بخشی از مقاله
خلاصه
کشور ایران به دلیل قرارگرفتن درکمربند لرزه خیز آلپ - هیمالیا همه ساله با زلزلههای زیادی در نقاط مختلف مواجهاست. درهنگام وقوع زلزله، پلها در امور حمل و نقل اهمیت ویژهای پیدا میکنند. با توجه به اهمیت بالای این نوع سازهها پیشبینی عکسالعمل و عملکرد پلها تحت نیروی زلزله از اهمیت ویژهای برخوردار است. در سالهای اخیر موضوع پاسخ دینامیکی پلهای ترکهای بسیار مورد توجه قرارگرفتهاست.کابلها وظیفه انتقال بارها از عرشه به برجها را بهعهده دارند و ذاتا دارای رفتار غیرخطی هندسی میباشند.
پاسخ لرزهای پلهای کابلی ترکهای به صورت قابل ملاحظهای به روش تحلیل خطی و یا غیرخطی بستگی دارد. در پژوهشهای انجام شده، عموما برای مدلسازی رفتار غیرخطی هندسی کابلها از مدول الاستیسیته معادل استفاده شدهاست. در این مقاله به بررسی و مدلسازی پل کابلی ترکهای کوینسی - Quincy Bay - پرداخته میشود.
در این راستا، ابتدا پل مذکور یکبار با در نظر گرفتن مدول الاستیسیته معادل و بار دیگر با لحاظ نمودن مدول الاستیسیته واقعی کابلها مدل میشود. سپس، مدلها تحت اثر رکوردهای حوزه نزدیک زلزلههای نورتریج، کوبه و لوماپریتا در نرمافزار Csi bridge به دو روش استاتیکی غیرخطی - pushover - و تاریخچه زمانی تحلیل میشوند. و نتایج حاصل از تحلیل با یکدیگر مقایسه میگردد.
.1 مقدمه
در سالهای گذشته مطالعات گستردهای بر روی رفتار دینامیکی و لرزهای پلهای کابلی صورت گرفتهاست. بیشترین تحقیقات صورت گرفته بر روی این نوع پلها مربوط به سال 1987 میباشد. درست زمانیکه بررسیهای اولیه برای ساخت پل کوینسی بر روی رود خانه میسیسیپی در حال انجام بودهاست. پلهای کابلی علاوه بر کابلها که از نظر شکل، جنس و حالت ساخت به دستههای گوناگونی تقسیم میشوند، معماری وچگونگی چیدن و مرتب کردن آنها در طول و عرض نیز متفاوت بوده و از تنوع زیادی برخوردار است.
یک پل کابلی متشکل از اعضائی چون کولهها، پایهها، عرشه، برجها و سیستمهای کابلی میباشد که در این میان برجها اعضای نگهدارنده سیستم کابلی بوده و در شکل نهایی این سیستم تأثیر زیادی دارند، هرچند که عرشه نیز با توجه به بزرگی یا کوچکی عرض آن در نوع سیستم کابلی مؤثر است.
سیستم کابلی در واقع همان نحوه آرایش و یا چیدن کابل ها برای فراهم کردن یک مسیر بهینه انتقال نیروهای قائم به برجها و پایههای پل می باشد و با توجه به چگونگی آرایش کابلها در طول پل، به چهار دسته بادبزنی، موازی، بادبزنی اصلاح شده و نامتقارن تقسیم می شوند. روشهای تحلیل دینامیکی غیرخطی شامل روشهایی مانند"تحلیل طیفی" و " تحلیل تاریخچه زمانی" اند و کلیه پارامترهای مربوط به حرکت زمین نظیر جرم، نسبت شتاب مبنا و غیره در این روشها همان مقادیری میباشند که در تحلیل استاتیکی غیرخطی به کاررفتهاند.
در این مقاله، پس از معرفی پل کابلی ترکهای کوینسی نسبت به مدل سازی این پل با نرمافزار Csi bridge اقدام میشود. برای تحلیل رفتار غیرخطی پلها، با در نظر گرفتن اثر P- ، از روش استاتیکی و تاریخچه زمانی تحت اثر رکوردهای حوزه نزدیک زلزلههای کوبه، نورتریج، و لوماپریتا استفاده میشود. سپس به مقایسه نتایج حاصل از تحلیلهای غیر خطی با در نظر گرفتن مدول الاستیسیته معادل و مدول الاستیسیته واقعی کابلها میپردازیم.
