بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل کفایت سازه آبروهای قوطی شکل نشریه 83 برای شرایط لرزه خیزی استان بوشهر
خلاصه
آبروهای قوطی شکل به صورت نقشه های تیپ در نشریه 83 سازمان مدیریت و برنامه ریزی معرفی شده اند. کاربرد این سازه ها بالاخص در مناطقی مانند بوشهر با شرایط لرزه خیزی خاص لزوم بررسی قابلیت اطمینان آن در برابر شتاب زلزله را مشخص می سازد. روش تحلیل در این مطالعه به صورت خطی بوده و رفتار سازه بر اساس تئوری الاستیسیته تعیین شده است. سازه در حالت استاتیک تحلیل و نتایج با آنالیز دینامیکی کنترل شده است تا کفایت سازه در مقابل شتاب زلزله منطقه تضمین گردد. مقطع آبرو قوطی شکل همسطح با دهانه 2 متر مدل سازی و خروجی تحلیل بیانگر کفایت بتن با عیار 300 می باشد. با توجه به کم بودن میزان لنگر خمشی وارده بر سازه و نیز از آنجاییکه طراحی بر اساس آرماتور حداقل صورت گرفته است،میتوان ضخامت باکس بتنی را به 20 سانتیمتر و یا 15 سانتیمتر کاهش داد.
کلمات کلیدی: مدلسازی سازه، تحلیل استاتیکی، تحلیل طیفی، آبرو قوطی شکل
1. مقدمه
آب روها برای عبور آسان آب ساخته می شوند . در علوم مهندسی نوین این اصطلاح برای هر سامانه لوله ای شکل، راه آب، نهرآب، کانال، قنات، تونل و دیگر سامانه های عمرانی استفاده می شود. بررسی های بعمل آمده در رابطه با آبروها با دهانه حدود 8 متر و نحوه اجرای آن بصورت دال (عرشه) با روسازی آسفالت، آن را یک پل با دهانه کم فرض می نماید که درمقابل بارهای وارده، عکس العمل نشان می دهد. زلزله های اتفاق افتاده در دهه 90 میلادی در آمریکا، تایوان، ترکیه و ژاپن خرابیهای نسبتا زیادی در پلها ایجاد کردند بطوریکه نحوه طراحی این سازه ها از طرف کارشناسان مهندسی زلزله مورد سوال قرار گرفت.
پلهای آبروها به منظور رد شدن آب رودخانه ها از زیر ساختارهای راه اهن، راه شوسه که بر روی یک شکاف بزرگ زمینی هستند کاربرد دارند. جهت طراحی ابعاد نیاز به انجام مطالعات هیدرولوژیکی می باشد. این مطالعات به جهت محاسبه حداکثر حجم آبی که در زمان اوج بارندگی و یا پس از آن به آب رو می رسد انجام می گیرد. از آن جا که تاکنون در رابطه با بررسی لرزه ای آبروها در زمان وقوع زلزله تحقیقاتی صورت نگرفته، لذا لحاظ نمودن اثرات زلزله در این گونه سازه ها و مقایسه اقتصادی آن با نشریه 83 سازمان مدیریت و برنامه ریزی را می توان یک نواوری و ایده جدید صورت گرفته در این مطالعه است. بررسی اثرات زلزله بر روی سازه های همچون پل وآبرو یکی از الزامات طراحی آنها می باشد. تخریب آبروهای مسیرهای گوناگون در کشور و استان بوشهر در سالهای متمادی یکی از مهمترین نشانه های اثرگذاری فاکتور زمین لرزه براین نوع سازه ها بوده است. نتیجه این پژوهش می تواند کمک بسیار زیادی در مسائل اجرایی آبروها و پلها با دهانه کوتاه در اداره راه و شهرسازی و در طرحهای آبرسانی به مزارع کشاورزی و غیره جهاد کشاورزی نماید و از آن می توان یک مدل قابل اطمینان از لحاظ لرزه ای برای مهندسان و پیمانکاران در امور راهسازی نام برد.
