ارزیابی اثرات زلزله بر آسیب پذیری پلهای موجود

ارزیابی اثرات زلزله بر آسیب پذیری پلهای موجود

مهسا جاویدنیا، کارشناسی ارشد عمران- سازه، دانشگاه آزاد اسلامی قزوین

چکیده:

پلها از جمله شریانهای حیاتی در هر کشور هستند و همانطور که تأثیر مثبت آنها قابل توجه است، در صورت صدمه دیدن یا شکستن، می­توانند مخرب و گاه فاجعه آمیز باشند. زلزله از جمله مهمترین عواملی است که می­تواند موجب تخریب پلها گردد. در بسیاری از مناطق با لرزه خیزی بالا در جهان، پیش از آنکه آیین نامه های نوین طرح لرزه ای توسعه یابند، تعداد بسیار زیادی پل ساخته شده است که هنوز هم در حال بهره برداری هستند، در صورتیکه روشهای طراحی پلها برای زلزله و ایجاد شکل پذیری مناسب در اعضای آنها از اوایل دهه هفتاد میلادی در آیین نامه های پل مطرح شد. برای کاهش خطرات زلزله در این شریانهای حیاتی می­بایست توجه ویژه ای به فعالیت های مقاوم سازی بخصوص در نواحی با خطر لرزه خیزی بالا داشته باشیم.

در پژوهش حاضر آسیب های پلها در زلزله های اخیر مورد بررسی قرار گرفته و در مورد دلایل آن و راه های کاهش آسیب پذیری و همچنین روشهای مقاوم سازی پلهای موجود یا در حال ساخت بحث شده است. نتایج نشان می­دهد در جایی که گسل از زیر یا نزدیکی محل پل عبور کرده است، حتی اگر پل مطابق آیین نامه های مدرن طراحی شده باشد، احتمال فروریزی پل وجود دارد.

کلمات کلیدی : پل، شریان های حیاتی، مقاوم سازی، زلزله، گسل.

• مقدمه:

یکی از اقدامات مهم در جهت رشد و توسعه هر کشور احداث راهها و بزرگراه ها است. در این میان پلها به عنوان عناصر کلیدي در شبکه شریانی راههاي یک کشور نقش مهم و منحصر بفردي را به لحاظ اقتصادي، اجتماعی، سیاسی و نظامی ایفا می­کنند. مشاهده خسارات ناشی از زلزله هاي اخیر، لزوم تمهیداتی براي طرح مقاوم زلزله و نیز مطالعه و تحقیق بیشتر به منظور درك بهتر رفتار لرزه­اي پلها را به وضوع بیان می کند. ]1[

به علت نقش مهمی که پل ها پس از وقوع زلزله در عملیات امداد و نجات دارند لازم است که این سازه ها در مقابل حملات لرزه اي از سطح حفاظت بالاتري برخوردار باشند. زلزله هاي اتفاق افتاده در دهه 90 میلادي در آمریکا، ژاپن، تایوان و ترکیه، خرابی هاي نسبتا زیادي در پلها ایجاد کردند. زلزله نقاط ضعف سازه را شناسایی نموده و بیشترین خسارت را به آنجا وارد می­کند که پلها به دلیل درجه نامعینی کم در برابر این حملات بسیار آسیب پذیرند. در این مقاله سعی شده است تا پس از پرداختن به علل خرابی پل ها در اثر موارد مختلف بخصوص زلزله به شیوه هاي مقاوم سازي و بهسازي لرزه اي پل ها پرداخته شود. ]2[

• انواع خرابی های متداول پلها:

خرابی پلها می­تواند ناشی از خرابی مصالح، خرابی هیدرولوژي، خرابی سازه­اي و یا خرابی ژئوتکنیکی باشد. خرابی هاي سازه اي می­تواند ناشی از طراحی و محاسبات نادرست، عدم کیفیت مصالح مصرفی، بارگذاري بیش از حد طراحی، ضعف هاي اجرایی، تنش هاي بیش از حد و جابجایی هاي پی ها و پایه ها باشد.]3[

از انواع خرابی های متداول پلها می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• خرابی نشیمن و کلیدهای برشی:

کلیدهای برشی عناصر جلوگیری کننده از حرکت جانبی عرشه هستند و عدم توجه به این اجزای ثانویه می­تواند همانند بی توجهی به اعضای اصلی سازه پل نظیر شاهتیرها، پایه ها و شالوده ها بر عملکرد پل تأثیر نامطلوب بگذارد.

