بررسی تأثیر زلزله روی المان های پل‌ها و شیوه‌های مقاوم‌سازی آن

زلزله:

زلزله درواقع پدیده ایی است که در اثر آزاد شدن ناگهانی انرژی ذخیره‌شده در سنگ‌های پوسته جامد زمین رخ می‌دهد. این انرژی ناشی از حرکت پوسته زمین نسبت به لایه‌های مجاور می‌باشد. این انرژی به‌صورت امواجی از میان لایه‌های زمین عبور کرده و سبب لرزش زمین می‌گردد.

انواع خرابی پل‌ها در اثر زلزله:

• اعم آسیب‌ها دیده‌شده در پل‌ها تحت زلزله عبارت‌اند از:
• خرابی پل در اثر گسیختگی گسل یا روانگرایی خاک
• خرابی نشیمن و انحراف رو سازه در هر دو امتداد طولی و عرضی
• فروریزی و کج شدگی پایه‌های پل به علت خرابی برشی
• فروریزی دهانه‌های پل به خاطر لغزش از نشیمن
• خرابی دیواره پشتیبان کوله

خرابی المان‌های سازهای پل‌ها ناشی از زلزله

ستون‌ها:

ماهیت ترد و ناگهانی شکست برشی باعث شده است در سازه‌های مقاوم در برابر زلزله یکی از مهم‌ترین الزامات، به‌کارگیری تدابیری برای دوری از انهدام برشی ستون‌ها باشد. ازآنجاکه شکست برشی ستون همراه با ایجاد ترک‌های مورب در کل ارتفاع ستون خواهد بود لذا در مقاوم‌سازی ستون‌های بتن در برابر برش لازم است کل ارتفاع ستون مقاوم‌سازی گردد. ستون‌های بتن‌آرمه به دلایل مختلفی ممکن است در اثر برش آسیب‌پذیر باشند، مهم‌ترین این علت‌ها عبارت‌اند از: ناکافی بودن خاموتها، کوتاه بودن ستون‌ها، کمتر بودن ظرفیت برشی اولیه مقطع از نیروی برشی وارد بر آن در هنگام زلزله و نهایتاً کاهش ظرفیت برشی مقطع در هنگام زلزله می‌شود.

تیرها:

سابق بر این توجه کمتری به تیرها به نسبت ستون‌ها در طرح‌های لرزه‌ای و ارزیابی‌ها می‌شد. در بسیاری از پل‌ها تیرهای عرضی قوی‌تر از ستون‌ها هستند به خاطر بارهای وزنی و عمل کامپوزیتی که بارو سازه دارند. همچنین در بسیاری از پل‌ها، نتیجه‌ی شکست تیر پل‌ها بسیار کمتر از نتیجه‌ی شکست ستون پل‌ها می‌باشد.

در پل‌های با تیر کنسولی، (outriggers) به‌هرحال تیرها می‌توانند اعضای بحرانی پایه‌ها باشند و در معرض بارگذاری باشند که شاید منجر به شکست شود.

شیوه‌های نوین مقاوم‌سازی پل‌ها

جداگرها:

جداگرها به‌منظور جداسازی سازه از حرکات شدید زمین هنگام زلزله بکار می‌روند. برخلاف ساختمان که جداسازی آن غالباً از روی فونداسیون انجام می‌پذیرد، در پل‌ها این جداسازی مابین رو سازه و زیر سازه اعمال می‌گردد. علت این امر نیروی اینرسی بسیار زیاد قسمت رو سازه (که شامل وزن عرشه می‌شود) و همچنین سهولت اجرای آن می‌باشد. به‌طورکلی این جداگرها در پل‌ها به دو صورت الاستومتریک (لاستیکی) و اصطکاکی بکار گرفته می‌شوند. این جداگرها به سبب سختی اندک وقتی زیر رو سازه تعبیه می‌گردند موجب افزایش پرویود ارتعاش آزاد کل پل گشته و انتظار می‌رود که این امر باعث کاهش نیروی زلزله وارد به سازه گردد. که معمولاً با توجه به طیف پاسخ تغییر مکان این کاهش نیرو با افزایش تغییر مکان رو سازه پل همراه است.

جداگر لاستیکی:

این جداگرهای از دهه هفتاد میلادی در سازه‌ها بکار گرفته‌شده‌اند در پل‌ها، به‌عنوان یک دستگاه تکیه‌گاهی (که در ایران نئوپرن نامیده می‌شود) اکثراً بکار گرفته می‌شوند. لیکن به‌عنوان یک جداگر در تحلیل سازه پل بکار گرفته نمی‌شود. این دستگاه تکیه‌گاهی از لاستیک طبیعی یا مصنوعی (نئوپرن) و به‌صورت ساده و یا مسلح به ورق‌های فولادی (به‌صورت لایه‌لایه) ساخته می‌شوند. نوع جداگر لرزه ایی آن معمولاً ضربه گیر نئوپرن مسلح می‌باشد که لایه‌های فولادی باعث افزایش سختی جداگرها در جهت قائم شده لیکن در جهت افقی سختی آن کماکان همان سختی برسی لاستیک که ده‌ها برابر کمتر از سختی قائم می‌باشد.

این جداگرها عمدتاً از افزایش پریود سازه در کاهش نیروی زلزله بهره می‌برد و میرایی ویسکوز بحرانی آن حدود 3% می‌باشد. نیروی بازگرداننده در سیستم به‌صورت طبیعی وجود دارد که همان قابلیت ارتجاعی لاستیک می‌باشد. نقطه‌ضعف این جداگرها در مقدار جابجایی بالای آن می‌باشد. این نئوپرنها در تحت زلزله حدوداً باید تا 3 برابر ضخامت خود را در جابه‌جایی جانبی تحمل کنند و پایدار بمانند.

