پل ها از شریان های حیاتی هستند که عدم اختلال در عمل کرد واستمرار در خدمت رسانی آنها بعد از وقوع حوادث طبیعی نظیر زلزله، ضروری می باشد. تجربه زلزله گذشته در نقاط مختلف دنیا نشان داده که پل های طراحی شده بر مبنای آیین نامه های طرای قدیمی، در بسیاری موارد توانای مقاومت در برابر زلزله های وارده را ندارند.
به منظور پیشگیری از خسارت های احتمالی در وقوع زلزله، ضروری است پل های موجود در مناطق لرزه خیزی بررسی گردند و در صورت لزوم، بهسازی لرزه ای آنها در اولویت کاری قرار گیرند. بر ین اساس، آشنایی با نحوه انتقال بار لرزه ای در بخش های مختلف سازه و مکانیزم خرابی احتمالی ناشی از آن همراه با مطالعه و به کارگیری دستورالعمل بهسازی لرزه ای و تجربیات بهسازی پل ها در نقاط مختلف دنیا، رویکردی مناسب برای حفظ شریان های حیاتی می باشد.
خدمات طراحی سازه:
مسیر انتقال بار لرزه ای در پل ها
از آنجای که قسمت عمده ای از جرم سیستم پل در تراز عرشه پل قرار دارد، در هنگام وقوع زلزله نیروی اینرسی بزرگی در این به عرشه پل وارد می شود که نیاز است به نحو مناسبی به زمین منتقل گردد.
انتقال بار لرزه ای در امتداد عرضی پل:
در پل های دارای سیستم تیر- دال، عرشه متشکل از دال بتنی( حداقل ضخامت 18 سانتی متر) و روسازی آسفالت روی عرشه و ایزولاسیون رطوبتی، که جرم بزرگی از پل را به خود اختصاص می دهد. نیروی اینرسی ایجاد شده در این بخش، از پل از طریق دیافراگم انتهایی به بالشتک های قرار گرفته بر روی دیوار های کوله و پایه میانی انتقال می یابد.
دیافراگم های عرضی عناصری هستند که تیرهای طولی زیر عرشه را یکپارچه می کنند. و علاوه بر ممانعت از پیچش تیرهای طولی و انتقال باز های زنده کف به تیرها، نیرو زلزله را نیز منتقل می نمایند. معمولا پل هایی که تیرهای طولی آن فولدی می بشند، دفرگم عرضی به صورت بادبند ضربدر فولادی در هر دهانه اجرا می گردد که تیرها را به همدیگر متصل می نمایند. معمولا در پل های با تیر طولی بتنی، دیافراگرم های عرضی به صورت تیرهای عرضی بتن مسلح هستند که تیرهای طولی را به یکدیگر متصل می نمایند. دیافراگم های عرضی انتهایی نیرو ایجاد شده درعرشه پل را به تکیه گاه انتقال می دهند. شایان ذکر است که دیافراگم های میانی در عملکرد لرزه ای پل با سیستم تیر-دال تاثیر چندانی ندارند و عمدتا دیافراگم های انتهای نقش آفرین هستند. در مرحله بعد نیرو زلزله وارد تکیه گاهه می گردد، البت تکیه گاه های پل انواع مختلفی دارند و به طور کلی دارای دو دسته مفصلی و غلتکی هستند که امروزه اسفاده از باشتک های الاستومر در پل های تیر-دال متداول تر است. الاستومر های مسلح به ورق های فولادی با تغییر شکل برشی خود قابلیت جابه جاب افقی رو سازه را تامین و با تغییر شکل دورانی خود امکان دوران تیرها را نیز فراهم می سازند.
در صورت صلب بودن عرشه پل در صفحه خود، سختی موثر روسازه تنها متاثر از سختی دیافراگم های عرضی انتهای و بالشتک های الاستومری خواهد بود. دیافراگم های عرضی، با عث ایجاد سختی در عرض شده و بالشتک های الاستوری در امتداد طلی سختی ایجاد می کنند. بدین صورت در هنگام زلزله در خلال انتقال نیروی لرزه ای از این عناصر بسته به سختی توام دیافراگم های عرضی انتهایی و بالشتک های الاستومر در عرشه پل جا به جایی به وجود خواهد آمد.
پس از عبور نیروی زلزله از تکیه گاه، در دهانه های کناری وارد دیوار کوله و در دهانه های میانی وارد تیر سر ستون و سپس وارد ستون های پایه شده و به فونداسیون ها اعمال می گردد. در نهایت بخشی از نیروی زلزله به خاک زیر پی و مابقی آن از طریق شمع های قائم و مورب تعبیه شده در زیر شالوده به خاک انتقال می یابد.