پل Yen-Feng یکی از پلهای آسیب دیده در زلزله سال 1999 چی چی تایوان بود که بدلیل طراحی نامناسب کلیدهای برشی، در اثر زلزله این اعضا از کار افتاده و در پل جابجایی نسبی پسماند ایجاد شد. این آسیب ها در شکل (1) نشان داده شده اند. ]4[

شکل1- ایجاد جابجایی عرضی پسماند در اثر خرابی کلیدهای برشی پل Yen-Feng

 

• خرابی برشی پایه های پل :

طبق آیین نامه های طراحی لرزه ای، برای ایجاد شکل پذیری کافی و جلوگیری از خرابی برشی پایه ها لازم است که از خاموت گذاری ویژه در آنها استفاده شود. همچنین بایستی حداقل طول مهاری آرماتورهای طولی رعایت شود. در زلزله 1995 کوبه ژاپن پلها در اثر خرابی برشی نابهنگام ستونهای بتن مسلح در محل قطع آرماتورهای طولی با طول گیرایی ناکافی فروریخته شدند. ]5[

شکل2- خرابی نابهنگام ستون بتن مسلح

 

• خرابی شاهتیرها و افتادن دهانه ها

معمولاً عرشه ها و شاهتیرهای بکار رفته در پلها از استحکام کافی برخوردار بوده و همه الزامات طراحی در مورد آنها رعایت شده و دچار خرابی بدلیل ضعف در طراحی نمی­شوند. اکثر خرابی های اتفاق افتاده در شاهتیرها بعلت لغزش آنها از روی تکیه گاه ها می­باشد.دو عامل در وقوع چنین پدیده ای دخالت دارد، یکی عرض نشیمن ناکافی برای جابجایی طولی و عرض شاهتیرها و دیگری دوران پایه هاست. فروریزی روگذر پل Arifiye در اثر زلزله کوچاایلی ترکیه نمونه ای از این خرابی است. (شکل 3) ]6[

شکل3 – فروریزی روگذر پل Arifiye ترکیه در اثر زلزله کوچاایلی

• نشست دال معبر

این نوع خرابی در اثر جابجایی پایه ها یا نشست خاکریز کوله ها حاصل می­شود. در پلهایی که علیرغم پیدا شدن اختلاف تراز بین پایه ها یا نشست خاکریز کوله ها، شاهتیرها از روی نشیمن نیفتاده، نشست دال معبر مشاهده می­شود.

شکل 4 دهانه های فرونریخته پل Wu-Shi بدلیل خرابی پایه ها و نشست ناشی از جابجایی آنها را نشان می­دهد.]7[

شکل 4- نشست های اتفاق افتاده در پل Wu-Shi

 

• علل عمده خرابی پل ها هنگام زلزله

فلسفه حاکم بر طراحی پلهاي جدید و مقاوم سازي پلهاي موجود یکی است و هر دو مبتنی بر، اساس طراحی عملکردي بوده. شناسایی نقاط ضعف پلها در برابر زلزله در تدوین دستور العمل ها و استراتژي هاي طراحی پل هاي جدید و مقاوم سازي پلهاي موجود از اهمیت ویژه اي برخوردار است.

بطور کلی علل عمده خرابی پلها در هنگام زلزله را می­توان بصورت زیر بیان کرد:

 

• خرابی های ناشی از گسلش و روانگرایی خاک

خرابی های ناشی از گسلش شامل همه خرابی های اشاره شده در بالا می­باشد. به عبارت دیگر با جابجایی گسل در اثر زلزله، پایه ها ترک برداشته و دوران کرده، کلیدهای برشی از کار افتاده و شاهتیرها از روی نشیمن شان لغزیده و دهانه ها فرو می­ریزند.

شکل زیر فروریزی دهانه های پل Bei-Feng در زلزله 1999 تایوان را نشان می­دهد که علیرغم رعایت ضوابط آیین نامه ای، بدلیل جابجایی قایم 5 الی 6 متری ایجاد شده در اثر  جابجایی گسل عبور کرده از محل پل را نشان می­دهد. ]6[

شکل 5 – فروریزی پل Bei-Feng در اثر گسلش

 

• قطع پیوستگی آرماتور دورپیچ در ناحیه تشکیل مفصل خمیري در پاي ستونهاي پل:

براي استهلاك انرژي زلزله آیین نامه ها اجازه می دهند نواحی از پیش تعیین شده اي در سازه ها دچار تغییر شکلهاي خمیري با حفظ سختی، مقاومت و شکل پذیري در چرخه هاي رفت و برگشتی امواج زلزله گردند. در پلها این نواحی بطور معمول در زیر سازه (پایه ها) انتخاب می­گردند. انقطاع ایجاد شده باعث کاهش تنشهاي محصور کننده در پاي ستون شده و عامل بسیار مهمی در کاهش قابل توجه شکل پذیری، و ناپایداري پایه پل در هنگام زلزله خواهد بود.