جداگرهای اصطکاکی:

می‌توان گفت این جداگرها از قدیمی‌ترین روش‌های جداسازی است. زیرا که صدها سال پیش بشر کشف‌شده بود که اگر زیر یک ساختمان را با شن گرد پر کند در زلزله روی آن می‌لغزد و می‌تواند پایدار بماند. امروزه جداسازی توسط صفحات فولادی پولیش شده که آغشته به ماده تفلون  شده‌اند انجام می‌پذیرد.

برای آشنایی با مکانزیم جداگرهای تفلونی، پیشنهاد می‌گردد، مقاله ” مزایای استفاده از نئوپرن تفلونی ” را مطالعه فرمایید.

میراگرها

در اثر اعمال بارهای دینامیکی تغیر مکان حاصله همراه با سرعت و شتاب خواهد بود. جهت مقابله با شتاب وارده نیرویی به‌عنوان نیروی لختی در اثر جرم آن و جهت مقابله با سرعت نیرویی به نام میرایی در اثر اصطکاک بین ذرات و لقی اتصالات و غیره به وجود می‌آید و باعث تلف شدن مقداری انرژی می‌شود به این پدیده در اصطلاح میرایی میگویند. با تعبیر میراگر (دمپر) می‌توان اثر تخریب دینامیکی و انتقال جانبی سازه را به حداقل رساند.

بهسازی لرزه ای با استفاده از فوم پلیاستایرن EPS :

خاصیت مهم فوم پلیاستایرن فراوانی، ضربه‌گیری و افزایش مقاومت فشاری پس از تغییر شکل آن می‌باشد. محل نصب این مواد حدفاصل دیوار گوشوارهای کناری در جهت عرضی و بین عرشه و کوله در جهت طولی می‌باشد.

پوشش‌های FRP عمدتاً برای بهسازی رفتار سازهای موجود یا تعمیر خرابی‌های ایجادشده در اثر خستگی، خوردگی، فرسودگی و … در سازه‌های موجود به کار می‌روند. این پوشش به وجه خارجی عضو بتن می‌چسبند. نسبت وزن به مقامت این مواد 50 برابر بتن و 18 برابر فولاد می‌باشد. انواع کامپوزیت‌های پلیمری FRP متداول در مهندسی عمران عبارت‌اند از الیاف کربن CFRP، الیاف شیشه GFRP ،و الیاف آرامید. از محاسن کامپوزیت‌های پلیمری FRP می‌توان به وزن کم، انعطاف‌پذیری بالا، راحتی در جابه‌جایی، سرعت عمل بالا، برشکاری در قطعات دلخواه، سادگی اجرا و امکان تقویت به‌صورت خارجی و از معایب آن نیز می‌توان به آسیب‌پذیری در مقابل آتش‌سوزی و کم‌تجربگی مشاوران و  پیمانکاران اشاره نمود.

 

در اعضای تخت مانند دال‌ها و تیرها صفحات پیش‌ساخته کامپوزیت FRP با عرض 5 تا 15 سانتیمتر بر روی سطح تمیز شده عضو، سطح بتن با ماسه و با فشار هوا تمیز می‌شود و با استفاده از چسبانده می‌شوند.

در اعضای عمودی مانند ستون‌ها برای تقویت از صفحات پیش‌ساخته که در آن‌ها الیاف به‌صورت حلقه‌ای قرار دارند استفاده می‌شود. پس از  آماده‌سازی سطح عضو بتنی با لایه چسب روی آن را می‌پوشاند و صفحه موردنظر ر راستای مشخص روی عضو چسبانده می‌شوند.

مقاوم‌سازی با ورق‌های مسلح به پلیمر:SRP

این تکنیک شامل سیم‌های شکل داده‌شده فولادی با مقاومت بالای مشبک محاط شده در رزین‌های پلیمری می‌باشد. سیستم SRP به‌راحتی قابل‌نصب است و نصب آن شباهت بسیاری به روش‌های مقاوم‌سازی سنتی فیبرهای مسلح با پلیمر FRP می‌باشد. به علت مستحکم بودن، عدم چسبندگی، اجرا سریع دوام بالا از این کامپوزیت استفاده می‌شود. یک اشکال کامپوزیت CFRPمربوط به هزینه آن‌هاست که انگیزه گسترش سیستم‌های کامپوزیتی دیگر با استحکام برابر و هزینه کمتر را شکل می‌دهد.

نتیجه‌گیری:

زلزله یکی از زیان بارزترین بلایای طبیعی است که آثار تخریب آن تا سال‌های متمادی برجای می‌ماند. با توجه به زلزله‌خیز بودن کشور عزیزمان لازم است اقدامات لازم جهت مقاوم‌سازی پل‌ها در برابر زلزله صورت گیرد. استفاده از بتن، فولاد و مواد کامپوزیتی جهت تقویت اعضا بروش سنتی جوابگوی نیروی زلزله نیست و یا هزینه زیادی می‌طلبند و یا به سبب موقعیت خاص پل قابل‌اجرا نیستند. در این پژوهش به این نتیجه رسیده شد که استفاده از انواع جداگرها، میراگرها، فوم پلیاستایرن و … می‌تواند گزینه‌های بعدی باشند. استفاده از سیستم‌های جداساز و تلف کننده انرژی در پل‌ها باعث تمرکز خسارت ناشی از زلزله در محل سیستم‌های تکیه‌گاهی می‌شود و پایه‌ها و کوله‌ها در مقابل خسارات سازه‌ای محافظت می‌شوند.