بررسی رفتار لرزه ای پلهای بتنی چند دهانه با دال پیوند
مقدمه
روش انجام مطالعات
روش تحلیل
بررسی نتایج تحلیل
بررسی نتایج تحلیل تاریخچه زمانی
جمع بندی و نتایج
مراجع
فهرست مطالب
مقدمه
پلهای بزرگراهی از عمده ترین و مهمترین سازه های واقع در شریان های حیاتی شهری و برون شهری هستند .
یکی از سیستم های را یج برای اجرای پلهای جاده ای، پلهای بتنی با عرشه تیر و دال می باشند در این سیستم، عرشه مرکب از تیر و دال برای تحمل نیروهای ثقلی انتخاب می شود.
در انتهای هر عرشه، درز انبساط جهت حرکت عرشه ناشی از تغییرات دمایی، زلزله و … ایجاد میشود . بدون ایجاد درز، انبساط عملکرد حرارتی عرشه دچار اختلال می گردد . استفاده از درزهای انبساط مشکلاتی را نیز در پی دارد .
انباشت مواد زائد در درزها می تواند باعث جلوگیری از انبساط عرشه شود و نیروهای ناخواسته ای را در عرشه ایجاد کند. همچنین نفوذ آب از درزها باعث تخریب سرستون خواهد شد که با از بین بردن نشیمنگاه تیرها ، احتمال سقوط تیرها را بیشتر میکند.
پلهای متعددی در زمین لرزه های گذشته به دلیل سقوط عرشه از تکیه گاه، نشیمنگاه و یا درزهای انبساط تخریب شده اند .
بهسازی لرزه ای این نوع خرابی ها نسبتاً ساده است و هزینه ز یادی ندارد. از این رو اکثر تلاشهای بهسازی تا به امروز در جهت متصل ساختن پلها در نواحی درزهای انبساط آنها صورت گرفته است. از جمله این روشها می توان به استفاده از مهارکننده ها در جهت طولی پل اشاره کرد .
استفاده از دال پیوند نیز می تواند به عنوان روشی مناسب برای بهسازی پل مورد استفاده قرار گیرد.
در اجرای سیستم دال پیوند درزهای عرشه با پیوسته نمودن عرشه، بدون ایجاد پیوستگی در تیرها حذف میشود.
بخشی از عرشه که تیرهای دهانه ساده را به یکدیگر متصل می کند، دال پیوند نامیده می شود. جهت اجرای دال پیوند ، حدود 5% طول انتهایی دال عرشه در دو طرف تخریب می گردد و دال جدید بر روی تیرها و با استفاده از آرماتورهای تقویتی پیاده می شود.
جهت افزایش انعطاف پذیری وجلوگیری از تمرکز تنش در دال پیوند ، اتصالات برشی بین تیر و دال در مجاورت درز حذف می گردند و تیر و دال در%5 طول انتهایی تیرها به صورت نا پیوسته اجرا می گردند .
حذف اتصالات برشی در دو انتها از تمرکز تنش در دال پیوند تحت اثر بار ترافیک جلوگیری می کند. شکل 1
شکل ( 1): شکل شماتیک دال پیوند
جایگزینی درزهای ا نبساط توسط دال پیوند در عرشه پلها باعث ایجاد پ یوستگی جزئی در سیستم عرشه خواهد شد و تغییرات عمده ای را در رفتار دینامیکی پل و همچنین توزیع نیرو و جابه جایی ایجاد می کند.
این تغییرات ضرورت انجام مطالعات تحلیلی و پارامتریک بر روی پلهای با سیستم دال پیوند را مشخص می سازد. در این تحقیق با بهره گیری از مدلسازی مناسب اثر این تغییرات بر رفتار لرزه ای پل مورد بررسی قرار می گیرد .
همچنین با در نظر گرفتن متغیرهایی مانند تعداد دهانه ها و طول دهانه به اثرگذاری این متغیرها بر روی رفتار دال پیوند پرداخته میشود.
در یکی از نخستین تلاش ها، گاستال و زیا [ 1] در سال 1980تحلیل المان محدودی را برای بررسی پلهای بدون درز توسعه دادند .
