هدف از تحقيقات اين گروه، ارزيابي واقع‌بينانه از مسائل و مشكلات مرتبط با زمينة سازه و مصالح در محيط‌‌هاي دريايي، و نيز دستيابي به روش‌هاي مناسب و عملي جهت حل چنين مسائل و مشكلاتي مي‌باشد. در همين ارتباط، محورهاي تحقيقاتي زير مشخص شده كه پروژه‌هاي مرتبطي در هر زمينه تعريف شده و يا در حال تعريف است.

 

1- بارگذاري و تحليل سازه‌هاي دريايي و ساحلي

            يكي از مسائل موجود در اسكله‌ها، سكوها و به طور كلي سازه‌هاي ساحلي و دريايي كه در چند دهة اخير بسيار مورد توجه بوده است، تحليل اين نوع سازه‌ها در مقابل بارهاي وارده است. مسئلة عمده‌اي كه اين سازه‌ها را از سازه‌هاي متعارف جدا مي‌سازد، وجود آب در تماس با سازه است. وجود آب نه تنها در ارتعاشات تأثير مي‌گذارد، بلكه خود مي‌تواند به وسيلة امواج، عاملي مهم براي ايجاد نيروهاي خارجي باشد. چنين نيروهايي ممكن است بخش مهمي از بارگذاري اسكله‌ها و سازه‌هاي دريايي را تشكيل دهند. اين مسئله هم بر قسمت‌هاي بالايي سازه و هم بر فونداسيون سازه كه اكثراً به صورت شمع مي‌باشد، تأثير مي‌گذارد.

            در مواردي كه تحليل سازه‌هاي دريايي با ابعاد بزرگ، نظير سكوهاي ثقلي و موج‌شكن‌ها موردنظر باشد، بايد از تئوري پراكندگي (Diffraction theory) براي تعيين اثرات آب استفاده نمود. ليكن براي سازه‌هاي بلند و لاغر كه نسبت ابعاد قسمتي از سازه‌ها كه در معرض امواج قرار دارد به طول موج كوچك باشد، مسئله به صورت ديگري مطرح مي‌شود. در حقيقت در اين موارد، نيروهاي وارده ناشي از اثرات متقابل آب و پايه اغلب تابعي از سرعت‌هاي نسبي بين آب و پايه مي‌باشد. سرعت و شتاب ذرات آب را مي‌توان با استفاده از تئوري موج تعيين نمود؛ لكن تعيين سرعت پايه در لحظات مختلف اساسي‌ترين مشكل را در تحليل ايجاد مي‌كند؛ خصوصاً از اين نظر كه اين نيروها با توان دوم سرعت نسبي بستگي داشته و بايد هم جهت سرعت نسبي در نظر گرفته شوند. به بيان ديگر، در هر لحظه براي آن كه بتوان نيروهاي وارده ناشي از عملكرد آب بر پايه را به‌دست آورد، بايد سرعت نسبي بين آب و پايه را تعيين نموده و نيروي وارده را متناسب با توان دوم اين سرعت و هم‌جهت با آن در نظر گرفت.

            از طرفي از آنجا كه عموماً قسمتي از پايه‌هاي سازه‌هاي دريايي و ساحلي نظير سكوها و اسكله‌ها به صورت شمع در خاك كوبيده مي‌شود، مسئلة عمدة ديگري كه در تحليل ديناميكي اسكله ايجاد مي‌شود، وجود خاك در اطراف شمع و تأثير آن در ارتعاشات اسكله تحت بارهاي ديناميكي است. براي تعيين اثرات خاك مي‌توان از مدل‌هاي گوناگوني كه توسط محققين ارائه شده استفاده نمود. ارزيابي اين مدلها و انتخاب بهترين مدل براي هر نوع سازة خاص، نياز به بررسي مسئله به صورت دقيق و انجام تحليل‌هاي فراوان دارد.

            علاوه بر تحليل ديناميكي سازه‌هاي دريايي و ساحلي تحت امواج، اثرات زلزله بر سازه نيز از اهميت به سزايي برخوردار مي‌شود. اين اثرات را مي‌توان به صورت اثرات زلزله بر آب به صورت توليد موج و بالطبع اثر متقابل آن بر سازه، همچنين اثر زلزله بر جرم سازه و نيز اثر زلزله بر خاكي كه اطراف پايه‌هاي سازه را در برگرفته است، خلاصه نمود. بررسي اين اثرات نيز كار چندان ساده‌اي نبوده و امروزه در هر مورد مدل‌هاي بسيار متنوعي ارائه شده است. انتخاب مدل مناسب در هر مورد و براي هر سازة به خصوص نيز از اهميت بسيار ويژه برخوردار بوده و نياز به انجام تحقيقات مفصل و همچنين كسب تجربه دارد.

