چکیده

شالوده های شمعی به عنوان یکی از مناسبترین سازه های نگهدارنده در مناطق لرزه خیز، چه در خاکهای غیرروانگرا و چه روانگرا دارای پروسه طراحی پیچیده ای می باشند. دلیل این امر جابجایی و کرنش زیاد در خاک، ناشی از بارگذاری لرزهای می باشد که به دنبال خود پیامدهایی مثل بروز رفتار غیرخطی از جانب خاک، کاهش مدول برشی و افزایش میرایی را موجب می شود. لذا آن چه در ارتباط با این کرنشها اهمیت پیدا می کند محاسبه صلبیت تک تک شمع ها و بدنبال آن صلبیت گروه شمع با استفاده از ضرایب اندر کنش گروه خواهد بود در این راستا میزان مشارکت هر شمع، هر چند اندک، حائز اهمیت بوده، نحوه عملکرد هر شمع و نیز گروه شمع ها با استفاده از اصول لرزه ای قابل بررسی خواهد بود. در خاک های مستعد روانگرایی روند افزایشی فشار آب منفذی، این احتمال را به همراه دارد که مقاومت و استحکام خاک کاهش یافته و در نتیجه لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بسیار زیادی در شمع ایجاد شود. مکانیسم عملکرد شمع ها در خاک های روانگرا در سال های اخیر توسط افراد مختلفی و بر پایه مشاهدات حاصل از رفتار شمع در حین زلزله و نیز مدل سانتریفوژی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است . چگونگی این عملکرد به شدت تحت تأثیر رفتار غیرخطی خاک بوده ، به گونه ای که جابجایی حاصل از این رفتار غیرخطی،منجر به کاهش مدول برشی و نیز افزایش خاصیت میرایی در خاک شده که نتیجه آن پیدایش فشار مخرب جانبی در شمع خواهد بود . ( . ( Ishihara 2004 در این مقاله به بررسی رفتار شمع ها در مواجه با روانگرایی در خاک ها پرداخته شده است و برخوردهای آیین نامه ای در این رابطه مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است .

کلمات کلیدی : روانگرایی – شمع – liquefaction – میرایی

۱

واحد خمینی شهر

.۱ مقدمه

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

شالوده های شمعی به عنوان یکی از مناسبترین سازه های نگهدارنده در مناطق لرزه خیز، چه در خاک های غیرروانگرا و چه روانگرا دارای پروسه طراحی پیچیده ای می باشند. دلیل این امر جابجایی و کرنش زیاد در خاک، ناشی از بارگذاری لرزهای می باشد که به دنبال خود پیامدهایی مثل بروز رفتار غیرخطی از جانب خاک، کاهش مدول برشی و افزایش میرایی را موجب می شود. لذا آن چه در ارتباط با این کرنشها اهمیت پیدا می کند محاسبه صلبیت تک تک شمع ها و بدنبال آن صلبیت گروه شمع با استفاده از ضرایب اندر کنش گروه خواهد بود در این راستا میزان مشارکت هر شمع، هر چند اندک، حائز اهمیت بوده، نحوه عملکرد هر شمع و نیز گروه شمع ها با استفاده از اصول لرزه ای قابل بررسی خواهد بود.

در خاک های مستعد روانگرایی روند افزایشی فشار آب منفذی، این احتمال را به همراه دارد که مقاومت و استحکام خاک کاهش یافته و در نتیجه لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بسیار زیادی در شمع ایجاد شود. مکانیسم عملکرد شمع ها در خاک های روانگرا در سال های اخیر توسط افراد مختلفی و بر پایه مشاهدات حاصل از رفتار شمع در حین زلزله و نیز مدل سانتریفوژی مورد بحث و بررسی قرار گرفته که در ادامه خواهد آمد. چگونگی این عملکرد به شدت تحت تأثیر رفتار غیرخطی خاک بوده،به گونه ای که جابجایی حاصل از این رفتار غیرخطی،منجر به کاهش مدول برشی و نیز افزایش خاصیت میرایی در خاک شده که نتیجه آن پیدایش فشار مخرب جانبی در شمع خواهد بود. (Ishihara 2004)