این تحلیل برای خواص غیرخطی مصالح، ترک در بتن، خزش، جمع شدگی، اثرات دما و تغییر در بارگذاری انجام شد .
زاک [ 2] در سال 1981 اصول ساخت عرشه های بدون درز روی تیرهای دهانه ساده را مورد مطالعه قرار داد . او اثر انبساط و انقباض عرشه های بدون درز و نیروهای اندرکنشی بین تیر و عرشه را تحلیل کرد.
ریچاردسون نیز در سال1989(3) حذف درزهای انبساط از پل ها و ایجاد دال پیوند و پیوستگی جزئی در عرشه را مورد بررسی قرار داد و روش طراحی ساده ای را پیشنهاد کرد. در یکی از جامع ترین تحقیقات انجام شده ، کانر و زیا(4) در سال 1998 روش ساده ای برای تحلیل و طراحی پلهای با دال پیوند ارائه کردند .
در این روش فرض بر این است که به علت سختی کمتر دال پیوند نسبت به سختی تیرها، دال پیوند پیوستگی ناچیزی به سازه وارد می کند؛ بنابراین هر دهانه پل به عنوان تیر دهانه ساده مورد تحلیل قرار می گیرد. دال پیوند به عنوان تیری تحت اثر چرخش انتهای منتقل شده از تیرهای مجاور تحلیل می شود .
در سالهای بعد نیز تحقیقات متعددی بر روی این روش ادامه یافت. استفاده از مواد جایگزین بتن نیز در دال پیوند مورد بررسی قرار گرفت . در سال 2005 نیز اکایل و السیفتی ( 5)معادلات سه لنگری را برای استفاده در پلهای پیوسته با دال پیوند ارائه دادند و با استفاده از این روابط روش تحلیلی خط تاثیر را برای پلهای با سیستم دال پیوند گسترش دادند.
استفاده از سیستم دال پیوند برای بهسازی پل های چند دهانه توسط کانر و همکاران [ 6] در سال 2002 موردبررسی قرار گرفت . در این روش ابتدا نیاز پل به بهسازی با
مقایسه جابه جایی در نشیمنگاه ها تحت اثر بار لرزه ای باجابه جایی مجاز بررسی می شود؛ سپس در صورت نیاز به بهسازی، درز انبساط با دال پیوند جایگزین می گردد . دال پیوند نیز ابتدا توسط روش مرسوم و تحت اثر بارهای غیرلرزه ای طراحی می شود سپس کفایت آن تحت بار لرز های مورد بررسی قرار می گیرد. واثقی و همکاران [ 7] در سال2006 پلهای دو دهانه با زاویه انحراف های مختلف را مورد بررسی قرار دادند. پلها به صورت سه بعدی مدلسازی شدند و آنالیز طیف پاسخ و تاریخچه زمانی خطی بر روی مدل ها انجام گرفت و پاسخ پل با دال پیوند با پل با تکیه گاه ساده مقایسه شد . نتایج تحلیل نشان داد که وقتی بار زلزله در جهت طولی اعمال می شود، پاسخ پایه داخلی برای دو نوع پل (با سسیستم د ال پیوند و درز انبساط ) تفاوت مهمی ندارد، و لی در جهت عرضی پاسخ پایه داخلی تغییرات قابل ملاحظه ای خواهد داشت .
جابه جایی جانبی با زاویه انحراف افزایش می یابد و جابه جایی جانبی به صورت قابل ملاحظه ای با جایگزینی دال پیوند کاهش می یابد. همچنین جایگزینی درزهای انبساط بوسیله دال پیوند وقت یکه تقاضای لرزه ای روی پایه های داخلی بالاتر از ظرفیت آنها باشد را به عنوان ابزاری مفید برای بهسازی لرزه ای پلهای چند دهانه معرفی کردند.
روش انجام مطالعات
در این تحقیق به طور کلی چهار دسته پل بتنی تیر ودال مورد بررسی قرار گر فته اند. این پلها شامل پل های دودهانه، سه دهانه با دهانه های برابر، سه دهانه با دهانه های نابرابر و پل های چهار دهانه می باشند.
