بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی ارتعاش عرشه پلها با تیرهای حمال فولادی تحت تأثیربارزنده
چکیده
یکی ازمشکلات صنعت پلسازی،ارتعاش محسوس ناخوشایند عرشه پلها با تیرهای حمال فولادی است. هرچند که محاسبات مربوطه به این پلها ازنظرمقاومت بخوبی انجام شده وهمچنین معیارهای کنترل تغییرشکل طبق آیین نامه ها به خوبی صورت گرفته باشد،باز درحین عبور وسیله نقلیه، ممکن است دچارنوساناتی گردند که ازنظرناظرایستاده برروی پل ناخوشایند باشداصولاًبه. دو دلیل، ارتعاش پلها تحت اثر حرکت ترافیک مهم می باشد. اول آنکه تنشها نسبت به حالت بارگذاری استاتیکی افزایش می یابند (این عامل توسط ضریب بار دینامیکی درطراحی پلها ملحوظ میشود).
دلیل دوم آن است که ارتعاش زیاد ممکن است سبب نگرانی استفاده کنندگان از پل شود.
لذا در این تحقیق برای بررسی ارتعاش عرشه پلها، روشهای تحلیلی جامع برای بررسی اندرکنش پل- وسیله نقلیه ارائه شده و در ادامه برروی مدل شبیه سازی شده اثر پارامترهای مختلف در ارتعاش عرشه پلهای مختلط دوعنصری نظیر سرعت حرکت وسیله نقلیه، اثر سختی نئوپرنها، اثرنوع وسیله نقلیه، اثریکپارچگی دال عرشه، اثرخط حرکت وسیله نقلیه و اثر نوسانات اولیه وسیله نقلیه بررسی شده ونتایج هریک از بررسی ها بصورت نمودارهای احساس ارتعاش (نمودار شتاب ارتعاش برحسب فرکانس ارتعاش) بیان شده است.
هدف دیگراین تحقیق آن است که با انجام مطالعات دینامیکی، مشخص گردد که آیا معیار کنترل تغییرشکل معرفی شده توسط آیین نامه، می تواند جوابگوی کنترل ارتعاشات باشد یانه و درادامه معیار برای کنترل ارتعاش عرشه پلها معرفی شده است. مطالعه موردی دراین خصوص، عرشه پل واقع درپایین دست کرخه است که دارای ارتعاشات قابل توجهی درحین عبور بار کامیون می باشد.
-1 مقدمه
در طرح و ﳏاسبه قطعات سازهاى در مقابل بارهاى ایستا، فرض میشود که شتاب وارد برجرم ﲤام اجزاء و قطعات سازه صفر است و بارها به صورت آهسته و تدرﳚی بر قطعات وارد میگردند و در هر مرحله از وارد شدن بار، زمان کاﰱ موجود است تا تعادل بﲔ نﲑوهاى موثر و نﲑوهاى ارﲡاعی مقاوم داخلی بر قرار گردد.
بارگذارىهاﱙ که عملاﹰ در ساختمانها پیش میآید در اغلب حالات کم و بیش چنﲔ وضعی را دارا هستند و به ﳘﲔ علت در کارهاى متعارف ساختماﱏ، اکثر بارها را در گروه بارهاى ایستا در نظر میگﲑند و ﳏاسبات قطعات را قائم بر چنﲔ فرضی اﳒام میدهند. با این حال، حالات زیادى پیش میآید که بارگذارى واقعی با بارگذارى ایستاﱙ نام برده کاملاﹰ متفاوت است و اجباراً باید اثر دینامیک بارها را نیز در نظر داشت. از ﲨله مثالهاى متعددى که در این مورد وجود دارد، میتوان به پلها (قطعات ساختماﱏ که ماشﲔهاى متحرک از روى آهنا میگذرد) اشاره کرد.
انگیزیه ﲢلیل اثر بارهاى متحرک بر روى سازه پلها، با توسعه سیستم نقل و انتقالات توسط راهآهن در قرن نوزدهم اﳚاد شد. چرا که گسترش این سیستم نقل و انتقال،ضرورت احداث بسیارى از پلها را اﳚاب کرد. ﳘانطور که از نیمه دوم قرن نوزدهم، مسئله ارتعاش پلهاى راهآهن به طور وسیعی مورد مطالعه قرار گرفت، از نیمه دوم قرن بیستم نیز کوششهاى بسیار جدى براى حل مسئله ارتعاش پلهاى جاده صورت گرفت. بارواج استفاده از کامپیوتر و با کاربرد روشهاى ﳏاسباتی پیشرفته (روشهاى اجزاءﳏدود و غﲑه) میتوان مدلهاى شبیهسازى شده دو و یا سه بعدى ارتعاش پلها را حل کرد. لذا در چند سال اخﲑ، ﲢقیقات بر روى اندرکنش پل – وسیله نقلیه، به طور قابل ملاحظهاى توجه ﳏققﲔ را معطوف خود کرده است.
دراین ﲢقیق ، هدف اصلی، هتیه اطلاعات پایه براى مدل سازى اندرکنش پل-وسیله نقلیه (شامل مدلسازى وسیله نقلیه، مدل دینامیکی عرشه و مدل دینامیکی نئوپرن ها) بوده و سپس در ادامه ارائه روشی جامع براى بررسی این اندرکنش به کمک نرم افزارANSYS می باشددرادامه بامعرﰱ ﳕودارهاى پایه براى درک ارتعاش به بررسی عوامل ﳐتلف و تأثﲑآهنا برارتعاش عرشه پلها پرداخته و درانتهاﲤهیداتی براى کاهش ارتعاش عرشه پلها بیان میشود.
-2 بررسی وتعریف مرز ارتعاشات محسوس وناخوشایند
انسانهاشدیداً نسبت به ارتعاش حساس بوده و اغلب در ارتعاشاتی که دارای شدت بسیار کمتری از ارتعاش مورد نیاز برای رسیدن سازه به حالت حدی لازم میباشد، دچار صدمه میشوند. بنابراین درطراحی سازه ها، پاسخ انسانبه ارتعاشِ ناشی از منابع مختلف بارگذاری دینامیکی، مثل باد، عبور وسایل نقلیه و…، باید به عنوان یک حالت حدی خدمت پذیری درنظرگرفته شود. ضمن اینکه بارگذاری زلزله، به عنون بارگذاری حالت حدی نهایی درنظرگرفته می شود و باید تنش های دینامیکی از تنشهایی که سبب ایجاد ناپایداری درسازه می شوند، کمترباشد.
غالباً پلها به علت شکل سازه ای شان که عریض و درعین حال نازک وکم عمق می باشند، برای ارتعاش درجهت قائم مستعد می باشند. تنها استثنا نوسانات افقی ایجاد شده در پلهای معلق خیلی طویل به دلیل وزش باد می باشد.
درپلهابرخلاف ساختمانها، مقادیر بزرگتری از نوسانات قائم قابل قبول می باشد، چون افراد روی پل در محیط بازبوده وازحضورترافیک یابادآگاه هستند. ازاین گذشته، افراد درحال عبور، فقط تحت تأثیرارتعاش برای پریود کوتاهی از زمان قرار دارند. درسال 1978، Irwin یک منحنی پایه برای پاسخ قابل قبول انسان به ارتعاش پلها تحت شکلهای غالب بارگذاری، پیشنهاد کرد که در شکل 1 نمایش داده شده است.
آمارگیری انجام شده درسال 1958 درآمریکا از استفاده کننده های پلهای جاده نشان می دهد که دراکثریت مواقع شکایات از ارتعاشات ناراحت کننده پلها از طرف افراد پیاده بوده است. دلیل این امر ان است که رانندگان و مسافران وسایل نقلیه به ندرت نوسانات پل را احساس می کنند چونکه این نوسانات توسط ارتعاشات معمولی وسیله نقلیه مبهم میشود. تحقیقات انجام شده توسط Leonard درسال 1966 نشان می دهد که افراد پیاده وقتی که درحال راه رفتن هستند نسبت به وقتی که برروی پل ایستاده باشد، کمتراز ارتعاشات قائم تأثیرپذیرهستند.
شکل ١- پاسخ انسان به ارتعاش پلها (نوسانات قائم)
-3 مقادیر عددی مدل های دینامیکی
دراین قسمت روشهای تولید مدلهای دینامیکی برای بررسی اندرکنش پل-وسیله نقلیه بررسی شده و در ادامه مقادیر عددی مورد استفاده در این شبیه سازی بیان می شود.
-1-3 مدل وسیله نقلیه
شکل بندی وسیله نقلیه اصلی دراین پروژه، همانند بار نوع اول یا بارگذاری عادی آیین نامه بارگذاری پل ایران-نشریه شمارۀ 139 می باشد. لذا در تحلیل های پارامتری، برای بررسی اثر پارامترهای مختلف در ارتعاش پلها، به جز پارامترشکل بندی و وزن وسیله نقلیه، از کامیون 40 تنی آیین نامه ایران استفاده شده است.
ازنظر بررسی اثر وسیله نقلیه برنتایج تحلیل، سه پارامتر اتفاقی از مشخصات وسیله نقلیه را درنظر گرفته ایم. این سه پارامتر اتفاقی عبارتنداز وزن (W)، سرعت (V) و فاصله محورهای وسیله نقلیه (D) مقادیر آنها به شرح جدول زیر می باشد.
تحلیل های مستقل از پارامترهای وسیله نقلیه، با این نوع از وسیله نقلیه انجام شده است.
توزیع وزن وسیله نقلیه برای کامیونهای سبک و کامیون آیین نامه، 20% برمحور جلو و 80% برمحور عقب می باشد ولی برای کامیونهای سنگین وزن برروی محور جلو و برروی محور عقب قرار می گیرد.
-2-3 مدل عرشه پل
پل تحت بررسی، پل ارتباطی سدکرخه می باشد که در پایین دست سد مذکور اجرا گردیده و یک پل باعرشه دوعنصری و متشکل از شاهتیرهای فولادی و دال بتنی می باشد. طول این پل 60.46 متربوده و کل عرض آن 13.5 متر می باشد. مقطع عرضی، این پل در شکل 2 رسم شده است. تیرهای حمال این پل از تیرهای فولادی و با جان ثابت 2500×12 وبالهای متغیرساخته شده است.
مقطع مرکب عرشه، علاوه برتیرفولادی معرفی شده درقبل، شامل یک دال بتنی با ضخامت 20 سانتیمتر می باشد که مقاومت مشخصه بتن آن f`c=300(kg/cm2) و فولاد مصرفی AII می باشد.
٣-٣- تکیه گاه الاستومر (نئوپرهنا)
مقادیرسختی نئوپرنها این پل با استفاده از روابط موجود، محاسبه و در شبیه سازی واردشده است.
-4-3 برنامه کامپیوتری
در این پروژه برای حل دستگاه روابط اندرکنش از گزینه تحلیل دینامیکی گذرا((Transient Dynamic Analysis (یا تاریخچه زمانی(((Time History نرم افزار ANSYS استفاده شده است. به کمک این آنالیز می توان به محاسبه پاسخ دینامیکی یک سازه تحت تأثیر بارگذاری های وابسته به زمان پرداخت.
4 نتایج حاصله از شبیه سازی
درادامه برروی مدل تهیه شده بررسی های زیر را انجام می دهیم.
-1-4 اثر سرعت حرکت وسیله نقلیه برپاسخ دینامیکی عرشه
درابتدا به بررسی پاسخ پل شبیه سازی شده به تغییر سرعت وسیله نقلیه می پردازیم. دراین بررسی از وسیله نقلیه استاندارد آئین نامه ایران استفاده می شود و آن را باسرعتهای مختلف از پل عبور می دهیم.
حال برای بررسی لرزش پل، تغییرشکل، سرعت وشتاب نقطهوسط ونقطه ربع دهانه تیراول را درنظرگرفته و نقطه متناظربا این حالت ارتعاشی را روی دیاگرام احساس ارتعاش رسم می کنیم (شکل .(3
مشاهده می شود که با افزایش سرعت وسیله نقلیه، علاوه براینکه تغییرشکل نقاط مختلف افزایش می یابند، شتاب ارتعاشی آنها نیز افزایش چشمگیری پیدا می کند واین درحالی است که فرکانس ارتعاشی آنها تغییرات زیادی ندارد. ازطرفی همانطور که درشکل 1 نیز مشاهده شد، ثابت ماندن فرکانس وافزایش شتاب ارتعاش یعنی احساس شدیدتر ارتعاش، پس با افزایش سرعت حرکت وسیله نقلیه، احساس ارتعاش نیز شدیدتر می شود که این موضوع درشکل کاملاًقابل3 مشاهده می باشد.
همانطور که مشاهده می شود، دراینجا نیز ارتعاش اولیه زیاد به علت سختی کم نئوپرنها را داریم. بدین جهت مقدار شتاب ارتعاشی درنقاط ابتدایی وانتهایی پل بیشتراز نقاط وسط دهانه می باشد که این فقط به دلیل ضعیف بودن نئوپرنها می باشد و درفصل بعد دربارۀ آن بطورکامل بحث وبررسی می شود.
-2-4 اثرسختی وابعاد تکیه گاه های الاستومربرپاسخ دینامیکی عرشه
در قسمت قبل، بررسی های انجام شده برروی مدل شبیه سازی شده پل واقعی انجام شد. یعنی تمام جزئیات شبیه سازی،کاملاً منطبق برپل اصلی بود. اما یکی از مشکلات اساسی این پل، نئوپرنهای آن می باشد. چراکه این نئوپرنها برای تنش مجاز طرح شده اند که درحالت بارگذاری عملی تنش آنها به نیز می رسد.
اما اگر بخواهیم از تنش مجاز آیین نامه آشتو برای طراحی نئوپرنها استفاده کنیم، باید ابعاد نئوپرن طوری باشد که ماکزیمم تنش درحالت بارگذاری مرده وزنده به برسد.
ازطرفی نئوپرنهای طراحی شده به ضخامت 92 میلیمترمی باشندکه این مقدار برای دهانه های ساده 60 متری بسیارزیاد است. ازطرفی، ضخامت مؤثر مناسب برای این دهانه 24 میلیمتر می باشد. حال اگر نئوپرن انتخابی را به ضخامت 46 میلیمتر (نصف مقدارطراحی شده) وبصورت سه لایه درنظر گرفته و شبیه سازی را برای این نئوپرنها انجام می دهیم.
شکل ٣- اثر سرعت حرکت وسیله نقلیه برلرزش عرشه پلها
دراینجا نیز نتایج خروجی از هرشبیه سازی را در روی منحنی احساس ارتعاش رسم می کنیم که این نمودار درشکل 4 رسم شده است.
ازاین نمودار مشاهده می شود که برای سرعتهای حرکت بالا، اثرسختی نئوپرنها درکاهش ارتعاشات عرشه بسیار زیاد می باشد.
شکل -4 اثرسختی نئوپرنها براحساس ارتعاش
-3-4 اثرنسبت ارتفاع به طول تیر در لرزش عرشه پلها
درمورد ارتعاش کف ها اگرنسبت ارتفاع به طول تیرکف از بزرگترباشد، آنگاه فرکانس ارتعاشی تیر بیشتر از 10 شده ولذا بدون توجه به میرایی این کف از نظر ارتعاش ولرزش مشکلی را برای ساکنین ایجاد نمی کند. اما به غیر ازنوع بارزنده،
