بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به لرزه خیزی منطقه ای که کشورمان در آن قرار گرفته است و سابقه صدمات سنگین سازه ای پل ها در اثر زلزله، اهمیت توجه روزافزون به طرح لرزه ای پل ها روشن میباشد. پل ها جزو شریان های حیاتی کشور تلقی میشوند و هدف از ا ین پژوهش بررس ی تاثیرات استفاده از میراگرها در پاسخ لرزه ای پل ها و همچنین محاسبه احتمال خرابی های پل مورد مطالعه به دهانه 40 متری تحت سطوح عملکرد ی مختلف در مقادیر مختلفی از شدت های لرزه ای با استفاده از شتاب نگاشت های متفاوت و یا بعبارتی محاسبهی منحنی های شکنندگی میباشد .
به منظور ارزیابی جامعتر پاسخ لرزه ای، اثر عدم قطعیت های طراحی و قابلیت اعتماد پل های مجهز به میراگر مورد توجه قرار داده شده است . در ابتدا با استفاده از نرم افزار CSI Bridge مدلسازی پل انجام شده و در ادامه با استفاده از برنامه ای که در نرم افزار متلب نوشت ه شده است تحل یل دینامیکی افزاینده انجام شده و منحنی های IDA استخراج شده و با استفاده از این نتایج منحنی های توزیع نرمال مقادیر جابجایی ها ی نسبی و در نتیجه منحنی های شکنندگی مربوطه رابی 6 حالت خرابی بدست آورده شده است.
1 -مقدمه
با توجه به رویکردی که به سوی مهندسی زلزله بر مبنای عملکرد ایجاد شده است و همچنین اهمیت و ضرورت مدیریت مناسب و اصول ی بحران های احتمالی مانند زلزله نیاز به ابزارهایی برای ارزیابی و درک رفتار واقعی سیستم های سازه ای و همچنین برآورد مناسب خسارات احتمال ی و به د نبال آن تصمیم گیری های منطقی بیش از پیش اهمیت و ضرورت پیدا م ی کند . بعنوان مثال خسارات واقعی به سیستم بزرگراه ها که در زلزله ها ی گذشته ایجاد شده است نیاز به ارزیابی آسیب پذیری برای سیستم های حمل و نقل بزرگراه های موجود مانند پل ها را بیش از پیش مورد توجه قرار م ی دهد .
گسترش کاربرد روش تحلیل استاتیکی غیر خطی در طراحی عملکردی سازه ها باعث بوجود آمدن یک ایده نو در بکارگیری آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی گردیده است. این روش که به عنوان روش تحلیل دینامیکی افزایشی معرفی شده، یک روش پارامتریک می باشد که اخیرا به منظور تخمین عملکرد لرزه ای سازه ها بوجود آمده است . این روش شامل اثر دادن یک یا چند رکورد زمین لرزه بر روی سازه است، که هر یک از این رکوردها تا رسیدن به یک شدت خاصی مقیاس شده اند. این روش علاوه بر بررسی رفتار لرزه ای سازه، ظرفیت سازه را نیز در اختیار ما قرار می دهد و می تواند در تعیین عملکرد لرزه ای سازه ها مورد استفاده قرار گیرد.
در سیر تکاملی دنیای مهندسی زلزله بر مبنای عملکرد روش های رایج ارزیابی عملکرد لرزه ای به سوی منحنی های شکنندگی متمایل شده است که این منحنی ها احتمال تجاوز یک پارامتر مهندسی از یک مقدار مشخص را به ازای پارامتری از زلزله می دهند.تاکنون تحقیقات زیادی در زمینه تولید منحنی های شکنندگی انجام گرفته است. محققان و پژوهشگران متعددی در مورد تحلیل لرزه ای انواع پل ها تحقیق کرده اند.
