرار دارند. ارتباط مستقیم بین آنها باعث می­گردد پشینه­ی مربوط به مخازن زمینی، که خود بخش اعظمی از پیشینه مخازن مرتفع می­باشد، در آغاز مورد مطالعه قرار گیرد.
در مبحث مخازن، یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار در طراحی، نیروهای هیدرودینامیکی هستند. اولین پژوهش 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 نمود، سپس برای فشار و نیروهای هیدرودینامیکی که بر سیلندر صلب وارد می­شوند، بیانی بدست آورد.
همان­گونه که ذکر گردید، مخزن صلب در نظر گرفته شده می باشد، پس از انعطاف پذیری
دیواره­ها صرف­نظر شده می باشد. هاوزنر (Housner)، در سال 1957 [2]، فشارهای هیدرودینامیکی را بر دیوارهای مخزن با روش تحلیلی محاسبه نمود. سپس وی در سال 1963 فشار آب را با فنر و جرم مدل نمود. 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 می باشد. 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. اما دلیل خود را بر پایه کم تاثیر بودن درگیری مودهای امواج و سازه بیان نمود. 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 می­گردد. ایشان همچنین تحریک چرخشی را نیز در مدل خود مورد مطالعه قرار داد. در تمام مدل­ها، تنها مود اول امواج در نظر گرفته شده بود. خاطر نشان می گردد که تنها مود اول پایه مدل سازی می باشد و مودهای بعدی اهمیتی ندارد. ماهری و سورن (Maheri & Severn)، در سال 1988 [7]، تأثیر انعطاف­پذیری بر فشارهای هیدرودینامیکی را مطالعه کردند، در این کار کوشش بر آن شده می باشد که بر پایه آزمایشات انجام شده، روشی پیشنهاد گردد، 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 می باشد. ماهری و سورن (Maheri & Severn)، در سال 1991 [8]، روش جرم اضافه (added mass) را برای سازه­های انعطاف­پذیر مطالعه کردند، این روش
سال­ها برای سازه­های صلب بهره گیری شده می باشد. در مطالعه آزمایشگاهی که ماهری و سورن در سال 1991 به انجام رسانیده­اند، تاثیر بهره گیری از این روش برای سازه­های انعطاف­پذیر، به صورت مقایسه­های با روش فشار- شتاب (pressure-acceleration) ارائه می­گردد.
تعداد صفحه :135
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه عمران-محیط زیست:روش MBR در تصفیه اختلاط فاضلاب‌های شهری و صنعتی با هدف بازیافت پساب در چرخه تولید و مدل سازی آن

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

دسته‌ها: عمران