The Ultimate Strength of Hexa-node for Double-Layer Lattice Cooling Towers

چکیده

The paper studies the ultimate strength of Hexa-node, the structural node used in the construction of a number of double-layer funnel lattice steel cooling towers in Iran. Understanding the ultimate and the working strength and stiffness of the possible connections is required for the design of a spatial structure. Comparison of numerical modelling with the experimental results is the most useful method to investigate the structural behaviour of the joints. The geometry and proportions of a particular connection depends on various factors such as the magnitude of forces, the size of the structural members, the end-details of the elements, the method of construction and economic factors. Considering various factors, hexa-node was selected for the design of a number of lattice steel cooling towers. The numerical modelling is used to obtain the structural strength of the hexa-node with Abaqus 6.10-1. Several multi-directional load conditions that could occur during the life-time of the tower were considered in obtaining the load-displacement diagrams of the hexa-node.

چکیده فارسی

این مقاله مقاومت نهایی گره شش‌وجهی، یعنی گره سازه‌ای مورد استفاده در ساخت تعدادی از برج‌های خنک‌کننده فولادی مشبک دو‌لایه قیفی‌شکل در ایران را بررسی می‌کند. در طراحی سازه‌های فضاکار، شناخت مقاومت نهایی، مقاومت بهره‌برداری و سختی اتصالات مختلف ضروری است. مقایسه مدل‌سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی، مفیدترین روش برای بررسی رفتار سازه‌ای اتصالات به شمار می‌رود. هندسه و ابعاد یک اتصال خاص به عوامل گوناگونی مانند مقدار نیروها، ابعاد اعضای سازه‌ای، جزئیات انتهایی اعضا، روش ساخت و عوامل اقتصادی بستگی دارد. با درنظر گرفتن این عوامل، گره شش‌وجهی برای طراحی تعدادی از برج‌های خنک‌کننده فولادی مشبک انتخاب شد. برای تعیین مقاومت سازه‌ای این گره، از مدل‌سازی عددی در نرم‌افزار تحلیل اجزای محدود استفاده شده است. همچنین چندین حالت بارگذاری چندجهتی که ممکن است در طول عمر برج رخ دهند، در استخراج نمودارهای بار–تغییرمکان گره مورد بررسی قرار گرفتند.

کلیدواژه‌ها

سازه‌های فضاکار؛ برج‌های خنک‌کننده مشبک؛ گره شش‌وجهی (هگزا-نود)؛ مقاومت نهایی.

متن مقاله

خلاصه

در این پژوهش، مقاومت نهایی و رفتار سازه‌ای اتصال شش‌پر (Hexa-node) در سازه‌ فضاکار و برج‌های خنک‌کننده فولادی مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل پیچیدگی رفتار اتصالات فضاکار و وجود نیروهای سه‌بعدی کششی و فشاری، تعیین ظرفیت باربری و سختی این اتصالات اهمیت زیادی در طراحی سازه‌های فولادی و سیستم‌های فضاکار دارد.

در این مطالعه، دو برج خنک‌کننده فولادی با شبکه‌بندی دولایه تحلیل شده و ابتدا پوش بارگذاری و دامنه نیروهای وارد بر اعضا تعیین گردید. سپس اتصال Hexa-node تحت سیزده حالت مختلف بارگذاری با استفاده از نرم‌افزارAbaqus و روش تحلیل المان محدود به‌صورت غیرخطی مدل‌سازی شده تا رفتار تنش، تغییرشکل و مکانیزم شکست اتصال بررسی شود.

نتایج نشان داد عملکرد اتصال شش‌پر در شبکه فضا کار برج های خنک کن فولادی به شدت تحت تأثیر ترکیب هم‌زمان نیروهای کششی و فشاری قرار دارد و در شرایط بحرانی، کاهش سختی و ظرفیت باربری اتصال مشاهده می‌شود. همچنین مطالعه پارامتریک روی ضخامت صفحات و سخت‌کننده‌ها نشان داد ضخامت صفحه اصلی اتصال بیشترین تأثیر را بر مقاومت نهایی و پایداری سازه فضایی مذکور دارد.