هدف اصلی این پژوهش بررسی تاثیر رفتار غیرخطی کابلها بر پاسخ سازه و همچنین بررسی و مقایسه نتایج حاصل از دو روش تحلیلی دینامیکی و استاتیکی غیرخطی میباشد، زیرا روش تاریخچه زمانی تحلیلی پیچیده و زمانبر است وپاسخ حاصل از این تحلیل بسیار دقیق میباشد، در مقابل روش استاتیکی غیرخطی - پوش آور - روشی تقریبی و آسان میباشد و پاسخهای نسبتا قابل قبولی را ارئه میدهد.
.2 تاریخچه و تعریف مسئله
مهندسی آلمانی به نام دیسچنجر، هنگام طراحی پل معلق رودخانه البه، پل کابلی را ابداع نمود. بنابر مطالعات وی، کابلهای مایل پلهای کابلی اولیه هیچگاه تحت تنشهای محوری قرارنگرفتهاند، بنابراین کابلها زمانی عمل میکنند که کل سازه دچار تغییر شکل قابل توجهی شدهباشد. تکنولوژی طراحی و ساخت پلهای کابلی با ساخت پل کابلی فلزی در استرامساند سوئد در سال 1955 به طور بنیادی متحول شد.
گرایش به ساخت پلهای کابلی با دهانههای بزرگتر این سوال را بهوجود آوردهاست که آیا تحلیلهای خطی میتوانند پاسخ سازه را به درستی ارزیابی کنند یا خیر؟ زیرا با افزایش طول کابلها مقدار افتادگی کابل افزایش یافته و این امر میتواند منجر به کاهش سختی شده و متعاقبا رفتار غیرخطی پل تحت بار زنده از اهمیت بیشتری برخوردار خواهدشد. پلهای کابلی در بسیاری از موارد با پلهای معمولی متشکل از تیر و دال متفاوت هستند و این تفاوت موجب بروز اختلاف زیادی میان رفتار پل کابلی تحت بارهای استاتیکی و دینامیکی با پلهای معمولی میشود.
فلمینگ جزو نخستین افرادی بود که به مطالعه رفتار پلهای کابلی تحت اثر نیروی زلزله پرداخت .[1] وی رفتار پل کابلی Norbruke در آلمان را با استفاده از المان تیر و کابل بر اساس مدل ریاضی بررسی کرد و پاسخ خطی و غیرخطی هندسی این پل تحت زلزله السنترو را مطالعه نمود. بعدها عبدالغفار و نظمی رفتار پلهای کابلی را به صورت سه بعدی مورد مطالعه قرار دادند. نتایج تحقیقات ایشان نشاندهنده اختلاف چشمگیر پاسخ لرزهای تحلیل خطی و غیرخطی هندسی این پل بوده است
با توجه به رفتار سازه در زمان وقوع زمینلرزه، ارزیابی عملکرد دقیق آن باید توسط تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی و با استفاده از زمینلرزهی منتخب صورت گیرد. با ورود سازه به حیطه رفتار غیرخطی تحت اثر زلزله، جابجاییها نسبت به نیروها توصیف بهتری از پاسخ سازه ارائه داده و با محدود کردن تغییرمکانها به جای نیروها، سطح تخریب سازه به طرز موثرتری کنترل میشود. نیروهای وارده بر سازه از دو جهت رفتار غیر خطی از خود بروز میدهند:
· رفتار غیر خطی مصالح
· رفتار غیر خطی هندسی کابلها
.3 توصیف پل کابلی مورد مطالعه و مدلسازی
-1-3 هندسه پل
در شکل - - 1 مشاهده مینمایید، پل کوینسی، پلی با یک دهانه اصلی به طول 274 متر و دو دهانه کناری به طولهای 134,112 متر میباشد. ارتفاع کلی برجهای پل برابر 71متر میباشد. آرایش کابلها در این پل به صورت بادبزنی اصلاح شده است و برای این پل چهار نوع کابل از لحاظ سطح مقطع تعریف شدهاست. جزئیات این کابلها در جدول شماره - - 1 آوردهشدهاست.
