عمران

پایان نامه عمران سازه :بررسی فروپاشی پیش رونده ی پل های خرپائی

استاد راهنما :  پروفسور غلامرضا قدرتی امیری
استاد مشاور : –

(زمستان ۹۳)
 
متن پایان نامه :
چکیده
پل­ها اعضای جدا نشدنی میسرهای ارتباطی هستند و در شرایط اقتصادی و اجتماعی بسیار تاثیرگذار می­باشند. گذر زمان و بارهای تصادفی از جمله مواردی هستند که سلامت پل­ها را تهدید می‌کنند. بارهای غیرعادی ناشی از حوادث طبیعی، خطاهای اجرا و برخی مسائل دیگر می­توانند باعث به­وجود آمدن فروپاشی پیش­رونده در سازه­ها شوند، لذا تشخیص زود هنگام آسیب پل­ها می ­تواند از وقوع فجایع جلوگیری کند. از این رو، لزوم بررسی دقیق رفتار این سازه­ها در برابر فروپاشی پیش­رونده احساس می­گردد. در این پایان ­نامه روشی مبتنی بر بررسی فروپاشی یک پل خرپایی چند دهانه در برابر پدیده­ فروپاشی پیش­رونده با سناریوهای تشخیص و حذف اعضای بحرانی و مقایسه­­ی بین حالات مختلف حذف و همچنین تاثیر سناریوهای حذف اعضای بحرانی بر پایداری سازه­ی باقی­مانده ارائه گردیده­است. پس از شبیه­سازی مدل­های المان محدود سه بعدی، به منظور ارزیابی پتانسیل وقوع فروپاشی پیش­رونده تحت سناریوهای مختلف قرار­گرفت. با مقایسه­ نتایج حاصل از تحلیل استاتیکی­خطی، تحلیل استاتیکی غیرخطی و تحلیل دینامیکی غیرخطی طی زمان­های ۵/۰ ثانیه و ۱ ثانیه به ارائه­ ضریب افزایش بار دینامیکی اعضای بحرانی در حالت میانگین تغییرات نیرویی برای اعضای یال بالایی و پایینی پرداخته شد. با مقایسه­ ضریب افزایش بار دینامیکی برای دو گروه اعضای کلیدی یال بالا و پایین و مقدار میانگین اعضای کلیدی در هر گروه نتیجه شد هرچه زمان ضربه اعمالی ناشی از حذف کوتاه­تر باشد، ضریب افزایش بار بزرگتر خواهد­بود، همچنین نتیجه شد که هرچه حذف عضو سریع­تر انجام شود، ضریب افزایش بار افزایش می­یابد.

دانلود مقاله و پایان نامه

 
کلمات کلیدی فارسی : فروپاشی پیش­رونده ، ناحیه بحرانی ، پل خرپائی، ضریب افزایش بار
 
 
 
 
 
