تحليل الإجهاد والتشوه لعملية بناء قوس الأنابيب الفولاذية المنحنية للرفع المتكامل لجسر القوس ذو العارضة المستمرة

مقدمة

أصبح بناء الجسور المقوسة ذات العارضة المستمرة ذو شعبية متزايدة نظرًا لقدرتها على تغطية مسافات كبيرة مع توفير السلامة الهيكلية والجاذبية الجمالية.. من بين تقنيات البناء المختلفة, لقد برزت عملية الرفع المتكاملة لأقواس الأنابيب الفولاذية المنحنية كوسيلة مهمة لبناء هذه الهياكل. تهدف هذه الورقة إلى تقديم تحليل شامل لخصائص الإجهاد والتشوه المرتبطة بعملية البناء هذه, التأكيد على السلوكيات الميكانيكية التي تؤثر على أداء الجسر وسلامته.

خلفية

تتكون الجسور المقوسة ذات العارضة المستمرة من سلسلة من الأقواس التي تدعم سطح الجسر, توزيع الأحمال بكفاءة عبر الهيكل. يوفر استخدام أقواس الأنابيب الفولاذية المنحنية العديد من المزايا, بما في ذلك انخفاض الوزن, تعزيز المتانة, وتحسين مقاومتها للعوامل البيئية. تتضمن عملية الرفع المتكاملة رفع القوس بأكمله إلى موضعه كوحدة واحدة, والذي يمثل تحديات فريدة من حيث توزيع الإجهاد وسلوك التشوه أثناء البناء.

بيان الأطروحة

سوف يستكشف هذا التحليل أنماط الإجهاد والتشوه في أقواس الأنابيب الفولاذية المنحنية أثناء عملية بناء الرفع المتكامل لجسور القوس ذات العارضة المستمرة. من خلال الاستفادة من البيانات التجريبية والأطر النظرية, تهدف هذه الورقة إلى تقديم نظرة ثاقبة للأداء الهيكلي, أوضاع الفشل المحتملة, والآثار المترتبة على ممارسات التصميم والبناء.

جسم

1. الإطار النظري

1.1. تحليل الإجهاد

يتم تعريف الإجهاد على أنه المقاومة الداخلية التي توفرها المادة للتشوه عند تعرضها لقوى خارجية. في سياق ثني أقواس الأنابيب الفولاذية, تشمل الأنواع الأساسية من التوتر التي يجب مراعاتها ما يلي::

• الإجهاد المحوري: يحدث هذا عندما يتم تطبيق القوى على طول القوس. من الضروري تقييم الإجهاد المحوري للتأكد من قدرة القوس على تحمل قوى الضغط والشد دون التواء أو خضوع.
• الإجهاد الانحناء: لحظات الانحناء المؤثرة على القوس تؤدي إلى تشوهه. الحد الأقصى لضغط الانحناء يحدث عادةً في منتصف القوس, حيث اللحظة أعظم. يعد فهم توزيع إجهاد الانحناء أمرًا ضروريًا للتنبؤ بنقاط الفشل المحتملة.
• إجهاد القص: يتطور إجهاد القص بسبب القوى العرضية التي تعمل بشكل عمودي على طول القوس. من المهم تقييم إجهاد القص لمنع فشل القص, والتي يمكن أن تؤثر على السلامة الهيكلية للقوس.

يمكن تحليل توزيع الضغط في القوس باستخدام مبادئ الميكانيكا الكلاسيكية, وخاصة نظرية شعاع أويلر-بيرنولي, والذي يوفر أساسًا لفهم كيفية تشوه الحزم في ظل ظروف التحميل المختلفة.

1.2. خصائص التشوه

يشير التشوه إلى التغير في شكل أو حجم العنصر الهيكلي بسبب الأحمال المطبقة. تشمل الأنواع الرئيسية للتشوه ذات الصلة بهذا التحليل:

• تشوه مرن: هذا تشوه مؤقت يتعافى عند إزالة الحمل. يمكن وصف العلاقة بين الإجهاد والتشوه المرن بواسطة قانون هوك, والتي تنص على أن الإجهاد يتناسب مع الانفعال ضمن الحد المرن للمادة.
• تشوه البلاستيك: يحدث هذا عندما يتجاوز إنتاج المادة حد المرونة, مما يؤدي إلى تشوه دائم. يعد فهم بداية التشوه البلاستيكي أمرًا بالغ الأهمية لضمان أداء الجسر على المدى الطويل.