جدول -1 مشخصات کابلها
همانطور که در شکل - - 2 مشاهده میشود، عرشه پل شامل سگمنتهایی به طول 14,2 متر با دو شاهتیر اصلی در کنارهها و پنج تیر میانی به ارتفاع 0,5 متر میباشد. برجهای این پل نیز به صورت H شکل میباشند که از دو ساق بتنی مجزا ساخته شده و در ارتفاع 34,9 متر از روی عرشه توسط یک دال بتنی به یکدیگر متصل شده اند. در مطالعاتی که قبلا صورت گرفتهاست مدلسازی این پل به این ترتیب بودهاست که عرشه پل با یک تیر اصلی در وسط مدل شدهاست
مدلسازی کابلها به دلیل رفتار غیر خطی ناشی از خیز کابل پیچیده است. غیرخطی بودن سازهها به دو بخش هندسی و مصالح تقسیم میشود و مهمترین ویژگی پلهای ترکهای در غیرخطی بودن هندسی آنها است. در این مقاله، تحلیل پل کابلی بهصورت غیرخطی بودهاست.
شکل -1 نمایی از پل کوینسی
شکل -2 مشخصات عرشه پل مورد مطالعه
-2-3 مصالح مصرفی در پل
عوامل زیادی بر رفتار و خصوصیات تنش-کرنش مصالح اثر میگذارند. این عوامل شامل تاریخچه بارگذاری به صورت پاسخ الاستو- پلاستیک، وضعیت های محیطی مانند گرما و مدت زمان بارگذاری میباشند. برای مدلکردن بتن در نرمافزار از مدل مصالح concrete و برای مدلسازی مقاطع I شکل عرشه کامپوزیت پل از مدل مصالح Steel استفادهمیشود. خصوصیات مصالح مصرفی در پل کوینسی در جدول شماره - - 2 اورده شده است. برای اعمال رفتار غیرخطی مصالح از مدل ارائهشده توسط Takeda استفاده شدهاست، در این مدل نمودار تنش-کرنش فولاد و بتن مصرفی در پل نشان داده شدهاست.
جدول -2 خصوصیات الاستیک مصالح پل کابلی ترکهای
.4 انتخاب شتاب نگاشت
بدلیل تخریب تعدادی از پلها بعد از زلزلههای لوماپریتا - 1989 - و نورتریج - 1994 - در کالیفرنیا و زلزله کوبه - 1995 - در ژاپن، برای انجام تحلیل تاریخچه زمانی از سه رکورد حوزه نزدیک این 3 زلزله استفاده شدهاست. شتاب حرکت زمین این زلزلهها در جدول - - 3 آورده شدهاست. خاک محل این پل از نوع 3 - خاک سخت - در نظرگرفته شدهاست. جهت انجام تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی و برای تعیین مقدار حداکثر تغییر شکلها و نیروهای داخلی از این رکوردها استفاده گردیدهاست.
یکی از عمده ترین تفاوتهای اثر زلزلههای حوزه دور و نزدیک در این است که در حوزه نزدیک اثرات موج قائم زلزله میباشد، که به علت گسترده بودن موضوع از لحاظ کردن آن در این مقاله اجتناب نمودهایم. شتاب نگاشت هایی که برای تحلیل دینامیکی انتخاب میشوند باید حتیالامکان دارای مشخصات هماهنگی با ساختگاه سازه باشند. این مشخصات شامل PGA، محتوای فرکانسی، مدت زمان دوام حرکات شدید و هماهنگی با طیف طرح میباشند
تمامی زلزلههای انتخابی در این پژوهش به فاصله کمتر از 10 کیلومتر از گسل و با بیشینه شتاب افقی بیش از 0,5g میباشند. طیف پاسخ حرکت زمین در حوزه نزدیک با میرایی 2 درصد میباشد.
