بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی لرزهای پل های جداسازی شده با بررسی یک مطالعه موردی
پلها سازههای خاصی از نظر هندسه، سیستم باربر و نوع بارگذاری هستند اما مبانی طراحی لرزهای آنها تاحدودی با ساختمانها مشترک و وجود شکل پذیری، مقاومت و میرایی برای استهلاک نیروهای زلزله ایجاد شده در آنها لازم است. برای استهلاک انرژی میتوان علاوه بر پتانسیل ذاتی مصالح از روشهای هوشمندتری مانند جداسازی لرزه ای نیز بهره برد. این سیستم با افزایش پریود سازه نیروی زلزله را کاهش اما تغییرمکانهای عرشه را افزایش میدهد. برای کنترل این تغییر مکانها نیز روشهای متعددی وجود دارد. در مطالعه موردی این پژوهش الاستومرهای هسته سربی میرایی پل را 23 ٪ افزایش و تغییرمکانهای عرشه جداسازی شده را 58 ٪ کاهش داده اند.
واژههای کلیدی: عملکرد لرزه ای، شکل پذیری، میرایی ، جداسازی لرزه ای، الاستومر هسته سربی
1– مقدمه
هدف مهندسی زلزله تامین شرایط عملکرد مطلوب سازهها در زلزله است به صورتی که سازه بتواند نیروهای زلزله را به نحو مناسب از سر بگذراند. روش های متداول طراحی لرزه ای بر مبنای استهلاک انرژی توسط اجزای لرزه بر سازه استوار است و انتظار میرود با ترک خوردگی اعضای بتنی، جاری شدن ها، کمانش های موضعی و یا سیلان های برشی اعضای از پیش تعیین شده، سطوح مورد انتظار شکل پذیری و میرایی تأمین شده، پایداری و انسجام سازه حفظ شود. به این اعضای قربانی شونده در اصطلاح فیوز اتلاق میگردد. سایر المان ها که به آنها اعضای کنترل شونده توسط نیرو می گویند باید بدون آسیب بمانند که برای رسیدن به این مهم طراحی ظرفیتی در آییننامه ها مدنظر قرار میگیرد. لذا به کارگیری رویکردهای سنتی در طراحی لرزه ای، نیازمند ارائه جزئیات شکل پذیری مناسب برای فیوزهاست و ایجاد خسارت پس از زلزله در این اجزا تقریباً اجتنابناپذیر است. همچنین تأمین نیاز نیرویی سازه در روشهای خطی مبتنی بر ضریب رفتار، مستلزم درنظرگرفتن مقاطع با مقاومت کافی است و با توجه به اینکه بالا بردن مقاومت معمولا با بزرگ کردن ابعاد المانها صورت می گیرد این امر خود به معنی افزایش سختی و در نتیجه جذب نیروهای زلزله بیشتر است لذا ممکن است طراح در یک دور باطل گرفتار شود.
در رویکردهای مدرن مهندسی زلزله سعی بر آن است از صلبیت حاکم بر روشهای سنتی کاسته و سازه به نحو هوشمندتری با زلزله همراه شود. شاید بتوان ابداع روش های کنترل فعال و غیرفعال " را نقطه عطفی در مهندسی زلزله به حساب آورد چرا که این روش ها قابلیت تنظیم سختی و میرایی را به سازه الحاق نموده و با بکارگیری آنها می توان براساس محتوای انرژی ورودی، پارامترهای دینامیکی سازه را تغییر داد.
در روش جداسازی لرزه ای" به منظور کاهش نیروهای جذب شده در سازه، روسازه از زیرسازه جداسازی می شود. هدف دیگر این جداسازی ممکن است حفاظت از زیرسازه باشد به نحوی که نیروی کمتری به آن منتقل شود. برای نیل به این هدف در آیین نامه ها زیرسازه برای ماندن در محدوده الاستیک طراحی میگردد. به این معنی که انتظار شکل پذیری از پایه های پل وجود ندارد و سهم شکل پذیری در ضریب رفتار ناچیز فرض می شود، لذا تنها به خاطر اضافه مقاومت ذاتی مصالح و درجه نامعینی پل ضریب رفتار عددی بین 1/5 تا 2/5 فرض می شود l
2- تأثیر جداسازی پایه بر پاسخ لرزهای پل ها
سیستمهای مرتعش سازهای هر چه نرم تر و انعطاف پذیرتر باشند نیروهای کمتری در زلزله جذب می نمایند.
