استاد راهنما:
دکتر علیرضا فیوض
استاد مشاور:
دکتر سید شاکر هاشمی
دکتر امین کشاورز
 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

مقدمه ………………………………………1

فصل 1- پژوهش‌های گذشته……………………………………. 3

1-1- مقدمه……………………………………. 3

1-2- مروری بر زلزله‌های گذشته……………………………………. 3

1-2-1- گزارش زلزله ‌لما‌پریتا…………………………………… 4

1-2-2- گزارش زلزله کوبه……………………………………. 6

1-2-3- گزارش زلزله چی­چی تایلند……………………………………. 7

1-3- پیشینه تحقیق…………………………………….. 9

1-4- تکان‌های قائم زمین…………………………………….. 13

1-4-1 طبیعت تکان‌های قائم…………………………………….. 13

1-4-2-فاصله زمانی رسیدن شتاب‌های قائم و افقی……………………… 13

1-4-3- اثر مؤلفه قائم بر ستون‌ها…………………………………… 16

1-4-4- اثر مؤلفه قائم زلزله بر عرشه…………………………………… 16

1-5-گزارش زلزله بم ایران…………………………………….. 18

1-6- هدف از تحقیق…………………………………….. 21

فصل 2-اندرکنش خاک و پل…………………………………….. 22

2-1- مقدمه……………………………………. 22

2-2- اهمیت در نظر گرفتن مدل‌سازی اندرکنش خاک و سازه …………22

2-3-میرایی خاک……………………………………… 24

2-4- ماتریس سختی خاک زیر تکیه‌گاه ستون‌ها و کوله‌ها …………….25

2-5-سختی دیواره کوله‌ها…………………………………… 26

2-5-1- فنر معادل کوله پل در جهت طولی…………………………………….. 27

2-5-2-سختی عرضی و قائم کوله……………………………………. 29

2-6- تنش تسلیم کششی و فشاری کوله در راستای طولی…………….. 30

فصل 3-معرفی اعضای پل…………………………………….. 32

3-1- مقدمه……………………………………. 32

3-2- پایه‌های پل…………………………………….. 32

3-2-1- مقاومت برشی پایه‌های پل…………………………………….. 32

3-2-2-  ظرفیت چرخشی ستون…………………………………….. 33

3-3- درز انبساط پل‌…………………………………… 34

3-3-1- مدل‌سازی درز انبساط…………………………………….. 35

3-4- بالشتک………………………………………. 38

3-4-1-  مفاهیم اساسی کاربرد سیستم‌های مختلف لرزه جدایش لرزه جدایش……38

3-4-1-1- انعطاف‌پذیری ……………………………………39

3-4-1-2-استهلاک انرژی…………………………………… 40

3-4-1-3-سختی در برابر نیروهای کم………………………. 41

3-4-2- انواع مختلف سیستم‌های لرزه جدایش……………. 41

3-5- عرشه……………………………………. 43

3-5-1- مقطع معادل…………………………………….. 43

3-5-2-مدل مقطع سه بعدی…………………………………….. 45

3-5-3-  پل‌های کج…………………………………….. 46

فصل 4-مدل‌سازی سه بعدی پل…………………………. 48

4-1-  مقدمه……………………………………. 48

4-2-نرم‌افزار اُپن‌سیس و قابلیت‌های آن………………………… 48

4-3- مفاصل متمرکز با رفتار غیرخطی………………………….. 49

4-4- المان‌های رشته‌ای…………………………………….. 50

4-5- معرفی پل و سیستم سازهای……………………….. 52

4-6- مدل‌سازی غیرخطی پل……………………………….. 54

4-6-1- پایه‌ها …………………………………… 54

4-6-1-1- مشخصات مصالح ……………………………………54

4-6-2-تکیه‌گاه پایه‌ها…………………………………… 58

4-6-3-عرشه……………………………………59

4-6-3-1-  مدل‌سازی سه بعدی عرشه تیر-دال…………… 59

4-6-3-2- درز انبساط ……………………………………60

4-6-3-3-بالشتک‌ها  ……………………………………61

4-6-4-  کوله‌ها  ……………………………………63

4-7-  بارگذاری…………………………………….. 64

4-8-  صحت‌سنجی مدل…………………………………….. 64

4-8-1- مقایسه مودهای ارتعاش پل………………………. 64

4-8-2- تحلیل بار افزون…………………………………….. 66

