دانش فنی طراحی مکانیکی، اجرا و آزمون شمع های مارپیچ (با تاکید بر عملکرد آن در پی دکل های انتقال نیرو)

صاحب اثر: پژوهشگاه نیرو
نوع محتوی: گزارش
Language: Persian
DOI: 10.30503/nripress.2020.002
Document ID: R-1180939
Publish: 19 April 2021
دسته بندی علمی: مهندسی برق و الکترونیک
View: 1,057
Pages: 329
Publish Year: 1399
  • من نویسنده این مقاله هستم

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این Report:

Free download

جهت دریافت فایل های پیوست این Report بایستی عضو سیویلیکا شوید. چنانچه عضو سیویلیکا هستید لطفا ابتدا وارد حساب کاربری خود شوید تا بتوانید فایل ها را مشاهده و دریافت نمایید.

Abstract:

در سال های اخیر استفاده از شمع های مارپیچ به منظور تامین باربری پی انواع سازه ها به دلیل ویژگی های منحصر به فردشان رو به افزایش است.این شمع ها علاوه بر مقاومت فشاری دارای مقاومت کششی نسبتا قابل توجهی می باشند  که این امکان را فراهم می سازد تا از آنها بتوان به عنوان تکیه گاه اعضای کششی در دکل های انتقال و سازه های دیگر استفاده نمود. شمع های مارپیچ در مقایسه با انواع دیگر پی ها دارای مزایای منحصر بفردی می باشند. نصب این شمع ها در خاک های مساله دار و زیر سطح آب به راحتی قابل اجرا می باشد. تجهیزات نصب این شمع ها دارای قابلیت مانور و سهولت اجرایی بیشتر نسبت به دیگر شمع ها هستند. امروزه،تحلیل ظرفیت باربری شمع های مارپیچ همچنان به عنوان موضوعی پیچیده مطرح و و در دست تحقیق است. در این پروژه  با توجه به مزایای ذکر شده برای استفاده از شمع های مارپیچی، دانش بومی طراحی، اجرا و آزمون این شمع ها برای یکی از دکل های عدیده صنعت برق ایران در خطوط انتقال یعنی دکل ۶۳ کیلوولت، با انجام تحلیل های فنی بیشتر و نیز استناد به آیین نامه ها و کتب و مقالات مرتبط و تجربیات اجرایی ایجاد گردید. دلیل انتخاب دکل های ۶۳ کیلوولت برای آزمون این ایده آن است که تعداد قابل توجهی از آن ها در کشور وجود دارد، محدوده بارگذاری های سازه ای این دکل ها در محدوده ظرفیت باربری گروه شمع های مارپیچی قرار دارد و از همه مهمتر، عمده این دکل ها در مناطق صعب العبور با وضعیت نامناسب زمین از نظر باربری قرار داشته و ایده استفاده از شمع های مارپیچی در پی این دکل ها می تواند بسیار راهگشا باشد.همچنین در این پروژه با انجام مطالعات تحلیلی، روش طراحی و اجرا و آزمون عملی شمع های مارپیچ ارائه و با نمونه های اجرا شده، صحت سنجی و تدقیق شد. چکیده نتایج: - یک مطالعه جامع بر روی متون فنی مرتبط انجام شد. - یک روش تحلیلی یکپارچه برای بررسی رفتار مکانیکی و ظرفیت باربری شمع های مارپیچ ارائه شد. - روش مدل سازی عددی سه بعدی شمع های مارپیچ ارائه شد. - راهنمای طراحی، اجرا و آزمون شمع های مارپیچ ارائه شد.