 
فهرست مطالب
فصل ۱: ۱
مقدمه و کلیات  1
۱-۱- مقدمه ۲
۱-۲- ضرورت تحقیق ۵
۱-۳- هدف تحقیق ۶
۱-۴- شیوه تحقیق ۷
۱-۵- ساختار پایان ­نامه ۷
فصل ۲: ۱۰
ادبیات و پیشینه­ی تحقیق  10
۲-۱- مقدمه ۱۱
۲-۲- تعریف آسیب سازهای ۱۱
۲-۳- تعریف فروپاشی پیش­رونده ۱۱
۲-۴- بارهای غیرعادی ۱۲
۲-۴-۱- انفجار گاز ۱۳
۲-۴-۲- انفجار بمب ۱۴
۲-۴-۳- ضربه­ی ناشی از برخورد ۱۵
۲-۴-۴- آتش سوزی ۱۵
۲-۴-۵- خطای ساخت ۱۶
۲-۵- مفاهیم اولیه در فروپاشی پیش­رونده ۱۶
۲-۶- تاریخچه پیدایش استانداردهای مربوط به فروپاشی پیش­رونده   17
۲-۷- ترکیب بارهای فروپاشی پیش رونده در استانداردها   19
۲-۷-۱- ترکیب بار شامل بارگذاری­های نامشخص ۱۹
۲-۷-۲- ترکیب بارهای اسمی با بهره گرفتن از تنش مجاز طراحی   20
۲-۷-۲-۱- ترکیب بارهای مبنا ۲۰
۲-۷-۳- ترکیبات بار برای حوادث فوق­العاده و استثنائی   20
۲-۷-۳-۱- ظرفیت تحمل بار ۲۱
۲-۷-۳-۲- ظرفیت باقیمانده ۲۱
۲-۷-۳-۳- شرایط ثبات و پایداری سازه ۲۱
۲-۸-ترکیبات بارگذاری مورد نیاز درتحلیل فروپاشی پیش­رونده   22
۲-۹- بررسی انواع فروپاشی پیش­رونده در سازه­ها ۲۳
۲-۹-۱- فروپاشی پنکیکی ۲۳
۲-۹-۲- فروپاشی دومینویی ۲۵
۲-۹-۳- فروپاشی زیپی ۲۵
۲-۹-۴- فروپاشی برشی ۲۷
۲-۹-۵- فروپاشی ناشی از ناپایداری ۲۷
۲-۹-۶- فروپاشی ترکیبی ۲۸
۲-۱۰- فروپاشی پیش­رونده پل­ها ۲۹
۲-۱۰-۱- فروپاشی ناشی از گسیختگی تکیه­گاه ۲۹
۲-۱۰-۲- فروپاشی ناشی گسیختگی موضعی ۳۲
۲-۱۱- روش های تحلیل سازه­ها در مقابل فروپاشی پیش­رونده   34
۲-۱۱-۱- تحلیل استاتیکی الاستیک خطی ۳۴
۲-۱۱-۲- تحلیل استاتیکی غیرخطی ۳۵
۲-۱۱-۳- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی الاستیک خطی   36
۲-۱۱-۴- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی ۳۷
۲-۱۲- روش­های مقابله با فروپاشی پیش­رونده در پل­ها   38
۲-۱۲-۱- کنترل حادثه ۳۹
۲-۱۲-۲- طراحی غیرمستقیم ۳۹
۲-۱۲-۳- مقاومت موضعی مشخصه ۴۰
۲-۱۲-۴- مسیر بار جایگزین ۴۰
۲-۱۲-۵- جداسازی ۴۰
۲-۱۳- تاریخچه­ی فروپاشی پیش­رونده ۴۱
فصل ۳: ۴۴
روش تحقیق  44
۳-۱- مقدمه ۴۵
۳-۲- مدل تحلیلی ۴۷
۳-۲-۱- کلیاتی پیرامون نمونه­ی آزمایشگاهی ۴۷
۳-۲-۱- صحت­سنجی مدل آزمایشگاهی ۵۰
۳-۲-۲- نحوه مدل­سازی ۵۱
۳-۳- بارگذاری ۵۵
۳-۴- تعیین اعضای کلیدی ۵۷
۳-۵- نتیجه گیری ۶۲
فصل ۴: ۶۴
محاسبات و یافته­ها  64
۴-۱- مقدمه ۶۵
۴-۲- معیار انتخاب سناریوی حذف اعضای کلیدی ۶۵
۴-۳- تعیین روش تحلیل مناسب ۷۱
۴-۳-۱- اثر حذف اعضای B10 و B9. 71
۴-۳-۲- اثر حذف اعضای T4 و T5. 74
۴-۴- ضریب افزایش دینامیکی ۷۷
فصل ۵: ۸۰
نتیجه گیری و پیشنهادات  80
۵-۱-مقدمه ۸۱
۵-۲- نتیجه گیری ۸۱
۵-۳- ارائه پیشنهادات ۸۲
منابع و مآخذ  83
 
        
 
 
 
