خلاصه
در طراحی برج‌های خنک‌کننده فولادی نیروگاهی، به‌ویژه در سیستم‌های مبتنی بر سازه فضاکار (Space Frame Structure )، رفتار اتصالات نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد کلی سازه دارد. این نوع سیستم‌ها که به‌عنوان شبکه فضایی فولادی یا سازه خرپایی فضایی (3D Truss Structure) نیز شناخته می‌شوند، به دلیل ماهیت سه‌بعدی خود نیازمند اتصالاتی هستند که بتوانند نیروها را در چند جهت به‌صورت هم‌زمان منتقل کنند.
در این میان، اتصال شش‌پر (Hexa-node / Space Frame Joint) به‌عنوان یکی از پیونده های اصلی در سازه فضاکار دولایه (Double Layer Space Frame)، باید توانایی تحمل هم‌زمان نیروهای کششی و فشاری را داشته باشد و در عین حال سختی و پایداری کافی را برای کل سیستم تأمین کند. عملکرد این نوع اتصال تأثیر مستقیم بر پایداری سازه فضایی، توزیع نیروها و کنترل تغییرشکل‌ها در برج‌های خنک‌کننده (کولینگ تاور) فولادی دارد.
در این پژوهش، رفتار سازه‌ای اتصال شش‌پر در یک سیستم سازه فضاکار صنعتی مورد بررسی قرار گرفته است. این اتصال به‌عنوان یکی از مهم‌ترین عناصر انتقال نیرو در شبکه فضایی فولادی، تحت شرایط مختلف بارگذاری تحلیل شده و نقش آن در عملکرد کلی سازه ارزیابی گردیده است. نتایج نشان میدهد که در سیستم‌های شبکه های فضاکار دولایه Space Frame System دولایه، به دلیل مسیرهای متعدد انتقال نیرو و هندسه سه‌بعدی، عملکرد سازه از نظر سختی، پایداری و کنترل تغییرشکل نسبت به سیستم‌های تکلایه به‌مراتب بهتر است.
همچنین بررسی پارامترهای طراحی نشان میدهد عواملی مانند عمق شبکه فضاکار، چگالی اعضا، نوع مقاطع فولادی، هندسه سازه و نحوه آرایش گره‌ها تأثیر مستقیمی بر مقاومت نهایی سازه فضایی (Space Structure) دارند. در این میان، بار باد به‌عنوان عامل غالب طراحی در نظر گرفته میشود، زیرا در سازههای سبک فولادی مانند سازه فضاکار برج خنک‌کننده، اثر زلزله کاهش یافته و کنترل پاسخ سازه در برابر باد اهمیت بیشتری پیدا میکند.
برای تحلیل دقیق رفتار اتصال شش‌پر سازه فضاکار (Hexa-node Connection)، مدل‌سازی عددی با استفاده از نرم‌افزار Abaqus انجام شد و این اتصال تحت ۱۳ حالت مختلف بارگذاری به‌صورت غیرخطی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تحلیل نشان داد که در شرایطی که نیروهای کششی و فشاری به‌صورت هم‌زمان به اتصال وارد می‌شوند، کاهش سختی و افت ظرفیت باربری اتصال به‌طور محسوس رخ میدهد. همچنین نتایج حاصل از نمودارهای نیرو–تغییرمکان و توزیع تنش نشان داد که روند آغاز تسلیم و شکست اتصال در شرایط بحرانی به‌صورت دقیق قابل شناسایی است.
در ادامه، مطالعه پارامتریک بر روی ضخامت صفحات و سخت‌کننده‌های اتصال انجام شد تا اثر آن‌ها بر ظرفیت نهایی بررسی شود. نتایج نشان داد که ضخامت صفحه اصلی در اتصالات سازه فضاکار فولادی بیشترین تأثیر را بر مقاومت نهایی دارد و انتخاب بهینه آن میتواند علاوه بر افزایش ظرفیت باربری، موجب بهینه‌سازی اقتصادی و اجرایی در طراحی سازههای فضاکار صنعتی و برج‌های خنک‌کننده فولادی شود.