پیش گفتار Report

شمع های مارپیچ از دویست سال گذشته تا به حال در صنعت ساخت وساز در دنیا استفاده می شوند. شمع های مارپیچ از دستۀ پی های عمیق فولادی پیش ساخته با یک یا چند پره هستند که بر اثر چرخش و اعمال گشتاور، درون زمین قرار می گیرند تا سازه را حمایت کنند.از شمع های مارپیچ در پروژه های متعددی در سراسر دنیا استفاده می شود.این شمع ها افزون بر نیروی فشاری، نیروی کششی را نیز تحمل می کنند.از شمع های مارپیچ به عنوان پی برای سازه ها و ساختمان های مسکونی و تجاری، تیر چراغ برق، دکل برق و پل عابر پیاده استفاده می شود.همچنین از این شمع ها می توان به عنوان المان های تقویتی در پی هایی که وجود دارند و در وضعیت بارگذاری جدید قرار می گیرند یا در زمانی که پی موجود آسیب دیده است، استفاده کرد. شمع های مارپیچ را می توان به صورت افقی یا در هر زاویه ای با افق قرار داد. به عنوان یک عضو کششی، شمع مارپیچ می تواند در دیوار نگهبان، سیستم سقف های غشایی، کنترل رانش خط لوله، دکل برق و بسیاری دیگر از سازه ها استفاده شود. از چشم انداز مهندسی و طراحی، این شمع ها می توانند برای انواع مختلف سازه در سایت های مسئله دار استفاده شوند. ازنظر کارفرمایان و مالکان نصب سریع، این شمع ها باعث کاهش هزینه های پروژه می شود و از دیدگاه پیمانکاران، اجرای این شمع ها ساده است و با درجۀ اطمینان بالا به ظرفیت مورد نیاز موجود در طرح می رسد. از دیدگاه عموم، شمع های مارپیچ به عنوان پی های عمیق، راه حلی نوآورانه و مناسب برای مسائل محیط زیستی است.نوشتار پیش رو که به عنوان یک دستورالعمل برای استفاده در مقاصد تحقیقاتی و مهندسی درخصوص طراحی، اجرا و آزمون شمع های مارپیچ ارائه شده، حاصل انجام پروژه ای تحقیقاتی با عنوان «تدوین دانش فنی طراحی مکانیکی، اجرا و آزمون شمع های مارپیچ در دکل های مشبک 63 کیلوولت» است. این کتاب در یازده فصل به ترتیب زیر تدوین شده است:
1 .معرفی اجزاء خطوط انتقال نیرو؛
2 .بارگذاری دکل های انتقال نیرو؛
3 .معرفی شمع های مارپیچ؛
4 .آزمون های قبل از اجرای شمع های مارپیچ؛
5 .ظرفیت باربری شمع های منفرد مارپیچ در کشش و فشار با استفاده از روابط تحلیلی؛
6 .ظرفیت باربری گروه شمع های مارپیچ در کشش و فشار با استفاده از روابط تحلیلی؛
7 .روش مدل سازی عددی در بررسی رفتار مکانیکی شمع های مارپیچ؛
8 .مدل سازی فیزیکی شمع های مارپیچ در آزمایشگاه؛
9 .طراحی سازه ای شمع های مارپیچ؛
10 .نکات اجرایی شمع های مارپیچ؛
11 .روش های آزمون شمع های مارپیچ.
لازم است از همکاری و همراهی آقای دکتر رضا کیهانی برای ویراستاری فنی کتاب، از آقای دکتر عسگر جانعلی زادۀ چوببستی بابت حمایت بی دریغشان و نیز از کارشناسان پژوهشی، خانم دکتر سوده صمیمی، آقای مهندس جعفر ملکی، محمد رضا جهانشاهی، خانم مهندس سحر مختاری جوزانی، بهاره حیدری و هدیه سه لاتهنه که در تهیۀ قسمت های مختلف این کتاب همکاری داشته اند، قدردانی و سپاسگزاری شود.