فهرست اشکال
شکل (۱-۱) فروپاشی پیش رونده پل [۶] I-35W. 4
شکل (۱-۲) فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [۷]   4
شکل (۱-۳) فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [۸] ۵
شکل (۲-۱) تاریخچه زمانی فشار ناشی از انفجار گاز [۱۲]   13
شکل (۲-۲) تاریخچه زمانی فشار ناشی از انفجار : (a فاصله ۱ متر، (b فاصله ۵ متر، (c فاصله ۱۰ متر[۱۲] ۱۴
شکل (۲-۳) ساختمان آلفرد پ. مورا قبل از انفجار و بعد از انفجار[۱۸] ۱۸
شکل (۲-۴) مراحل فروپاشی پیش رونده پنکیکی [۲۷] ۲۴
شکل (۲-۵) فروپاشی برجهای دو قلو در اثر فروپاشی پیش رونده پنکیکی [۲۸] ۲۴
شکل (۲-۶) مراحل فروپاشی پیش رونده دومینوئی[۲۷] ۲۵
شکل (۲-۷) مراحل فروپاشی پیش رونده زیپی[۲۷] ۲۶
شکل (۲-۸) فروپاشی پیش رونده زیپی پل کابلی[۲۶] ۲۶
شکل (۲-۹) فروپاشی پیش رونده برشی اسلیپر پیش تنیده [۲۹]   27
شکل (۲-۱۰) مراحل فروپاشی پیش رونده ناشی از ناپایداری[۲۷]   28
شکل (۲-۱۱) فروپاشی پیش رونده ترکیبی ساختمان مورا [۲۶]   28
شکل (۲-۱۲) فروپاشی پیشرونده پل کوآنگ دونگ در اثر آسیب دیدگی پایه میانی[۷] ۳۰
شکل (۲-۱۳) فروپاشی پیشرونده پل هانگجو در اثر حذف ناگهانی ستون موقت[۵] ۳۱
شکل (۲-۱۴) فروپاشی پیشرونده پل بآیهوا در اثر آسیب دیدگی ستونهای آن [۷] ۳۱
شکل (۲-۱۵) فروپاشی پیشرونده پل کبک در اثر کمانش مهارهای جانبی آن[۷] ۳۲
شکل (۲-۱۶) فروپاشی پیشرونده پل زایاوتانمن در اثر گسیختگی مهارهای آن[۷] ۳۳
شکل (۲-۱۷) فروپاشی پیشرونده پل پرچم سرخ در اثر تخریب غیر اصولی[۷] ۳۳
شکل (۳-۱) ابعاد هندسی نمونه آزمایشگاهی[۳۵] ۴۸
شکل (۳-۲) نمونه آزمایشگاهی پل خرپائی [۳۵] ۴۸
شکل (۳-۳) تکیه گاه های نمونه آزمایشگاهی (a) تکیه گاه غلتکی و (b) تکیه گاه مفصلی ۵۰
شکل (۳-۴) شکل مدلسازی پل خرپایی در حالت نیمرخ پل ۵۱
شکل (۳-۵) شکل مدلسازی شده در نمای ۳ بعدی از پل خرپایی   52
شکل (۳-۶) مشخصات و جنس مصالح ۵۲
شکل (۳-۷) نحوه تعریف سطح مقطع ( ۲x25x50 ). 53
شکل (۳-۸) مشخصات مصالح سطح مقطع ( ۳x30 ). 53
شکل (۳-۹) مشخصات سطح مصالح ( ۶/۱x20 ). 54
شکل (۳-۱۰) مشخصات مفصل پلاستیک محوری ۵۵
شکل (۳-۱۱) بارگذاری غیرخطی با در نظر گرفتن اثر تغییر شکل­های بزرگ.۵۶
شکل (۳-۱۲) سناریوهای حذف اعضای یال پائینی(گروه اول)    59
شکل (۳-۱۳) شاخص تغییرات گروه اول ۵۹
شکل (۳-۱۴) سناریوهای حذف اعضای یال بالائی(گروه دوم) ۵۹
شکل (۳-۱۵) شاخص تغییرات گروه دوم ۶۰
شکل (۳-۱۶) سناریوهای حذف اعضای قائم(گروه سوم) ۶۰
شکل (۳-۱۷) شاخص تغییرات گروه سوم ۶۱
شکل (۳-۱۸) سناریوهای حذف اعضای مورب(گروه چهارم) ۶۱
شکل (۳-۱۹) شاخص تغییرات گروه چهارم ۶۲
شکل (۴-۱) سناریوهای حذف اعضای یال پائینی ۶۷
شکل (۴-۲) پارمترهای آماری  اعضای سازه در گروه اول سناریوی آسیب ۶۷
شکل (۴-۳) سناریوهای حذف اعضای یال بالائی ۶۸
شکل (۴-۴) پارمترهای آماری  اعضای سازه در گروه دوم سناریوی آسیب ۶۸
شکل (۴-۵) سناریوهای حذف اعضای قائم ۶۹
شکل (۴-۶) پارمترهای آماری  اعضای سازه در گروه سوم سناریوی آسیب ۶۹
شکل (۴-۷) سناریوهای حذف اعضای مورب ۷۰
شکل (۴-۸) پارمترهای آماری اعضای سازه در گروه چهارم سناریوی آسیب ۷۰
شکل (۴-۹) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای کلیدی یال پائینی   72
شکل (۴-۱۰) مفدار میانگین نیرویی اعضای کلیدی در اعضای یال پائینی   72
شکل (۴-۱۱) میزان واریانس نیروها در اعضای کلیدی یال پائینی   73
شکل (۴-۱۲) میزان انحراف معیار نیروها در اعضای کلیدی یال پائینی   73
شکل (۴-۱۳) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای کلیدی یال بالائی   75
شکل (۴-۱۴) مفدار میانگین نیرویی اعضای کلیدی در اعضای کلیدی یال بالائی ۷۵
شکل (۴-۱۵) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای کلیدی یال بالائی   76
شکل (۴-۱۶) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای یال بالائی   76
فهرست جداول
جدول (۲-۱) ترکیبات بارگذاری آئین نامه ها در ارزیابی پتانسیل فروپاشی پیش رونده سازه ها. ۳۱
جدول (۳-۱) تاریخچه ی فروپاشی پیش رونده پل ها به همراه میزان تلفات و برآورد خسارت ناشی از آسیب وارده به پل. ۵۳
جدول (۳-۲) مشخصات اجزای خرپا. ۵۸
جدول (۳-۳) جدول مربوط به صحت سنجی فرکانسهای ۳ مد اول  64
جدول (۴-۱) برنامه ریزی آزمایشهای انجام شده برای عضو ; ۸۰
جدول (۴-۲) برنامه ریزی آزمایشهای انجام شده برای عضو شمارهی ۴۹  81
 
