بررسی رفتار لرزه ای تونل های مسلح شده به کامپوزیت های FRP

رفتار لرزه ای تونل ها

مترو از جمله سازه‌های زیرزمینی بوده و به دلیل داشتن شرایطی خاص نیازمند درنظر گرفتن عواملی در ساخت می‌باشند که در زیر به اختصار عنوان نموده‌ایم :

• ایستگاه‌ها و تونل‌های مترو در شهرهای پر جمعیت برای حل مشکل ترافیک ساخته می‌شوند لذا در صورت آسیب دیدن خطرات جانی و اقتصادی فراوانی ایجاد می‌شود .
• به دلیل احداث اکثر ایستگاه‌ها و تونل‌های مترو در عمق کم سازه‌های سطحی روی آن‌ها اثر می‌گذارند و متقابلاً رفتار تونل‌های مترو نیز روی سازه‌های سطحی اثر می‌گذارد.
• شهرها معمولاً در مناطق مسطح و آبرفتی توسعه می‌یابند لذا این سازه‌ها نیز در لایه‌های رسوبی منفصل توسعه می‌یابند که این شرایط خاصی را بر سازه‌ها حاکم می‌کند.
• در ایستگاه‌ها معمولاً نیاز به فضاهای با دهانه بزرگ وجود دارد. که این امر آسیب‌پذیری این سازه‌ها را افزایش می‌دهد .

لذا با توجه به موارد فوق توجه به آسیب‌پذیری و تحلیل و طراحی لرزه‌ای و در گام بعد بهسازی لرزه‌ای ایستگاه‌ها و تونل‌های مترو اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. روش‌های بهسازی لرزه‌ای متفاوتی برای تونل‌ها وجود دارد که مبتنی بر نوع پوشش و مشخصات خاک محل احداث تونل می‌باشد. در ادامه به معرفی چند روش بهسازی لرزه‌ای تونل‌ها پرداخته می‌شود.

• استفاده از راک بولت برای مهار حرکت گوه‌های سنگی و استفاده از راک بولت به همراه شاتکریت برای تونل‌هایی که در خاک‌های نرم احداث می‌شوند.
• استفاده از ملات های پر کننده مانند پلی اورتان جهت پر کردن گوه‌های گسیختگی و ترک‌های خاک اطراف تونل.
• تزریق دوغاب جهت برقراری سطح تماس کامل بین پوشش و خاک .
• استفاده از اپوکسی جهت پر کردن ترک‌های پوشش.

استفاده از ورق FRP جهت تسلیح و افزایش مقاومت محوری، برشی و خمشی پوشش. شکل زیر [1] نمایی از نقش هریک از روش‌های معرفی شده جهت بهسازی لرزه‌ای تونل را نشان می‌دهد.

شکل 1 : (A) سطح گسیختگی، (B) استفاده از راک بولت، (C) تزریق پلی اورتان جهت پر کردن گسیختگی، (D) تزریق دوغاب جهت ایجاد سطح تماس بین پوشش و خاک، (E) پر کردن ترک با استفاده از اپوکسی، (F) تسلیح پوشش با استفاده از FRP.

بحث تحلیل و طراحی و بهسازی لرزه‌ای در قالب کتاب‌ها و مقالات طی دو دهه اخیر مورد بررسی قرار گرفته است، در ادامه به معرفی برخی از مقالات مهم منتشر شده در این زمینه پرداخته می‌شود.

تیلور و همکاران در سال 2005 با استفاده از مدل‌های عددی پاسخ دینامیکی تونل را قبل و بعد از بهسازی موردبررسی قرار دادند .

صدقیانی و ضامنی در سال 1391 به بررسی تاثیر گسل بر پایداری تونل در شرایط استاتیکی و دینامیکی پرداخته است. در این مقاله برای مدل‌سازی از روش المان اجزا (DEM) و از نرم‌افزار تجاری (UDEC) استفاده شده است.

کورتزیس و همکاران در سال 2013 اثر مشخصات مکانیکی خاک ناحیه اندرکنش خاک و تونل را بر نیروها و لنگرهای خمشی ایجاد شده در پوشش تونل در اثر انتشار امواج S و P با مدل‌سازی اجزای محدود مورد بررسی قرار داده است.

مرتضایی و همکاران در سال 2009 در مقاله‌ای پاسخ لرزه‌ای ساختمان‌های بتن مسلح را تحت اثر زلزله‌های حوزه نزدیک قبل و بعد از مقاوم‌سازی سازه با ورقه‌های FRP مورد بررسی قرار داده‌اند.

