خلاصه
پلهای بزرگراهی که در ترافیک سنگین و محیطهای خورنده قرار دارند، مستعد تخریب ناشی از خوردگی-خستگی هستند، به همین دلیل ویژگیهای مصالح فولاد و بتن در تیرهای پل تغییر میکند و سطح مؤثر میلگردها کاهش مییابد و در نتیجه سفتی خمشی تیرها کاهش مییابد. در نتیجه، پلهای در معرض برای مقاومت در برابر بارهای زلزله ضعیفتر میشوند، بهویژه برای پلهایی که دارای سه جزء انتقالی مهم هستند. بنابراین، ارزیابی عملکرد مادامالعمر پلهایی که از تخریب ناشی از خوردگی-خستگی رنج میبرند و در معرض رویدادهای لرزهای دارای حرکات عمودی قابل توجه زمین (VGM) هستند، مهم است. چنین سناریوی تهدید کننده ای برای ایمنی لرزه ای پل ها هنوز بررسی نشده است. مطالعه حاضر نقش مقابلهای تخریب خوردگی-خستگی و VGM را بر پاسخ لرزهای پل از طریق یک پل RC چند دهانه نماینده در گجرات، هند نشان میدهد و اطلاعات مورد نیاز در مورد خوردگی، ترافیک و فعالیتهای لرزهای از منابع مناسب بهدست میآید. مکانیسم تخریب به عنوان یک پدیده همراه از خوردگی حفرهای میلگرد و تنشهای خستگی ناشی از ترافیک که باعث ایجاد ترکهای خستگی در مکانهای گودال عمیق میلگردها در تیرها میشود، مدلسازی میشود. مدل عددی توسعهیافته پل، تمام ویژگیهای ضروری را برای ثبت دقیق تخریب تدریجی در طول عمر و نوسانات در پاسخ به اجزای آسیبپذیر کلیدی پل تحت تحریکات افقی و عمودی تشکیل میدهد. نتایج نشان می دهد که نادیده گرفتن تأثیر این مکانیسم تخریب و VGM می تواند منجر به افزایش بیشتر شود و اطلاعات مورد نیاز در مورد خوردگی، ترافیک و فعالیت های لرزه ای از منابع مناسب به دست می آید.
معرفی
در استانداردهای فعلی طراحی لرزه ای برای پل ها، هیچ دستورالعمل صریحی برای در نظر گرفتن شتاب طیفی مولفه حرکت عمودی زمین (VGM) در یک زلزله وجود ندارد. توسط اداره بزرگراه فدرال (FHWA [1]) پیشنهاد شده است که یک طیف عمودی هدف برای طراحی بر اساس نسبت عمودی به افقی (یا V/H) تولید شود. سایر کدهای طراحی لرزه ای (به عنوان مثال، IS-1893-Part 1 [2]) توصیه می کنند که شتاب طیفی مولفه حرکت افقی زمین (HGM) را به میزان دو سوم کاهش دهید تا طیف طراحی هدف برای VGM به دست آید. این قانون دو سوم از زمانی که توسط نیومارک و همکاران پیشنهاد شد دنبال میشود. [3] در غیاب معیار طراحی خاص برای VGM، با این حال، اجزای حرکت زمین ثبت شده از زمین لرزه های مخرب گذشته (به عنوان مثال، 1989 لوما پریتا، 1994 نورتریج، و 2001 Bhuj) استثنا را نشان داد. به طور کلی، طول موج VGM کوتاه تر از HGM است که نشان دهنده محتوای فرکانس بالاتر VGM در محدوده دوره کوتاه تر است. برای چنین زلزلههایی، مولفه عمودی باعث بالا آمدن یا نشست پلها میشود، در حالی که اجزای افقی نیروهای جانبی را بر آنها تحمیل میکنند که منجر به انتقال باقیمانده تیرها و خرابی یاتاقانها میشود. گزارش شناسایی پس از زلزله سال 2001 بوج نمونه های فراوانی از این شکست را ارائه می دهد [4]. علاوه بر این، تأثیر VGM بر عملکرد لرزهای پلها با بدتر شدن تیرهای پل در طول عمر به دلیل پدیده تخریب خوردگی-خستگی، مضرتر میشود. یک عمل ترکیبی از خوردگی محیطی و خستگی ناشی از ترافیک. این پدیده رو به وخامت به احتمال زیاد برای پل های RC در معرض ترافیک شهری سنگین و محیط های خورنده رخ می دهد. بنابراین، در نتیجه تخریب خوردگی-خستگی، پلهای با دهانه کوتاه تا متوسط با دوره بنیادی پایین ممکن است در هنگام قرار گرفتن در معرض VGM، تقویت بیسابقهای را در پاسخ لرزهای خود تجربه کنند.
