فن‌آوري‌هاي نوين دريايي در زمينة سازه و مصالح

هدف از تحقيقات اين گروه، ارزيابي واقع‌بينانه از مسائل و مشكلات مرتبط با زمينة سازه و مصالح در محيط‌‌هاي دريايي، و نيز دستيابي به روش‌هاي مناسب و عملي جهت حل چنين مسائل و مشكلاتي مي‌باشد. در همين ارتباط، محورهاي تحقيقاتي زير مشخص شده كه پروژه‌هاي مرتبطي در هر زمينه تعريف شده و يا در حال تعريف است.

۱- بارگذاري و تحليل سازه‌هاي دريايي و ساحلي
يكي از مسائل موجود در اسكله‌ها، سكوها و به طور كلي سازه‌هاي ساحلي و دريايي كه در چند دهة اخير بسيار مورد توجه بوده است، تحليل اين نوع سازه‌ها در مقابل بارهاي وارده است. مسئلة عمده‌اي كه اين سازه‌ها را از سازه‌هاي متعارف جدا مي‌سازد، وجود آب در تماس با سازه است. وجود آب نه تنها در ارتعاشات تأثير مي‌گذارد، بلكه خود مي‌تواند به وسيلة امواج، عاملي مهم براي ايجاد نيروهاي خارجي باشد. چنين نيروهايي ممكن است بخش مهمي از بارگذاري اسكله‌ها و سازه‌هاي دريايي را تشكيل دهند. اين مسئله هم بر قسمت‌هاي بالايي سازه و هم بر فونداسيون سازه كه اكثراً به صورت شمع مي‌باشد، تأثير مي‌گذارد.

در مواردي كه تحليل سازه‌هاي دريايي با ابعاد بزرگ، نظير سكوهاي ثقلي و موج‌شكن‌ها موردنظر باشد، بايد از تئوري پراكندگي (Diffraction theory) براي تعيين اثرات آب استفاده نمود. ليكن براي سازه‌هاي بلند و لاغر كه نسبت ابعاد قسمتي از سازه‌ها كه در معرض امواج قرار دارد به طول موج كوچك باشد، مسئله به صورت ديگري مطرح مي‌شود.

در حقيقت در اين موارد، نيروهاي وارده ناشي از اثرات متقابل آب و پايه اغلب تابعي از سرعت‌هاي نسبي بين آب و پايه مي‌باشد. سرعت و شتاب ذرات آب را مي‌توان با استفاده از تئوري موج تعيين نمود؛ لكن تعيين سرعت پايه در لحظات مختلف اساسي‌ترين مشكل را در تحليل ايجاد مي‌كند؛ خصوصاً از اين نظر كه اين نيروها با توان دوم سرعت نسبي بستگي داشته و بايد هم جهت سرعت نسبي در نظر گرفته شوند. به بيان ديگر، در هر لحظه براي آن كه بتوان نيروهاي وارده ناشي از عملكرد آب بر پايه را به‌دست آورد، بايد سرعت نسبي بين آب و پايه را تعيين نموده و نيروي وارده را متناسب با توان دوم اين سرعت و هم‌جهت با آن در نظر گرفت.

از طرفي از آنجا كه عموماً قسمتي از پايه‌هاي سازه‌هاي دريايي و ساحلي نظير سكوها و اسكله‌ها به صورت شمع در خاك كوبيده مي‌شود، مسئلة عمدة ديگري كه در تحليل ديناميكي اسكله ايجاد مي‌شود، وجود خاك در اطراف شمع و تأثير آن در ارتعاشات اسكله تحت بارهاي ديناميكي است. براي تعيين اثرات خاك مي‌توان از مدل‌هاي گوناگوني كه توسط محققين ارائه شده استفاده نمود. ارزيابي اين مدلها و انتخاب بهترين مدل براي هر نوع سازة خاص، نياز به بررسي مسئله به صورت دقيق و انجام تحليل‌هاي فراوان دارد.