 

2- بارگذاري و تحليل شناورهاي دريايي

            شناورهاي دريايي نظير قايق‌ها، كشتي‌هاي كوچك و بزرگ، بويه‌ها و زيردريايي‌ها نيز از نظر بارگذاري و تحليل در چند دهة اخير بسيار مورد توجه بوده‌اند. بارهاي وارده بر چنين سازه‌ها، علاوه بر بارهاي معمول و متداول كه متأثر از ظرفيت آنها و نيز نحوة استفاده از آنها است؛ شامل بارهاي ناشي از اثرات جريان‌هاي روآبي و زيرآب، اثرات امواج، اثرات متقابل سازه و آب كه در اثر بارهاي ديناميكي ايجاد مي‌شوند، اثر باد، و حتي اثرات انفجار مي‌باشد. شناخت اين بارها به صورت دقيق موضوع تحقيقات گسترده‌اي در چند دهة اخير بوده كه منجر به معادلات و مدل‌هايي گرديده است. لكن كاربرد اين مدل‌ها و روابط در هر منطقه به صورت چشم بسته صحيح نبوده و در هر منطقة خاص نظير خليج‌فارس، بايد اثرات منطقه‌اي را نيز به صورت مناسب لحاظ نمود. پس از شناخت بارهاي وارد بر هر شناور دريايي، لازم است سيستم باربر مناسبي براي آن درنظر گرفته و آن را تحليل نمود. اين سيستم باربر كه در حقيقت اسكلت‌بندي  سازه‌هاي شناور را تشكيل مي‌دهد نيز از يك طرف نيازمند تجربة فراوان و آشنايي با انواع اسكلت‌بندي‌هايي كه امروزه در دنيا به‌كار مي‌رود، و از طرف ديگر نيازمند دانش تئوريك سازه‌اي بالا مي‌باشد. پس از انتخاب سيستم سازه‌اي مناسب شناور دريايي بايد آن را به صورت مناسب تحليل و طراحي نمود. تحليل سيستم را مي‌توان با استفاده از نرم‌افزارهاي قدرتمند موجود انجام داد؛ لكن مسئلة طراحي چنين سازه‌هايي نيز نيازمند تحقيقات فراوان و آشنايي با آئين‌نامه‌هاي مربوطه در كشورهاي مختلف مي‌باشد. چنين تحقيقاتي ممكن است به تهيه و تنظيم دستورالعملها، توصيه‌ها و حتي آئين‌‌نامه‌اي مناسب جهت طراحي سازه‌هاي شناور در شرايط اقليمي خليج‌فارس و بر اساس امكانات و شرايط اجرايي موجود در كشور ما گردد.

 

3- بررسي و انتخاب مصالح جديد متناسب با شرايط خليج ‌فارس

            مصالحي كه به صورت سنتي در ساخت انواع سازه‌هاي موجود در شرايط اقليمي جنوب ايران و به خصوص شرايط اقليمي ساحلي و دريايي خليج‌فارس به‌كار مي‌رفته، عمدتاً فولاد و بتن بوده است. از طرفي شرايط آب و هوايي خليج‌فارس، شرايطي بسيار خشن و متغير بوده، بتن و به خصوص فولاد را به شدت تحت تهاجم قرار مي‌داده است. در اين راستا ضرورت مقابله با اين تهاجم و حفاظت مصالح به كار رفته در منطقه در مقابل عوامل مخرب از ديرباز مورد نظر بوده و كشورهاي پيشرفتة دنيا تحقيقات گسترده‌اي را در اين ارتباط انجام داده و تكنولوژي‌هاي مناسبي را توسعه داده‌اند. با اين وجود در ايران متأسفانه كمتر به صورت علمي به اين مسئله پرداخته شده است. در همين ارتباط انجام تحقيقاتي به صورت زير بسيار مناسب به نظر مي‌رسد.

 

الف- حفاظت كاتديك فولاد در سازه‌هاي فولادي و نيز ميلگردهاي فولادي در سازه‌هاي بتني

            اگرچه حفاظت كاتديك فولاد از ديرباز در دنيا مطرح بوده است؛ در ايران و به خصوص در سازه‌هاي دريايي و ساحلي خليج‌فارس اين مسئله كمتر مورد توجه قرار گرفته است. عمده‌ترين حفاظت به كار گرفته شده در ايران معمولاً‌ استفاده از رنگ‌هاي مخصوص بوده كه اين مسئله در مورد ميلگردهاي به كار رفته در سازه‌هاي بتن‌آرمه قابل استفاده نيست. به همين جهت در سازه‌هاي بتن‌آرمة ساحلي و دريايي خليج‌فارس، بزرگترين مسأله، خوردگي ميلگردها و مترادف با آن زوال و خردشدگي بتن بوده است؛ به طوري كه گاه عمر سازة بتن‌آرمه را به كمتر از 5 سال نيز تقليل داده است. تحقيقات مناسب در اين ارتباط و تنظيم توصيه‌نامه و دستورالعمل مناسب در جهت حفاظت كاتديك فولاد به خصوص در سازه‌هاي بتن‌آرمه، مي‌تواند در اين راستا بسيار راهگشا باشد. اجباري كردن رعايت چنين دستورالعمل‌هايي در سازه‌هاي بتن‌آرمة ساحلي و دريايي جنوب توسط مقامات ذيصلاح، به صرفه‌جويي كلاني در سرمايه‌هاي كشور منجر خواهد شد.

