بخشی از مقاله
خلاصه
استفاده از سیستمهاي مهاري که بتواند حرکات عرشه پل را در زلزله کاهش دهد یکی از راهکارهاي موثر در حفاظت از پلها و باز نگه داشتن مسیر راه بعد از زلزله میباشد. در این مقاله با بررسی چند مورد خرابی ناشی از حرکات زیاد روسازه در زلزله هاي مختلف، تاریخچهاي در مورد روند تکاملی طراحی کابل ذکر میگردد. با بررسی موردي یک پل دو دهانه، با ایجاد مدل سه بعدي میزان جابجایی هاي روسازه بدون کابل مهاري و با کابل مهاري بررسی میگردد. نتایج حاصله، عملکرد خوب کابلها در زلزلههاي متوسط و نسبتاً شدید را نشان داد.
1. تاریخچه عملکرد پلها و کابلهاي مهاري در زلزلههاي گذشته
فروافتادن عرشه و خرابی پل در حوادث لرزهاي دهههاي اخیر نشان دادند که همچنان نیاز براي کنترل حرکت عرشه در حین زلزله وجود دارد. همچنین شکست کابلهاي مهار در زلزلههاي شدید گذشته نشان داد که نیاز به مهاري که در یک محیط دینامیکی بهتر عمل کند وجود دارد. فروافتادن عرشه در پلهاي با دهانه ساده و همچنین پلهاي چند قابی مشکل اصلی در زلزلههاي اخیر بوده است. مساله مهار عرشه پلها بعد از زلزله سانفرناندو در سال 1971 بصورت جدي مورد توجه قرار گرفت.
بسیاري از پلهاي با دهانه ساده، عرض نشیمنگاهی دارند که فقط براي حرکات کوچک در اثر تغییر درجه حرارت و جمعشدگی بتن طرح شدهاند. بعضی طرحهاي قدیمیتر نشیمنگاههایی دارند که اجازه حرکات کافی را نمیدهند و یا براي نیروهاي لرزهاي طرح نشدهاند. نیروهاي لرزهاي اغلب باعث پرش در نشیمنگاه و یا تسلیم نشیمنگاه یاطاقانی میشوند. در نتیجه، میله فولادي و یا کابل مهاري بین مقاطع پلها افزوده میشود. در کالیفرنیا، در طی چند سال بعد از زلزله سانفرناندو، 1250 پل مجهز به مهار شدند.
از خرابیهاي معروف زلزله سانفرناندو میتوان خرابی پل چندراهی210/5 نشان داده شده در - شکل1 - الف - - را نام برد . در این پل هم فروافتادن عرشه از روي پایهها و هم خرابی پایهها مشاهده گردید.[2] گزارش قسمت نگهداري کالترنس حاکی است که مهارهاي 23 پل در حین زلزله لوماپریتا در سال 1989 دچار خسارت شدند و در دو مورد مهارها دچار شکست شدند.
جدایی در دهانه 21 پل Richardson Bay - شکل 1 - ب - - که در سال 1957 ساخته شده بود و در سال 1973 با کابلهاي مهاري بهسازي شده بود، مشاهده شد. دیده شد که شکست مهارها و وسایل اتصال در مفاصل میباشد. علاوه بر آن دیافراگم در محل وصل مهارها دچار شکست شد. این زلزله با بزرگی 7/1 خسارت کمی به پلهایی که با آییننامههاي جدیدتر آنروز مانند AASHTO 1983 و ATC 1981 طراحی شده بودند، وارد کرد. هرچند در این زلزله 13 پل قدیمی متحمل خسارت شدید شدند و در کل 91 پل خسارت زیادي دیدند. فروریزش دهانه در قسمت کوتاهی از پل سانفرانسیسکو-اوکلند که در آن مهارهاي کابلی شکستند و دهانه از روي نشیمنگاه پنج اینچی اش افتاد، بسیار معروف است. این خرابی باعث مرگ یک موتورسوار و خسارت مالی میلیونی در اثر بسته ماندن بیش از یک ماه پل شد
فروریزش روگذر Gavin Ganyon را حین زلزله نورثریج در سال 1994 در سانفرناندو، مثال مهم دیگري از افتادن عرشه در زلزلهها میباشد.
خرابی این پل را تا حدودي میتوان مربوط به تورب غیرمعمول آن دانست، مهارهاي کابلی، 23 سال بعد از نصبشان نتوانستند بطور موثر جلوي خرابی را بگیرند، این مساله توجهی دوباره را به مساله فروافتادن عرشه پلها جلب کرد
در - شکل 2 - ب - - فروافتادن عرشه پلی در مسیر راه شهر ونچوان نشان داده شده است. خرابیهاي حاصل در این زلزله نشان دادند که نیاز به بهبود آئین نامه هاي لرزهاي در کشور چین نیاز میباشد و بسیاري از پلهاي این کشور در برابر زمین لرزه آسیبپذیر هستند و باید تمهیداتی جهت بهسازي پلهاي موجود طرح شده با آئین نامه فعلی این کشور نیاز میباشد.[6] بطور کلی، مهارها در زلزلههاي گذشته عملکرد خوبی داشتهاند. در شکل 3 - الف - و - ب - بهسازي انجام گرفته روي پل عبارتند از نصب مهار و افزایش سطح نشیمنگاه، چنانچه مشاهده میگردد با وجود خرابی نشیمنگاه در زلزله کوبه عرشه از روي پایهها نیافتاده است.
شکل:1 خرابی پل چند راهی 210/5 در زلزله سانفرناندو 1971 - الف - خرابی پل دهانه شرقی گذر سانفرانسیسکو-اوکلند در زلزله لوماپریتا
شکل : 2 خرابی روگذر Gavin Ganyon در زلزله نورثریج 1994 - الف - ، فروافتادن عرشه پلی در مسیر راه شهر ونچوان در زلزله ونچوان
شکل : 3 بهسازي انجام گرفته روي پل عبارتند از نصب مهار و توسعه دهنده نشیمنگاه - الف - ، با وجود خرابی نشیمنگاه در اثر زلزله کوبه 1995 عرشهها از روي پایهها نیافتادهاند؛ خرابی نشیمنگاه در اثر زلزله - ب
2. مهارهاي معمول مفاصل در پلها
از مهارهاي معمول مفاصل در پلها میتوان مهارهاي کابلی، میلههاي با مقاومت بالا، توسعه دهندههاي لولهاي نشیمنگاه - گاهی همراه با کابل مهاري مخصوصاً در درزهاي انبساط درون دهانه پلهاي با شاهتیر بتنی - ، افزایش دهندههاي سطح نشیمنگاه را نام برد. حین زلزله ممکن است قابهاي مجاور بصورت غیر هم فاز مرتعش شوند و دو نوع از مسائل ناشی از جابجایی را سبب شوند. نوع اول مشکلات ناشی از برخورد قابها به یکدیگر در مفاصل است. در حالت کلی، این خسارت محلی باعث فروریزش پل نخواهد شد و بنابراین زیاد نگران کننده نیست.
نوع دوم هنگامی اتفاق میافتد که مفصل انبساطی باز میشود و اجازه حرکات بسیار بزرگ قابها و عدم نشست تکیهگاهی را میدهد. مهارها براي بستن قابها به یکدیگر استفاده میشوند و جابجاییهاي نسبی را از قابی به قاب دیگر محدود میکنند و مسیر مناسبی براي انتقال نیرو در عرض مفصل فراهم میآورند. هدف اصلی جلوگیري از افتادن دهانهها از تکیهگاهشان است. بعضی فاکتورها مانند دوره تناوب سازه، قابلیت انعطاف، مقاومت مفصل/قاب خمشی دیافراگم، ظرفیت کششی روسازه و تا اندازهاي هندسه روسازه در انتخاب نوع مهار موثرند.
دو نوع اصلی از مهارها، کابلها و میلهها هستند. کابلها برتري نسبت به میلههاي با مقاومت بالا دارند و آن قابلیت انعطاف در بکارگیري در انواع مختلف روسازه است. در مورد شاهتیرهاي با تکیهگاه ساده، کابلها را میتوان به براکتی که در قسمت پایینی بال شاهتیر نصب شده، محکم و گیردار کرد و دور تیر اصلی خمشی پیچاند و دوباره گیردارش کرد. روش دیگر این است که کابلها به براکت نصب شده در قسمت پایینی بال گیردار شده و بصورت ساده به براکت مقابل در طرف دیگر مفصل وصل شود. مورد اولی عموماً براي پلهاي کوتاه با مساحت نشیمن بزرگتر در تیر خمشی زیر تکیهگاه یا در مواردي که لقی عمودي باید محدود شود پیشنهاد میشود.