تمامی پلها حداقل به دو صورت با سیستم درز انبساط و سیستم دال پیوند تحلیل شده اند. ضمن این که در پلهای چهار دهانه ، پلهای با سیستم دال پیوند با دو آرایش متفاوت مورد بررسی قرار گرفتند؛ درآرایش اول هر سه درز انبساط عرشه با دال پیوند جایگزین شده است و در آرایش دو م فقط دو درز انبساط واقع بر قابهای کناری توسط دال پیوند جایگزین شده است .
ابعادعرشه پل و مقطع عرضی آن در تمامی مدل ها یکسان است .
در تمامی پلها ارتفاع پایه های میانی 8.5متر می باشد.
عرشه در این پل ها متشکل از شش عدد تیر بتن مسلح پیش ساخته می باشد که به صورت تیرهای تکیه گاه ساده بر روی صفحات نشیمن قرار گرفته اند. تیرها در فواصل 2 متر از یکدیگر قرارگرفته و به صورت مرکب با دال به ضخامت 20 سانتیمتر برای تحمل بارهای و ارده در نظر گرفته شده اند .
در هردهانه، عرشه دارای 3 دیافراگم عرضی بتنی می باشد. یکی ازاین سه دیافراگم در وسط دهانه و 2 دیافراگم در دو انتهای عرشه در محل تکیه گاهها قرار دارند .
مقطع عرضی پل ها در شکل ( 2) نشان داده شده است.
پایه میانی متشکل از سه ستون مدور به قطر 1.2 متر وارتفاع 7 متر که در فواصل 4.2 متر قراردارند می باشندکه به سر ستونی به ابعاد 1.5*1.6متر منتهی می گردد.
جزئیات پایه میانی در شکل ( 3) نشان داده شده است.
شکل ( 2): مقطع عرضی پلها (واحد= سانتیمتر)
شکل ( 3): جزئیات پایه میانی (واحد= سانتیمتر)
نحوه مدلسازی
روش تحلیل
در این تحقیق از دو نوع تحلیل دینامیکی طیفی و تاریخچه زمانی خطی استفاده شده است . تحلیل دینامیکی طیفی با فرض رفتار الاستیک خطی سازه و با استفاده از
حداکثر بازتاب کلیه مدهای نوسانی سازه که در بازتاب کل سازه اثر قابل توجهی دارند، انجام می گیرد .
طیف مورد استفاده در این تحقیق برای زمین نوع دو و با شتاب مبنای0.35 متناظر با خطر نسبی خیلی زیاد در گرفته شده است .
در تحلیل دینامیکی ، تاریخچه زمانی بازتاب های دینامیکی پل تحت اثر زلزله به صورت تابعی از زمان مورد بررسی قرار گرفته است .
برای انجام تحلیل تاریخچه زمانی از سه شتابنگاشت طبس، کوبه و چی – چی استفاده شده است.
بررسی نتایج تحلیل
نتایج حاصل از تحلیل در سه قالب کلی : مشخصات دینامیکی سازه، نیروهای داخلی و جابه جایی به تفکیک مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
1-بررسی مشخصات دینامیکی
در شکل ( 4)، مقادیر پریودها در حالات مختلف با یکدیگر مقایسه شده است . جابه جایی عرشه در جهت طولی مود اول ارتعاش و جابه جایی در جهت عرضی مود دوم ارتعاش می باشد.
1-1-پریودها و مودهای ارتعاش
جایگزینی درزهای انبساط توسط دال پیوند باعث کاهش قابل توجه
پریوده ای ارتعاش می گردد، که البته این کاهش در جهت عرضی (مود دوم ) بسیار چشمگیر می باشد .
این کاهش ناشی از افزایش سختی عرشه به سبب یکپارچگی دال
می باشد.
در پلهای با سیستم دال پیوند عرشه به صورت یک جسم یکپارچه ارتعاش می نماید.
1-2-برش پایه
در جدول ( 1)، مقایسه ای بین نیروهای برشی در دوراستای طولی و عرضی حاصل از تحلیل طیفی برای دو حا لت دهانه ساده و دال پیوند در پلهای مختلف ارائه شده است.
به طور کلی جایگزینی درز انبساط با دال پیوند باعث افزایش نیروی برش پایه پل ها می شود . افزایش سختی وکاهش پریود علت افزایش برش پایه پل می باشد.
