تحلیل و طراحی فونداسیون ماشین الات

شالوده‌ها می‌توانند تحت تاثیر بارهای استاتیک , دینامیک و یا ترکیبی از آنها قرار گیرند.

بار استاتیک , باری است که به آرامی و بتدریج بر شالوده تاثیر نماید , بطوری که هیچگونه ارتعاشی در سیستم شالوده - خاک به وجود نیاید.

بار دینامیک به باری اتلاق می‌شود که باعث ارتعاش سیستم کل شود.

در هر دو حالت تحت تاثیر بارگذاری , در سیستم خاک – شالوده تنش ایجاد می‌‌شود.

بارهای دینامیک به علل مختلف به‌وجود می‌آیند. بی‌قاعده‌ترین بارهای دینامیک , بارهای ناشی از زلزله و انفجار می‌باشند.

عوامل دیگر ایجاد ارتعاش در شالوده عبارتند از کوبیدن شمع در زمینهای مجاور ‌, فرود هواپیماهای سنگین تاثیر اثر باد و امواج بر روی سازه. ارتعاش به وجود آمده به علت عوامل فوق‌‌الذکر آنی و گذرا هستند.

ارتعاش مورد توجه در این برنامه , ارتعاش به وجود آمده به علت عملکرد ماشین آلاتی است که نیروهای پریودیک متفاوتی تولید می‌نمایند.

سه گروه از مهمترین نوع این ماشین‌ها به قرار زیر می‌باشد:

1- ماشین‌های پیستونی : ماشین هایی هستند که نیروهای غیر متعادل پریودیک تولید می‌نمایند ، از قبیل کمپرسورها و موتورهای پیستونی. سرعت عمل چنین ماشین‌هایی معمولا کمتر از 600 دور بر دقیقه می‌باشد. 
2- ماشین‌های ضربه‌ای : در این گروه ماشین‌هایی قرار می‌گیرند که بارهای ضربه‌ای تولید می‌کنند از قبیل چکش‌های پرچ و پرس‌های منگنه‌زن (سوراخ کن). سرعت عمل چنین ماشین‌هایی معمولا بین 60 الی 150 ضربه بر دقیقه می‌باشد. 
3- ماشین‌های دورانی: این گروه شامل ماشین‌هایی با سرعت عمل بسیار زیاد می‌باشند. از قبیل توربوژنراتورها و یا کمپرسورهای دورانی. چنین ماشین‌هایی ممکن است دارای سرعت عملی بین 3000 تا 10000 دور بر دقیقه باشند.

این برنامه برای طراحی فونداسیون ماشین‌های دورانی (Rotating) و پیستونی (Reciprocating) تهیه شده است.

انتخاب فونداسیون مناسب بستگی به نوع ماشین آلاتی دارد که روی آن نصب خواهد گردید. برای ماشین‌های پیستونی و کمپرسورها فونداسیون حجیم (BLOCK) مناسب خواهد بود.

اگر دو یا چند ماشین با خصوصیات یکسان قرار باشد در کارگاهی نصب گردند می‌توان آنها را روی یک فونداسیون حجیم گسترده قرار داد.

فونداسیون حجیم دارای جرم بزرگی بوده و طبعا فرکانس طبیعی آن کوچک می‌باشد. با وجود این چنانچه فونداسیون سبکتری مورد نظر باشد می‌توان از فونداسیون جعبه‌ای (مطابق شکل زیر) استفاده نمود.

جرم فونداسیون در چنین حالتی کاهش یافته و در نتیجه فرکانس طبیعی آن افزایش خواهد یافت.

چکش‌ها هم ممکن است روی فونداسیون حجیم نصب گردند ، لیکن جزئیات این قبیل فونداسیون‌ها با آنچه که در مورد فونداسیون ماشین‌آلات پیستونی وجود دارد کاملا متفاوت است.

توربین‌های بخار فونداسیون نسبتا پیچیده‌ای دارند. این قبیل فونداسیون‌ها ممکن است از سیستم مرکبی از تیر ، ستون و دال تشکیل گردند. هر قسنت از این فونداسیون در مقایسه با فونداسیون‌های حجیم و یا جعبه‌ای که صلب می‌باشند ، نسبتا انعطاف‌پذیر می‌باشد.