علاوه بر این، کابلها بخاطر اینکه وسایل گیردار کننده در هر جاي طول شاهتیر بدون توجه به فولادي یا بتنی بودن شاهتیر میتوانند نصب شوند، طولهاي مختلفی میتوانند داشته باشند. بعلاوه بر اینکه در نزدیکترین تیر راس خمشی - تیر کلاهک - زیر تکیهگاه یا دیافراگم طرف دیگر مفصل نیز میتوانند بسته شوند. براي مثال، اگر مهار نسبتاً کوتاه است، این امر باعث کوتاه شدن دوره تناوب میشود و شاید باعث افزایش نیازمندي قابهاي مجاور پل شود.
بنابراین در این مورد مطلوب است که طول مهار طوري انتخاب شود که ترازهاي نیرویی در حد ظرفیت قسمتهاي مجاور نگه داشته شود. در طرف مقابل اگر مهار خیلی بلند باشد، ممکن است باعث فروافتادن دهانه در زلزله شدید هم بشود، و افزایش طول نشیمنگاه نیز مورد نیاز باشد.
میلههاي با مقاومت بالا، گزینه دیگر محدودسازي جابجاییهاي طولی است و میتوان آن را در نشیمنگاههاي کوتاه بدون نیاز به افزایش طول نشیمنگاه بکار برد. برعکس کابلها، وقتی میلههاي با مقاومت بالا را بکار میبریم، زبانههاي برشی یا لولههایی را همراه میلهها بکار میبریم. چون میلهها میتوانند در حرکت عرضی مفصل دچار برش شوند و یا باصطلاح گیچی کنند. در هر دو مورد کابلها و میلهها طراح باید تقارن را در انتخاب محل مهار رعایت کند. وقتیکه وسایل مهاري بلندي پیشنهاد میشود، جابجاییهاي طولی فزایندهاي ممکن است نتیجه شود و باعث فروافتادن عرشه گردد. بنابراین در چنین مواردي بکارگیري افزایش دهندههاي لولهاي نشیمنگاه همراه با مهارهاي بلند ضروري است. لولهها با وجود اینکه ظرفیت حمل بار براي نیروهاي قائم ندارند اما بعنوان زبانههاي برشی در جهت عرضی میتوانند مورد استفاده قرار بگیرند.
3. روشهاي طراحی مهارهاي کابلی
در این قسمت به مرور روشهاي معمول و نسبتاً ساده طراحی میپردازیم. روشهاي متعددي براي طراحی مهار وجود دارند، کالترنس یک روش ساده براي اتصال قابهاي مجاور جهت جلوگیري از فروافتادن عرشه قاب یا خرابی دهانههاي مجاور پل با استفاده از مهارهاي کابلی فولادي برگزید. بعد از شروع این برنامه توسط کالترنس، بسیاري از ایالات آمریکا برنامههاي مهارهاي لرزهاي خود را جهت بهبود عملکرد پلها، با استفاده از کابل یا میله شروع کردند. روش کالترنس دچار تغییرات زیادي شد
یکی از روشهاي اخیر کالترنس، توسط آشتو برگزیده و معرفی شد. روش کالترنس 90 در طراحی مهارها روش استاتیکی معادل میباشد. این روش تحلیل طیفی پاسخ قابهاي موجود در هر قسمت مفصل مستقلاً در نظر میگیرد. مهارها با فرض اینکه یک انتهايشان گیردار است، جهت محدود ساختن جابجایی قاب سختتر در محل مفصل طراحی میشوند. این روش جابجایی محدودتري براي قاب سختتر در محل مفصل فرض میکند. با فرض مهارشدگی کامل مهارها در انتهايشان تعداد مهارهاي مورد نیاز براي محدود کردن تغییرشکل مهار و تامین حداقل طول نشیمن عرشه، محاسبه میشود. فرض میشود که مهارها در حین جابجایی مجاز مفصل، الاستیک باقی بمانند.
