اثر سازه هاي مجاور بر رفتار لرزهاي١ تونل

١
محمدعلي لطف اللهي يقين١*، سجاد تيماس٢ و فرامرز خوشنوديان٣
۱. دانشكدة مهندسي عمران، دانشگاه تبريز
۲. گروه مهندسي عمران، دانشگاه آزاد اسلامي واحد سلماس
٣. گروه مهندسي عمران، دانشكده مهندسي عمران، دانشگاه صنعتي اميركبير

(دريافت مقاله: ٢٣/٣/١٣٨٩- دريافت نسخه نهايي: ٣٠/٦/١٣٩٠)

چكيده – ه دف از اين مقاله بررسي اثر سازههاي مجاور بر رفتار لرزهاي تون ل با استفاده از روش اجزاي مح دود۲ اس ت. در اين راستا ب ـا مقاي ـسهرفتار لرزه اي تون ل ت كي و تون ل در مجاورت ساختمان، ان دركنش دينامي كي تون ل و ساختمان مجاور آن بررسي مي شود. ب ـه عب ـارت ديگ ـر وج ـودساختمان مجاور چه تأثيري بر نيروهاي داخلي تون ل دارد. اين مطالعات شامل فاصله ساختمان و تون ل، مشخصات خا ك، ارتفاع سازه و ع ـرض آن،فركانس بارگ ذاري، عمق قرارگيري تون ل و كليه پارامترهايي اس ت كه به نوعي در پاسخ لرزهاي تون ل مؤثرن د. با تغيير پارامترهاي اص ـلي، فاص ـلهاي كه وجود ساختمان مجاور ميتوان د بر روي نيروهاي داخلي تون ل تأثير بگ ذارد مشخص ميشود.
۳
واژگان كليدي : رفتار لرزه اي، اثر متقاب ل ، ساختمان، تون ل، روش اجزاي مح دود

Influence of Neigboring Structures on Seismic Behavior of Tunnel

M. A. Lotfollahi Yaghin1 , S. Timas2 and F. Khoshnoudian3

Department of Civil Engineering, Tabriz University
Department of Civil Engineering, Islamic Azad University of Salmas
Department of Civil Engineering, Amir Kabir University of Technology

Abstract: This article investigates influence of neighboring structures on seismic behavior of a tunnel by using Finite Element Method. Dynamic interaction between a tunnel and a neighboring building is studied by comparing seismic behavior and internal forces of the tunnel and building. In other words, effects of existence of a building on internal forces of a tunnel are ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
* : مسئول مكاتبات، پست الكترونيكي: lotfollahi@tabrizu.ac.ir
examined. This study includes several variables such as the distance between building and tunnel, soil properties, height and width of building, motivation frequncy, depth of tunnel and other parameters which dominate seismic bahavior of the tunnel. By changing the main parameters, the effective distance whithin which the adjacent building may influence the internal forces of the tunnel is determined.

Keywords: Seimic Behavior, Interaction, Building, Tunnel, Finite Element Method.

فهرس ت علائ م
ag دامنه بيشينه شتاب افقي اعمال شده *M لنگر خمشي بي بعد شده پوشش تونل
d قطر تونل N نيروي محوري پوشش تونل
fi فركانس طبيعي i ام خاك *N نيروي محوري بي بعد شده پوشش تونل
E مدول الاستيسيته خاك V نيروي برشي پوشش تونل G مدول برشي خاك *V نيروي برشي بي بعد شده پوشش تونل
h عمق قرارگيري محور تونل از سطح زمين Vs سرعت موج برشي خاك h/d نسبت عمق قرارگيري تونل به قطر آن x فاصله محور تونل از محور ساختمان
H عمق لايه خاك ν ضريب پواسون
عرض مدل θ زاويه محيطي تونل
لنگر خمشي پوشش تونل ρ وزن واحد حجم خاك

