مقاله تحلیلی: ارزیابی چرخه عمر پل‌ های فولادی

ارزیابی چرخه عمر (LCA) به‌عنوان یک ابزار کمی جهت ارزیابی تأثیر محیطی یک شی‌ء شناخته می‌شود. در مهندسی سازه، شی‌ء مورد نظر یک ساختمان، پل یا سازه‌ای دیگر است. به‌منظور ارائه یک تصویر کامل، از تأثیرات محیطی چرخه عمر کل یک شی‌ء استفاده می‌شود. با تکمیل کلیه این آیتم‌ها، تأثیرات محیطی مرتبط بر روی اقلیم، کیفیت هوا، کیفیت آب، سلامت انسان و کاهش منابع با استفاده از روش استاندارد قابل بررسی هستند. به‌طور مثال، می‌توان ظرفیت گرمایش زمین یک پروژه را برحسب میزان انتشار CO_2 معادل بیان کرد. این نوع تحلیل با استفاده از روش‌ها و نرم‌افزارهای مختلف جهت بیان ظرفیت حداقل شدن تأثیرات محیطی بر روی یک پروژه، جهت مقایسه مفاهیم طراحی جایگزین و جهت به دست آوردن اعتبار از طریق مراجع مرتبط مانند انویژن و لید قابل انجام است.

 از سوی دیگر، تحلیل هزینه چرخه عمر (LCCA) به‌عنوان یک مفهوم شناخته شده جهت ارزیابی شرایط اقتصادی یک سازه و ارزیابی این‌که سرمایه‌گذاری یا هزینه اولیه بر روی مزیت اقتصادی بلندمدت با توجه به کاهش نگهداری یا افزاش عمر مفید تأثیرگذار است یا خیر، شناخته می‌شود. هرچند که LCCA و LCA با اهداف مختلف به کار گرفته می‌شوند و یکی به‌عنوان مقرون‌ به ‌صرفه ترین گزینه و دیگری به‌عنوان پایدار (باثبات) ترین گزینه شناخته می‌شوند اما این دو مفهوم چندان بی‌ارتباط به هم نیستند. برخلاف سوءبرداشت موجود، پایدارترین گزینه اغلب به‌عنوان مقرون‌به‌صرفه ترین گزینه با در نظر گرفتن چرخه عمر محسوب می‌شود. به‌طور مثال، استفاده از خاکستر بادی در سیمان پرتلند معمولی منجر به کاهش قابل‌توجه دی‌اکسید کربن و در نتیجه کاهش میزان گرمایش زمین و همچنین صرفه‌جویی در هزینه و بهبود دوام در موارد مختلف می‌شود. می‌توان چرخه عمر یک پل فولادی را در چهار فاز در نظر گرفت: طراحی (منجر به انتخاب مصالح و مقادیر آن‌ها می‌شود)، ساخت  حالت خدمت‌دهی (که بازرسی و نگهداری در این مرحله مورد نیاز است) و انتهای عمر (که طی آن باید مصالح را نوسازی کرد). مهم‌ترین تأثیرات زیست‌محیطی ناشی از استفاده و ساخت مصالح بر اساس طراحی سازه هستند. می‌توان تأثیرات زیست‌محیطی را در مراحل ساخت و خدمت‌دهی بر اساس اقدامات مهندسان سازه به حداقل رساند. 

