خلاصه پایان نامه مطالعه تاثیر سیستم های مقید کننده طولی بر عملکرد لرزه ای پل های متداول کشور
پایاننامه کارشناسی ارشد
مهندسی عمران – مهندسی زلزله
1392
چکیده:
پلهای تیر و دال بتنی با تکیهگاههای نِئوپرن از متداولترین پلهای بزرگراهی کشور میباشند. در این پلها با توجه به لزوم تامین حرکت آزاد عرشه، ناشی از تغییرات دما و عدم استفاده از کلید برشی در راستای طول پل، افتادن عرشه از روی پایهها و یا ضربه زدن عرشه به کوله، در هنگام ارتعاش طولی عرشه، از موارد مهم خرابی پلها در زلزلههای گذشته میباشد. یکی از روشهای موثر جلوگیری از افتادن عرشه و یا ضربه زدن به کوله، استفاده از مقیدکننده حرکت در راستای طول پل میباشد. هدف اصلی از این پژوهش، بررسی اثر استفاده از مقید کنندههای طولی بر عملکرد لرزهای پلهای متداول تیر و دال بتنی میباشد. بدین منظور یک پل سه دهانه با دهانههای برابر و یک پل سه دهانه با دهانههای نامساوی مجهز به مقیدکنندههای طولی در پایه و در کولهها مدلسازی شده و عملکرد لرزهای پلها با استفاده از تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی، بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان میدهد استفاده از مقیدکنندههای طولی، موجب کاهش قابل ملاحظه جابهجایی نسبی عرشه و همچنین کاهش شدت اصابت عرشه به کوله می شود. علاوه براین، عملکرد لرزهای پایههای پل نیز به طور قابل ملاحظهای بهبود مییابد.
واژههای کلیدی
پل، زلزله، شریان حیاتی، میراگر، مقیدکننده، تحلیل غیرخطی
فصل اول
مقدمه
امروزه راهها و زیربناهای حمل و نقلی، نقش عمدهای را در سرنوشت جوامع دارند به طوری که توسعه کمی و کیفی راههای ارتباطی یکی از اصلیترین شاخصهای ارزیابی میزان توسعهیافتگی جوامع به شمار میرود. پلها نیز از اجزای مهم و لاینفک راهها محسوب میشوند. تجربه زلزلههای گذشته نشان داده است که پلها از آسیبپذیرترین اجزای راه میباشند. در کشور ما که آییننامههای طرح لرزهای پلها از پیشینه بسیار کوتاهی برخوردار است و با توجه به لرزهخیزی بسیاری از نقاط کشورمان، آسیبپذیری لرزهای تعداد زیادی از پلهای موجود محتمل است. پلهای تیر و دال چنددهانه با تکیهگاههای نِئوپرن، از متداولترین پلهای بزرگراهی کشور میباشند. در این پلها معمولاً درزهای انبساط در پایههای میانی و کولهها به منظور تأمین حرکت طولی ناشی از تغییرات دما تعبیه میگردد. عمکرد لرزهای این نوع پل در راستای طول و عرض پل کاملاً متفاوت میباشد. در جهت عرضی نیروی اینرسی عرشه پل از طریق تکیهگاهها و بلوکهای برشی، به عناصر زیر سازه (پایه، کوله و فونداسیون) منتقل میشود. جرم عرشه پلها نسبتاً زیاد میباشد و لذا نیروی اینرسی ناشی از ارتعاش عرضی آن میتواند به عناصر زیر سازه آسیب جدی برساند. در جهت طولی، به علت عدم وجود کلید برشی و مقاومت نسبتأ کم تکیهگاههای نئوپرن، احتمال فروافتادن عرشه از روی پایهها و یا برخورد عرشه به کوله زیاد است و این نوع شکست در زلزلههای گذشته به وفور مشاهده شده است. در راستای طول پل مشکل فرو افتادن عرشه از روی پایه و یا برخورد عرشه به کوله جدی است و ضرورت دارد در راستای طول پل تمهیداتی در نظر گرفته شود. یکی از روشهای موثر جلوگیری از این نوع شکستها، استفاده از مقیدکننده حرکت در راستای طول پل میباشد. در این پژوهش اثر استفاده از انواع مقیدکنندهها شامل کابلهای مهاری، مقیدکنندههای قفل شونده و میراگرهای ویسکوز بر عملکرد لرزهای پلهای تیر و دال بتنی مورد مطالعه قرار میگیرد. جنبههای متمایز پژوهش حاضر نسبت به پژوهشهای مشابه خارجی عبارتند از:
پلهای مورد مطالعه در اکثر مطالعات خارجی، پلهای دهانه ساده دارای درز میانی (in span hinge)، میباشد در حالی که پلهای متداول کشور ما به صورت تکیهگاه ساده بر روی پایهها اجرا میشود.
در اکثر مطالعات قبلی تغییرات جابجایی نسبی عرشه به عنوان پاسخ معیار در بررسی و قضاوت سیستمهای مقیدکننده، مورد توجه قرار گرفته است، در حالی که در پژوهش حاضر، تشکیل و توسعه مفاصل پلاستیک در پایهها، بررسی شده است.
در پژوهشهایی که کابلهای فولادی را به عنوان سیستم مقیدکننده طولی مورد مطالعه قرار دادهاند، مبنای اصلی، رفتار الاستیک کابلهای فولادی بوده است. در حالی که در این پژوهش، رفتار پلاستیک کابلها نیز بررسی شده است.
انواع مقید کننده های طولی
از مهارهای معمول مفاصل، در پلها میتوان به مهارهای کابلی، میلههای با مقاومت بالا، مقیدکنندههای قفلشونده، میراگرهای ویسکوز، میراگرهای جاریشونده، مقیدکنندههای FRP و مقیدکنندههای SMA اشاره کرد. حین زلزله ممکن است قابهای مجاور به صورت غیرهمفاز مرتعش شوند و دو نوع از مسائل ناشی از جابهجایی 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 برای بستن قابها به یکدیگر استفاده می شوند و جابهجاییهای نسبی را از قابی به قاب دیگر محدود میکنند و مسیر مناسبی برای انتقال نیرو در عرض مفصل فراهم میآورند. هدف اصلی، جلوگیری از افتادن دهانهها از تکیهگاهشان است. بعضی فاکتورها مانند دوره تناوب سازه، قابلیت انعطاف، مقاومت مفصل، قاب خمشی، دیافراگم، ظرفیت کششی روسازه و تا اندازهای هندسه روسازه در انتخاب نوع مهار موثرند.
(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )
تاریخچه طراحی لرزهای پلها و لزوم بررسی آسیبپذیری لرزهای پلهای موجود
در آمریکا تا سال 1940 میلادی ( 1319 شمسی ) آییننامه طراحی پل، بدون اشاره به لزوم درنظر گرفتن نیروی ناشی از زلزله مورد استفاده قرار می گرفت. از سال 1940 در نظر گرفتن نیروی زلزله در طراحی پلها اول در کالیفرنیا و متعاقب آن از سال 1949 در ویرایش پنجم آشتو در تمام آمریکا (بدون ارائه دستورالعملی برای تعیین این نیرو) الزامی شد. در سال 1961 روش تعیین نیروی ناشی از زلزله با توجه به ساختگاه پل، بین 4درصد وزن پل برای سازههای واقع بر روی پی گسترده، الی 6درصد وزن پل برای سازههای واقع بر روی شمع، وارد مقررات طراحی پلهای آمریکا گردید که تا سال 1975 بدون تغییر باقی ماند. پس از زلزله سال 1971 سانفرناندو، ابتدا در سال 1973در ایالت کالیفرنیا و از سال 1975 توسط آشتو برای کل آمریکا، مقررات جدیدی برای طرح لرزهای پلها شامل ارتباط محل با گسل فعال، پاسخ لرزهای خاک محل و مشخصات دینامیکی پل ارایه گردید. در سال 1992 و پس از زلزلههای متعدد نورتریچ 1984 و مکزیک 1985، تغییر اساسی در مقررات لرزهای آشتو راه یافت و بهصورت یک بخش متمایز منتشر گردید. از طرف دیگر در ژاپن، خرابی وسیع پلها در زلزلههای مختلف از جمله زلزله 1995کوبه همراه با تحقیقات وسیعی که پس از این زلزلهها انجام شد، منجر به تغییرات اساسی در آیین نامه طراحی لرزهای پلها در ژاپن در سال 1996 میلادی شد.
آییننامه طرح لرزهای پلها در ایران اولین بار به صورت پیشنویس، در سال 1372 توسط مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن تدوین گردید و در سال 1375 مورد تصویب هیات دولت جهت رعایت توسط مشاوران قرار گرفت. در سال 1384 مقررات کاملتری توسط وزارت راه و ترابری تدوین و انتشار یافت که رعایت آن برای طراحی پلهای خارج از شهر الزامی میباشد. به این ترتیب پلهایی را که قبل از سال 1375 ساخته شده اند، با توجه به فقدان آییننامه مدوَّن پلسازی در ایران میتوان نامطمئن تلقی نمود. هرچند بسیاری از این پلها توسط مهندسین مشاور مجرب، طراحی و دانش موجود زمان در طرح آنها بهکار گرفته شده است، لکن بررسی مجدد طراحی و محاسبات این پلها با توجه به پیشرفتهای بهدست آمده در دانش مهندسی زلزله در سالهای اخیر، امری اجتناب ناپذیر است. اینکه این بررسی برای همه پلها، ضرورت دارد یا نه بستگی به عوامل متعددی دارد. یکی از این عوامل اهمیت این پلها در امدادرسانی از طریق آنها به مناطق مختلف میباشد. این پلها ممکن است پس از بررسی، قابل قبول و یا نامطمئن تشخیص داده شوند. پلهای قابل قبول پلهایی خواهند بود که با توجه به دانش روز دارای ایستایی قابل قبول بوده و بتوانند پس از بیشینه زلزله قابل تصور(MCE) قابل بهره برداری باشند و پلهای نامطمئن پلهایی هستند که ایستایی آنها در هنگام بروز زلزلههای طرح و یا بیشینه زلزله قابل تصور، محل اطمینان نباشد. لذا طبیعی است که پلهای نامطمئن در صورت تشخیص باید مورد تقویت قرار گرفته و یا در صورت اقتصادی نبودن تقویت، درمورد جایگزینی مسیر آنها بررسی لازم بهعمل آید]1[.
معرفی فصلهای گزارش
فهرست پایان نامه مطالعه تاثیر سیستم های مقید کننده طولی بر عملکرد لرزه ای پل های متداول کشور
چکیده ج
فهرست مطالب ه
فهرست تصاویر و
فهرست اشکال ز
فصل اول: کلیات و موضوع تحقیق 1
مقدمه 2
انواع مقیدکنندههای طولی 3
تاریخچه طراحی لرزهای پلها و لزوم بررسی آسیبپذیری لرزهای پلهای موجود 5
معرفی فصلهای گزارش 6
فصل دوم: آسیبپذیری لرزهای پلهای بتنی وتاریخچه عملکرد پلها و کابلهای مهاری 8
2-1-مقدمه 9
2-2- آسیبپذیری لرزهای پلهای بتنی 9
2-2-1- سقوط عرشه از تکیهگاهها 9
2-2-2- ضعفهای لرزهای ستونها 11
2-2-3- ضعفهای لرزهای تیر سرستون و گرههای اتصال تیر به ستون 14
2-2-4- ضعفهای لرزهای دیوارپایهها 15
2-2-5- شالوده 15
2-2-6- کولهها 16
2-2-7- آسیبپذیری ناشی از اثر روانگرایی خاک 17
2-3- تاریخچه عملکرد پلها و کابلهای مهاری در زلزلههای گذشته 21
2-4- انواع مقید کننده های طولی 24
2-4-1- مهارهای کابلی و میلیهای 24
2-4-2- آلیاژهای تغییرشکل ماندگار (SMA) 25
2-4-3- مقیدکنندههای طولی FRP 26
2-5- شیوههای طراحی مقیدکنندههای طولی 27
2-5-1- روش استاتیکی معادل Caltrans 1990 27
2-5-2- روش طراحی AASHTO 27
2-5-3- روش آیین نامه ژاپن 27
2-5-4- روش پیشنهادی TROCHALAKIS و همکاران (1997) 28
2-5-5- روش پیشنهادی DESROCHES و FENVES )2000( 28
2-6- تاریخچه پژوهشها 31
2-7- بررسی اثر طول نشیمنگاه در طراحی لرزهای پلها 33
2-7-1- عوامل موثر بر طول نشیمنگاه پلها 33
2-7-2- بررسی موضوع طول نشیمن در آییننامههای معتبر دنیا 33
فصل سوم: تشریح مدلسازی 35
3-1- مقدمه 36
3-2- پلهای مورد مطالعه 36
3-3- مدل اجزای محدود 37
3-4- بارگذاری لرزهای 39
3-5- روش تحلیل 42
3-5-1- تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی 43
3-6- انواع سیستمهای مقیدکننده 46
3-6-1- کابل فولادی 46
3-6-2- مقیدکنندههای قفلشونده 48
3-6-3- میراگرهای ویسکوز 52
فصل چهارم: بررسی نتایج 55
4-1- مطالعات موردی و ارائه نتایج 56
4-1-1- کابل فولادی 56
4-1-2- کابل فولادی غیرخطی 64
4-1-3- میله فولادی کمانش ناپذیر 72
4-1-4- میراگر ویسکوز 78
4-2- مقایسه سیستمهای مقیدکننده طولی 89
فصل پنجم: جمعبندی و پیشنهادات 94
مراجع 98
پیوست الف 100
پیوست ب 104
چکیده انگلیسی 157