بخشی از مقاله
چکیده
یکی از سازه های مهم انتقال آب که می تواند به عنوان سرریز اضطراری عمل کند، سرریز نیلوفری می باشد. این سازه های مرکب شامل یک برج بتنی و یک شفت قائم می باشند که قسمتی در داخل خاک قرار دارند و قسمتی در داخل مخزن به وسیله آب محصور می گردد. به دلیل عدم توجه به جنس لایه های پیرامون سرریز نیلوفری و مسائل اندرکنشی آن با سازه، و همچنین لحاظ نکردن اثر زلزله های حوزه نزدیک در طراحی و ساخت این سازه ها، بعضا خرابی ها و آسیب هایی در اثر وقوع زلزله در این سرریزها به وجود آمده که از نمونه های آن می توان به آسیب دیدن شفت قائم سرریز نیلوفری سد سفید رود در اثر زلزله منجیل اشاره کرد.
با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش های خاکB سازه و آبB سازه و انتخاب روش تحلیل مناسب، با بررسی نیروهای حاصل می توان پایداری این سازه ها را در هنگام وقوع زلزله های حوزه نزدیک و دور از گسل ارزیابی و از بروز خسارت به این تأسیسات جلوگیری نمود. در این تحقیق اثر زلزله های حوزه نزدیک و دور بر روی سازه سرریز، با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود استاندارد Abaqus مورد بررسی قرار گرفت.
تنش ها و تغییر مکان های حاصل از شبیه سازی لرزه ای تحت دو نگاشت حوزه نزدیک و دور از گسل که به حداکثر شتاب زمین مقیاس شده تعیین گردید و نتایج مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفت. مشخص شد که مقادیر پاسخ سازه در اثر زلزله حوزه نزدیک گسل به میزان قابل توجهی بیشتر از حوزه دور می باشد و در طراحی و ساخت سازه ها به خصوص سازه های خاص نظیر سرریز نیلوفری باید اثرات این زمین لرزه ها لحاظ گردد. دامنه پاسخ زلزله های حوزه نزدیک بیشتر از حوزه دور می باشد و بیشترین مقدار تنش ها در ناحیه خم 90 درجه سرریز نیلوفری ایجاد می شود که جهت حفظ پایداری این سازه در برابر زلزله باید این ناحیه از سرریز با روش های مناسب تقویت گردد.
.1 مقدمه
برای عبور آب های اضافی از بالادست - سراب - به پایین دست - پایاب - در سدها از سازه ای به نام سرریز استفاده می شود . سرریزها یکی از سازه های مهم سد به شمار می روند. با توجه به وظیفه ای که بر عهده سرریز است باید سازه ای قوی، مطمئن و با کارایی بالا انتخاب شود که در هر لحظه بتواند برای بهره برداری آمادگی داشته باشد. اگر سرریز یک سد به درستی محاسبه و احداث نگردد، مشکل ناپایداری سازه و عدم ظرفیت کافی آن برای عبور آب وجود خواهد داشت.
یکی از انواع سرریزها که می تواند به عنوان سرریز اضطراری عمل کند سرریز نیلوفری است. تعداد 22 سد در ایران دارای سرریز نیلوفری می باشند. این نوع سرریزها در زمانی که محدودیت مکانی برای ساخت دیگر سرریزها وجود دارد بسیار مؤثرند.
این سازه های مرکب شامل یک برج بتنی و یک شفت قائم می باشند که بخشی از آن در داخل خاک قرار داشته و بخش دیگر در داخل مخزن به وسیله آب محصور می گردد. چون سرریز یک عنصر مهم از پروژه سد است و بخش عظیمی از هزینه پروژه سد سازی مربوط به ساخت این سازه ها می باشد، ارزیابی پایداری لرزه ای آن جهت بررسی ایمنی لرزه ای سازه لازم است. به علت عبور سازه از لایه های گوناگون خاک در عمق های مختلف و به دلیل تغییر جنس لایه های خاک پیرامون، شفت در هنگام زلزله اندرکنش متغیری را متحمل می شود.
نادیده گرفتن اثرات اندرکنش خاکB سازه و آبB سازه ممکن است منتهی به ارزیابی غیر محافظه کارانه تنشهای لرزه ای سازه شود. همچنین از آنجا که خصوصیات زلزله هم به لحاظ دامنه و هم محتوای فرکانسی برای ساختگاه ها در فواصل نزدیک به چشمه لرزه زا و دور از آن متفاوت است لذا لزوم مطالعه و مقایسه چنین اثراتی روی سازه ها ضروری می باشد. پس از وقوع زلزله های مخرب و قوی Northridge 1994 ، Kobe 1995 و Chichi 1999 توجه محققین به زلزله های نزدیک به منبع لرزه ای - - Near Field یا نزدیک گسل - Near Fault - و خصوصیات منحصر به فرد آنها جلب شد، بنابراین از سال 1994 تحقیقات گسترده ای در مورد زلزله های نزدیک منبع لرزه ای و آثار مخرب آن در جنبه های مختلف طراحی سازه ها آغاز شد.
