راهنمای طراحی لرزه ای سامانه گازرسانی

توضیحات

راهنمای طراحی لرزه ای سامانه گازرسانی

Guideline for Seismic Design of Natural Gas system

راهنمای حاضر بر اساس مدارک مشابه در کشورهای پیشرفته لرزه خیز همراه با تجربیات داخلی و بعضی دیگر از کشورهای مطرح در زمینه مهندسی زلزله تدوین شده است. در راستای بهره گیری از تجارب دیگر کشورها سعی شده است که حتیالامکان به مسأله بومی سازی توجه شده و مطالب ساده و کاربردی تر ارائه شود.
–هدف

هدف این راهنما تأمین ایمنی عمومی و پیشگیری از آسیب جدی به سامانه گاز ناشی از زلزله است.

*در این راهنما، طراحی لرزه ای سامانه گازرسانی شهری ارائه گردیده است.
*آسیب پذیری در زلزله ماهیت ریسک و خطرپذیری دارد. لذا هدف این راهنما تأمین ایمنی قابل قبول با توجه به ریسک منطقی بر اساس شرایط اقتصادی و ماهیت خطر زلزله و آسیبپذیری تأسیسات سامانه گاز شهری می باشد.
*این راهنما بر آن است تا با رعایت مفاد آن آسیب جدی و مخل ایمنی عمومی پیش نیاید.
–گستره کاربرد این راهنما
تأسیسات هدف این راهنما، تأسیسات سامانه گازرسانی شامل مؤلفه های پالایشگاهی، ایستگاه های تقلیل فشار، خطوط لوله انتقال و شبکه توزیع می باشد.
 برای طراحی لرزه ای ساختمان های این سامانه از استاندارد 2800و مقررات ملی ساختمان ایران استفاده می گردد.
 برای طراحی لرزه ای پی تجهیزات از مباحث مربوطه در مقررات ملی ساختمان، فصل چهارم نشریه 360و نشریه 123با استفاده از نتایج استخراج شده از طراحی لرزه ای تجهیز مربوطه از این راهنما می توان استفاده نمود.
–سازماندهی این راهنما
این راهنما با هدف و گستره فوق در فصول زیر سازماندهی شده است:
فصل اول: کلیات
فصل دوم: مبانی
فصل سوم: بارگذاری لرزه ای
فصل چهارم: روش های طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی
فصل پنجم: طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی لوله کشی و قفسه لوله
فصل ششم: طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی مخزن افقی
فصل هفتم: طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی مخزن کروی
فصل هشتم: طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی مخزن استوانه ای
فصل نهم: طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی برج و محفظه قائم
فصل دهم: طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی سازه های شبه ساختمانی
فصل یازدهم: طراحی لرزه ای و کنترل ایمنی خطوط لوله
فصل دوازدهم: مثال ها
پیوست

–نکاتی در کاربرد این راهنما
با توجه به اینکه این اولین روایت راهنمای مربوطه در کشور می باشد به طور طبیعی دارای ابهامات و اشکالاتی نظیر سایر راهنماها و آیین نامه های قبلی تدوین شده برای کشور خواهد بود. برای به حداقل رساندن این مشکلات در این راهنما و رفع هرچه سریعتر آنها توجه به موارد زیر بسیار موثر و مفید است:
1-سعی شده است ضوابط این راهنما با استاندارد 2800تناقضی نداشته باشد.
2-در صورت کمبود اطلاعات برای بارگذاری مؤلفه های سامانه گازرسانی هدف در این راهنما، از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان می توان استفاده نمود.
3-در موارد طراحی مؤلفه های بتنی تأسیسات گازرسانی هدف در این راهنما به ویژه در مورد مشخصات مصالح بتنی از نشریه 123و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان می توان استفاده کرد.
4-مبحث دهم مقررات ملی، مکمل این راهنما برای رفع کمبودهای مربوط به مؤلفه های فولادی تأسیسات برقی آن می باشد.
5-سایر راهنماها و مدارک مشابهی که بهصورت موردی برای طراحی لرزه ای مؤلفه های سامانه گازرسانی توسط مراجع ذیصلاح خارجی و داخلی تهیه و تدوین شده باشد، می تواند در هماهنگی با این راهنما مورد استفاده قرار گیرد.
6-از تمامی استفاده کنندگان این راهنما انتظار میرود برای تطابق هرچه بهتر و سهولت هرچه بیشتر کاربرد آن در کشور، نظرات اصلاحی و پیشنهادات خود را ارسال نمایند تا در ویرایش های بعدی، مورد استفاده تدوین کنندگان قرار گیرد.
–قوانین و مقررات مربوطه
-مراجع اصلی این راهنما
در تدوین این راهنما از آیین نامه ها و استانداردها، راهنماها و دستورالعمل های مختلفی استفاده شده است. اهم این مدارک به شرح زیر می باشد:
آیین نامه 2800 ایران: آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله، استاندارد ،2800مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، 2005
:Euro code 8طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله، بخش :4سیلوها، مخازن و خطوط لوله، کمیته اروپایی استاندارد، 2006
:BCJ1997 مشخصات طراحی لرزه ای تجهیزات ساختمانی، مرکز ساختمان ژاپن

