بخشی از مقاله
چکیده
یکی از ابزارهای قدرتمند جهت ارزیابی آسیب پذیری کمی سازهها، منحنیهای شکنندگی میباشند. این منحنیها احتمال فراگذشت برای حالات عملکردی در سطوح مختلف خرابی به ازاء شدتهای مختلف زلزله را تعریف مینمایند. پلها از حساس ترین و کلیدی ترین عناصر سیستم های حمل و نقل به شمار میروند. آسیبهای ایجاد شده در این سازه ها در زلزلههای اخیر، نیاز به ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای آنها با استفاده از روشهای عملکردی بیش از پیش نمایان میسازد. در این تحقیق آسیب پذیری لرزه ای یک پل دارای سیستم دال و تیر که دارای چهار دهانه میباشد مورد ارزیابی قرار گرفته است. بدین منظور منحنیهای شکنندگی برای پایههای مختلف پل با استفاده از تحلیل دینامیکی غیر خطی افزاینده برای ده شتابنگاشت حوزه دور توسعه یافته اند. در این مطالعه برای لحاظ نمودن اثرات اندر کنش شمع و خاک و در نظر گرفتن رفتار غیر خطی سازه پل از نرم افزار OpenSees استفاده شده است. در تهیه منحنیهای IDA مقدار شتاب بیشینه شتابنگاشتها به عنوان شاخص شدت و حداکثر جابجایی نسبی پایه های پل به عنوان شاخص خرابی استفاده شده است. منحنیهای شکنندگی پایهها با توجه به سطوح عملکردی معرفی شده در آیین نامه HAZUS محاسبه گردیده و با منحنی شکنندگی حاصل از سطح واژگونی حاصل از آنالیز افزاینده مورد مقایسه قرار گرفته اند. نتایج بیانگر کاهش شکل پذیری قابل توجه پایههای پل مورد مطالعه در مقایسه با پلهای با طرح لرزه ای جدید میباشد.
کلمات کلیدی: آنالیز دینامیکی افزاینده، پل تیر و دال چهار دهانه، منحنی های شکنندگی، سطوح عملکردی.
-1مقدمه
آسیبهای لرزهای زلزلههای پیشین نشان داده است که پلها یکی از سازههای حساس و در عین حال آسیبپذیر در برابر زلزلهها میباشند. توجه به اهمیت این سازهها بعد از زلزله نیاز به بررسی عملکرد لرزه ای آنها را به روش عملکردی بیش از پیش نشان میدهد. در روشهای عملکردی ظرفیت لرزه ای سازه در مقایسه با تقاضای ما از سازه پیش بینی میشود. در این راستا یکی از روشهای بروز برای بررسی کامل رفتار این سازهها در زلزله روش آنالیز دینامیکی افزاینده 1میباشد. این روش که به پوش آور دینامیکی 2نیز معروف میباشد به منظور مشخص نمودن رابطه بین تقاضا و ظرفیت سازه بکار میرود. مفهوم روش آنالیز دینامیکی افزاینده اولین بار توسط برترو 3در سال 1977 میلادی پیشنهاد شد و بعدها به سبب تلاشهای دو محقق دیگر با نام های کرنل 4و وامواتسیکاس 5توسعه پیدا نمود. در این تحقیق 10 شتاب نگاشت حوزه دور انتخاب و به واسطه ضرایب مقیاس با شدتهای مختلف به مدل سازهای وارد میگردند.
در ادامه رفتار مدل از محدوده خطی به غیر خطی و در نهایت ناپایداری دینامیکی وارد میشود. سپس منحنیهای آنالیز دینامیکی افزاینده آنها ترسیم شده که بر اساس شتاب بیشینه شتابنگاشت - شاخص شدت - و حداکثر جابجایی نسبی پایههای پل - شاخص خرابی - میباشد. در تحقیق حاضر، دو نوع منحنی شکنندگی توسعه مییابد. اول منحنی شکنندگی بر اساس نقطه فروریزش سازه که از آنالیز دینامیکی افزاینده حاصل میگردد و دوم منحنیهای شکنندگی بر اساس حداکثر جابجاییهای نسبی پایههای یک پل طرح لرزهای شده در سطوح عملکردی مختلف که حاصل تحقیقات ماندر 1و باسوز 2در سال 1999 میباشد. در پایان این دو مورد با یکدیگر مقایسه شده و نتایج بررسیهای انجام شده درج میگردد .
-2 مشخصات پل
این پل شامل 4 دهانه با سیستم تیر و دال بتنی مسلح میباشد که بر روی اتوبان آزادگان واقع گردیده و اتوبان تندگویان را به بهشت زهرا متصل میکند. هر سر ستون پل شامل 4 ستون بوده و در دو انتهای پل کولههای بتنی واقع شدهاند. در محل اتصال کولهها به مسیر نیز دالهای دسترسی به طول 4,65 متر قرار گرفتهاند. طول هر دهانه 25 متر و عرض عرشه 21,15 متر میباشد. ضخامت عرشه 18 سانتیمتر بوده که در طرفین عرشه جدول بتنی به ابعاد 50*40 سانتیمتر واقع شده است. عرشه بر روی 10 تیر بتنی به فواصل 2,10 متر از یکدیگر واقع شده است. ارتفاع تیرها 1,8 متر و فاصله عرشه از کوله 10 سانتیمتر است.
با توجه به طراحی نسبتا قدیمی این پل و عدم منظور نمودن جداساز های لرزه ای در آن، تیرها صرفا بر روی نئوپرنهای حرارتی واقع گردیدهاند . ارتفاع پایهها 5,86 متر و فونداسیونها از نوع عمیق میباشند. فونداسیون هر 4 ستون یکپارچه و حاوی 24 شمع به قطر 0,9 متر و طول 25 متر میباشد. فونداسیون کولهها نیز 21 شمع و همان مشخصات ذکر شده قبلی را دارد. سطح مقطع عرشه m2 12,38، ممان اینرسی آن 1,39 m4 و جرم آن 735400 کیلوگرم میباشد. سطح مقطع سر ستونها نیز 6, 2 m2 و ممان اینرسی آن نیز 0,74 m4 می باشد. قطر پایه های پل 1 متر بوده و حاوی 18 عدد میلگرد طولی نمره 32 میباشد. در مشخصات پل مقاومت نمونه 28 روزه 30 مگاپاسکال بوده و مدول الاستیسیته بتن نیز 24000 مگاپاسکال در نظر گرفته میشود. ضمنا مقاومت تسلیم میلگردها نیز با توجه به نوع آن ها که A2 یا A3 باشد به ترتیب 300 و 400 مگاپاسکال منظور میگردد.
-3 مدل سازی پل
برای مدل سازی پل از نرم افزار اپنسیز 3استفاده میگردد. این نرم فزار یک نرم افزار شی گرا 4بوده و که به منظور مدل سازی دینامیکی غیر خطی بر روی سازهها با روش اجزا محدود 5مورد استفاده قرار میگیرد. این نرم افزار، نرم افزاری کد باز 6بوده که بر روی زبان برنامه نویسی عمومی و چند منظوره TCL نوشته شده است. موارد کاربرد نرم افزار مذکور عموما در بررسی رفتار سازهها و خاک در زلزله به روش عملکردی بوده و توسط مرکز تحقیقات مهندسی زلزله اقیانوس آرام 7طراحی و توسعه یافته است. از آنجائیکه در پلهای بدون بیه و قوس افقی منحنیهای شکنندگی حاصل از آنالیز دینامیکی مدل دو بعدی و سه بعدی جوابی تقریبا یکسان دارند - Zhang & Hou, 2009 - لذا در بررسی این پل به جهت سهولت، مدل سازی در جهت طولی و دو بعدی انجام میگیرد. مدل سازی عرشه پل و سر ستونها با المان تیر ستون خطی انجام میشود - Saiidi et al., 2012 - و مطابق با آنچه در آیین نامه کلترنس ذکر شده است هر دهانه به حداقل 3 گرههای جرمی تفکیک میگردد . - Caltrans, 2015 - شکل 1 این موضوع را نمایش میدهد.
برای مدل سازی کولهها از یک فنر خطی قائم و یک فنر افقی غیر خطی استفاده میگردد . - Caltrans, 2004 - سپس سختی فنرها بر اساس آیین نامه یاد شده به آنها تخصیص داده میشود. ضمنا برای مدل سازی اندرکنش خاک و شمع و عملکرد فونداسیون ها نیز از یک فنر قائم، یک فنر افقی و یک فنر دورانی استفاده میگردد . - Lam et al., 1991 - سختی فنر های مذکور نیز بر اساس همان تحقیق محاسبه میگردد. این روش در FEMA 274 نیز استفاده شده است. در این مدل سازی فرض میگردد که پایههای پل وارد محدوده غیر خطی میشوند و از این رو پایههای پل با المان تیر ستون غیر خطی مدل میشوند و در تعریف مصالح بتنی آن برای قسمت محصور و غیر محصور از مدل کنت اسکات پارک و مصالح Concrete01 استفاده شده است ضمنا در تعریف مصالح آرماتور های پایه نیز از مدل دو خطی Steel01 با ضریب سخت شوندگی 0,01 در مدل مورد استفاده قرار میگردد.
لازم به ذکر است که در فایبر بندی پایهها برای بتن محصور از 10 قطعه و 8 لایه و برای قسمت غیر محصور از 2 لایه و 10 قطعه استفاده میگردد. پس از مدل سازی برای اعمال بارهای ثقلی از یک آنالیز استاتیکی استفاده و پریود سازه در این مرحله برابر با 0,7 ثانیه بدست میآید. در مدل سازی نئوپرنهای حراراتی از حرکت جزئی نئوپرنها صرف نظر شده است و ضمنا بعد از گسیختگی نئوپرن نیز با توجه به ضریب اصطکاک بین بتن و لاستیک و بتن با بتن و منظور نمودن میانگین آن و مقایسه با حداکثر شتاب بیشینه وارد به سازه عملا میتوان از حرکت ثانویه عرشه بر روی پایهها صرف نظر نمود و نقطه اتصال نئوپرن به پایه و عرشه با دو المان صلب و یک فنر چرخشی طول صفر مدل میگردد.
-4 انجام آنالیز دینامیکی افزاینده
• انتخاب شتابنگاشتها
پس از مدل سازی گام بعدی انتخاب شتابنگاشتها میباشد. در انتخاب شتابنگاشتها از 10 شتابنگاشت حوزه دور استفاده میگردد. بر اساس آیین نامه UBC97 چنانچه فاصله از مرکز زلزله بیش از 15 کیلومتر باشد شتابنگاشت ثبت شده حوزه دور فرض میگردد. برای انتخاب شتابنگاشتها به سامانه اطلاعاتی مرکز تحقیقات مهندسی زلزله اقیانوس آرام مراجعه نموده و پس از دانلود شتابنگاشتها، آنها را به حداکثر شتاب بیشینه 1 برابر شتاب ثقل همپایه میکنیم. شتابنگاشتهای انتخاب شده در جدول شماره 1 درج گردیدهاند.
شتابنگاشتهای انتخاب شده بدون مقیاس بودهاند و اعمال ضریب مقیاس برای آنها در نرم افزار اپنسیز انجام میگردد. علاوه بر آن در انتخاب شتاب نگاشتها سعی بر آن بوده است که از شتابنگاشتهای مربوط به زلزله های بزرگ استفاده گردد تا سازه را به مرحله غیر خطی و ناپایداری دینامیکی وارد کنند. از این رو بزرگی زلزلههای این شتاب نگاشتها بین 6,69 تا 7,51 ریشتر میباشد.