داده‌های LCA حاصل از روش‌های جایگزین ساخت

چه مواردی در LCA ساخت یک پل فولادی در نظر گرفته می‌شوند؟ LCA دربرگیرنده تأثیرات محیطی مرتبط با آن است. شکل 1 نشان‌دهنده تأثیرات مثبت مرتبط با ساخت یک پروژه است: آماده‌سازی محل (مانند گودبرداری یا زهکشی)؛ انرژی (سوخت دیزلی) مصرف‌شده توسط تجهیزات ساخت؛ حمل‌ونقل مصالح، پرسنل و تجهیزات در محل ساخت و عناصر فرعی (مانند قالب‌بندی) استفاده شده در طی ساخت. بااین‌حال، روش ساخت اغلب بر طراحی سازه تأثیر می‌گذارد. به‌طور مثال، در صورت استفاده از داربست، مراحل برداشتن شاه‌تیرهای فولادی منحنی شکل و اثر طره‌ای متوازن یا اصلاح پل‌های بتنی قطعه قطعه بر روی مقادیر مصالح استفاده شده در طراحی سازه تأثیرگذار هستند. علاوه براین، تکنیک‌های ساخت سریع پل (ABC) مانند استفاده از المان‌های پیش‌ساخته و عرشه‌های درجا و روش ساخت لغزشی نیز بر روی تأثیرات زیست‌محیطی مرتبط با ساخت و طراحی تأثیرگذار خواهند بود. از این رو LCA محدود به تأثیرات زیست‌محیطی رخ داده در طی ساخت نیست، بلکه شامل اثرات زیست‌محیطی حاصل از مصالح استفاده شده در طراحی سازه است.

چگونه می‌توان تأثیرات پایداری حاصل از متغیرهای ساخت را مورد ارزیابی قرار داد؟ با نگاهی آگاهانه به مفهوم کاهش- استفاده مجدد- بازیافت، می‌توان بسیاری از استدلال‌های کیفی را ارائه کرد. به‌طور مثال، اصلی اساسی ABC، کاهش زمان ساخت است که طی این رویکرد سوخت دیزلی مصرفی توسط وسایل نقلیه و تأثیرات ترافیکی (و از بین رفتن منابع طبیعی و آلودگی هوا) کاهش خواهد یافت. بااین‌حال، در برخی از موارد، این موضوع با پاک‌سازی یا آماده‌سازی محل قابل جبران است. راه‌های منطقی دیگر جهت کاهش تأثیر زیست‌محیطی روش‌های ساخت شامل استفاده مجدد از قالب‌بندی و خارج کردن مصالح زائد ساخت‌وساز از خاک‌ریزها جهت استفاده مجدد است.

چگونه تأثیرات پایداری حاصل از متغیرهای ساخت به‌صورت کمی قابل ارزیابی هستند؟ LCA چارچوبی را جهت ارزیابی کمی به‌منظور بررسی دقیق‌تر تأثیرات مرتبط با مؤلفه‌های مختلف فرآیند ساخت و مقایسه با دیگر روش‌های جایگزین ارائه می‌کند. به‌طور مثال دیکویدت (2012) به بررسی ظرفیت گرمایش زمین (GWP) در مورد ساخت پل در یک پروژه پرداخته است. این تحقیق نشان داد که تقریباً %80 از GWP در مرحله ساخت مرتبط با حمل‌ونقل مصالح و تجهیزات به محل و%20 مرتبط با سوخت دیزلی مصرف‌شده توسط تجهیزات ساخت بوده‌اند و عوامل دیگر نیز قابل اغماض بوده‌اند. در یک مطالعه موردی، مقایسه پنج روش ساخت مختلف نشان داد که مصرف سوخت دیزلی به‌عنوان یک متغیر مهم شناخته شده است. در این مورد، این تأثیر به میزان %65 با توجه به میزان کار انجام شده در محل و همچنین استفاده از عناصر پیش‌ساخته بوده است. علاوه براین، می‌توان نتایج سه تحقیق LCA مختلف را جهت ارائه اطلاعات در مورد روش‌های معمول مورد مقایسه قرار داد. این مقایسه نشان می‌دهد که برای پل‌هایی با طول مشابه (1000 فوت) روش لانچینگ (روش ساخت سریع پل) موجب کاهش GWP به میزان %25 و ظرفیت اسیدی شدن به میزان %64 حتی پس از در نظر گرفتن اصلاحات طراحی مورد نیاز جهت مقاومت در برابر تنش‌های حاصل از فرآیند لانچینگ می‌شود.

