عملکرد لرزه ای پل های بتنی در محل گسلش برمبنای جابجایی زمین

عملکرد لرزه ای پل های بتنی در محل گسلش برمبنای جابجایی زمین

(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

مقدمه

مهندسی عمران در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها بر بارها و تغییر مکانهای حاصله از حرکت زمین تاکید میکند. با این حال، گسیختگی موضعی قرضه‌های خاکی می‌تواند تاثیری قاطع بر سازه‌های مهندسی در نزدیکی یک گسل تکتونیک داشته باشد، عمدتاً دراثر تغییر سطح زمین و شدت موضعی ممکن حرکتی نیرومند زمین در همسایگی امتداد گسل داشته باشد.

تغییرشکل می‌تواند خم‌شدن سطح زمین در ترکیب با ترکهای کششی یا یک بیرون‌زدگی آشکار باشد با فرض اینکه سطح شکست بسته به تیپ خاک و شدت تغییر شکلهای دیفرانسیلی در سنگ بستر تا سطح زمین منتشر گردد.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

با این وجود، ترکیبی از الگوهای اشاره‌شده پیشین معمولاً مشاهده می‌گردند گسلی که گسیختگی‌اش موجب چنین تاثیراتی می‌گردد.

ممکن است با گسلی که زمین‌لرزه تولید می‌کند تفاوت داشته‌باشد و ممکن است هر نوع گسل تکتونیکی درون ناحیه لرزه‌ای در محدوده گسل اصلی باشد.(جاناتان 2010، 562)

آئین‌نامه‌های لرزه‌ای و اقدامات مهندسی در گذشته به اینصورت بودند که ساختمانهای با اهمیت بر روی محدوده اصلی گسلهای تکتونیکی بنا نمی‌شوند. “محدوده اصلی” در آئین‌نامه‌های ملی مختلف از چند دهم متر تا صدها متر متغیر می‌باشند. با این وجود، رعایت چنین ممنوعیت‌هایی مشکل هستند.

به چندین دلیل.

(الف) تعیین اینکه کدام گسلها در زمین‌لرزه فعال هستند مشکل است.(برای مثال، مستعد تولید یک گسستگی معنی‌دار زمین‌لرزه باشند)، حتی تعریف “فعال” قابل بحث است.

(ب) در امتداد سطح زمین، رفتار گسل نه ممتد است و نه بطور دقیق از رفتار گسلهای پیشین موجود تبعیت می‌نماید.

درعوض، گسلها از صفحات ضعیف درون یک محدوده برشی نسبتاً وسیع تبعیت می‌کنند. وجود قرضه‌های خاکی، الگوی رفتار گسل را پیچیده‌تر می‌کنند.

مسیر گسیختگی در خاک، امتداد ساده گسل پایه نمی‌باشد.پدیده‌ “انشعاب”، جهت را تغییر داده و مسیر گسیختگی را دچار انتشار می‌کند.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

گسیختگی‌های ثانویه گسل در خارج از یک محدوده گسل نقشه‌برداری شده رخ می‌دهند. بنابراین، پیش‌بینی کردن محل دقیق یک شکست گسل بر روی سطح امری دشوار است حتی زمانیکه بر روی یک نقشه با مقیاس بزرگ، خط گسل به‌وضوح ترسیم شده است.

(ج) سازه‌های بزرگ و وسیع از نظر مکانی(همچون پلها، تونلها، خطوط لوله، پروژه‌های ساختمانی بزرگ و متعدد، خاکریزها) نمی‌توانند از عبور گسلهای فعال لرزه‌ای مشخص(یا نامشخص) اجتناب نمایند.

(د) آسیب مرتبط گسلش که به سطح زمین می‌رسد دارای احتمال وقوع پایینی در نواحی لرزه‌ای متوسط است.

بعبارت دیگر، زمین‌لرزه‌های Kocaeli وDuzce  نشان دادند که سازه‌های متعددی از جابه‌جایی گسل تا اندازه 2m نجات یافتند.

در بسیاری از این موارد، مسیر گسیختگی سطحی منحرف شد و تقریباً از گسیختگی مستقیم در زیر سازه جلوگیری بعمل آمد.

در سایر موارد، حتی با وجود اینکه گسلش سطحی به واسطه‌ی خاک نزدیک به سطح منحرف شد اما ، آسیب قابل توجه بود.

