اثر زلزله بر سازه های زیر زمینی و تونل مترو

تاثیر ارتعاشات زلزله بر تونلها

6- تاثیر ارتعاشات زلزله بر تونلها

آسیب پذیری سازه‌های زیر زمینی در برابر زلزله هم می‌تواند به واسطه گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله و هم به دلیل ارتعاشات ناشی از زلزله روی دهد. گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله عمدتا شامل گسلش، زمین لغزش و روانگرایی می‌باشد.

بحث مربوط به گسلش در فصل قبل بصورت جداگانه مورد بررسی قرارگرفت، ولی بجز گسلش، زمین لغزش و روانگرایی نیز از پدیده‌های طبیعی ناشی از زلزله می‌باشد. زمین لغزش ‌ها که معمولا توسط زلزله تحریک می‌گردند، بخصوص در ورودی-خروجی تونلها می‌توانند صدمات زیادی را به فضاهای زیر زمینی وارد نمایند. بسیاری از گزارشات مربوط به آسیب فضاهای زیر زمینی در اثر زلزله، به واسطه ایجاد لغزش در مدخلهای تونلها بوده‌اند. روانگرایی نیز بخصوص چنانچه فضای زیر زمینی در رسوبات سست دارای درصد بالای ماسه و سیلت احداث شده باشد، می‌تواند صدمات زیادی را به فضای زیر زمینی وارد نماید. این آسیبها بیشتر در رابطه با تونلهای مترو در نواحی شهری که از رسوبات منفصل عبور میکنند دیده شده است.

3-1-     اهمیت مطالعه ارتعاشات زلزله

 هر چند که گسیختگی زمین در اثر گسلش، روانگرایی و زمین لغزش می‌تواند اثرات ویرانگری را بر سازه‌های زیر زمینی وارد نماید، ولی صدمات ناشی از ارتعاشات زلزله به دلایل زیر به مراتب مهمتر از این صدمات هستند:

§        صدمات ناشی از گسیختگی (نظیر گسلش یا زمین لغزش) در نواحی خاصی اتفاق می‌افتند که می‌توان با مطالعات دقیق زمین شناسی مهندسی از قبل این نواحی را شناسایی نموده و تمهیداتی را در آنها در نظر گرفت ولی ارتعاش می‌تواند در اثر جنبش هر گسلی در فواصل دور یا نزدیک به فضای زیر زمینی ایجاد گردد و شدت آن نیز می‌تواند بسیار متغیر باشد.

§        ارتعاش منحصر به قسمت خاصی از تونل یا فضای زیر زمینی نمی‌شود و خسارات حاصله در کل مسیر تونل یا فضا می‌تواند ایجاد شود ولی گسلش یا زمین لغزش (و تا حدودی روانگرایی) در قسمتهای محدودی از مسیر اثر می‌گذارند و به کل سیستم آسیب نمی‌رسانند.

§       ارتعاشات ناشی از زلزله می‌تواند به شکل امواج مختلف طولی، عرضی یا برشی فضای زیر زمینی را تحت تاثیر قرار دهند و لذا تغییر شکلهای گوناگونی در مقاطع یا سازه‌های زیر زمینی در اثر ارتعاش امکان وقوع دارد. امواج اولیه یا P که به موزات محور طولی تونل یا سازه زیر زمینی انتشار می‌یابند، تونل را در جهت طولی دچار فشار یا کشش می‌کنند که می‌تواند باعث ایجاد ترکهای کششی یا خرد شدگی‌های فشاری در امتداد آن گردد. امواج برشی یا  S که بخش اصلی انرژی را انتقال می‌دهند، چنانچه در جهت طولی تونل انتشار یابند باعث ارتعاش در جهت عمود بر محور تونل شده و یا ایجاد جابجایی‌های برشی، آسیب های زیادی را به فضای زیر زمینی وارد می‌کنند. چنانچه جهات برخورد این امواج با تونل مایل یا عمود بر محور تونل باشد، باز هم اشکال دیگری از تغییر مکان در فضای زیر زمینی ایجاد می‌گردد. در حالیکه گسیختگی‌های ناشی از گسلش یا زمین لغزش معمولا جهت تغییر شکل از بررسی‌های ساختگاهی قابل پیشبینی است.

6-2-     اثر امواج مختلف بر سازه زیر زمینی

با توجه به بررسی امواج زلزله در فصل چهارم، امواج زلزله دارای انواع مختلفی است که هر کدام از این امواج تاثیر خاص خود را بر سازه زیر زمینی اعمال می‌کند. با توجه به این موضوع، هر کدام از امواج بصورت جداگانه مورد بررسی قرار می‌گیرد.

6-2-1.          امواج فشاری:

امواج فشاری PW، معمولا همراه با امواج برشی افقی HSW می‌باشند.HSW مولفه قائم و PW مولفه محوری امواج فشاری می‌باشد.PW بر روی سازه‌های زیر زمینی فشار و کشش طولی ایجاد می‌کند در حالی که HSW سازه خاکی را به جنبش جانبی وادار میکند.HSW اثر جدی بر روی سازه‌های بلند دارد ولی تاثیر چندانی بر روی سازه های زیر زمینی ندارد. تونلها و سازه‌های زیرزمینی طولی انعطاف پذیر، بر اساس انعطافپذیری اتصال حلقوی بر اثرات امواج HSW فائق می‌ایند.PW سریعترین موج انتشار یافته از زلزله است. بنابراین اولین موجی است که ساختگاه سازه خاکی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در شکل (6-1-a) اثر این گونه امواج بر تونل و تغییر شکلهای حاصله نشان داده شده است.

6-2-2.          امواج برشی قائم:

امواج برشی قائم اصلیترین نوع امواج هستند که حدودا شامل دوسوم (2/3) انرژی آزاد شده هستند.VSW باعث جابجائی قائم سیستم سازه‌ای می‌شود که برای سازه‌های بزرگ بسیار خطرناک است ولی تاثیر زیادی بر روی تونلها و سازه‌های زیر زمینی ندارد را که اثر آن را بر بوسیله اتصالات انعطاف پذیر جذب میکند.VSW نسبت به HSW کندتر حرکت می‌کند، لذا فاصله زمانی بین VSW و HSW کاملا وابسته به فاصله ساختگاه تا رومرکز است. به شکل (6-1-b) مراجعه نمایید.

6-2-3.          امواج رایلی RW :

در امواج رایلی، جهت چرخش ذرات در بالاترین قسمت آنها، در خلاف جهت حرکت موج می‌باشد و حرکات ذرات در سطح مسیر به صورت بیضی است که قطر بزرگ آن عمود بر انتشار موج است. امواج رایلی همانند امواج برشی قائم برای سازه‌های بزرگ عمل می‌کنند. سیستمهای زیر زمینی متحمل تغییر مکانهای قائم بر اساس ارتفاعشان می‌شوند.

6-2-4.          امواج لاو LW :

این امواج شکل ویژه‌ای از امواج HSW هستند، که جابجائی‌های جانبی با عمق خاک کاهش می‌یابد.  بطور کلی امواج تنها عامل تهدید کننده سازه‌های زیر زمینی هستند. سازه تحت اثر این امواج متحمل تغییرات دینامیکی جانبی می‌شود. مقدار جابجائی جانبی بین بالا و پایین سازه متفاوت است. اگر اضافه تنش ایجاد شده توسط امواج لاو، از مرز ایمنی فزونی یابد، سختی جانبی سازه زیر زمینی باید برای متناسب شدن با شرایط بارگذاری افزایش یابد. شکل (6-1-c) تغییر شکل نظیر این موج اعمال شده بر تونل را نشان می‌دهد.

 شكل  6-1 اثر امواج مختلف و انواع تغییر شکلهای ناشی از ارتعاش زمین در هنگام زلزله

6-3-     بررسی تغییر شکلهای ایجاد شده در تونل

همانطور که بیان شد، پاسخ فضاهای زیر زمینی در برابر ارتعاشات ناشی از زلزله می‌تواند به سه شکل تغییر شکلهای محوری، انحنایی و حلقه‌ای (Hoop) باشد.

تغییر شکل محوری با کرنشهای فشاری و کششی همراه می‌باشد و همراه با عبور موج در طول محور تونل یا فضای زیر زمینی جابجایی انجام می‌گیرد. تغییر شکلهای انحنایی باحث ایجاد انحناهای مثبت و منفی در امتداد تونل می‌گردند. در انحنای مثبت جدار فضای زیر زمینی در قسمت فوقانی دچار فشردگی و در قسمت تحتانی دچار کشیدگی می‌شود. تغییر شکلهای حلقه‌ای نیز در اثر رخورد امواج به صورت عمودی یا تقریبا عمودی نسبت به محور تونل یا فضای زیر زمینی ایجاد می‌گردد. این حالت تنها زمانی که طول موج لرزه‌ای کمتر از شعاع فضای زیر زمینی باشد ایجاد می‌شود.

6-3-1-  تغییر شکلهای محوری و انحنایی

تنشهای دینامیکی حاصل از امواج لرزه‌ای به تنشهای استاتیکی موجود در جدار تونل یا فضای زیر زمینی و سنگهای مجاور آن افزوده می‌گردند. در اثر افزایش تنشهای فشاری حاصل از بارگذاری دینامیکی امکان ایجاد خرد شدگی و حالت پوسته شدن (Buckling) در محیط فضای زیر زمینی وجود دارد. تنشهای لرزه‌ای کششی باعث کاهش تنشهای استاتیکی فشاری موجود در محل شده و این خود ایجاد تنشهای کششی می‌نماید که نتیجه آن باز شدن درزه‌ها و در نتیجه کاهش مقاومت برشی، سست شدن پیچ سنگها (Rock bolts) و نهایتا ریزش سنگ از سقف یا جداره‌های تونل می‌باشد. برای تعیین تغییر شکلهای محوری و انحنایی می‌توان از مدلهای یک بععدی استفاده نمود. شاید ساده‌ترین راه بدین منظور در نظر گرفتن تونل بعنوان ین تیر سازه‌ای و انجام تحلیل های مربوطه روی آن باشد. اما برای مغاره‌ها یا تونلهای بزرگتر لازم است از مدلهای سه بعدی جهت برآورد این تغییر شکلها استفاده نمود. روابط زیر میتوانند جهت تخمین تنشهای میدان آزاد بکار روند :

(6-1)       

(6-2)       

در این روابط:

 حداکثر تنش محوری

 حداکثر تنش برشی

 دانسیته مصالح

Vp            سرعت موج P

Vs سرعت موج S

V_Peak سرعت اوج ذره‌ای در جهت انتشار

V_n,Peak سرعت اوج ذره‌ای در جهت عمود بر انتشار

6-3-2-  تغییر شکل حلقه‌ای:

تمرکز تنشهای حلقه‌ای حاصل از تغییر شکل را می‌توان با استفاده از روابط مربوط به میدان آزاد تنش به شرح زیر برآورد نمود:

(6-3)       

(6-4)       

در این روابط K1 فاکتور تمرکز تنش دینامیکی برای موج P می‌باشد و مطابق شکل (6-2) تعیی می‌شود و K2 فاکتور تمرکز تنش دینامیکی برای موج S است و مطابق شکل (6-3) تعیین می‌شود.

شکل (6-2) رابطه بین فاکتور تمرکز تش دینامیکی K1 برای موج P و نسبت پوآسون

شکل (6-3) رابطه بین فاکتور تمرکز تش دینامیکی K2 برای موج S و نسبت پوآسون

روابط فوق برای برآورد تنشهای دینامیکی حداکثر در اطراف فضاهای زیر زمینی استوانه‌ای شکل بدون جدار ارائه شده‌اند که البته با اندکی تغییر می‌توان از آنها برای تونلهای دارای جدار نیز استفاده نمود.

6-4-  بررسی رفتار لرزه‌ای سازه‌های مدفون در رسوبات منفصل

مهمترین فرضی که برای تحلیل رفتار سازه‌های مدفون در رسوبات منفصل انجام می‌شود این است که خاک در مقایسه با سازه زیر زمینی صلب است و لذا تغییر شکل حاصل از زلزله در خاک به فضای زیر زمینی منتقل می‌شود و سازه‌ هماهنگ با زمین اطرافش حرکت می‌کند. با توجه به اینکه معمولا در اثر زلزله تغییر شکلهای مختلفی در جهات مختلف بصورت تصادفی ایجاد می‌شود لذا امکان مقاوم سازی سیستم جهت مقابله با این تغییر شکلها بسیار دشوار بوده و در بسیاری موارد امکان پذیر نیست. از طرفی صلبیت بیش از حد سازه زیر زمینی تنها آسیب پذیری آن را در برابر زلزله افزایش می‌دهد و لذا معمولا در طراحی سازه‌های زیر زمینی لازم است که سیستم به صورت انعطاف پذیر و دارای قطعات شکل پذیر طراحی شود به شرطی که پایداری استاتیکی آن به مخاطره نیفتد.

همچنین لازم است به مسایلی نظیر امکان تشدید و اثر اندر کنش سازه با محیط اطراف نیز توجه نمود. این عوامل می‌توانند باعث افزایش جنبشهای لرزه‌ای گردند. اندر کنش خاک – سازه در سازه‌های زیر زمینی اثرات مهمی دارد، اما اگر سازه طوری طراحی گردد که سیستم از جنبش زمین تبعیت کند، آنگاه اثر اندر کنش به حداقل کاهش می‌یابد. در بسیاری از معیارهای طراحی فضاهای زیر زمینی در رسوبات منفصل سعی می‌شود اثر اندر کنش با طراحی سیستم به نحوی که سیستم از جنبشهای زمین تبعیت کند، خنثی شود اما اگر فضای زیر زمینی در خاک خیلی سست احداث شده باشد، اثر اندرکنش نسبتا زیاد می‌باشد و باید مورد توجه قرار گیرد.

عامل دیگری که در رفتار فضاهای زیر زمینی در برابر ارتعاش حاصل از زمین لرزه حائز اهمیت است زاویه برخورد امواج با جدار تونل می‌باشد. امواج لرزه‌ای به سازه‌های خطی نظیر تونلها می‌توانند با زوایای مختلفی برخورد کنند و هر چه (به واسطه کاهش زاویه برخورد موج با تونل) طول تحت تاثیر قرار گرفته تونل بیشتر باشد، دامنه تغییر مکان زمین کاهش می‌یابد. این اثر در شکل (7-4) نشان داده شده است.

شکل (6-4) اثر زاویه برخورد موج با یک سازه خطی نظیر تونل و پارامتر های مرتبط با آن

زاویه برخورد موج با تونل اثر قابل توجهی در مقادیر انحنا و خمیدگی تونل و در نتیجه در تغییر شکل تونل هنگام وقوع زلزله دارد.  

6-4-1- نواع تغییر شکلهای لرزه‌ای خاک

دو نوع تغییر شکل عمده حاصل از زلزله می‌تواند روی سیستم های حمل و نقل زیر زمینی تاثیر نماید که عبارتند از تغییر شکلهای انحنایی و تغییر شکلهای برشی. تغییر شکلهای انحنایی در اثر قرارگیری مستقیم محل انحنای خاک (حاصل از زلزله) روی سازه زیر زمینی بوجود می‌اید. سازه زیر زمینی باید ظرفیت جذب کرنشهای حاصله را داشته باشد. تغییر شکل برشی نیز نشان دهنده تاخیر زمانی در پاسخ به یک شتاب پایه وارده به آن از سنگ بستر می‌باشد. این حالت را می‌توان به حرکت یک کاسه ژله در پاسخ به تکان ظرف آن تشبیه نمود. اثر این حرکت تغییر شکل مقطع مستطیلی فضا به شکل لوزی می‌باشد. این تغییر شکلها در شکل (6-5) نشان داده شده است.

شکل (6-5) تغییر شکلهای حاصل از امواح برشی لرزه‌ای در خاک

باید توجه داشت که هرچند دامنه جابجائی زلزله می‌تواند زیاد باشد ولی در سازه‌های زیر زمینی خطی نظیر تونلهای مترو، این جابجایی در طول نسبتا زیادی انجام می‌شود و لذا نرخ بهم ریختگی حاصل از زلزله معمولا کم و در حد تغییر شکلهای الاستیک قرار می‌گیرد.

مقادیر حداکثر این تغییر مکانها (انحنایی و برشی) و روش طراحی این گونه سازه ها در برابر این بارهای وارده، در فصل طراحی لرزه‌ای تونلها بصورت کامل بیان می‌گردد.