کمیته گاز ژاپن: راهنمای طراحی لرزه ای خط لوله گاز فشار قوی برای روانگرایی، 2001،JGA-207-01
کمیته راه ژاپن: مشخصات پل های بزرگراهی، بخش 5طراحی لرزهای، 2002
کمیته گاز ژاپن: مراحل پیشنهادی برای مخازن LNGبالای زمین، آگوست 2002
مرکز ساختمان ژاپن  :BCJراهنمای طراحی سازه ای و ساخت دودکش ها، (Stack-82) 1982
انجمن معماری ژاپن: راهنمای طراحی لرزه ای جرثقیل، می 1989
انجمن ایمنی گاز فشار قوی ژاپن  :KHK آیین نامه طراحی لرزه ای تأسیسات گازی فشار قوی، 2006
مجله فنی شرکت تلگراف و تلفن ژاپن: تکنولوژی طراحی سازه فضایی3-1آگوست، سپتامبر و اکتبر (NTT)

مبانی
اصول و مبانی مربوط به زلزله طراحی، روش های طراحی کنترل ایمنی و عملکردهای مورد انتظار در این راهنما به طور خلاصه در این فصل ارائه شدهاند. اهم این مبانی عبارتند از:
1-دو سطح خطر با تبعیت از استاندارد 2800ایران
توجه به دو طیف شتاب و سرعت سازگار با شرایط ایران و تطابق با ضوابط آیین نامه 2800
2-در نظر گرفتن بار زلزله به دو صورت نیروی اینرسی ناشی از اثر شتاب در جرم که در مرکز یا مراکز جرم وارد می شود و نیروی ناشی از جابه جایی زمین و اعمال آن از طریق اندرکنش خاک و سازه مدفون در آن به بدنه در محدوده تماس با خاک
3-استفاده از دو روش طراحی و کنترل ایمنی شامل روش تنش مجاز در محدوده ارتجاعی رفتار مصالح برای سطح خطر-1 و روش شکل پذیر در محدود غیر ارتجاعی رفتار مصالح برای سطح خطر-2
4-استفاده از دو سطح عملکرد به صورت حد آسیب و حد نهایی که در اولی استفاده بی وقفه و در دومی حداقل وقفه تضمین می شود. از نظر رفتار مؤلفه های سازه ای در اولی رفتار در محدوده ارتجاعی و بدون آسیب می ماند، در حالیکه در دومی رفتار از مرز تسلیم عبور نموده ولی به حد مجاز تغییر شکل خمیری مشخصی محدود می گردد. این محدوده مجاز بعد از تسلیم را شکل پذیری قابل قبول راهنما، بر اساس آزمایشات یا تجربیات حاصله تعیین می نماید. موارد فوق در ادامه به طور خلاصه شرح داده شده است.
–زلزله طراحی
—سطوح خطر زلزله و دوره بازگشت آنها
1-دو سطح خطر که در ذیل آمده است باید برای طراحی لرزه ای مؤلفه های سامانه گازرسانی در نظر گرفته شود:
سطح خطر- 1حداکثر زلزله بهره برداری  MOEکه مخفف Maximum Operational Earthquakeمی باشد. احتمال وقوع %50ظرف 50سال عمر مفید مفروض می باشدMaximum Considerable Earthquake که مخففMCE : حداکثر زلزله طرح2-سطح خطر احتمال وقوع %10ظرف 50سال عمر مفید مفروض