این پژوهش نشان می‌دهد استفاده ازآزمایشات تجربی در مدل‌سازی عددی، تحلیل غیرخطی و شبیه‌سازی دقیق اتصالات می‌تواند در بهینه‌سازی طراحی اتصالات فولادی، کاهش وزن سازه‌های فضاکار و افزایش عملکرد برج‌های فولادی نقش مؤثری داشته باشد.

شکل ۱. برج خنک‌کننده دولایه: (الف) مقطع، (ب) نمای جانبی بخشی از سازه، (ج) رینگ در تراز +۱۱ متر، (د) یکی از مراحل ابتدایی ساخت (رینگ +۱۱ متر به‌صورت کامل ۳۶۰ درجه اجرا شده و رینگ +۱۸ متر تا ۴۵ درجه تکمیل شده است).

برج خنک‌کننده دولایه, (a) مقطع، (b)نمای جانبی بخشی از سازه، (c) رینگ در تراز +۱۱ متر،
(d) یکی از مراحل ابتدایی ساخت (رینگ +۱۱ متر به‌صورت کامل ۳۶۰ درجه اجرا شده و رینگ +۱۸ متر تا ۴۵ درجه تکمیل شده است).

(چپ) دو گره هگزا در برج، و (راست) نمای نزدیک از یک گره هگزا.

هندسه گره هگزا.

جزئیات انتهایی مهاربند و تنش فون‌مایزز آن تحت کشش.

نیروهای حداکثری وارد بر گره هگزا در تمامی ترازها (بر حسب کیلونیوتن، علامت + نشان‌دهنده کشش است).

حالت بارگذاری C0، نمودار بار–تغییرمکان.

یک گره هگزا برای آزمایش فشاری یک‌جهته C0 آماده شده است.

حالت بارگذاری C1، نمودار بار–تغییرمکان.

حالت بارگذاری C2، نمودار بار–تغییرمکان.

حالت بارگذاری C3، نمودار بار–تغییرمکان.

حالت بارگذاری C4، نمودار بار–تغییرمکان.

نتیجه گیری

در این پژوهش، مقاومت و سختی اتصال شش‌پر (Hexa-node) مورد استفاده در ساخت برج خنک‌کننده فولادی دولایه بررسی شده است. این اتصال در معرض نیروهای کششی و فشاری چندجهته قرار دارد. بیشینه نیروهای وارد بر اتصال‌های شش‌پر در ترازهای مختلف و تحت تمامی ترکیب‌بارهای قابل اعمال به برج‌های خنک‌کننده، در این مقاله جمع‌بندی شده‌اند.

بر اساس دامنه نیروهای اعمال‌شده، یک اتصال Hexa-node برای حالت‌های بارگذاری C0 تا C12 با استفاده از نرم‌افزار Abaqus 6.10-1 مدل‌سازی شد و نمودارهای بار–تغییرمکان برای هر حالت تا مرحله شکست استخراج گردید. در نهایت، با مقایسه نتایج تمامی حالت‌های بارگذاری، حد پایین ظرفیت باربری اتصال شش‌پر بر اساس معیارهای طراحی فرض‌شده تعیین شد.

منابع

[1][1] Maalek Sh, (1999) Structural Assessment and Quality Control Procedures for the Homa Aircraft Hangar No. 3, International Journal of Space Structures, 14(3), 167-184.

[2][2] Chenaghlou M R, (1997) Semi-Rigidity of Connection in Space Structures, PhD Thesis, University of Surrey.

[3][3] Davoodi M R, Vaseghi Amiri J, Gholampour S, Mostafavian S A, (2012) Determination of Nonlinear Behavior of a Ball Joint System by Model Updating, Journal of Constructional Steel Research, 71, 52-62.

[4][4] Heristchian M, Akbarpoor A, Azadbakht Sh, (2011) Structural behaviour of lattice double-layer steel cooling towers under wind load, 3rd National conference on spatial structures, University of Tehran, Iran.

[5][5] VGB guideline: Structural Design of Cooling Towers, (2005) VGB–R 610 Ue.

[6][6] AISC, (2005) Specification for Structural Steel Buildings, AISC 360-05- Part ASD, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

[7][7] SAP2000 V 14.1, Computers and Structures, Inc.

[8][8] Abaqus 6.10, (2010) Abaqus Analysis User Manual-Dassault Systems Simulia Corp.