امروزه خطوط لوله به منظور جابجایی منابع انرژی و آب مورد استفاده قرار می گیرند. این خطوط به منظور حفاظت در برابر عوامل طبیعی همچون زلزله و مصنوعی مثل انفجار به شکل مدفون در خاک اجرا می شوند [۱]. اجرای خطوط لوله مدفون با استفاده از روش های استاندارد و تحت دستورالعمل های دقیق مهندسی انجام می گیرد تا از عملکرد مناسب خطوط لوله در طول عمر سرویس دهی آنها اطمینان حاصل شده و از بروز خرابی در آنها جلوگیری شود. از نیروهای اعمالی به خطوط لوله مدفون می توان فشار سیال داخلی، فشار خاک، بار ترافیک عبوری بر سطح خاک پوشاننده آنها، نیروی های ناشی از زلزله و انفجار را برشمرد. با توجه به اهمیت حفظ عملکرد مناسب خطوط لوله در هنگام وقوع جنگ و عملیات خرابکارانه در سال های اخیر پژوهش های زیادی برای بررسی اثر انفجار بر آنها با رویکرد پدافند غیر عامل صورت گرفته است. انفجار سطحی می تواند به خرابی های قابل توجهی در زیر ساخت های یک منطقه وسیع منجر شود [۲]. شدت انفجار، جنس خاک، عمق دفن، مشخصات هندسی لوله، جنس لوله از جمله عواملی هستند که لازم است در بررسی اثر انفجار بر خطوط لوله مدفون لحاظ شوند [۳]. در مطالعه تعامل خاک و لوله از طریق مدلسازی برخی از داده های تجربی برای شبیه سازی اندرکنش خاک و لوله مورد نیاز است [۴]. این داده ها می توانند از طریق نتایج آزمایشگاهی، مطالعات نظری و یا نتایج کارهای مشابه انجام شده بدست آیند [۵].
روش های قابل استفاده برای بررسی عملکرد لوله های مدفون تحت اثر انفجار روش بررسی تجربی، روش حل تحلیلی و روش حل عددی می باشد که در این بین با پیشرفت روش حل تقریبی اجزاء محدود و در دسترس بودن نرم افزار های کارآمد تجاری مبتنی بر آن که توانایی شبیه سازی شرایط انفجار را دارند از توفیق قابل توجهی بر خوردار گشته است [۶]. رفتار خاک در محدوده ای نزدیک انفجار به شکل پلاستیک و در مناطق دورتر از آن به شکل الاستو پلاستیک و یا الاستیک می تواند فرض شود [۷]. از آنجا که در زمان وقع انفجار فرصتی برای زهکشی وجود ندارد، خاک را می توان در این شرایط به شکل مصالح تک فاز در نظر گرفت و توزیع تنش در آن را به شکل کلی بررسی نمود [۸]. بررسی های زیادی برای شناخت اندرکنش دینامیکی خاک و سازه انجام شده است که به طور عمده مطالعات در نیم فضای نامتناهی، خطی و همسان از طریق رابطه تجربی و تعیین فرکانس رزونانس در خاک مرتعش صورت گرفته است [۹]. حالت های مختلف محتمل از انفجار که می توان لوله های مدفون را برای آنها مورد مطالعه قرار داد، انفجار زیر زمین، انفجار در سنگر باز، انفجار داخلی در داخل لوله و همچنین انفجار سطحی می باشد [۱۰]. در واقع روابط مورد استفاده در مطالعه اثر امواج انفجار بر خطوط لوله مدفون هنوز بر پایه روابط ارائه شده توسط نیومارک هستند [۱۱]. برآورد یک عمق بهینه برای دفن لوله های حیاتی که هم ایمنی لازم در برابر انفجار را تأمین نماید و همچنین دارای صرفه اقتصادی نیز باشد چالشی است که محققان را بر آن داشته که به بررسی های دقیقی در این زمینه بپردازند [۱۲].
۳- مروری بر مطالعات گذشته
در مطالعه ای فیوض و همکاران (۱۳۸۳) به بررسی پارامتریک اثر انفجار لوله مدفون در خاک پرداختند. نتایج پژوهش ایشان نشان داد که با افزایش چگالی خاک تنش بیشتری در لوله مدفون ایجاد می گردد و افزایش کمی ماده منفجره به افزایش تنش های اصلی در لوله می انجامد [۲]. اکبردوست و همکاران (۱۳۸۶) با مطالعه استحکام لوله های نفت و گاز تحت بارگذاری انفجاری خارجی به شکل دو بعدی مشاهده نمودند که در صورت وقوع انفجار در نزدیکی این لوله ها، تنش ها و تغییر شکل های شدیدی در لوله ایجاد می گردد و وقوع انفجار ثانویه در آنها محتمل تر است [۳]. دلپسند و شکیب (۱۳۹۳) در تحقیق خود نشان دادند که کاهش فاصله انفجار سطحی منجر به افزایش تنش ها و جابجایی های ایجاد شده در لوله مدفون می گردد [۴].