 

شکل6- آرماتورهاي دورپیچ هنگام اجراي فونداسیون درست در پاي ستون قطع شده اند

 

 

• وصله آرماتور طولی در ناحیه تشکیل مفصل خمیري در پاي ستونهاي پل:

بر اساس فلسفه اشاره شده در قسمت قبل و مطابق مقررات آیین نامه ها، وصله آرماتور طولی ستون فقط در ناحیه میانی ارتفاع ستون مجاز می باشد. حداقل طول وصله 60  برابر قطر آرماتور طولی بوده و باید ضوابط دورپیچی ویژه براي آن اعمال گردد. متاسفانه در شکل 7 مشاهده می گردد که وصله آرماتور دقیقاً در ناحیه غیر مجاز ستون قرار گرفته و آرماتورهاي دورپیچ نیز در فونداسیون قطع شده اند.این موضوع از مهمترین عوامل خرابیهاي مشاهده شده در زلزله ها در اکثر نقاط دنیا می­باشد.

 

شکل 7- قرار گرفتن وصله آرماتور در ناحیه غیر مجاز ستون

 

• عدم تأمین طول لازم برای نشیمن تیرهای بتن مسلح پیش ساخته عرشه پل

در پلهاي متشكل از عرشه با تيرهاي بتن مسلح پيش ساخته استفاده از تكيه گاه نئوپرن الاستومري براي نشيمن تيرها در محل كوله ها و پايه ها بسيار رايج مي باشد. در هنگام زلزله ، تغيير مكان طولي پل به دليل عدم وجود ميرايي در اين نوع نشيمنگاه ها قابل توجه است. لذا آيين نامه ها مقرر مي دارند كه طول نشيمن عرشه بر روي كوله و پايه پل به دليل جلوگيري از سقوط عرشه از روي كوله و پايه به داخل دهانه از حداقل ميزان برخوردار باشد. (شکل 8) ]8[

شکل 8- عدم رعایت طول نشیمن عرشه جهت جلوگیری از سقوط عرشه

 

 

• جانمایی نادرست نئوپرن در زیر تیرهای پیش ساخته عرشه پل :

مطابق ضوابط آیین نامه ها محور نئوپرن های چهار ضلعی، به دلیل جلوگیري از اعمال فشار غیر یکنواخت خارج از محور باید بر محور تیر منطبق بوده و اضلاع آن به موازات اضلاع تیر باشند، متاسفانه در شکل 9 مشاهده می­شود که هر دو مورد فوق هنگام جانمایی نشیمن ها رعایت نشده است و نئوپرن ها با خروج از مرکزیت قابل توجه نصب شده اند که این موضوع منجر به کاهش عمر مفید بهره برداري از نئوپرن و ایجاد تنش هاي قابل توجه در انتهاي تیر می گردد. ]8[

شکل9-  نصب نئوپرن ها با خروج از مرکزیت قابل توجه

 

• عمل آوری نا مناسب بتن عرشه و ایجاد ترکهای انقباضی

در برخی موارد پيمانكاران براي عمل آوردن بتن دال عرشه بجای نایلون پلاستیکی از پهن نمودن گوني و مرطوب كردن آن استفاده مي نمايند. در صورت وزش باد و با وجود منافذ باز در سطح گوني، رطوبت آب به سرعت تبخير شده و در نتيجه ترك هاي سطحي فراواني در سطح دال ايجاد مي گردند (شکل10). ترك هاي مذكور باعث نفوذ مواد خورنده به سطح آرماتورهاي دال با پوشش كم شده و به دنبال آن خوردگي آرماتور، خرابی بتن اطراف آن و كاهش عمر مفيد بهره برداري از پل به وقوع مي پيوندد.]8[

شکل 10- ایجاد ترکهای سطحی فراوان در سطح دال

 

 

 

 

• اجرای نامناسب درزهای انبساط

زمان اجراي درزهاي انبساط معمولاً همزمان با بتن ريزي دال مي­باشد. در اين زمان با توجه به دقت كم در اجراي درز انبساط و همچنين عدم وجود آسفالت پوششي، رويه درز و بتن اطراف آن داراي ناهمواری هايي خواهد شد كه در هنگام اجراي آسفالت امكان اصلاح آنها وجود نخواهد داشت. لذا محدوده درز انبساط تا زمان اجراي آسفالت پل نباید بتن ريزي شود و در هنگام اجراي آسفالت با تنظيم مناسب درز و ريختن بتن مرحله دوم از هم تراز بودن سطح درز و آسفالت اطمينان حاصل گردد. ]8[