شکل 1- الف تأثیر پریود بر شتاب طیفی برای زمین نوع II مطابق آیین نامه زلزله ایران را نشان می دهد [2] به دلیل شیب نمودار، سیستم جداساز لرزه ای در مورد سازههایی که پریود اولیه کوچکی " داشته باشند موثر است و برای سازههایی که در محدوده پریودهای بالاتر" قرار دارند به دلیل انعطاف پذیری اولیه، ایده جداسازی لرزهای راه حل غیرموثری است. به همین دلیل تاکنون جداسازی لرزه ای در ساختمانهای بلندمرتبه به کار گرفته نشده است [3]. لذا در پل هایی که پایه های سخت و در نتیجه پریود کوچکتری دارند ایده جداسازی لرزهای قابل بررسی است؛ به خصوص زمانی که به علت قرارگیری پل در بستر رودخانه یا دریا امکان دسترسی و تعمیر پایه ها پس از زلزله دشوار باشد این روش قابل استفاده است. همانطور که در شکل 1- الف ملاحظه می شود بهترین بازه جداسازی پایه وقتی است که پریود سازهای در محدوده کمتر از 0/5 ثانیه واقع بر خاک نوع II در اثر جداسازی لرزهای حدود 2 برابر افزایش یابد در نتیجه این افزایش، شتاب طیفی حدود 60٪ کاهش مییابد. البته جداسازی پایه در
زمینهای نوع گاهی وضعیت پل را بحرانی تر می نماید زیرا پاسخ سازههای منعطف واقع بر این زمینها
تشدید میگردد [3] همچنین در سازههای نزدیک" به گسل به علت آنکه پاسخ شتاب زلزله دارای دو نقطه اوج
است باید تحقیقات جامع تری در خصوص تأثیر افزایش پریود صورت گیرد.
به هر حال روی دیگر این شیفت پریود افزایش تغییر مکانهای سازه جداسازی شده است. شکل 1- ب
تغییر مکان طیفی زمین نوع II در مقابل پریود را نشان می دهد همانطور که مشاهده می شود در اثر افزایش پریود از 0/5 به 1 ثانیه تغییرمکان طیفی حدوداً 2/5 برابر می شود. این افزایش در تغییر مکانها در پل های جداسازی شده به صورت تغییر مکان در عرشه ظهور پیدا می کند به صورتی که در موارد زیادی کاربرد جداسازهای لرزه ای را با محدودیت جالی روبرو میسازد.
شکل (1): الف - منحنی شتاب طیفی در برابر پریود برای خاک نوع II ب - منحنی تغییر مکان طیفی در برابر پریود برای
3- راه گار مواجهه با تغییو مکانهای زیاد پلهای جداسازی شده
1-3- تأمین درز لرزهای کافی
ابتدایی ترین راه کار برای مواجهه با تغییرمکانهای زیاد عرشه تأمین درز کافی و جلوگیری از هرگونه برخورد اجزای عرشه به یکدیگر و به کوله هاست. برای این منظور باید درزهای انتهایی و درزهای میانی (در صورت وجود) به اندازه نیاز تغییر مکانی بزرگ انتخاب شوند در کاربردهای عملی این مسئله ممکن است به
درزهای بزرگ حتی بیش از 50 سانتیمتر بیانجامد.
درزها نقطه شروع خرابی های پل ها نظیر نفوذ آب به زیرسازه، خوردگی های موضعی و شوره زدگی پایه ها هستند که بیشک درز بزرگتر این مشکلات را تشدید خواهد کرد. در بسیاری از پلهای دارای درز در ورود به
پل یک دست انداز ایجاد شده که در طول روز به سیستم تعلیق چندین خودرو آسیب زده و ممکن است منشأ
تصادفات باشد به همین دلایل درزها همواره از مهمترین عوامل ایجاد نارضایتی بهره برداران از پلها بوده است [4]. از طرف دیگر پذیرفتن تغییر مکان بزرگ برای عرشه مستلزم به کارگیری جداسازهایی با ابعاد بزرگ بین عرشه و پایه هاست. این جداسازها باید پایداری پل را در برابر نیروهای جانبی حفظ نموده و قابلیت بازگرداندن پل بعد از زلزله به وضعیت اولیه را داشته باشند.
