بخشی از مقاله
چکیده
ایمنی و پایداری سازه های زیرزمینی حین زلزله، همواره بعنوان مسئله ای مهم در مهندسی ژئوتکنیک لرزه ای مطرح بوده است. تونلهای زیرزمینی با مقطع دایروی، امروزه کاربرد زیادی در زمینه حمل و نقل دارند. یکی از بارزترین کاربردهای آن، متروهای شهری است که با کمک ماشینهای حفر تونل - TBM - ایجاد میگردند. بررسی رفتار اینگونه سازه ها در برابر زلزله در زمان بهره برداری امری است کهحتماً باید در هنگام طراحی مد نظر قرار گیرد تا در برابر بارهای وارده، بخصوص نیروهای زلزله مقاومت کافی داشته باشند. در این مقاله ابتدا مدلسازی و تحلیل دینامیکی مقطعی از تونل متروی دایروی با کاربرد مدل رفتاری موهرکولمب برای خاک توسط مدلسازی عددی با نرم افزار PLAXIS انجام شده است.
پس از آن، 18 رکورد شتاب زلزله با پارامترهای لرزه ای متفاوت به مدل اعمال و تغییر مکان کف و تاج تونل محاسبه گردیده است. در انتها، نمودارهایی برای تعیین تغییرمکان حداکثر بر مبنای پارامترهایی همچون ماکزیمم دامنه جابجایی، ، سرعت مطلق تجمعی - CAV - ، ن سبت سرعت حداکثر به شتاب حداکثر - - ، شدت - - Arias و شدت مشخصه - - بر حسب تغییرمکان کف و تاج تونل ترسیم شده است. نتایج نشان می دهد که دو پارامتر ماکزیمم دامنه جابجایی و نسبت سرعت حداکثر به شتاب حداکثر - - ، دارای قاعده مشخصی در تعیین حداکثر تغییر مکان پو شش تونل می باشند.
.1 مقدمه
در دو دهه گذشته با افزایش دانش مهندسین در زمینه فضاهای زیرزمینی، پیشرفت چشمگیری را در توسعه شریانهای زیرزمینی شاهد بودهایم. یکی از این شریانهای اصلی، تونلهای زیرزمینی هستند. برخی از این تونلها در مناطق کوهستانی æ در امتداد مسیر ارتباطی بین شهرها احداث میشوند و برخی دیگر به عنوان مسیر قطارهای شهری و در بستر زمین شهری æ در محیطی خاکی احداث میشوند. بنابراین در هنگام طراحی تونل ها باید دقت بیشتری بخرج داد، به این دلیل که خرابی آنها باعث بروز مشکلات بسیاری در شهر و ساختمان های اطراف می شود. امواج لرزه ای یکی از مهمترین دلایل خرابی تونل ها هستند، اگر چه تونل ها در مقایسه با سازه های واقع در سطح زمین در برابر زلزله کمتر در معرض آسیب قرار دارند. آسیب تونلها تحت اثر بارهای لرزه ای بدلیل تکان های لرزه ای شدید زمین و دشواری آنالیز زلزله برای طراحان و چشم پوشی بارهای ناشی از زلزله در طراحی سازه تونل می باشد.
روشهای متفاوت و گوناگونی برای بررسی رفتار لرزهای سازه های مدفون دایروی وجود دارد. روش تحلیل شبه استاتیکی که بر پایه روابط حل بسته ارتجاعی استوار است یکی از متداولترین روشهاست. این روش که بر پایه روابط موجود بر نسبت سختی خاک و سازه تونل استوار است دارای محدودیت هایی بوده و عموما در پروژه ها به عنوان روشی جهت ارزیابی اولیه مورد استفاده قرار میگیرد. یکی دیگر از روش های تحلیل تونل ها و سازه های زیر زمینی، روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی است.
تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی میتواند جهت تصحیح کردن مدل در زمان مورد نیاز استفاده شود مخصوصاً زمانی که بعضی از قسمت های تونل تحت بار زلزله، پاسخ دینامیکی داشته باشد.[1] استفاده از روش تحلیل دینامیکی مستلزم زمان و هزینه زیادی است که در مواردی که پروژه از اهمیتی خاص برخوردار است از آن استفاده میشود. همچنین در اکثر موارد با توجه به اینکه پارامترهای موثر در این تحلیلها به صورت واضح قابل تعریف نبوده و وابسته به کاربر میباشد، تحلیلهای عددی میبایست در کنار تحلیلهای حل بسته صورت پذیرند. در این خصوص نیز تحقیقاتی توسط محقین صورت پذیرفته است. محمد و اکبر - - 2005 اندرکنش بین خاک و پوشش تونل را در طول تحریک زلزله مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که اثر زلزله بر اندرکنش خاک-تونل بستگی به پارامترهایی همچون شتاب حداکثر، شدت و دوام زلزله و صلبیت نسبی بین تونل و زمین بستگی دارد.
اولاس و گوپال - - 2010 مطالعه ی مدلی بر روی اثرات حرکت ورودی بر روی رفتار لرزه ای تونل ها را مورد بحث قرار دادند و دریافتند که بزرگی شتاب ورودی ماکزیمم نقش مهمی در حداکثر نیروهای وارد بر پوشش تونل ایفا می کند. لیو و آهنگ - - 2005 دریافتند که افزایش در عمق مدفون تونل، ایمنی سازه زیرزمینی را در برابر خرابی ناشی از زلزله افزایش می دهد. [3] عاشق آبادی و متین منش - - 2011 تحلیل لرزه ای به روش اجزا محدود را به کار بردند و فهمیدند که وجود تونل امواج لرزه ای را در سطح زمین تقویت می کند.[5] حمدی و همکاران - 2015 - آنالیز دینامیکی تونلهای شهری را به کمک نرم افزار Plaxis مطالعه کرده و دریافتند که برای تونل ها بیشترین جابجایی در پوشش تونل اتفاق می افتد و ماکزیمم جابجایی در حد وسط زمان زلزله رخ می دهد.[2] در این تحقیق نیز اثرات پارامترهای تاثیر گذار زلزله بر نتایج تحلیل، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در تحقیق حاضر با توجه به استفاده روز افزون از مدل های عددی در اکثر پروژه های ژئوتکنیکی ، نحوه تحلیل کامل دینامیکی در نرم افزار PLAXIS با توجه به محدودیت های موجود ارائه شده و سپس نحوه تغییرات پارامترهای زلزله بر روی حداکثر تغییرمکان تونل بررسی می شود.
.2 هندسه مدل
برای ایجاد یک مدل جهت تحلیل دینامیکی از هندسه ای با ابعاد 100×40 متر برای عرض و ارتفاع استفاده شده است. زمین به صورت محیطی همگن و ایزوتروپیک با یک لایه از جنس خاک درشت دانه شنی با مدل رفتاری موهر کولمب در نظر گرفته می شود. مقطع تونل به شکل دایره ای به قطر 6/6 متر با لاینینگ بتنی به ضخامت 0/35 متر و در عمق 15 متر از سطح زمین درنظرگرفته می شود. برای بتن لاینینگ تونل به خاطر صلب بودن آن نسبت به خاک اطراف و همچنین به دلیل سهولت در انجام کار، از مدل رفتاری الاستیک استفاده شده است. مشخصات مصالح مورد استفاده در مسئله در جدول - 1 - نشان داده شده است. جهت جلوگیری از بازگشت امواج، خصوصیت مرزهای جاذب به مرزهای قائم اختصاص داده شده است.[6] نمای کلی از این مدل در شکل - - 1 نشان داده شده است.
.3بارگذاری
یکی از نکات مهم که در تحلیلهای دینامیکی باید مورد توجه قرار گیرد، نحوه اعمال بارگذاری دینامیکی است. این بارگذاری معمولاً بصورت اعمال یک زلزله در تراز سنگ بستر میسر است. برای اعمال زلزله معمولا از شتابنگاشت استفاده میشود بدین معنی که تغییرات شتاب یک زلزله نسبت به زمان به عنوان ورودی زلزله به سنگ بستر که همان تراز صلب انتهایی مدل میباشد اعمال میشود.[6] در این تحقیق از 18 شتابنگاشت زلزله بدست آمده از سایت PEER Ground Motion Database جهت مدلسازی بارگذاری زلزله در مدل عددی استفاده شده است.[7] پارامترهای لرزه ای شتابنگاشت های مورد استفاده در این تحقیق همچون ماکزیمم دامنه جابجایی، ، سرعت مطلق تجمعی - CAV - ، نسبت سرعت حداکثر به شتاب حداکثر - - ، شدت - - Arias و شدت مشخصه - - که به کمک نرم افزار SeismoSignal استخراج شده است، در جدول شماره - - 1 نشان داده شده است. یک نمونه از این شتابنگاشت ها که مربوط به زلزله طبس می باشد در شکل - - 2 نمایش داده شده است.