این برنامه برای طراحی فونداسیون حجیم (BLOCK) تهیه شده است.

2- معیارهای لازم جهت طرح فونداسیون مناسب برای ماشین‌آلات

جهت طراحی مناسب فونداسیون ماشین‌آلات بایستی شرایط زیر برقرار باشد:

الف- برای بارهای استاتیکی

1- فونداسیون بایستی در مقابل گسیختگی‌های برشی مقاوم و مطمئن باشد.
2- این فونداسیون نبایستی بطور مفرط نشست نماید.
شرایط فوق برای کلیه فونداسیون‌ها یکسان می‌باشد.

ب- برای بارهای دینامیکی

1- تشدید و یا رزونانس نبایستی رخ دهد. به عبارت دیگر فرکانس طبیعی سیستم خاک – پی نبایستی هرگز با فرکانس بهره برداری ماشین انطباق پیدا کند. در واقع در این قبیل موارد همیشه یک منطقه تشدید معرفی می‌گردد که فرکانس طبیعی سیستم خاک – پی – ماشین بایستی خارج این منطقه باشد.
2- دامنه حرکت در فرکانس بهره برداری نبایستی از دامنه معینی که معمولا در مورد هر ماشین توسط سازنده آن مشخص می‌گردد تجاوز نماید. اگر دامنه محاسبه شده در محدوده قابل قبولی قرار داشته باشد لیکن در وضعیت تشدید یا نزدیک به وضعیت تشدید باشد ، بایستی حتما طراحی مورد تجدید نظر قرار گیرد.
3- ارتعاشات حاصله نبایستی باعث صدمه رساندن به افرادی که در کارخانه کار می‌کنند و یا خسارت رساندن به سایر ماشین‌آلات دقیق و حساس گردد. طبیعت ارتعاشی که ممکن است مضر تشخیص داده شود بستگی به فرکانس ارتعاشی و دامنه حرکت دارد. 

منحنی‌هایی پیشنهاد شده که در آنها محدوده‌های مختلفی برای فرکانس و دامنه ارتعاشات جهت مقاصد مختلف تعیین گردیده است. 

دو خط چین فوقانی در گوشه بالای شکل که معرف خطر برای ساختمان‌ها و مرز احتیاط برای ساختمان‌ها است جهت ارزیابی اثر انفجارات قابل استفاده می‌باشد. همچنین محدوده مشخص شده برای ماشین‌آلات و فونداسیون ماشین‌آلات معرف محدوده لازم جهت انتخاب فونداسیون مناسب برای ماشین‌آلات نبوده بلکه معرف محدوده مطمئن و قابل اعتماد می‌باشد.

3- روش‌های تحلیل فونداسیون‌ها

دو روش اصلی برای تحلیل فونداسیون ماشین‌آلات وجود دارد:

الف - روش مبتنی بر الاستیک خطی با فرض رفتاری مشابه فنرهای بدون وزن برای خاک
ب - روش مبتنی بر تئوری الاستیسیته خطی (خاک محیطی نیمه فضا و الاستیک در نظر گرفته شده است).

در روش اول خاک به وسیله یک فنر جایگزین شده است. مقادیر از پیش تعیین شده‌ای از میرایی برای خاک در این روش ممکن است بکار رود (میرایی توانایی پی در اتلاف انرژی ارتعاشات است).

گرچه میرایی اثر قابل ملاحظه‌ای در فرکانس تشدید سیستم نخواهد داشت. با وجود این دارای اثر قابل توجهی بر دامنه تشدید خواهد بود. از آنجایی که در طرح فونداسیون ماشین‌آلات از منطقه تشدید فاصله گرفته می‌شود ، اثر میرایی بر دامنه حرکات محاسبه شده تحت فرکانس بهره‌برداری در مقایسه با مقدار آن در فرکانس تشدید کوچک خواهد بود. در مواردی صرفنظر کردن از میرایی سیستم ممکن است به نتایج نسبتا محافظه کارانه منجر شود. استفاده از تئوری الاستیسیته ظاهرا منطقی‌تر لیکن نسبتا پیچیده‌تر می‌باشد.

 در حالت‌های ساده راه‌حل‌هایی ارائه شده است که تا حدودی استفاده از آنها آسان بوده و در ادامه به آنها اشاره خواهد شد. در حالت‌های پیچیده‌تر هنوز چنین روابطی جهت کاربردهای عمومی به سختی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این مسائلی از قبیل عمق پی ، میزان به هم خوردگی خاک در خلال گودبرداری و خاکریزی ، قسمتی از توده خاک که در ارتعاش شرکت می نمایند و بالاخره رفتار غیر خطی خاک روابط مربوطه را پیچیده‌تر می‌نماید.

در حال حاضر چهار روش برای تحلیل دینامیک شالوده ماشین آلات وجود دارد. این روشها عبارتند از:

1. تئوری نیم فضای الاستیک

2. سیستم پارامترهای متمرکز (روش تشابهی)

3. روش جرم متمرکز

4. روش خاک-فنر الاستیک بارکان

در این برنامه از روش تشابهی برای مطالعه پاسخ دینامیکی خاک استفاده شده است.

4- درجات آزادی فونداسیون حجیم

یک فونداسیون حجیم در مقایسه با خاکی که زیر آن واقع می‌شود به صورت صلب در نظر گرفته می‌شود. بنابراین فرض خواهد شد که چنین جسمی فقط تغییرشکل‌های متعلق به یک جسم صلب را در برخواهد داشت. تحت اثر نیروهای نامتعادل چنین جسمی ممکن است تغییر مکان و ارتعاشاتی به فرم زیر داشته باشد.

هر نوع جابجایی کلی از جسم صلب مورد بحث می‌تواند برحسب 6 مولفه مستقل تغییر مکان فوق بیان شود. بنابراین بلوک صلب فوق 6 درجه آزادی و در نتیجه 6 فرکانس طبیعی خواهد داشت.

این شش درجه آزادی عبارتند از ارتعاش انتقالی در امتداد محورهای X ،Y وZ  و ارتعاش دورانی در حول محورهای X یا Y (که به ارتعاش گهواره‌ای معروف است) و ارتعاش دورانی در حول محور Z (که به ارتعاش پیچشی معروف است).

در میان این شش درجه ، ارتعاش انتقالی در امتداد قائم (محور Z) و ارتعاش دورانی در امتداد محور Y (ارتعاش پیچشی) مستقل از درجات آزادی دیگر است.

یک فونداسیون که تحت بارهای دینامیکی قرار دارد , باید برای چهار مود ارتعاشی زیر مورد تحلیل قرار گیرد:

1.    ارتعاش قائم (Vertical)
2.    ارتعاش انتقالی در امتدادهای X یا Y که به ارتعاش لغزشی (Sliding) معروف است.
3.    ارتعاش گهواره‌ای (Rocking) حول محورهای X یا  Y
4.    ارتعاش پیچشی (Yawing) حول Z

ارتعاش گهواره‌ای حول محورهای X یا Y همواره همراه با ارتعاش لغزشی امتداد Y یا X است. چنین حرکتی به حرکت ترکیبی معروف است. لیکن ارتعاش قائم خالص می‌تواند مستقل و بدون همراهی با هرگونه ارتعاشی وجود داشته باشد.

5- روابط مدهای ارتعاشی در روش تشابهی

6- آشنایی با قسمت‌های مختلف برنامه

1-6 مشخصات خاک

در این قسمت داده‌های خاک زیر فونداسیون درج خواهد شد.

ثابت‌های الاستیک مورد استفاده در تحلیل تشابهی عبارتند از مدول برشی G و ضریب پواسون ν. 

وایتمن و ریچارت (1967) مقادیر زیر را برای ضریب پواسون پیشنهاد نمودند:

• ماسه (خشک ، مرطوب ، نیمه اشباع):  0.35 – 0.4
• رس اشباع: 0.5

مقدار مناسب برای بیشتر خاک‌های نیمه اشباع در حدود 0.4 است.