فهرست مطالب Report

فهرست مطالب

۱ - ۱ - لزوم استفاده از خطوط انتقال نیرو

۱ - ۲ - سطوح ولتاژ و فرکانس شبکه

۱ - ۳ - اجزای خطوط انتقال نیرو

۱ - ۴ - دکل های خطوط انتقال نیرو

۱ - ۵ - انواع خطوط انتقال سه

۱ - ۵ - ۱ - خطوط انتقال تک مداره

۱ - ۵ - ۲ - خطوط انتقال دومداره

۱ - ۵ - ۳ - خطوط انتقال چندمداره

۱ - ۶ - مقره های خطوط انتقال نیرو

۱ - ۷ - انواع اتصالات

۲ - ۱ - مقدمه

۲ - ۲ - دکل مشبک

۲ - ۳ - بارگذاری بر روی دکل

۲ - ۳ - ۱ - تعاريف

۲ - ۴ - محاسبه نیروهای قائم،افقی و طولی در حالت بارگذاری متعادل

۲ - ۴ - ۱ - محاسبه نیروی قائم

۲ - ۴ - ۲ - محاسبه نیروی افقی

۲ - ۴ - ۳ - نیروی افقی حاصل از کشش سیم

۲ - ۴ - ۴ - محاسبه نیروی طولی

۲ - ۵ - محاسبه نیروهای قانچ، افقی و طولی در حالت بارگذاری غیر متعادل

۲ - ۵ - ۱ - پارگی سیم

۲ - ۵ - ۲ - اختلاف بار یخ

۲ - ۵ - ۳ - برج‌های انتهایی

۲ - ۶ - بار ناشی از سیم کشی و تعمیرات خط

۲ - ۶ - ۱ - بار قائم برج آویزی

۲ - ۶ - ۲ - بار طولی برج کششی

۲ - ۷ - بار ناشی از وزن برج

۲ - ۸ - بار ناشی از فشار باد روی برج

۲ - ۹ - ضرایب اضافه بار

۲ - ۱۰ - بارگذاری دکل های ۶۳ کیلوولت مشبک

۳ - ۱ - مزایا و معایب شمع‌های مارپیچ

۳ - ۲ - تأثیر نوع مصالح زمین بر اجرای شمع های مارپیچ

۳ - ۲ - ۱ - سنگ

۳ - ۲ - ۲ - خاک ضعیف و خاک روانگراشونده

۳ - ۲ - ۳ - خاک های لایه ای

۳ - ۲ - ۴ - خاک های حساس دهم

۳ - ۲ - ۵ - خاک های با مانع مانند خاک های با ذرات بزرگ سنگ

۳ - ۳ - فاکتورهای مؤثر در طراحی شمع مارپیچ

۳ - ۳ - ۱ - فاکتورهای هندسی و ساختاری شمع

۳ - ۳ - ۲ - فاکتورهای مؤثر ژئوتکنیکی

۳ - ۳ - ۳ - بارگذاری

۴ - ۱ - آزمون های ژئوتکنیکی

۴ - ۲ - آزمون های شمع

۵ - ۱ - روابط تحلیلی ظرفیت باربری شمع‌های منفرد مارپیچ در فشار

۵ - ۱ - ۱ - روش باربری انفرادی

۵ - ۱ - ۲ - روش برش استوانه ای

۵ - ۲ - روابط تحلیلی ظرفیت باربری شمع‌های منفرد مارپیچ در کشش

۵ - ۲ - ۱ - روابط Perko (۲۰۰۹)

۵ - ۲ - ۲ - ضریب اطمینان

۶ - ۱ - رفتار گروه شمع

۶ - ۱ - ۱ - رفتار کلی گروه شمع

۶ - ۱ - ۲ - رفتار گروه شمع مارپیچ

۶ - ۲ - روابط تحلیلی ظرفیت باربری گروه شمع‌های مارپیچ

۶ - ۳ - فاصله شمع ها در گروه

۷ - ۱ - روش های عددی در مهندسی ژئوتکنیک

۷ - ۲ - معرفی نرم افزارهای المان محدود در مهندسی ژئوتکنیک

۷ - ۲ - ۱ - نرم افزار المان محدود ABAQUS

۷ - ۳ - نتایج مدل سازی های عددی انجام شده بر روی شمع های مارپیچ

۷ - ۴ - فرایند کلی مدل سازی عددی در برنامه آباکوس

۷ - ۵ - مثال موردی

۸ - ۱ - روش سرعت سنجی تصاویر ذرات (PIV)