2- توزیع نیروها و عکس العمل های کل سیستم
برای بررسی نحوه توزیع نیروی برش پایه بین اجزا پل، نسبت حداکثر عکس العمل های تکیه گاهی حاصل از تحلیل طیفی کوله و پایه به برش پایه در دو راستای طولی و
عرضی مورد بررسی قرار گرفته است.
در پ لهای دو دهانه و سه دهانه، تحت اثر طیف طولی، نسبت عکس العمل پایه ها به برش پایه با اضافه شدن دال پیوند کمی افزایش می یابد.
این نسبت در کوله ها کمی کاهش مییابد. تحت اثر طیف عرضی، نسبت عکس العمل پایهها به برش پایه، با جایگزینی دال پیوند کاهش قابل توجهی می یابد.
در کوله ها نسبت عکس العمل عرضی تکیه گاه ها به برش پایه با جایگزینی دال پیوند افزایش می یابد.
شدت تغییرات نسبت عکس العمل به برش پایه در جهت عرضی بیشتر از جهت طولی می باشد.
به عنوان نمونه مقادیر نسبت عکس العمل به برش پایه در پلهای سه دهانه با دهانه های برابر درنمودارهای شکلهای ( 5) و ( 6) نشان داده شده است.
در پل های چهار دهانه تحت اثر طیف طولی، نسبت عکس العمل کوله ها در راستای طولی با جایگزینی درز انبساط با دال پیوند دچار تغییر محسوسی نمی شود.
در دو پایه کناری تحت اثر طیف طولی، نسبت عکس العمل طولی به برش پایه طولی در پایه ها با جایگزینی دال پیوند در پلها افزایش یافته است که این افزایش در حالتی که هر سه درز انبساط توسط دال پیوند جایگزین گردیده کمتر از حالتی است که فقط دو درز انبساط کناری با دال پیوند جایگزین می شوند.
در پایه میانی تحت اثر طیف طولی ، نسبت عکس العمل به برش پایه با جایگزینی درز انبساط توسط دال پیوند دچار کاهش می شود که این کاهش در حالتی که تنها دو درز انبساط کناری با دال پیوند جایگزین شده است، بیشتر از حالتی است که هر سه درز انبساط توسط دال پیوند جایگزین شده است.
شکل ( 7) نسبت عکس العمل به برش پایه پل چهاردهانه تحت اثر زلزله در جهت طولی پل را نشان میدهد.
شکل ( 5): نسبت عکس العمل طولی به برش پایه در راستای طولی درپل سه دهانه با دهانه های برابر
شکل ( 6): نسبت عکس العمل عرضی به برش پایه در راستای عرضی در پل سه دهانه با دهانه های برابر
شکل ( 7): نسبت عکس العمل به برش پایه در راستای طولی در پل چها ردهانه
شکل ( 8) نسبت عکس العمل به برش پایه پل چهار دهانه تحت اثر ز لزله در جهت عرضی پل را نشان می دهد .
تحت اثر طیف عرضی، نسبت عکس العمل کوله ها به برش پایه با جایگزینی دال پیوند افزایش می یابد که میزان این افزایش با جایگزینی هر سه درز انبساط با دال پیوند بیشترمیباشد.
نسبت عکس العمل پایههای کناری به برش پایه با جایگزینی دال پیوند کاهش می یابد که این کاهش در جایگزینی هر سه درز انبساط در پل ها با دال پیوند بیشتر میباشد.
در حالتی که هر سه درز انبساط توسط دال پیوند جایگزین شده است، نسبت
عکس العمل پایه میانی به برش پایه نیز، نسبت به حالت دهانه ساده کاهش مییابد.
شکل ( 8): نسبت عکس العمل عرضی به برش پایه درراستای عرضی در پل چها ر دهانه
3- توزیع نیرو در ستونهای هر پایه
3-1- لنگر خمشی ستونها
به عنوان نمونه لنگر خمشی موجود در پای ستون در شکل ( 9) در دو حالت پل های با درز انبساط و پل های با دال پیوند با یکدیگر مقایسه شده اند.