۲٫ روانگرایی

در مناطق مستعد زمین لرزه، دارای ماسه های با تراکم کم تا متوسط و در جاهایی که سطح آب زیرزمینی نزدیک به سطح زمین باشد نیز از شمع ها برای ایجاد تکیه گاه ساختمان ها و پل ها استفاده میشود. تحت تأثیر لرزش های متوسط تا قوی ، خاک ماسه ای اشباع شل و متوسط دچار روانگرایی شده و بعلت افزایش فشار آب منفذی، رفتاری شبیه به یک سوپانسیون جامد خواهد داشت. به عبارت دیگر ماسه به صورت ماسه روان درآمده و دیگر قادر به تحمل بار نمی باشد. این چنین انباشته هایی ، خاک های روانگرا گفته شده و این پدیده را روانگرایی می نامند. در حال حاضر گسیختگی و صدمات جدی وارد به شالوده های شمعی در خاک های روانگرا که پس از زلزله های بزرگ رخ می دهد نگرانی شدیدی را برای مهندسین زلزله پدید آورده.

۲

واحد خمینی شهر

۳٫ بحث

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

شکل – ۱ نمونه هایی از روانگرایی ایجاد شده

شمع ها به عنوان اعضای لاغر و بلند،گونه خاصی از شالوده ها هستند که در اعماق زمین کار گذاشته می شوند و عملکرد آنها مطابق شکل روبرو،به صورت انتقال بار ناشی از سازه فوقانی به اعماق زمین می باشد. این شالوده های عمیق در محل هایی به کار می روند که خاک واقع در اعماق سطحی زمین،ضعیف و دارای ظرفیت باربری کمی است . شمع ها، بار حاصل از سازه فوقانی را به دو روش انتقال می دهند :

الف) برش ایجاد شده در سطح شمع به دلیل اصطکاک شمع با خاک .

۳

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

ب) مقاومت نقطه ای ناشی از ظرفیت انتهای شمع .

شکل – ۲ قرارگیری شمع در خاک روانگرا

. ۴ یادآوری

چنانچه این بستر ماسه ای به دلیل سطح آب زیرزمینی بالا، اشباع باشد ، مقاومت و سختی خود را در خلال زمین لرزه از دست داده، خاک شبیه به یک سیال ضخیم (مثل ماسه روان) عمل می کند ، در واقع خاک که قبل از زلزله سخت و جامد بود، در خلال لرزش تبدیل به سیال مانندی می شود. (روانگرایی) به عنوان مثال زلزله های ۱۹۶۴ نیگاتا، ۱۹۶۴ آلاسکا و ۱۹۹۲ کوبه که خاک دچار پدیده روانگرایی شد. سازه های متکی بر شالوده های شمعی علیرغم بهره گیری از ضریب اطمینان بالا در طراحی،همچنان دچار گسیختگی و خسارات سنگینی در خاک های روانگرا در اثر زلزله های بزرگ می شوند.

شکل – ۳ اثرپذیری شمع ها در اثر زلزله در خاک روانگرا

۴

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

صدمات وارد به شمع ها در زیر زمین به وقوع می پیوندد و برای بررسی ریز بینانه و دقیق این گسیختگی ها،چاره ای جز عملیات حفاری در عمق زمین نمی باشد. ۲۰ سال پس از زلز له ۱۹۶۴ نیگاتا و به دنبال زلز له ۱۹۹۲ کوبه استفاده از حفاری و بیرون کشیدن شمع از لایه های زیرین خاک و عکاسی از آنها با دوربین های درون گمانه ای،تبدیل به روشی متداول برای بررسی صدمات وارد به شمع ها شد. این بررسی موشکافانه، اطلاعات دقیقی را از محل ترک ها و الگوی گسیختگی شمع ها به دست داد.

بروز گسیختگی در شالوه های شمعی بعنوان مهم ترین آسیب حاصل از زلزله مطرح بوده که دلیل اصلی وقوع آن از دید بسیاری از محققیق،تغییر شکل و تغییر مکان جانبی دائمی حاصل از زلزله در سازه شمع می باشد. ضمن اینکه تغییر شکل با شیب رو به پایین لایه های زمین مجاور شمع،شاهدی بر این مدعا می باشد.

در نظریه رایج درمورد گسیختگی شمع ها در چنین شرایطی، شمع ها همچون المان تیر از ساختمان فرض شده و چنین مطرح می شود که این بار جانبی حاصل از اینرسی و تغییر مکان جانبی است که خمش منجر به گسیختگی شمع را نتیجه می دهد.