توزیع تنش فون‌مایزز در عضو انتهایی برج خنک‌کننده با سازه فضاکار دولایه تحت حداکثر کشش
دو نمونه از برج‌های شبکه‌ای شوخوف
برج‌های شبکه‌ای تکلایه با حلقه‌های سخت (تقویتی): الف) برج قیفی، ب) برج هذلولی
نمونه‌ای از کاربرد اعضای مرکب در برج‌های شبکه‌ای تکلایه
مشخصات کلی برج شماره دو
جزئیات پیوند شش‌پر در برج شماره یک در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، با کاربرد در شبکه دولایه برج
برج دولایه شماره یک: مقطع ارتفاعی برج
الف) بخشی از نمای جانبی، ب) مقطع افقی برج، ج) مرحله‌ای از ساخت برج، د) حلقه اول (+11m) تکمیل‌شده و بخشی از حلقه دوم (+18m)
مراحلی از ساخت برج شماره یک
بررسی پوش نیروهای کششی وارد بر پیوند شش‌پر در برج شماره یک در سازه فضاکار (اسپیس فریم) با روش ASD، شامل تحلیل نیروها
نمونه جزئیات انتهایی اعضا و نحوه بستن اعضای برج شماره دو به پیوند شش‌پر
نمودار نیرو–تغییر شکل و توزیع تنش در حالت C0 در سازه فضاکار (اسپیس فریم)
الف) شبکه‌بندی اجزای محدود، ب) مدل محاسباتی فولاد پیوند
توزیع تنش فون میسز در پیوند برج شماره دو در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل تحلیل تنش معادل در حالت بارگذاری مختلف و بررسی عملکرد اتصال در سیستم space frame و رفتار سازه‌ای در اتصالات سازههای شبکه‌ای فلزی
نتیجه گیری
تعیین مقاومت و سختی اتصالات در شبکه های فضا کار برج های خنک کننده متوالی (Space Frame Structure) به دلیل ماهیت سه‌بعدی و وجود حالت‌های ترکیبی بارگذاری، همواره یکی از مسائل پیچیده در تحلیل این نوع سازه‌ها محسوب میشود. در این پژوهش، حد مقاومت و سختی اتصال شش‌پر (Hexa-node Connection) در دو برج خنک‌کننده فولادی سه‌راهه با سیستم شبکه فضایی دولایه (Double Layer Space Frame) مورد بررسی قرار گرفت.
در ابتدا، دامنه و الگوی نیروهای وارد بر برج‌های خنک‌کننده فولادی استخراج شد و بر اساس آن، حالات بارگذاری از C0 تا C12 تعریف گردید. سپس این حالات با استفاده از نرم‌افزار Abaqus 6.10.1 و با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی فولاد تا مرحله نزدیک به خرابی اتصال، به‌صورت عددی تحلیل شدند. نتایج به‌دست‌آمده از تحلیل غیرخطی نشان داد که می‌توان کرانه پایین ظرفیت باربری اتصال شش‌پر در سازه فضاکار صنعتی را با دقت قابل قبولی تعیین کرد.
در ادامه، مطالعه پارامتریک بر روی اتصال انجام شد تا اثر تغییر ضخامت بال‌ها و صفحات سخت‌کننده بر رفتار سازه‌ای بررسی شود. با اعمال تغییر در میزان بارگذاری و ارزیابی پاسخ اتصال، ابعاد هندسی بهینه برای عملکرد مناسب اتصالات شبکه فضاکار فولادی استخراج گردید. نتایج نشان داد که ضخامت ورق اصلی و سخت‌کننده‌ها نقش کلیدی در افزایش سختی، ظرفیت باربری و بهبود رفتار کلی اتصال دارند.
در نهایت، این مطالعه نشان میدهد که طراحی بهینه اتصال شش‌پر در سیستم‌های سازه فضایی برج خنک‌کننده فولادی میتواند به شکل قابل توجهی باعث افزایش پایداری، بهبود عملکرد سازه در برابر بارهای ترکیبی و بهینه‌سازی اقتصادی در طراحی سازههای فضاکار صنعتی شود.