۴- مدلسازی
در این پژوهش به بررسی رفتار دینامیکی لوله های انتقال نفت و گاز پرداخته شده است که اهمیت ویژه ای در راهبردهای کلان کشور دارند. در ابتدا یک لوله نیمه مدفون در بستر خاک مشخص، مورد ارزیابی قرار گرفته است و سپس با افزایش عمق دفن لوله به بررسی نمودارهای انرژی کل مدل پرداخته شده است. مشخصات هندسی خاک و لوله مدل شده در شکل ۱ قابل مشاهده است.
شکل ۱: مدلسازی اجزاء مورد نظر در نرم افزار. الف) بستر خاک ب) لوله جدارنازک
جنس مصالح مورد استفاده در مدلسازی، در جدول ۱ آورده شده است. ضمن آنکه برای تحلیل مدل از بارگذاری انفجاری استفاده شده است و نوع تحلیل به صورت دینامیکی و با مدت زمان ۰.۰۰۵ ثانیه می باشد.
جدول ۱: مشخصات ارتجاعی و پلاستیک فولاد مورد استفاده در نرم افزار
E V d F(y) e(p)
۲.۰۰E+۱۱ ۰.۳ ۷۸۵۰ ۵۳۰e+۰۹ ۰
- - - ۵۳۶.۲e+۰۹ ۱
منظور از E، مدول الاستیسیته فولاد، v، برای ضریب پواسون، d معرف چگالی، F(y) و e(p) نیز به ترتیب تنش تسلیم و کرنش در حالت پلاستیک ماده هستند.
همانند فولاد، مدل مصالح استفاده شده برای خاک نیز از دو بخش ارتجاعی و خمیری تشکیل می شود که بخش اول ارتجاعی خطی است، این مشخصات در جدول ۲ ارائه گردیده است. برای شبیه سازی بخش غیرخطی رفتار خاک، از مدل خمیری داگرپراگر اصلاح شده (یا کلاهکی) انجام شده است که مشخصات آن در جدول ۳ آورده شده است.
جدول ۲: مشخصات ارتجاعی و پلاستیک خاک مورد استفاده در نرم افزار
E ضریب ارتجاعی ۵ MPa
ν ضریب پواسون ۰.۲
چگالی (دانسیته) ۱۹۲۳ kg/m۳
d (c’) چسبندگی ۳۰ KPa
β (’) زاویه اصطکاک داخلی ۵۰.۲ degree
جدول ۳: مشخصات سخت شوندگی کلاهکی
تنش کرنش
۱۰ ۰
۳۰۰ ۰.۰۰۰۵
۵۰۰ ۰.۰۰۲۳
۱۰۰۰ ۰.۰۰۴
۱۵۰۰ ۰.۰۰۵۲
برای مش بندی مدل خاک ساخته شده نیز از المان های Solid سه بعدی در نرم افزار استفاده شده و دسته C۳D۸R مورد استفاده قرار گرفته است و در مورد لوله از المان های S۴R برای مش بندی سازه Shell لوله استفاده شد ه است. محل قرار گیری بارگذاری انفجاری و شرایط مرزی و تکیه گاهی استفاده شده در شکل زیر نشان داده شده است. ضمن آنکه برای اعمال شرایط بارگذاری انفجاری سطحی از قابلیت خاصیت اندرکنش Incident Wave در ماژول Interaction با حالت تعریفی CONWEP استفاده شده است و مقدار اولیه TNT برای انفجار معادل ۵۰۰ کیلوگرم بوده است. شرایط مرزی و بارگذاری انفجار مدل در شکل ۲ آمده است.
شکل ۲: (الف) شرایط مرزی تکیه گاهی و بارگذاری مدل، (ب) وقوع انفجار در مدل
در مرحله اول مدلسازی به بررسی تاثیر عمق بر عملکرد لوله های مدفون پرداخته شده است که به این منظور ۵ مدل با اعماق مختلف ایجاد شده است که مشخصات مدل و عمق قرار گیری لوله در در جدول ۴ و شکل ۳ دیده می شود.
جدول ۴: مشخصات سخت شوندگی کلاهکی
شماره مدل محل قرار گیری خط بالای لوله از سطح خاک
Model-۱ + ۰.۵ m
Model-۲ + ۰. ۲۵ m
Model-۳ ۰
Model-۴ -۱ m
Model-۵ -۲.۵ m