-2بزرگا بزرگای لنگر و فاصله از گسل بر اساس احتمال وقوع MOEو MCEباید در محل ساخت تأسیسات در ایران مد نظر قرار گیرد.
در این راهنما عمر مفید مؤلفه های شریان های حیاتی شامل تأسیسات گازرسانی هدف به طور نسبی حدود 50سال در نظر گرفته شده است. حداکثر زلزله بهره برداری ممکن است یک یا دو بار در طول مدت سرویس دهی تأسیسات گاز اتفاق بیفتد. حالات خرابی غیر قابل پذیرش در بهره برداری از تأسیسات به سطح خطر- 1محدود گردیده و بهره برداری از سامانه گاز با اطمینان ادامه مییابد. در این سطح خطر احتمال وقوع %50ظرف مدت 50سال، مطابق با دوره بازگشت 72سال می باشد. در استاندارد ،2800احتمال تجاوزی حدود 99/5درصد در نظر گرفته شده است که دوره بازگشت حدود 10ساله را به دست می دهد. حداکثر زلزله طرح، زلزله ای است که احتمال وقوع کمتر و دوره بازگشت طولانی تری نسبت به زلزله MOEداشته باشد. رفتار مؤلفه های سامانه گاز در سطح خطر- 2در حالت حد نهایی بوده و کل سیستم، حتی اگر عضوی صدمه ببیند، باید پایداری خود را حفظ نماید. احتمال %10وقوع زلزله ای بزرگتر از این زلزله، ظرف 50سال مطابق با دوره بازگشت 475ساله می باشد.
از نظر مدیریت ریسک، 10درصد احتمال تجاوز، کاربرد بسیار وسیع و مناسبی از نظر اقتصادی با رعایت ایمنی لازم دارد. برای بعضی از سازه ها نظیر پل ها که عمر آنها تا حدود 250سال نیز در نظر گرفته می شود، این احتمال تجاوز در ریسک، دوره بازگشت 2475ساله را بهدست می دهد که برای سازه های با عمر مفید 50سال نظیر ساختمان ها و شریان های حیاتی، احتمال تجاوزی حدود 2درصد را بهدست می دهد که اقتصادی نیست. واژه MCEدر بعضی از زمینه ها نظر سدسازی به معنی حداکثر زلزله قابل باور یا ممکن Maximum Credible Earthquakeنیز آمده است. در این راهنما این واژه از فصل دوازدهم ASCE-7-05برگرفته و به همان معنی استفاده شده است.
-برای تخمین تغییرشکل ماندگار زمین (Permanent Ground Deformation) PGDناشی از جابهجایی گسل گسلش، روانگرایی و زمین لغزش، بزرگای زلزله Mو فاصله از گسل Rمورد نیاز می باشد. R ،Mو دیگر پارامترهای لرزه ای وابسته، با روابط تحلیلی یا تجربی حاصل از تحلیل خطر منطقه مورد نظر طراح، به ویژه با توجه به سوابق لرزه خیزی آن بهدست می آیند.
–طیف های طراحی لرزه ای

طیف های پاسخ طراحی لرزه ای برای تأسیسات گاز باید با توجه به پریود طبیعی و خصوصیات میرایی سیستم های سازه ای محاسبه گردند. بار ناشی از زلزله نیز باید با استفاده از این طیف ها محاسبه شود. -تحلیل های دینامیکی طیفی برای کنترل ایمنی لرزه ای سیستم های سازه ای باید با ترکیب مشخصات طیفی مودال انجام شود.
-یکی از دو طیف پاسخ ذیل باید برای طراحی تأسیسات گازرسانی شهری به کار رود:
الف- طیف پاسخ شتاب برای محاسبه نیروی اینرسی ناشی از جرم مؤلفه های روزمینی
ب- طیف پاسخ سرعت برای محاسبه نیروی اندرکنشی ناشی از تغییر مکان خاک بر بدنه مؤلفه های مدفون

در استفاده از این طیف ها باید موارد زیر در نظر گرفته شود
-در راهنمای حاضر، طیف پاسخ الاستیک برای میرایی %5به کار می رود.
-طیف پاسخ برای طراحی لرزه ای از روش های زیر بهدست می آید:
الف طیف های ویژه ساختگاه