مقادیر مدول برشی را می‌توان توسط آزمایش‌های صحرایی یا آزمایش‌های آزمایشگاهی بر روی نمونه اخذ شده از صحرا  تعیین نمود. مقدار G را می‌توان از رابطه زیر برحسب سرعت موج برشی Vs تعیین نمود:

G= ρV²s

که در آن:
ρ= جرم مخصوص  (g/g  )
g =وزن مخصوص خاک
در جداول زیر مقادیر نمونه مدول برشی و سرعت موج برشی برای انواع خاک‌ها به منظور طرح اولیه ارائه شده است.(بادل 1988)

خاک می‌تواند تاثیر بسیار مهمی بر روی پاسخ دینامیکی سیستم بگذارد بنابراین بهتر است پارامترهای مورد نیاز خاک مانند مدول برشی دینامیکی خاک از مطالعات محلی و  بررسی‌های آزمایشگاهی استخراج شود تا بر اساس در نظر گرفتن یک بازه از طبقه‌بندی کلی خاک.

1-1-6 پایداری شالوده

یک شالوده در حالت کلی باید دو شرط زیر را براورده سازد:

1. خاک زیر شالوده در مقابل گسیختگی برشی پایدار باشد
2. نشست باید در محدوده مجاز باشد

برپایه دو معیار فوق ، برای اطمینان از عملکرد صحیح شالوده ، باید از یک تنش مجاز (ظرفیت باربری مجاز) مناسب برای خاک استفاده کرد.

تنش مجاز خاک هم باید در مقابل بار استاتیکی و هم باید در مقابل بار دینامیکی جوابگو باشد. تحت بارهای دینامیک نباید هیچگونه نشستی جز نشست الاستیک در خاک زیر شالوده بوجود بیاید.

2-1-6 عمق پی کنی

کارهای پاو (1952) ، بارکان (1962) و فرای (1963) به طور وضوح نشان دادند که مدفون کردن شالوده باعث افزایش فرکانس همگامی و کاهش دامنه ارتعاش می‌شود. برای ماشین‌های پیستونی بزرگ ، مطلوب است که عمق مدفون فونداسیون 50٪ تا 80٪ ضخامت فونداسیون باشد، این امر باعث افزایش مهار جانبی و نسبت میرایی برای همه حالت‌های ارتعاش می‌شود.

3-1-6 دامنه مجاز ارتعاش

در هیچ حالتی دامنه نوسان مجاز نبایستی از حد نصاب مشخص شده توسط سازنده ماشین تجاوز نماید. در تعیین دامنه مجاز بایستی به سازه و ماشین‌آلات موجود در مجاورت فونداسیون توجه شود تا تشدید و یا ضایعه‌ای برای آنها پیش نیاید. براساس اطلاعات موجود تا بحال این موضوع مشخص گردیده که ارتعاش حاصله در سازه‌های مجاور در صورت کوچکتر بودن دامنه ارتعاش پی از 0.2 میلی متر ناچیز خواهد بود.

دامنه کل سازه فونداسیون در هر جهت نباید از مقادیر نشان داده شده در جدول زیر تجاوز کند:

4-1-6 میرایی داخلی

عامل میرایی مرتبط با خاک به شکل میرایی هندسی (شعاعی) و میرایی داخلی است. میرایی هندسی تأثیر قابل توجهی بر پاسخ دینامیکی سیستم دارد و به پارامترهایی نظیر ضریب پواسون ، جرم پی ، شعاع معادل و وزن مخصوص خاک بستگی دارد. رابطه مربوط به نسبت میرایی که در روابط مودهای ارتعاشی ارائه شده است فقط برای میرایی هندسی می‌باشد که توسط برنامه به صورت خودکار محاسبه خواهد شد.

جدول زیر خلاصه‌ای از اطلاعات موجود مربوط به میرایی داخلی خاک‌ها را در حدود تغییرات تنش‌های موجود در زیر پی ماشین‌آلات نشان می‌دهد. از مقادیر ارائه شده در جدول ملاحظه می‌شود که ضریب میرایی داخلی Di دارای تغییرات وسیعی (0.1 – 0.01) می‌باشد. بنابراین مقدار متوسط 0.05 یک تخمین مناسب خواهد بود.

ضریب میرایی را به طور تقریبی می‌توان توسط معادله زیر بیان کرد:

D=Drad +0/05

برای حرکات قائم و لغزشی ، از تاثیر میرایی داخلی می‌توان صرفنظر نمود. در حالی که برای ارتعاش دورانی و پیچشی وضعیت میرایی داخلی ممکن است آن قدر بزرگ باشد که قابل صرفنظر کردن نبوده و باید ملحوظ داشت.