۸ - ۲ - دستگاه مدل سازی و آزمایش صفحه مهاری، شمع و گروه شمع تحت بارگذاری فشاری و کشش

۸ - ۲ - ۱ - دستگاه فشار همه جانبه مخروطی (FCV)

۹ - ۱ - طراحی کلاهک شمع های مارپیچ

۹ - ۲ - ابعاد صفحات مارپیچ سه ماده

۹ - ۳ - کنترل قطر شفت

۹ - ۴ - کنترل کمانش شفت برای محاسبه طول شفت

۹ - ۴ - ۱ - آنالیز کمانش با استفاده از روش Davission

۹ - ۴ - ۲ - آنالیز کمانش با استفاده از روش تفاضل محدود

۹ - ۴ - ۳ - آنالیز کمانش با استفاده از روش اجزا محدود

۱۰ - ۱ - تجهیزات موردنیاز برای نصب شمع‌های مارپیچ

۱۰ - ۲ - فرایند کلی نصب شمع مارپیچ

۱۰ - ۳ - موارد ایمنی در فرایند نصب شمع مارپیچ

۱۰ - ۴ - اندازه گیری گشتاور وارده بر شمع مارپیچ

۱۰ - ۵ - کالیبره کردن گشتاور

۱۰ - ۶ - بازرسی میدانی

۱۱ - ۱ - آزمون بارگذاری فشاری شمع مارپیچ

۱۱ - ۲ - آزمون بارگذاری کششی شمع

۱۱ - ۳ - تفسیر نتایج آزمایش بارگذاری کششی و فشاری

۱۱ - ۴ - آزمون بارگذاری جانبی شمع


فهرست شکل‌ها

شکل ۲-۱ : نمایی از یک دکل مشبک

شکل ۲-۲: نمایش نیروهای بارگذاری بر روی دکل

شکل ۵-۱: دیاگرام آزاد توزیع نیروها بر روی یک شمع مارپیچ در روش باربری انفرادی

شكل ۵-۲: ضرایب ظرفیت باربری برای شمع های مارپیچ در حالت باربری انفرادی

شكل ۵-۳: طول مؤثر شافت برای محاسبات چسبندگی

شكل ۵-۴: گزینه های مقاومت شافت در نرم افزار HELIXPILE

شكل ۵-۵: آرایش نمونه شمع های مارپیچ شرکت آمریکایی ECP

شکل ۵-۶: مکانیسم انتقال بار در یک شمع مارپیچ در حالت برش استوانه ای

شکل ۵-۷: ضرایب فشار جانبی خاک برای روش برش استوانه ای

شکل ۵-۸: مکانیسم انتقال بار در مهارهای مارپیچ در دو حالت برش استوانه ای و باربری انفرادی

شكل ۵-۹: طول مدفون ناکافی

شكل ۵-۱۰: نمونه ای از یک مخروط تأثیر

شكل ۵-۱۱: حداقل عمق مدفون مورد نیاز برای مهارهای مارپیچ

شکل ۵-۱۲: حداقل عمق مدفون مورد نیاز برای مهارهای مارپیچ واقع در خاک‌های اشباع

شکل ۵-۱۳: شمع ها یا مهارهای مارپیچ سطحی در مقابل شمع های مارپیچ عمیق

شکل ۶-۱: نمونه هایی از کاربرد گروه شمع های مارپیچ به عنوان پی برج های خطوط انتقال نیرو

شکل ۶-۲: مقایسه حباب تنش شمع تکی و گروه شمع

شکل ۶-۳: متغیرهای هندسی در تعیین بازدهی گروه شمع (A) پلان، (B) مقطع

شکل ۶-۴: بلوک فرضی ایجاده شده در گروه شمع

شکل ۶-۵: تصویری شماتیک از میدان های تنش در اطراف گروه شمع

شکل ۶-۶: اثر گروه برای شمع‌های قائم

شکل ۶-۷: اثر گروه برای شمع‌های مایل

شكل ۷-۱: نمودار یار - جابه جایی مدل عددی کالیبره شده شمع 1-PA برای آزمایش بارگذاری فشاری در محل