فصل 5- بررسی نتایج تحلیل…………………………….. 68

5-1-  مقدمه……………………………………68

5-2- تأثیر تغییر شرایط مرزی بر مودها و پریود سازه پل……………….. 68

5-3-  شتاب نگاشت‌های زلزله‌های دور و نزدیك به گسل………………. 71

5-4-  مقیاس کردن شتاب نگاشت‌ها……………………… 73

5-5- بررسی نتایج حاصل از تحلیل‌های تاریخچه زمانی غیرخطی……….. 76

5-5-1-  مدل اول …………………………………… 83

5-5-1-1-پاسخ مدل اول تحت زلزله‌های مقیاس نشده نزدیک به گسل………. 84

5-5-1-2- پاسخ مدل اول تحت زلزله‌های مقیاس نشده دور از گسل…………. 89

5-5-1-3-مدل اول تحت زلزله‌های مقیاس شده نزدیک به گسل و دور از گسل…….. 99

5-5-2- مدل دوم……………………………………. 104

5-5-2-1-   پاسخ مدل دوم تحت زلزله‌های مقیاس نشده……………… 104

5-5-2-2-   مدل دوم تحت زلزله‌های مقیاس شده…………………….. 112

5-5-3-  مدل سوم……………………………………. 116

5-5-3-1- پاسخ مدل سوم تحت زلزله‌های مقیاس نشده…………….. 116

5-5-3-2-مدل سوم تحت زلزله مقیاس شده …………………123

5-5-4- مدل چهارم……………………………………. 128

5-6- ارائه ضرایب بزرگنمایی جهت منظور کردن تأثیر مؤلفه قائم زلزله……… 137

5-7- مقایسه روش‌های مقیاس در حوزه فرکانس و روش مرجع…………… 138

فصل 6-نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌ها…………………………………… 148

6-1-نتایج…………………………………….. 148

6-2- پیشنهاد‌ها…………………………………… 150

منابع و مراجع ……………………………………151

چکیده:

در میان انواع سازه­ها، پل­ها به عنوان یکی از ارکان شریان­های حیاتی می­باشند که لازم است بعد از زلزله به منظور راه دسترسی به بیمارستان­ها، ایستگاه­های آتش­نشانی و سایر خدمات مورد استفاده قرار گیرند؛ بنابراین می­توان گفت پل­ها بی­تردید جایگاه ویژه­ای در حفظ سطح مورد نیاز از ایمنی و قابلیت بهره برداری را دارا می­باشند. با این وجود که بررسی زلزله­های اخیر به وضوح نشان می­دهد مؤلفه قائم زلزله ممکن است حتی از مؤلفه افقی آن بیشتر شود، در حال حاضر به منظور طراحی لرزه­ای پل، در آیین­نامه طرح و محاسبه پل­های بتن‌آرمه ایران، در مورد تأثیر مؤلفه قائم زلزله و همچنین در مورد ترکیب هر سه مؤلفه لرزه­ای (2 مؤلفه افقی متعامد و 1 مؤلفه قائم) نکته­ای بیان نشده است.

در این تحقیق، مدل غیر خطی پل سه دهانه با تغییر طول عرشه­های آن مورد تحلیل قرار گرفته است. مدل­سازی درز انبساط که شامل مدل کردن برخورد عرشه­ها به یکدیگر و مدل‌سازی بالشتک­ها است، مدل‌سازی اندرکنش خاک و تأثیر آن بر جابجایی طولی پل بر طبق روابط «اف-­اچ-دبیلیو-ای»، با فرض محیط نیمه فضای الاستیک به منظور محاسبه سختی انتقالی و پیچشی زیر کوله­ها و ستون­ها و در نظر گرفتن تأثیر انحراف عرشه پل، از مهم‌ترین پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق می­باشند. پل­ها تحت اثر 7 زلزله دور از گسل و 7 زلزله نزدیک به گسل، یک بار بدون در نظر گرفتن مؤلفه قائم و بار دیگر با در نظر گرفتن مؤلفه قائم مورد مطالعه قرار گرفته­اند. نتایج نشان دهنده تغییرات شدید (بیش از 50%) در نیروهای محوری وارد بر ستون­ها بود، این تغییرات باعث تغییرات شدید نیروهای موجود در سر ستون­ها و لنگر موجود در وسط عرشه شدند. در نهایت ضرایبی به منظور در نظر گرفتن مؤلفه قائم زلزله ارائه شده است.

