بخشی از مقاله
خلاصه
احداث تونل در مناطق شهری موجب بروز تغییراتی در ساختگاه سازه ها خواهد شد این تغییرات علاوه بر القای نشست بر سازه های سطحی موجب بروز تغییراتی در رفتار دینامیکی مجموعه سازه و بستر آن خواهد شد، این در حالی است که در طراحی سازه های سطحی وجود تونل یا فضای زیرزمینی لحاظ نشده و همچنین از نظر لرزه ای پاسخ این نوع سازه ها در برابر زلزله در آیین نامه های طراحی پیش بینی نشده است.
امواج زلزله در بخش عمده ای از مسیرشان، از منبع زلزله تا سطح زمین، در بستر سنگی حرکت می کنند، قسمت پایانی مسیر آنها غالبا در داخل لایه های خاک بوده و خصوصیات خاک می تواند ماهیت ارتعاشات سطح زمین را بسیار تحت تاثیر قرار دهد. وجود ناهمگنیهایی در خاک، نظیر حفرات زیرزمینی مشخصات دینامیکی بستر را تحت الشعاع قرار داده و بالتبع برروی مشخصات امواج زلزله تأثیرگذار است.
موارد مذکور باعث ایجاد تغییراتی در پاسخ سازهای میشود که موضوع اصلی این تحقیق است. در این مقاله با مدل سازی عددی به بررسی موضوع پرداخته شده است. نتایج تحقیق نشان می دهد که مولفه قائم زلزله باعث افزایش تغییرمکان و تلاش های داخلی سازه های سطحی شده است.
1. مقدمه
در دنیایی که جمعیت آن روز به روز در حال افزایش است، استفاده از فضاهای زیرزمینی بی تردید یکی از مفیدترین ابزارها برای حفظ و در صورت امکان بهبود کیفیت زندگی است زیرا که در احداث این فضاها انتقال برخی کاربری ها به زیرزمین برای آزادسازی بخشی از فضای موجود در سطح زمین برای تامین نیازهای ضروری تر و بهبود شرایط زندگی در شهرها به عنوان هدف دنبال می شود. ولی تونل سازی در مناطق شهری به دلایل عملیاتی و تلاش برای کاهش هزینه، در عمق کم انجام می شود. زمین در عمق کم، اغلب خاک های سست، ذخایر آبرفتی و خاک دستی را دربر می گیرد. این امر پیامدهایی را در زمینه زمین شناسی و تاثیرات ناشی از عملیات تونل سازی در زیرسطح زمین در بر خواهد داشت.
حرکات زمین جزو پیامدهای اجتناب ناپذیر حفاری و ساخت یک تونل به شمار می رود. خساراتی که از حرکات زمین بر ساختمان ها وارد می شوند قسمتی در اثر مولفه ی قائم و قسمتی به علت مولفه ی افقی جابجایی در سطح زمین است. مولفه ی قائم موجب پایین آمدن سطح زمین یعنی نشست و مولفه ی افقی که حالت کششی یا فشاری در سطح زمین پدید می آورد، نیز می تواند تنش های جدیدی را بر سازه های واقع در سطح زمین وارد کند.
مطالعات نسبتا زیادی از طرف محققین در زمینه حرکات زمین در اثر حفاری ها انجام گرفته استبرِد. و هالسبی و اگرد - 2000 - نشست در اثر تونل سازی بر سازه های مصالح بنایی را به صورت آنالیز محدود سه بعدی مدل سازی نمودند. روش های ارزیابی به طور کلی در دو مرحله آنالیز متقارن و غیرمتقارن انجام گرفت. نتایج به این صورت ارائه شد که وزن ساختمان تمایل به افزایش نشست را دارد و سختی ساختمان تمایل به کاهش اختلاف نشست را دارد.
مُروه و شاهرور - 2003 - اندرکنش بین ساختمان دو طبقه با یک تونل منفرد را با استفاده از آنالیز المان محدود سه بعدی مورد بررسی قرار دادند. آنها وزن خود ساختمان را به عنوان نقش مهمی بر تعیین نشست در زمین در اثر تونل سازی بیان کردند.