 

 
 
 
 


 
 
 
 
 
 

مقدمه و کلیات
 

  • مقدمه

پس از جنگ جهانی دوم صنعت ساخت و ساز به شدت در سراسر جهان توسعه یافت. با این وجود، گذر زمان و وجود عوامل مختلف داخلی و خارجی باعث می­شود که اجزای سازه دچار آسیب شده و سازه تحت بارهای بهره برداری دچار مشکلات جدی و حتی انهدام شود. در نظر گرفتن تمامی جوانب در طراحی و کشف زود هنگام و اقدام مناسب در جهت رفع آسیب­های می ­تواند از فروپاشی فاجعه بار سازه جلوگیری کند. از این رو، در دهه­های اخیر تحقیقات فراوانی در زمینه­ شناسایی آسیب در سازه­ها صورت گرفته است.
خطوط ارتباطی و سازه­های زیر بنایی نقش اساسی در تمامی کشورها دارند و سالیانه هزینه­ های فراوانی صرف ساخت و نگهداری آن­ها می­شود. در این میان، پل­ها نقش کلیدی در شرایط اقتصادی، اجتماعی و سیاسی یک کشور ایفا کنند. از این رو، در سال­های اخیر میزان توجه به پایش سلامتی پل­ها به شدت افزایش یافته است، زیرا نیاز اساسی به ارزیابی شرایط بسیاری از پل­ها در جهان احساس می­شود. مطالعات نشان می­دهد که بیش از ۴۰ درصد از پل­های موجود در کانادا نیازمند ترمیم و مقاوم سازی هستند[۱]. از میان ۵۷۰۰۰ پل بزرگراهی موجود در آمریکا در سال ۱۹۹۷، ۱۸۷۰۰۰ مورد از آن­ها معیوب گزارش شده و بیان شده که سالیانه به میزان ۵۰۰۰ پل دیگر به این تعداد اضافه می­شود[۲]. در سال ۲۰۰۱ عنوان شد که ژاپن دارای ۱۴۷۰۰۰ پل می­باشد که زمان ساخت اکثر آن­ها به پیش از سال ۱۹۸۰ بر­می­گردد. بنابراین بسیاری از آن­ها به شدت به نگهداری نیاز دارند[۳].
با توجه به قرار­گیری ایران در یک منطقه­ی لرزه ­خیز، وقوع زلزله­های متعدد می ­تواند سبب بروز آسیب­های شدید در انواع مختلف سازه­ها شود. علاوه بر این ترافیک روزانه و افزایش آن می ­تواند عاملی برای آسیب­دیدگی پل­ها باشد. همچنین طول عمر بسیاری از پل های موجود در کشور، به بیش از ۳۰ سال می­رسد. از طرفی میزان ساخت انواع مختلف پل در ایران رو به افزایش است. در نتیجه نگهداری و کنترل پل­ها می ­تواند نقش موثری در کشور ارائه کند[۴].
یک پدیده نادر اما بسیار زیانبار در سازه­ها، پدیده فروپاشی پیش­رونده[۱] است. این پدیده، اثر دینامیکی حاصل از گسترش و توسعه متوالی گسیختگی اولیه در یک سازه، که نشان دهنده عدم تطابق شدید بین عامل به وجود آورنده و فروپاشی شدید است، می­باشد. عامل به وجود آورنده فروپاشی پیش­رونده، یک عامل موضعی و متمرکز مانند عدم مقاومت موضعی است که سبب بروز یک پدیده فاجعه بار می­شود [۵].
به علت وقوع حوادث غیر قابل پیش بینی از قبیل زلزله، انفجار، برخورد و تصادف و نیز کاهش احتمالی ظرفیت سازه در اثر گذر زمان و تاثیر این عوامل بر وقوع فروپاشی پیش­رونده در پل­ها، بررسی اثرات تقویت اجزای سازه­ای بر مقاومت در برابر فروپاشی پیش­رونده مورد توجه قرارگرفته است. مطالعات گذشته نشان می­دهد که مقاوم­سازی لرزه­ای سازه، می ­تواند سبب مقاومت سازه در برابر فروپاشی پیش­رونده در مواجهه عوامل غیرعادی شود. در مقابل، افزایش شکل­پذیری، می ­تواند سبب تسریع در مکانیسم فروپاشی پیش­رونده شود[۴, ۵].