مقدمه:

در میان انواع سازه­ها، پل­ها نسبت به سایر سازه­های معمولی دارای ساختار سیستم پیچیده­تری می­باشند. همچنین به عنوان یکی از ارکان شریان­های حیاتی می­باشند که لازم است بعد از زلزله به منظور راه دسترستی به بیمارستان­ها، ایستگاه­های آتش­نشانی و سایر خدمات مورد استفاده قرار گیرند. بنا به علل ذکر شده، می­توان گفت پل­ها بی­تردید جایگاه ویژه­ای در حفظ سطح مورد نیاز از ایمنی و قابلیت بهره برداری را دارا می­باشند.

اکثر آیین‌نامه‌های طراحی پل در بحث تحلیل لرزه‌ای پل‌ها، یا اثر مؤلفه قائم را در نظر نمی‌گیرند و یا روش مشخصی برای در نظر گرفتن مؤلفه قائم زلزله ارائه نمی‌دهند. با این حال بررسی زلزله‌های چند دهه اخیر نشان می‌دهد که اثر مؤلفه قائم زلزله می‌تواند در برخی موارد از عوامل اصلی تخریب پل‌ها باشد.

در مواردی که اثر مؤلفه قائم در طراحی وارد می‌شود تابع طیف به طور معمول 66/0 طیف پاسخ مؤلفه افقی منظور می‌شود. ‌با این حال مطالعات جدید نشان می‌دهند که این نسبت در پریودهای پایین و در نواحی نزدیک گسل، تخمینی در خلاف جهت اطمینان است.

در این تحقیق علاوه بر بررسی اثر همزمان دو مؤلفه افقی و قائم زلزله، اثر همزمان هر سه مؤلفه زلزله بر پاسخ پل­ها، بررسی گردیده است. در فصل اول به بررسی پژوهش­ها و مطالعات انجام شده بر تأثیر مؤلفه قائم زلزله بر طیف پاسخ زلزله و نیروهای وارد بر پل پرداخته شده است. با توجه به اهمیت در نظر گرفتن اندرکنش خاک در کوله­ها و زیر ستون­ها با سازه پل، در فصل دوم به بررسی نیروهای وارد بر خاک و نیز روابط موجود به منظور در نظر گرفتن اندرکنش خاک پرداخته شده است.

در فصل سوم به معرفی اعضای رو سازه و زیر سازه پرداخته شده است. انواع روش‌های مدل­سازی ستون­ها، مدل­سازی عرشه، تأثیر انحراف عرشه پل­ها بر عملکرد صلب عرشه، درزهای انبساط و بالشتک­ها به عنوان انتقال دهنده­های نیرو از عرشه به ستون­ها، معرفی و مورد بررسی قرار گرفته است.

 در فصل چهارم شاخص‌ترین ویژگی‌های نرم‌افزار اُپن‌سیس[1] که دلیل انتخاب آن برای این تحقیق می‌باشد، ذکر می‌گردد. سپس، پل کلمنتس[2] به منظور مدل سازی، معرفی شده است. در انتها با مقایسه مقادیر پاسخ‌های نیرویی و تغییر مکانی و نتایج موجود در مقاله، صحت مدل ساخته شده در نرم افزار اُپن‌سیس کنترل می‌گردد.