طیف های ویژه ساختگاه با توجه به فعالیت های لرزه ای، گسل های فعال و شرایط ژئومورفولوژی محاسبه می گردند. برای تهیه طیف ویژه ساختگاه از ضوابط استاندارد 2800استفاده می شود. برای سازه های مدفون لازم است که طیف سرعت نیز استخراج گردد.
ب طیف های احتمالاتی یا تعینی بر اساس ثبت زلزله های نیرومند
روش های احتمالاتی کاربرد مهندسی بیشتری دارند. طیف های حاصل از این روشها، به طور معمول مقادیر کمتری نسبت به مشابه خود از روشهای تعینی دارند.
به طور کلی در تعیین طیف های طراحی، احتمال وقوع زلزله براساس حرکت های قوی زمین در نظر گرفته شده است. طیف های تعینی اغلب برای طراحی محافظه کارانه و مدیریت بحران به کار می روند.
-تحلیلهای پاسخ دینامیکی، روشی برای کنترل ایمنی لرزه ای سازه، بهخصوص سازه های با رفتار پیچیده تحت اثر زلزله می باشد. این تحلیل ها گران و زمانبر بوده و تنها زمانی به کار میروند که استفاده از روش طیف های پاسخ، سخت و نامطمئن باشد.
-در خصوص طیف موارد زیر را باید مدنظر داشت:
-طیف پاسخ شتاب برای سازه های روزمینی به کار میرود. طیف های پاسخ شتاب همچنین برای سیستم های چند درجه آزادی با به کارگیری روش تحلیل مودال مناسب هستند. در این راهنما، برای محاسبات متکی بر طیف شتاب، از طیف شتاب موجود در ویرایش معتبر و رایج استاندارد 2800استفاده می شود.
-طیف های پاسخ سرعت برای تحلیل و طراحی لرزه ای سازههای زیرزمینی از قبیل خطوط لوله، تونل های پوشش دار و مخازن زیرزمینی که عملکرد آنها با رفتار لرزهای خاک اطراف کنترل می شود، به کار می روند. بارگذاری زلزله چنین سازه هایی بر مبنای پاسخ تغییر مکان صورت می گیرد که در آن ابتدا تغییر شکل خاک در موقعیت سازه های مدفون با به کارگیری طیف پاسخ سرعت محاسبه و سپس برهم کنش بین زمین و سازه های مدفون با روش های استاتیکی تعیین می شود.
-طیف های پاسخ شتاب و سرعت باید برای طراحی لرزه ای تأسیسات گازرسانی سازگار باشد. در این راهنما برای اولین ویرایش و بهطور تقریبی طیف پاسخ سرعت سازگار با آیین نامه 2800پیشنهاد شده است. برای ویرایش های بعدی لازم است که برای نگاشت های ایران یک سری طیف سرعت نظیر طیف شتاب استاندارد 2800تهیه شود.
–توزیع شدت لرزه ای در طبقات

برای تجهیزات واقع بر روی سایر تجهیزات یا بر روی طبقات بالایی ساختمان ها از شدت لرزه ای افقی طبقه استفاده می گردد. برای توزیع شدت لرزهای افقی ، K Hمیتوان از ضریب توزیع ساده شده A iکه در رابطه 1-2نشان داده شده است، استفاده نمود. برای این منظور این ضریب در هر طبقه در K Hضرب می گردد.

Hارتفاع کل طبقات

xارتفاع طبقات فوقانی طبقهi

برای تجهیزاتی که در ارتفاع روی تجهیز یا سازه دیگری قرار دارد، شدت لرزه تابعی از شدت لرزه در محل استقرار آنها می باشد.
برای تجهیزات داخل ساختمان ها، رفتار تجهیز به زلزله طبقه متکی بر آن بستگی خواهد داشت

–شدت لرزه ای قائم طرح

ورودی های لرزه ای جهت قائم باید برای تجهیزاتی که رفتار آنها به مؤلفه قائم زلزله حساس است در نظر گرفته شود. شدت لرزه ای قائم طرح K Vتوسط رابطه 3-2به دست می آید: در اینجا K Hشدت لرزه ای طراحی در جهت افقی می باشد.

در این راهنما حسب مورد برای هریک از مؤلفه ها که در فصول 5به بعد ارائه شده، زلزله های افقی و قائم آنها محاسبه شده است. در اکثر قریب به اتفاق موارد، زلزله قائم، نصف زلزله افقی منظور شده است.