یک بررسی تجربی اخیر نشان داده است که تخریب همراه با خوردگی-خستگی میتواند باعث شود پلهای تیرچه سریعتر از خوردگی یا خستگی به تنهایی تخریب شوند [5]. مانند کابل های ثابت پل مراندی [6]، تیرهای پل به دلیل خوردگی-خستگی با گذشت زمان خراب می شوند، میلگردهای موجود در تیرها سطح مقطع موثر را از دست می دهند و در نتیجه سفتی خمشی عرشه پل کاهش می یابد [7]. چنین تیرهای فرسوده با گذشت زمان ظرفیت مقاومت لحظه ای خود را از دست می دهند و ممکن است به تدریج در حمایت از تقاضای لرزه ای ناشی از تحریکات عمودی در طول عمر طراحی عادی ضعیف تر شوند. تحقیقات قبلی در مورد تخریب خوردگی-خستگی میلگرد فولادی مشاهده کرده است که شدت و میزان آسیب خوردگی و تمرکز تنش ناشی از آن می تواند به طور قابل توجهی رفتار خستگی و عمر میلگردها را تغییر دهد [8]، [9]. [10] و سیم های فولادی آویزان [11]. گودال های خوردگی روی سطح میلگرد، که در اثر خوردگی غیر یکنواخت ایجاد می شوند، به عنوان یک نقص اولیه برای ایجاد ترک های خستگی در میلگردها تحت بارگذاری مکرر عمل می کنند [12]. در حالی که سرعت رشد این ترک ها به میزان تنش خستگی و تعداد تکرار بار بستگی دارد، مورفولوژی و سرعت رشد گودال توسط نرخ خوردگی [13] و ویژگی های مواد میلگرد [14] کنترل می شود. بنابراین، تأثیر ترکیبی خستگی و خوردگی حفره ای میلگردها باعث کاهش عمر خستگی تیرهای RC می شود [15]. علاوه بر این، خوردگی منجر به کاهش استحکام پیوند سطحی بین فولاد و بتن می شود [16]. اگرچه رفتار باند زوال تأثیر ناچیزی بر عمر خستگی میلگردها دارد [17]، می تواند منجر به کاهش سفتی خمشی تیرها شود [18]. ما و همکاران [19] کاهش سفتی خمشی تیرهای RC خورده شده را تا 30 درصد پس از 7 میلیون چرخه بار خستگی تخمین زد. چنین کاهشی در سفتی خمشی بر پاسخ تیرهای [20]، [21] و رفتار دینامیکی پلهای RC [22] تأثیر میگذارد. بنابراین، ایمنی لرزه ای تیرهای پل زمانی که در معرض تخریب خوردگی-خستگی قرار می گیرند، بسیار نگران کننده است.
با توجه به تاثیر VGM بر پاسخ لرزه ای پل ها (تخریب نشده)، تحقیقات قابل توجهی در طول سه دهه گذشته انجام شده است. هدف اصلی این مطالعات درک پاسخ اجزای پل ها تحت اثر ترکیبی VGM و HGM و بررسی منطقی بودن استانداردهای طراحی در در نظر گرفتن VGM برای طراحی لرزه ای پل ها بود. در مطالعات پیشگامی که توسط سعادق وزیری و فوچ [23] و [24] در مورد این موضوع انجام شد، گزارش شد که تغییرات نیروهای محوری ناشی از VGM میتواند منجر به کاهش ظرفیت اتلاف انرژی و ظرفیت برشی ستونهای پل شود. پس از آن، یک بررسی تجربی توسط کیم و همکاران انجام شد. [25] تغییر نیروی محوری و نوسان سختی جانبی پایه های پل را تحت اجزای VGM و HGM نشان داد. برای تیرهای پل، تحقیقات گذشته مشاهده کردند که هم گشتاورهای خمشی منفی و هم مثبت در وسط تیرهای پل می توانند به طور قابل توجهی تحت تأثیر VGM قرار گیرند [26]. از طریق یک مدل شکنندگی سطح جزء، وانگو همکاران[26] گزارش داد که در نظر گرفتن VGM علاوه بر اجزای HGM می تواند احتمال شکست عرشه پل را از صفر به مقدار مثبت غیر صفر افزایش دهد. علاوه بر این، تحقیقات اخیر نشان داده است که نیروی نرمال روی سطح الاستومر می تواند تحت تأثیر حرکات زمین نزدیک به طور قابل توجهی در نوسان باشد و نیروی بازیابی یاتاقان های الاستومری مستقیماً با بزرگی این نیروی نرمال در ارتباط است [27]. رابطه برشی-جابجایی یاتاقان ها نیز تحت تأثیر VGM قرار می گیرد [28]. علاوه بر این، زمانبندی بین زمان رسیدن PGAهای اجزای HGM و VGM مشاهده میشود که بر پاسخ لرزهای پلها تأثیر میگذارد [25]. از این رو، پاسخ لرزه ای تمام اجزای پل آسیب پذیر می توانند در حضور جزء VGM به طور قابل ملاحظه ای تغییر کنند (و تقویت شوند). بر این مبنا،
علیرغم این حجم وسیع از ادبیات در مورد پاسخ لرزهای پلها تحت VGM، هیچ تحقیقی تا به امروز برای بررسی نقش مقابلهای تخریب خوردگی-خستگی بر عملکرد لرزهای چرخه حیات پلهای تحت زلزله با اجزای عمودی قابلتوجه انجام نشده است. یک چارچوب عددی، ارائه شده توسط Devendiran و Banerjee [7]، تاثیر تخریب خوردگی-خستگی را بر آسیبپذیری لرزهای و انعطافپذیری پلهای تیر T-RC در نظر میگیرد، اما این روش تأثیر VGMs را در نظر نمیگیرد. علاوه بر این، فرمول توسعه یافته تخریب خوردگی-خستگی در فرض خوردگی یکنواخت میلگردها به منظور مدیریت چالش محاسباتی برای پیشبینی تأثیر تخریب مواد بر انعطافپذیری لرزهای پلها. در واقع، خوردگی میلگرد ذاتا غیر یکنواخت است و بنابراین، فرمولاسیون خوردگی حفره ای برای شبیه سازی دقیق تر تخریب تدریجی پل ضروری است. علاوه بر این، حجم ترافیک در حال تغییر زمان در یک منطقه یک عامل مهم برای در نظر گرفتن است که به طور کلی در مطالعات مربوط به ارزیابی رفتار لرزهای چرخه عمر پلهای قدیمی نادیده گرفته شده است.
هدف مطالعه حاضر ایجاد دانش عمیق در مورد تأثیر VGM بر پاسخ لرزهای چرخه حیات پلهای تحت تخریب خوردگی-خستگی است. یک پل بزرگراه معمولی RC در گجرات هند برای این منظور در نظر گرفته شده است. این منطقه مورد مطالعه به دلیل مجاورت با دریای عرب از نظر لرزه ای فعال و مستعد خوردگی است. علاوه بر این، آمار میانگین سالانه نرخ رشد ترافیک کامیون ها در این ایالت 5 درصد گزارش شده است [30] که به طور بالقوه می تواند بر عملکرد و ایمنی پل ها تأثیر بگذارد. در این مطالعه آزمایشی، تخریب خوردگی-خستگی به عنوان یک پدیده همراه از خوردگی حفرهای میلگردها و خستگی ناشی از ترافیک مدلسازی میشود و به عنوان تخریب مواد فولادی و بتن تفسیر میشود. از آنجایی که خواص مواد سازنده با گذشت زمان کاهش می یابد، مدل اجزای محدود پل بکر به روز شده است تا حالت های مختلف تخریب شده آن را به تصویر بکشد. تحلیلهای تاریخچه زمانی غیرخطی پل در حالتهای بکر و تخریبشده آن تحت مجموعهای از حرکات لرزهای منتخب با مولفههای HGM و VGM انجام میشود و نتایج بهدستآمده برای نشان دادن اثرات فردی و همزمان تخریب پل و VGM بر زندگی استفاده میشود. عملکرد لرزه ای سیکل پل
قطعات بخش
پل نماینده و مشاهده تردد کامیون ها در منطقه مورد مطالعه
برای پیگیری این مطالعه، یک پل T-Girder با چند دهانه ساده، که فرض میشود در گجرات، هند واقع شده است، انتخاب شده است. پلهای چند دهانه تی تیر در گجرات بسیار متداول هستند و نزدیک به 80 درصد پلها را در این منطقه تشکیل میدهند [31]. علاوه بر این، اکثر پل ها در گجرات دهانه کوتاه تری دارند [4]. بر اساس این ویژگی های اساسی، یک پل نماینده توسعه یافته است که مشخصات طراحی پل کنگره جاده های هند را برآورده می کند [32]. شکل 1 ابعاد پایه و مقطع را نشان می دهد
مدل سازی اجزای محدود پل مطالعه موردی و حرکات زمین
پل نماینده در نرم افزار المان محدود متن باز OpenSees مدل سازی شده است . مدل المان محدود (FEM) پل باید از نظر محاسباتی کارآمد و از نظر عددی دقیق باشد تا تجزیه و تحلیل دینامیکی غیرخطی را تحت حرکات چندگانه زمین انجام دهد. بنابراین، توسعه یک مدل اقتصادی و در عین حال کاربردی آسان برای توضیح زوال خوردگی-خستگی تیرها ضروری است. FEM پایه پل با پیروی از نیلسون و دزروچس [47] توسعه یافته است
انتخاب حرکات زمین برای تحلیل های دینامیکی غیرخطی
انتخاب حرکت مناسب زمین در ارزیابی پاسخ دینامیکی سازه های عمرانی بسیار مهم است. در ارزیابی آسیبپذیری و خطر پلها در گجرات، استفاده از حرکت ورودی واقعی زمین که نشاندهنده پتانسیل لرزهای گجرات است، مهم است. با این حال، تعداد شتابنگاریهای ثبتشده برای این منطقه محدود است و این مطالعه را با چالش مواجه میکند. برای رسیدگی به این موضوع، حرکات زمین اضافی از پایگاه داده PEER بر اساس لرزه خیزی زمین به دست آمد
تاثیر بر فرکانس طبیعی
پارامترهای مودال مانند فرکانس طبیعی و شکل حالت می توانند آسیب و تخریب ساختاری را تغییر دهند. در هر حالت تخریب شده پل، عناصر تیر و پایه با جرم مناسب و سختی ترک خورده به روز می شوند و تحلیل های مودال در سال های مختلف چرخه عمر انجام می شود. شکل 7 شکلهای حالت بنیادی (یعنی اولین طولی، عرضی اول، پیچش اول، و عمودی اول) پل را در شرایط بکر و تخریب 100 ساله آن نشان میدهد. دوره های زمانی مربوطه
نتیجه گیری
این مطالعه تأثیرات فردی و ترکیبی تخریب خوردگی-خستگی و VGM را بر پاسخ لرزهای پلهای RC در طول عمر سرویس بررسی کرد. برای ارزیابی میزان تخریب، یک پل RC نماینده در گجرات، هند در نظر گرفته شده است، و تنشهای خستگی ناشی از ترافیک از طریق تجزیه و تحلیل VBI با استفاده از اندازهگیریهای WIM از منطقه محاسبه میشوند. مشاهدات زیر بر اساس بررسی پل که تیرها و پایه ها از آن آسیب می بینند، بیان شده است
دیدگاه خود را بنویسید