انتقال بار لرزه ای در امتداد طولی پل:
نیروی اینرسی ایجاد شده در امتداد طولی پل از طریق تیرهای طولی واقع در زیر عرشه وارد تکیه گاه ها می گردد.
پس از عبور نیرو زلزله از بالشتک ها در دهانه های کناری پل، این نیرو وارد دیوار کوله و در دهانه های میانی وارد تیر سرستون و سپس وارد ستون های پایه شده و به فوناسیون ها منتقل می گردد و در نهایت به خاک زیر پی و یا از طریق شمع های قائم ئ یا مورب تعبیه شده در زیر شالوده به خاکک منتقل می گردد.
هر یک از اجزای فوق که در مسیر انتقال بار لرزه ای قرار می گیرند می توانند در زلزله دچار آسیب جدی شوند.
آسیب های متداول ستون های پایه های پل:
بسیاری از ستون ها به دلیل کمبود مقاومت برشی که عمدتا به دلیل آرماتور عرضی (تنگ) یا دورپیچ ناکافی می باشد، متحمل آسیب می گرند.
- در مواردی که به دلیل شرایط محلی، ابعاد هندسی ستون های پل ها متفاوت می باشند، به علت سختی بیشتر ستون های کوتاه تر، بخش عمده ای از نیروی اینرسی زلزله جذب این ستون های می گردد، در نتیجه شکست برشی و به دنبال آن کاهش ظرفیت باربری محوری را به همراه خود خواهد داشت. در بعضی پل های رو گذر در اثر محوطه سازی زیر پل، نظیر خاک ریزی و دیوار چینی، در این موارد مهار جانبی برای ستون ها ایجاد می نماید و در نتیجه ستون کوتاه تر شده و نیروی برشی زیادی در ناحیه پیش بینی نشده که با تنگ مناسب محصور نشده است، به وجود می آید و منجر به خرابی برشی ستون می شود.
- در اثر بارگذاری متناوب زلزله و ایجاد تغییر شکل های خمشی فرا ارتجاعی ستون، مقاومت برشی ستون کاهش می یابد و خرابی برشی ستون های پل را به همراه خواهد داشت.
- تاثیر مولفه قائم زلزله و نوسان شدید نیرو محوری ستون های پل، می تواند باعث کاهش لحظه ای ظرفیت برشی و آسیب دیدگی پایه های پل گردد.
- حتی با وجود تنگ های مارپیچ، ناکافی بودن وصله پوششی در این تنگ ها می تواند شکست خمشی-برشی ستون ها را به همرا داشته باشد.
- طول وصله ناکافی آرماتور طولی ستون، به خصوص در ناحیه مفصل خمیری، می تواند منجر به بروز آسیب در ستون ها شود.
- در اثر قطع آرماتور های طولی ستون با طول مهار ناکافی در ستون ها، گسیسختگی برشی به وجود می آید.
- خردشدگی بتن پوشش روی آرماتور ها باعث زوال کارایی وصله پوششی و باز شدن تنگ ها و کمانش میلگردهای طولی می گردد.
- در صورتی که فاصله بین تنگ های عرضی زیاد و یا گام های آرماتورهای مارپیچ بزرگ باشد این مورد باعث کمانش آرماتور های طولی ستون می گردد. با توجه به نیروی محور فوق العاده ای که در ستون های پل ها در اثر نیروی زلزله به وجود می آید، میلگرد های طولی ستون ها کمانش می نمایند.
- در صورتی که آرماتورهای طولی ستون به وسیله جوش لب لب به یکدیگر وصله شده باشند، ضعف این جوش ها می تواند منجر به قطع پیوستگی آرماتور و بروز خرابی در ستون پل گردد.
در پایه های قابی چند ستونی بتن مسلح، که متشکل از چند ستون و تیر سرستون می باشند، آسیب های زیر مشاهده شده است:
- کمبود مقاومت تیرسرستون در گوشه ها برای لنگر منفی به دلیل قطع زود هنگام آرماتور فوقانی
- مهار ناکافی آرماتورهای ستون در داخل تیر سر ستون
- به دلیل عدم کفایت مقدار آرماتور های منفی و یا خاموت ها، ترک های خمشی-برشی در تیرهای سر ستون به وجود می آید
- شکست برشی در محل اتصال تیر به سر ستون
در پایه های فولادی موارد زیر آسیب پذیر بوده و باید مورد توجه قرار گیرند:
- رعایت ضوابط شکل پذیری در مورد ستون های فولادی پل
- احتمال کمانش موضعی و یا کلی اعم از خمشی و پیچشی و همچنین کمانش پافیلی در ستون گرد
- ضعف مقاومت و یا پایداری در محل وصله های پیچشی و جوش
- گسیختگی از محل جوش ها در مقاطع ساخته شده
- ایجاد ترک در نتیجه رفتار ترد فولادهای ریخته گری شده در ادوات اتصال
- پارگی کششی در ستون در محل اتصال به ورق کف ستون
- جزییات نامناسب ورق کف ستون و میل مهاری های ان در شرایطی که تحت بارهای تناوبی قرار گرفته و در محل مفصل خمیری نیز می باشند
آسیب پذیری به علت تمرکز تنش و تنش های پسماند و خستگی
آسیب های متداول در قسمت روسازه پل:
فرو ریزش عرشه های پل از روی تکیه گاه ها، پایه ها و کوله های پل از مهمترین و شایع ترین شکست لرزه ای مشترک در پل ها است که عموما این حالت شکست به دلایل زیر می باشد:
- درصورتی که جابه جایی نسبی عرشه و تکیه گاه آن از طول نشیمن آن تجاوز نماید.
- تغییر مکان جانبی در جهت ها مختلف بالای ستون ها نسبت به پی باعث شکست برشی مقطع فوقانی ستون و لغزش تیر سر ستون شده و سقوط عرشه بر روی ستون های شکسته، منجربه گسیختگی سوراخ شدگی دال عرشه می گردد.
- تغییر مکان های تجمعی ناشی از بارگذاری متناوب می تواند منجر به فرو افتادن عرشه و یا بخشی از آن از روی تکیه گاه عرشه گردد.
- شکست برش سوراخ کننده در دیافراگم ها و بیرون کشیده شدن مهار ها باعث سقوط عرشه می گردد.
- در اثر چرخش زیاد عرشه پل در محل درزها به خصوص درپل های کج، فروریزش عرشه محتمل است.
- فرو نشست، روانگرایی و گستردگی جانبی خاک زیر پی، یا دوران پی و پایه ها باعث شانه خال کردن تکیه گاه و فروریختن عرشه خواهد شد.
آسیب های متداول در شالوده ها و شمع های پل ها:
به دلیل بیشتر بودن مقاومت دیوارهای کوله در امتداد عرضی نسبت به ظرفیت شالوده ها یا شمع های کوله دچار شکست می گردند. این اجزا در مسیر انتقال بار زلزله به زمین قرار دارند و دیوارهای کوله دارای ظرفیت بالایی بوده و بدون اینکه متحمل آسیبی شوند، کل نیرو را به شالوده انتقال می دهند، در حالی که شالوده به دلیل ظرفیت ناکافی قادر به تحمل این نیرو نمی باشد.
آسیب های وارده به دلایل زیر می باشد:
- در صورتی که میلگرد ستون های پل به طور کافی در داخل شالوده مهار نشده باشند، در هنگام زلزله از داخل شالوده بیرون کشیده می شوند.
- در اثر پدیده روانگرایی، فرو نشست شالوده های پایه ها و یا دوران قابل توجه شاوده های پایه های کناری قابل مشاهده است. روانگرایی باعث کاهش مقاومت خاک شده و جابه جایی زیاد توده خاک را به دنبال خواهد داشت که در نتیجه، تغییر مکان زیادی را به شمع ها تحمیل خواهد کرد و می تواند شکست شمع ها را به همراه داشته باشد.
- بسته به مشخصات زمین لرزه، موقعیت ساختگاه و ویژگی های خاک در صورتی که شالوده های شمعی از ظرفیت تغییر مکانی کافی برخوردار نباشند، محتمل آسیب های شدیدی خواهند گردید.
- عدم وجود آرماتورهای فوقانی در سالوده های سطحی و سرشمعی، منجر به آسیب در شالوده یا سرشمع می گردد.
- وجود خاک سست در زیر کوله که به طور کامل متراکم نشده باشد و یا خاکریزهای متراکم نشده، می تواند باعث بروز فرو نشست، چرخش کوله ها و آسیب شمع های تکیه گاهی گردد.
- عدم تامین آرماتور های برشی در شالوده ها و اتکای بتن در تامین مقاومت برش، باعث ضعف مقاومت برشی شالوده و آسیب پذیری آن می گردد.
- در صورتی که شالوده ها در موضوع زیر ستون ضعف مقاومت برشی سوراخ کننده داشته باشد، در هنکام زلزله دچار این آسیب خواهند گردید.
- به دلیل عدم کفایت اتصال شمع های به کشش افتاده به سر شمع، در این حالت آسیب جدی به وجود خواهد آمد.