یکی از حوادث معروف در زمینه فروپاشی، فروپاشی پل خرپایی فولادی I-35W بر روی رودخانه می­سی­سی­پی، واقع در ایالت مینه سوتا[۲]، در ایالات متحده آمریکا می­باشد. همانطور که در شکل (۱-۱) مشهود است، این پل به طور ناگهانی، در یکم اوت سال ۲۰۰۷ دچار فروریزش شد و ۱۳ کشته و بیش از ۱۰۰ زخمی قربانی این حادثه شدند. گزارش بررسی عوامل فروریزش پلI-35W نشان می­دهد که بار مرده­ی عرشه چند بار به خاطر تعمیر و تقویت دال افزایش یافته بود و ضخامت گاست پلیت­های بکار رفته در پل نیز تنها نیمی از ضخامت مقدار طراحی شده بود. علاوه بر این، در روز سقوط، مصالح ساختمانی و ماشین آلات سنگین نیز بر روی پل جهت تعمیر و نگهداری وجود داشتند. این عوامل، سبب فروپاشی پل I-35W شده ­اند[۶].

  • فروپاشی پیش­رونده پل [۶] I-35W

با توجه به شکل (۱-۲)، در سال ۲۰۰۷، در چین، برخورد یک کشتی باری با پایه پل جیاندونگ جینگ جیانگ[۳]، سبب فروپاشی چهار دهانه مجاور پایه گردید. بررسی­های نشان می­دهد که نیروی برخورد کشتی، بیش از نیروی مجاز طراحی بوده و در نتیجه سبب آسیب دیدگی پایه پل شده است. در اثر این آسیب، نیروهای داخلی تغییر کرده و نیروهای باز توزیع شده بیش از ظرفیت پایه­ های کناری بوده و در نتیجه آن، فروپاشی پیش­رونده رخ داده است[۷].

  • فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [۷]

نمونه­ای دیگر از فروپاشی پیش رونده در پل بای­هوآ[۴] در شکل (۱-۳) در اثر زلزله ونچوآن[۵] اتفاق افتاده است. در این پل در اثر آسیب تکیه­­گاه­ها، عرشه پل به همراه تغییر شکل­های پیچشی دچار فروریزش شده است[۷, ۸].

  • فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [۸]
  • ضرورت تحقیق
99