2. مروری بر ادبیات موضوع
مطابق تعریف نشریه سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور، آبروها با دهانه حدود 8 متر به صورت دال با روسازی آسفالت، یک پل با دهانه کم تعریف می شوند که در مقابل بارهای وارده عکس العمل نشان می دهند .[1] پلهای متعددی در زمین لرزه های گذشته به دلیل سقوط عرشه از تکیه گاه، نشیمنگاه یا درزهای انبساط تخریب شده اند، این نحوه شکست در صورت حذف درز انبساط و استفاده از دال پیوند قابل برطرف کردن است .[2]همچنین بر اساس مطالعات پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی ایران، دال پیوند باعث کاهش در تقاضای لرزه ای پایه داخلی در هنگام وقوع زلزله در راستای عرضی خواهد شد و بررسی اثر مولفه قائم زلزله در رفتار لرزه ای پلهای بتن مسلح گام جدیدی درجهت بهبودی ضوابط طراحی لرزه ای و تحلیل پل در کشورهای لرزه خیز محسوب می شود و نتایج بدست آمده بیانگر افزایش نیروی محوری پایه در حدود %30 در اثر مولفه قائم بود و حالت ترک خوردگی پایه از مد خمشی و شکل پذیری به مد برشی و ترد تمایل پیدا می کند .[3] روابط مربوط به فشار لرزه ای خاک پشت کوله پلهای پیوسته با کوله بلند در دو حالت خاک متراکم و خاک همخوانی بسیار مطلوبی با فشار خاک بدست آمده از نتایج تحلیل دارد و به عنوان مرجعی برای طراحی و بارگذاری لرزه ای پلهای با کوله پیوسته با کوله بلند مناسب خواهد بود .[4]بررسی ها نشان می دهد که بارهای لرزه ای از جنس تغییر مکان هستند و پایداری یا ناپایداری سازه صرفا تابع مقاومت سازه نبوده و بستگی زیادی به توانایی سازه برای تحمل جابجایی دارد .[5] در آیین نامه پل های آمریکا، برای ایجاد شکل پذیری کافی و جلوگیری از خرابی برشی پایه ها لازم است که از خاموت گذاری ویژه در آنها استفاده شود ، همچنین بایستی حداقل طول مهاری آرماتورهای طولی رعایت شود .[6] در تحلیل غیرخطی انجام شده برای پل های پیوسته در سال 2001 نتیجه گیری شد که برای طول نشیمن پل یا باید بیشینه جابجایی ناشی از زلزله را در نظر گرفت و یا اینکه با تعبیه قیود و ضامنهای مناسب از حرکت طولی تابلیه جلوگیری نمود .[7] ماراگاکیس و جنینگز در سال 1987 به این نتیجه رسیدند که در اثر مولفه قائم زلزله ترکها در محل اتصال تیر وستون در زیر عرشه پل، گسترش ببیشتری یافته و عرض ترکها حدود 60 درصد افزایش یافته است که حداکثر نیروی محوری در اثر مولفه قائم زلزله در حدو 30 درصد افزایش می یابد و این افزایش برای لنگر خمشی ونیروی برشی پایه به ترتیب در حدود 10 درصد و 15 درصد می باشد .[8] در سال 1999، ریچاردز و هوانگ به بررسی عوامل تخریب پلهای مورب پرداخته وبا توجه به زلزله های گذشته و خرابی آنها به این نتیجه رسیدند که عامل نقش خروج از مرکزیت که باعث تشدید پیچش پل می گردد از بقیه عوامل پر رنگ تر می باشد .[9] اسکات از روش جانبی نیروی استاتیکی معادل با ضریب زلزله زلزله بین 0.1 تا 0.3 بر منبای روش طراحی مجاز، با نام روش ضریب لرزه ای، آشتفتگی های لرزه ای را در نظر گرفت .[10] در سال 1999 نیز مطالعات باسز در بررسی پل دره Sakarya که در زلزله کوچاائلی ترکیه خراب شد به این نتیجه رسیدند که در اثر ضعف در طراحی کلیدهای برشی و خرابی آنها، نشیمن ها جابجا شده و شاهتیرها به اندازه بیش از ./5 مترحرکت کردند .[11]
3. روش شناسی و فرضیات پژوهش
در این مقاله با استفاده از نرم افزار SAP.14.2.4 آبروهای قوطی شکل موجود در نشریه 83 مدل شده است و پس از تحلیل، سازه را برای حالات استاتیکی طراحی و نتایج بدست آمده را با آنالیز دینامیکی کنترل تا مشخص شود مقاطع بدست آمده در مقابل شتاب منطقه مورد نظر، توانایی لازم را دارد. روش تحلیل در این سازه تحلیل خطی است در این روش تحلیل تمام تلاشها در مقاطع مختلف سازه بر حسب خطی بودن رفتار مصالح و کوچک بودن تغییر شکلهای ایجاد شده و براساس تئوری الاستیسیته تعیین می شوند.