١- مقدمه
بيشتر سازههاي زيرزميني در مناطق شـهري ماننـد تونلهـايمترو در خاك كمعمق مدفونانـد و سـاختمانهاي بيـشماري درروي اين سازههاي زيرزميني وجود دارند. وجـود سـاختمان دراطراف تونل در مناطق شهري رفتار لرزهاي تونـل را متفـاوت ازتونل واقع در مناطق برونشهري و يا تونـل خـارج از محـدودهمؤثر سازهها كر ده است . زماني كه يك تونل مترو توسط بارهايديناميكي تحري ك ميشود، ارتعاش در تونل القا شده و در خاك بهصورت حر كت موجي انتشار مييابد. وقتي كه حر كت موجيبه سطح زمين مـيرسـد باعـث ايجـاد ارتعـاش در سـاختمانهاميشود. در مقابل، لـرزش سـاختمانها تحـت تحريـك بارهـايديناميكي نيز باعث ارتعاش تونل ميشود. اگر تونل يا ساختمان،تحت نيروي بحراني مانند زلزله قرار گيرد يا فاصله بين آنها كم باشد، اندر كنش بين تونل و ساختمان ممكن است باعث ايجـادخسارت جدي به آنها شود. طراحي لـرزه اي تونـل بـهصـورت مستقل از ساختمان مجاور انجام مي گيرد. آنچه كه براي مهندسطراح مطرح مـي شـود بررسـي تـأثير سـاختمانهاي مجـاور بـرافزايش احتمالي نيروهاي مؤثر بر رفتار لرزهاي تونـل اسـت . بـهمنظور بررسي مسئله بايستي انـدركنش دينـاميكي بـين تونـل وساختمان مجاور بررسي شود و تمام پارامترهايي كـه بـه نـوعيمي تواند مؤثر باشد مورد بحث قرار گيرد تـا در صـورتي كـه در مجاورت تونل ساختماني وجود داشته باشد ميزان اثر آن برروينيروهاي داخلي تونل مشخص شود . صدمات شديد واردشده برتونلهاي مترو و سازههاي زيرزميني در سالهاي اخير نظير تونـلمتروي دايكاي كـشور ژاپـن، تـصور مـصون بـودن سـازههـايزيرزميني از اثرات زلزلـه را زيـر سـؤال بـرده اسـت و طراحـيلرزهاي تونلها به چالش كـ شيده شـده اسـت [١]. در تحقيقـات انجام شده در اين راستا كه از طريق مـشاهدات كيفـي و اخيـرﹰااندازهگيري و محاسبات تحليلـي انجـام گرفتـه اسـت، حـداكثر شتابهاي سطحي وارد بر محـيط، عمـق قرارگيـري، محـدوديت سازه در لايههاي مشخص و محدود خـاك، و همچنـين نـسبتانعطافپذيري پوشش٥ تونل نسبت به محيط اطراف [۲] ميرايي٤ و انعطافپذيري پوشش تونل در تحليل مقطع عرضي و طـولي تونل، از مهمترين عوامـل مـؤثر بـر رفتـار لـرزهاي سـازههـايزيرزميني شناخته شده اند [۳ و ۴]. در تحليل ديناميكي تونـل درمقطع عرضي با اسـتفاده از روشـهاي اجـزاي محـدود، محـل وميزان نيروهاي داخلي ايجاد شده در پوشش تونل بررسي شـدهاست [۵]. تأثير تحري ك زلزله براي تونلهاي كمعمق نـسبت بـهســطح زمــين، بيــشتر از تونلهــاي عميــق نــشان داده شــده است [۶].
علاوه بر تأثير پارامترهاي اشاره شده، در يك تونل با مقطـعدايروي ش كل به شعاع مشخص (۱۰ متر ) محل لنگر خمـشي ونيروي محوري حداكثر ايجادشده در پوشش تونـل در محـدودهشانه و زانوي مقطع تونل و در عمق كم (۱۰ الـي ۱۵ متـري ) از سطح زمين محاسبه شده اسـت [۷]. مطالعـه اثـرات سـازههـايمجاور نظير تونل ديگر بر رفتار ديناميكي يـك تونـل و مقايـسهنتايج تحليل با حالت تونل تكي بـا در نظـر گـرفتن متغيرهـايينظير فاصله بين دو تونل، عمق قرارگيري تونلها از سطح زمين وسرعت موج برشي خاك با قطر ثابت و مشخصات ثابت پوشش تونل نشان داده است كه اثر سـازه مجـاور يعنـي تونـل دوم تـافاصلهاي محـدود بـين دو تونـل، باعـث افـزايش قابـل توجـهنيروهاي داخلي پوشش تونل (تا ۴۰%) بهويژه لنگـر خمـشي ونيروي برشي نسبت به حالت تونل تكي مي شود [۸].
1187960-1100920