 در فصل پنجم نتایج حاصل از تحلیل پل‌های مدل‌سازی شده در فصل چهارم، ارائه شده است. در این راستا به بررسی اثر مؤلفه قائم زلزله بر رفتار لرزه­ای پل‌ها پرداخته شده است. در نهایت در فصل ششم خلاصه­ای از نتایج و پیشنهادات حاصل از این تحقیق بیان شده است.

فصل اول: پژوهش های گذشته

1-1- مقدمه

پل‌های بتن مسلح در ایران همانند دیگر نقاط جهان مانند ژاپن و آمریکا به دلیل تراکم خودروها و نیاز به گسترش جاده‌ها کاربرد روز افزونی یافته است. لیکن، تخریب این‌گونه پل‌های عظیم شاهراه‌ها و داخل شهرها در اثر زلزله های مختلف در کشورهایی نظیر ایلات متحده، ژاپن و نیوزیلند بیانگر ضعف‌های موجود در آیین نامه های فعلی این کشورها می‌باشد. در این فصل به مرور زلزله­های گذشته که دارای مؤلفه قائم با حداکثر شتاب بالا می‌باشد، تأثیر مؤلفه قائم بر عرشه و ستون پل‌ها و بیان هدف از این تحقیق پرداخته شده است.

2-1- مروری بر زلزله های گذشته

     تجربه زلزله‌های گذشته، مانند زلزله تکاچی-اکی[1] ژاپن (1968) و زلزله سن‌فرناندو[2] کالیفرنیا

 

(1971)، آسیب‌پذیری سازه‌های بتن مسلح در برابر تحریکات شدید زلزله را به اثبات رسانید، بنا به دلیل اقتصادی، تا حدود معینی اجازه خسارت دیدن به سازه‌ها داده می‌شود و شناخت این خسارت پذیری بر اساس تئوری خطی و قضاوت مهندسی پایه‌گذاری می‌گردد.

روشن است که برای حصول ایمنی لرزه‌ای و محدود کردن خسارات وارده به سازه‌های بتنی، مکانیزم شکست سیستم‌های سازه‌ای تحت اثر بارهای دینامیکی زلزله باید مشخص بوده و این عمل مستلزم شناخت ظرفیت نهایی اعضای بتن مسلح تحت اثر بارگذاری متناوب غیر ارتجاعی است.

در مورد طراحی لرزه‌ای پل‌ها، زلزله سن‌فرناندو، نقطه عطفی به شمار می‌آید. در طی این زلزله، 62 پل در منطقه مرکزی زلزله آسیب دیده و بیش از 15 میلیون دلار خسارت به بار آمد. عملکرد متفاوت این زلزله با زلزله‌های گذشته و خصوصیاتی که در طراحی لرزه‌ای پل‌ها در نظر گرفته نشده بود، عامل این خرابی‌ها گزارش شده است. طی زلزله‌های گذشته، بیشتر خرابی‌ها مربوط به خرابی زیر سازه و خاک اطراف آن می‌شد، درحالی‌که علت اصلی خسارت یا خرابی پل‌ها در زلزله سن­فرناندو ارتعاش سازه‌ای بوده است. مهم‌ترین عامل خسارت در این زلزله عبارت بودند از[[i]]:

1- فقدان شکل پذیری.

2- کوتاه بودن عرض نشیمن در درزهای انبساط و محل تکیه گاه‌ها و نهایتاً خرابی عرشه.

3- شکست برشی در ستون‌های پل و پایه‌ها‌، قبل از اینکه جاری شدن خمشی حادث شود.

4- بیرون آمدن آرماتورها در ستون‌های قائم که در عرشه یا فونداسیون‌ها مهار شده بودند.

5- شکست فونداسیون‌ها و خاکریزها و کوله‌ها و دیوارهای بالی شکل آن.

بعد از زلزله سن فرناندو، برنامه‌ریزی وسیعی تدارک دیده شد، بسیاری از پل‌ها به شتاب نگار مجهز شدند مدل‌سازی تحلیلی و انواع مختلف تحلیل خطی و غیرخطی برای درک بهتر رفتار پل‌ها تدوین گردید و برنامه تقویت پل‌های موجود اجرا گردید که تا به این زمان نیز ادامه دارد، اما در طی زلزله‌های بعدی مانند کوبه[1] و ‌لما‌پریتا[2] دوباره پل‌های بسیاری فرو ریختند. ذیلاً شرح مختصری از سه زلزله فوق ارائه می‌گردد.

