طراحي موج‌شكن‌هاي كيسوني تركيبي
چكيده
موج‌شكن‌ها، سازه‌هايي در دريا هستند كه براي مقابله با موج‌هاي دريا و ايجاد آبي ساكن ايجاد مي‌شوند، زيرا موج‌هاي بزرگ براي سازه‌هاي كنار ساحل و كشتي‌ها ساكن خطر‌آفرين هستند. پارامترهاي مهم طراحي موج‌شكن نيروي وارده بر سازه مي‌باشند كه فرمول‌هاي متنوعي براي

محاسبه اين نيرو ارائه گرديه است. در اين مقاله سعي شده است تا ضمن ارائه فرمول‌هاي متنوع براي اين نيرو، توضيحي درباره آيين‌نامه ژاپن كه يكي از معتبرترين آيين‌نامه‌ها در زمينه سازه‌هاي دريايي مي‌باشد، ارائه شود. اين آيين‌نامه بر اساس فرمول‌هاي جديد و به روز و با فرض شكست موج در حمل موج‌شكن مي‌باشد.

مقدمه
موج‌شكن‌هاي كيسوني تركيبي، سازه‌هاي قائمي هستند كه بر روي پي‌هاي سكويي خرده سنگي بنا مي‌شوند. ساختار سكوي خرده‌سنگي به صورتي است كه براي مقابله با موج‌هاي شديد، ابتدا از لايه‌اي متشكل از سنگ‌هاي بزرگو به نام آرمور تشكيل يافته است

. اين لايه بر روي خرده‌سنگ‌ها مي‌نشيند. بدنه اصلي موج‌شكن كيسوني خرده‌سنگي، از خانه‌هايي توخالي كه از آب پر مي‌شوند، تشكيل شده است كه از ديوار‌هايي داخلي و خارجي و دال‌هاي تخت بتني مسلح مي‌باشد. معمولاً براي حفاظت از پاي موج‌شكن از بلوك‌هاي حفاظتي استفاده مي‌كنند.

معيارهاي انتخاب نوع موج‌شكن
پارامترهاي زيادي در انتخاب نوع موج‌شكن موثرند كه مهمترين آنها عبارتند از:
۱٫ در دسترس بودن مصالح لازم براي ساخت؛
۲٫ شرايط محل اجرا؛
۳٫ شرايط كاربرد و استفاده؛
۴٫ شرايط ساخت؛

۵٫ مدت زمان لازم براي ساخت؛
۶٫ هزينه؛
۷٫ نگهداري؛
۸٫ مقدار پارامترهاي طراحي.
با لحاظ تمامي فاكتورهاي ياد شده مي‌توان نوع موج‌شكن را انتخاب نمود. مثلاً در صورتي كه مصالح مورد نياز خوبي براي موج‌شكن تمام خرده‌سنگي در دسترس نباشد،

ناچار به استفاده از انواع ديگر موج‌شكن هستيم و يا چنانچه عمق موج‌شكن زياد باشد، نمي‌توان از موج‌شكن‌هاي شناور استفاده نمود. هرچند اين موج‌شكن‌ها براي اعماق زياد آب توصيه مي‌شوند. چند نوع موج‌شكن در شكل‌هاي ۱٫۲٫۳ نشان داده شده است.

شكل ۱: موج‌شكن قائم كيسوني يكپارچه بدون سكوي خرده سنگي

شكل ۲: موج‌شكن قائم بلوك بدون سكوي خرده سنگي

شكل ۳: موج‌شكن قائم كيسون يكپارچه تركيبي همراه با سكوي خرده سنگي

پارامترهاي طراحي لازم
در طراحي قسمت‌هاي مختلف موج‌شكن احتياج به پارامترهاي متنوعي داريم، مثلاً براي طراحي پي نياز به مشخصات بستر خاك محل احداث موج‌شكن شامل C ضريب چسبندگي خاك، زاويه اصطكاك داخلي خاك و E ضريب الاستيسيته خاك مي‌باشد. همچنين نياز به پارامترهاي مربوط به دريا مانند

عمق آب، عمق موج طراحي (HS) كه در طراحي برابر با (متوسط عمق يك سوم بزرگترين موج‌ها) درنظر مي‌گيريم و پارامترها مختلف مربوط به تراز آب نيز لازم است. پارامترهاي ديگر موردنياز براي طراحي نمودن مشخصات مصالح موج‌شكن مي‌باشد، مثلاً در موج‌شكن تركيبي خواص بتن شامل وزن مخصوص، نوع مقاومت فشاري، خواص فولاد شامل جنس و تنش تسليم و مشخصات مصالح خرده سنگي و سنگ‌هاي آرمور نيز لازم مي‌باشد.

محاسبه نيروي موج براي موج‌شكن تركيبي
مهمترين ضابطه براي طراحي موج‌شكن تركيبي روابط نيروي موج آن توزيع اين نيرو بر روي موج‌شكن مي‌باشد كه در سال‌هاي مختلف روابط مختلفي پيشنهاد گرديده است. اصول اين فرمول‌ها بر اين اساس است كه هنگامي كه موج به ديواره موج‌شكن برخورد مي‌كند، ناگهان متوقف مي‌نمايد و سپس انرژي موج بوسيله حركات عمودي آب در بر ديوار، بازتاب و يا تبديل مي‌شود. اگر فرض كنيم

كه موج در هنگام برخورد شكست نمي‌كند، در اين صورت جزء بالارونده انرژي موج تا دو برابر ارتفاع موج به سمت تاج موج‌شكن بلند مي‌شود و جزء پايين رونده كه داراي سرعت بسيار بالايي است، در پاي ديوار به صورت افقي از ديوار با نصف ارتفاع موجو دور مي‌شود كه سبب ايجاد فرسايش و

شستگي مي‌شود. فرمول‌ها زيادي حاصل از مطالعات آزمايشگاهي و تحليل ارائه شده هرچند اكثراً بر اساس موج‌هايي منظم و تكي داراي ارتفاع و دوره زماني ثابت مي‌باشند. اين فرمول‌ها اساساً بر دو فرض شكست و يا عدم شكست موج ساده‌ترند، وليكن نسبت به روابطي كه با فرض شكست موج ارائه شده‌اند، از واقعيت دورتر مي‌باشند.

روابطي كه بر پايه عدم شكست موج مي‌باشند
الف) تئوري موج‌هاي خطي
در اين تئوري اولاً فرض شده است كه موج‌ها به صورت ايستاده هستند، ثانياً بازتاب نهاي را در صورتي درنظر گرفته است كه تاج آب گردش كننده در ارتفاع ۲H قرار بگيرد.
K ضريبي است كه از روابط شكست موج بدست مي‌آيد.
بزرگي اين نيروي ديناميكي از رابطه روبرو بدست مي‌آيد:

و بنابراين در پايين كه (z=-h) داريم:

كه در اين فرمول وزن مخصوص آب، ارتفاع موج و h عمق آب در پاي موج‌شكن است و Z ارتفاعي است كه در آن ارتفاع فشار را مي‌خواهيم.
ب) فرمول ساين فلو (۱۹۸۱)
اين تئوري بر اين اساس است كه موج‌هاي به صورت ايستاده هستند و همچنين موج‌ها دچار شكست نمي‌شوند، يعني نيروها هيدراستاتيكي هستند.

بر اين اساس، توزيع فشار وقتي كه تاج موج برخورد مي‌كند، به صورت است كه در سطح آزاد اب (Zo=0) فشار صفر است (P=0) و در پايين (Zo=-h) و فشار از اين رابطه بدست مي‌آيد:

آزمايشات نشان داده است كه نيروي موج ساين فلو هنگامي كه سطح آب در پايين‌ترين حد خود باشد و شرايط طوفاني باشد، نيرو دست كم مي‌باشد، چنانچه به عنوان موج طراحي درنظر گرفته شده باشد.
كه H عمق موج، h عمق آب در پاي موج‌شكن، وزن مخصوص آب و Z ارتفاعي است كه در آن ارتفاع فشار را مي‌خواهيم.

ج) فرمول ميچ راندگون (۱۹۵۸-۱۹۴۴) اصلاح رابطه ساين فلو
در اين رابطه اولاٌ موج ايستاده درنظر گرفته شده است. ثانياً فرض شده است كه موج‌ها نمي‌شكنند. همچنين از اصل دوم موج استفاده كرده است. اين رابطه كه اصلاح ساين منو است، توزيع فشار زير سطح آب را با عمق رابطه‌اي خطي فرض نموده است.

فرض مي‌شود كه موج بازگشتي، باعث بالا آمدن آب در ديوار قائم به اندازه ho مي‌شود كه ho از رابطه روبرو بدست مي‌آيد:

در صورتي كه L طول موج، H ارتفاع موج، k ضريب بازتاب موج و h عمق آي در پاي موج‌شكن مي‌باشد. در اين رابطه افزايش در فشار موج نسبت به موج ايستاده به صورت روبرو مي‌شود:

وقتي x ضريب بازتاب موج باشد كه برا ديوار قائم با بازتاب نهايي برابر با ۰/۱ است. اگر R نيروي نهايي و M ممان نهايي باشد، داريم:
۱٫ قله موج (با انديس e):

۲٫ بين دو قله موج (با انديس i):

فرمول‌هايي كه شكت موج درنظر گرفته شده
هنگامي كه موج بر سازه برخورد مي‌كند، با ارتفاع بالات و دوره زماني كوتاهتر خارج مي‌شود و فشار ديناميكي نزديك محلي كه قله موج برخورد مي‌كند، عمل مي‌كند.
الف) فرمول هيروري (۱۹۱۹)

اين فرمول قبل از سال ۱۹۷۹ كه فرمول گودا ارائه شد، در ژاپن استفاده مي‌شد. در اين فرمول توزيع فشار يكنواخت فرض مي‌شود و همچنين اين فرمول بر اساس مشاهدات آزمايشگاهي است. فرض شده است كه فشار از پايين تا ارتفاع ۱٫۲۵H (H ارتفاع موج) بالاتر از سطح تراز آب عمل مي‌كند و چنانچه ارتفاع تاج موج‌شكن از ۱٫۲۵H كمتر باشد (R<1.25H) فشار تنها از پايين تا تاج موج‌شكن عمل مي‌كند.

اين فرمول بيان مي‌كند كه فشار از رابطه به دست مي‌آيد. بنابراين نيروي افقي برابر است با: مي‌گردد كه ds ارتفاع سطح تراز آب نسبت به كف مي‌باشد و وزن مخصوص آب مي‌باشد.

شكل ۴: توزيع فشار موج پايه بر روي موج‌شكن مطابق با فرمول ساين فلو

شكل ۵: نمايش فاكتورهاي دخيل در فرمول هيروري

ب) فرمول ميني‌ كين (۱۹۵۰)
اين فرمول هم اكنون در آمريكا استفاده مي‌شود. اين فرمول بر اساس فشار موج ثبت شده و فشار شوك كار شده توسط باگ نولد مي‌باشد. در اين فرمول فرض شده است كه توزيع فشار و پيك فشار دريا نزديك سطح تراز آب است. از فرضيات ديگر، آن است كه موج‌شكن قائم بر روي سكوي

خرده‌سنگي قرار دارد. همچنين فشار برخورد به صورت هذلولي تا ارتفاع Z=0.5H به صفر مي‌رسد. در ضمن فشار همواره به صورت بالادست درنظر گرفته مي‌شود.
روابط فشار ديناميكي از رابطه روبرو بدست مي‌آيد:

همچنين فشار استاتيكي از اين رابطه حاصل مي‌شود:

كه d آب در پاي موج‌شكن، l عمق آب در محل موج‌شكن، H ارتفاع موج و L طول موج مي‌باشد.

شكل ۶: نمايش پارامترهاي دخيل در محاسبه نيروي موج در فرمول ميني كين

ج) فرمول پيشنهادي ۲۹۴۰-۲-۱۱۱۰-USACEEM (1986)
اين فرمول، فرمولي است كه در آيين‌نامه امريكا استفاده شده است و تلفيقي از فرمول‌هاي مختلف مي‌باشد. در اين فرمول پيك فشار برخورد فرض شده است.
نيروي نهاي (Ft) از رابطه زير بدست مي‌آيد:

كه در آن Po همان فشاري است كه از فرمول ساين فلو بدست مي‌آيد، H ارتفاع موج مي‌باشد و Lo طول موج است و ممان نهايي (M) از اين رابطه حاصل مي‌شود. (d مطابق با فرمول ميني كين)