2-3- افزایش میرایی
راه حل مناسب تر برای کاهش تغییرمکانهای غیرقابل قبول عرشه افزایش میرایی است. افزایش میرایی هر دو پارامتر شتاب طیفی و تغییرمکان را توأماً کاهش می دهد. شکل 2- الف شتاب طیفی خاک نوع II به ازای نسبت های میرایی 5، 10 و 20 درصد را نشان میدهد همانطور که دیده می شود افزایش میرایی از 5 ٪ به 20 ٪ شتاب طیفی یک سازه با پریود 2 ثانیه را حدود 60٪ کاهش میدهد. رابطه بین میرایی و تغییر مکان نیز به صورت معادله 1 قابل تعریف است [3]|:
که تغییر مکان در میرایی 5٪ است. گراف مربوط به این رابطه در شکل 2- ب برای میرایی های 5 ،
10 و 20 درصد ترسیم شده است. مطابق این گراف در پریود 2 ثانیه افزایش میرایی از 5٪ به 20٪ تغییر مکان طیفی را حدود 56٪ کاهش میدهد. با توجه به گرافهای شکل 2 ترکیب افزایش پریود و میرایی نیروهای ورودی به سازه را کاهش داده و تغییرمکانها را کنترل می نماید.
که حاصلضرب شتاب مبنای طرح (A) در ضریب بازتاب (B) است . مطابق توصیه بخش حمل و نقل
کالیفرنیا پل های جداسازی شده برای زلزله 2475 ساله طراحی می شوندکه در این پژوهش به علت نبود
مطالعات ویژه ساختگاه میتوان از 1/5 برابر زلزله طرح استفاده نمود [7]. لذا شتاب پنی با فرض قرارگیری پل در منطقه با لرزهخیزی زیاد و خاک نوع 2 محاسبه میگردد.
1-4 - 2- تعیین سختی موثر پل
سختی موثر کل پل در جهت طولی شامل سختی طولی همه پایه ها و جداسازها می باشد. اگر تغییر مکان
طرح جداساز ( di) برابر 13 سانتیمتر فرض شود می توان در تغییر مکان مورد نظر سختی ثانویه جداساز را محاسبه نمود. شکل 6 نمودار رفتاری نیرو- تغییر مکان این جداساز را مطابق کاتالوگ سازنده نشان میدهد [8]. از آنجا که در مشخصات جداساز سختی موثر در این تغییرمکان ارائه نشده است باید معادله خط جداساز را نوشته و از روی آن را محاسبه نمود.
شکل (O) : مشخصات و منحنی رفتاری جدا سازهای به کار گرفته شد ه [8]
برای تغییرمکان 13 سانتیمتر داریم:
در نتیجه با وجود شش الاستومر روی هر پایه سختی موثر جداسازها در تغییر مکان مورد نظر ton/cm
13.58 است.از طرفی با توجه به شمع ستون بودن پایه ها عمق گیرداری واقعی انها پاییین تر از سطح خاک بوده 9] و فرض ارتفاع 9 متر برای پایه ها مناسب است لذا سختی پایه ها در جهت طولی قابل محاسبه است:
1-4 - 3 - تعیین پریود موثر و تغییرمکان نهای سیستم برای تعیین پریود موثر پل، پایه ها زیر تراز جداسازی مدل شده اند. مطابق شکل 7پریود مدهای اصلی پل در جهت طولی 1/3 ثانیه با درصد مشارکت 0/76) و 21/. ثانیه با درصد مشارکت حدود 17/. است که به ترتیب
شکل (7): مدهای اصلی پل در جهت طولی
برای به دست آوردن تغییر مکان سیستم باید تغییر مکان زیرسازه نیز محاسبه شود. با توجه به سری
بوردن جداساز زیرسازه داریم:
