پایاننامه عمران سازه پایداری تونلها سازههای زیرزمینی بارهای لرزه ای

۱۵۰ هزار تومان ۱۱۵ هزار تومان
افزودن به سبد خرید

جهت خرید و دانلود پایاننامه عمران سازه پایداری تونلها سازههای زیرزمینی بارهای لرزه ای روی آیکون افزودن به سبد خرید یا با ایمیل زیر در ارتباط باشید.

sellthesis@gmail.com


پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران سازه بررسی وضعیت پایداری تونل ها و سایر سازه های زیرزمینی در اثر بارهای لرزه ای


پایاننامه عمران سازه پایداری تونلها سازههای زیرزمینی بارهای لرزه ای


چکیده

تأسیسات زیرزمینی جزء لاینفک جامعه مدرن بوده و برای کاربردهای متعددی شامل متروها و خطوط راه آهن، بزرگراه ها، انبار مصالح و انتقال آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرد. تأسیسات زیرزمینی ساخته شده در نواحی متأثر از فعالیت زلزله باید در برابر هر دو بارگذاری زلزله و استاتیکی مقاومت کنند. با مرور موارد تاریخی اثرات زلزله روی اینگونه سازه ها ملاحظه می شود که نرخ خرابی آنها نسبت به سازه های روزمینی پایین تر است. در عین حال در زلزله های اخیر مانند زلزله سال 1995 کوبه ژاپن، زلزله های 1995 چی چی تایوان، زلزله های 1999 کوکائلی ترکیه، سازه های زیرزمینی دچار خسارت عمده ای شده اند. با توجه به اینکه در مورد مقایسه عملکرد لرزه ای تونل های تکی و دوقلو مطالعات کمتری انجام شده است در این مطالعه، با استفاده از روش المان محدود، عملکرد لرزه ای تونل تکی و دوقلو در هنگام وقوع زلزله در شرایط کرنش صفحه بررسی شده است. از موارد قابل توجه درباره پاسخ لرزه ای سازه های زیر زمینی در نظرگیری پارامترهای مختلف مؤثر بر این پدیده نظیر خواص ژئوتکنیکی و عمق قرار گیری تونل می باشد تا مقایسه ای از تغییر شکل و نیروهای داخلی بوجود آمده از تونل ها را داشته باشیم. نتایج حاصل از مقایسه عملکرد لرز ه ای تونل تکی و دوقلو نشان می دهد که مقادیر نیروهای به وجود آمده در تونل های تکی و دوقلو به هم نزدیک بوده، به همین دلیل با قاطعیت نمی توان در مورد نیروهای داخلی به وجود آمده اظهار نظر کرد و همچنین تغییر مکان در عمق های 15 و30 متری با مشخصات مختلف ژئوتکنیکی در فاز استاتیکی در تونل های تکی کمتر از تونل های دوقلو است که این امر ناشی از آزاد شدگی تنش و ضعیف شدن خاک در اثر حفر تونل دوقلو می باشد، درحالی که تغییر مکان در عمق 10 متری با مشخصات مختلف ژئوتکنیکی خاک در فاز استاتیکی در تونل های تکی بیشتر از تونل های دوقلو می باشد که احتمال این روند به دلیل تأثیر عمق قرارگیری، می تواند باشد. تغییر مکان در در عمق های 10، 15 و 30 متری با مشخصات مختلف ژئوتکنیکی خاک در فاز دینامیکی، در تونل های تکی بیشتر از تونل های دوقلو می باشد که علت آن می تواند اندر کنش تونل های دوقلو باشد.

کلمات کلیدی: تونل های دوقلو،تونل تکی، لرزه ای، تحلیل دینامیکی


فهرست مطالب

عنوان    صفحه
چکیده    8

فصل اول:    9
1-1- بیان مساله    10
1-2- ضرورت تحقیق    10
1-3- نوآوری تحقیق    11
1-4- اهداف تحقیق    11
1-5- روش و راهکار انجام تحقیق    11

فصل دوم:  مروری بر تحقیقات انجام شده    12
2-1- مقدمه    13
2-2- عملکرد تأسیسات زیرمینی طی رویداد زلزله    16
2-3- مطالعات موردی عملکرد لرزه ای سازه های زیرزمینی    17
2-3-1- سازههای زیرزمینی در ایالات متحده    17
2-3-1-1- سیستم حمل و نقل منطقه خلیج (BART)، سان فرانسیسکو    17
2-3-1-2- مجاری آلامدا، اوکلند    18
2-3-1-3- مترو لس آنجلس    18
2-3-2- سازه های زیرزمینی در کوبه، ژاپن    18
2-3-3- سازه های زیرزمینی در تایوان    20
2-3-4- تونل Bolu، ترکیه    20
2-4- رویکرد مهندسی به تحلیل و طراحی لرزهای    21
2-5- روش های تحلیل لرزه ای تونل ها و سازه های زیرزمینی    23
2-6- تحلیل های دینامیکی انجام شده در مورد سازه های زیرزمینی    25
2-6-1- مقایسه بین رفتار لرزه ای تونل های دوقلو و تکی با در نظر گرفتن اندر کنش خاک سازه    25
2-6-1-1- مشخصات مصالح و هندسه خاک و تونل    25
2-6-1-2- مدل سازی المان محدود خاک وتونل در ABAQUS    26
2-6-1-3- مشخصات رکورد زلزله    28
2-6-1-4- مقایسه تنش های بوجود آمده در تونل های تکی و دوقلو در انتهای فاز استاتیکی    29
2-6-1-5- مقایسه نیروی محوری و برشی و لنگر خمشی در حالت تکی و دوقلو تحت بارگذاری لرزه ای    30
2-6-1-6- نتیجه گیری    30
2-6-2- بررسی پایداری تونل های تکی و دوقلوی خط2 قطار شهری تبریز در برابر بارهای زلزله    31
2-6-2-1- مقدمه    31
2-6-2-2- زمین شناسی محدوده طرح    31
2-6-2-3- تحلیل پایداری تونل ها با استفاده از روش عددی    31
2-6-2-4- تحلیل دینامیکی تونل های قطار شهری تبریز به روش عددی    33
2-6-2-4-1- تدوین تاریخچه زمانی زلزله های سطوح طراحی    33
2-6-2-4-2- اصلاح شتاب نگاشت های سطوح طراحی لرزه ای    33
2-6-2-4-3- بارگذاری دینامیکی و شرایط مرزی    34
2-6-2-5- پاسخ دینامیکی تونل ها به زلزلههای سطوح طراحی    34
2-6-2-6- نتیجه گیری    34
2-6-3- تأثیر فاصله تونل های دوقلو و سطح آب زیرزمینی بر جابجائی ها، نیروهای وارد بر سیستم نگهداری تونل و نشست سطح زمین در اثر زلزله (مطالعه موردی، تونل متروی تبریز)    35
2-6-3-1- مقدمه    35
2-6-3-2- مدل سازی و جزء بندی سیستم خاک و سازه    35
2-6-3-3- ویژگی های مصالح    36
2-6-3-4- معرفی شتاب نگاشت مورد استفاده در تحقیق    37
2-6-3-5- محاسبات    38
2-6-3-6- بررسی تأثیر فاصله تونلهای دوقلو مترو در تحلیل جابجاییها و نیروی داخلی سیستم نگهداری تونل با اعمال زلزله ال سنترو    38
2-6-3-6-1- جابجائی ها    38
2-6-3-6-2- نیرو های وارد بر سیستم نگهداری    41
2-6-3-7- بررسی سطح آب زیرزمینی در تحلیل جابجایی ها ونیروهای داخلی سیستم نگهداری تونل مترو با اعمال زلزله ال سنترو    41
2-6-3-7- جابجائی ها و نیروها    41
2-6-3-8- نتیجهگیری    43
2-6-4- تحلیل لرزه ای المان محدود تونل استوانه ای در خاک های ماسه ای با در نظر گرفتن اندر کنش خاک تونل    44
2-6-4-1- مقدمه    44
2-6-4-2- ویژگی های کلی از مدل سازی تونل    44
2-6-4-2-1- ساخت مدل المان محدود برای زمین آزاد و سیستم خاک تونل    44
2-6-4-2-2- ویژگی های خاک، بتن و زلزله شبیه سازی شده    45
2-6-4-3- پاسخ لرزه ای محل به انتشار امواج    46
2-6-4-4- پاسخ لرزه ای سیستم خاک تونل با توجه به اندرکنش خاک تونل    47
2-6-4-5- نتایج    49
2-6-5- اثر ارتفاع خاک روی سنگ بستر در رفتار لرزه ای اندرکنش تونل ها و خاک    50
2-6-5-1- مقدمه    50
2-6-5-2- مدل های المان محدود سیستم های خاک و تونل    51
2-6-5-3- پاسخ لرزه ای خاک تونل    52
2-6-5-3-1- اثر نوع خاک در میزان تشدید    52
2-6-5-3-2- اثر ضخامت خاک از سنگ بستر در میزان تشدید شتاب    54
2-6-5-4- اثر اندرکنش لرزهای خاک تونل بر تشدید تنش ها و کرنش ها در محیط تونل    55
2-6-5-5- نتیجه گیری    58

فصل سوم:  معتبرسازی    60
3-1- بررسی تأثیر فاصله تونلهای دوقلو مترو در تحلیل جابجائیها و نیروهای سیستم نگهداری تونل با اعمال بار زلزله السنترو    61
3-2- نیروهای وارد بر سیستم نگهداری    62
3-3- جابجائی ها و نیروها    63
3-4- نتیجهگیری    64

فصل چهارم:  معرفی نرم افزار و مدل سازی تونل    66
4-1- مقدمه    67
4-2- روش المان محدود    67
4-3- مدل های رفتاری خاک    68
4-3-1- مدل موهر کلمب (MC)    68
4-3-2- مدل سنگ درزهدار (JR)    69
4-3-3- مدل خاک سخت شونده    69
4-3-4- مدل خاک نرم خزشی(SSC)    69
4-3-5- مدل خاک نرم شونده    70
4-3-6- مدل Cam-Clay اصلاح شده (Mcc)    70
4-4- تعاریف عمومی تنش    70
4-5- تعاریف عمومی کرنش    71
4-6- مدل موهر کلمب (پلاستیک کامل)    72
4-7- قرارداد جهت    73
4-8- مدل    73
4-9- المان ها    74
4-10- صفحات    74
4-10-1- ضریب پواسون    75
4-10-2- وزن    75
4-11- المان های تیر    75
4-12- سطح مشترک    76
4-12-1- المانهای سطح مشترک    77
4-13- ساخت مرحلهای    78
4-14- مدلسازی تونل    79
4-15- فرضیات و پارامترهای تونل و توده خاک    79
4-16- وضعیت ژئوتکنیکی    79
4-18- روش اجرا و ابعاد هندسی    81
4-19- شرح مدل سازی    82
4-20- نتایج اندرکنش خاک سازه    82
4-19- تحلیل دینامیکی تونل    83
4-20- کلیات    83
4-20-1- کانون و مرکز زلزله    83
4-20-2- امواج زلزله    84
4-20-3- گسل زلزله:    85
4-21- الزامات نرم افزاری    87
4-21-1- مرزهای جاذب    87
4-21-2- میرایی    87
4-22- معرفی شتاب نگاشت زلزله مورد استفاده در تحقیق    88

فصل پنجم:  نتایج    89

فصل ششم:  بحث و نتیجه گیری    121
6-1- بررسی نتا یج تونلهای تکی:    122
6-1-1- در عمق 10 متر    122
6-1-2- در عمق 15 متر    122
6-1-3- در عمق 30 متر    122
6-2- بررسی نتا یج تونلهای دوقلو:    123
6-2-1- در عمق 10 متر    123
6-2-2- در عمق 15 متر    123
6-2-3- در عمق 30 متر    123
6-3- بررسی نتایج تونلهای تکی با توجه به عمق قرارگیری:    124
6-3-1- مصالح با زاویه اصطکاک داخلی 25 درجه    124
6-3-2- مصالح با زاویه اصطکاک داخلی 35 درجه    124
6-3-3- مصالح با زاویه اصطکاک داخلی 45 درجه    124
6-4- بررسی نتایج تونلهای دوقلو با توجه به عمق قرارگیری:    125
6-4-1- مصالح با زاویه اصطکاک داخلی 25 درجه    125
6-4-2- مصالح با زاویه اصطکاک داخلی 35 درجه    125
6-4-3- مصالح با زاویه اصطکاک داخلی 45 درجه    125
6-5- مقایسه عملکرد لرزهای تونل تکی و دوقلو    126
6-6- پیشنهادها    126
فهرست منابع    127


عملکرد تأسیسات زیرمینی طی رویداد زلزله

مطالعات بسیاری خسارت زلزله به تأسیسات زیرزمینی را به ثبت رسانده اند.ASCE خسارت در منطقه لس آنجلس ناشی از زلزله سان فرناندو 1971 توصیف می کند.JSCE عملکرد چندین سازه زیرزمینی شامل تونل های لوله ای غوطه ور طی لرزش در ژاپن را توصیف می کند. Duke و Leeds، Steven، Dowding و Rozen، Owen و Scholl، Sharma و Judd، Power و دیگران، Kaneshiro و دیگران، همگی مختصری از موارد تاریخی خسارت به تأسیسات زیرزمینی را ارائه داده اند. Owen و Scholl کوشش Dowding و Rozen را با 127 مورد تاریخی به روز در آوردند. Sharma و Judd یک پایگاه داده وسیع از خسارت لرزه ای به سازه های زیرزمینی با استفاده از 192 مورد تاریخی گسترش دادند. Power و دیگران با 217 مورد تاریخی، تجدید نظر بیشتری انجام داده اند. مشاهدات کلی زیر در خصوص عملکرد لرزه ای سازه های زیرزمینی می تواند صورت گیرد:
1) سازه های زیرزمینی نسبت به سازه هایی که روی سطح ساخته می شوند، در اثر زلزله متحمل خسارت کمتری می گردند.
2) هر چه عمق تونل بیشتر باشد، میزان خرابی در مقایسه با تونل های کم عمق، کمتر است. این امر را بطور طبیعی می توان به بهبود خواص مصالح با افزایش ناشی از سربار و زائل شدگی امواج زلزله با عمق مرتبط دانست.
3) سازه های زیر زمینی بنا شده در خاک در مقایسه با سازه های زیر زمینی بنا شده در سنگ های مقاوم، دچار خرابی بیشتری می شوند.
4) تونل های دارای پوشش و همچنین تونل هایی که در آنها تزریق انجام شده است نسبت به تونل های بدون پوشش در سنگ ایمن تراند. بطور کلی پایدارسازی زمین اطراف تونل و بهبود تماس پوشش با محیط بوسیله تزریق در کاهش خسارات مؤثر است.

سازه های زیرزمینی در تایوان

چندین تونل بزرگراهی در محدوده متأثر از زلزله 21 سپتامبر 1999 Chchi (3/7 M) در مرکز تایوان واقع بود. آنها تونل های نعل اسبی شکل بزرگ در سنگ بوده اند. کلیه تونل های بررسی شده سالم و بدون هیچ نشان خسارت مشهود بودند. خسارت اصلی در ورودی تونل ها بخاطر ناپایداری شیب ها رخ داد.
ترک های ریز و پوسته شدن در پوشش چند تونل مشاهده شد. یک تونل که از میان گسل Chelungpu عبور می کرد، بدلیل جابجایی 4 متری گسل کاملاً بسته شد. در مترو Taipei که در بیش از 100 کیلومتری از محدوده گسل گسیخته شده واقع است، خساراتی گزارش نشد.

رویکرد مهندسی به تحلیل و طراحی لرزه ای

اثر زلزله بر سازه های زیرزمینی را در دو رده می توان دسته بندی نمود:
1) ارتعاش زمین
2) گسیختگی زمین مانند روانگریی، جابجایی گسل و ناپایداری شیب
فاکتورهای مهم مؤثر بر خسارت ارتعاش شامل:
1) شکل، ابعاد و عمق سازه
2) مشخصات خاک یا سنگ احاطه کننده
3) مشخصات سازه
4) شدت ارتعاش زمین
طراحی سازه های زیرزمینی در چندین مورد منحصر بفرد است. برای اکثر سازه های زیرزمینی، اینرسی یک خاک مجاور نسبت به اینرسی سازه، بزرگتر است. اندازه گیری توسط Okamoto از پاسخ لرزه ای یک تونل لوله ای غوطه ور طی چندین زلزله را نشان داد که پاسخ تونل بوسیله پاسخ زمین مجاور حکم فرماست و به ویژگی های خود مشخصات اینرسی سازه تونل وابسته نیست. کانون توجه طراحی لرزه ای تأسیسات زیرزمینی بر تغییر شکل حوزه آزاد زمین و اندر کنش آن با سازه می باشد که از این لحاظ با طراحی سازه های روزمینی که روی اثرات اینرسی خود سازه متمرکز می باشد، مغایر است.
این مورد موجب توسعه روش های طراحی مانند روش تغییر شکل لرزه ای که صریحاً تغییر شکل زمین را بررسی می کند، منجر شد. برای مثال Kawashima یک بررسی بر رفتار لرزه ای و طراحی سازه های زیرزمینی در زمین نرم با تأکید بر توسعه روش تغییر شکل لرزه ای ارائه کرد.

روشهای تحلیل لرزه ای تونلها و سازههای زیرزمینی

روش های تحلیل لرزه ای سازه های زیرزمینی عبارتند از:
1) روش های تجربی
2) روش مدل فیزیکی
3) روش های حل معادلات دیفرانسیل
4) تحلیل های شبه فیزیکی
5) روش تنش دینامیکی زمین
6) روش های عددی
در روش های تجربی با استفاده از تجربیات رویدادهای گذشته معیارهایی مطرح می شود که علاوه بر عدم اطمینان بالا، در بسیاری از موارد محافظه کارانه است.
در روش مدل فیزیکی سعی می شود تا وضعیتی را که سازه در طبیعت تحت تأثیر امواج لرزه ای با آن روبرو خواهد شد، در آزمایشگاه شبیه سازی شود. اما این روش بدلیل پر هزینه بودن و مشکلات زیاد چندان مورد استفاده قرار نمی گیرد.

مشخصات مصالح و هندسه خاک و تونل

مدل سازی سیستم خاک و تونل در نرم افزار المان محدود ABAQUS توسط محمد رضا مؤمن زاده و همکاران در سال 1392 انجام شده است. مشخصات سازه تونل به صورت خطی و الاستیک و مشخصات خاک مورد بررسی مطابق مدل غیر خطی موهر کلمب در نظر گرفته شده است. مقطع تونل های دوقلو مانند تونل تکی، با فاصله 10 متر از یکدیگر مدل سازی شده اند. هندسه تونل مورد بررسی در شکل (2-7) آمده است.

مدل سازی المان محدود خاک وتونل در ABAQUS

جهت انجام آنالیزهای خاک سازه نیاز به ماتریس میرایی خاک می باشد، میرایی در نظر گرفته شده در این روش متناسب با جرم و سختی سیستم می باشد (میرایی رایلی) که بصورت زیر تعریف می شود:

C=αM+βK

ضرایب βو α ماتریس میرایی روش رایلی محاسبه می کنیم. در جدول (2-3) مقادیر βو α، برای خاک مورد مطالعه ساختگاه محاسبه شده است. از مرزهای جاذب جهت جلوگیری از بازتاب های کاذب امواج داخل حوزه آزاد بکار برده شده است. روش های مختلفی برای اعمال مرز جاذب انرژی وجود دارد. یکی از این روش ها، مرز ویسکوز است (میرایی هندسی). در این روش المان های میراگر در مرزها قرار داده شده است. در مدل سازی وزن خاک به صورت یکنواخت به تونل وارد نشده، بلکه به صورت تنش میدان ژئواستاتیک تعریف گردیده است تا نتایج به واقعیت نزدیکتر باشد. هنگامی که میدان تنش ژئواستاتیک برای یک ناحیه خاص تعرف می شود، فرض می شود که تنش موجود در جهت عمود (در مدل های دو بعدی جهت Y فرض می شود) به صورت خطی در آن جهت مختصاتی تغییر کنند. نحوه اعمال میدان تنش ژئواستاتیک به مدل المان محدود خاک سازه نشان داده شده است. مقدار Ko، ضریب فشار جانبی سکون خاک برای خاک های مختلف متفاوت است، برای ماسه ها رابطه زیر پیشنهاد شده است.

مرور

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.