بخشی از مقاله
شيوه هاي نوين مقاوم سازي پل ها
خلاصه
به علت نقش مهمي که پل ها پس از وقوع زلزله در عمليات امداد و نجات دارند لازم است که اين سازه ها در مقابل حملات لرزه اي از سطح حفاظت بالاتري برخوردار باشند.زلزله هاي اتفاق افتاده در دهه ٩٠ ميلادي در آمريکا،ژاپن ،تايوان و ترکيه ، خرابيهاي نسبتا زيادي در پل ها ايجاد کردند. زلزله نقاط ضعف سازه را شناسايي نموده و بيشترين خسارت را بدانجا وارد مي کند که پل ها به دليل درجه نامعيني کم در برابر اين حملات بسيار آسيب پذيرند .آسيب هاي قابل توجه در پايه پل ها به دو گروه قابل دسته بندي هستند: دسته اول آسيب هاي وابسته به گسيختگي خمشي پايه به علت مقاومت خمشي ناکافي با ظرفيت شکل پذيري خمشي ناکافي پايه ستون پل و دسته دوم آسيب هاي وابسته به شکست برشي به علت ظرفيت برشي ناکافي پايه پل . در حالتي که زلزله با پريود هاي بلند رخ دهد، فراهم نمودن انعطاف پذيري مناسب براي مقابله با انرژي ورودي آن ، امکان پذير نمي باشد،در اين حالت ميزان جذب و استهلاک انرژي ، نقش بسيار مهمي در رفتار سازه خواهد داشت .در اين روش ها سيستم هاي مکانيکي مختلفي در نشيمن پل و يا در ديافراگم هاي انتهايي آن جداسازي مي گردند که درهنگام وقوع زلزله اقدام به جذب و استهلاک انرژي نمايد. .در اين مقاله سعي شده است تا پس از پرداختن به علل خرابي پل ها در اثر زلزله به شيوه هاي نوين مقاوم سازي و بهسازي لرزه اي پل ها پرداخته شود.
کلمات کليدي : پل ، مقاوم سازي ، ميراگر ، جداگر ، FRP
١-مقدمه
هدف اصلي از بهسازي لرزه اي ستون هاي بتن آرمه افزايش مقاومت برشي ،به ويژه در پايه ها با قطع آرماتور طولي در وسط ارتفاع بدون طول مهاري کافي مي باشد.اين کار شکل پذيري ستون را افزايش ميدهد زيرا از شکست برشي زودرس جلوگيري ميکند.اما اگر فقط شکل پذيري افزايش يابد، ممکن است تغيير شکل پسماند در پايه بعد از زلزله افزايش يابد . مقاومت خمشي پايه هم بايد افزايش يابد،که اين منجر به افزايش نيروي زلزله انتقالي از پايه به پي ميشود.بررسي انواع پي نشان داده که اگر افزايش مقاومت خمشي پايه در اثر مقاوم سازي کمتر از دوبرابر مقاومت خمشي پايه پل موجود باشد ،پي با افزايش نيروي زلزله دچار شکست نمي شود.[١]
٢-انواع خرابي هاي پل ها در اثر زلزله
اعم آسيب هاي ديده شده در پل ها تحت زلزله عبارتند از:
- خرابي پل در اثر گسيختگي گسل يا روانگرايي خاک
- خرابي نشيمن و انحراف روسازه در هر دو امتداد طولي و عرضي
- فروريزي و کج شدگي پايه هاي پل به علت خرابي برشي
- فروريزي دهانه هاي پل به خاطر لغزش از نشيمن
- خرابي ديواره پشتيبان کوله ها[٢]
٢-١-خرابي پل هاي طرح شده با روش الاستيک
پل ها بويژه پلهاي بتن آرمه و بتن پيش تنيده عليرغم سيستم سازه اي ساده و رفتار شناخته شده ايکه دارند ، در برابر زلزله عملکرد خوبي نداشته اند و اين مطلب عمدتا ناشي از عوامل زير است :
طراحي بر اساس ظرفيت تمامي پلهاي ساخته شده تا قبل از سال ١٩٧١ با روش طرح الاستيک طراحي شده اند.
تغيير مکان هاي لرزه اي بر اساس اصول طراحي الاستيک بسيار کمتر از آن است که در يک زلزله واقعي سازه تجربه مي کند . به علاوه استفاده نکردن از ممان اينرسي ترک خورده مقطع اين موضوع را تشديد مي کند . از عواقب آن به موارد زير ميتوان اشاره کرد :
- افتادن و شکست عرشه ها به سبب از دست رفتن سطح اتکا(Unseating)
- کوبيده شدن قسمت هاي سازه اي پل به يکديگر(Pounding Effect)
- آسيب ديدگي کليد برشي(Shear Key)
- تخريب مقيد کننده هاي مفصل ها (Hing Restrainer)
در طراحي الاستيک نسبت نيروي لرزه اي به نيروي گرانشي به طور نا صحيحي پايين مي باشد اين موضوع باعث الگوي نامناسب توزيع لنگر مي گردد و از عواقب آن مي توان به تخمين نامناسب محل تشکيل مفصل لاستيک ، نقطه عطف و ... اشاره نمود.[٢]
شکل ١-محل تشکيل مفصل پلاستيک و نقطه عطف درپل هاي طرح شده بروش الاستيک
رفتار غير خطي سازه و وابستگي آن به شکل پذيري ، پارامتر بسيار مهمي در عملکرد لرزه اي پل مي باشد . چنانچه بخش عمده اي از استهلاک نيروي زلزله در اين ناحيه صورت ميگيرد اما در طراحي الاستيک اين موضوع لحاظ نمي گردد[٢]
نقائص روش طرح الاستيک :
- در روش طرح لرزه اي الاستيک سطح نيروهاي جانبي ناشي از زلزله بسيار پايين برآورد ميشود
- نسبت بار هاي مرده به بارهاي جانبي ناشي از زلزله نادرست برآورد ميشود.
- پاسخ غير الاستيک سازه تحت زلزله هاي شديد و مفاهيم مرتبط با آن مانند شکل پذيري و اصول طراحي بر مبناي ظرفيت در روند طرح الستيک به هيچ وجه در نظر گرفته نمي شود.
عدم رعايت ضوابط شکل پذيري منجر به مشکلات زير ميشود:
- کمبود محصور شدگي آرماتورها طولي ستونها در نواحي تشکيل لولاي پلاستيک
- وصله کردن آرماتور هاي طولي ستون ها در نواحي پر تنش
- عدم کفايت طول وصله هاي پوششي براي فعال کردن کل مقاومت آرماتورهاي وصله شده
- استفاده از وصله هاي جوشي در پاي ستونها
- وصله کردن ارماتورهاي عرضي محصور کننده در نواحي پر تنش
- قطع زود هنگام آرماتورهاي طولي ستونها[٣]
٢-٢-خرابي پل ها ناشي از گسيختگي
٢-٢-١-گسيختگي خمشي و عدم شکل پذيري خمشي
گسيختگي هاي خمشي در ناحيه مفصل پلاستيک عمدتا در پايه پل ها با آرماتورهاي طواي پيوسته رخ ميدهد. .بعضي گسيختگي ها به اين علت است که هسته بتن بطور کافي با آرماتور عرضي محصور نشده تا به پايه اجازه رسيدن به جابجايي غير الاستيک وارد شده توسط زلزله را بدهد.گسيختگي مفصل پلاستيک بوسيله ايجاد ترک هاي افقي ، فروريختن هسته بتن در فشار و شکست آرماتور عرضي و کمانش آرماتور طولي ايجاد ميشود.به علت کمبود فشار دورگير کافي در سطح پارگي ناحيه وصله آرماتور ،لغزش قبل از اينکه مقطع به ظرفيت خمشي نهايي برسد رخ ميدهد.اين مکانيزم لغزش در اثر وقوع ترک هاي عمودي ريز در هسته بتن فعال ميشود. لغزش افزايش مي يابد و با بزرگ شدن ترک هاي قائم و يکارچه شدن آنها پوشش بتني در ناحيه وصله آرماتور تخريب ميشود. کم شدن مقاومت خمشي معمولا براي تقاضاي شکل پذيري در جابجايي کم رخ ميدهد و حتي ميتواند قبل از تسليم آرماتور طولي پايه رخ دهد.[٤]
٢-٢-٢-گسيختگي برش
شکست هاي برشي ترد هستند و منجر به کاهش سريع مقاومت جانبي پايه ميگردند.ستون هاي کوتاه با جزئيات آرماتوربندي عرضي قديمي بويژه به شکست برشي آسيب پذيرند ، در حاليکه براي يک بار جانبي داده شده مقاومت خمشي موجود معمولا خيلي بيشتر از مقاومت برشي مي باشد.
يک گسيختگي ترکيبي برشي خمشي هم ميتواند رخ بدهد و با انتقال ناحيه مفصل پلاستيک همراه باشد.مفصل پلاستيک ميتواند به مقطعي که نسبت فشار دورگير به ممان خمشي اعمالي کمتر باشد منتقل شود.اگر فاصله آرماتورهاي عرضي در ارتفاع پايه يکسان نباشد گسيختگي برشي ممکن است دور از ناحيه مفصل پلاستيک رخ دهد[٤]
ماهيت ترد و ناگهاني شکست برشي باعث شده است در سازه هاي مقاوم در برابر زلزله يکي از مهمترين الزامات ،بکارگيري تدابيري براي دوري از انهدام برشي باشد.از آنجا که شکست برشي ستون همراه با ايجاد ترک هاي مورب در کل ارتفاع ستون خواهد بود لذا در مقاوم سازي ستون هاي بتن آرمه در برابر برش لازم است کل ارتفاع ستون مقاوم سازي شود. ستون هاي بتن آرمه به دلايل مختلفي ممکن است در اثر برش آسيب پذير باشند ، مهمترين اين علت ها عبارتند از : ناکافي بودن خاموت ها ، کوتاه بودن ستون ها ، کمتر بودن ظرفيت برشي اوليه مقطع از نيروي برشي وارد بر آن در هنگام زلزله و نهايتا کاهش ظرفيت برشي مقطع در هنگام زلزله .[١]
٣-راهکارهاي بهسازي پل ها
بند٢-٦ دستورالعمل بهسزي لرزه اي ساختمان هاي موجود :
راهکارهاي زير را ميتوان بصورت منفرد يا در ترکيب با يکديگر براي بهسازي بکار گرفت :
- اصلاح موضعي اجزاي سازه که داراي عملکرد نامناسب در زلزله هستند.
- حذف يا کاهش بي نظمي در ساختمان هاي موجود
- تامين سختي جانبي لازم براي کل سازه
- کاهش جرم سازه
- بکارگيري سيستم هاي جداساز لرزه اي
- بکارگيري سيستم هاي غير فعال اتلاف انرژي
- تغيير کاربري سازه
که در مورد پل ها ميتوان با بکارگيري سيستم هاي جداساز لرزه اي و سيستم هاي غير فعال اتلاف انرژي پل مورد مورد نظر را بهسازي نمود.[٥]
٤-شيوه هاي نوين مقاوم سازي پل ها
٤-١-جداگر ها
جداگر ها به منظور جداسازي سازه از حرکات شديد زمين هنگام زلزله بکار ميروند. برخلاف ساختمان که جداسازي آن غالبا از روي فونداسيون انجام ميپذيرد ، در پلها اين جداسازي مابين روسازه و زير سازه اعمال ميگردد .علت اين امر نيروي اينرسي بسيار زياد قسمت روسازه (که شامل وزن عرشه ميشود) و همچنين سهولت اجراي آن ميباشد. بطور کلي اين جداگرها در پلها به دوصورت الاستومتريک (لاستيکي) و اصطکاکي بکار گرفته مي شوند.
اين جداگر ها به سبب سختي اندک وقتي زير روسازه تعبيه ميگردند موجب افزايش پريود ارتعاش آزاد کل پل گشته و انتظار ميرود که اين امر باعث کاهش نيروي زلزله وارد به سازه گردد.که معمولا با توجه به طيف پاسخ تغيير مکان اين کاهش نيرو با افزايش تيير مکان روسازه پل همراه است [٦]
٣-١-١-جداگر لاستيکي
اين جداگر هاي از دهه هفتاد ميلادي در سازه ها بکار گرفته شده اند در پلها ، به عنوان يک دستگاه تکيه گاهي (که در ايران نئوپرن ناميده ميشود) اکثرا بکار گرفته ميشوند ليکن به عنوان يک جداگر در تحليل سازه پل بکار گرفته نمي شود. اين دستگاه تکيه گاهي از لاستيک طبيعي يا مصنوعي (نئوپرن ) و بصور ساده و يا مسلح به ورقهاي فولادي(بصورت لايه لايه ) ساخته مي شوند.نوع جداگر لرزه اي آن معمولا نئوپرن مسلح ميباشد که لايه هاي فولادي باعث افزايش سختي جداگر در جهت قائم شده ليکن در جهت افقي سختي آن کماکان همان سختي برشي لاستيک هاست که دهها برابر کمتر از سختي قائم ميباشد. اين جداگر عمدتا از افزايش پريود سازه در کاهش نيروي زلزله بهره مي برد و ميرايي ويسکوز بحراني آن حدود ٣% مي باشد.نيروي بازگرداننده در سيستم بصورت طبيعي وجود دارد که همان قابليت ارتجاعي لاستيک ميباشد . نقطه ضعف اين جداگرها در مقدار جابجايي بالاي آن ميباشد .اين نئوپرن ها در تحت زلزله حدودا بايد تا ٣ برابر ضخامت خود را در جابجايي جانبي تحمل کنند و پايدار بمانند .[٦]