شكل ۷-۲: نمودار یار - جابه جایی مدل عددی کالیبره شده شمع 3-PA برای آزمایش بارگذاری فشاری در محل

شكل ۷-۳: کانتور جابه جایی اطراف پرۂ شمع مارپیچ 1-PA در خاک ماسه ای

شکل ۸-۱: مدل فیزیکی ساخت یک شمع مارپیچ در محفظه

شکل ۸-۲: نمای از بالای نحوه قرار گیری تیرآهن های چارچوب دستگاه

شکل ۸-۳: نمایی از مدل فیزیکی شمع مارپیچ

شکل ۸-۴: نمایی از جک هیدرولیکی

شکل ۸-۵: نحوه اعمال فشار و کشش توسط جک هیدرولیکی

شکل ۸-۶: نمایی از موتور هیدرولیکی

شکل ۸-۷: نیروسنج الکترونیک

شکل ۸-۸: جابه جایی سنج الکترونیک

شکل ۸-۹: مدل شمع مارپیچ ساخته شده آماده بارگذاری

شکل ۸-۱۰: نمای اصلی به همراه ابعاد دستگاه FSV

شکل ۹-۱: نمای کلاهک شمع های بتنی

شکل ۹-۲: کلاهک شمع بتنی مسلح شده

شکل ۹-۳: پیکربندی شمع مارپیچ در خاک ریزدانه

شکل ۹-۴: پیکربندی شمع مارپیچ در خاک دانه ای

شکل ۹-۵: پیکربندی شمع مارپیچ در سنگ بستر هوازده

شکل ۹-۶: راه حل روش DAVISSION برای شرایط مرزی متفاوت

شکل ۱۰-۱: تجهیزات مورداستفاده برای نصب شمع مارپیچ

شکل ۱۰-۲: فرایند نصب ماشینی شمع های مارپیچ

شکل ۱۰-۳: نصب دستی شمع مارپیچ

شکل ۱۰-۴: مراحل کلی نصب شمع مارپیچ

شکل ۱۰-۵: میزان لنگر مورد نیاز برای چند شمع مختلف در طول فرایند نصب شمع

شکل ۱۰-۶: کلاهک فلزی نصب شده بالای سر شمع مارپیچ

شکل ۱۰-۷:حذف موانع سطحی

شکل ۱۰-۸:علائم نصب شمع های مارپیچ با کمک دست

شکل ۱۰-۹: نشانگر پین برشی

شکل ۱۰-۱۰: ابزار قرائت مکانیکی لنگر پیچشی وارده به شمع مارپیچ

شکل ۱۰-۱۱: کی از مدل های دستگاه بی سیم با انرژی باتری ( TORQUE- MASTER )

شکل ۱۰-۱۲: دستگاه هوشمندانه اندازه گیری گشتاور 1-DP

شکل ۱۰-۱۳: مقایسه میزان گشتاور قرائت شده از دستگاه 1-DP و دستگاه گیج مکانیکی

شکل ۱۰-۱۴: دستگاه TRU TORQUE

شکل ۱۰-۱۵: دستگاه اندازه گیری فشار الکترونیک

شکل ۱۰-۱۶: کالیبراسیون میزان گشتاور وارده به سر شمع برای ابزار از نوع سلول فشار

شکل ۱۰-۱۷: کالیبراسیون میزان گشتاور وارده به سر شمع برای ابزار از اندازه گیری فشار

