بخشی از مقاله
چکیده
- حرکت قطارهای زیرزمینی بر روی ریل ایجاد امواج ارتعاشی نموده و این امواج به سطح زمین و سازههای مجاور انتقال پیدا میکنند. گرچه امواج تولید شده صدمات سازهای به ساختمانها وارد نمینمایند ولی برای اجزاء غیرسازهای، تجهیزات حساس و ساکنین ساختمان ایجاد مشکل میکنند. یکی از متغیرهای بسیار تأثیرگذار بر روی ارتعاشات سطح زمین نوع خاک پیرامون تونل میباشد. در این مقاله به جهت بررسی تأثیر نوع خاک بر پاسخ سازه به ارتعاشات ناشی از حرکت قطار زیرزمینی، مدل بار دینامیکی وارد از چرخ قطار به ریل بر اساس مشخصات قطارهای زیرزمینی استاندارد در کشورهای مختلف استخراج و نمودار طیفی پاسخ سازه یک درجه آزادی برای شتاب عمودی در سطح زمین برای سه نوع مختلف خاک ترسیم میگردد. مشخصات سه نوع خاک بر اساس آیین نامه 2800 و به صورت متراکم، میانه و نرم تعریف میشود. نتایج نشان میدهد نرمتر شدن خاک یا به عبارتی کاهش سرعت موج برشی در خاک باعث افزایش حداکثرهای شتاب پاسخ عمودی در سازه یک درجه آزادی میگردد. این تأثیر بسیار قابل توجه بوده و میتواند ارتعاشات را از مرز آستانه آزار انسان عبور دهد.
-1 مقدمه
امروزه مسئله ترافیک و حمل و نقل در کشورهای پیشرفته و در حال توسعه از مسائل بسیار مهم و قابل توجه به شمار میآید. گسترش شهرنشینی و مهاجرت مردم از شهرهای کوچک و روستاها به شهرهای بزرگ و صنعتی که باعث افزایش جمعیت در این شهرها میگردند، اهمیت این موضوع را دو چندان میکند. در این بین، سیستم حمل و نقل ریلی به ویژه قطارهای زیرزمینی به دلیل عدم تأثیر آن بر ترافیک سطح شهر، عدم ایجاد آلودگی هوا و افزایش سطح آزاد ترافیکی بر روی سطح زمین، جزء جدایی ناپذیر صنعت حمل و نقل عمومی به حساب میآید. حرکت قطارهای زیرزمینی بر روی ریل باعث ایجاد امواج ارتعاشی میگردد، امواج پس از عبور از تونل و خاک به سطح زمین میرسند. اگرچه به دلیل دامنه کوتاه، این امواج خطر جدی برای اجزاء سازهای ساختمانهای مجاور به حساب نمیآیند، لیکن میتوانند مشکلاتی برای ساختمانهای سطح زمین و ساکنان آن ایجاد نمایند . این مشکلات زمانی اهمیت ویژه پیدا میکند که ساختمان دارای کاربریهای ویژه مانند بیمارستان، آزمایشگاه، موزه و ... باشد. در این بین نوع خاک پیرامون تونل یکی از متغیرهای تأثیرگذار بر این ارتعاشات میباشد. در تحقیقات متعدد صورت گرفته در خصوص ارتعاشات ناشی از حرکت قطارهای زیرزمینی روشهای مختلفی برای در نظر گرفتن تأثیرات خاک استفاده گردیده است.[1] Connolly درتحقیق خود ابتدا مدلهای مختلف خاک، از نظر پارامترهای تأثیرگذار بر روی پاسخ خاک به بار دینامیکی، را مورد آزمایش قرار داده و سپس به جهت اینکه نتایج تحقیق بر روی طیف وسیعی از شرایط قابل استفاده باشد، تنها از 2 لایه خاک در مدل خود استفاده مینماید. [2] Lombaert.etal در مطالعه موردی خود، لایهبندی خاک را به صورت یک لایه سیلت با ضخامت 1 ,2 متر و ماسه ریز با ضخامت 3,2 متر و لایه سخت زیرین به ضخامت 7,5 متر تعریف مینماید. [3 ] Gupta.et al در مطالعه خود بر روی خط 4 متروی شهر پکن، مشخصات خاک موجود در محل را به صورت جدول 1 تعریف مینماید.
جدول : 1 مشخصات لایههای مختلف خاک موجود در خط4 متروی پکن-2 .[3] مدل بارگذاری
جهت مدل کردن بار دینامیکی حاصل از حرکت قطار ابتدا باید مدل مناسبی از قطار تهیه و سپس بر اساس مشخصات آن بارگذاری صورت گیرد. مطالعه موردی خود را بر روی سایتی به نام Lincet که در نزدیکی خط قطار سریعالسیر بروکسل و کلن قرار دارد انجام دادهاند. در این تحقیق مشخصات لایهبندی خاک سایت به صورت جدول 2 بیان میشود.