با جایگزینی دال پیوند در پل ها، لنگرهای ماکزیمم موجود در ستون میانی و کناری در قاب میانی کاهش می یابد.
این کاهش تحت اثر طیف عرضی بیشتر از طیف طولی می باشد. در پلهای چهار دهانه با جایگزینی دو درز انبسا ط کناری توسط دال پیوند، در ستون های میانی و کناری قاب کناری تحت اثر طیف طولی و عرضی ، باز هم میتوان شاهد کاهش لنگر در این ستونها بود.
البته در قاب میانی که درز انبساط روی آن بدون تغییر باقی مانده است، لنگر در ستون های میانی و کناری تحت اثر طیف طولی کاهش می یابد ، اما تحت اثر طیف عرضی، لنگر در ستونها افزایش می یابد.
3-2- نیروی محوری ستونها
در این بخش به بررسی اثر جایگزینی دال پیوند بر روی نیروی محوری ستونه ای قابهای پل تحت اثر طیف طولی و عرضی پرداخته می شود.
به علت نیروی محوری بسیار کم و تقریباً ناچیز حاصل از طیف طولی ، فقط نیروی محوری ایجاد شده تحت اثر طیف عرضی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
در نمودار شکل ( 10 ) نیروی محوری ستونها تحت اثرطیف عرضی ارائه شده است.
شکل ( 10 ): نیروی محوری در ستون
به طور کلی با جایگزینی درز انبساط با دال پیوند،نیروی محوری در ستون ها تحت اثر طیف عرضی کاهش می یابد.
اما در پلهای چهار دهانه در مدلی که فقط دو درزانبساط کناری توسط دال پیوند جایگزین شده اند، نیروی محوری در ستون پایه میانی افزایش می یابد.
بررسی نتایج تحلیل تاریخچه زمانی
تحلیل تاریخچه زمانی در تمامی مدلها با استفاده از سه شتاب نگاشت اصلاح شده طبس، کوبه و چی – چی انجام گردید.
با استفاده از تاریخچه زمانی تغییر مکان نقاطی واقع بر روی سر ستون، اثر جایگزینی درزهای انبساط توسط دال پیوند مورد بررسی قرار می گیرد .
این نقاط در محل تقاطع ستون میانی و سر ستون در نظر گرفته شده است . در پلهای دو دهانه به علت تقارن تنها یک نقطه در نظر گرفته شده است و در پل های چهار دهانه دو نقطه یکی بر روی پایه میانی و دیگری در پایه کناری برای مقایسه در نظر گرفته شده است .
جهت ارائه نمونه ای از نتایج تحلیل تار یخچه زمانی، تاریخچه زمانی تغییر مکان طولی و عرضی پل دو دهانه تحت اثر شتابنگاشت زلزله طبس در شکلهای ( 11 ) و(12 ) نشان داده شده است.
این شکل ها به وضوح کاهش مقادیر جابه جایی را با جایگزینی درزهای انبساط توسط دال پیوند در پل دو دهانه را نشان می دهد.
ماکزیمم جابه جایی در جهت طولی از 1.23سانتیمتر به 72 سانتی مترو ماکزیمم جابه جایی عرضی از5.به 25.سانتیمتر کاهش می یابد .
نتایج حاصل از تحلیل تاریخچه زمانی تحت اثر شتاب نگاشت های زلزله های مختلف، نشان دهنده کاهش مقادیر جابه جایی به جز در تاریخچه زمانی تغییرمکان در راستای عرضی پلهای چهار دهانه در پایه میانی می باشد .
همچنین در مقادیر ماکزیمم تغییرمکان هم شاهد این کاهش به جزدر حالت ذکر شده خواهیم بود .
مقادیر ماکزیمم تغییرمکان حاصل از تحلیل تاریخچه زمانی در شکل ( 13 ) به عنوان نمونه در پلهای چهاردهانه ارائه شده است.
شکل ( 11 ): تاریخچه زمانی تغییرمکان طولی تحت اثر شتاب نگاشت طبس
شکل ( 12 ): تاریخچه زمانی تغییرمکان عرضی تحت اثر شتابنگاشت طبس
شکل ( 13 ): بیشینه جابه جایی قاب میانی پل چهار دهانه در تحلیل تاریخچه زمانی
جمع بندی و نتایج
پلهای متعددی در زمین لرزه های گذشته به دل یل سقوط عرشه از تکیه گاه، نشیمن گاه و یا درزهای انبساط تخریب شده اند. از این رو اکثر تلاش های بهسازی تا به امروز در جهت متصل ساختن پلها در نواحی درزهای انبساط آنها صورت گرفته است .