در مقاله حاضر رفتار لرزه‌ای یکی از ایستگاه‌های مترو شهر کرج مورد بررسی قرار گرفته شده است و در حالت ویژه بهسازی رفتار آن با به کارگیری صفحات FRP به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفت. برای این منظور از توسعه مدل اجزای محدود استفاده گردید.

مشخصات ایستگاه مترو مورد مطالعه

مشخصات ساختگاه

ایستگاه مورد مطالعه یکی از ایستگاه‌های خط 2 متروی کرج می‌باشد وضعیت ژئوتکنیک ساختگاه با مطالعه گزارشات مربوط به مشاهدات حین حفاری و نتایج آزمایشگاهی، به طور کلی خاک زیر سطحی محدوده مورد بررسی را می‌توان در سه گروه لایه خاک دستی خاک ریزدانه و خاک درشت‌دانه طبقه‌بندی نمود. قسمت فوقانی خاک طبیعی محدوده ساختگاه از لایه‌های خاک اغلب ریزدانه رسی (CL) گاهی ماسه یا لای و به ندرت ماسه رس و لای دار (SC) و (SM) تشکیل گردیده است؛ ضخامت این لایه در نواحی مختلف بین صفر تا 15 متر متغیر می‌باشد. نتایح حاصل از بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد که قسمت تحتانی خاک زیر سطحی ساختگاه از لایه‌های خاک درشت‌دانه اغلب گرد گوشه شن و ماسه رس گاهی لای دار با تراکم متوسط تا بسیار متراکم تشکیل گردیده است. این لایه دارای حداقل ضخامت 10 متر می‌باشد.

خلاصه‌ای از اطلاعات اولیه ساختگاه در جدول 1 ارائه شده است :

جدول 1 : اطلاعات اولیه ساختگاه

مشخصات سازه

پوشش تونل مورد مطالعه از بتن در جار ریز به ضخامت متوسط 35 سانتی‌متر تشکیل شده است. عرض داخلی تونل 17 متر و ارتفاع آن 11 متر می‌باشد، شکل 2 شماتیکی از مقطع پوشش را نشان می‌دهد؛ حفاری تونل در دو مرحله نیم مقطع فوقانی و نیم مقطع تحتانی صورت می‌گیرد. برای حفاری تونل در محل ایستگاه تنها حفاری فوقانی صورت می‌گیرد.

شکل 2 : مقطع پوشش

مشخصات بتن پوشش در جدول زیر ارائه شده است :

جدول 2 : مشخصات بتن

مشخصات FRP

از آنجایی که FRP در بسیاری موارد متشکل از الیاف یک طرفه می‌باشد. فرض Isotropic برای آن دور از واقعیت می‌باشد، بنابراین رفتار FRP در مدل‌سازی Lamina فرض شد، جهت‌گیری الیاف FRP تنها در راستای طولی و عرضی المان‌های پوشش در نظر گرفته شد مدول الاستیسیته و ضریب پواسون جهات مربوطه در جدول زیر ارائه شده است، اعداد 1 و 2 راستای محورهای اصلی می‌باشد.

جدول 3 : مشخصات FRP

مدل‌سازی عددی

در تحقیق حاضر به کمک روش اجزای محدود و نرم‌افزار ABAQUS مدل‌سازی عددی صورت گرفته شد تا تأثیرFRP بر روی رفتار لرزه‌ای پوشش مورد بررسی قرار گیرد، نمایی از مدل ساخته شده در شکل 3 ارائه شده است.

شکل 3 : مدل خاک و لاینیگ در نرم‌افزار آباکوس

مدل‌سازی حفاری با کاهش سختی و غیر فعال‌سازی المان در گام بعدی صورت می‌گیرد، و اضافه کردن پوشش به جدار تونل با فعال‌سازی المان پوشش صورت می‌گیرد، ابعاد مقطع تونل بر اساس پلان ایستگاه مورد مطالعه در نظر گرفته شد، ابعاد المان خاک نیز در گام نخست پنج برابر بزرگترین بعد تونل از جداره تونل تا مرز کناری در نظر گرفته شد، با انجام چندین آنالیز و بررسی ناحیه تأثیر حفاری در نهایت عدد 200 متر برای طول و 160 متر برای عمق قطعه خاک در نظر گرفته شد. رفتار مدل Plain Strain فرض شد و به منظور نصب FRP بر روی دیواره پوشش ضخامت مدل یک متر درنظر گرفته شد .

المان‌های خاک شامل المان‌های گوه‌ای شش گره‌ای (6-noded Wedge element) در ناحیه اطراف تونل و المان‌های مکعبی هشت گره‌ای (8-noded hexahedron element) در سایر نقاط قطعه خاک می‌باشند. المان بندی پوشش نیز با استفاده از المان‌های گوه‌ای شش گره‌ای (6-noded Wedge element) صورت گرفت.