جینگ گو،جیانین چن و آنتونیو بابت - 2012 - به بررسی تغییرشکل نسبی میان طبقه سازه های سطحی مجاور ایستگاه مترو پرداختند. در این بررسی اختلاف جابجایی افقی بین طبقات متوالی به عنوان 1IDR تعریف شده که همبستگی مناسبی با پتانسیل خرابی لرزه ای ساختمان ها دارد. هدف از آنالیز عددی در این بررسی بدست آوردن پاسخ ساختمان در فاصله داده شده از ایستگاه زیرزمینی و آنالیز نمودن اثرات وجود سازه زیرزمینی بر پاسخ لرزه ای ساختمان است.
آنالیزها در دو مرحله یک بار با در نظر گرفتن سازه زیرزمینی و یک بار بدون در نظر گرفتن سازه زیرزمینی ثبت شده است. خاک به صورت یک ماده الاستو پلاستیک با معیار موهر کولمب در نظر گرفته شده است. سازه به صورت تیر الاستیک با ضریب پواسون 0,15 و مدول الاستیسیته 24 گیگا پاسکال فرض شده است. مدل در شرایط جانبی 95 متر از مرکز سازه و شرایط زیرین در 52 متر قرار گرفته است. ضخامت لایه سربار 2 متر است وایستگاه دو طبقه و دو دهانه است. برای مدل سازی فاصله مرکز ستون ها برابر 4 متر می باشد.
آنالیز دوبعدی و سختی ستون ها به %25 مقدار اولیه شان کاهش یافته است. شتاب نگاشت مورد استفاده در این بررسی مولفه قائم زلزله کوبه - 1995 - است. مقادیر IDR با در نظر گرفتن ایستگاه زیرزمینی بیشتر از حالت بدون در نظر گرفتن ایستگاه است. اختلاف نمودارها به دوره ی تناوب سازه بستگی دارد، بزرگ ترین اختلاف در مقدار ماکزیمم IDR یا در پریود 0,9 ثانیه نتیجه شده است. نتایج مشابه ای نیز برای 10 متر و 15 متر فاصله از ایستگاه حاصل شده است. اختلافات بین محاسبات درنظر گرفتن و بدون درنظر گرفتن ایستگاه زیرزمینی زمانی که فاصله از ایستگاه بیشتر می شود، کاهش می یابد.
این یک نتیجه مورد انتظار است، زیرا که تاثیر سازه های زیرزمینی بر حرکات سطح زمین با فاصله از ساختمان کاهش می یابد. وجود ایستگاه زیرزمینی زمانی که پاسخ لرزه ای القاء کننده زمین را در سطح محاسبه می کنیم باید در نظر گرفته شود. به این دلیل که تغییرشکل ساختمان های مجاور تحت وجود ایستگاه زیرزمینی افزایش می یابد. این افزایش بر تغییرشکل ساختمان به پریود ارتعاشی اصلی سازه و به فاصله بین سازه و ایستگاه زیرزمینی بستگی دارد.
با مطالعه ای که بر روی مساله انجام گرفته است، مولفه قائم زلزله بر پاسخ تغییرمکان سازه سطحی تاثیرگذار است و همچنین با بررسی پارامترهای تاثیرگذاری که می توانند در کاهش و یا شدت آسیب پذیری تونل به سازه های سطحی در موقع زلزله با مولفه قائم مورد بررسی قرار گیرند پرداخته شده که عبارت است از: فاصله سازه سطحی از تونل، ارتفاع سازه سطحی، عمق روباره تونل، تغییر سختی پوشش تونل و رکوردهای مختلف.
2. معرفی مدل هندسی با سازه مجاور
برای مدل سازی عددی از نرم افزار PLAXIS V8.5 استفاده شده است. پلاکسیس یک بسته نرم افزاری است که بر مبنای تئوری اجزاء محدود کار می کند و بطور ویژه برای آنالیز تغییرشکل و پایداری در پروژه های مهندسی ژئوتکنیک در نظر گرفته شده است. اگرچه مدل سازی خاک، خود یک مساله مهم می باشد اما مدل سازی سازه ها و واکنش بین سازه ها و خاک نیز از اهمیت زیادی برخوردار است.
نرم افزار مربوطه به قابلیت های ویژه ای مجهز شده است که می توان ساختمان - تونل - خاک را در شرایط بارگذاری لرزه ای مدل سازی نمود. در یک سیستم دوبعدی با در نظر گرفتن شرایط کرنش صفحه ای مدلی به طول 190 متر در عرض 40 متر در نظر گرفته شده است. مدل با دو لایه خاک که خصوصیات خاک مربوط به داده های ژئوتکنیکی بدست آمده از خیابان چهارباغ عباسی است، در نظر گرفته شده است. مقطع کلی برای تحلیل و مدل سازی مساله مربوطه، به صورت شکل .1 که متاثر از یک ساختمان چهار طبقه فولادی و تونل در نظر گرفته شده است می باشد.