شکل – ۴ گسیختگی در شالوده های شمعی

شکل – ۵ بارگذاری بر روی شمع ها و تاثیر خاک روانگرا

۵

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

آیین نامه طراحی ژاپن، مطابق شکل زیر با الهام از مفاهیم ذکر شده در طراحی شمع ها علیه خمش بیان می کند قسمت غیررونگرا فشار جانبی مقاوم (Passive) را به شمع اعمال می کند. از سوی دیگر، سهم قسمت روانگرا برابر با %۳۰ کل فشار اعمال شده بوده و بصورت محرک یا Active می باشد. این در حالی است که سایر آئین نامه ها مثل آیین نامه آمریکا و اروپا نیز تأکید فراوانی روی مفهوم خمش دارند.

برای اولین بار NRC تغییر مکان جانبی را مهم ترین عامل گسیختگی شمع ها اعلام نمود. تا آنجا که کمترین بحث و تردیدی در آن نمی رفت و بسیاری از محققین نیز با تکیه بر این اصل مطالعات فراوانی را انجام دادند.

Hamada در سال ۲۰۰۰ در دوازدهمین کنگره جهانی مهندسی زلزله،حرکت و تغییر مکان های جانبی و پیوسته لایه غیر روانگرای واقع در بالای خاک روانگرا را، عامل اصلی وارد آمدن خسارت به شمع اعلام نمود. چرا هنوز شالوده های شمعی در اثر زلزله دچار گسیختگی می شوند!؟؟؟

شکل – ۶ گسیختگی و شکل گیری مفصل پلاستیک

مطابق شکل، گسیختگی سازه ای شمع ها در اثر شکل گیری مفصل پلاستیک در خاک های روانگرا در بسیاری از زمین لرزه ها به وقوع می پیوندد. در شکل کناری، حالت تسلیم در فاز پلاستیک،پس از وقوع زلزله دیده می شود، که در آن لنگر خمشی و نیروی برشی موجود در شمع از آنچه در آئین نامه های طراحی پیش بینی شده،و در مواردی حتی از مقدار لنگر پلاستیک مقطع یا همان MP نیز فراتر رفته است. این در حالی است که علیرغم دست بالاگرفتن ضرایب اطمینان در آئین نامه های طراحی،وقوع گسیختگی شمع در مناطق با استعداد روانگرایی لرزه ای بسیار زیاد است.

۶

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

به طور کلی ضریب اطمینان در نظر گرفته شده علیه تسلیم در فاز پلاستیک در طراحی یک شمع بتنی استوانه ای، در اغلب آیین نامه ها حدود ۴ می باشد که حاصل ضرب ضرایب جزئی اطمینان روی بار ۵٫۱، ضریب ماده ۵٫۱ و ضریب مقاومت پلاستیک (Zp / Ze) برابر با ۱٫۶۷ برای یک مقطع مدور می باشد که با احتساب عوامل دیگری مثل حداقل مقاومت مورد نیاز، حداقل تعداد آرماتورها و همچنین ضریب اطمینان کلی علیه تسلیم پلاستیک، این مقدار به ۸ نیز خواهد رسید و این بدان معناست که مقادیر واقعی و تجربه شده لنگرهای خمشی و نیروهای برشی در حدود ۴ تا ۸ برابر مقادیر پیش بینی شده در آئین نامه هاست. در نتیجه می توان عنوان نمود که روش های رایج در طراحی فاقد اشراف و درک لازم روی مکانیسم گسیختگی بود. بعبارت دیگر با نوعی فقدان در درک صحیح واقعیت روبرو هستند.

.۵ محدودیت ها و نواقص آئین نامه های رایج در طراحی

اساساً شمع ها، ستون های لاغری با تکیه گاه جانبی از سوی توده خاک اطراف می باشند. بطور کلی با افزایش طول شمع، مقدار بار مجاز نیز توأم با افزایش اصطکاک روبه افزایش می گذارد اما از سویی دیگر چنانچه شمع به طور جانبی از سوی خاک حمایت نشود، مطابق با فرمول اویلر بار حاصل از کمانش با نسبت عکس مجذور طول شمع، شروع به کاهش می کند.

شکل زیر مسیر تغییر مقدار بار مجاز ( (P و نیز بار حاصل از کمانش،( (P cr را اگر شمع فاقد تکیه گاه باشد، نسبت به طول شمع نشان می دهد. شمع مورد بحث در این قسمت دارای قطر ۳۰۰ mm بوده و بدرون خاک رونگرای معمولی رانده شده است . مقدار مجاز بار P بر اساس روش های معمول و با فرض عدم وجود روانگرایی محاسبه شده است .