مدل رفتاری خاک مدل موهر کلمب و رفتار پوشش الاستیک فرض شد.

مدل‌سازی استاتیکی

در گام مدل‌سازی استاتیکی شرایط تکیه‌گاهی به منظور جلوگیری از حرکت افقی به مرزهای جانبی مدل اعمال گردید همچنین انتهای مدل نیز به منظور محدود کردن جابجایی قائم مقید شد و درجه آزادی خارج از صفحه مدل نیز بسته شد .

تحلیل استاتیکی مدل در پنج گام انجام شد، در گام اول وزن مخصوص مؤثر به لایه‌های خاک اعمال شد، اعمال این شرایط تنش‌های افقی در مدل ایجاد می‌کند، بنابراین در همین گام مقدار ضریب فشار محاسبه شد.

در گام دوم سختی المان‌های داخل تونل با استفاده از روش کاهش بار کاهش داده شد، فرضیات این روش به این صورت است که در ابتدا فشار وارد بر مرز داخلی فضای زیرزمینی برابر فشار خارجی ناشی از زمین در نظر گرفته می‌شود، سپس فشار داخلی با ضریب (1-) کاهش داده می‌شود.

در گام سوم المان‌های داخل تونل حذف می‌شوند و نیروهای گره‌ای ناشی از المان‌های حذف شده به مرز حفاری اعمال می‌شوند، سپس این نیروها به میزان 25 درصد کاهش داده می‌شوند در گام چهارم المان‌های پوشش به مدل اضافه شده و در گام پنجم نیروهای گرهی وارد به مرز حفاری نیز به تدریج از مرز حذف می‌شوند.

شکل 4 : تغییرات ضریب بار در گام‌های مختلف تحلیل

مدل‌سازی دینامیکی

در زمین طبیعی اطراف سازه زیرزمینی کاملاً نامحدود بوده و موج در یک محیط بینهایت منتشر می‌شود. این در حالی است که در مدل‌سازی عددی فضای زیرزمینی و خاک اطراف آن محدود می‌باشند، در تحلیل استاتیکی محدود کردن خاک اطراف فضاهای زیرزمینی با در نظر گرفتن ناحیه تأثیر فضای زیرزمینی امکان‌پذیر است در حالیکه در تحلیل دینامیکی این امر باعث انعکاس انرژی امواج برشی از طریق مرزها به داخل هندسه مدل می‌شود، برای جلوگیری از این امر استفاده از مرزهای جاذب یا میراگرها در مدل‌های عددی رایج است. در این تحلیل از مرزهای جاذب با بکارگیری المان نا محدود از نوع مکعبی هشت گره‌ای که از یک سمت نامحدود هستند استفاده شده است. این المان‌ها مانند میراگر عمل کرده و به این ترتیب رفتار مجموعه خاک و سازه با دقت بالاتری شبیه‌سازی می‌شود.

بارگذاری لرزه‌ای

بار لرزه‌ای به صورت شتاب نگاشت به پای سازه اعمال گردیده است.

شکل 5 : شتاب‌نگاشت اعمال شده به مدل

نتایج مدل‌سازی عددی

نتایج بدست آمده در سه موقعیت مختلف پوشش، بر اساس ارزیابی و مقایسه نیروی محوری، نیروی برشی و لنگر خمشی تاج، دیواره‌های تونل و کف تونل در دو مدل تسلیح یافته با FRP و بدون FRP ارائه شده است.

محل قرارگیری شیت های FRP در مدل تسلیح یافته با FRP در تاج و دیواره‌های تونل می‌باشد، شکل (6) موقعیت شیت های FRP را در مدل نشان می‌دهد.

شکل 6 : موقعیت شیت های FRP در دیواره داخلی پوشش

ابتدا تأثیر وجود FRP در تاج تونل (A) و سپس تأثیر آن بر روی کف تونل (B) مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

بررسی نیروی محوری، نیروی برشی و لنگر خمشی در تاج تونل

نیروی محوری تغییرات نیروی محوری مقطع تونل در محل تاج برحسب زمان در نمودار زیر ارائه شده است، در مدل تسلیح یافته با FRP نیروی محوری بیشتری ایجاد شده است که این امر حاکی از افزایش سختی مقطع تسلیح یافته با FRP نسبت به مدل بدون FRP است.

شکل 7 : تاریخچه نیروی محوری تاج تونل

نیروی برشی

تغییرات نیروی برشی مقطع تونل در محل تاج برحسب زمان در نمودار زیر ارائه شده است.