شكل ١- مدل خاك و تونل
در نتيجه، نظر به اينكه رفتار تونـل متـأثر از عوامـل متعـددلرزهاي مؤثر شناخته شده از جمله مجاورت با سازههـاي ديگـراست، هدف اين مقاله تحليل اندركنش بين تونل و ساختمانهايمجاور با در نظر گرفتن عوامل فوق است. مسئله اي كه بـهويـژه براي سازههاي زيرزميني ساخته شده در منـاطق لـرزهاي بـسيارمهم است.
در بخشها ي مختلف اين مقاله حالتهاي خا ك تنهـا و حالـتخاك با تونل مدلسازي شده و فركانسهاي طبيعـي مـدل در دوحالت مقايسه و همچنين به اسـتخراج منحنـي پـوش نيروهـاي داخلي پوشش تونل پرداخته شده است. در ادامه مدل ساختمانتونل – خا ك معرف ي شده و اثر وجود ساختمان بـر فرك انـسهاي طبيعي تونل مورد تحليل قرار گرفته و با حالتهـاي مـدل خـاك تنها و مدل خاك با تونل مقايسه شده است. در ادامه فاصله مؤثر ساختمان از تونل بر نيروهاي داخلـي تونـل مـورد توجـه قـرارگرفته است. همچنين اندركنش ديناميكي بين تونل و سـاختمانمجاور تحت پارامترهايي نظير فركانس بارگذار ي، ابعـاد سـازه،عمق قرارگير ي تونل مورد مطالعه قرار گرفته، نهايتا جمع بنـدي و نتيجه گيري نهايي ارائه شده است.

۲- مدل خاك با و بدون تونل
۲- ۱- مشخصات مدل مورد مطالعه
به منظور امكان مقايسه و بررسي صحت تحليل حاضر، ابتداتحليلهاي انجام شده با نتايج روش عبدالسلام [۵] كـ ه در سـال۱۹۹۴ انجام شده مقايسه شدهاند. مدل و مشخـصات شـكل (١) مشخـصات هندسـي و مـصالح مـورد اسـتفاده قـرار گرفتـه در تحليلها در مقاله را نشان مي دهد. در اين مقاله تونلي بـا مقطـعدايروي به قطر m٩ و به ضخامت cm٤٠ از جنس بـتن در نظـرگرفته شـده اسـت كـه داراي مـدول الاستيـسيته MPa ٢١٠٠٠، ضريب پواسون ٢٥/٠ و جرم واحد حجـم 3kg/m٢٤٠٠ اسـت. تونل در داخل خاكي با مـدول الاستيـسيته MPa١٣ و جـرم واحـدحجم 3 kg/m١٧٠٠ و ضريب پواسون٣٣/٠ قرار دارد. ضخامت لايـهخاك ٣٢ متر بوده و تونل در مركز لايه خاك قـرار دارد. بـه عبـارتديگر مركز تونل در فاصله ١٦ متري از سطح زمين قرار دارد.
براي مدل كـردن خـاك از المـان كـ رنش مـسطحPlane42 مستطيلي و براي مدل كردن پوشش تونل از المـانBeam3 كـ ه يك المـان تـك محـوري بـا قابليتهـاي بـرش، كـ شش، فـشار و خمش است استفاده شد. براي اعمال شـرايط مـرزي، درجـات
آزادي انتقال ي بستر در دو بعد افقي و قائم و درجه آزاد ي انتقالي مرزهاي كناري در يك بعد قائم محدود شد. بارگذاري وارد بـرسيـــستم، شـــتاب هـــارمونيكي سينوســـي بـــهصـــورت ag = 0.25g.sin( .tω ) است كه به بستر۶ بهصورت افقي اعمـالمي شود. فركانس بهكار رفته، بر اسـاس اولـين فركـانس طبيعـيخاك و با توجه به روابط حاكم بر محيطهاي خـاك همگـن، بـاتوجه به فرمول تحليلي زير محاسبه مي شود:
39928877367

fi = 4VHs × −(2i 1) i = 1,2,3,… (۱)
⇒ f1 = 0.42Hz
در معادله فـوق،fi فر كـانسi ام،H عمـق لايـه خـاك وVs سرعت موج برشي خاك است و همچنين:
Vs =

(
)
G
E
21
=
ρ
+νρ

(

)

G

E

21

=

ρ

+νρ

(۲)
در تحليلها رفتار مصالح خطي فرض شده و با توجه بـه طويـلبودن تونل، مسئله بهصورت كرنش مسطح ۷ در مقطـع عرضـيدر نظر گرفته شده است.