شکل – ۷ مسیر تغییر مقدار بار مجاز و بار حاصل از کمانش در شمع

۷

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

می توان چنین بیان نمود که چنانچه طول مهار نشده شمع ۱۰ متر یا بیشتر باشد، بروز گسیختگی در شمع ناشی از ناپایداری کمانشی بوده و نه شکست مصالح، در خلال روانگرایی حاصل از وقوع زلزله، خاک اطراف شمع به تدریج فشار همه جانبه مؤثر خود را از دست داده و فاقد توانایی لازم جهت اعمال تکیه گاه جانبی خواهد شد. در این حالت عملکرد شمع بصورت ستونی مهار نشده است که تمایل به ناپایداری محوری دارد. این ناپایداری محوری شمع را به سمت کمانش در جهت حداقل صلبیت خمشی الاستیک و تحت بار محوری سوق می دهد. در این حالت شمع،خاک را تا آن حد تحت فشار قرار داده که دیگر نیازی به بروز تغییر مکان جانبی لازم از سوی خاک برای گسیختگی شمع دیده نمی شود.این مسئله از طریق انجام آزمایش سانتریفوژ و نیز مطالعات موردی در قسمت بعدی به بحث و بررسی گذاشته شده. این در حالی است که این مسئله در آئین نامه های رایج بصورت کلی و اجمالی بیان می شود .

۶٫ ناسازگاری بین باور موجود و گسیختگی لرزه ای شمع در خاک های روانگرا

در این قسمت برآنیم تا با نظر به مطالعات موردی به بیان ایرادات و کاستی های رویه موجود در توجیه گسیختگی شمع ها بپردازیم:

۱ – چنانچه عامل اصلی بروز گسیختگی شمع را تغییر مکان جانبی بدانیم، چنین انتظار می رود که موقعیت مفصل پلاستیک در محل مرز مشترک دولایه روانگرا و غیرروانگرا و در محل بیشترین لنگر خمشی قرار گیرد. اما همانطور که در شکل های زیر دیده می شود، این مفصل می تواند در یک سوم بالایی شمع نیز ظاهر شود.

شکل – ۸ گسیختگی و مفصل پلاستیک به وجود آمده در شمع

۸

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

– ۲ شکل پایین گسیختگی پل Showa را نشان می دهد. بسیاری از محققین نظیر Hamadaو Ishihara 3991 بر این باور بودند علت اصلی این پدیده، تغییر مکان جانبی خاک اطراف ستون های پل می باشد. همانطور که پیداست شمع های تحتانی ستون شماره P5 تغییر شکلی به سمت چپ داشته و شمع های مربوطه به ستون P6 دارای تغییر مکان به سمت راست هستند. این در حالی است که اگر دلیل این گسیختگی تغییر مکان جانبی خاک باشد، کلیه شمع ها و ستون ها باید تغییر مکانی در جهت شیب نشان داده شده داشته باشند. از سوی دیگر مشاهده می شود هر چند مقدار تغییر مکان جانبی خاک در کناره های رودخانه و نزدیک به ساحل بیشتر است ولی ستون ها و شمع های مجاور این نواحی دستخوش تغییر نشده اند.

شکل – ۹ گسیختگی به وجود آمده در پل showa

پس به طور خلاصه می توان اشکالات وارد بر این نظریه که علت اصلی گسیختگی شمع ها در خاک های روانگرا تغییر مکان جانبیست را بصورت زیر بیان نمود:

-۱ اساس این فرضیه بر این است که شمع ها به دلیل لرزیدن و حرکت به سمت جلو و عقب دارای وضعیت تعادل پایداری می باشند.یعنی در خلال مدت زمان روانگرایی و قبل از شروع تغییر مکان جانبی، دارای

۹

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

حرکتی با جهت یکسان که نشان دهنده ناپایداری است نمی باشند. در واقع بطور خلاصه فرضیه موجود،طبیعت سازه ای شمع را نادیده انگاشته.

-۲ اثرات بار محوری در هنگام بروز روانگرایی در خاک،در این فرضیه منعکس نشده.

– ۳ بسیاری از مشاهدات پیش آمده در خلال گسیختگی شمع ها از طریق فرضیه موجود دارای توجیه نمی باشند.

-۴ طبق نظریه Bhattacharya )2003) شالوده های شمعی پل Showa که از نقطه نظر
JRA1996 دارای طراحی مطمئنی است، در اثر کمانش حاصل از زلزله ۱۹۶۴ نیگاتا دچار گسیختگی شده اند.