در کشور ما نیز پس از وقوع زلزله وحشتناک و خانمان برانداز بم، توجه بسیاری از مهندسین معمار و به ویژه محاسب به ویژگی های خاص این زمین لرزه معطوف گردید. ویژگی های منحصر به فرد این زمین لرزه از جمله وجود همزمان مولفه قائم و افقی به میزان زیاد، نزدیکی گسله، سطحی بودن کانون زلزله و جهت داری آن به دلیل راستا لغز بودن، مقوله ضوابط طراحی سازه ها را تا حد زیادی مخدوش نموده است. بر این اساس نیاز به یک بازنگری جدی در ضوابط طراحی و به کارگیری ضرائب و تحلیل های دقیق تر جهت در نظر گرفتن اثرات مجاورت ساختگاه به چشمه لرزه زا احساس می شود. از جمله تحقیقاتی که بر روی سرریز نیلوفری و همچنین زمین لرزه های حوزه نزدیک و دور از گسل صورت گرفته می توان به موارد ذیل اشاره کرد.
لی لیو و همکاران [10] - Lilio et al.,1996 - تحلیل دینامیکی سرریز نیلوفری را با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که لحاظ کردن اثرات اندرکنش بین سازه و خاک اطراف آن تحت بارهای زلزله، باعث افزایش برش و خمش در سازه سرریز می شود.
پژوهشگران زیادی از جمله جان اف هال - 1997 - ، سامرویل - 1997 - ، علوی و کراوینکلر - 2000 - ، رودریگز و مارک - 2000 - ، فوچ و یان - 2001 - ، کلایر و الناشای - 2001 - ، لیو و همکاران - 2001 - ، بزرگنیا - 2004 - و دیگر محققان در زمینه زلزله حوزه نزدیک گسل مطالعاتی انجام داده اند
کالکان و کاناس - [9] - Kalkan and kunnath,2006 نشان دادند در حوزه نزدیک گسل، مدل ها تحت یک یا دو سیکل نوسان انرژی زلزله را مستهلک می کنند و نسبت دوره پالس به دوره سازه در تعیین بیشتر نیاز سازه اهمیت دارد.
افسون نیکنام و همکاران [7] - 1387 - ارزیابی و مقایسه اثر زلزله حوزه های نزدیک و دور از گسل با طیف طرح استاندارد آیین نامه 2800 ایران را انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که نحوه صاف کردن - Smooth - طیف های مربوط به مناطق نزدیک به چشمه لرزه زا با مناطق حوزه دور کاملا متفاوت بوده و برای حفظ اثر جهت داری لازم است تدابیر ویژه ای اندیشیده شود.
صناعی ها و همکاران [3] - 1390 - تحلیل دینامیکی سرریز نیلوفری با در نظر گرفتن اندرکنش سرریز، مخزن و پی را با استفاده از روش اجزاء مرزی چند دامنه در فضای فرکانسی ارائه دادند . نتایج بدست آمده حاکی از آن بود که انعطاف پذیری پی باعث کاهش مدهای ارتعاشی سیستم می شود و اندرکنش سیال با سازه تغییرات اساسی در پاسخ لرزه ای سیستم خواهد گذاشت.همچنین وجود سیال در تماس با بدنه سازه باعث افزایش جرم مؤثر و کاهش فرکانس های ارتعاشی سیستم می شود.
بغلانی و گودرزی - [5] - 1392 تحلیل لرزه ای سرریز نیلوفری با در نظر گرفتن جنس لایه های پیرامون سرریز را انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که بهسازی لایه های اطراف سرریز به وسیله تزریق سیمان به میزان قابل توجهی تنشهای ایجاد شده در سرریز را کاهش می دهد.
مجید قلهکی و همکاران [4] - 1393 - برش و نسبت جابجایی دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک دارای اتصال مفصلی تحت نگاشت های دور و نزدیک گسل را بررسی نمودند و مشخص گردید که پاسخ سازه ها شامل برش و زاویه دریفت نشان دهنده آثار بیشتر توزیع برش در حوزه دور از گسل است و همچنین در قابهای بلند مرتبه اثر حرکات نزدیک گسل بر پارامترهای پاسخ سازه بیشتر از حرکات حوزه دور از گسل می باشد.
