بهسازی پل در ژاپن و درس هایی از زلزله کوبه

ژاپن در طول تاریخ به عنوان یکی از لرزه خیزترین کشور های جهان، همواره متحمل آسیب های شدیدی ناشی از زلزله های بزرگ شده است. بیش از سه هزار پل بزرگراهی از زمان زلزله 1923 کانتو تاکنون دچار خرابی های مختلف شده اند. بر اساس این تجربیات در کشور ژاپن، تکنولوژی جلوگیری از آسیب های لرزه ای پل های بزرگراهی به مرور زمان توسعه یافت.به طور مثال، قواعد مختلفی به منظور عدم بروز مشکلات ناشی از ناپایداری خاک مانند روانگرایی تدوین و جزییات طراحی در به کار گیری ابزار جلوگیری از افتادن عرشه پل تنظیم شد. به این ترتیب با پیشرفت قوانین طرح لرزه ای، در سال های اخیر صدمات پل ها تحت زلزله تا حد زیادی کاهش یافت.

تاریخچه آیین نامه های طرح لرزه ای پل ها در ژاپن:

یک سال پس از زلزله کانتو، اثر زلزله در طراحی پل ها در نظر گرفته و ( روش طرح لرزه ای کوله و پایه) ارائه شد. روش طرح لرزه ای با تجربیات حاصل از زلزله پیشین به مرور توسعه و پیشرفت پیدا کرد.

در سال 1971 و با انتشار ( مشخصات طرح لرزه ای پل های بزرگراهی)، نکات مربوط به طراحی لرزه ای، روانگرایی خاک و ابزار جلوگیری از افتادن عرشه پل مطرح شدند. در سال 1980 این آیین نامه ویرایش شد و این نکات به صورت بخش پنجم:طرح لرزه ای، در مشخصات طراحی پل های بزرگراهی در آمد که در آن روش محاسبه ابتدایی شکل پذیری پایه های بتن مسلح در مراجع آورده شدخ بود. در سال 1990 این آیین نامه مورد بازنگری قرار گرفت و در آن محاسبه مربوط به شکل پذیری پایه های بتن مسلح، روانگرایی خاک، آنالیز دینامیکی پاسخ و جزییات راحی به طور مشروح آورده شد.

 

تاریخچه ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای و بهسازی پل ها در ژاپن:

وزارت ساختمان ژاپن از سال 1971، در پنج مرحله عملیات ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای پل های کشور را انجام داد و بهسازی لرزه ای پل های آسیب پذیر بر مبنای این تحقیقات با موفقیت صورت گرفت. اولین ارزیابی لرزه ای  در سال 1971 و به دنبال آسیب های جدی وارده بر پل ها در زلزله 1971 سن فرنادو آمریکا و برای جلوگیری از وقوع وقایع مشابه در ژاپن انجام شد که در آن پل های بزرگراهی با دهانه مساوی و بیشتر از 5 متر در کلیه مسیر های شاهراهی و بزرگراهی مورد ارزیابی قرار گرفتند.در این ارزیابی، خرابی هایی از جمله ترک های قسمت ها بتن مسلح، کج شدن، لغزش، نشست و شستگی پی ها مورد توجه قرار گرفتند و از میان حدود 18000 پل مورد بررسی، 3200 پل نیازمند بهسازی شناخته شدند. پس از اولین مرحله، مراحل بعدی ارزیابی در سال های 1976، 1979، 1986، 1991، با افزایش تدریجی تعداد پل ها و موارد ارزیابی، انجام شد. تحقیقات سال 1986، با افزایش نیاز چامعه به اطمینان از امنیت لرزه ای ترافیک و به دنبال خرابی های ناشی از زلزله اوراکاوا اوکی 1982 و نیون-کای-چوبو 1983 صورت گرفت. که در آن کلیه پل های با دهانه بیشتر از 15 متر در مسیر آزادراهی، بزرگراهی، راه های اصلی محلی و روگذرها بررسی شدند. براساس معیارهای ارزیابی اضمحلال، ابزار جلوگیری از سقوط عرشه پل، مقاومت زیرسازه و پایداری پی، از کل تعداد40000 پل، 11800 پل نیازمند ارزیابی قرار گرفتند که حدود 18000 هزار پل نیازمند بهسازی شناخته شدند و به دنبال  این بررسی ها، حدود32000 پل تا آخر سال 1994 بهسازی لرزه ای گردیدند.

تحقیقات سال های 1986 و 1991 بر مبنای تحلیل آماری پل های آسیب دیده و سالم در زلزله های گذشته انجام شد. از آنجایی که سقوط عرشه بستگی به لنگر واژگونی روسازه نسبت به زیر سازه دارد و شکست زیر سازه با نبود مقاومت کافی در ارتباط است، هر دو این عوامل مورد بررسی قرار گرفت اند. در روند انجام بهسازی های لرزه ای در ابتدا تاکید بر استفاده از ابزار جلوگیری از افتادن عرشه پل بود، اما باگذشت زمان و تکمیل نصب این ابزار، ارتقای مقاومت زیر سازه، تامین مقاومت جانبی و شکل پذیری نیز اهمیت پیدا کرد.