بهینه‌سازی عملکرد خدمت‌دهی

چگونه LCCA بر زمان‌بندی بازرسی و تعمیر پل‌ها جهت افزایش طول عمر پل‌ها و کاهش هزینه پرداخت‌کنندگان مالیات تأثیر می‌گذارد؟ در آمریکا، %11 پل‌ها به‌صورت بحرانی طبقه‌بندی می‌شوند که از این میزان %83 پل‌های فولادی دارای شاه‌تیر هستند. پل‌های شاه‌تیر دار فولادی دو قلو مشابه با آنچه در شکل 2 نشان داده شده است، به‌عنوان یک مثال از پل فولادی دارای دو شاه‌تیر شناخته می‌شوند. کارکردهای هزینه‌ای بازرسی دو ساله قابل‌توجه بوده و موجب ایجاد فشار مالی می‌شود. این مسئله با توجه به این‌که بیشتر پل‌ها در آمریکا در دهه 1960 ساخته شده و بسیاری از آن‌ها علائم زیادی از فرسودگی و خرابی را نشان می‌دهند، وخیم‌تر می‌شود. تخریب و جایگزینی این پل‌ها چندان مقرون‌به‌صرفه نیست.

 ارائه این استراتژی‌های مقرون‌به‌صرفه نیازمند قاعده‌مند سازی مدل‌های LCCA است که باید هر دو عدم اطمینان شناختی و تصادفی مرتبط با پل مورد نظر را مورد توجه قرار دهد. چندین محقق چارچوب‌های LCCA احتمالاتی جامعی را برای تخصیص بودجه نگهداریِ بهینه در خصوص سازه‌های در حال خرابی ارائه کرده‌اند. این تحقیقات به‌طور دقیق اهمیت و نیاز به استفاده از استراتژی‌های LCCA را جهت ارائه برنامه‌های زمانی متوازن که الزامات اقتصادی و ایمنی مختلف را در نظر گرفتن عدم اطمینان مرتبط با عملکرد وابسته به زمان سازه در نظر می‌گیرند، نشان می‌دهند. اجرای این استراتژی‌ها منجر به افزایش دوره زمانی میان بازرسی‌ها برای بیشتر پل‌ها می‌شود. بازرسی‌های کمی بیشتر و دوره‌های نگهداری مناسب می‌تواند موجب کاهش تأثیرات زیست‌محیطی این اقدامات به‌طور مثال با کاهش انتشار حاصل از بازرسی‌ها و کاهش نیاز به مصالح جهت بهسازی یا جایگزینی پل‌ها می‌شوند.

چه موضوعی در LCCA پل‌ها در نظر گرفته می‌شود؟ ارزیابی هزینه چرخه عمر نیازمند شناخت کافی از کلیه عوامل تأثیرگذار در حفظ و افزایش طول عمر سازه است. این موضوع می‌تواند شامل بازرسی، تعمیر و نگهداری باشد. با توجه به ماهیت روش پذیرفته شده برای هر فعالیت، ممکن است هزینه چرخه عمر به‌صورت قابل‌توجه تغییر کند. به‌طور مثال، هزینه بازرسی بستگی زیادی به روش استفاده شده دارد (بازرسی چشمی یا اولتراسونیک). با توجه به این‌که هزینه چرخه عمر محاسبه شده به‌عنوان یک ارزش قابل انتظار محسوب می‌شود، هزینه بازرسی برای یک بازرسی خاص باید در احتمال کشف خرابی ضرب شود که می‌تواند تأثیر زیادی بر هزینه کلی داشته باشد. چندین نوع روش بازرسی وجود دارند که هر کدام از دقت متفاوتی برخوردار هستند. با توجه به‌اندازه ترک‌خوردگی و نوع بازرسی، ممکن است برخی از ترک‌های بحرانی در طی مرحله بازرسی تشخیص داده نشوند. علاوه بر هزینه مستقیم مورد انتظار مرتبط با روش بازرسی، باید هزینه غیرمستقیم نیز در LCCA لحاظ شود. در مورد بازرسی، هزینه غیرمستقیم در اصل بستگی به زمان در نظر گرفته‌شده توسط روش بازرسی و هزینه بسته شدن پل  در روز دارد که مستقل از نوع روش است. در مورد هزینه‌های تعمیر، باید مؤلفه‌های مستقیم و غیرمستقیم در نظر گرفته‌شده و با طول ترک که ممکن است به‌صورت احتمالاتی با زمان تغییر کنند، لحاظ شوند. هزینه تعمیر مستقیم متناسب با طول ترک بوده و به‌صورت هزینه در واحد طول ترک تعریف می‌شود. از سوی دیگر می‌توان هزینه غیرمستقیم را به‌صورت نتیجه هزینه بسته شدن پل در روز، طول ترک‌خوردگی و میزان زمان مورد نیاز جهت تعمیر ترک با یک طول مشخص تعریف کرد. این فرمول‌بندی کلی در مطالعات سازه‌های مختلف اجرا شده است.