مهم ترین تحقیقات انجام گرفته در این زمینه مربوط به بررسی کارآیی انواع تحلیل های لرزه ای و نیز ارایه روش های جدید برای مثال مکی و استویادینوویچ - 2005 - برای پل ها ی بزرگراه ها ی کالیفرنیا منحنی های شکنندگی تولید کردند.[5] همچنین کاریم و یامازاکی - 2001 - نیز با استفاده از یک روش ساده شده منحنی های شکنندگی تحلیلی را برای پل های بزرگراه های ژاپن تولید کردند. .[ 3]مارکیز و ژانگ اثرات ناشی از وجود میراگرها و بالشتک های الاستومری را در تحلیل پاسخ لرزه ای ومشخصات سازهای پل های بزرگراهی مورد مطالعه قرار داده اند.[ 4]
منحنی های شکنندگی با توجه به روش تولید آن دو هدف را می توانند دنبال کنند. اول آنکه طراحان به کمک آن می توانند اثر تغییر پارامترها ی مختلف طراحی را بر روی رفتار سازه و میزان خسارت وارده برآن بررسی کنند و دوم اینکه برنامه ریز ها با استفاده از آن می توانند به قابلیت اطمینان بیشتری در برنامه ریزی و تصمیم گیری مناسب دست یابند.[5] در تحلیل رفتار لرزه ای و مدل سازی پل ها معمولا با استفاده از فرضیات ساده کننده و به منظور سهولت در تحلیل ها انجام می شود.
این ساده سازی ها ممکن است باعث ایجاد تغییرات عمده در پیش بینی رفتار لرزه ای پل ها شود. استفاده از مدل های ساده،و نیز نحوه تعریف انواع مفاصل پلاستیک پایه ها همواره در طراحی و بررسی رفتار لرزه ای پل ها حائز اهمیت بوده است. با توجه به گستردگی ساخت و ساز پل ها با دهانه های ساده و دال کیپارچه در کشور و نیز روش های مختلف طراحی و تحلیل پل ها، بنابراین در این پژوهش اثر میراگرها و انواع مفاصل پلاستیک و نحوه مدل سازی سایر اجزا مربوط به مدل ی از پل های فلزی پایه بتنی بررسی شده است. برای بررسی این اثرات از نتایج تحلیل های مودال و تحلیل دینامیکی فزاینده موسوم به IDA استفاده شده است.
نتایج تحلیل ها به صورت نقطه عملکرد نسبت به جهت طولی پل ها ارایه شده اند. برای پلی با طول کلی حداکثر 40 متر مقادیر زمان های تناوب ارتعاشی پل برای مدهای مختلف به دست آمده است. با توجه به اینکه پل مورد مطالعه از پل های موجود و رایج در کشور می باشد بنابراین نتایج به دست آمده برای کاربرد در طراحی، مدل سازی و ار زیابی لرزه ای پل های با دهانه های ساده و دال یکپارچه مورد استفاده خواهند بود.
2 -مشخصات پل مورد مطالعه
در این پژوهش، پل تک دهانه با دهانه ی 40 متری با استفاده از نرم افزار csi bridge مدل شده اند.بارگذاری پلها بر اساس آیین نامه بارگذاری پلهای ایران و طراحی آنها بر اساس آیین نامه طرح و محاسبه پل ها AASHTO 2008 انجام شده است. عرض عرشه این پل 11 متر متشکل از 4 تیر I به طول و ارتفاع کل 100 سانتیمتر به همراه دال بتنی مسلح به ضخامت40 سانتیمتر است.
1- 2 -مدل سازی اجزای مختلف پلها
به منظور تحلیل غیرخطی پلها مقاومت مورد انتظار مصالح و رابطه تنش-کرنش برای بتن محصور و غیرمحصور و همچنین میلگردهای تقویتی برای حصول ظرفیت و بررسی رفتار پل مورد استفاده قرار گرفته است . خصوصیات میلگردهای طولی و عرضی مطابق مشخصات رفتار ارتجاعی و غیرارتجاعی مدل سازی شده اند نحوه مدل سازی اجزای مختلف پلها شامل مصالح، پایه ها، میراگرها، کوله ها، ستون ها، سرستون ها وبرشگیرها در ادامه تشریح شده است. در این پژوهش کلیه ستون ها در پلها دارای مقاطع مستطیلی بوده و با اتصال گیردار به شالوده متصل هستند و از انعطاف پذیری شالوده ها نیزچشم پوشی شده است.همچنین نیروهای زلزله فقط در جهت طولی به پل وارد م ی شوند به نوعی که سازه همانند یک سیستم یکدرجه آزاد عمل میکند.
