مخازن مرتفع آب

بنام خدا
مخازن مرتفع آب كه جهت ذخيره سازي آب و استفاده از انرژي پتانسيل آن بدليل ارتفاع آن از سطح زمين مي‌باشد امروزه با توجه به اهميت ذخيره كردن آب و در بعضي نقاط بدليل كمبود آب بسيار مورد توجه مي باشند. اين مخازن از نظر جنس مصالح به دو نوع فولادي وبتني تقسيم بندي مي شوند كه موضوع بحث ما راجع به نوع فولادي آن مي‌باشد. يك مخزن هوايي بايد چه از لحاظ طراحي در برابر بارهاي ثقلي ،برف، زلزله، هيدروستاتيك چه اجرا و چه رعايت نكات بهداشتي و زيست محيطي آن مورد بررسي قرار گيرد. از آنجا كه اين مخازن

معمولا حجم زيادي از مايع را در خود نگهداري مي كنند پس در كليه مراحل بايد تمهيدات ويژه اي با توجه به موقعيت بر پا سازي سازه و آيين نامه اي موجود لحاظ شود. در اين جا ما رفتار لرزه اي و تهميدات لرزه اي يك مخزن هوايي فلزي را مورد بررسي قرار مي دهيم.

بررسي سازه اي:
يك مخزن ذخيره سازي جز سازه هاي غير ساختماني محسوب مي شود و در نتيجه طرح ومحاسبه و آيين نامه هاي آن نيز متفاوت است. و بر دو نوع مخازن زميني ( كه عموما پوسته استوانه اي است) و هوايي (يا مخازن مرتفع) مي‌باشد. سازه مخازن هوايي از دو قسمت پوسته فلزي جهت ذخيره سازي وبرج نگهدارنده اين مخزن مي‌باشد. در نتيجه مشاهده مي شود كه سهم عمده انواع بارگذاريها بر عهده اين برجها مي‌باشد به غير از فشار هيدروستاتيك كه پوسته مخزن آنرا تحمل مي‌كند. برج نگهدارنده بصورت قاب مي‌باشد كه مهار جانبي

آن بصورت بادبند مي باشند. بسته به ارتفاع و حجم مخزن، پايه هاي برج نگهدارنده يا قابها از چهار ، شش و يا هشت ستون كه در پلان مربع، شش ضلعي و يا هشت ضلعي مي باشند تشكيل شده اند. آنچه تاكنون ساخته شده نشانگر آنست كه اكثر مخازن قابهايي با پروفيلهاي لوله اي مي باشند و بادبندهاي آنرا نيز ميلگرد ها،لوله هاي كم قطر ، تسمه وكابلها تشكيل مي دهند.
بارگذاري:
همانطور كه پيشتر گفته شد برج نگهدارنده وظيفه تحمل اكثر بارها را دارد. بارهاي وارد بر كل سازه مخزن هوايي عبارتند از :
۱-بار مرده ناشي از وزن مايع درون مخزن، وزن پوسته مخزن وبرج نگهدارنده
۲-نيروي هيدروستاتيك يا فشار آب كه بر جداره مخزن وارد مي شود و بسته به ارتفاع مخزن نگهدارنده مي‌باشد.
۳-باربرف
۴-بار باد
۵-بار زلزله
كه از ميان بار باد و زلزله هر كدام كه اثرش بيشتر باشد را تاثير مي دهند. بار زلزله در دو جهت عمود بر هم و بصورت رفت وبرگشتي مدنظر است.
مخزن با توجه به تعداد پايه هاي نگهدارنده در چند نقطه به برج نگهدارنده متصل مي‌باشد در نتيجه نيروي ثقل مخزن و نيروي ناشي از زمين لرزه يا باد از طريق اين گره ها به پايه ها منتقل مي شود و پايه نيز براي تحمل بار جانبي از مهارهاي جانبي نظير بادبند و تيرهاي اتصال كمك مي جويد.لازم به ذكر است كه بدليل ارتفاع زياد پايه ها، ستونهاي تشكيل دهنده جزو ستونهاي لاغر محسوب مي شود و تحت كمانش قرار مي گيرند در نتيجه لازم است در نقاط مخشص مهار شوند كه اين مهار بصورت تيرهايي در ترازهاي مختلف عمل مي كنند.
در مورد اتصالات برج نگهدارنده بايد توجه كرد كه اتصالات در تمام نقاط به غير از محل اتصال پايه ها بي پي واتصال بادبندها،صلب در نظر گرفته مي شود.

بنابراين برج نگهدارنده در نقاط اتصال به مخزن تحت بارهاي گره اي قائم وافقي مي‌باشد كه بايد تحت اين بارها تحليل وطراحي شود.
مدل سازي و تحليل:
به دليل وجود اثرات هيدروديناميك، مخازن مرتفع آب يا ساير مايعات بعنوان نوع خاصي از پاوندولهاي وارونه محسوب مي شوند. اين گونه سازه ها ممكن است بر روي يك عضو قائم منفرد و يا يك سيستم سازه اي قابي قرار داده شوند. (شكل ۱) در گذشته از نتايج تحقيقات «بلوم و همكاران» و «بويس» براي طراحي آن ها در برابر زلزله استفاده مي كردند. طبق تحقيقات مزبور بايد مخازن مرتفع را بصورت سازه هاي با دو درجه آزادي مدل مي كردند. در اين رابطه «بويس» يك برج آب واقعي را مورد بررسي قرار داده و نشان داده است كه در صورت استفاده

از مدل با يك درجه آزادي خطاهاي بزرگي در محاسبات بوجود مي آيند.اگر مخزن مايع كاملا پر باشد بگونه اي كه امكان جابجايي وحركت قائم سطح مايع وجودنداشته باشد مي توانيم برج ومخزن را بصورت يك پاندول وارونه معمولي مدل كنيم. حركت مايع داخل مخزن معمولا باعث ميرايي سازه مي شود و در مقايسه با مخزن پر از مايع، ممكن است بازتاب سازه به ارتعاش ناشي از زلزله كاهش يابد. با اين وجود حركت مايع ممكن است باعث وارد آمدن خسارت به سقف مخزن و يا بيرون ريختن مايع درون مخزن شود.

تحليل هيدروديناميكي پديده فوق الذكر به لحاظ رياضي بسيار پيچيده است ولي «هاوزنر» با بررسي و مطالعه خسارات عمده وارد بر مخازن مرتفع آب در زلزله ماه مه ۱۹۶۰ ميلادي شيلي، روش تحليل ديناميكي ساده شده اي را پيشنهاد كرد با اين حال مي توان گفت كه روش بلوم وهمكاران بهترين روش ديناميكي براي استفاده در دفاتر طراحي بوده است. كه امروزه با وجود نرم افزارهايي نظير sap مراحل مدل سازي، تحليل وطراحي آسانتر ودقيقتر شده است.روش ذكر شده بلوم شامل يك رشته نمودارهاي طراحي است كه طراح را قادر مي سازد تا ثابتهاي پيچيده مورد لزوم در معادلات هيدروديناميكي را سريعا تعيين كند. از برنامه هاي كامپيوتري ديگري كه براي تحليل ديناميكي مخازن مرتفع آب در برابر زلزله مفيد بوده و استفاده شده اند مي توان به برنامه شفرد براي يك برج نگهدارنده سه طبقه با مهاربندي عرضي و نيز برنامه هاي ويژه سكوهاي نفتي دريايي اشاره نمود.

يك گروه تحقيقاتي از زلاندنونيز در طراحي مخازن ذخيره سازي مايعات در برابر زلزله مطالعاتي را انجام داده اندكه نتايج اين تحقيقات حاوي اطلاعات ارزشمندي در مورد طراحي مخازن مرتفع در برابر زلزله مي باشند.
از ديگرمدلسازيها،مدلسازي و تحليل مخازن با سيستم معادل فنر –جرم مي‌باشد.
موارد آيين نامه اي:

از آيين نامه هاي مورد استفاده در طراحي مخازن ميتوان به آيين نامه AISC (موسسه سازه هاي فلزي آمريكا ) ASCE (جامعه مهندسين عمران آمريكا)،ASME (جامعه مهندسين مكانيك آمريكا)AWWA(سازمان امور آب آمريكا) و.. اشاره كرد.

طبق آيين نامه براي سازه ها جرمي بعنوان جرم لرزه اي تعريف مي شود كه شامل كل بارمرده و وزن سازه مي‌باشد و اگر وزن سازه نگهدارنده بيشتر از ۲۵ درصد وزن لرزه اي باشد هم سازه اصلي و هم سازه نگهدارنده بايد در تحليل اثر داده شوند. يكي از فاكتورهاي مهم آيين نامه اي ،ضريب رفتار R ميباشد كه با توجه به نوع سازه و رفتار آن واعمال نتايج آزمايشگاهي و تئوري تعيين مي شود. براي سازه هاي غيرساختماني كه از لحاظ ديناميكي انعطاف پذيرند ضريب R نبايد بيشتر از ۳ در نظر گرفته شود.
فاكتور موثر ديگر در طراحي لرزه اي يك سازه ،فاكتور I يا ضريب اهميت مي‌باشد كه با توجه به خطر پذيري وكاربري سازه تعيين مي شود كه شامل ۵/۱و۲۵/۱و۱=I معادل خطرپذيري زياد تا كم مي‌باشد.

شتاب مبناي طرح نيز طبق بررسي هاي زمين شناسي ولرزه نگاري منطقه مورد نظر تعيين مي شود.
هر سازه اي بايد براي سختي كافي ، مقاومت وشكل پذيري در برابر زلزله طراحي شود. از ديگر فاكتورهاي موثر ضريب يا ضريب افزايش مقاومت مي‌باشد كه بايد بر نيروي زلزله اثر داده شود.