شکل ۱۰-۱۸: مثال کالیبراسیون برای دستگاه فشار تفاضلی

شکل ۱۰-۱۹: بازرسی چشمی از محل اجرای شمع مارپیچ

شکل ۱۰-۲۰: نمونه فرم فرایند نصب شمع مارپیچ

شکل ۱۱-۱: آزمایش بارگذاری فشاری شمع مارپیچ

شکل ۱۱-۲: ابزار اندازه گیری جابه جایی و نیروی سر شمع مارپیچ

شکل ۱۱-۳: تأثیر انحراف از مرکز شمع بر باربری نهایی شمع مارپیچ

شکل ۱۱-۴: تأثیر انحراف بار وارد بر سر شمع بر باربری نهایی شمع

شکل ۱۱-۵: مدل عددی جابه جایی خاک اطراف شمع مارپیچ پر اثر اعمال بار فشاری

شکل ۱۱-۶: آزمایش عملکرد بر روی شمع مارپیچ

شکل ۱۱-۷: آزمایش بارگذاری کششی شمع مارپیچ

شکل ۱۱-۸: حالات مختلف قرار گیری تیرها در اطراف شمع مارپیچ

شکل ۱۱-۹: بار حدی بر اساس روش اصلاح شده DAVISSON

شکل ۱۱-۱۰: بار تسلیم بر اساس روش DEBEER

شکل ۱۱-۱۱: ظرفیت باربری بر اساس روش HANSEN

شکل ۱۱-۱۲: ظرفیت بار نهایی بر اساس روش CHIN- KONDNER

شکل ۱۱-۱۳: ظرفیت نهایی بر اساس روش DECOURT

شکل ۱۱-۱۴: روش های مختلف برای مدل سازی تغییر مکان شمع

شکل ۱۱-۱۵: آزمایش فشار جانبی در شمع مارپیچ به وسیله کشیدن

شکل ۱۱-۱۶: آزمایش فشار جانبی در شمع مارپیچ به وسیله فشار در دو جزء مجزا

شکل ۱۱-۱۷: گیج اندازه گیری تغییر مکان جانبی

شکل ۱۱-۱۸: آزمایش بارگذاری جانبی در شمع‌های مارپیچ با کلاهک بتنی

شکل ۱۱-۱۹: مثالی از تجهیزات بارگذاری جانبی برای شمع های مارپیچ سر - ثابت


فهرست جدول‌ها

جدول ۱-۱: طبقه بندی ولتاژ خطوط انتقال در سه سطح

جدول ۱-۲: طبقه بندی سطوح ولتاژ در ایران

جدول ۲-۱: شرایط بارگذاری برای مناطق چهارگانه آب و هوایی کشور (بر اساس پهنه بندی ایران)

جدول ۲-۲: شرایط بارگذاری برای مناطق چهارگانه آب وهوایی کشور (بر اساس پهنه بندی ایران)

جدول ۲-۳: ضرایب اضافه بار

جدول ۵-۱: ضریب ظرفیت باربری NQ برای خاک‌ های دانه ای

جدول ۵-۲: حداقل عمق مدفون مهارهای مارپیچ

جدول ۷-۱: خلاصه ای از ویژگی شمع های سایت A

جدول ۷-۲: مشخصات خاک زیر زمینی سایت A

جدول ۷-۳: پارامترهای خاک ماسه‌ای دست نخورده استفاده شده برای کالیبراسیون و صحت سنجی در سایت A

جدول ۷-۴: پارامترهای خاک ماسه ای دست خورده اطراف شمع مارپیچ استفاده شده برای کالیبراسیون و صحت سنجی در سایت A

جدول ۹-۱: مقادير مشخص kh

جدول ۱۱-۱: ابعاد مورد نیاز برای پایه های اطراف شمع مارپیچ در آزمایش کشش

جدول ۱۱-۲: روند آزمایش بارگذاری نگه داری (استاندارد ASTM D1143 و ASTM D3689)

جدول ۱۱-۳: روند آزمایش بارگذاری دوره ای (استاندارد ASTM D1143 و ASTM D3689)

جدول ۱۱-۴: روند آزمایش بارگذاری سریع (استاندارد ASTM D1143 و (ASTM D3689)

جدول ۱۱-۵: روش های تفسیر آزمون بار

جدول ۱۱-۶: روش بارگذاری جانبی استاندارد

نمایش کامل متن

Keywords:

گروه پژوهشی سازه های صنعت برق