کتاب راهنمای مهندسی پل جلد اول طراحی لرزه ای اثر وای فا چن ترجمه جمشیدی - طاوسی تفرشی

مقدمه 

زلزله ها حركات لرزشي پهن باند زمين هستند كه به صورت طبيعي و در اثر تعدادي از عوامل، شامل حركات تكتونيك زمين، فوران آتشفشان آذرگرايي، زمين لغزه، تركيدگي سنگ، و انفجارهاي ايجاد شده توسط انسان، رخ مي دهند. مهم ترين عامل بروز زلزله شكستگي و لغزش تخته سنگ ها در امتداد گسل هاي تكتونيك در پوسته ي زمين است. در بسياري از زلزله ها، لرزش و يا گسيختگي زمين گسترده ترين و غالب ترين عوامل خرابي هستند. لرزش در نزديكي محل واقعي گسيختگي زلزله تنها به اندازه اي ادامه پيدا مي كند كه گسل دچارگسيختگي مي شود. اين فرآيند چند ثانيه يا حداكثر چند دقيقه به طول مي انجامد. امواج لرزه اي ايجاد شده به وسيله ي گسيختگي پس از توقف حركت گسل در فها ص  ل ي دوري انتشار مي يابند؛ با اين حال، اين امواج در عرض تقريبا 20 دقيقه در كره ي خاكي گسترده مي شوند. به طور معمول، حركات زلزله اي زمين به حد كافي قوي هستند تا تنها در ميدان همجوار يعني در فاصله ي ده ها كيلومتري از محل گسل زمينه ساز باعث خرابي شوند - در چند نمونه ي معدود، حركت هاي طولاني مدت در فواصل دور باعث آسيب هاي جدي به سازه هاي داراي ميرايي ضعيف مي شود. به عنوان مثال، در زلزله ي مكزيكوسيتي در سال 1985 ، موارد متعدد بود كه در فاصله فروريزش ساختمان هاي متوسط و بلند به دليل زلزله اي به بزرگي8.1 تقريبا 400 كيلومتري از مكزيكوسيتي رخ داده بود.

پیشگفتار

هم‌اکنون، طراحی لرزه‌ای پل‌ها در ایالات متحده در حال گذار از روش مبتنی بر نیرو به روش مبتنی بر جابه‌جایی است. توجه به روش مبتنی بر نیرو در کالترانس، بلافاصله پس از زلزله‌ی سان‌فرناندو در 11 فوریه‌ی سال 1971 میلادی، آغاز شد. در سال ۱۹۷۳ میلادی، نخستین ضابطه طراحی لرزه‌ای در شیوه‌ی طراحی پل‌ها پیاده‌سازی شد. این ضابطه مجموعه‌ای از ضوابط تجویزی طراحی بر اساس رویکرد طراحی شکل‌پذیر، با استفاده از مفاصل پلاستیک بود که به سازه امکان می‌داد دچار آسیب شود، در عین حال، مانع از فرو ریختن آن می‌شد. امکان آسیب دیدن با تغییر شکل مفاصل پلاستیک در ستون‌ها سطح عملکرد «ایمنی مادام‌العمر» را با هزینه‌ی اولیه‌ی ساخت حداقلی فراهم می‌سازد؛ این روش جایگزینی برای ساخت پلی بود که با هزینه‌ی غیر عملی بالاتر و بدون تحمل آسیب الاستیک باقی می‌ماند. در ضوابط جدید، این موارد مد نظر قرار گرفته بودند: (1) خطر لرزه‌ای، (2) پاسخ موضعی زمین، (3) تحلیل دینامیک سازه‌ای و (4) کاهش شکل‌پذیری برای طرح که همچنان چهار موضوع اصلی ضوابط مورد توجه در جدیدترین مشخصات طراحی هستند.