2- 2 -مدل سازی مفاصل پلاستیک
رفتار غیرخطی پایه ها از طریق تخصیص مدل های مفصل پلاستیک مجزا به نواحی محتمل برای رفتار غیر ارتجاعی قابل تعریف است .با استفاده از ویژگی های موجود در نرم افزارbridge csi مفاصل پلاستیک یا بعبارتی منحنی رفتار مصالح قابل تعریف می باشد.
3- 2 -مدلسازی میراگرها
با استفاده از نتایج تحلیل با نرم افزار و مشاهده ی مقاد یر نیروهایی که در لینک ها بوجود می آید از میراگرهایی متناسب با نیروهایی بوجود آمده در اعضا که هرکدام سختی خاص و میرایی خود را دارند .
4- 2 تحلیل دینامیکی غیرخطی فزاینده
تحلیل دینامیکی غیرخطی فزاینده روشی پارامتری است که در آن یک یا چند رکورد زمین لرزه، هر یک تا رسیدن به یک شدت خاص، مقیاس شده و بر سازه اعمال می گردند. این روش علاوه بر بررسی رفتار لرزه ای سازه، ظرفیت سازه را نیز نشان می دهد وهم چنین میتواند در تعیین عملکرد لرزه ای سازه ها مورد استفاده قرار گیرد. در این بخش، اصطلاحات و مفاه یم پایه ای مورد استفاده در این روش با ارائه تعاریف و توضیحات لازم ارائه گردیده است. هر چند تحلیل IDA برای اهداف مختلفی انجام می شود اما در نگاه کل ی اهداف کاربردی آنالیز دینامیکی غیرخطی فزاینده IDA را می توان به صورت زیر خلاصه نمود:
1. درک رفتار سازه تحت زلزله های بسیار شدید و نادر
2. بدست آوردن درک بهتر از تغییرات پاسخ سازه با افزایش شدت لرزش زمین - تغییرات در الگوی تغییرشکل های حداکثر در ارتفاع سازه، آغاز روند کاهش سختی و مقاومت با در نظر گرفتن الگو و شدت آن ها و... -
3. دست یابی به تخمین هایی از ظرفیت دینامیکی کلی سیستم
4. تعیین محدوده پاسخ یا تقاضا در برابر محدوده پتانسیل لرزش زمین
5. بدست آوردن نرخ بازگشت سالیانه خسارت و عملکرد اساس کار در این روش تحلیلی استفاده از یک یا چند رکورد تاریخچه زمانی شتاب می باشد . به طور خلاصه برای به کارگیری این روش در تحلیل سازه ها آشنایی با مفاهیم زیر الزامی می باشد.
اندازه شدت
کمیت های مختلفی نظیر بیشینه شتاب زمین لرزه ، شتاب ط یفی متناظر میرائی %5 برای مود اول و ضریب نرمال سازی معادل با ضریب رفتار تسلیم برای بیان شدت زلزله های انتخابی می توانند انتخاب شوند .یک از شرا یط مهم برای انتخاب کمیت مناسب مربوط به پارامتر شدت، متناسب بودن آن با ضریب مقیاس میباشد. در این پژوهش از بیشینه شتاب زم ین لرزه - PGA - برای کمیت اندازه شدت استفاده شده است. اندازه خسارت اندازه خسارت در واقع یک کمیت قابل مشاهده است که از نتا یج تحلیل دینامیکی غیرخطی بدست می آید.
کمیت مربوط به آن می تواند بیشینه جابجایی نسبی بام بیشینه جابجایی نسبی بین طبقه ای بیشینه برش پا یه، بیشینه چرخش مفاصل پلاستیک، شاخص خسارت نظ یر شاخص خسارت پارک و انگ یا شاخص پایداری پیشنهادی مهانی و دریلین و ... باشد. انتخاب یک کمیت مناسب برای اندازه خسارت بستگ ی به نوع کاربرد مسئله،مشخصات سازه مورد نظر و اهداف تحلیل دارد. به علت این که بیشینه جابجایی نسبی یا همان دریفت سازه دید خوبی از جابجایی سازه و فروریزش کلی و موضعی سازه در اختیار قرار می دهد لذا در این پژوهش از این پارامتر به عنوان اندازه خسارت استفاده می شود.