1-2-1-گزارش زلزله ‌لما‌پریتا

زلزله لما‌پریتا با بزرگی 1/7، عملکرد عالی پل‌های طرح شده بر طبق آیین نامه‌های اخیر (آشتو[1] و اِی‌تی‌سی[2]) را نشان داد. این زلزله همچنین کارایی موثر وسایل مهارکننده را که به پل‌های فعلی در برنامه تقویت پل‌ها اضافه شدند، به اثبات رسانید. با این حال این زلزله بسیاری از اصول طراحی پل‌های قدیمی را زیر سؤال برد. سیزده پل شدیداً آسیب‌ دیده و بسته شدند و هفتاد و هشت پل خسارت زیادی تحمل کردند [[i] و[ii]].

خسارات وارده به پل‌ها در طی این زلزله عبارتند از :

– تخریب کامل قسمت‌های از پل نیمیتز[3] به دلیل ضعف سیستم سازه‌ای و جزئیات نامناسب (شکل ‏1‑1).

– شکست برشی در ستون‌ها و تیرها (شکل ‏1‑2)

– شکست برشی اتصالات تیر– ستون بتن مسلح

– ضربه زدن سازه‌های آزادراه‌های مجاور

– از دست دادن تکیه‌گاه یکی از دهانه‌های پل خلیج سن فرانسیسکو[4] (شکل ‏1‑3)

– خسارت به دستگاه‌های تکیه گاهی غلتکی

2-2-1- گزارش زلزله کوبه

تا قبل از وقوع زلزله بزرگ هانشین[1]، پل‌های ژاپن در طی زلزله‌ها بسیار خوب عمل کردند. تعداد کل پل‌های تخریب شده بسیار اندک بودند. فقط 4 پل جاده‌ای در طی 40 سال ماقبل زلزله هانشین آسیب دیدند که 3 پل در زلزله نیگاتا[2] (1964) به دلیل پدیده روان گرایی و دیگری در زلزله میاگیکن-‌اکی[3] (1978)، منهدم گردید.

در زلزله بزرگ هانشین تعداد زیادی پل‌های آزاد راه‌ها و پل‌های راه‌آهن فرو ریختند که ارقام پل‌های تخریب شده از کل پل‌های تخریبی تاریخ ژاپن بیشتر می‌باشد‌. به طور مثال نسبت خسارت پایه‌های بتن مسلح در آزاد‌راه ارتباطی هانشین به کوبه حدود 50% بود (شکل ‏1‑4). 512 پایه از کل 1012 پایه دچار خسارت کم تا شدیدی شدند. نسبت خسارت وارده به بالشتک­ها حتی از این هم بیشتر بود (64%). مشاهده گردید که تحریکات زمین‌لرزه از نیروهای طراحی فراتر رفتند‌. از آنجایی که خسارات وارده بسیار سنگین و شدید و غیر قابل انتظار بود، در بسیاری از سازمان‌های مربوطه مطالعات گسترده­ای برای بهبود آیین نامه‌های طراحی لرزه‌ای کنونی آغاز گشت [1].

[1]– Hanshin

[2]– Nigata

[3]– Miyagiken-oki

[1]– AASHTO

[2]– ATC

[3]– Nimitz (Cypress)

[4]– San Francisco-Oakland

[[i]] http://co2insanity.com/category/earthquakes/

[[ii]] http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/states/events/1989_10_18.php

[1]– Kobe

[2]– Loma Prieta

[1]– Tokachi-Oki

[2]– San Fernando

[[i]] دکتر محمود حسینی، مهندس شهریار طاووسی تفرشی (1377). «ارزیابی آسیب پذیری لرزه­ای پل مسطح چند دهانه تحت اثر توأم مؤلفه‌های افقی و قائم زمین لرزه»، موسسه بین ­المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله ایران.

[1]– Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees)

[2]– Clements Bridge