شکل -1 مدل هندسی مورد استفاده در آنالیز
برای مدل سازی سازه سطحی، ساختمان چهار طبقه فولادی در مدل در نظر گرفته شده است. در مدل سازی با نرم افزار پلاکسیس برای در نظر گرفتن نیروهای اینرسی ناشی از بار مرده و زنده، جرم مورد نظر در اعضای سازه ای به صورت گسترده و با اصلاح وزن مخصوص مصالح لحاظ میشود. سازه سطحی به فاصله 14 متر از محور تونل قرار گرفته است و تونل به قطر 10 متر و به عمق روباره 5 متر در مدل در نظر گرفته شده است.
برای جلوگیری از ریزش خاک به داخل تونل و نگهداری آن با استفاده از قطعات بتنی پیش ساخته که بلافاصله پس از حفاری نصب می گردند، صورت می پذیرد که ضخامت قطعه بتنی 0,35 متر در نظر گرفته شده است. برای معرفی لایه های خاک از مدل رفتاری موهرکلمب، که ضمن سادگی نتایج حاصل از آن نیز با آنچه در واقعیت رخ می دهد تطابق نسبتا خوبی دارد، استفاده شده است. مشخصات ژئوتکنیکی لایه های خاک مربوط به مقطع خیابان چهارباغ عباسی است که در جدول .1 نشان داده شده است. در این مدل تراز آب زیرزمینی در پایین ترین تراز در نظر گرفته شده است.
جدول -1 مشخصات ژئوتکنیکی لایه های خاک
مرزهای جاذب انرژی در دو طرف کناره های مدل اعمال شده است. این مرزها در 95 متری از مرکز تونل و مرز پایین در 40 متر از سطح قرار گرفته است، در موقعیتی که سنگ بستر وجود دارد شتاب ورودی به آن اعمال می شود. مرزهای جاذب برای جلوگیری از پدیده انعکاس امواج در زمان آنالیز مدل سازی شده اند.
فاصله مرزهای جاذب باید به حد کافی دورتر از فصل مشترک تونل و سازه قرار گیرد. این مرزها بوسیله دو پارامتر 1 - در راستای افقی مرز جاذب - و 2 - در راستای قائم مرز جاذب - تعریف می شوند، مقادیر استاندارد 1 = 1 و 2 = 0.25 با در نظرگیری امواج برشی و فشاری تعریف شده اند. برای تعریف میرایی در مدل از ضرایب میرایی رایلی استفاده شده است، این ضرایب توسط دو پارامتر و β با توجه به رابطه - 1 - به مصالح مدل اختصاص داده شده است.
که در آن فرکانس زاویه ای مصالح و نسبت میرایی مصالح است. مقادیر و β با محاسبه دو فرکانس زاویه ای هر یک از لایه های خاک بدست آورده شده است. در جدول .2 مقادیر و β برای لایه های خاک نشان داده شده است.
جدول -2 مقادیر و β برای لایه های خاک
در این نرم افزار برای مش بندی می توان از دو المان مثلثی 6 و 15 گرهی استفاده نمود. همچنین ایجاد مش های اجزاء محدود غیر ساختاری به منظور ریز کردن کلی و محلی مش ها امکان پذیر می باشد، که در اطراف ساختمان و تونل مش ها کوچک تر از نواحی دیگر در نظر گرفته شده است. المان های مرتبه بالا به منظور قادر ساختن نرم افزار برای هموار کردن توزیع تنش در خاک و پیش بینی دقیق بارهای گسیختگی بوجود آمده اند. به همین منظور در مدل از المان مثلثی 15 گرهی استفاده شده است.
در تحلیل به روش تاریخچه زمانی، تحلیل دینامیکی سازه با اثر دادن شتاب زمین به صورت تابع زمان در سنگ بستر انجام می شود. شتاب نگاشت های مورد استفاده براساس آیین نامه 2800 ایران برای مناطق زلزله خیز با خطر پذیری متوسط مقیاس شده اند.