 

ب- استفاده از مصالح جديد به جاي فولاد

            استفاده از مصالح جديد و به خصوص كامپوزيت‌ها به جاي فولاد در دهة اخير در دنيا به شدت مورد علاقه بوده است. كامپوزيت‌ها از يك مادة چسباننده (اكثراً اپوكسي) و مقدار مناسبي الياف تشكيل يافته است. اين الياف ممكن است از نوع كربن، شيشه، آراميد و ... باشند، كه كامپوزيت حاصله به ترتيب، به نام
 AFRP, GFRP, CFRP خوانده مي‌شود. مهمترين حسن كامپوزيت‌ها، مقاومت بسيار عالي آنها در مقابل خوردگي است. به همين دليل كاربرد كامپوزيت‌هاي FRP در بتن‌آرمه به جاي ميلگردهاي فولادي، بسيار مورد توجه قرار گرفته است.

لازم به ذكر است كه خوردگي ميلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان يك مسئلة بسيار جدي تلقي مي‌گردد. تاكنون بسياري از سازه‌هاي بتن‌آرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، كلرورها و ساير عوامل خورنده دچار آسيب جدي گرديده‌اند، چنانچه فولاد به كار رفته در بتن تحت تنش‌هاي بالاتر در شرايط بارهاي سرويس قرار گيرند، اين مسئله به مراتب بحراني‌تر خواهد بود. يك سازة بتن‌آرمة معمولي كه به ميلگردهاي فولادي مسلح است، چنانچه در زمان طولاني در مجاورت عوامل خورنده نظير نمك‌ها، اسيدها و كلرورها قرار مي‌گيرد، قسمتي از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادي كه در داخل بتن زنگ مي‌زند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ريختن پوستة بتن مي‌گردد.

            تاكنون تكنيك‌هايي جهت جلوگيري از خوردگي فولاد در بتن‌آرمه توسعه داده شده و به كار رفته است كه در اين ارتباط مي‌توان به پوشش ميلگردها توسط اپوكسي، تزريق پليمر به سطح بتن و يا حفاظت كاتديك اشاره نمود. با اين وجود هر يك از اين روش‌ها تا حدودي و فقط در بعضي از زمينه‌ها موفق بوده‌اند. به همين جهت به منظور حذف كامل خوردگي ميلگردها، توجه محققين و متخصصين  بتن‌آرمه به حذف كامل فولاد و جايگزيني آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگي معطوف گرديده است. در همين راستا كامپوزيت‌هاي FRP (پلاستيك‌هاي مسلح به الياف) از آنجا كه به شدت در محيط‌هاي نمكي و قليايي در مقابل خوردگي مقاوم هستند، موضوع تحقيقات گسترده‌اي به عنوان يك جانشين مناسب براي فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌هاي ساحلي و دريايي گرديده‌اند.

            لازم به ذكر است كه اگر چه مزيت اصلي ميلگردهاي از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگي است، با اين وجود خواص ديگر كامپوزيت‌هاي FRP نظير مقاومت كششي بسيار زياد (تا 7 برابر فولاد)، مدول الاستيسيتة قابل قبول، وزن كم ، مقاومت خوب در مقابل خستگي و خزش، عايق بودن در مقابل امواج مغناطيسي و چسبندگي خوب با بتن، مجموعه‌اي از خواص مطلوب را تشكيل مي‌دهد كه به جذابيت كاربرد FRP در بتن‌آرمه افزوده‌اند. اگر چه بعضي از مشكلات نظير مشكلات مربوط به خم كردن آنها و نيز رفتار كاملاً خطي آنها تا نقطة شكست، مشكلاتي از نظر كاربرد آنها فراهم نموده‌اند كه امروزه موضوع تحقيقات گسترده‌‌اي به عنوان يك جانشين مناسب براي فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌هاي ساحلي و دريايي گرديده‌اند.

            با توجه به آنچه كه ذكر شد ، بسيار به جاست كه در ارتباط با كاربرد كامپوزيت‌هاي FRP در بتن‌ سازه‌هاي ساحلي و دريايي مناطق جنوبي ايران و به خصوص منطقة خليج‌فارس، تحقيقات گسترده‌اي صورت پذيرد. در همين راستا مناسب است كه تحقيقات مناسبي بر انواع كامپوزيت‌هاي FRP (AFRP, CFRP, GFRP) و ميزان مناسب بودن آنها براي سازه‌هاي دريايي كه در منطقة خليج‌فارس احداث شده است، صورت پذيرد. اين تحقيقات شامل پژوهش‌هاي گستردة تئوريك بر رفتار سازه‌هاي بتن‌آرمة متداول در مناطق دريايي (به شرط آنكه با كامپوزيت‌هاي FRP مسلح شده باشند) خواهد بود. در همين ارتباط لازم است كارهاي تجربي مناسبي نيز بر رفتار خمشي، كششي و فشاري قطعات بتن‌آرمة مسلح به كامپوزيت‌هاي FRP صورت پذيرد.