درس های از زلزله کوبه:

اهمیت زلزله کوبه به دلیل وقوع آن بعد از زلزله فوکو 1948 در منطقه شهری ژاپن می باشد. اگر چه بزرگای این زلزله در طبقه بندی متوسط قرار می گرفت، اما حرکت زمین بسیار بزرگتر از آنچه در آیین نامه ها در نظر گرفته شده بود،اتفاق افتاد. عمق کانونی، این زلزله کم و بسیار نزدیک به شهر کوبه بود. پس از این زلزله کمیته ای ویژه، بررسی ها خود را در مورد خرابی های پل های بزرگراهی آغاز کرد و حدود 3396 پایه مورد بررسی قرار داد. از بررسی های انجام شده نتایج زیر بدست آمد:

1. تعدادی از پایه های بتن مسلح در نیمه ارتفاع خود به شدت آسیب دیدند دلیل این آسیب دیدگی، عدم وجود مهاری کافی در محل قطع آرماتورهای طولی بود. همچنین این پل ها در ناحیه انتهایی پایه های خود نیز دچار خرابی شدند.تمامی این پایه ها قبل از 1980 طراحی شده بودند.
2. تعدادی از پایه های پل های فولادی در جان و بال مقطع مستطیلی، تحت نیروی افقی زلزله دچار کمانش موضعی شده بودند. پس از آن شکستگی در جوش های کناره ها اتفاق افتاده و با کاهش مقاومت قائم پایه ها، عرشه پل فرونشسته بود. اکثر آسیب های روسازه به علت آسیب دیدگی تکیه گاه ها اتفاق افتاده بود. به علاوه نگهدارنده ها در بعضی از تکیه گاه ها نیز دچار خرابی شدند.
3. تعداد از ابزارهای اتصال شاه تیرهای مجاور یکدیگر، در جلوگیری از فرو افتادن روسازه به طور موثر عمل نکرده بودند.
4. خرابی های بسیاری از جمله شکست بولت ها، خرابی خود تکیه گاه های فلزی اتفاق افتاد. در مقابل تکیه گاه های لاستیکی بسیار کمتر از تکیه گاه های فلزی دچار آسیب شدند.

نیاز به مطالعات بیشتر در زمینه روانگرایی خاک و اثر آن بر تخریب پل احساس شد. به این علت که خاک های در جریان این زلزله دچار روانگرایی شدند که طبق آیین نامه های قبل نیاز به کنترل این مورد نداشتند.

برنامه بهسازی پس از زلزله کوبه:

پس از وقوع زلزله کوبه، باری تعمیر و نوسازی پل های بزرگراهی دستورالعمل منتشر شد. این دستورالعمل برای پل های آسیب دیده در جریان زللزه کوبه به کار برده شد و پل های جدید باید به گونه ای طراحی می شدند که با ایمنی سازه ای کافی، زلزله کوبه را تحمل کنند.

برای رسیدن به این هدف، اصول اولیه زیر را در نظر گرفته شد:

• برای افزایش شکل پذیری کل سیستم پل لازم است که مقاومت دینامیکی وشکل پذیری برای کلیه اعضای سازه ای تاثیر پذیر در زلزله، تامین شود. اگرچه از سال 1990 نحوه محاسبه این دو مشخصه برای پایه های بتن مسلح در آیین نامه ها آورده شده است، اما لازم است برای سایر عناصر سازه ای مثل پایه های فلزی و پی ها نیز در نظر گرفته شود.
• ایمنی لرزه ای در مقابل زلزله کوبه به وسیله تحلیل پاسخ دینامیکی با در نظر گرفتن رفتار غیر خطی عناصر سازه ای بررسی شود
• در طراحی پل های با دهانه های یکسره و پایه های مرتفع، مناسب تر این است که برای بخش نیروی جانبی روسازه بر زیر سازه از روش طراحی منشین استفاده شود. این روش طراحی که شبیه جداسازی لرزه ای است، بر افزایش قابلیت اتلاف انرژی و بخش نیروی جانبی از عرشه به زیر سازه تاکید دارد.
• به منظور تامین شکل پذیری کافی در پایه های بتن مسلح لازم است به میزان کافی در آن ها خاموت استفاده شود و از قطع آرماتورهای اصلی در میانه ارتفاع پایه ها اجتناب شود.
• جهت حصول مقاومت دینامیکی و شکل پذیری، پایه های فلزی باید با بتن پر شوند. در غیر این صورت، علیرغم وجود سخت کننده های طولی و دیافراگم ها، در صفحات جان و بال، کمانش موضعی رخ می دهد که منجر به کاهش ناگهانی ظرفیت تکیه گاه در جهت عرضی و کاهش اتلاف انرژی از مقدار پیش بینی شده می شود. این مسئله همچنین از ظرفیت تکیه گاهی پایه های فلزی و جهت قائم نیز می کاهد.
• طراحی پی ها باید به گونه ای صورت گیرد که باربری کافی و ظرفیت تغییر شکل در مقابل نیروهای جانبی را دارا باشند. همچنین لازم است باربری دینامیکی و ظرفیت تغییر شکل پی ها بیشتر از مقاومت خمشی و شکل پذیری پایه ها باشد تا از بروز خرابی در شالوده جلوگیری شود.
• استفاده از تکیه گاه های لاستیکی توصیه می شود. در طراحی این تکیه گاه ها، باید ساز و کار مناسبی برای انتقال نیرو از روسازه به زیر سازه در نظر گرفته شود.
• لازم است ابزاری جهت جلوگیری از افتادن روسازه از رویزیر سازه تعبیه شود. در این مورد باید به مسائلی نظیر اتلاف انرژی و افزایش مقاومت و ظرفیت تغییر شکل توجه کافی شود.
• در محل های مستعد روانگرایی و در نتیجه جابه جایی جانبی خاک، تاثیر این مسئله حتما در طراحی باید در نظر گرفته شود.