روش طراحی "طراحی در حالات حدی " است و سازه طوری طراحی می شود که با حاشیه ایمنی مشخصی، تحت هیچ یک از شرایط بارگذاری به هیچ یک از حالات ویژه که اصطلاحا "حالات حدی" نامیده می شود نرسد. به منظور بررسی رفتار دقیق آبروها تحت اثر نیروهایی همچون زلزله و بار خاک و نیز بررسی اثر همزمانی این نوع بارها، از ترکیب بارگذاری آئیننامه AASHTO 2005 استفاده گردیده و آبروها به روش مقاومت نهایی طراحی میگردند . به منظور اعمال بار زلزله به آبروها از نشریه شماره 463 (آیین نامه طرح پلهای راه و را ه آهن در برابر زلزله) استفاده شده است.
4. بارگزاری استاتیکی زلزله
بر اساس نقشه پهنه بندی خطر لرزه ای ایران، بوشهر جزء مناطق با خطر نسبی متوسط میباشد که بر اساس آییننامه طرح پلهای راه و راهآهن در برابر زلزله (نشریه شماره (463 شتاب مبنای طرح آن 0/25g است که باید در طرح تاسیسات و ابنیه فنی مورد توجه قرار گیرد. لیکن شایان ذکر است که با توجه به تصویر شماره (1) که پهنهبندی کامل زلزله در استان بوشهر را نشان میدهد و نیز متفاوت بوده مقدار شتاب مبنای طرح در این استان، به منظور طرح مطلوب لرزهای آبروها از ضریب 0/30g استفاده شده است.
با توجه به شرایط منطقه بر اساس آئیننامه طرح پلهای راه و راهآهن در برابر زلزله (نشریه شماره (463، شرایط مجاز برای تحلیل به روش استاتیکی معادل را دارا میباشد . از این جهت نیروی معادل از رابطه زیر محاسبه میشود:
: A خطر نسبی محل احداث این پل با توجه به آئیننامه طرح پلهای راه و راهآهن در برابر زلزله معادل 0/30 میباشد.
: I ضریب اهمیت که با توجه به اهمیت پلهای مورد بحث معادل 1/2 انتخاب شده است.
: R ضریب رفتار سازه که بر مبنای سیستم سازهای هر گزینه از آئیننامه طرح پلهای راه و راهآهن در برابر زلزله محاسبه شده است.
(R=2) : B ضریب بازتاب پلها که با توجه به روابط موجود و مقایسه با نشریه شماره 463 ایران برابر با 2/75 خواهد بود.
ضریب بازتاب ساختمان با توجه به نوع زمین و خطر پذیری آن معادل 2/75 تعیین می شود و در نتیجه ضریب فوق معادل 0/495 محاسبه می گردد..
5. مدل سازی آبرو با نرم افزار SAP
به منظور مدلسازی این آبروها از المان Shell استفاده گردیده و جهت بارگذاری بار عبوری، از کامیون 40 تنی (بارگذاری نوع اول نشریه -139 بارگذاری پلهای راه و راهآهن ایران) استفاده شده است همچنین به منظور بررسی همزمان اثرات بار مردهی سازه و زلزلهی وارد برآن از ترکیب بار شماره یک آیین نامه AASHTO 2005 و نیز ترکیب بار زلزله بند 6-2 از نشریه شماره 463 (آئین نامه طرح پلهای راه و راهآهن در برابر زلزله) استفاده گردیده است. شکل (2) مراحل مدلسازی را نشان می دهد. ترکیب بار زلزله مطابق رابطه (2) از نشریه شماره : 463
که در آن:
: E فشار خاک
:EQ زلزله در دو جهت x و y میباشد.
6. نتایج حاصل از مدلسازی آبرو
مدل سازی انجام شده برای آبروی باکس بتنی یک دهانه 2 متری همسطح و مقایسه نتایج حاصل با آبروی موجود در نشریه شماره 83 مطابق زیر می باشد.. این آبرو تقریبا دارای 145 کیلوگرم آرماتور در هر متر طول مطابق شکل شماره (3) میباشد. همچنین نتایج حاصل از مدلسازی این آبرو و لنگر وارده تحت ترکیب بار زلزله در حالت زلزله استاتیک و طیفی در تصاویر (4) و (5) ارائه گردیده است.