این رویکرد، در سال 1975، به طور رسمی مورد پذیرش AASHTO قرار گرفت (AASHTO, 1975) و به منظور قابل استفاده شدن در تمامی مناطق آمریکا اصلاحاتی جزئی در آن اعمال شد. این اصلاحات مشتمل بر نقشه‌های USGS بودند که در آن زمان برای PGA در کل آمریکا در اختیار بودند. این ضوابط تا سال 1990 میلادی لازم‌الاجرا باقی ماندند (AASHTO, 1990) و در آن سال دستورالعمل‌های طراحی لرزه‌ای پل‌های بزرگراهی ATC-6 (ATC, 1981) جایگزین آن‌ها شد و از سوی AASHTO تحت عنوان بخش 1-A پذیرفته شد (AASHTO, 1990 and 1992). با وجود پیشرفت‌های بخش 1-A، روش طراحی شکل‌پذیر با عوامل شکل‌پذیری توصیه‌شده برای ایجاد امکان آسیب دیدن سازه باقی ماند. این روش عدم قطعیت‌های متعددی را در بر می‌گرفت و کمتر از روش مبتنی بر جابجایی مورد استفاده در مشخصات راهنمای اخیراً تدوین‌شده‌ی AASHTO برای طراحی لرزه‌ای پل‌های بزرگ‌راهی به روش ضرایب بار و مقاومت (AASHTO, 2011) قابل اتکا بود. اگرچه استفاده از ضرایب شکل‌پذیری حذف شده است، سطح عدم قطعیت نیز به طور قابل توجه کاهش یافته و سطح عملکرد «ایمنی مادام‌العمر» نیز تغییری نیافته است. علاوه بر این، سطح خطر جدید احتمال 5/7 درصدی تجاوز از آن سطح عملکرد در 75 سال (یعنی دوره‌ی بازگشت 975 ساله) معرفی شد تا جایگزین احتمال 10 درصدی تجاوز طی 50 سال (یعنی دوره‌ی بازگشت 475 ساله) شود. اگرچه با پذیرش هر یک از این ضوابط بهبودهایی ایجاد شده است، چهار موضوع اصلی ثابت باقی ماندند، چون این بهبودها به شکل مجزا در داخل هر یک از این زمینه‌های موضوعی اصلی حاصل شد.

اگرچه در طراحی لرزه‌ای پل‌ها، با شیوه‌ی مرسوم روبه‌رو بوده‌ایم که از دیرباز با الزامات آیین‌نامه‌ای برای رسیدن به تأسیساتی سازگار بوده است که دچار فروریزش نشوند، آسیب پس از زلزله‌ی حاصل پرهزینه و مخرب بوده است و در برخی از موارد، پل‌ها به طور کامل تخریب و با پل‌های جدید جایگزین شده‌اند. مالکان و کاربران تأسیسات نگران زیان‌های اقتصادی ناشی از آسیب و اختلال در عملکرد ناشی از این بلااستفاده شدن هستند. همانطور که در زلزله‌های پیشین مشاهده شده است، اختلال در خدمات‌رسانی سیستم جاده‌ای و تقاضای خدمات تعمیری ممکن است تأثیرات قابل توجهی بر رفاه اقتصادی و اجتماعی جامعه داشته باشد. به عنوان مثال، داده‌های زیان گزارش‌شده توسط دولت در جریان زلزله‌های کوبه و نورث‌ریج نشان می‌دهند که زیان‌های اقتصادی کلی، شامل از دست رفتن قابلیت استفاده و اختلال، 10 برابر بیشتر از هزینه‌های مستقیم ترمیمی سازه‌های آسیب‌دیده است (Imbsen and Mokha).