واضح است که علاوه‌بر نقش بسیار مهم عمق و سختی قرضه خاک زیر یک سازه خاص، فعل و انفعال ممکن است دارای اهمیت حیاتی برای اجرای سازه باشد.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

تمامی آنها موجب ترغیب تلاش تحقیقاتی در پروژه quaker  با تمرکز بر مشخص‌سازی نقش اندرکنش خاک – فونداسیون – گسیختگی و توسعه راهنماهای طراحی مناسب برای ساختمانهای نزدیک به گسلهای فعال یا مشکوک گردید.  (پائولوچی2008، 2)

مشخص‌کردن اینکه از میان گسلهای بیشمار کدام‌یک از نقطه‌نظر اجرای مهندسی بطور بالقوه فعال می‌باشند مشکل است.

بطور خاص برای سازه‌های بلند همچون پلها و تونلها که اغلب نمی‌توانند از عبور از چنین گسلهایی اجتناب نمایند که پرسش درخصوص فعالیت بالقوه آنها اغلب یک مسئله لاینحل است. حتی زمانیکه گسل و فعالیت لرزه‌ای آن به‌خوبی تعریف گردیده‌است، پیش‌بینی محل دقیق رخ دادن گسل آسان نمی‌باشد.

احتمال، موقعیت و بزرگی یک گسلش سطحی تنها به نوع و بزرگی گسلش بستگی ندارد بلکه همچنین به هندسه و خصوصیات مصالح خاکی که روی آن قرار گرفته‌است وابسته می‌باشد.

مشاهدات میدانی و یافته‌های تحقیقاتی آزمایشگاهی و تحلیلی نشان می‌دهند که قرضه‌های عمیق و شکل پذیر خاک می توانند یک گسلش کوچک را بپوشانند در حالیکه برعکس در قرضه های خاکی کم عمق و ترد یک جابجایی بزرگ در بستر سنگی یک گسل سطحی مامایز را تقریبا با همان اندازه جابجا می کند .

مهمتر از همه وجود یک سازه بر روی قرضه میتواند مسیر گسیختگی را اصلاح نماید .

بسته به صلبیت فونداسیون و وزن انتقال یافته ابرسازه حتی انحراف کامل مسیر گسل نیز ممکن است رخ دهد.

آسیب به یک سازه تنها به موقعیت نسبت به رخ دادن گسل در میدان آزاد وابسته نمی‌باشد بلکه به این بستگی دارد که چنین انحرافی به چه وسیله و به چه میزان ممکن است رخ دهد نیز وابسته می‌باشد. اندرکنش بین گسیختگی در حال انتشار خاک در حال تغییر شکل و سیستم فونداسیون – سازه توسعه می‌یابد. این اندرکنش از اهمیت زیادی برای اجرای یک سازه برخوردار است و از این پس تحت عنوان اندرکنش سازه ای گسلش – فونداسیون خاکی نامگذاری میشود.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

‌ گسلها گرچه منبع تولید زمین‌لرزه می‌باشند اما بصورت سنتی از سوی جامعه مهندسی توجه کمی به آنها شده‌است.

زمین‌لرزه‌های ویرانگر سال ۱۹۹۹ در ترکیه و تایوان ثابت کردند که گسلشهای سطحی می‌توانند آسیب قابل توجهی برای سازه‌ها داشته باشند و نیاز توسعه روشهای طراحی و آئین‌نامه‌ها برای مقابله با بارگذاری ناشی از گسلش را مشخص می‌سازد.

مطالعات متعددی عکس‌العمل یک سیستم سازه‌ای در اندرکنش با یک گسلش منتشر شونده را مد نظر قرار داده‌اند و نشان داده‌اند که حضور یک سازه می‌تواند موجب تغییر و گاهی تغییر باورنکردنی مسیر گسیختگی میدان جریان گردد. (دیویس 2009، 359)

2-2- پل ها و انواع آن

1-2-2- تعریف پل

پل یک سازه است که براي عبور از موانع فیزیکی از جمله رودخانه ها و دره ها استفاده می شود.پلهاي متحرك نیز جهت عبور کشتیها و قایقهاي بلند از زیر آنها ساخته شده است.

2-2-2- تاریخچه پل

ایجاد گذرگاهها و پلها براي عبور از دره ها و رودخانه ها از قدیمی ترین فعالیتهاي بشر است. پلهاي قدیمی معمولا از مصالح موجود در طبیعت مثل چوب و سنگ والیاف گیاهی به صورت معلق یا با تیرهاي حمال ساخته شده اند.پلهاي معلق از کابلهایی از جنس الیاف گیاهی که از دو طرف به تخته سنگها و درختها بسته شده و پلهاي با تیر حمال از تیرهاي چوبی که روي آنها با مصالح سنگی پوشیده می شد، ساخته شده اند.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

شکل (1-2) – پل بنایی

ساخت پلهاي سنگی به دوران قبل از رومیها بر می گردد که در خاور میانه و چین پلهاي زیادي بدین شکل برپا شده است.