جدول : 2 مشخصات لایهبندی خاک سایت .[4] Lincet
نرمافزار UM یا Universal Mechanism ، یک نرمافزار مولتیبادی برای مدلسازیهای دینامیکی و حرکتی در سیستمهای مکانیکی دو بعدی و فضایی بوده و طیف بسیار وسیعی از مسائل دینامیکی و مولتیبادی را در قالب ماژولهای مختلف در بر میگیرد. یکی از ماژولهای اصلی این نرمافزار مربوط به شبیهسازی حرکت قطار است که پیشفرضهای بسیار مناسبی از نظر مدل قطار، سیستم تعلیق ، بوژی ، چرخ و ... در آن قرار داده شده است. در این تحقیق جهت مدل کردن قطار و جزئیات آن و استخراج بار دینامیکی وارد از قطار به ریل از این نرمافزار استفاده گردید.قطار به عنوان عامل اصلی تولید بار در این تحقیق میباشد مدل برهمکنش مسیر حرکت و خاک را به انتخاب مشخصات مناسب برای قطار نتایج را به واقعیت نزدیکتر صورت شکل 1 نمایش میدهد. مینماید. بنابراین اولین مرحله از مدلسازی مربوط به قطار و مشخصات آن است. در این مقاله به عنوان اولین گام، تحقیقاتی در خصوص انواع قطارهای موجود در خطوط متروی کشورهای مختلف و مشخصات هندسی و دینامیکی آن صورت پذیرفت. جزئیاتی مانند طول قطار، طول واگن، عرض واگن، وزن واگن،فاصله چرخها، فاصله بوژیها، سیستم تعلیق و غیره از جزئیات تأثیر گذار بر نتایج این تحقیق به شمار میآیند. پس از بررسی قطارهای موجود در خطوط متروی کشورهایی مانند ایران، همانگونه که از تحقیقات مرور شده بر میآید مدل خاک به
روسیه، هند، چین، آمریکا و فرانسه مدل مورد استفاده این تحقیق با مشخصات آن انتخاب گردید. ابعاد واگن عبارتند از دو صورت قابل بررسی است : -1 تحقیقات موردی. -2 تحقیقات طول 23,4 متر، عرض 3,16 متر و ارتفاع 4,515 متر همچنین کلی. در تحقیقات موردی محقق ناچار به مدل کردن خاک دقاًی وزن واگن 40 تن میباشد. فاصله چرخها در یک بوژی 2 و 2,6 به صورت وضع وجود محل است، ولی در تحقیقات کلی به دلیل متر، فاصله بوژیها از یکدیگر 15 متر و دهانه چرخ 1,580 است. آنکه هدف استفاده از نتایج برای طیف وسیعی از متغیرهاست تعداد واگنهای یک قطار کامل 4 عدد در نظر گرفته شده و کوشش میشود ازیک یا نهایتاً دو لایه که نمایانگر مشخصات سرعت قطار 100 کیلومتر بر ساعت. نوع خاصی از خاک باشد استفاده گردد یکی دیگر از جزئیات قطار که در این تحلیل تأثیر گذار است سیستم تعلیق قطار میباشد. از آنجا که در قطارهای مسافربری از فنر هوایی جهت سیستم تعلیق ثانوی و از فنرهای مارپیچ به همراه میراگر به عنوان سیستم تعلیق اصلی استفاده میشود، در این تحقیق فنر هوایی به صورت مدل دینامیکی نیشیمورا و فنرهای مارپیچ و میراگرها به صورت مستقیم در مدل اعمال گردید. شکل 2 مدل دینامیکی نیشیمورا برای فنر هوایی و شکل 2 سیستم تعلیق اصلی و ثانوی در مدل تهیه شده را نمایش میدهند.
شکل : 2 مدل نیشیمورا برای فنر هوایی
شکل : 3 سیستم تعلیق در مدل قطار.
شکل : 4 نمودار تاریخچه زمانی چرخ 1 واگن .1
پس از تعیین مشخصات قطار و مدل کردن آن در نرمافزار UM تحلیل برای طول 120 متر حرکت قطار توسط نرمافزار و از روش اجزاء محدود صورت گرفته و بار دینامیکی وارد بر ریل از چرخهای قطار استخراج میگردد. شکلهای 4 و 5 نمودار تاریخچهزمانی بار دینامیکی وارد بر ریل را برای 2 چرخ قطار به صورت نمونه نمایش میدهد. نکته قابل توجه اینکه در این تحلیل به دلیل تقارن نیمه مدل در نظر گرفته شده است.
شکل : 5 نمودار تاریخچه زمانی چرخ 4 واگن .1
-3 انتقال امواج از ریل به سطح زمین
پس از مدل کردن قطار و استخراج بار دینامیکی وارد به ریل امواج تولید شده باید پس از عبور از سازه تونل و خاک به سطح زمین و سازه یک درجه آزادی واقع در آن انتقال پیدا کنند. برای تحلیل در این مرحله باید یک مدل سه بعدی شامل تونل و اجزاء داخل آن، خاک و سازه یک درجه آزادی واقع در سطح زمین طراحی و بار بدست آمده از مرحله قبل به آن وارد گردد. سپس تاریخچهزمانی بدست آمده در سطح زمین به سازه یک درجه آزادی اعمال و طیف پاسخ شتاب عمودی ترسیم گردد.