شکل 8 : تاریخچه نیروی برشی تاج تونل

لنگر خمشی

مقادیر لنگر خمشی ایجاد شده در راستای طولی پوشش در دو مدل اندک است، دلیل این امر کوچک بودن بعد عمود بر صفحه پوشش (یک متر) نسبت به بعد داخل صفحه آن است.

شکل 9 : تاریخچه لنگر خمشی تاج تونل

بررسی نیروی محوری، نیروی برشی و لنگر خمشی در کف تونل

کف تونل در هر دو مدل فاقد FRP است، با توجه به این موضوع در ادامه رفتار لرزه‌ای کف تونل مورد بررسی قرار می‌گیرد.

نیروی محوری

شکل زیر تاریخچه زمانی تغییرات نیروی محوری را در کف تونل نشان می‌دهد.

شکل 10 : تاریخچه نیروی محوری کف تونل

نیروی برشی

تاریخچه زمانی تغییرات نیروی برشی کف تونل ارائه شده است،  با مقایسه مقادیر ماکزیمم نمودار تغییرات نیروی برشی در تاج و کف تونل این نتیجه حاصل می‌شود که حداکثر نیروی برشی ایجاد شده در مقطع کف تونل 35%  بیشتر از حداکثر نیروی برشی ایجاد شده در تاج تونل است.

شکل 11 : تاریخچه نیروی برشی کف تونل

لنگر خمشی

با مقایسه تاریخچه زمانی لنگر خمشی در تاج و کف تونل حداکثر لنگر خمشی مثبت در کف تونل حدود 10 برابر تاج تونل است.

شکل 12 : تاریخچه لنگر خمشی کف تونل

 نتیجه‌گیری

در تحقیق حاضر با استفاده از نرم‌افزار آباکوس مدلسازی عددی صورت گرفت تا تأثیر FRP بر روی رفتار لرزه‌ای پوشش مورد بررسی قرار گیرد. اثر FRP از طریق بررسی نیروی محوری، نیروی برشی در مقطع تونل، و لنگر خمشی ایجاد شده در راستای طولی تونل در دو المان واقع در تاج (A) و کف تونل (B) مورد بررسی قرار گرفت، المان واقع در تاج تونل در مدل اول بدون FRP و در مدل دوم با شیت های FRP تسلیح یافته بود.

المان واقع در کف تونل در هر دو مدل فاقد FRP بود. نتایج تحلیل عددی نشان داد که استفاده از شیت های FRP روی سطح داخلی پوشش تونل بر روی ظرفیت محوری و برشی مقطع پوشش تأثیرگذار است. تأثیرات FRP بر روی رفتار لرزه‌ای پوشش مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در جدول زیر درصد اختلاف میانگین نیروهای داخلی و لنگر خمشی ایجاد شده در پوشش، ارائه شده است.

جدول 4 : اختلاف میانگین نیروهای داخلی و لنگر خمشی

میزان نیروی محوری ایجاد شده در مقطع در حالت بهسازی با شیت های FRP نسبت به مدل بدون FRP به طور متوسط 97.9% در المان تاج تونل و 55.35% در المان کف تونل افزایش یافته که این امر حاکی از افزایش سختی و ظرفیت محوری پوشش تسلیح یافته با FRP است.

میزان نیروی برشی ایجاد شده در مقطع در حالت بهسازی با شیت های FRP به طور متوسط 13.3% در المان تاج و 5.42% در المان کف افزایش یافته است.

ظرفیت خمشی نیز به طور متوسط 14.5% در تاج و 3.75% در کف تونل افزایش یافته است.

با توجه به داده‌های ارائه شده در جدول 1 نتیجه گیری می‌شود که بیشترین تأثیر FRP بر افزایش ظرفیت محوری پوشش است، نتیجه دیگری که استنباط می‌شود تأثیر موضعی FRP بر افزایش سختی پوشش است، بطوری که افزایش ظرفیت پوشش در محل تاج 61% بیشتر از افزایش ظرفیت در کف تونل است.

منابع

1. ” بررسی رفتار لرزه‌ای تونل‌های مقاوم‌سازی شده با FRP”؛ رامین پورزند، مرتضی اسماعیلی، عبدالحسین بغلانی؛ دومین کنفرانس ملی زلزله؛ 1394.
2. Se Woon Choi, Yousok Kim, Hyo Seon Park, “Multi-objective seismic retrofit method for using FRP jacketsin shear-critical reinforced concrete frames,” Composites: Part B 56 (2014) 207–216
3. محمد حسین صدقیانی، شیما ضامنی، “بررسی تأثیر گسل بر پایداری تونل،” ؛ نهمین کنگره بین‌المللی مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اردیبهشت ماه 1391.