پایان نامه مطالعه تاثیر سیستم های مقید کننده طولی بر عملکرد لرزه ای پل های متداول کشور

پایان­نامه کارشناسی ارشد

مهندسی عمران – مهندسی زلزله

1392

چکیده:

پل­های تیر و دال بتنی با تکیه­گاه­های نِئوپرن از متداول­ترین پل­های بزرگراهی کشور می‌باشند. در این پل­ها با توجه به لزوم تامین حرکت آزاد عرشه، ناشی از تغییرات دما و عدم استفاده از کلید برشی در راستای طول پل، افتادن عرشه از روی پایه­ها و یا ضربه زدن عرشه به کوله، در هنگام ارتعاش طولی عرشه، از موارد مهم خرابی پل­ها در زلزله­های گذشته می­باشد. یکی از روش­های موثر جلوگیری از افتادن عرشه و یا ضربه زدن به کوله، استفاده از مقیدکننده حرکت در راستای طول پل می­باشد. هدف اصلی از این پژوهش، بررسی اثر استفاده از مقید کننده­های طولی بر عملکرد لرزه­ای پل­های متداول تیر و دال بتنی می­باشد. بدین منظور یک پل سه دهانه با دهانه­های برابر و یک پل سه دهانه با دهانه­های نامساوی مجهز به مقیدکننده­های طولی در پایه و در کوله­ها مدل­سازی شده و عملکرد لرزه­ای پل­ها با استفاده از تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی، بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می­دهد استفاده از مقیدکننده­های طولی، موجب کاهش قابل ملاحظه جابه­جایی نسبی عرشه و هم­چنین کاهش شدت اصابت عرشه به کوله می شود. علاوه براین، عملکرد لرزه­ای پایه­های پل نیز به طور قابل ملاحظه­ای بهبود می­یابد.

واژه­های کلیدی

پل، زلزله، شریان حیاتی، میراگر، مقیدکننده، تحلیل غیرخطی

فصل اول

مقدمه

امروزه راه­ها و زیربناهای حمل و نقلی، نقش عمده­ای را در سرنوشت جوامع دارند به طوری که توسعه کمی و کیفی راه­های ارتباطی یکی از اصلی­ترین شاخص­های ارزیابی میزان توسعه­یافتگی جوامع به شمار می­رود. پل­ها نیز از اجزای مهم و لاینفک راه­ها محسوب می­شوند. تجربه زلزله­های گذشته نشان داده است که پل­ها از آسیب­پذیرترین اجزای راه می­باشند. در کشور ما که آیین­نامه­های طرح لرزه­ای پل­ها از پیشینه بسیار کوتاهی برخوردار است و با توجه به لرزه­خیزی بسیاری از نقاط کشورمان، آسیب­پذیری لرزه­ای تعداد زیادی از پل­های موجود محتمل است. پل­های تیر و دال چند­دهانه با تکیه­گاه­های نِئوپرن، از متداول­ترین پل­های بزرگراهی کشور می‌باشند. در این پل­ها معمولاً درزهای انبساط در پایه­های میانی و کوله­ها به منظور تأمین حرکت طولی ناشی از تغییرات دما تعبیه می­گردد. عمکرد لرزه­ای این نوع پل در راستای طول و عرض پل کاملاً متفاوت می­باشد. در جهت عرضی نیروی اینرسی عرشه پل از طریق تکیه­گاه­ها و بلوک­های برشی، به عناصر زیر سازه (پایه، کوله و فونداسیون) منتقل می­شود. جرم عرشه پل­ها نسبتاً زیاد می­باشد و لذا نیروی اینرسی ناشی از ارتعاش عرضی آن می­تواند به عناصر زیر سازه آسیب جدی برساند. در جهت طولی، به علت عدم وجود کلید برشی و مقاومت نسبتأ کم تکیه­گاه­های نئوپرن، احتمال فروافتادن عرشه از روی پایه­ها و یا برخورد عرشه به کوله زیاد است و این نوع شکست در زلزله­های گذشته به وفور مشاهده شده است. در راستای طول پل مشکل فرو افتادن عرشه از روی پایه و یا برخورد عرشه به کوله جدی است و ضرورت دارد در راستای طول پل تمهیداتی در نظر گرفته شود. یکی از روش­های موثر جلوگیری از این نوع شکست­ها، استفاده از مقیدکننده حرکت در راستای طول پل می­باشد. در این پژوهش اثر استفاده از انواع مقیدکننده­ها شامل کابل­های مهاری، مقیدکننده­های قفل شونده و میراگرهای ویسکوز بر عملکرد لرزه­ای پل­های تیر و دال بتنی مورد مطالعه قرار می­گیرد. جنبه­های متمایز پژوهش حاضر نسبت به پژوهش­های مشابه خارجی عبارتند از:

پل­های مورد مطالعه در اکثر مطالعات خارجی، پل­های دهانه ساده دارای درز میانی (in span hinge)، می­باشد در حالی که پل­های متداول کشور ما به صورت تکیه­گاه ساده بر روی پایه­ها اجرا می­شود.

در اکثر مطالعات قبلی تغییرات جابجایی نسبی عرشه به عنوان پاسخ معیار در بررسی و قضاوت سیستم­های مقیدکننده، مورد توجه قرار گرفته است، در حالی که در پژوهش حاضر، تشکیل و توسعه مفاصل پلاستیک در پایه­ها، بررسی شده است.

در پژوهش­هایی که کابل­های فولادی را به عنوان سیستم مقیدکننده طولی مورد مطالعه قرار داده­اند، مبنای اصلی، رفتار الاستیک کابل­های فولادی بوده است. در حالی که در این پژوهش، رفتار پلاستیک کابل­ها نیز بررسی شده است.

انواع مقید کننده های طولی

از مهارهای معمول مفاصل، در پل­ها می­توان به مهارهای کابلی، میله­های با مقاومت بالا، مقیدکننده­های قفل­شونده، میراگرهای ویسکوز، میراگرهای جاری­شونده، مقیدکننده­های FRP و مقیدکننده­های SMA اشاره کرد. حین زلزله ممکن است قاب­های مجاور به صورت غیرهم­فاز مرتعش شوند و دو نوع از مسائل ناشی از جابه­جایی را سبب شوند. نوع اول، مشکلات ناشی از برخورد قاب­ها به یکدیگر در مفاصل است. در حالت کلی، این خسارت محلی باعث فروریزش پل نخواهد شد و بنابراین زیاد نگران کننده نیست. نوع دوم هنگامی اتفاق می­افتد که مفصل انبساطی باز می­شود و اجازه حرکات بسیار بزرگ قاب­ها و عدم نشست تکیه­گاهی را می­دهد. مهارها برای بستن قاب­ها به یکدیگر استفاده می شوند و جابه­جایی­های نسبی را از قابی به قاب دیگر محدود می­کنند و مسیر مناسبی برای انتقال نیرو در عرض مفصل فراهم می­آورند.  هدف اصلی، جلوگیری از افتادن دهانه­ها از تکیه­گاهشان است. بعضی فاکتورها مانند دوره تناوب سازه، قابلیت انعطاف، مقاومت مفصل، قاب خمشی، دیافراگم، ظرفیت کششی روسازه و تا اندازه­ای هندسه روسازه در انتخاب نوع مهار موثرند.

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

تاریخچه طراحی لرزه­ای پل­ها و لزوم بررسی آسیب­پذیری لرزه­ای پل­های موجود

در آمریکا تا سال 1940 میلادی ( 1319 شمسی ) آیین­نامه طراحی پل، بدون اشاره به لزوم درنظر گرفتن نیروی ناشی از زلزله مورد استفاده قرار می گرفت. از سال 1940 در نظر گرفتن نیروی زلزله در طراحی پل­ها اول در کالیفرنیا و متعاقب آن از سال 1949 در ویرایش پنجم آشتو در تمام آمریکا (بدون ارائه دستورالعملی برای تعیین این نیرو) الزامی شد. در سال 1961 روش تعیین نیروی ناشی از زلزله با توجه به ساختگاه پل، بین 4درصد وزن پل برای سازه­های واقع بر روی پی گسترده، الی 6درصد وزن پل برای سازه­های واقع بر روی شمع، وارد مقررات طراحی پل­های آمریکا گردید که تا سال 1975 بدون تغییر باقی ماند. پس از زلزله سال 1971 سان­فرناندو، ابتدا در سال 1973در ایالت کالیفرنیا و از سال 1975 توسط آشتو برای کل آمریکا، مقررات جدیدی برای طرح لرزه­ای پل­ها شامل ارتباط محل با گسل فعال، پاسخ لرزه­ای خاک محل و مشخصات دینامیکی پل ارایه گردید. در سال 1992 و پس از زلزله­های متعدد نورتریچ 1984 و مکزیک 1985، تغییر اساسی در مقررات لرزه­ای آشتو راه یافت و به­صورت یک بخش متمایز منتشر گردید. از طرف دیگر در ژاپن، خرابی وسیع پل­ها در زلزله­های مختلف از جمله زلزله 1995کوبه همراه با تحقیقات وسیعی که پس از این زلزله­ها انجام شد، منجر به تغییرات اساسی در آیین نامه طراحی لرزه­ای پل­ها در ژاپن در سال 1996 میلادی شد.

آیین­نامه طرح لرزه­ای پل­ها در ایران اولین بار به صورت پیش­نویس، در سال 1372 توسط مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن تدوین گردید و در سال 1375 مورد تصویب هیات دولت جهت رعایت توسط مشاوران قرار گرفت. در سال 1384 مقررات کامل­تری توسط وزارت راه­ و ترابری تدوین و انتشار یافت که رعایت آن برای طراحی پل­های خارج از شهر الزامی می­باشد. به این ترتیب پل­هایی را که قبل از سال 1375 ساخته شده اند، با توجه به فقدان آیین­نامه مدوَّن پل­سازی در ایران می­توان نامطمئن تلقی نمود. هرچند بسیاری از این پل­ها توسط مهندسین مشاور مجرب، طراحی و دانش موجود زمان در طرح آن­ها به­کار گرفته شده است، لکن بررسی مجدد طراحی و محاسبات این پل­ها با توجه به پیشرفت­های به­دست آمده در دانش مهندسی زلزله در سال­های اخیر، امری اجتناب ناپذیر است. این­که این بررسی برای همه پل­ها، ضرورت دارد یا نه بستگی به عوامل متعددی دارد. یکی از این عوامل اهمیت این پل­ها در امدادرسانی از طریق آن­ها به مناطق مختلف می­باشد. این پل­ها ممکن است پس از بررسی، قابل قبول و یا نامطمئن تشخیص داده شوند. پل­های قابل قبول پل­هایی خواهند بود که با توجه به دانش روز دارای ایستایی قابل قبول بوده و بتوانند پس از بیشینه زلزله قابل تصور(MCE)   قابل بهره برداری باشند و پل­های نامطمئن پل­هایی هستند که ایستایی آن­ها در هنگام بروز زلزله­های طرح و یا بیشینه زلزله قابل تصور، محل اطمینان نباشد. لذا طبیعی است که پل­های نامطمئن در صورت تشخیص باید مورد تقویت قرار گرفته و یا در صورت اقتصادی نبودن تقویت، درمورد جایگزینی مسیر آن­ها بررسی لازم به­عمل آید]1[.

معرفی فصل­های گزارش

در فصل اول (فصل جاری) با ذکر مقدمه­ای دلایل پرداختن به موضوع سقوط عرشه پل­ها توضیح داده شده و وجوه تمایز پژوهش حاضر با پژوهش­های مشابه که در خارج از کشور انجام گرفته، بیان شده است. در ادامه این فصل، انواع سیستم­های مقیدکننده طولی و شیوه عملکرد آن­ها به طور مختصر معرفی شده است. سپس تاریخچه طراحی لرزه­ای پل­ها در جهان و ایران مرور می­شود و در پایان فصل­های گزارش تشریح می­شود. در فصل دوم، آسیب­پذیری لرزه­ای پل­های بتنی تشریح شده است. انواع آسیب­پذیری لرزه­ای در عرشه پل­ها، آسیب­پذیری پایه­ها و کوله، با ذکر نمونه­هایی که در زلزله­های گذشته به وقوع پیوسته است به همراه تصاویر، توضیح داده شده است. خاطر نشان می­شود در این پژوهش به مقابله با یکی از این مودهای خرابی، یعنی فروافتادن عرشه پل­ها به تفصیل پرداخته شده است. در ادامه، سقوط عرشه پل­ها و عملکرد مقیدکننده­های طولی در زلزله­های گذشته مورد بررسی قرار گرفته است. پس از آن انواع متداول مقیدکننده­های طولی شامل مهارهای کابلی، میله­های فولادی، آلیاژهای هوشمند، میراگرها، سیستم­های قفل شونده و . . . معرفی شده است. بعد از معرفی انواع سیستم­های مقیدکننده، روش­های طراحی مقیدکننده­های طولی که عمدتاً برای مهارهای کابلی توسعه یافته­اند، شامل شیوه­های آیین­نامه­ای و روش­های تحقیقاتی، ارائه شده است. در بخش دیگری از این فصل، پژوهش­های شاخصی که به طور تحلیلی و آزمایشگاهی، در زمینه بررسی عملکرد لرزه­ای پل­های مجهز به مقیدکننده­های طولی در خارج از کشور و در داخل، صورت گرفته است به طور مختصر معرفی شده است. در پایان فصل دوم، به اثر طول نشیمن­گاه در طراحی لرزه­ای پل­ها پرداخته شده است. ببدین صورت که پس از ذکر پارامترهای موثر در طول نشیمنگاه، دیدگاه آیین­نامه­های مختلف در مورد طول نشیمنگاه پل­ها مطرح شده است. در فصل سوم به تشریح روند مدل­سازی در این پژوهش پرداخته شده است. ابتدا مشخصات پل­های مورد مطالعه شامل مشخصات هندسی، مشخصات مصالح و مدل اجزای محدود توضیح داده شده است. در ادامه بارگذاری لرزه­ای و مشخصات شتابنگاشت­های انتخابی و همچنین روش تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی ارائه گردیده است. این فصل با تشریح مشخصات سیستم­های مقیدکننده طولی سه­گانه مورد مطالعه در این پژوهش پایان می­یابد. در فصل ششم نتایج حاصل از پژوهش ارائه شده است. ابتدا نتایج برای هریک از سیستم­های مقیدکننده به تفکیک ارائه شده است. بدین منظور تاریخچه زمانی پاسخ سازه تحت اثر زلزله طبس ارائه شده و برای سایر زلزله­های انتخابی، بیشینه پاسخ­ها مقایسه شده است. پس از ارائه نتایج، نتاج عملکرد انواع سیستم­های مقیدکننده، به منظور انتخاب یک سیستم مقیدکننده مناسب، مقایسه شده است. در فصل چهارم، پس از جمع­بندی نهایی، پیشنهاداتی برای پژوهش­های آتی ارائه شده است. این نوشتار دارای دو پیوست نیز می­باشد. در پیوست اول، صحت سنجی تحلیل تاریخچه زمانی نرم­افزار مورد استفاده، ارائه شده است. در پیوست دوم، تاریخچه زمانی پاسخ­های سازه برای همه شتابنگاشت­ها و همه سیستم­های مقیدکننده درج شده است.

Abstract

Multi-span girder and slab bridges are the most common type of bridges in Iran. During an earthquake modes of failure in longitudinal direction differs from modes of failure in transverse direction. In the longitudinal direction the superstructure is suseptable to falling off the supports or pounding with the abutments. To prevent such failures it is necessery to inhibit longitudinal displacement of the superstructure. This would require installation of restrainers to limit the longitudinal movement and keep the structure tied together during earthquakes. In this project the behavior of a three span simply supported concrete bridge equipped with different types of restrainers would be studied. Dynamic time history analyses would be carried out to assesss the responses of the bridge with and without restrainers. At least three different types of restrainers with two different configuration would be studied.

Key Words: Bridge, earthquake, Lifeline, damper, restrainer

مراجع:

برجیان حبیب، "آسیب­پذیری لرزه­ای شریان­های ترابری ایران"، اولین همایش ملی مهندسی زلزله و شریان­های حیاتی، پژوهشگاه بین­المللی مهندسی زلزله و مهندسی زلزله، اردیبهشت ماه 1377.

رهایی, علیرضا (1370). بررسی عملکرد، آسیب­پذیری و بهسازی پل­ها. تهران: انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر

Moehle, J.P., Eberhard, M.O. "Earthquake Damage to Bridges." Bridge Engineering Handbook. Ed. Wai-Fah Chen and Lian Duan, Boca Raton: CRC Press, 2000.

معاونت برنامه­ریزی و نظارت راهبردی ریاست­جمهوری (1390). راهنمای روش­ها و شیوه­های بهسازی لرزه­ای ساختمان­های موجود و جزئیات اجرایی. نشریه شماره 524، تهران: مولف

معاونت برنامه­ریزی و نظارت راهبردی ریاست­جمهوری (1390). راهنمای بهسازی لرزه­ای پل­ها. نشریه شماره 511، تهران: مولف

Rita Johnson, Jamie E Padgett, M Emmanuel Maragakis, Reginald DesRoches and M Saiid Saiidi (2008). “Large scale testing of nitinol shape memory alloy devices for retrofitting of bridges”. Smart Mater. Struct. 17 (2008) 035018 (10pp).

R. Johnson, M. Saiidi, M. Maragakis (2005). “A STUDY OF FIBER REINFORCED PLASTICS FOR SEISMIC BRIDGE RESTRAINERS”. Report No. CCEER-05-02. Nevada Department of Transportation.

Reginald DesRoches , M.EERI, and Gregory L. Fenves. (2001). “Simplified Restrainer Design Procedure for Multiple-Frame Bridges”. Earthquake Spectra, Volume 17, No. 4, pages 551–567.

Reginald DesRoches and Gregory L. Fenves.(2000). “DESIGN OF SEISMIC CABLE HINGE RESTRAINERS FOR BRIDGES”. Journal of Structural Engineering, Vol. 126, No. 4.

R. DesRoches , M. Delemont (2002). “Seismic retrofit of simply supported bridges using shape memory alloys”. Engineering Structures 24 (2002) 325–332.

Reginald DesRoches, Thomas Pfeifer, Roberto T. Leon and Tam Lam (2002). “Full-Scale Tests of Seismic Cable Restrainer Retrofits for Simply Supported Bridges”. Journal of Bridge Engineering, Vol. 8, No. 4.

Gakuho WATANABE and Kazuhiko KAWASHIMA(2004). “EFFECTIVENESS OF CABLE-RESTRAINER FOR MITIGATING ROTATION OF A SKEWED BRIDGE SUBJECTED TO STRONG GROUND SHAKING”. 13th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada August 1-6, 2004 Paper No. 789.

Bassem Andrawes and Reginald DesRoches (2007). “Comparison between Shape Memory Alloy Seismic Restrainers and Other Bridge Retrofit Devices”, Journal of Bridge Engineering, Vol. 12, No. 6.

امیر ملکشاهی و مرتضی بسطامی، "کاربرد مهار کابلی در مقاوم­سازی عرشه پل­ها"، پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، 1389.

شایانفر محسنعلی، میرزایی اکبر (1388)، "بررسی عملکرد لرزه­ای پل­های خمیده بتنی در پلان و مجهز به کابل­های مقیدکننده طولی، به منظور جلوگیری از سقوط عرشه". نشریه اساس، تابستان 1388.

Adams, D. D. and Wood, W. L. (1983), “Comparison of Hilber-Hughes-Taylor and Bossak „α-methods‟ for the numerical integration of vibration equations”. Int. J. Numer. Meth. Engng., 19: 765–771.

Douglas P. Taylor, President Taylor Devices, Inc." FLUID LOCK-UP DEVICES B A ROBUST MEANS TO CONTROL MULTIPLE MASS STRUCTURAL SYSTEMS SUBJECTED TO SEISMIC OR WIND INPUTS".

Aiken I.D., Nims D.K., Whittaker A.S., Kelly J.M., (1993), “Testing of passive energy dissipation systems”, Earthquake Spectra, Vol 9(3).

Stefano BERTON, Hans STRANDGAARD and John E. BOLANDER (2004). "Effect of nonlinear fluid viscous dampers on the size of expansion joints of multi-span prestressed concrete segmental box-girder bridges". 13th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada August 1-6, 2004 Paper No. 1618.

مهدی پورنداف حقی، اکبر واثقی، ساسان عشقی (1384)، "بررسی عاثر طول نشیمنگاه در طراحی لرزه­ای پل­ها". پژوهشنامه زلزله شناسی و مهندسی زلزله، سال هشتم، شماره دوم و سوم، تابستان و پاییز 1384.