روند کنترل ایمنی لرزه ای روش های طراحی

کنترل ایمنی لرزه ای

ایمنی تجهیزات طراحی شده باید با روشهای زیر کنترل گردد:
1-روش طراحی تنش مجاز که باید برای سطح خطر- 1اعمال شود.
2-روش ظرفیت نیروی افقی که می تواند برای سطح خطر- 2با احتساب حداکثر نیروهای جانبی در اثر تغییر شکل سازه ای در حالت نهایی، به کار رود.
3-روش طراحی شکل پذیر معادل روش جایگزین که در آن ضریب به دست آمده برای زلزله طرح در سطح خطر-2، به نصف تقلیل یافته و طراحی به روش تنش مجاز صورت می گیرد.
4-روش طراحی شکل پذیر که برای سطح خطر- ،2نسبت شکل پذیری موجود سازه را با نسبت شکل پذیری مجاز مقایسه می نماید.
توجه:
– در مواردی که سازه با روش شکل پذیر کنترل می شود لازم است که برای شدت لرزه برابر 0/3نیز، با روش تنش مجاز کنترل گردد.
– در مواردی که تجهیز دارای اهمیت بسیار زیاد و یا پیچیدگی خاصی در رفتار لرزهای باشد حسب قضاوت مهندس طراح و برای کنترل روش های ارائه شده در فوق از روش های مناسب دینامیکی استفاده می گردد.

1-به طور کلی روش طراحی تنش مجاز در سطح خطر- 1برای زلزله بهره برداری به کار می رود.

2-روش ظرفیت نیروی افقی جانبی یکی از روش های کنترل می باشد. این روش حسب مورد در طراحی لرزه ای بعضی مؤلفه های سامانه گازرسانی در این راهنما استفاده و در جای خود با جزئیات مربوطه به کاربرده شده است.
3-روش طراحی شکل پذیر معادل روش جایگزین روشی است که در آن تنش عضو با استفاده از یک طیف طراحی الاستیک معادل محاسبه می گردد. این طیف معادل، از ضرب ضریبی در یک طیف طراحی لرزه ای الاستیک به دست می آید. این ضریب با توجه به ضریب شکل پذیری یا ظرفیت جذب انرژی سازه ها تعیین می گردد. در این راهنما این ضریب 0.5 ملحوظ شده است.
4-اساس روش طراحی شکل پذیر این است که برای زلزله های قوی تر با شتاب و سرعت زیاد، به سازه اجازه جذب انرژی بیشتری بعد از نقطه تسلیم مصالح داده شده تا مؤلفه های آن بتوانند کرنش زیادتری را جذب نمایند. ضریب شکل پذیری مورد محاسبه با روابط این راهنما با ضریب شکل پذیری مجاز مربوطه کنترل می گردد. گاهی اوقات ضریب شکل پذیری را میتوان بر حسب کرنش های سازه ای بیان کرد.

–عملکردهای مورد انتظار در این راهنما

دو عملکرد برای مؤلفه های سامانه گاز در مقابل سطوح خطر داده شده در این راهنما در نظر گرفته شده است:
*عملکرد قابلیت استفاده بی وقفه تا قبل از تسلیم مصالح
سطح خطر- :1مؤلفه های طراحی شده نباید دچار هیچ آسیب مؤثری بر عملکرد سامانه گاز رسانی شده و عملکرد آنها بدون وقفه ادامه یابد.
*عملکرد حداقل وقفه بعد از تسلیم مصالح
سطح خطر- :2مؤلفه های طراحی شده ممکن است دچار آسیب فیزیکی مؤثر بر عملکرد ولی بدون اثر بر زندگی افراد، محیط زیست و پایداری سامانه گاز رسانی شود. آسیب وارده باید هرچه زودتر قابل رفع بوده و عملکرد مختل شده به حالت اولیه باز گردد

در سطح خطر- 1اعضای سازه ای نباید هیچ آسیب فیزیکی که منجر به توقف کاربری سامانه شود، ببیند. این سطح »وضعیت یا حالت حدی آسیب« نامیده میشود. در این حالت هر عضو تشکیل دهنده سامانه باید در محدوده ارتجاعی روابط تنش و کرنش بوده و به حد تسلیم نرسد.
در سطح خطر- 2اعضای سیستم سازه ای می توانند آسیب فیزیکی محدودی ببینند، اما پایداری سامانه ای و سازه ای نباید از بین رود. این شرایط »وضعیت یا حالت حد نهایی« نامیده می شود. در این حالت تغییر شکل های غیر ارتجاعی بعد از تسلیم مصالح ممکن است رخ دهد.
تقسیم بندی عملکرد مورد انتظار به دو وضعیت حدی در کلیات، در سایر آیین نامه ها و راهنماها مورد توجه قرار گرفته است، لیکن در جزئیات با هم متفاوت هستند. در این راهنما نحوه اعمال این حدود حسب مؤلفه مورد طراحی در فصول 5به بعد بر اساس روش طراحی تنش مجاز برای حالت حدی آسیبو روشهای طراحی شکل پذیر برای حالت حد نهایی محاسبات و معیارهای لازم داده شده است

فروشگاه آموزشی و دانلودی