2. المنهجية

2.1. تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة)

لتقييم الضغط والتشوه بدقة في ثني أقواس الأنابيب الفولاذية أثناء عملية الرفع المتكاملة, تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة) يتم استخدام النهج. يسمح FEA بمحاكاة الأشكال الهندسية المعقدة وظروف التحميل, تقديم رؤى مفصلة حول السلوك الهيكلي للقوس.

• النمذجة: تم تصميم قوس الجسر باستخدام برنامج قادر على FEA, دمج خصائص المواد, شروط الحدود, وسيناريوهات التحميل. يجب أن يعكس النموذج بدقة هندسة القوس وتفاصيل الاتصال بسطح الجسر.
• شروط التحميل: تتم محاكاة ظروف التحميل المختلفة, بما في ذلك الأحمال الميتة (الوزن الذاتي للهيكل), الأحمال الحية (مرور), والأحمال الديناميكية (رياح, النشاط الزلزالي). يجب أن يأخذ التحليل أيضًا في الاعتبار تأثيرات التغيرات في درجات الحرارة وتسوية الأساس المحتملة.

2.2. جمع البيانات

يتم جمع البيانات التجريبية من مشاريع الجسور الحالية باستخدام أقواس الأنابيب الفولاذية المنحنية. تتضمن هذه البيانات:

• خصائص المواد: معلومات عن قوة الخضوع, معامل المرونة, وغيرها من الخواص الميكانيكية ذات الصلة للفولاذ المستخدم في القوس.
• بيانات الأداء التاريخية: قياسات الإجهاد والتشوه أثناء عملية الرفع من مشاريع مماثلة, توفير أساس للمقارنة والتحقق من صحة نتائج FEA.
• الظروف البيئية: بيانات عن درجة الحرارة, رطوبة, وغيرها من العوامل البيئية التي قد تؤثر على أداء القوس أثناء البناء.

3. النتائج والمناقشة

3.1. تحليل توزيع الإجهاد

تكشف نتائج FEA عن توزيع الضغط عبر قوس الأنابيب الفولاذية المنحنية أثناء عملية الرفع. وتشمل النتائج الرئيسية:

• الحد الأقصى لتركيز الإجهاد: يحدد التحليل الحد الأقصى لتركيزات الضغط في منتصف القوس, حيث لحظات الانحناء هي أعظم. تسلط هذه النتيجة الضوء على الحاجة إلى المراقبة الدقيقة والتعزيز المحتمل في هذه المناطق لمنع الفشل.
• إعادة توزيع الإجهاد: كما يتم رفع القوس, تحول تركيزات الإجهاد, مما يستلزم إجراء تقييم في الوقت الحقيقي لتجنب تجاوز قوة إنتاج المادة. تشير نتائج FEA إلى أن إعادة توزيع الضغط يمكن أن تؤدي إلى أوضاع فشل غير متوقعة إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.

3.2. أنماط التشوه

ويشير تحليل التشوه:

• تشوه مرن: لوحظ في الغالب خلال مرحلة الرفع الأولية, مع ملاحظة السلالات القابلة للاسترداد. يوضح التحليل أن القوس يواجه تشوهًا مرنًا كبيرًا قبل الوصول إلى مستويات الإجهاد الحرجة.
• مخاطر تشوه البلاستيك: يتم تسليط الضوء عليه في المناطق التي تعاني من لحظات الانحناء المفرطة, مما يشير إلى الحاجة إلى التعزيز أو تعديلات التصميم للتخفيف من مخاطر التشوه الدائم.