با توجه به اینکه در تحقیقات گذشته اثر زلزله های حوزه دور و نزدیک بر سازه های خاص نظیر سرریز نیلوفری بررسی نشده لذا در این مقاله این اثرات بررسی می گردد.
.2 مشخصات زمین لرزه نزدیک گسل
در زلزله های حوزه نزدیک به دلیل فاصله کوتاه تا محل شکست - منبع تولید موج - و محل دریافت آن - ساختگاه - ، فرصتی جهت میرا شدن فرکانس های بالا نبوده از همین رو تاریخچه زمانی شتاب آنها محتوای فرکانسی بالایی دارند. به دلیل نزدیکی محل تا گسل، رکورد حاصل از سرعت و جابجایی زمین به جهت اینکه نسبت به شتاب دارای پریودهای بالاتری هستند شکلی پالس مانند با پریودهای بالا دارند که یادآور تحریکی به صورت ضربه می باشد.
در مجموع مهمترین خصوصیات جنبش های نزدیک گسل عبارتنداز: شدت بالا، محتوای فرکانسی بالا، دارای تاریخچه زمانی پالس مانند، دارای پریود بلند پالس، مؤلفه های پریود بلند فراوان، نسبت بزرگ سرعت حداکثر به شتاب حداکثر زمین و گاهی تغییر شکل های دائمی بزرگ زمین. این خصوصیات در نتیجه تأثیر عواملی نظیر جهت پذیری پیش رونده - Forward directivity Effects - ، تغییر مکان ماندگار زمین - Fling step Effects - ، و گاهی اثر فرا دیواره - Hanging wall Effects - و اثر مؤلفه قائم - Vertical Effects - ناشی می شوند که از پدیده های برجسته و مهم در ایجاد نگاشت های حوزه نزدیک می باشند.
رابطه ای که زمان تناوب پالس معادل مؤلفه عمود بر گسل یک زلزله حوزه نزدیک با اثر جهت پذیری پیشرونده را به بزرگی گشتاوری مربوط می کند رابطه زیر می باشد که توسط سامرویل [11] ارائه شده است.
طبق رابطه بالا پریود پالس معادل در محدوده نزدیک گسل مستقل از فاصله است. پریود پالس T با زمان خیز - معادل زمان لغزش یک نقطه بر روی گسل - به صورت زیر با هم رابطه دارند.
رابطه دیگری توسط علوی و کراوینکلر [8] برای زمان پالس ارائه شد، به گونه ای که آنها دوره تناوب پالس را به صورت پریود غالب در یک نمودار طیف پاسخ سرعت - - تعریف نمودند.
.3 تئوری اجزاء محدود
3؛-1 اندرکنش خاک و سازه
در روش حل مستقیم، سازه و قسمتی از خاک اطراف آن به روش المانهای محدود مدل شده و در یک مرحله مورد تحلیل قرار می گیرند. مهمترین مزیت این روش امکان در نظرگرفتن رفتار غیر خطی خاک می باشد. اما به علت استفاده از یک محیط غیر پیوسته و محدود برای مدل سازی فضای نیم بینهایت، نحوه اعمال شرایط مرزی بسیار مهم است. در صورت استفاده از شرایط مرزی ابتدایی نظیر تکیه گاه غلطک در مرزها موج منعکس شده از سازه توسط این مرزها مجدداً به داخل محیط منعکس شده و باعث ایجاد خطا در نتایج حاصله می شود. به منظور جلوگیری از انعکاس امواج، از مرزهای جاذب انرژی ویسکوز استفاده شده که متداول ترین و ساده ترین آنها مرز جاذب ویسکوز لایزمر است. این مرز جاذب با استفاده از دو میراگر متعامد در هر گره مرزی تشکیل می شود، تا بتواند امواج برخوردی در هر جهت را جذب کند. پارامترهای مورد استفاده برای اینگونه مرزها به صورت زیر است که در نتیجه دو میراگر با ضرایب میرایی بشرح ذیل به صورت نرمال و مماسی در مرزها قرار داده می شوند.
در معادلات فوق و به ترتیب سرعت موج برشی - s - و فشاری - p - بوده و a وb پارامترهای بدون بعد هستند. A سطح مقطع قرار گرفته در حوزه هر میراگر - عرض واحد - بوده و چگالی محیط و سرعتهای نرمال و برشی می باشند. این مرزها برای مقادیرa=b=1 بیشترین مقدار جذب انرژی را دارا می باشند. نکته قابل ذکر در مدل سازی هندسی خاک این است که ابعاد المان باید در محدوده مناسبی باشد. براساس تحقیقات لایزمر حد اکثر طول المان باید کمتر باشد تا جواب به واقعیت نزدیک باشد که در آن طول موج زلزله است