2-6 مشخصات فونداسیون

در این قسمت مشخصات مصالح و ابعاد اولیه فونداسیون درج خواهد شد.

استفاده از شالوده سنگین برای حذف ارتعاشات غیر مجاز ، از سالیان دراز مرسوم بوده است. اغلب سازنده‌های ماشین ابعاد و وزن شالوده مناسب برای ماشین را توصیه می‌نمایند. سطح مقطع فونداسیون در پلان بایستی بزرگتر از صفحه زیرین ماشین باشد ، با حداقل فاصله در دورتادور ماشین معادل 150 میلی متر.

3-6 مشخصات ماشین

در این قسمت مشخصات هندسی و عملکردی ماشین (مانند نوع ، سرعت ، وزن و موقعیت نقطه اثر کلیه نیروهای وارده بر فونداسیون)درج خواهد شد.

نکته: نقطه اثر کلیه نیروهای وارده بر فونداسیون معمولا مرکز ثقل ماشین می‌باشد.

 این مشخصات معمولا توسط سازنده ماشین ارائه می‌شود. در خیلی از اوقات ممکن است سازنده ماشین‌آلات اطلاعات مورد نیاز را به صورت کامل فراهم و مشخص نکرده باشد ، در چنین حالتی با پیگیری و تقاضاهای ویژه‌ای بایستی از سازنده خواست تا این اطلاعات را در اختیار قرار دهد.

این برنامه برای طراحی فونداسیون ماشین‌های دورانی (Rotating) و پیستونی (Reciprocating) تهیه شده است.

4-6 نیروهای وارده از ماشین به فونداسیون

نیروهای دینامیکی ناشی از عملکرد ماشین که به فونداسیون منتقل خواهند شد در این قسمت درج می‌شود. این نیروها توسط سازنده ماشین ارائه خواهد شد.

5-6 مدهای ارتعاشی

در این قسمت دامنه ارتعاش و فرکانس در نتیجه تجزیه و تحلیل جداگانه برای هر مد ارتعاشی به صورت خودکار محاسبه و در نمودار مربوط به حساسیت‌های مختلف نمایش داده خواهد شد.

مقادیر دامنه و فرکانس ماشین برای بررسی اینکه آیا از محدودیت‌های جابجایی مطابق نمودار حساسیت فراتر رفته است یا خیر استفاده می شود. چنانچه از محدودیت‌های مورد نظر فراتر باشد، اقدامات اضافی (نظیر طراحی مجدد، بهبود خاک زیر فونداسیون ، تعبیه لرزشگیر و ...) برای اطمینان از رعایت محدودیت‌ها انجام می‌شود. محدودیت‌های جابجایی توسط سازنده و کارفرما تعیین می‌شود. 

6-6 طراحی

فونداسیون باید به گونه‌ای طراحی شود که دارای سختی بالایی باشد تا از تغییر شکل و حرکت بیش از حد تحت بارهای دینامیکی تولید شده توسط ماشین آلات جلوگیری شود.

این امر با استفاده از بتن مسلح یا سایر مصالح صلب و طراحی فونداسیون با ابعاد و آرماتور مناسب قابل دستیابی است.

قطر حداقل آرماتورها باید 12 میلیمتر و ماکزیمم فاصله بین آنها 200 میلیمتر باشد تا از بروز هرگونه انقباض در بتن جلوگیری به عمل آید. ضخامت بتن روی آرماتورها حداقل 75 میلی متر در نظر گرفته شود.

 6-7 محدودیت‌های طراحی فونداسیون ماشین 

در این قسمت از داشبورد برنامه برخی از جنبه‌های کلیدی که باید در هنگام طراحی فونداسیون ماشین آلات ارتعاشی در نظر گرفته شوند ، کنترل می‌شود. 

1. کف بلوک فونداسیون باید بالای سطح آب بوده و نباید روی خاک حساس و خاکریز قرار گیرد.

2. جرم پی باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا از پایداری اطمینان حاصل شود و انتقال ارتعاشات به حداقل برسد. قانون کلی این است که جرم فونداسیون باید 3 تا 5 برابر جرم ماشین‌آلات روی آن باشد. با این حال، این نسبت ممکن است بسته به ماشین‌آلات خاص ، شرایط خاک و سایر عوامل متفاوت باشد.جرم فونداسیون صلب 3 برابر جرم ماشین‌های دورانی و 5 برابر جرم ماشین‌های پیستونی انتخاب می‌شود.

3. سطح بلوک فونداسیون معمولا (0.3 متر) بالاتر از کف تمام شده یا ارتفاع کف‌سازی نگه داشته می‌شود تا از آسیب ناشی از خروج آب‌های سطحی جلوگیری شود.

4. ضخامت بلوک فونداسیون نباید کمتر از (0.6 متر) باشد. ضخامت بایستی بزرگتر از یک پنجم بعد کوچکتر یا یک دهم بعد بزرگتر بلوک فونداسیون باشد.

5. فونداسیون باید به اندازه کافی عریض باشد تا میرایی در مد ارتعاش گهواره‌ای افزایش یابد. عرض باید حداقل (1- 1.5) برابر فاصله عمودی زیر فونداسیون تا خط مرکزی ماشین باشد.

6. سازه یا فونداسیون قرار گرفته در زیر ماشین‌آلات می‌بایست دارای مقاومت سازه‌ای مناسبی باشد که برای بدترین ترکیب بارگذاری که در طول عمر بهره‌برداری آن اتفاق می‌افتد طراحی شده باشد. غالبا این مساله با محدود کردن فشار وارده به خاک به مقادیر مجاز ، برای اطمینان از یک پاسخ دینامیکی قابل پیش‌بینی و جلوگیری از نشست زیاد و گسیختگی خاک برآورده می‌شود.به این معنی که فشار خاک باید کمتر از 50٪ ظرفیت باربری مجاز باشد. فشار خاک برابر است با وزن ماشین و فونداسیون تقسیم بر سطح فونداسیون.

7. نشست استاتیک باید یکنواخت باشد. مرکز ثقل فونداسیون و بار ماشین باید در 5% هر بعد خطی از مرکز فونداسیون باشد.

8.  به منظور جلوگیری از همگامی ، فرکانس کار ماشین نباید نزدیک به فرکانس طبیعی سیستم خاک - شالوده باشد. 

در حالت ایده‌آل، فرکانس طبیعی فونداسیون باید با فرکانس‌های غالب ماشین‌های ارتعاشی متفاوت باشد تا از تشدید جلوگیری شود که می‌تواند ارتعاشات را تقویت کند و باعث آسیب ساختاری شود.

فرکانس طبیعی باید حداقل 20±% اختلاف با فرکانس همگامی داشته باشد.

0.8 fm ≥ f ≥ 1.2 fm

9. ارتعاش تولید شده توسط ماشین نباید اثر سوئی روی ماشین‌ها و یا سازه‌های مجاور داشته باشد.

این امر را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های مختلف به دست آورد ، مانند استفاده از جدا کننده‌ها یا پدهای ساخته شده از موادی که ارتعاشات را جذب می‌کنند ، ایجاد درز بین فونداسیون ماشین‌آلات و سازه اطراف ، یا ساخت فونداسیون بر روی یک دال مجزا و جدا شده.

10. فونداسیون باید با در نظر گرفتن امکان دسترسی برای نگهداری و نظارت بر ماشین‌آلات و همچنین خود فونداسیون طراحی شود. سنسورهای لرزش و سایر تجهیزات نظارتی ممکن است برای ارزیابی عملکرد فونداسیون و شناسایی مشکلات احتمالی نصب شوند.

7 چند ماشین روی یک پی گسترده 

ماشینن‌آلات نصب شده روی بلوک‌های منفرد را می‌توان روی یک بلوک گسترده نصب کرد. ماشین‌آلات بایستی در امتداد دو محور بطور متقارن به نحوی نصب گردند که هیچگونه دورانی تحت اثر بارهای دینامیکی در بلوک ایجاد نگردد. تجزیه و تحلیل این ماشین‌آلات مانند اینکه دارای فونداسیون مستقلی هستند قابل انجام بوده ، منتهی بایستی بلوک گسترده کلی را به قطعاتی متناظر با هر ماشین تقسیم نمود. در این حالت مقدار دامنه مجاز اعلام شده را می‌توان به میزان 30 درصد افزایش داد.