 

• مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای پلها:

آسیب هاي قابل توجه در پایه پل ها به دو گروه تقسیم می­شوند: 1- وابسته به گسیختگی خمشی پایه به علت مقاومت خمشی ناکافی با ظرفیت شکل پذیري خمشی ناکافی، 2- وابسته به شکست برشی پایه پل به علت ظرفیت برشی ناکافی.

هدف اصلی از بهسازي لرزه اي ستون هاي بتن آرمه افزایش مقاومت برشی، به ویژه در پایه ها با قطع آرماتور طولی در وسط ارتفاع بدون طول مهاري کافی می باشد. این کار شکل پذیري ستون را افزایش می­دهد زیرا از شکست برشی زودرس جلوگیري می­کند. اما اگر فقط شکل پذیري افزایش یابد، ممکن است تغییر شکل پسماند در پایه بعد از زلزله افزایش یابد. مقاومت خمشی پایه هم باید افزایش یابد، که این منجر به افزایش نیروي زلزله انتقالی از پایه به پی می­شود. ]9[

روشهای تعمیر و مقاوم سازی در بیشتر کشورها شامل روشهایی همچون بهبود وضعیت خاک یا افزایش سطح تکیه گاه ها با افزایش تعداد شمعها در جاهایی که فونداسیون آسیب دیده، می باشد و نیز روشهایی مانند جایگزینی مصالح، اضافه نمودن ژاکت های فولادی و بتنی در مواردی که مصالح اضمحلال یافته، مورد استفاده قرار می­گیرند.  ]10[

 

• شیوه های نوین مقاوم سازی پلها :

از روشهای مقاوم سازی پلها که در گذشته متداول بود ولی امروزه کمتر مورد استفاده قرار می­گیرند، می­توان به مقاوم سازی پایه ها با ژاکت فولادی، استفاده از بادبند 8 در دو طرف ستون، مقاوم سازی ستونهای بتنی پل با پداستال، استفاده از برشگیرهای فولادی مستقر در بلوک بتنی و … اشاره کرد اما بعضی مواقع استفاده از بتن و فولاد و مواد کاموزیتی جهت تقویت اعضا جوابگوي نیروي زلزله نیستند و یا هزینه زیادي می طلبند و یا به سبب موقعیت خاص پل قابل اجرا نیستند، دراینصورت استفاده از جداگر ها، میراگرها، سیستم هاي یکپارچه، مقاوم سازی با FRP و … می­توانند گزینه هاي بعدي باشند. استفاده از سیستم هاي جداساز و تلف کننده انرژي در پلها باعث تمرکز خسارت ناشی از زلزله در محل سیستم هاي تکیه گاهی می­شود و پایه ها و کوله ها در مقابل خسارات سازه اي محافظت می­شوند. ]11[

 

*جداگرها:

به منظور جداسازي سازه از حرکات شدید زمین هنگام زلزله بکار می­روند. برخلاف ساختمان که جداسازي آن غالبا از روي فونداسیون انجام می­پذیرد، در پلها این جداسازي مابین روسازه و زیر سازه اعمال می­گردد (شکل 11) .علت این امر نیروي اینرسی بسیار زیاد قسمت روسازه (که شامل وزن عرشه می­شود) و همچنین سهولت اجراي آن می­باشد. بطور کلی این جداگرها در پلها به دوصورت الاستومتریک(لاستیکی) و اصطکاکی بکار گرفته می شوند.

شکل 11- محل قرار گیری جداساز لرزه ای در سر ستونها

 

*میراگرها:

دراثر اعمال بارهاي دینامیکی تغییر مکان حاصله همراه با سرعت و شتاب خواهد بود. جهت مقابله با شتاب وارده نیرویی به عنوان نیروي لختی در اثر جرم آن و جهت مقابله با سرعت نیرویی به نام نیروي میرایی در اثر اصطکاك بین ذرات و لقی اتصالات و غیره به وجود می آید و باعث تلف شدن مقداري انرژي می شود به این پدیده در اصطلاح میرایی می گویند.

با تعبیه میراگر (دمپر) می توان اثر تخریب دینامیکی و انتقال جانبی سازه را به حداقل رساند. ]12[

 

*مقاوم سازی با FRP :

پوشش هاي FRP عمدتا براي بهسازي رفتار سازه هاي موجود یا تعمیر خرابیهاي ایجاد شده در اثر خستگی ، خوردگی ، فرسودگی و… در سازه هاي موجود به کار میروند.

در روش عرشه ساخته شده از کامپوزیت بتن و FRP بتن در قالب پانل هاي FRP ریخته می شود و عرشه با استفاده از میلگردهای برشی به تیر ها متصل می گردد. بعد از قرار دادن پانل ها بر روي تیر فولادي میلگردهاي برشی جوشکاري می شوند و ماهیچه  های بتنی مابین پانل هاي عرشه کامپوزیتی و تیر فولادي قرار می گیرند. ]13[

 

• نتیجه گیری :

با توجه به نوع خرابی، می­توان به نتایج زیر اشاره کرد:

• حدالامکان مفاصل پلاستیک در عرشه تشکیل نشوند و برای تعیین محل تشکیل آنها از تحلیل غیر خطی استفاده شود.
• گسیختگی گسل در زیر پل یا در مجاورت آن برای سازه فاجعه آمیز بوده و معمولاً منجر به فروریزی دهانه ها می­شود و بشدت به سازه های قدیمی تر که منطبق بر آیین نامه های مدرن طراحی نیستند آسیب می­زند.
• کلیدهای برشی و عرض نشیمن کافی بایستی برای محافظت پل از ضربات ناخواسته که ممکن است در اثر خرابی زمین، دهانه های خمیده یا روانگرایی و … بوجود آیند، فراهم شوند.
• بایستی از خرابی برشی در پایه ها جلوگیری کرد. برای این کار از دورپیچ و خاموت کافی برای اطمینان از انعطاف پذیری در پایه های بتن مسلح استفاده شده و قطع آرماتور نباید در میانه ارتفاع پایه ها صورت گیرد.
• در محل هایی که پتانسیل ناشی از گسترش جانبی و روانگرایی خاک بیشتر است، اثر آن را باید در طراحی منظور کرد.
• مراجع :
• Basoz, Nesrin I. (Feb. 1999) , “ Statistical analysis of bridge damage data from the 1994 Northridge, CA,

earthquake”, Earthquake Spectra, Vol. 15,No. 1, pp. 25-54,Northridge.

• Seongkwan, Mark Lee, Tschangho, John Kim, and Seung, Lim Kang (2007) “Development of Fragility Curves for Bridges in Korea”, KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 11, No. 3, pp. 165-174.
• طاحونی، ش، “طراحی پلها” ، جلد اول، چاپ نهم، 1390
• Hsu, Y.T., and Fu, C.C(2004), “Seismic Effect on Highway Bridges in Chi-Chi Earthquake”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol.18, No.1, February 1, 2004.
• “Seismic Damage in the Past Earthquakes “, ocw.titech.ac.jp/index.php?module=General&action=Download&file=2005-61041-20050610-3.pdf. ,(2005)
• Pamuk,A., Kalkan,E., and Ling H.I. (2005), ” Structural and geotechnical impact of surface rupture on highway structure during recent earthquakes in Turkey “, Elsevier, soil Dynamics and earthquake Engineering 25 (2005) 581-589
• Yen, WH.(2002), “Lessons learned about bridges from earthquake in Taiwan “v. http://www.tfhrc:gov/pubrds/janfeb02/taiwan.html
• سعادت مهر.الف، ” نکاتی چند در اجرای پلهای بتن مسلح “، 1386
• S.Aboutaha.,M.D.Engelhardt.,J.O.Jirsa.and M.E.Kreger, “Rehabilitation of Shear Critical Concrete Columns By Use of Rectangular Steel Jackets “ACI Structural Journal V.96, 1999
• آیین نامه تعمییر و مقاوم سازی زیر سازه پلها، معاونت آموزش، تحقیقات و فناوری، دفتر مطالعات فناوری و ایمنی- گروه مطالعات تطبیقی، تألیف سازمان همکاری های اقتصادی و توسعه (OECD) ، 1385
• وتر و گرمه ای، ” بهسازی لرزه ای ستونهای پلهای بزرگراهها بر اساس مطالعات میز لرزان “، 1386
• ملکی. ش، ” روشهای نوین در مقاوم سازی پلها ” ، 1386
• E.Ringelstetter,Lawrence.C Bank, Fabio Matta,Antonia Nanni, ” Development of a cost-Effective Structural FRP Stay-In-Place Formwork System for Accelerate and Durable Bridge Deck Construction”