ميرايي ۱۰ درصد فـرض شـده اسـت. بـا توجـه بـه اينكـ ه ماتريس ميرا يي[C] تر كيبي از ماتريسهاي جـرم[M] و سـختي
جدول ۱ – فركانسهاي طبيعي خاك با تونل و بدون تونل (هرتز)
فركانس i ام خاك بدون تونل (تحليلي يك بعدي) مدل خاك بدون تونل (مدل سازي دو بعدي ANSYS) مدل خاك – تونل (مدل سازي دو
(ANSYS بعدي
فركانس اول ۰/۴۱۸۹ ۰/۴۱۹۰۵ ۰/۴۲۱۷۸
فركانس دوم ۱/۲۵۶۷ ۰/۵۱۵۷۴ ۰/۵۱۶۹۷
فركانس سوم ۲/۰۹۴۵ ۰/۷۱۲۷۲ ۰/۷۲۰۰۳
[K] است ضـرايبα وβ از فرمولهـاي زيرمحاسـبه شـده و درمدل استفاده شده اند:
[C] = α[M] + β[K] (۳)

⎡ωj −ωi ⎤
63017531469

⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦αβ = 2×⎢⎢ω−1ω−1 ⎥⎥⎥×ω −ωω ×ω2jjii2 ×⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦λλij (۴)

⎣ ji ⎦
كه در آنλi وλj درصد ميرايي،ωi وωj فر كانسهاي زاويهاي iام وj ام اند كه در اين مسئله فركانس زاويهاي اول و سوم انتخـابشده اند. به ازاي λi = λj = ۱۰% خواهد بود:
⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎦ ⎣⎡ ⎤ ⎡αβ = 0.4286500.012664⎥⎦⎤
با توجه به مقادير معلـوم مـسئله ، فركانـسهاي اول تـا سـومخـاك بـدون تونـل در جـدول (۱)، بـه صـورت يـك بعـدي محاسبه شده و براي براورد درستي نتـايج، بـا نتـايج تحليـل مودال از برنامهANSYS (مدل سازي دو بعدي خـاك تنهـا) مقايسه مي شود.
همچنين تحليل مودال بر روي مـدل خـاك – تونـل انجـامشده است . همانگونه كه در جدول (۱) مشاهده مي شـود نتـايجتحليلها ي مدل سازي ANSYS و محاسبات روش تحليلي نـشانميدهد كه فر كانسهاي دوم و سوم در روش تحليلـي بـه علـتفرض يك بعدي بودن خاك و ساير فرضيات در نظر گرفته شدهبا فر كانسهاي دوم وسوم مدل سـازي متفـاوت اسـت . همچنـينفركانسهاي مدلسازي در هـر دو حالـت خـاك بـدون تونـل وحالت خا ك با تونل تقريبﹰا يكسان بوده و مشاهده مـيشـود كـ ه وجود تونل بر فركانسهاي طبيعي و نيز شكل مودهاي ارتعاشـيتأثير قابل توجهي ندارد.

شكل ٣- منحني پوش لنگر خمشي (روش عبدالسلام)

٢-٢- منحني پوش نيروهاي داخلي در مدل خاك با تونل
12555231786935

حداكثر نيروها در هر ١٥ درجه از محيط تونل محاسبه شدهو نيروهاي داخلي پوشش تونل در نقاط بين صفر تا ٣٦٠ درجهاستخراج شده اند، موقعيت زاويه θ در مدل بعـدي، شـكل (٤) قابل مشاهده است. در تحليل مسئله، انجام تحليلها با عرضـهايمختلف مدلسازي و مقايسه نيروهاي داخلـي پوشـش تونـل وهمچنين فر كانسها، نشان داد كه با انتخاب ١٥٠ متر= L (عرض مدل) نتايج تحليلها تغيير نخواهد كرد. نتـايج مربـوط بـه پـوشلنگر خم شي، نيروي برشي و نيروي محوري پوشـش تونـل بـاتوجه به نتايج تاريخچه زماني هر كدام از آنها در نقاط مختلـفبه دست مي آيد كه در بخشهاي بعد به منظور مقايـسه بـا نتـايجمدل تونل – ساختمان آورده شده انـد . پـس از اسـتخراج نتـايجتحليل، مقادير حداكثر نيروهاي داخلـي پوشـش تونـل بـه ازايزواياي مختلف از محيط تونل (θ) ترسيم مي شود. براي نمونه،نتايج مربوط به لنگر خمشي حداكثر در هر نقطه (هر ۱۵ درجه ) در شكل (۲) و در شكل (۳) (روش عبدالسلام ) نشان داده شدهاست. مقادير نشان داده شده در شـكل (۲) و سـاير شـكلها كـ ه بهصورت پوش نتايج تاريخچه زماني ارائه شدهاند با بهكارگيري معادله هاي زير بي بعد شده اند:
1981963-162841

387859-162841

M

M



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید