بخشی از مقاله
چکیده
یکی از ارکان اصلی ساخت بزرگراهها و آزادراهها، پلها میباشند. پلهای ترکهای با کاهش زمان ساخت و هزینههای اجرایی و افزایش مدت بهرهبرداری یکی از مناسبترین گزینهها برای ساخت پلهای بزرگ محسوب میگردند. رفتار و هندسه پیچیده پلهای کابلی مدلسازی و طراحی این سازهها را همواره با چالشهایی روبرو کرده و نیاز به بررسیها و مطالعات بیشتر را ضروری ساخته است. در این مطالعه به بررسی تأثیر طول دهانه بر رفتار لرزهای پلهای کابلی ترکهای پرداخته شده است. جهت نیل به این هدف ابتدا روش مدلسازی عددی مورد استفاده مطابق با یک نمونه مدل عددی معتبر صحت سنجی گردید. سپس سه نمونه پل کابلی با طول دهانه های 100، 150 و 200 متر در نرم افزار SAP2000 مدل-سازی گردید. جهت بررسی و مقایسه رفتاری مدلها از روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی با سه رکورد زلزله حوزه نزدیک گسل و دارای خاک سست استفاده گردیده است. نتایج این مطالعات نشان می دهد که رفتار لرزهای پلهای ترکهای متأثر از طول دهانه و پدیده تشدید در پلهای کابلی می باشد.
-1 مقدمه
افزایش روزافزون جمعیت شهری و حجم ترافیک عبوری در شهرها باعث شده است تا متخصصان و صاحب نظران در امر ترافیک شهری روشهای نوینی را برای کاهش ترافیک، طراحی و اجرا کنند. از جمله این راهکارها می توان به ساخت بزرگراهها و آزادراهها و یا استفاده از سیستمهای حمل و نقل عمومی اشاره نمود. یکی از ارکان اصلی در ساخت بزرگراهها و آزادراهها، استفاده از پلها میباشد. در صنعت پلسازی کمترین زمان ساخت، کمترین هزینه ساخت و بیشترین زمان بازدهی محورهای اصلی طراحی و ساخت پلها را تشکیل می دهد. پل-های کابلی به دلیل تأمین نمودن متغیرهای ذکر شده، یکی از اصلیترین گزینهها در ساخت پلهای بزرگ محسوب میگردند. در چندین دهه گذشته پلهای کابلی احداث شده در سرتاسر جهان به دلیل دارا بودن جذابیت در سیمای ظاهری، استفاده مناسب و بهینه از مصالح ساختمانی، روشهای مناسب جهت احداث و بهرهبرداری سریع از سازه و اجزای سازهای در مقایسه با سایر پلها، توجه بسیاری از کارشناسان را به خود جلب کردهاند .[1]
با توجه به پیشرفت علم مهندسی سازه، ساخت پلها با دهانه های بسیار بزرگ در سالهای اخیر امکانپذیر شده و استفاده از آنها رو به فزونی است. امروزه پلهای کابلی ایستا با دهانه اصلی بزرگتر از 1000 متر احداث و مورد استفاده قرار می گیرند .[2] حرکات شدید زمین در مناطق لرزهخیز تهدید جدی برای چنین سازههای مهم و هزینه بری می باشد. بنابراین بررسی لرزهای این گونه سازهها حائز اهمیت بسزایی است. در این راستا شناسایی رفتار لرزهای پلهای کابلی، میتواند به طراحی مناسب برای حفظ پایداری سازه تح بارهای محیطی خصوصاً زمین لرزه کمک کند .یکی از اولین مطالعات در زمینه بررسی رفتار دینامیکی پلهای کابلی توسط فلمینگ و اسگسلی صورت پذیرفته است. ایشان رفتار لرزهای پل دهانه کوتاه Norbruke در آلمان را با استفاده از اعضای تیر و کابل بر اساس مدل ریاضی دو بعدی مورد بررسی قرار داده و پاسخ خطی و غیرخطی هندسی این پل را تحت زلزله اِل سِنترو مطالعه نمودند .نظمی و عبدالغفار طی مطالعه ای به بررسی پاسخ لرزهای دو پل با دهانههای اصلی 335 و 670 متری پرداختند. نتایج حاصل بیانگر اختلاف چشمگیر در پاسخ لرزهای خطی و غیرخطی هندسی پل با دهانه بزرگتر بود. براساس نتایج این مطالعات از سازه پل تحت اثر تحریکات غیریکنواخت تکیهگاهیعمدتاً پاسخ بزرگتری نسبت به تحریکات یکنواخت حاصل میگردید . کشته گر و میری در طی مطالعهای رفتار غیرخطی پل های کابلی را با استفاده از تحلیل صریح دینامیکی مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه امواج ناشی از حرکت شدید زمین در زوایای مختلف با محور اصلی پل به سازه اعمال گردید. جهت بررسی لرزهای پل مورد مطالعه، از دو تحلیل استاتیکی و دینامیکی پیاپی استفاده شد، به نحوی که تغییرشکلها و تنشهای موجود در اجزای پل، در انتهای تحلیل استاتیکی به صورت شرایط اولیه به تحلیل دینامیکی انتقال یابد. نتایج بیانگر اختلاف پاسخ سازه تحت تحریک یکنواخت و غیریکنواخت بوده و اهمیت تأثیر زاویه برخورد امواج ناشی از زلزله در تحلیل اینگونه سازهها را نشان میداد .[6]
-2 انتخاب مدل های عددی
رفتار و هندسه پیچیده پلهای کابلی مدلسازی عددی این سازه-ها را همواره با مشکل روبرو کرده است. این رفتار پیچیده همچنین باعث گردیده که مدلسازی عددی این سازهها در فعالیتهای عملی با ساده سازیهایی همراه باشد. هدف اصلی این مطالعه بررسی تأثیر طول دهانه بر رفتار لرزهای پلهای ترکهای می باشد. جهت نیل به این هدف بایستی مدلهای عددی به تعداد کافی و با دهانههای مختلف تحلیل گردیده و شرایط مقایسه با سایر مدلها را فراهم آورند. با توجه به محدودیتهای موجود در تحلیل و طراحی پلهای ترکهای و همچنین زمانبر بودن تحلیلهای غیرخطی تاریخچه زمانی در این تحقیق 3 مدل با طول دهانههای 100، 150 و 200 متر مطابق جدول 1 برای انجام مطالعات انتخاب گردیدند. جهت مدلسازی عددی مدلهای مذکور از نرم افزار SAP 2000 استفاده گردیده است. در انتخاب مدلها جهت مقایسه بهتر نتایج عرض عرشه در تمامی مدلها ثابت بوده و تنها متغیر مورد مطالعه، طول دهانه میباشد. همچنین در تمامی مدلها از یک دکل میانی استفاده گردیده است. تمامی دهانهها جهت تحلیل مناسب و تامین اتصال کابلها به عرشه پل به قسمتهای 10 متری تقسیم گردیدهاند. در جدول 2 مشخصات مصالح استفاده شده در مدل های عددی برای قسمت های مختلف پل نشان داده شده است. در شکل 1 نیز مدل عددی صورت پذیرفته در نرم افزار SAP 2000 برای پل با دهانه 100 متر نشان داده شده است.
جدول :1 مشخصات مدلهای انتخابی
جدول :2 مشخصات مکانیکی قسمتهای اصلی پل
شکل :1 مدل عددی پل با دهانه 100 متری
-3 تحلیل دینامیکی غیرخطی
جهت بررسی و مقایسه رفتاری مدلها از روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی استفاده گردیده است. با توجه به 3 بعدی بودن مدل پل ترکهای 3 رکورد زلزله که هر یک دارای دو مولفه عمود برهم میباشند در انجام تحلیلهای دینامیکی مورد استفاده قرار گرفتند. نوع خاک مناطقی که رکوردها از آن محل انتخاب شده اند سست بوده و ایستگاه آنها به مرکز وقوع زلزله نزدیک میباشد؛ به عبارت دیگر اثرات حوزه نزدیک در تحلیل لرزهای تمامی مدلها در نظر گرفته شده است. مطابق آییننامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله - استاندارد 2800 ویرایش چهارم - چنانچه از سه زوج شتاب نگاشت برای انجام تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی استفاده شود، خروجیهای بیشینه هر یک از شتاب نگاشتها برای اعمال در سازه در نظر گرفته می-شود. زوج شتاب نگاشتهای انتخاب شده مطابق ضوابط استاندارد 2800 ابتدا به مقدار حداکثر خود یعنی شتاب ثقل g مقیاس شده و سپس با اعمال ضریب اصلاح به مقدار مورد تایید استاندارد 2800 مقیاس گردیدند.در این مطالعه، تحلیلهای غیرخطی هندسی در نظر گرفته شده است. همچنین برای انجام تحلیلهای تاریخچه زمانی از روش انتگرال گیری مستقیم استفاده گردیده است. برای انتگرال گیری عددی نیز از روش Hilber-Hughes-Taylor استفاده شده است. در جدول 3 مشخصات رکوردهای انتخاب گردیده جهت تحلیل سازه پل های مورد مطالعه ارائه شده است. طیف پاسخ شتاب نگاشت های مقیاس شده نیز با منظور کردن نسبت میرایی 5% در شکلهای 1 تا 3 نشان داده شده است. همچنین طیف پاسخ هر زوج شتاب نگاشت با استفاده از روش جذر مجموع مربعات با یکدیگر ترکیب شده و یک طیف ترکیبی واحد برای هر زوج ساخته شده است. مشخصات این طیف ها نیز در شکل 4 ارائه گردیده است.
جدول :3 مشخصات رکوردهای زلزله
شکل :2 طیف پاسخ زلزله Coyote Lake
شکل :3 طیف پاسخ زلزله Kobe
شکل :4 طیف پاسخ زلزله Loma Prieta