ایزوله‌سازی لرزه‌ای، در ابتدا، برای دست‌یابی به قابلیت عملکرد پیوسته برای پل‌ها، از طریق مقاوم‌سازی پل‌ها در مسیرهای مهم حمل و نقل، به کار رفت. با وجود این، به‌روزرسانی‌های اخیر دستورالعمل‌های طراحی پل AASHTO LRFD (AASHTO, 2009) و راهنمای لرزه‌ای این مزایا را به رسمیت می‌شناسند و استفاده از ایزوله‌سازی لرزه‌ای را به عنوان راهبرد طراحی جایگزین اصلی برای پل‌های جدید ترویج می‌دهند. برخی از این به‌روزرسانی‌ها عبارتند از: (1) افزودن‌بندی در مشخصات طراحی پل AASHTO LRFD (ماده‌ی 3-3-1) به منظور جایگزین‌سازی استفاده از «دستگاه‌های انتشاردهنده‌ی انرژی» به جای «ERS شکل‌پذیر متداول» راهنمای لرزه‌ای، (2) افزودن ایزوله‌سازی لرزه‌ای به عنوان راهبرد طراحی (ماده‌ی 1-1) در راهنمای لرزه‌ای و (3) ویرایش سوم به‌روزرسانی‌شده‌ی مشخصات راهنمای AASHTO برای طراحی ایزوله‌سازی لرزه‌ای (AASHTO, 2010) با خطر طراحی لرزه‌ای به‌‌روزرسانی‌شده‌ی تعریف‌شده در مشخصات AASHTO همراه.

با توجه به تغییرات اخیر در مشخصات AASHTO و پیشرفت‌های فناوری ایزوله‌سازی لرزه‌ای، اکنون امکان طراحی برای دست‌یابی به قابلیت عملکرد پیوسته وجود دارد. از منظر تاریخی، پل‌های شاهراهی حیاتی اصلی به منظور دست‌یابی به قابلیت عملکرد پیوسته مقاوم‌سازی شده‌اند و در مقایسه با هزینه‌ی صرف‌شده در مقاوم‌سازی‌های متداول برای ایمنی مادام‌العمر، که قابلیت عملکرد پیوسته ایجاد نمی‌کنند، صرفه‌جویی 30 درصدی ایجاد کرده‌اند. هم‌چنین، استفاده از راهبرد طراحی ایزوله‌سازی برای دست‌یابی به قابلیت عملکرد پیوسته‌ی پل‌های جدید باعث صرفه‌جویی‌های هزینه‌ای شده است. تصمیماتی که طی ۴۰ سال گذشته در کالترانس اتخاذ شده‌اند و هدفشان استفاده از روش طراحی شکل‌پذیر به منظور دست‌یابی به سطح عملکرد «ایمنی مادام‌العمر» همراه با کاهش هزینه‌های اولیه‌ی ساخت است باید در پرتو درس‌های فراگرفته‌شده از زلزله‌های اخیر و توسعه‌ی فناوری‌های ایزوله‌سازی لرزه‌ای مجدداً ارزیابی شوند. سطح عملکرد ایمنی مادام‌العمر در شرایط فناوری امروزی کفایت نمی‌کند و بهتر است استاندارد را به سطح قابلیت عملکرد پیوسته ارتقا دهیم.