لازم به ذكر است كه چنين تحقيقاتي در 10 سال اخير در دنيا صورت گرفته كه نتيجة اين تحقيقات منجمله آئين‌نامة ACI-440 است كه در چند سال اخير انتشار يافته است. با اين وجود كامپوزيت‌هاي FRP در ايران كماكان ناشناخته باقي مانده است و به خصوص كاربرد آنها در بتن‌آرمه در سازه‌هاي ساحلي و دريايي كاملاً دور از چشم متخصصين و مهندسين ايراني بوده است. تحقيقاتي كه در اين ارتباط صورت خواهد گرفت، مي‌تواند منجر به تهية دستورالعمل و يا حتي آئين‌نامه‌اي جهت كاربرد FRP در بتن‌آرمه به عنوان يك جسم مقاوم در مقابل خوردگي در سازه‌هاي بندري و دريايي ايران گردد. اين حركت مي‌تواند فرهنگ كاربرد اين مادة جديد در بتن‌آرمة ايران را بنيان گذارد و از طرفي منجر به صرفه‌جويي‌ ميلياردها ريال سرمايه‌اي ‌شود كه متأسفانه همه ساله در سازه‌هاي بتن‌آرمة احداث شده در مناطق جنوبي ايران (به خصوص در مناطق بندري و دريايي)، به جهت خوردگي ميلگردها و تخريب و انهدام سازة بتني، به‌هدر مي‌رود.

 

ج- افزايش پايايي بتن در محيط خورندة دريايي

            بتن به عنوان يك مادة ساختماني بسيار خوب، در 100 سال گذشته مورد استفاده قرار گرفته است. مقاومت فشاري بسيار خوب بتن و تركيب مناسب آن با فولاد، و نيز شكل‌پذيري مناسب آن به توسط قالب، از عوامل مؤثر در كاربرد بهينة بتن محسوب مي‌شده است. با اين وجود، دوام و پايايي بتن از مسائلي است كه در كنار ساير مسائل مربوط به بتن، مورد توجه قرار مي‌‌گيرد. پايايي بتن در محيط‌هاي خورنده و به خصوص محيط‌هاي ساحلي و دريايي (و بالاخص شرايط بسيار خورندة خليج‌فارس)، از مسائلي است كه كاربرد بتن را در آن شرايط، به صورت جدي مورد ترديد قرار داده است. اين مسئله تا آنجا جلو رفته است كه بتن‌هاي ساخته شده در شرايط آب و هوايي خليج‌فارس، تحت تأثير يون‌هاي كلرور و سولفات، گاه عمري كمتر از يك‌سال از خود بروز داده‌اند.

            تاكنون تحقيقات مفصلي در دنيا در جهت بهبود پايايي بتن در محيط‌هاي خورنده صورت گرفته است. اين تحقيقات شامل مسائل مختلفي از جمله افزودن مواد پوزولاني نظير ميكروسيليس، سرباره و ... به بتن به عنوان جايگزين قسمتي از سيمان، و نيز افزودن مواد شيميايي مضاف مناسب، و حتي انتخاب دانه‌بندي به خصوص مي‌باشد. با اين حال چنين تحقيقاتي هنوز كامل نشده و هنوز هم زمينة گسترده‌اي جهت تحقيقات مفصل‌تر وجود دارد. بدين ترتيب مي‌توان در يك پروژة مستقل، افزايش پايايي و دوام بتن در شرايط محيطي خليج‌فارس را مورد مطالعه قرار داده و با ساخت نمونه‌هايي در شرايط تشديد شده در آزمايشگاه، قابليت اعتماد روش‌هاي پيشنهادي جهت بهبود پايايي بتن در شرايط نامساعد را سنجيد.

 

4- تعمير بتن در مناطق دريايي

            در مناطق گرمسيري و دريايي، به سبب وجود شرايط محيطي حاد و خورنده، سازه‌هاي بتن‌آرمه در معرض ابتلا به انواع خرابي‌ها قرار دارند. در حال حاضر سالانه براي ترميم خرابي‌هاي آرماتور و خسارت ناشي از آن، ميلياردها دلار در سراسر دنيا هزينه مي‌شود. تعمير بتن در مناطق دريايي شامل تعمير بتن در خارج از آب و تعمير آن در داخل آب مي‌گردد. در خارج از آب عمده‌ترين خرابي‌ها ناشي از خوردگي ميلگرد در بتن، خرابي سولفاتي، واكنش قليايي سنگدانه‌ها و كربناتي‌ شدن بتن مي‌باشد كه سبب خوردگي فولاد مي‌گردد. تعمير سازه‌هاي بتني در زير آب مسائل پيچيده و مشكلي را در بردارد. هر چند كه روش‌هاي تعمير و نوع مصالحي كه به كار مي‌رود شبيه به حالت‌هاي تعمير بتن در خارج از آب است، ولي شرايط سخت محيطي و مشكلاتي كه كار در زير آب و يا در ناحية پاشش آب به همراه دارد، تفاوت‌هاي عمده‌اي را ايجاد مي‌كند. فرسايش و تخريب بتن در نواحي جزر و مد و يا در ناحية پاشش آب نيز يك مسئلة جدي از نقطه‌نظر اقتصادي مي‌باشد. موج آب كه حاوي اكسيژن و املاح متعددي مي‌باشد، اثر تخريبي مؤثري بر سنگدانه‌هاي بتن دارد.

            از نقطه‌نظر اقتصادي، پيشگيري از ايجاد خرابي مقدم بر تعمير بتن مي‌باشد؛ هر چند كه در زماني كه انجام تعميرات اجتناب‌ناپذير است، به‌كارگيري اصول علمي ضرورت مي‌يابد. با توجه به اهميت موضوع، مراكز علمي متعددي در سراسر جهان بر روي نكات علمي و اجرايي تعميرات بتن در حال فعاليت و تحقيق مي‌باشند كه با توجه به وجود هزاران كيلومتر مرز آبي در كشور و وجود بسياري از مراكز اقتصادي و صنعتي در اين نواحي، ضرورت انجام فعاليت‌هاي علمي و تحقيقات، با هدف تهيه و تدوين استانداردها و آئين‌نامه‌هاي علمي، در اين  زمينه به خوبي حس مي‌گردد.

بعضي از زمينه‌هاي تحقيقاتي در اين مورد عبارتند از:

×      بررسي اثر عوامل محيطي بر عملكرد مصالح تعميراتي

×      بررسي رفتار دراز مدت مصالح تعميراتي

×      عوامل مؤثر بر روش‌هاي تعمير

×      كاربرد رزين‌ها در تعميرات بتن

×      كاربرد بتن پليمري در تعميرات بتن

×      تعمير بتن با استفاده از كامپوزيت‌هاي اليافي

×      روش‌هاي علمي ارزيابي تعميرات بتن

 

5- استفاده از روش‌هاي عددي در طراحي و پيش‌بيني‌ عملكرد سيستم‌هاي حفاظت كاتدي

            با توجه به حجم سنگين سرمايه‌گذاري‌هاي انجام شده بر روي تأسيسات در حوزه‌هاي دريايي كشور، اهميت مسئلة افزايش دوام و عمر مفيد اين تأسيسات بر كسي پوشيده نيست. يكي از مسائل مهم در حفاظت كاتدي سازه‌هاي دريايي، طراحي و نظارت بر عملكرد سيستم حفاظت كاتدي مي‌باشد. در روش سنتي طراحي سيستمهاي حفاظت كاتدي، تنها معيار طراحي شدت جريان الكتريكي مورد نياز مي‌باشد. با توجه به اين كه در شرايط واقعي، پارامترهاي متعدد و متغيري همچون درجة حرارت، شوري و سرعت حركت جريان آب و همچنين شرايط هندسي سازه نيز بر عملكرد سيستم حفاظت كاتدي تأثيرگذار مي‌باشند، بنابراين روش سنتي از دقت كافي برخوردار نمي‌باشد و به ميزان زيادي بستگي به تجربه و مهارت مهندس طراح دارد. پيچيدگي هندسي و شرايط محيطي در اغلب مسائل علمي سبب مي‌گردد كه انجام يك آناليز دقيق بر روي عملكرد يك سيستم حافظت كاتدي بدون استفاده از روش‌هاي عددي، كاري دشوار و تقريباً غير ممكن باشد.

            يكي از پيش‌نيازهاي آناليز عملكرد سيستم حفاظت كاتدي در يك سازة دريايي، دست‌يابي به حل عددي پديدة خوردگي گالوانيكي اين سازه‌ها مي‌باشد. پديدة فيزيكي خوردگي گالوانيكي را مي‌توان يك مسئلة مقدار مرزي در ميدان الكتروليت آب دريا توصيف نمود. چنانچه مشخصة توزيع پتانسيل نسبي هر نقطه نسبت به پتانسيل مرجع به عنوان متغير ميدان و مشخصة شارة جريان پلاريزة سطحي به عنوان شرط مرزي طبيعي فرض گردد، اين مسئلة مقدار مرزي با يك معادلة ديفرانسيل با مشتقات پاره‌اي لاپلاس تبيين مي‌شود.

            در سال‌هاي اخير با توجه به روند رو به رشد كاربرد روش‌هاي عددي در حل مسائل خوردگي، نرم‌افزارهاي متنوعي بر مبناي روش‌هاي تفاوت‌هاي محدود (FD)، اجزاء محدود (FEM) و مرزهاي محدود (BEM) بسط و توسعه داده شده است و فعاليت‌هاي تحقيقاتي در اين زمينه ادامه دارد.

            از جمله مواردي كه به عنوان زمينه‌هاي تحقيقاتي مي‌تواند مورد توجه قرار گيرد، موارد زير مي‌باشند:

×      حل عددي پديدة خوردگي گالوانيكي

×      به‌ كارگيري روش‌هاي عددي در طراحي سيستم‌هاي حفاظت از خوردگي

×      توسعه و بسط نرم‌افزارهاي كاربردي

×      به‌ كارگيري روش‌هاي عددي در پيش‌بيني فرآيند خوردگي در انواع سازه‌ها و شناورهاي دريايي

 

6- پايداري اجزاء سازه‌اي در مسائل دريايي

الف- مطالعات شكل‌پذيري سازه‌هاي دريايي در مقابل زلزله و واكنش سكو‌هاي دريايي

            هنگامي كه سكوهاي دريايي تحت تأثير نيروهاي سيكلي زلزله قرار مي‌گيرند، ظرفيت جذب انرژي آنها شديداً به شكل‌پذيري سازة آن بستگي پيدا مي‌كند. پارامترهاي مؤثر در اعضاي مختلف سازه‌هاي دريايي مي‌تواند تأثير به سزايي در ظرفيت شكل‌پذيري اين‌گونه سازه‌ها ايفا نمايد. هدف از اين مطالعه بررسي كلي شكل‌پذيري در سكوهاي دريايي و تعيين پاسخ سكو در مقابل نيروهاي ديناميكي ناشي از زلزله است.

 

ب- كمانش الاستيك و پلاستيك اعضاي سازه‌هاي دريايي

            اعضاي مهاري سكوهاي دريايي در مقابل بارهاي وارده بايد نيروهاي محوري زيادي را تحمل نمايند. اين نيروها همراه با نيروهاي عرضي وارد بر عضو، ظرفيت خمشي مهار سازه‌هاي دريايي را به طور قابل ملاحظه‌اي كاهش مي‌‌دهد. رفتار يك عضو مهاري يك سكوي دريايي مي‌تواند به نواحي قبل و بعد از كمانش الاستيك و غير الاستيك آن كه نهايتاً‌ منجر به كاهش شديد مقاومت آن مي‌گردد، تقسيم‌بندي شود.

            با توجه به مطلوبيت وقوع كمانش غيرالاستيك بعد از تسليم شدن عضو، بررسي كمانش الاستيك و غيرالاستيك اين‌گونه سازه‌ها از مسائل مهم در طراحي اجزاء پلاتفورم‌هاي دريايي است.

 

ج- روش‌هاي تحليلي در تعيين مقاومت نهايي سازه‌هاي دريايي در اثر زلزله

            روش‌هاي تحليلي گوناگوني با فرضيات خاص جهت تحليل مقاومت نهايي سازه‌هاي دريايي در مقابل نيروهاي سيكلي توسط پژوهشگران ارائه شده است. همة اين روش‌ها بر اساس مدل‌سازي سازه‌اي اعضاي سكوهاي دريايي استوار است كه در نتيجه نمي‌تواند به طور دقيق و صحيح رفتار واقعي آنها را مدل نمايد. از اين رو تعيين مناسب‌ترين روش تحليل در تعيين مقاومت نهايي اهميت ويژه‌اي دارد.

 

د- تعيين مودهاي انهدامي سازه

            سكوهاي دريايي عمدتاً‌با مودهاي پرتال Portal و به صورت خمشي و يا با مود Strut  به صورت محوري دچار انهدام مي‌گردند. ابعاد و شكل سازه تأثير فراواني در نوع وقوع مود انهدام دارد. در بعضي مواقع به علت نوع سازه و بارگذاري، تركيبي از مودهاي مختلف پارامتر تعيين‌كننده‌اي در انهدام اين‌گونه سازه‌ها است.

            هدف از اين پژوهش تعيين مودهايي از سازه است كه امكان انهدام موضعي و يا كلي سازه در آن محتمل‌تر باشد.

 

هـ- پايداري الاستيك و غيرالاستيك ورقها و اعضاي سخت‌كننده در سازة دريايي

            ورقها و اعضاي متشكل از ورقهاي لايه‌لايه به دليل دارا بودن مقاومت بالا و وزن كم به طور روزافزون در صنايع دريايي استفاده مي‌شود. بهبود دقت و شايستگي تحليل پايداري الاستيك و غيرالاستيك چنين سازه‌هايي توجه بسياري از محققين را به خود جلب كرده است.

            در اين پژوهش بر اساس روش‌هاي نوارهاي محدود مختلط و با استفاده از تئوري تغيير شكل برشي با مرتبة بالاتر، تئوري ورقها و ورقهاي سخت شدة ضخيم توسعه يافته و منحني‌هاي طراحي براي وقوع تسليم قبل از پديده كمانش ارائه خواهد شد.

 

و- بررسي رفتار بعد از كمانش عناصر مقاوم سازه‌هاي دريايي در مقابل بارهاي سيكلي

            عناصر مقاوم در سازه‌هاي دريايي هنگامي كه تحت تأثير نيروهاي فشاري زيادي قرار مي‌گيرند، كمانش‌هاي كلي و موضعي در آنها پديد مي‌آيد. در اغلب مواقع كمانش اوليه باعث انهدام سازه نخواهد شد و عضو سازة دريايي قادر خواهد بود نيروهاي بيشتر از مقدار بار بحراني كمانش اولية خود را تحمل نمايد. هدف از اين پژوهش تحليل قدرت بعد از كمانش كلي و موضعي اعضاي تشكيل‌دهندة سازه‌هاي دريايي است.

 

7- آناليز ديناميكي سازه‌هاي دريايي

            تحليل و طراحي سازه‌هاي ساحلي و دريايي خصوصاً‌ سازه‌هاي سطحي و سازه‌هاي غوطه‌ور در آب‌هاي سطحي و كنار ساحل به روش ديناميكي تقريباً غيرقابل انكار است. به عبارتي به دليل وجود امواج و ضربه‌هاي ناشي از اين امواج و نيز ضربه‌هاي جسم به جسم نظير ضربة ناشي از برخورد كشتي‌ها با سواحل و يا سكوها، آناليز ديناميكي اين‌گونه سازه‌ها اجتناب‌ناپذير است. علاوه بر اين برج‌هاي دريايي كه داراي ارتفاع قابل توجهي در بيرون از آب بوده و پاية آنها در آب قرار مي‌گيرند، تحت بارگذاري ديناميكي باد رفتاري وابسته به زمان دارند كه امكان استفاده از هر نوع راه‌حل استاتيكي و يا شبه ديناميكي را براي رسيدن به جواب منتفي مي‌سازد.

            باد و زلزله نوع ديگري از بارگذاري ديناميكي بر روي سازه‌هاي دريايي است كه اگر چه ممكن است در بعضي از مناطق دريايي تعيين‌كننده نباشد، ليكن در بسياري از مناطق كه در محدوده يا مجاورت نوار لرزه‌خيز اقيانوس‌ها واقع شده است، بعضاً ممكن است نقش تعيين كننده‌ داشته باشد.

            از ويژگي‌هاي تمام انواع بارگذاري‌هاي فوق‌الذكر، طبيعت nondeterministic  بودن آنها است كه اجازة آناليز ديناميكي deterministic را نمي‌دهد و لذا بايد متوسل به راه‌حل‌هاي stochastic شد. بنابراين يكي از مسائل مطرح در آناليز و طراحي سازه‌هاي دريايي، ارائة مدل تصادفي بارگذاري‌هايي نظير بار باد، امواج و زلزله است كه چنانچه اين مدل تصادفي بر اساس آمارهاي چندين ساله با دقت بالا به نحو مطلوب ارائه شود، امكان حصول يك جواب مبتني بر واقعيات تصادفي بودن بارگذاري را ميسر مي‌سازد. واضح است كه در اين آناليز، اطلاعات آماري دو پديدة مهم حركت امواج و وزش باد، و نيز اطلاعات لرزه‌خيزي دوره‌هاي طولاني‌تر منطقه، نقش اساسي را بازي مي‌كند.

            مسئلة اندركنش (Interaction) از مسائل مهم ديگري است كه در مورد سازه‌هاي دريايي، خصوصاً آنهايي كه نيروهاي برخورد امواج، نيروهاي خط مقدم براي آنها محسوب مي‌شوند، بسيار با اهميت جلوه مي‌كند. نيروهاي هيدروديناميكي امواج كه در برخورد با موانع از جمله پايه يا بدنة ‌سازه اهميت پيدا مي‌كند، علاوه بر شكل ظاهري سازه تا حدود زيادي به چگونگي پاسخ سازه كه خود تابعي از آن نيروهاست، بستگي پيدا مي‌كنند. دسترسي به جواب در مورد اين‌گونه مسائل وقتي ميسر است كه كل سيستم شامل سازه و محيط مجاور تحريك‌كننده و مؤثر در حركت سازه به طور پيوسته مدل شوند. مدل اجزاء محدود بسيار مؤثر و كارآ است، مشروط بر اينكه يك اساس منطقي و قابل اتكاء براي مرتبط نمودن متغيرهاي اصلي دو محيط مجاور در گره‌هاي مشترك پايه‌گذاري شود. از جمله اندركنش‌هاي مهم در مورد سازه‌هاي دريايي مي‌توان به اندركنش آب–سازه، خاك–سازه، آب–خاك–سازه، و اندركنش دو سازه كه معمولاً يك يا هردوي آنها متحرك هستند، اشاره نمود.

            با توجه به بحث فوق، محورهاي تحقيقاتي زير كه عمده مسائل علمي اين زمينه را در برمي‌گيرند، معرفي مي‌شوند. واضح است كه هر يك از اين محورها با توجه به سليقه و توانايي پژوهشگران علاقمند قابل تجزيه به پروژه‌هاي خاص با دامنة كاربرد محدود و يا فرضيات مشخص مي‌باشند.

 

الف- آناليز زلزله سازه‌هاي برون‌ساحلي با درنظر گرفتن اثرات اندركنش آب–سازه

            تاكنون تحقيقات گسترده‌اي در زمينة آناليز زلزلة سازه‌هاي واقع بر زمين انجام شده و نتايج فراوان كاربردي حاصل شده است. همين مسئله در شرايطي كه خاك زير سازه نرم باشد نيز سالهاست مورد توجه محققين واقع شده و نتايج گسترده‌اي از حل آن استخراج شده است. در مسألة اخير، اندركنش خاك–سازه و پيشنهادات مختلف براي مدل نمودن آن مورد توجه واقع شده است. بر خلاف دو مورد فوق، مسئلة آناليز سازه‌هاي برون‌ساحلي تحت اثر حركت لرزه‌اي زمين به دليل پديدة اندركنش آب-سازه كه علاوه بر خواص فيزيكي جرم و سختي سازه، به شكل هندسي و سطح مانع درمقابل آب بستگي پيدا مي‌كند، هنوز با ابهامات زيادي روبرو است. در اين محور تحقيقاتي، پروژه‌هاي متعددي را مي‌توان تعريف نمود كه اگر با موفقيت انجام شود، به گوشه‌اي از ابهامات فوق‌الذكر پاسخ داده مي‌شود.

 

ب- آناليز غيرخطي سازه‌هاي دريايي با اثر اندركنش آب–سازه

            از آنجا كه روش مؤثر براي آناليز سازه‌هاي دريايي يك روش nondeterministic مبتني بر مدل stochastic بارگذاري است، لذا چنانچه بر اساس ملاحظات اقتصادي انتظار رفتار خطي اين‌گونه سازه‌ها فقط تا حد ميانگين شدن تصادفي بارگذاري برآورده شود، واضح است كه در شرايط خشن امواج يا هر سيستم ديگر اعمال بار، رفتار سيستم سازه، غيرخطي خواهد بود. خوشبختانه طبيعت نوساني بارهايي از نوع بار امواج يا بار باد، طراحي غيرخطي سازه‌ها را در شرايط ويژه توجيه‌پذير مي‌سازد؛ در اين زمينه اگرچه پژوهشگراني فعاليت داشته‌اند، ليكن امكان فعاليت‌هاي تحقيقاتي گسترده بر اساس تعريف پروژه‌هاي متعدد وجود دارد.

 

ج- بررسي رفتار خستگي اتصالات لوله‌هاي سازه‌هاي دريايي تحت بارهاي ديناميكي امواج

بنا به دلايل متعددي اعضاء فولادي سكوهاي دريايي، مقاطع لوله‌اي شكل هستند كه در محل اتصالات به يكديگر جوش مي‌شوند. به سبب طبيعت چرخه‌اي بودن نيروهاي امواج دريايي و تعداد زياد اين چرخه‌ها در طول عمر مفيد سكوها، خستگي ناشي از اين نيروها باعث شكست اتصالات مي‌شود. شكست اتصالات سكوهاي دريايي بر اثر خستگي ناشي از برخورد امواج با سازه دومين علت عمدة شكست‌هاي گذشته بوده است. با طراحي مدل‌هاي متعدد آزمايشگاهي و دسته‌‌بندي اتصالات متداول در سكوها و قرار دادن اين اتصالات در شرايط آبي شبيه آب دريا براي پديد آوردن محيط خورندگي مناسب، مي‌توان تحقيقات در اين محور را تكامل بخشيد.

 

د- نظارت بر سلامتي كامل سازه‌هاي دريايي و پيش‌‌بيني خسارت به روش مودال

Health Monitoring and Damage Detection by Model Analysis

با سرمايه‌گذاري هنگفتي كه در طي دهه‌هاي گذشته خصوصاً سه دهة اخير بر روي ساخت سازه‌هاي مختلف انجام شده است؛ اكنون مسئلة رفتار سلامت اين سازه‌ها نظر محققين را به خود جلب نموده است. اطمينان از سلامت رفتار سازه‌هايي نظير پل‌ها، سكوهايي دريايي و ديگر سازه‌هاي مشابه حياتي است و لذا در دهه‌هاي اخير مبحث سلامت رفتار و كشف خرابي نظر پژوهشگران را در گشودن باب جديدي در زمينة مهندسي به خود جلب نموده است. اين موضوع خصوصاً در زمينة بازرسي پل‌ها و اطمينان از سلامت آنها مورد توجه قرار گرفته است و روشي تحت عنوان روش مودال پايه‌گذاري گرديده است. تحقيقات در اين مورد ادامه دارد و عليرغم پيشرفت‌هاي حاصله هنوز راهي طولاني تا رسيدن به نقطه‌اي كه پاسخ مسائل مهم خسارات سازه‌اي پل‌ها از آن استخراج گردد، باقي مانده است. روش مودال بر پاية تغيير خواص ديناميكي سازة نو و خسارت ديده و مقايسة فركانس‌هاي طبيعي مودها شكل گرفته است.

            دور نماي استفاده از روش مودال در كشف خسارات سازه‌هاي دريايي، دورنماي بسيار اميدوار كننده‌اي است كه پيش‌بيني مي‌شود به زودي منجر به ارائة جواب‌هاي كاربردي شود. اين روش و گسترش آن به منظور كشف خسارات سازه‌هاي دريايي مي‌تواند به عنوان يك محور كاملاً نو و مهم مورد توجه قرار گيرد. پيشرفت در اين مورد مستلزم فعاليت همزمان تئوريك و انجام تست‌هاي آزمايشگاهي مي‌باشد.