در اروپا نیز اولین پلهاي طاقی را 800 سال قبل از میلاد مسیح، براي عبور از رودخانه ها از جنس مصالح سنگی ساخته اند.

اغلب پلهاي ساخته شده توسط رومیها از طاقهاي سنگی دایره شکل با پایه هاي ضخیم تشکیل یافته است.در ایران نیز ساختن پلهاي کوچک وبزرگ از زمانهاي بسیار قدیم رواج داشته و پلهایی نظیر سی و سه پل، پل خواجو و پل کرخه بیش از 400 سال عمر دارند.

شکل(2-2)- سی و سه پل

پل هاى از قرن یازدهم به بعد روشهاي ساختن پلها پیشرفت قابل توجهی نمود و به تدریج استفاده از دستگاههاي فشاري از مصالح سنگی و آجر با ملاتهاي مختلف و دستگاههاي خمشی از چوب متداول گردیده و تا اوایل قرن بیستم ادامه یافت.

شروع قرن بیستم همراه با استفاده وسیع از پلهاي فلزي و سپس پلهاي بتن مسلح می باشد.

از اوایل قرن نوزدهم ساخت پلهاي معلق، قوسی یا با تیر حمال از آهن آغاز شد. اولین پل معلق از آهن در سال 1796 به دهانه 21 متر در آمریکا ساخته شد، همچنین در سال 1850 یکی از مهمترین پلهاي با تیر حمال از جنس آهن متشکل از دو دهانه 140 متر و دو دهانه 70 متري در انگلستان ساخته شد.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

شکل(3-2) – بلندترین پل معلق جهان در سانفرانسیسکو

طویل ترین پل معلق به طول تقریبی 7 کیلومتر در سانفرانسیسکو ساخته و بزرگترین دهانه معلق به طول تقریبی 1400 متر در انگلیس (روي رودخانه هامبر) طراحی شده اند.

در سالهاي اخیر طرح پلهاي ترکه اي فلزي (با کابل مستقیم) نیز براي دهانه هاي بزرگ مورد توجه قرار گرفته و بعد از نخستین پل که در سال 1955 به دهانه 183 متر در سوئد ساخته شده، پلهاي زیادي اجرا شده است.

پلها را از نقطه نظر مصالح تشکیل دهنده به شکل زیر طبقه بندي می کنند :

پلهاي چوبی:

این پلها معمولا” به شکل قوسی، با تیرهاي مشبک و یا تیرهاي حمال ساخته شده و در حال حاضر استفاده از آنهابه صورت موقتی می باشد.

پلهاي سنگی:

با توجه به مقاومت مناسب فشاري مصالح سنگی، بسیاري از پلهاي طاقی از این مصالح ساخته شده اند.

نظر به کمبود افراد سنگ کار و زمان نسبتا طولانی لازم براي تهیه مصالح و اجراي سازه، امروزه استفاده از این پلها محدود می باشد.

پلهاي بتنی:

در بسیاري از پلهاي طاقی شکل، در حال حاضر از بتن، با توجه به مقاومت فشاري مطلوب آن به جاي سنگ استفاده می شود.

پلهاي بتن مسلح:

با توجه به روش اجرا و نحوه بتن ریزي، پلهاي بتن مصلح را می توان از مقاطع مختلف و با اشکال دلخواه ساخت.

با وجود این استفاده از مقاطع ساده در جهت کاهش بهاي قالب بندي همواره مورد نظر است.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

در بعضی از حالات استفاده از سیستم پیش ساختگی باعث حذف اجزاء نگهدارنده قالبها و در نتیجه صرفه جوئی قابل ملاحظه می شود.

پلهاي بتن پیش تنیده:

با پیشرفت این تکنیک، به تدریج در دامنه وسیعی از ابنیه فنی،پلهاي بتن پیش تنیده جایگزین پلهاي فلزي و پلهاي بتن مسلح شده اند. بدین ترتیب با صرف هزینه کمتر، پلهاي با دهانه بزرگ ساخته می شوند. از طرف دیگر استفاده از این مصالح امکان به کارگیري تکنیک هاي جدید پل سازي را می دهد.

پلهاي فلزي:

این پلها به اشکال مختلف، با تیرهاي حمال معمولی یا تیرهاي مشبک فولادي، با قوس یا قالبهاي فلزي، نورد شده از ورق و المانهاي اتصالی ساخته شده اند. در ساخت این پلها گاهی نیز از آلیاژهاي سبک یا مقطع مرکب استفاده می گردد.
شکل (4-2) –  پل فلزی

از فولاد در ساخت پلهاي فلزي از قرن گذشته شروع و با عنایت به مقاومت کششی و فشاري مطلوب این مصالح در سطح وسیع متداول

گردید.باتوجه به فزونی بهاي تولید، معمولاً نیمرخهاي فولادي داراي ضخامت ناچیز بوده و در نتیجه علاوه بر مسئله زنگ زدن و خوردگی، خطر بروز ناپایداري هاي الاستیک نیز همواره موجود می باشد، از طرف دیگر نظر به اینکه با افزایش طول دهانه وزن مرده پلها به سرعت افزایش می یابد، با توجه به ناچیزبودن ابعاد و در نتیجه سبک بودن مقاطع فلزي، هنوز نیز براي ساختن پل ها استفاده میشود.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

3-2- پوشش پلهاي فلزي :

پوشش پلهاي فلزي را می توان از چوب مصالح سنگی بتن مسلح و یا از ورقهاي فلزي انتخاب نمود. استفاده از چوب براي پوشش پلها در زمانهاي بسیار قدیم رایج بوده اما امروزه به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد.

همچنین در طرحهاي جدید از پوشش مصالح سنگی نیز به علت وزن زیاد آن، کمتر استفاده می شود در این راه حل تیرهاي حمال طولی پل بوسیله قوسهائی از آجر و مصالح سنگی به هم متصل می شوند.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

4-2- پوشش بتن مسلح:

این پوشش از یک دال بتن مسلح که روي تیرچه هاي طولی و تیرهاي عرضی پل تکیه نموده تشکیل یافته است.پوشش بتن مسلح مقاومت و صلبیت لازم را به سازه داده و از نظر اجرائی نیز آسان و بسیار متداول می باشد.

5-2- پوشش فلزي:

یک نوع از این پوششها از یک سري صفحات فلزي که بوسیله بتن مسلح پوشیده شده و روي بال فوقانی تیرچه طولی جوش شده اند تشکیل شده است ضخامت کل حاصله معمولاً ضعیف (بین 10تا 20 سانتی متر ) است.

یکی دیگر از انواع پوششهاي فلزي متداول دال ارتوتروپ است این پوشش از یک صفحه فلزي که در جهت عمودي بوسیله ورقهاي ساده یا جعبه اي تقویت شده تشکیل یافته است، صفحه فلزي نقش بال فوقانی تیرها رابه عهده داشته و ضمن شرکت در مقاومت خمشی بارهاي موضعی حاصل از چرخ وسائل نقلیه رانیز تحمل می کند.

ضخامت آن معمولاً حدود 12 میلی متر (براي جان جعبه اي )تا 14 میلی متر(براي جان ساده)می باشد. دال ارتوتروپ در مجموع روي اجزاء اصلی پل (تیرهاي طولی و عرضی )تکیه نموده است.

– روش تعینی در تحلیل خطر زلزله

این روش، بیشتر از نمونه­ها یا زلزله­های گسسته بهره می گیرد تا توصیفی سناریو مانند از خطر زلزله ارائه شود. اغلب در این روش، با داشتن چشمه زلزله (مانند گسل) و زلزله­ی حاکم (یا کنترل کننده) با بزرگای مشخص، میتوان خطر زلزله را در فاصله­ای مشخص به دست آورد.

برای نمونه، خطر ناشی از یک زلزله با بزرگای 5/6 ریشتر در ساختگاهی مشخص که در فاصله ی ده کیلومتری از یک گسل قرار دارد، بر حسب بیشینه ی شتاب زمین برابر g5/.  محاسبه شده است.

با توجه به این نمونه مشخص می­شود که تحلیل خطر زلزله به روش تعینی مستلزم تعيين سه عامل اصلی است که عبارتند از: ۱- چشمه ی زلزله، ۲ – زلزله­ ی حاکم (یا کنترل کننده) با اندازه­ی معين (مثل بزرگای مشخص)، و ۳- معیاری برای بیان خطر در  فاصله­ ای مشخص از ساختگاه موردنظر.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

15-3- گام های اصلی در تحلیل خطر زلزله به روش تعیني

در این بخش، خلاصه­ای از گام های اصلی تحلیل خطر زلزله در ساختگاه موردنظر به روش تعیني مطرح می گردد و در بخش­های بعدی، توضیحات تکمیلی در این خصوص ارائه می شود:

3-15-1- گام نخست- تعیین چشمه (های) زلزله: این چشمه­ها میتوانند به صورت نقطه­ای، خطی سطحی و یا حجمی باشند. در بخش­های بعدی توضیحات بیشتری درباره­ی انواع مختلف این چشمه­ها بیان می­شود.

در شکل ۲-۱ ساختگاهی فرضی شامل دو چشمه ی خطی و دو چشمه­ی سطحی نشان داده شده است. در ادامه این فصل، چشمه­های لرزه­ای به صورت مبسوط بررسی می­شود.

3-15-2- گام دوم – انتخاب زلزله ­ی حاکم (کنترل کننده) : ابتدا، بیشینه­ی توانایی چشمه­ های زلزله که در گام نخست تعیین شده­اند، در تولید زلزله محاسبه می­شود و سپس زلزله­ای که یک ویژگی در آن بر دیگر زلزله­ها غالب است، به عنوان زلزله­ ی کنترل کننده در منطقه انتخاب می­گردد.

شکل (10-3) – چشمه زلزله

زلزله­ی حاکم به عنوان بزرگترین زلزله­ ی قابل انتظار نیز معرفی می­شود. نکته حائز اهمیت این است که ویژگی در نظر گرفته شده می­تواند شامل بیشینه­ی شتاب زمین، بیشینه­ی سرعت زمین و موارد مشابه نیز باشد.

نوع ویژگی مزبور برای انتخاب زلزله­ ی کنترل کننده اهمیت دارد و با توجه به این که کدام ویژگی مدنظر قرار گیرد، ممکن است زلزله­ های مختلفی انتخاب شود.

به طور مثال برای بیشینه ی شتاب زمین یکی از زلزله­ ها، و برای بیشینه­ی سرعت زمین، زلزله دیگری حاکم گردد. در چنین شرایطی باید بررسی خطر لرزه­ای آن منطقه برای هر دو زلزله انجام شود.

به طور کلی میتوان گفت که زلزله­ی کنترل کننده بر اساس نوع ویژگی تعیین کننده و اهمیت چشمه­ی لرزه­ای انتخاب می گردد.

3-15-3- گام سوم – تعیین آثار زلزله در ساختگاه موردنظر: در این گام، تغییرهای یکی از ویژگی­های حرکت زمین مانند شدت لرزه­ای، بیشینه ی شتاب زمین، بیشینه ی سرعت زمین و موارد مشابه با توجه به فاصله از چشمه­ی زلزله تعیین میشود. این تغییرها با کمک روابط کاهندگی بیان میشود.

رابطه­ های کاهندگی براوردی از حرکت زمین برای یک زلزله با بزرگای معلوم در فاصله­ های مختلف از یک گسل را ارائه می دهد.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

در روابط کاهندگی، میتوان ویژگیهای گوناگونی مانند فاصله، بزرگای زلزله، جنس خاک، نوع و ساز و کار گسل و موارد دیگر را در نظر گرفت. بدیهی است که هرچه ویژگی­های منظور شده در رابطه کاهندگی بیشتر باشد، آن رابطه دقیق تر است.

با توجه به تفاوت ویژگی های استفاده شده برای تعریف رابطه های کاهندگی در مناطق گوناگون، روابط کاهندگی هر منطقه باید با توجه به ویژگی­های خاص آن منطقه تعریف شود .

و تا حد امکان فقط برای همان منطقه استفاده شود. برای مثال، با استفاده از روابط کاهندگی که برای مناطق مختلف اروپا تهیه شده است، نمی­توان خطر لرزه­ای در شرق آسیا را بررسی کرد. در فصل چهارم، رابطه­های کاهندگی به صورت مبسوط ارائه می شود.

4-15-3– گام چهارم – تعیین خطر در ساختگاه موردنظر: خطر ناشی از زلزله اغلب به صورت بیشینه حرکتهای زمین مانند سرعت، شتاب، تغییر مکان، شدت و دیگر موارد بیان می­گردد در بیشتر موارد، خطر مزبور به صورت خروجی مستقیم گام سوم مطرح میشود.(عملکرد لرزه ای پل های بتنی)

برای مشاهده مطالب بیشت به سایت فرزدان مراجعه نماید.