علاوه بر تحليل ديناميكي سازه‌هاي دريايي و ساحلي تحت امواج، اثرات زلزله بر سازه نيز از اهميت به سزايي برخوردار مي‌شود. اين اثرات را مي‌توان به صورت اثرات زلزله بر آب به صورت توليد موج و بالطبع اثر متقابل آن بر سازه، همچنين اثر زلزله بر جرم سازه و نيز اثر زلزله بر خاكي كه اطراف پايه‌هاي سازه را در برگرفته است، خلاصه نمود. بررسي اين اثرات نيز كار چندان ساده‌اي نبوده و امروزه در هر مورد مدل‌هاي بسيار متنوعي ارائه شده است. انتخاب مدل مناسب در هر مورد و براي هر سازة به خصوص نيز از اهميت بسيار ويژه برخوردار بوده و نياز به انجام تحقيقات مفصل و همچنين كسب تجربه دارد.

۲- بارگذاري و تحليل شناورهاي دريايي
شناورهاي دريايي نظير قايق‌ها، كشتي‌هاي كوچك و بزرگ، بويه‌ها و زيردريايي‌ها نيز از نظر بارگذاري و تحليل در چند دهة اخير بسيار مورد توجه بوده‌اند. بارهاي وارده بر چنين سازه‌ها، علاوه بر بارهاي معمول و متداول كه متأثر از ظرفيت آنها و نيز نحوة استفاده از آنها است؛ شامل بارهاي ناشي از اثرات جريان‌هاي روآبي و زيرآب، اثرات امواج، اثرات متقابل سازه و آب كه در اثر بارهاي ديناميكي ايجاد مي‌شوند،

 اثر باد، و حتي اثرات انفجار مي‌باشد. شناخت اين بارها به صورت دقيق موضوع تحقيقات گسترده‌اي در چند دهة اخير بوده كه منجر به معادلات و مدل‌هايي گرديده است. لكن كاربرد اين مدل‌ها و روابط در هر منطقه به صورت چشم بسته صحيح نبوده و در هر منطقة خاص نظير خليج‌فارس، بايد اثرات منطقه‌اي را نيز به صورت مناسب لحاظ نمود. پس از شناخت بارهاي وارد بر هر شناور دريايي، لازم است سيستم باربر مناسبي براي آن درنظر گرفته و آن را تحليل نمود.

اين سيستم باربر كه در حقيقت اسكلت‌بندي سازه‌هاي شناور را تشكيل مي‌دهد نيز از يك طرف نيازمند تجربة فراوان و آشنايي با انواع اسكلت‌بندي‌هايي كه امروزه در دنيا به‌كار مي‌رود، و از طرف ديگر نيازمند دانش تئوريك سازه‌اي بالا مي‌باشد. پس از انتخاب سيستم سازه‌اي مناسب شناور دريايي بايد آن را به صورت مناسب تحليل و طراحي نمود. تحليل سيستم را مي‌توان با استفاده از نرم‌افزارهاي قدرتمند موجود انجام داد؛

لكن مسئلة طراحي چنين سازه‌هايي نيز نيازمند تحقيقات فراوان و آشنايي با آئين‌نامه‌هاي مربوطه در كشورهاي مختلف مي‌باشد. چنين تحقيقاتي ممكن است به تهيه و تنظيم دستورالعملها، توصيه‌ها و حتي آئين‌‌نامه‌اي مناسب جهت طراحي سازه‌هاي شناور در شرايط اقليمي خليج‌فارس و بر اساس امكانات و شرايط اجرايي موجود در كشور ما گردد.

۳- بررسي و انتخاب مصالح جديد متناسب با شرايط خليج ‌فارس
مصالحي كه به صورت سنتي در ساخت انواع سازه‌هاي موجود در شرايط اقليمي جنوب ايران و به خصوص شرايط اقليمي ساحلي و دريايي خليج‌فارس به‌كار مي‌رفته، عمدتاً فولاد و بتن بوده است. از طرفي شرايط آب و هوايي خليج‌فارس، شرايطي بسيار خشن و متغير بوده، بتن و به خصوص فولاد را به شدت تحت تهاجم قرار مي‌داده است.

در اين راستا ضرورت مقابله با اين تهاجم و حفاظت مصالح به كار رفته در منطقه در مقابل عوامل مخرب از ديرباز مورد نظر بوده و كشورهاي پيشرفتة دنيا تحقيقات گسترده‌اي را در اين ارتباط انجام داده و تكنولوژي‌هاي مناسبي را توسعه داده‌اند. با اين وجود در ايران متأسفانه كمتر به صورت علمي به اين مسئله پرداخته شده است. در همين ارتباط انجام تحقيقاتي به صورت زير بسيار مناسب به نظر مي‌رسد.

الف- حفاظت كاتديك فولاد در سازه‌هاي فولادي و نيز ميلگردهاي فولادي در سازه‌هاي بتني
اگرچه حفاظت كاتديك فولاد از ديرباز در دنيا مطرح بوده است؛ در ايران و به خصوص در سازه‌هاي دريايي و ساحلي خليج‌فارس اين مسئله كمتر مورد توجه قرار گرفته است. عمده‌ترين حفاظت به كار گرفته شده در ايران معمولاً‌ استفاده از رنگ‌هاي مخصوص بوده كه اين مسئله در مورد ميلگردهاي به كار رفته در سازه‌هاي بتن‌آرمه قابل استفاده نيست.

 به همين جهت در سازه‌هاي بتن‌آرمة ساحلي و دريايي خليج‌فارس، بزرگترين مسأله، خوردگي ميلگردها و مترادف با آن زوال و خردشدگي بتن بوده است؛ به طوري كه گاه عمر سازة بتن‌آرمه را به كمتر از ۵ سال نيز تقليل داده است. تحقيقات مناسب در اين ارتباط و تنظيم توصيه‌نامه و دستورالعمل مناسب در جهت حفاظت كاتديك فولاد به خصوص در سازه‌هاي بتن‌آرمه، مي‌تواند در اين راستا بسيار راهگشا باشد. اجباري كردن رعايت چنين دستورالعمل‌هايي در سازه‌هاي بتن‌آرمة ساحلي و دريايي جنوب توسط مقامات ذيصلاح، به صرفه‌جويي كلاني در سرمايه‌هاي كشور منجر خواهد شد.

ب- استفاده از مصالح جديد به جاي فولاد
استفاده از مصالح جديد و به خصوص كامپوزيت‌ها به جاي فولاد در دهة اخير در دنيا به شدت مورد علاقه بوده است. كامپوزيت‌ها از يك مادة چسباننده (اكثراً اپوكسي) و مقدار مناسبي الياف تشكيل يافته است. اين الياف ممكن است از نوع كربن، شيشه، آراميد و … باشند، كه كامپوزيت حاصله به ترتيب، به نام
AFRP, GFRP, CFRP خوانده مي‌شود. مهمترين حسن كامپوزيت‌ها، مقاومت بسيار عالي آنها در مقابل خوردگي است. به همين دليل كاربرد كامپوزيت‌هاي FRP در بتن‌آرمه به جاي ميلگردهاي فولادي، بسيار مورد توجه قرار گرفته است.

لازم به ذكر است كه خوردگي ميلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان يك مسئلة بسيار جدي تلقي مي‌گردد. تاكنون بسياري از سازه‌هاي بتن‌آرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، كلرورها و ساير عوامل خورنده دچار آسيب جدي گرديده‌اند، چنانچه فولاد به كار رفته در بتن تحت تنش‌هاي بالاتر در شرايط بارهاي سرويس قرار گيرند، اين مسئله به مراتب بحراني‌تر خواهد بود. يك سازة بتن‌آرمة معمولي كه به ميلگردهاي فولادي مسلح است، چنانچه در زمان طولاني در مجاورت عوامل خورنده نظير نمك‌ها، اسيدها و كلرورها قرار مي‌گيرد، قسمتي از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادي كه در داخل بتن زنگ مي‌زند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ريختن پوستة بتن مي‌گردد.

تاكنون تكنيك‌هايي جهت جلوگيري از خوردگي فولاد در بتن‌آرمه توسعه داده شده و به كار رفته است كه در اين ارتباط مي‌توان به پوشش ميلگردها توسط اپوكسي، تزريق پليمر به سطح بتن و يا حفاظت كاتديك اشاره نمود. با اين وجود هر يك از اين روش‌ها تا حدودي و فقط در بعضي از زمينه‌ها موفق بوده‌اند.

 به همين جهت به منظور حذف كامل خوردگي ميلگردها، توجه محققين و متخصصين بتن‌آرمه به حذف كامل فولاد و جايگزيني آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگي معطوف گرديده است. در همين راستا كامپوزيت‌هاي FRP (پلاستيك‌هاي مسلح به الياف) از آنجا كه به شدت در محيط‌هاي نمكي و قليايي در مقابل خوردگي مقاوم هستند، موضوع تحقيقات گسترده‌اي به عنوان يك جانشين مناسب براي فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌هاي ساحلي و دريايي گرديده‌اند.