.۷ نحوه اندرکنش خاک و سازه در خلال زلزله

( ۱ شمع در لایه روانگرا شروع به از دست دادن مقاومت غلافی خود نموده که این موجب می شود تا نیروهای محوری به سمت کف شمع جاری شوند. در این حالت چنانچه مقدار این نیروها از ظرفیت کف شمع بیشتر شود، گسیختگی ناشی از نشست اتفاق می افتد . در حالتی دیگر چنانچه طول مهار شروع نشده شمع در اثر روانگرایی افزایش یابد، ممکن است شمع به دلیل کمانش در اثر نیروهای محوری زیاد گسیخته شود.

( ۲ خاک روانگرا شده به دلیل به از دست دادن صلبیت و استحکامش،موجب می شود تا شمع به صورت ستونی مهار شده عمل کند .شمع های با نسبت لاغری بالا،مستعد ناپایداری ناشی از نیروهای محوری بوده و در نتیجه گسیختگی کمانشی در شمع رخ می دهد. این وضعیت می تواند در اثر عمل نیروهای مخرب جانبی و نیز صلبیت خمشی ناشی از شروع تسلیم در حالت پلاستیک تشدید شود.

آزمایش های سانترفیوژی دینامیکی، بررسی های موردی و تحلیل های عددی انجام شده در این مورد نیز نتایج مورد بحث در بالا را تایید می کنند.این مکانیسم منحصر به فرد،متأسفانه در کلیه آیین نامه های اجرایی نادیده گرفته شده. درزمین های شیب دار ، حتی اگر شمع در برابر شرایط بارگذاری تشریح شده در بالا دوام بیاورد (یعنی تحمل بارهای محوری و نیز بارهای جانبی ساکن در شرایط صددرصد روانگرا)، باز ممکن است که تحت نیروهای کششی اضافی ناشی از تغییر مکان جانبی خاک قرار گرفته که در این حالت این احتمال می رود شمع به صورت تیر- ستون رفتار نماید (ستونی تحت بارهای جانبی )

۱۰

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

شکل – ۱۰ نحوه اندرکنش خاک و سازه در خلال زلزله

۸٫ مکانیسم های بنیادی گسیختگی در شالوده های شمعی

-۱-۸ گسیختگی برشی:

به دلیل بارهای جانبی مثل بارهای متحرک و ساکن و یا ترکیبی از آنها که به شدت به شمع های بتنی، دایره ای و توخالی (غیرشکل پذیر) با ظرفیت برشی پایین صدمه می زند.

-۲-۸گسیختگی خمشی:

به یکی از دلایل بارهای جانبی ، بارهای متحرک یا ساکن و یا ترکیبی از این دو به وقوع می پیوندد.این گسیختگی به مواردی نظیر نوع حرکت ناشی از زمین لرزه،زمان شروع روانگرایی و تجدید مقاومت در خاک پس از روانگرایی نیز وابسته استخمش. در شمع ها در اثر تغییر مکان جانبی زمین غالباً به عنوان عامل اصلی گسیختگی بسیاری از پل ها محسوب می شود.. آیین نامه طراحی پل ژاپن , )JRA 1996)بر خلاف سایر آیین نامه ها این مسئله را در خود منعکس کرده. این آیین نامه به مهندسین توصیه می کند که شمع را با احتساب فشار جانبی مقاوم زمین برای قسمت غیرروانگرا،و نیز %۳۰ کل فشار سربار را برای قسمت روانگرای خاک در نظر بگیرند.

۱۱

واحد خمینی شهر

سومین همایش ملی مهنـدسی عمـران دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر – ۱۳۹۰

-۳-۸ گسیختگی کمانشی:

که درشمع های لاغر ممکن است در اثربارهای محوری تأثیر گذار بر شمع و نیز کاهش فشار هم جانبه محصور کننده از طرف شمع در اثر روانگرایی رخ بدهد.بارگذاری جانبی ناشی از Slope Movement،اینرسی و یا Out-Of-Line-Straightnessدر شمع،تغییر شکل های جانبی را افزایش می دهد که در نتیجه می تواند احتمال ناپایداری و گسیختگی را حتی در بارهای محوری کم افزایش دهد. این امر می تواند منجر به ایجاد مفصل های پلاستیک در شمع ها و نهایتاً گسیختگی سازه شود.