چه انتظاری از نتایج LCCA وجود دارد؟ بازه‌های زمانی این بازرسی‌ها و فعالیت‌های نگهداری نیازمند بررسی دقیق جهت حداقل شدن هزینه چرخه عمر سازه‌ها و تضمین ایمنی سازه هستند. از این رو، بهینه‌سازی به نحوی که اطلاعات هزینه چرخه عمر همراه با منحنی‌های احتمالاتی رشد ترک خستگی جهت محاسبه روش‌های تعمیر/ بازرسی بهینه قابل استفاده باشند، مورد نیاز است. می‌توان منحنی‌های احتمالاتی رشد ترک خستگی را با استفاده از مدل‌های تحلیلی رشد خستگی یا با استفاده از مدل‌های جامع المان محدود مشابه با آنچه در شکل 3 نشان داده شده است، ارائه کرد. مزیت استفاده از مدل‌سازی جامع المان محدود، حداقل شدن عدم اطمینان مرتبط با مدل‌سازی سازه یا ترک‌خوردگی است. بهینه‌سازی جهت به دست آوردن برنامه زمانی تعمیر-بازرسی بهینه مانند افزایش چرخه خدمت‌دهی به یک چرخه عمر مطلوب انجام می‌شود (به‌طور مثال، 70 سال). شکل 4 نشان‌دهنده مثالی از یک الگوی زمان‌بندی جهت بازرسی و تعمیر است.

نتیجه‌گیری

هر دو مفهوم LCA و LCCA مسائل مربوط به بهینه‌سازی را پوشش می‌دهند. در درجه اول، هدف، حداقل کردن تأثیرات زیست‌محیطی است؛ در درجه دوم، هدف حداقل شدن هزینه است. بحث بالا نشان می‌دهد که حداقل کردن برخی از شاخص‌ها می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر این اهداف به دنبال داشته باشد. بر اساس داده‌های موجود، مهم‌ترین مسئله، زمان در محل پروژه است. از دیدگاه زیست‌محیطی، کاهش زمان در محل موجب کاهش انتشار سوخت دیزلی توسط تجهیزات ساخت، کاهش انتشار گاز ناشی از حمل‌ونقل شخصی کارگران، کاهش انتشار گاز ناشی از تأخیر در ترافیک و کاهش مصرف سوخت فسیلی می‌شود. به دلایل مشابه، کاهش زمان در محل می‌تواند موجب کاهش هزینه برای سازمان‌های دولتی و حمل‌ونقل عمومی ‌شود.

استراتژی‌های دیگر جهت حداقل شدن تأثیر زیست‌محیطی ساخت پل فولادی با پشتیبانی داده‌ای LCA، شامل انتخاب مصالح محلی و اجرای پل‌هایی با دهانه بلندتر است. در طی دوره خدمت‌دهی یک پل، بیشتر فرآیند اجرایی موجود متمرکز بر LCCA است که نشان می‌دهد شناخت محل‌های معیوب در پل‌ها جهت حداقل کردن هزینه‌های مستقیم مرتبط با بازرسی و هزینه‌های غیرمستقیم مرتبط با بسته شدن پل‌ها حائز اهمیت است. به‌طور مثال این موضوع شامل شناسایی المان‌های مستعد خستگی پیش از اجرای برنامه بازرسی است. علاوه براین، یکی از استراتژی‌های نگهداری مورد پشتیبانی LCA، بهسازی به گزینشی جهت بهبود مقاومت در برابر خطر طبیعی است. 

  منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.