بارهای دینامیکی تاسیسات یکی از مهم ترین و پر چالش ترین مسائل در طراحی ساپورت تاسیسات می باشد. طراحی دینامکی و طراحی لرزه ای ساپورت تاسیسات نیاز به شناخت کامل بارهای دینامکی دارد. اگر بخواهیم بارهای دینامیکی را تعریف کنیم ابتدا باید بدانیم بارهای استاتیکی چه بارهایی هستند. بارهای استاتیکی به بارهایی گفته می شود که به قدری آهسته به سیستم اعمال می شوند که سیستم قابلیت مقابله با آن ها و باز توزیع این نیروها و انتقال نیروها را داشته باشد و در نتیجه در تعادل باقی می ماند و در واقع برایند نیروها و لنگرها صفر باقی می ماند و در نتیجه حرکتی ایجاد نمی شود.

Σ F=0 , Σ M=0

اما بارهای دینامیکی به سرعت تغییر می کنند. در نتیجه سیستم زمان کافی برای باز توزیع و انتقال این نیروها را ندارد و برایند نیروها یا لنگرها در این حالت صفر نخواهد بود. این موضوع باعث حرکت سیستم می گردد و نیروها در اعضای داخلی سیستم با حالت استاتیکی اعمال بار متفاوت خواهند بود.

انواع بارهای دینامیکی در تاسیسات

اگر نمودار نیرو – زمان را در نظر بگیریم بارهای دینامیکی در مورد ساپورت تاسیسات به سه دسته تقسیم می شوند:

بارهای تصادقی ، بارهای متناوب و بارهای شوک

بارهای تصادفی Random

بارهای تصادفی به بارهایی گفته می شود که در طی زمان مقدار یا جهت آن ها به صورت غیر قابل پیش بینی تغییر می کند و در نتیجه پیش بینی رفتار آن ها و عکس العمل هایی که به وجود می آورند غیر ممکن است. اما حتی بارهای تصادفی نیز به روش هایی همچون تحلیل طیفی spectrum method یا تحلیل معادل استاتیکی static equivalent قابل بررسی هستند.

بار زلزله یا بار باد از جمله بارهای تصادفی هستند. نیروی باد در پایپ رک ها و تاسیسات عبوری در پل ها بسیار جدی هستند و حتما باید در نظر گرفته شوند. نیروی زلزله در اثر حرکت زمین به صورت تصادفی ایجاد می شود و جهت و مقدار آن با زمان تغییر می کند و نیروی متناسب با وزن سازه به آن وارد می نماید. این بار اگرچه از حرکت های متناوب هارمونیک در زمین ناشی می شود اما به دلیل ترکیب چندین حرکت مختلف هارمونیک با یکدیگر تبدیل به یک حرکت و بار غیر هارمونیک و تصادفی می گردد.

طراحی ساپورت تاسیسات در برابر زلزله وابسته به محل سازه، موقعیت نصب ساپورت در بنا و درجه اهمیت سازه متفاوت خواهد بود. بهترین مرجع برای تعیین بارهای زلزله آیین نامه 2800 بخش طراحی لرزه ای اجزای غیر سازه ای و استاندارد ASCE-7 می باشد. نیروهای ناشی از زلزله بر اساس فرمول زیر به دست می آید:

که در آن :

A ، شتاب پایه

1+S ، ضریب شتاب طیفی (وابسته به خاک محل بنا)

ap ، ضریب بزرگنمایی جزء

Ip ، ضریب اهمیت ساختمان (بر حسب کاربری)

W ، وزن جزء

R ، ضریب رفتار جزء (طبق خطوط و تجهیزات روی ساپورت تاسیسات)

Z ، ارتفاع مرکز جرم جزء از تراز پایه و

H ، ارتفاع متوسط بام ساختمان از تراز پایه می باشد.

بارهای متناوب یا خستگی Fatigue (Harmonic)

بارهای متناوب بارهایی هستند که در آن ها مقدار یا جهت نیرو یا هر دوی آن ها در طی زمان بین دو مقدار ماکزیمم و مینیمم به صورت پیوسته و منظم تغییر می کنند. به طور مثال بار متناوب می تواند از فرمولی مشابه فرمول زیر تبعیت کند:

F(t) = A + B cos(w t + f)

که در آن پارامترها به شرح زیر می باشد:

F(t) ، نیرو بر حسب تابعی از زمان

A ، نیروی میانه

B ، تغییرات نیروی ماکزیمم و مینیمم از مقدار میانه

w ، فرکانس زاویه ای بر حسب رادیان بر ثانیه

f ، زاویه فاز بر حسب رادیان

t ، زمان بر حسب ثانیه

از انواع بارهای متناوب در تاسیسات می توان به بارهای ناشی از چرخش دستگاه های دوار (مانند پمپ یا کمپرسورها)، تجهیزات دارای لرزش مانند ژنراتورها و فن کویل ها اشاره کرد. اگر قطعه ای دوار در یک دستگاه که به لوله متصل شده است به مقدار کمی خروج از محوریت یا عدم تقارن داشته باشد چرخش آن موجب ایجاد یک جابجایی چرخه ای کوچک روی لوله می شود و این نیرو به ساپورت منتقل می گردد. یا تصور نمایید که ویژگی های جریان سیال عبوری از لوله تغییر کند مثلا در اثر عبور جریان در لوله به دلیل تغییر سایز ناگهانی، جریان از حالت خطی به حالت آشفته turbulent تغییر کند. این موضوع باعث ایجاد لرزش جانبی متناوبی در لوله می گردد که نیروهای متناوبی را به ساپورت وارد می نماید. چنین نیروهایی با روش های متناوب قابل تحلیل می باشند.

در کمپرسورها یا پمپ های رفت و برگشتی، سیال با کمک پیستون هایی که توسط شفت های دوار به حرکت در می آیند، تحت فشار قرار می گیرد. این موضوع سبب ایجاد تغییر فشار در سیال به صورت متناوب می شود که نیروهای متناوبی در زانویی های متقابل هم یا انتهای خط لوله موجب می گردد.

بارهای شوک Shock (Impulse)

بارهای شوک بارهایی هستند که در بازه زمانی کوتاهی از مقدار صفر به مقدار مشخصی می رسند، برای مدت کوتاهی ثابت می مانند و دوباره به صفر بر می گردند. بارهای شوک را می توان به روش تاریخچه زمانی یا تحلیل طیفی مورد بررسی قرار داد. از انواع بارهای شوک در تاسیسات می توان به نیروی ضربه قوچ، شیرهای اطمینان و جریان حلزونی اشاره کرد.

وقتی فشار داخلی سیستم بیش از حد بالا رود خطر انفجار وجود دارد. برای رفع این خطر در سیستم های بسته شیرهای اطمینان نصب می گردد تا فشار اضافی را از سیستم خارج نماید. خارج شدن این فشار از شیر به ایجاد نیروی زیاد در لوله همراه خواهد بود که بلافاصله به حد بیشینه خود می رسد و در حال تخلیه ثابت می ماند و پس از رسیدن به حد اطمینان دوباره با بسته شدن شیر کاهش می یابد تا به صفر برسد.

هنگامی که جریان سیال در سیستم به دلیل بسته شدن شیر یا تغییرات پمپ به صورت ناگهانی متوقف می شود، مابقی سیالی که در سیستم در جریان است نمی تواند به طور یکسان متوقف شود و به حرکت خود ادامه می دهد. جریان بالادست یا قبل از شیر به دلیل تمایل به ادامه جریان ایجاد منطقه فشار بالای ناگهانی قبل از شیر می نماید و از سوی دیگر ادامه جریان بعد از شیر باعث ایجاد منطقه فشار پایین بعد از شیر می شود. این در حالی است که در زانوی بعدی جریان با فشار قبلی در حرکت است. این عدم توازن در فشار باعث ایجاد نیروی شوک شدیدی در زانوها و شیرهای بعدی می گردد که اصطلاحا به آن ضربه قوچ گفته می شود. چون به مانند قوچ به زانوهای لوله ضربه وارد می نماید!

سیستم های پایپینگ عمدتا برای سیالات تک فازی (یا مایع و یا گاز) طراحی می گردند. اما در شرایطی خاص ممکن است سیال تغییر فاز دهد و این تغییر فاز باعث ایجاد جریان حلزونی در لوله و نیروهای ناشی از آن در زانویی ها و اتصالات سه راهی لوله می گردد.

جمع بندی

بارهای دینامیکی در تاسیسات و طراحی ساپورت تاسیسات در برابر این بارها مستلزم دانش کافی از ماهیت این بارها می باشد. تحلیل تنش خطوط لوله وابسته به درک کافی از انواع بارهای دینامیکی است. این موضوع در طراحی پایپ رک ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است که پیشنهاد می گردد برای بررسی بیشتر این موضوع به نوشتار پایپ رک Pipe Rack مراجعه نمایید. همچنین طراحی لرزه ای ساپورت تاسیسات با انجام تحلیل مناسبی در خصوص این بارها امکان پذیر می گردد. انتخاب روش تحلیل سیستم بر اساس نوع بار دینامیکی مشخص می گردد که در این راستا از یکی از روش های تحلیل طیفی، شبه استاتیکی، تاریخچه زمانی یا روش های دیگر استفاده می گردد.

برای بررسی بیشتر موضوع فوق اگر طراحی سیستم تاسیسات و ساپورت تاسیسات دغدغه فعلی شماست کافی است با تیم فنی و پشتیبانی باتیس تماس بگیرید…