برای خوانایی بهتر مقاله باید سعی شود تا حد امکان علامت گذاری متن مقاله هبدرستی انجام شود. دقت کنید تمام علامت هایی مثل نقطه، ویرگول، نقطه ویرگول، دونقطه، و علامت سوال باید به کلمه قبل از خود چسبیده باشند، و از کلمه بعدی تنها به اندازه یک فضای خ الی فاصله داشته باشند . علامت خط تیره باید به اندازه یک فضای خالی از کلمه قبل و بعد از خود فاصله داشته باشد؛ مگر این که کلمه قبلی یا بعدی یک عدد باشد، که در این صورت باید به آن بچسبد. بین کلماتی که جدا هستند باید یک فضای خالی فاصله باشد.
5- 2 الگوریتم کلی تحلیل دینامیکی فزاینده
در این قسمت به بررسی معادله حرکت در حالت غیر ارتجاعی و نحوه حل آن می پردازیم. معادله - 1 - فرم غیر خطی معادله حرکت سازه یک درجه آزادی م ی باشد . در این رابطه مقادیر u و 'uو ''u به ترتیب بیانگر بردارهای تغییر شتاب ، تغییر سرعت و تغ ریی جابجایی می باشند. همچنین سختی سیستم در هر گام تغییر می کند. معادله - 2 - سختی مماسی در هر گام می باشد. بنابراین در هرگام ابتدا با ید سختی مماسی محاسبه شده و براساس آن معادله حرکت جدید تشکیل داده شود. با حل این معادله حرکت جدید مقدار تغ ییر جابجا یی و سپس تغ ییر سرعت و باقی مقادیر محاسبه خواهند شد.با اعمال این مقادیر به مقادیر قبلی یک مقدار اولیه برای آن ها برای مرحله بعدی بدست می آید. بدین ترتیب با یک سری عملیات تکراری به پاسخ نهایی سازه می رسیم.
6- 2 انتخاب رکورد های زلزله
اولین گام در روند ترسیم منحنی آنالیز دینامیکی افزایشی، تهیه مجموعه ای از شتاب نگاشت های زلزله می باشد، به گونه ای که این مجموعه بیان گر لرزه خیزی ناحیه مورد نظر باشد. در این مطالعه ازشتاب نگاشت ها یی با شرایط تقریباً مشابه به لحاظ مکانیزم گسل، فاصله تا سایت مورد نظر، بزرگی زلزله و نیز محتوای فرکانسی استفاده شده است. برای انتخاب رکوردها از پایگاه داده های سایت PEER استفاده گردیده است.
شتاب نگاشت های مورد استفاده دارای بزرگی 5.3 تا 6.9 درجه در مقیاس ریشتر استفاده شده است . شتاب نگاشت های مذکور در رده A و B طبقه بندی USGS قرار دارند. فا صله ایستگاه ثبت این شتاب نگاشت ها تا منبع زلزله در محدوده 31 تا 68 کیلومتر قرار دارد.طبیعت تصادفی زلزله مسئله تعیین آسیب را غیر تعینی ساخته است . با توجه به توصیه کرنل تعداد ده تا بیست زلزله معمولا دقت قابل قبولی را برای برآورد تقاضای آسیب ارضاء میکند. در این پژوهش با توجه به انجام تحلیل های دینامیکی غیر خطی که دقت بیشتری نسبت به تحل یل ها ی استاتیکی معادل دارد هفت رکورد از زلزله های ایران و جهان انتخاب شده است.
7- 2 رسم منحنی آنالیز دینامیکی افزایشی
در این پژوهش مقدار ماکزیمم شتاب به انوان پارمتر شدت زلزله و مقدار تغییر مکان مرکز جرم به عنوان پارمتر شدت خسارت در نظرگرفته م ی شود . نمودارهای آنالیز دینامیکی افزایشی بر حسب شتاب برا ی 7 شتاب نگاشت منتخب رسم شده است.