به عنوان راه حلی مناسب، کنترل تغییرمکان تیرها با استفاده از دال پیوند از آن جهت که باعث حذف درزهای انبساط می شود و از نظر هزینه ای هم یکی از روشهای بهینه محسوب میشود، روشی بسیار مناسب است .
جهت بررسی رفتار لرزه ای این نوع پلها ، از مدلسازی سه بعدی در نرم افزار Sap2000 استفاده شده است .
جهت بررسی چگونگی اثرگذاری تعداد دهانه ها، تغییر طول دهانه ها، نحوه آرایش دال پیوند در پلها، پل های دو دهانه ، سه دهانه با دهانه های برابر ، سه دهانه با دهانه های نابرابر و چهار دهانه، به دو صورت دهانه ساده با درز انبساط و با سیستم دال پیوند مدلسازی شدند و برای تحل یل این سازه ها از دو روش تحلیل دینامیکی طیفی و تاریخچه زمانی استفاده شده است.
در ذیل مهمترین نتایج بدست آمده از این تحقیق ارائه شده است:
1-جایگزینی درز انبساط توسط دال پیوند باعث کاهش قابل توجه پریودهای ارتعاش می گردد، که البته این کاهش در مودهای دوم به بعد بسیار چشمگیر است.
2-جایگزینی درزهای انبساط روی پایه ها توسط دال پیوند تحت اثر طیف طولی باعث افزایش نیروی برشی پایه ها و کاهش نیروی برشی در کوله ها می شود.
3-تحت اثر طیف عرضی، جایگزینی درز انبساط با دال پیوند باعث کاهش قابل ملاحظه نیروی برشی درپایه ها و افز ایش چشمگیر نیروی برشی در کوله ها می گردد. شدت این تغییرات در توزیع نیروها درراستای عرضی بسیار بیشتر از تغییرات در راستای طولی میباشد.
4-جایگزینی درز انبساط توسط دال پیوند باعث کاهش لنگر خمشی ستونها تحت اثر زلزله می گردد.
5-در پلهای با سیستم دال پیوند تحت اثر طیف طو لی، نیروهای محوری ناچیزی در ستون ها ایجاد می شود .تحت اثر طیف عرضی جایگزینی درز انبساط توسط سیستم دال پیوند باعث کاهش چشمگیر نیروی محوری در ستونهای کناری پایه پل می گردد.
6-جایگزینی درز انبساط با دال پیوند باعث کاهش جابه جایی تحت اثر اعمال نیروی زلزله در پایه های میانی پل می شود.
مراجع
.1Gastal, F. and Zia, P. (1989). Analysis of bridge beams with joint-less decks, Proceedings of
IASBE Symposium, Lisbon, Portugal, 555-560.
2. Zuk, W. (1981). Joint-less bridges, Research report no. FHWA/VA-81/48, Virginia Highway
and Transportation Research Council, Charlottesville, VA, 44p.
3. Richardson, D.R. (1989). Simplified design procedures for the removal of expansion joints
from bridges using partial debonded continuous decks, MSCE Thesis, North Carolina State
University, Raleigh, NC.
4. Caner, A. and Zia, P. (1998). Behavior anddesign of link slabs for jointless bridge decks,PCI Journal, 43(3), 68–80.
5. Okeil, A.M. and El-Safty, A. (2005). Partialcontinuity in bridge girders with jointless decks, Practice Periodical on Structural Design andConstruction, 10(4), 229-238.
6. Caner, A., Dogan, E., and Zia, P.E. (2002).Seismic performance of multisimple-span bridges
retrofitted with link slabs, Journal of Bridge Engineering, 7(2), 85-93.
7. Vasseghi, A., Nateghi, F., and Pournadaf Haghi,M. (2006). Seismic behavior of jointless link slab
bridges, First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva,
Switzerland.
پایان