-123443-575194

نشریه‌ی‌مهندسی‌تونل‌و‌فضاهای‌زیرزمینی ‌
tuse.shahroodut.ac.ir‌ 1394‌دوره‌ی‌4-‌شماره‌ی‌1/تابستان Tunneling & Underground Space Engineering (TUSE)

بررسی پاسخ های لرزه ای و خسارات ایجاد شده در تونل ها با در نظرگرفتن مولفه قایم زلزله

محمدرضا مؤمن زاده1*؛ محمدرضا منصوری2؛ آرمین عظیمی نژاد2؛ پنام زرفام2
دانشجوی دکترای تخصصی مهندسی زلزله؛ دانشکده ی فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران
استادیار؛ گروه مهندسی زلزله، دانشکده ی فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

دریافت دست نوشته: 05/03/1393؛ پذیرش دست نوشته: 10/06/1394
957377182661

چکیده

چکیده

واژگان کلیدی
49085501269523

9573772635028

حوزه نزدیک گسل تونل ها یکی از سازه های مهم عمرانی هستند که به عنوان یک شریانحیاتی مطرح میباشند .هندسه تونل برخلاف تصور عمومی که اثر زلزله بر تونلها و سازههای زیرزمینی را ناچیز میدانستند، موارد ارتفاع روباره خاک فراوانی در مطالعات محققین در سال های اخیر وجود دارد که اهمیت اثرات تخریبی زلزله را بر این پاسخ لرزهای نوع سازه ها نشان می دهد. به منظور بررسی دقیق تر خسارت وارده بر پوشش تونل لازم است رفتار مولفه قائم زلزله غیرخطی مناسب در نظر گرفته شود، که این مورد کمتر در تحقیقات پژوهشگران دیده شده است .نوع خاک در این مقاله با بهره گیری از نرم افزار المان محدود 1-11-ABAQUS6، در نظر گرفتن مدل غیرخطی خسارت پوشش تونل دراگرپراگر اصلاح شده برای خاک و مدل غیرخطی آسیب پلاستیسیته بتن برای پوشش تونل، اثر پارامترهای هندسه پوشش تونل، ارتفاع روباره و نوع خاک پیرامون تونل در تعیین ماکزیمم نیروی محوری، لنگرخمشی، نیروی برشی و تغییر مکان افقی نقطه تاج پوشش تونل تحت دو رکورد زلزله حوزه نزدیک گسل با درنظر گرفتن مولفه قایم آن ها بررسی شده است. با بررسی های انجام گرفته مشخص شد که در نظر گرفتن مولفه قایم زلزله بیشترین اثر را در تشدید پاسخ ماکزیمم نیروی محوری دارد .همچنین با بررسی های انجام شده در این مقاله هر چه ارتفاع روباره خاک پیرامون تونل بیشتر، ابعاد هندسی پوشش بزرگ تر و خاک پیرامون تونل سخت تر باشد؛ مقادیر ماکزیمم نیروی محوری، لنگرخمشی و نیروی برشی افزایش و مقدار ماکزیمم تغییر شکل افقی نقطه تاج تونل کاهش می یابد .همچنین مقایسه ای بین توزیع و مقدار خسارت ایجاد شده در پوشش تونل ها در حالات مذکور انجام شده است، که بحرانی ترین سناریوی آسیب، مربوط به تونلی با هندسه کوچک تر، خاک پیرامون نرم تر و ارتفاع روباره کمتر است.

1- مقدمه

* تهران، میدان پونک، انتهای بزرگراه اشرفی اصفهانی به سمت حصارک، میدان دانشگاه آزاد اسلامی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم وتحقیقات تهران ،دانشکده ی فنی ومهندسی، گروه مهندسی زلزله، طبقه ی دوم ،کدپستی: 1477893855، صندوق پستی: 775/14515؛ شماره ی تلفن: 44868428-021؛ نمابر: 44865105-021؛ رایانامه: mr.momenzadeh@srbiau.ac.ir
برخلاف سازه های روزمینی که نیروهای زلزله در قالب نیروهای اینرسی ظاهر می شود، در سازه های زیرزمینی نظیر تونل ها که به مقدار قابل توجهی دارای درجه مهارشدگی به علت حفاظت توسط زمین هستند، طراحی و آنالیز بر مبنای نگرشی انجام می گیرد که ملاک اصلی آن تغییرشکل زمین و سازه است. این ها فاکتورهای سهیم در عملکرد بهتر لرزه ای برای سازه های زیرسطحی نسبت به سازه های رو سطحی هستند. تا قبل از سال 1995، تونل ها در برابر بارهای دینامیکی طراحی نمی شدند، اما زلزله های دهه1990، باعث خرابی های جدی در برخی تونل ها گردید. در سال های اخیر موارد فراوانی در کشورهای مختلف دیده شده که زلزله ،خرابی های جدی به سازه های زیرزمینی وارد کرده است ]1[.
حال اگر تونل ها در مجاورت گسل قرار داشته باشند، وقوع زلزله باعث به وجود آمدن صدمات و آسیب های بیشتری به سایت مورد نظر می شود. برای مثال زلزله 1995کوبه )kobe( ژاپن صدمات جبران ناپذیری به تاسیسات سه ایستگاه زیرزمینی راه آهن که در نزدیکی گسل نوجیما قرار داشت، وارد کرد. در محل ایستگاه دایکای) Daikay( ستون های مرکزی بر اثر تغییر شکل حاصل از زلزله دچار شکستگی برشی شده و قابلیت باربری خود را از دست دادند]2[.
به طور کلی روشهای تحلیل لرزه ای سازه های زیرزمینی عبارتند از: روش های تجربی، روش مدل فیزیکی ،روش های ریاضی، تحلیل شبه استاتیکی و روش های عددی .روش های عددی که با استفاده از روشهای اجزای مجزا ،تفاضل محدود، اجزای محدود و … انجام می شود ،دارای بیشترین کارایی در تحلیل مسایل پیچیده بوده و از دقت بالاتری نسبت به سایر روش ها در تعیین پاسخ های لرزه ای تونل برخوردار است.
ونگ) Wang( و پنزین )Penzien(، با بهره گیری از روش های ریاضی به تخمین نیروهای وارده بر پوشش تحت بارگذاری ساده شده با توجه به هندسه تونل )دایره ای، مستطیلی( پرداختند ]3[ و ]4[. هشاش) Hashash( روابط تحلیلی ونگ و پنزین، را با آنالیزعددی المان محدود PLAXIS مقایسه کرد ]5[ و ]6[. در اکثر مطالعات معتبر انجام شده بار زلزله و شرایط مدل سازی دینامیکی به طور تقریبی شبیه سازی شده اند. همچنین از در نظرگرفتن مولفه قایم زلزله در تحلیل ها چشم پوشی شده است. به طور مثال ونگ و هشاش بار زلزله را به طور تقریبی به شکل بار متمرکز گره ای یا مثلث وارون در نظر گرفته و از اثرات غیرخطی بودن پوشش و خاک پیرامون تونل صرف نظر کردهاند.
معمولا در زلزله نزدیک گسل، مولفه قایم ممکن است از مولفه افقی بزرگ تر باشد. ویژگی دیگر رکورد زلزله نزدیک گسل این است که ماهیت پالس گونه دارد. از آن جا که پریود این پالس مقدار بزرگی است اکثر سازه ها رفتاری شبیه به رفتار در ناحیه شتاب ثابت در طیف پاسخ خواهند داشت. به علت این که حرکت به صورت یک پالس است، میرایی مانند رکورد زلزله های دور از گسل موثر نخواهد بود. در مناطق نزدیک گسل، حرکات زمین به طور شدید تحت تاثیر مکانیزم شکست، جهت گسترش گسلش نسبت به ساختگاه و تغییر مکان ماندگار زمین است. پژوهشگران فواصل متفاوتی بین 10 تا 50 کیلومتر را به عنوان محدوده حوزه نزدیک پیشنهاد داده اند. مثلا 97-UBC فاصله کمتر از 15 کیلومتر نسبت به کانون را به عنوان حوزه نزدیک در نظر گرفته است]7[. مطالعات انجام شده بر روی تعداد زیادی از زلزله های نزدیک گسل مثل کوبه و چای چای) chi chi( نشان می دهد که در زلزله های نزدیک گسل، دو عامل بسیار مهم بر زلزله تاثیر می گذارد:
الف( تاثیر جهت پذیری پیشرو یا پسرو که به مکانیزم گسیختگی و جهت گسترش گسلش وابسته است.
ب( تغییرمکان ماندگار که به علت لغزش گسل به وجود می آید]8[.
مولفه قایم زلزله یکی از مهم ترین پارامترهای مورد بررسی در زلزله های حوزه نزدیک گسل است. پارامترهای موثر بر مولفه قایم زلزله عبارتند از:
الف( بزرگی زلزله؛ با افزایش بزرگی زلزله طیف پاسخ مولفه قایم افزایش می یابد.
ب( فاصله از گسل؛ با افزایش فاصله از گسل مقدار طیف مولفه قایم کاهش می یابد.
پ( جنس خاک؛ مقدار طیف مولفه قایم زلزله در پریودهای بالا برای خاک های مختلف بسیار نزدیک به هم هستند، ولی در پریودهای پایین برای خاک هایی که قدمتشان کمتر از 11000 سال است از سایر خاک ها بیشتر است.
ت( نوع گسل؛ مقدار طیف قایم و افقی برای گسل های معکوس با عمق کانونی سطحی و زیاد از مقادیر مربوط به گسل امتداد لغز بیشتر است و برای پریودهای بزرگ تر از 1 ثانیه برای انواع گسل ها بر یکدیگر منطبق است]8[.
با توجه به مطالب ذکر شده، بررسی اثر مولفه قایم در زلزله حوزه نزدیک گسل و تاثیر آن بر تونل ها و سازه های زیرزمینی، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
در نظرگرفتن رفتار غیرخطی برای خاک و تونل موجب کاهش خطا در تخمین پاسخ های لرزه ای تونل
می شود. استفاده از آنالیز دینامیکی غیرخطی در شبیه سازی پاسخ لرزه ای واقعی سازه، تنها با وجود تاریخچه زمانی شتاب مناسب )سازگار با شرایط خاک محلی سایت( امکان پذیر است .یکی از عواملی که در رسیدن به پاسخ های واقعی سازه هنگام وقوع زلزله در حوزه نزدیک گسل، موثر است، در نظر گرفتن اثر مولفه قایم زلزله در سایت مورد نظر است.
در این مقاله با بهره گیری از نرم افزار المان محدود 1-11-Abaqus6، دو هندسه تونل نعلی و نیم دایره ای شکل تحت آنالیزهای تاریخچه زمانی غیرخطی تحت دو رکورد زلزله منجیل و کوبه، با و بدون درنظرگرفتن مولفه قایم قرار گرفته است. برای تعریف مشخصات مصالح غیرخطی پوشش بتن آرمه تونل در نرم افزار Abaqus، از مدل رفتاری پلاستیک آسیب دیده بتن) Concrete Damage Plasticity( و برای مدل سازی خاک ها، از مدل رفتاری دراگرپراگر اصلاح شده )Cap Model( استفاده شده است. همچنین برای رسیدن به نتیجه ای جامع تر در آنالیزها از دو نوع خاک A وB با دو ارتفاع روباره 5 و20 متر استفاده شده است.
برای ارزیابی خسارت در پوشش با توجه به تعریف مدل رفتاری پلاستیک آسیب دیده، امکان مقایسه توزیع خسارت و ماکزیمم عرض ترک ایجاد شده در انتهای رکورد زلزله در این مقاله فراهم شده است .
با توجه به این که بار زلزله در اکثر آیین نامه های
تحلیل و طراحی لرزه ای تونل ها مانند FHWA و Hashash )2001( به صورت تقریبی در نظرگرفته شده و همچنین از اثرات غیرخطی بودن پوشش تونل و خاک پیرامون آن صرف نظر شده است]6[ و ]9[، هدف اصلی در این مقاله تخمین دقیق نیروها و تغییرشکل ها و خسارات ایجادشده در پوشش تونل ها با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی برای خاک و پوشش تونل تحت رکورد تاریخچه زمانی غیرخطی با شرایط مدل سازی پیشرفته و نزدیک به واقعیت است.

مشخصات مدل های مورد استفاده در تحلیل های عددی
مشخصات مدل های مورد استفاده در تحلیل های عددی در ادامه تشریح شده است.
2-1-هندسه و مصالح پوشش تونل ها
به طور کلی هرچه انحنا و قوس های ایجاد شده در طراحی تونل بیشتر باشد، مقاومت لرزه ای تونل بیشتر و هزینه نگهداری و بهره برداری تونل کمتر می شود .
یکی از پارامترهای تاثیرگذار در بررسی پاسخ های لرزه ای تونل های زیرزمینی ابعاد هندسی مقطع تونل است. در این پژوهش دو مقطع با 2 هندسه نعلی و نیم دایره ای، در شکل 1 نشان داده شده است .به منظور استفاده از نمونه های اجرایی، ابعاد تونل نعل اسبی بر اساس یک خط عبور واگن و ابعاد مقطع نیم دایره ای براساس دو خط عبور واگن مطابق با مقاطع معمول در تونل های مترو استفاده شده است.

)
الف

)

الف

ب(
شکل1- الف( هندسه پوشش تونل با مقطع نعلی شکل- ب( هندسه پوشش تونل با مقطع نیم دایره ای ]10[

مدل سازی خاک و تونل به صورت دوبعدی و با شرایط کرنش مسطح) Plane strain( انجام شده است. ضخامت پوشش تونل ها 30 سانتی متر بوده و دو ردیف آرماتور خمشی ????20@20???????? در وجوه داخلی و خارجی پوشش با المان wire در نرم افزار ABAQUS مدل سازی شده است.
برای تعریف مشخصات غیرخطی بتن پوشش تونل از مدل رفتاری ) Concrete Damage Plasticity( استفاده شده است. این مدل رفتاری پیچیده ترین و پرکاربردترین مدل برای بتن در نرم افزار Abaqus است.
در مکانیسم آسیب فرض بر این است که کاهش سختی در اثر ایجاد و گسترش ترک های ریز) Micro Crack( بوده، به طوری که بتوان این کاهش سختی را با پارامتری به نام آسیب) Damage( اندازه گیری و مشخص کرد. در مدل پلاستیک آسیب دیده بتن با استفاده از مفاهیم الاستیک آسیب دیده ایزوتروپیک و پلاستیک کششی و فشاری، رفتار غیرخطی بتن بیان می شود. در این مدل مکانیسم اصلی شکست خرد شدن فشاری بتن است. برای تعریف رفتار فشاری بتن باید تنش های فشاری را به صورت تابعی از کرنش های غیرالاستیک تعریف کرد .برای تنش های فشاری و کرنش باید مقادیر مثبت به کار رود. این مدل توانایی شبیه سازی رفتار چرخه ای بتن را نیز به خوبی داراست. معیار خرابی این مدل رفتاری، دراگرپراگر و تابع تسلیم آن Lubliner است ]11[ و ]12[.
مشخصات پلاستیک این مدل رفتاری به جز زاویه اتساع داخلی بتن، در نرم افزار Abaqus مقادیر پیش فرض دارد. زاویه اتساع داخلی، نسبت کرنش حجمی به کرنش برشی مصالح است. زاویه اتساع داخلی بتن، معمولا بین 15 تا 30 درجه فرض می شود و بر روی شکل پذیری مصالح و در نتیجه شکل پذیری کل مدل تاثیر دارد. با افزایش این زاویه مقدار شکل پذیری نیز افزایش می یابد. در عمل زاویه اتساع داخلی بتن وابسته به پارامترهایی نظیر فشار محصور کننده و کرنش پلاستیک است و با افزایش این دو پارامتر معمولا این زاویه کاهش می یابد.
البته مطالعات اندکی بر روی وابستگی زاویه اتساع داخلی به سایر پارامترها انجام شده است. با انتخاب مقدار 1/0 برای پارامتر خروج از مرکزیت معیار جریان پتانسیل ،عملا فرض می شود مقدار زاویه اتساع داخلی با تغییر فشار محصور کننده تغییر چندانی نکند.
برای تعریف منحنی رفتار تک محوره بتن غیرمحصور می توان از نتایج آزمایشگاهی استفاده نمود یا این که از مدل های رفتاری موجود در این زمینه مانند مدل Hognestad بهره برد )شکل2(. رابطه ریاضی این مدل به صورت زیر است:

)1(
رابطه 1 از ابتدا رفتار بتن را غیرخطی فرض میکند .
البته میزان غیرخطی شدن آن در کرنش های کوچک، ناچیز است.

شکل2- نمایی از مدل Hognestad ]13[

از آنجا که یکی از اهداف این پژوهش بررسی خسارات ایجاد شده در پوشش تونل ها است، Damage
)خسارت( برای پوشش تونل ها تعریف شده است.
برای بتن پوشش تونل، دو نوع خسارت در این مدل تعریف شده است:
)Compression Damage( الف( خسارت فشاری
ب( خسارت کششی )Tensile Damage( خسارت فشاری بتن) ????????( که بر حسب کرنش غیر الاستیک، تعریف می شود، شیب باربرداری منحنی را مطابق شکل 3 کنترل مینماید. در بتن، هر چه کرنش های پلاستیک بیشتر شود، شیب بازگشت منحنی به میزان بیشتری از شیب اولیه )مدول الاستیسیته( کاسته می شود که این امر ناشی از خسارت ایجاد شده در مصالح ترد است.
به این ترتیب خسارت فشاری) ????????( از رابطه 2 به دست می آید:

)2(
مقدار مقاومت کششی بتن را بین 7% تا 10% مقاومت فشاری آن در نظر می گیرند. برخلاف رفتار فشاری، بتن به صورت ناگهانی و با شیب تندی مقاومت خود را از دست داده و عملا به مقاومت صفر می رسد. به این ترتیب خسارت کششی )????????( از رابطه 3 بدست می آید:

)3(
در شکل 4 نمایی از تاثیر خسارت کششی در رفتار باربرداری در فاز کششی نشان داده شده است.

شکل3- تاثیر خسارت فشاری بر شیب باربرداری در فاز
فشاری]13[

شکل4- تاثیر خسارت کششی بر شیب باربرداری در فاز
کششی ]13[

منحنی تنش تسلیم فشاری بر حسب کرنش غیرخطی بتن در شکل 5، مشخصات غیرخطی کششی بتن در جدول 1 و مشخصات پلاستیک بتن پوشش تونل در جدول 2 آمده است. همچنین مشخصات الاستیک مصالح فولاد و بتن پوشش تونل ،در جدول 3 آمده است ]13[.

شکل 5- منحنی تنش کرنش غیرالاستیک فشاری بتن]14[ جدول 1- مشخصات غیرخطی کششی بتن در مدل آسیب پلاستیسیته ]14[
تنش کششی )2KN/m( کرنش پلاستیک
250 0
2/5 0/001

جدول 2- مشخصات پلاستیک بتن پوشش تونل در مدل رفتاری پلاستیسیته آسیب دیده ]14[
شرح مقدار پارامتر
زاویه اتساع بتن )درجه( 20 Ψ
خروج از مرکزیت بتن 1/0 ϵ
نسبت تنش تسلیم فشاری دومحوره به تک محوره 16/1 fbo/fco
نسبت تنش ثانویه به ماکزیمم مقدار کشش 667/0 K
پارامتر ویسکوزیته در معادلات تعادل بتن 01/0 μ

جدول 3- مشخصات الاستیک بتن مسلح پوشش تونل]14[
بتن آرماتورها واحد شرح پارامتر
0/3 0/2 – ضریب پواسون ????????????????????????????
7850 2250 )kg/m3( جرم مخصوص ????????????????????????????
210 20/64 )GN/m2) مدول الاستیسیته ????????????????????????????

هندسه مدل و مصالح خاک ها
هر کدام از مدل های المان محدود خاک و تونل با دو ارتفاع روباره 5 و20 متر مدل سازی شده اند. ابعاد مدل المان محدود خاک بر طبق پیشنهاد ونگ به صورت زیر پیشنهاد شده است ]3[.
)4( (عرض

سازه) .10 ≥ عرض مدل خاک
)5( (طول



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی تونل

دیدگاهتان را بنویسید