4. الآثار المترتبة على التصميم والبناء

إن النتائج التي توصل إليها هذا التحليل لها آثار هامة على تصميم وبناء الجسور المقوسة ذات الحزم المستمرة:

• اختيار المواد: يعد اختيار الفولاذ المثني ذو قوة الخضوع المناسبة أمرًا بالغ الأهمية للتخفيف من مخاطر تشوه البلاستيك. يجب على المهندسين إعطاء الأولوية للمواد ذات قوة الخضوع العالية والليونة لتحسين الأداء في ظل ظروف التحميل الديناميكية.
• تقنيات البناء: تقنيات الرفع المحسنة التي تقلل التحميل المفاجئ يمكن أن تقلل من تركيزات الضغط. يمكن أن يساعد تنفيذ طرق الرفع التدريجية واستخدام الدعامات المؤقتة أثناء عملية الرفع في توزيع الأحمال بشكل أكثر توازناً عبر القوس.

5. اتجاهات البحوث المستقبلية

وينبغي أن تركز البحوث المستقبلية على:

• المراقبة على المدى الطويل: تطبيق تقنية الاستشعار لمراقبة الضغط والتشوه في الوقت الحقيقي خلال عمر الجسر. يمكن لهذه البيانات أن تفيد ممارسات الصيانة وتعزز السلامة.
• مواد متقدمة: استكشاف استخدام المواد المركبة أو الفولاذ عالي القوة لتحسين الأداء في ظل ظروف التحميل الديناميكية. يمكن أن يؤدي البحث في المواد المبتكرة إلى تصميمات أكثر مرونة للجسور.
• النمذجة العددية: تطوير نماذج عددية أكثر تطورًا تراعي سلوك المواد غير الخطي وسيناريوهات التحميل المعقدة. يمكن لتقنيات النمذجة المحسنة أن تعزز دقة توقعات الإجهاد والتشوه.

مراجع

1. تيموشينكو, S. ص., & جير, ج. م. (1961). نظرية الاستقرار المرن. ماكجرو هيل.
2. تشين, W. ف., & دوان, L. (2007). دليل هندسة الجسور. الصحافة اتفاقية حقوق الطفل.
3. تشانغ, ل., & وانغ, ي. (2015). تحليل العناصر المحدودة للجسور المقوسة. مجلة هندسة الجسور, 20(3), 04014071.
4. ليو, ح., & تشاو, ي. (2018). تحليل الإجهاد للهياكل الفولاذية. البناء الصلب, 11(2), 100-108.

المنشورات ذات الصلة

هل تتوفر طريقة كومة الأنابيب المناسبة للأرض الناعمة?

كان استخدام أكوام الأنابيب في بناء الأساس خيارا شائعا لسنوات عديدة. تستخدم أكوام الأنابيب لنقل حمولة الهيكل إلى أعمق, طبقة أكثر استقرارا من التربة أو الصخور.

أكوام الأنابيب | أكوام أنبوبي مواد درجات الصلب

فوائد دعامات الأنابيب يوفر استخدام دعامات الأنابيب في البناء العديد من المزايا الملحوظة: القوة والقدرة على التحمل: تشتهر دعامات الأنابيب بنسبة القوة العالية إلى الوزن. تقوم الأنابيب المترابطة بتوزيع الأحمال بالتساوي, مما أدى إلى هيكل قوي وموثوق. وهذا يسمح ببناء مسافات كبيرة دون الحاجة إلى أعمدة أو كمرات دعم زائدة.

ما هو معيار السوائل التي تنقل الأنابيب والتطبيقات غير الملحومة?

يعتمد معيار الأنابيب غير الملحومة لنقل السوائل على البلد أو المنطقة التي تتواجد فيها, وكذلك التطبيق المحدد. لكن, بعض المعايير الدولية المستخدمة على نطاق واسع للأنابيب غير الملحومة لنقل السوائل هي: أستم A106: هذه هي المواصفة القياسية لأنابيب الصلب الكربوني غير الملحومة للخدمة في درجات الحرارة العالية في الولايات المتحدة. ويستخدم عادة في محطات الطاقة, المصافي, والتطبيقات الصناعية الأخرى حيث توجد درجات حرارة وضغوط عالية. ويغطي الأنابيب في الدرجات أ, ب, و ج, مع خصائص ميكانيكية مختلفة اعتمادا على الصف. API 5L: هذه هي المواصفات القياسية لأنابيب الخطوط المستخدمة في صناعة النفط والغاز. ويغطي الأنابيب الفولاذية الملحومة وغير الملحومة لأنظمة نقل خطوط الأنابيب, بما في ذلك أنابيب لنقل الغاز, الماء, والنفط. تتوفر أنابيب API 5L بدرجات مختلفة, مثل X42, X52, X60, وX65, اعتمادا على خصائص المواد ومتطلبات التطبيق. أستم A53: هذه هي المواصفة القياسية للأنابيب الفولاذية المجلفنة السوداء والملحومة بالغمس الساخن المستخدمة في مختلف الصناعات., بما في ذلك تطبيقات نقل السوائل. ويغطي الأنابيب في درجتين, أ و ب, مع خصائص ميكانيكية مختلفة والاستخدامات المقصودة. من 2448 / في 10216: هذه هي المعايير الأوروبية للأنابيب الفولاذية غير الملحومة المستخدمة في تطبيقات نقل السوائل, بما في ذلك الماء, غاز, والسوائل الأخرى. اقرأ أكثر

ما هي أكثر أنواع التآكل شيوعًا التي صممت الأنابيب غير الملحومة الناقلة للسوائل لمقاومتها?

تم تصميم الأنابيب غير الملحومة الناقلة للسوائل لمقاومة أنواع مختلفة من التآكل اعتمادًا على المادة المستخدمة والتطبيق المحدد. تشمل بعض أنواع التآكل الأكثر شيوعًا والتي تم تصميم هذه الأنابيب لمقاومتها: التآكل الموحد: هذا هو النوع الأكثر شيوعا من التآكل, حيث يتآكل كامل سطح الأنبوب بشكل موحد. لمقاومة هذا النوع من التآكل, غالبًا ما تكون الأنابيب مصنوعة من مواد مقاومة للتآكل, مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو المبطنة بطبقات واقية. التآكل الجلفاني: يحدث هذا عندما يكون معدنان مختلفان على اتصال مع بعضهما البعض في وجود المنحل بالكهرباء, مما يؤدي إلى تآكل المعدن الأكثر نشاطا. لمنع التآكل كلفاني, يمكن تصنيع الأنابيب من معادن مماثلة, أو يمكن عزلها عن بعضها البعض باستخدام المواد العازلة أو الطلاءات. تأليب التآكل: الحفر هو شكل موضعي من التآكل يحدث عندما تصبح المناطق الصغيرة على سطح الأنبوب أكثر عرضة للهجوم, مما يؤدي إلى تكوين حفر صغيرة. يمكن منع هذا النوع من التآكل باستخدام مواد ذات مقاومة عالية للتنقر, مثل سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ مع إضافة الموليبدينوم, أو عن طريق تطبيق الطلاءات الواقية. تآكل الشقوق: يحدث تآكل الشقوق في المساحات الضيقة أو الفجوات بين سطحين, هذه اقرأ أكثر

ما هي الأنواع المختلفة لشاشات الأسلاك الإسفينية?

شاشات سلكية إسفين, تُعرف أيضًا باسم شاشات الأسلاك الشخصية, تُستخدم بشكل شائع في مختلف الصناعات لقدراتها الفائقة على الفحص. وهي مصنوعة من سلك على شكل مثلث,

ما هو الفرق بين الغلاف المثقب وأنبوب الغلاف المشقوق ?

2 7/8في J55 K55، تعتبر أنابيب غلاف الآبار المثقبة واحدة من المنتجات الأساسية للصلب, يمكن استخدامها للمياه, زيت, حقول حفر آبار الغاز. يمكن توفير السماكة من 5.51 إلى 11.18 ملم بناءً على عمق بئر العميل والخواص الميكانيكية المطلوبة. عادة يتم تزويدهم بوصلة خيطية, مثل نيو أو الاتحاد الأوروبي, والتي سيكون من الأسهل تثبيتها في الموقع. يتوفر طول أنابيب الغلاف المثقبة من 3 إلى 12 مترًا لارتفاعات منصات الحفر المختلفة للعميل. يتم أيضًا تخصيص قطر الثقب والمنطقة المفتوحة على السطح. قطر الثقب الشائع هو 9 ملم, 12مم, 15مم, 16مم, 19مم, إلخ.