در فصل 8 ، مثالی از طراحی لرزه‌ای پل را به شکل مختصر بیان کردیم. در طراحی این پل از هر دو سند مشخصات طراحی پل AASHTO (AASHTO, 2012) و مشخصات راهنما برای طراحی لرزه‌ای پل LRFD (AASHTO, 2011) استفاده شد. تأکید مباحث بر طراحی ستون‌ و فونداسیون پل بود. نتایج طراحی نشان می‌دهند که در شرایط یکسان ورودی زلزله، اگر از شیوه‌ی طراحی «مبتنی بر نیرو» استفاده شود، میلگردهای اصلی مورد نیاز ستون مجموعاً ۹۲ میلگرد ۱۴ با نسبت فولاد %۱۲/۴ خواهد بود (که بالاتر از حد بالای %۰/۴ است)؛ در حالی که روش طراحی «مبتنی بر جابجایی» تنها به ۴۸ میلگرد ۱۴ با نسبت فولاد %۱۵/۲ نیاز دارد. دلیل این تفاوت فاحش در آرماتورگذاری «ضریب اصلاح پاسخ (ضریب R)» است. در روش طراحی «مبتنی بر نیرو»، ضریب R ثابت است و با شدت لرزش یا شکل‌پذیری ستون ارتباطی ندارد. برای پل مثال ذکر شده، زلزله‌ی ورودی دارای PGA ۷/۰ و شتاب اوج g ۷۵/۱ است. شکل‌پذیری ناشی از جابجایی ستون بیش از ۰/۴ است. ضریب R برای این پل غیراصلی غیرحیاتی با خرک تک‌ستونه تنها ۰/۳ است، اگرچه این پل در پهنه‌ی عملکرد لرزه‌ای ۴ قرار گرفته است. طراحی فونداسیون بر مبنای قاعده‌ی «طراحی ظرفیتی» انجام می‌شود و بنابراین، روش طراحی «مبتنی بر نیرو» به اندازه‌ی ft 7 × ft 35 × ft 35 پی با مجموعاً ۸۱ شمع بتنی متحرک نیاز دارد (ظرفیت ۷۰ تن)؛ این در حالی است که روش طراحی «مبتنی بر جابه‌جایی» به اندازه‌ی ft 6 × ft 27 × ft 27 پی و مجموعاً ۴۹ شمع بتنی متحرک نیاز خواهد داشت. می‌توان نتیجه گرفت که در روش طراحی «مبتنی بر نیرو»، «ضریب R» باید بر اساس پهنه‌ی عملکرد لرزه‌ای یا شکل‌پذیری ستون تعیین شود، در غیر این‌صورت، این روش برای طراحی لرزه‌ای پل در مناطق شدیداً لرزه‌خیز بیش از اندازه‌ محافظه‌کارانه خواهد بود.

در فصل10، رفتار لرزه‌ای و طراحی پایه‌های جدارنازک فولادی و پایه‌‌های CFT تشریح شد. ابتدا، به آسیب‌های وارد بر پایه‌های جدارنازک فولادی توخالی، که طی زلزله‌ی 1995 کوبه مشاهده شدند، پرداختیم. سپس، مشخصات طراحی لرزه‌ای کنونی پس از زلزله‌ی کوبه تشریح شد. در نهایت، برخی از دستاوردهای تحقیقاتی اخیر ذکر شدند. این دستاوردها با ابداع شیوه‌‌های طراحی لرزه‌ای آتی ارتباط دارند. در این شیوه‌ها، از مدل‌های اجزای محدود پیشرفته برای بررسی مستقیم عملکرد پل‌ها تحت ترکیب اجزای چندجهته‌ی واقع‌‌بینانه‌ی جنبش‌های زمین در زلزله استفاده می‌شود. در میان دستاوردهای تحقیقاتی اخیر، سه دستاورد مهم معرفی می‌شود. یکی از آن‌ها مدل‌های اجزای محدود پیشرفته برای پایه‌های جدارنازک فولادی و پایه‌های CFT تحت نیروهای لرزه‌ای دوسویه‌ی افقی است. دستاورد دیگر ساز و کار کمانش‌ تاب منحصر‌به‌فرد پایه‌‌های CFT است که نقشی مهم در ارتقای مقاومت و شکل‌‌پذیری آن‌ها ایفا می‌کند. این ساز و کار به تازگی، بر اساس مدل اجزای محدود پیشرفته، آزمون بارگذاری دوره‌ای دوسویه و آزمون میز لرزان، تدوین شده است. دستاورد سوم روش تأیید ایمنی مبتنی برمقاومت برای پایه‌‌های جدارنازک فولادی توخالی تحت شتاب‌های لرزه‌ای دوسویه‌ی افقی است. این در حالی است که روش تأیید ایمنی برای پایه‌های CFT، به دلیل در دست انجام بودن تحقیقات مرتبط، در این بخش ذکر نشد.

پایه‌های CFT عموماً از نظر عملکردهای لرزه‌ای، مانند ایمنی و قابلیت سرویس‌دهی پس از زلزله، بر پایه‌های جدارنازک فولادی توخالی برتری دارند. با وجود این، مقاومت بهبود‌یافته‌‌ی پایه‌های CFT گاهی اوقات موجب شکست در ستون‌ها، پیش از رسیدن پایه‌ها به مقاومت و شکل‌پذیری نهایی خود می‌شود. بنابراین، نیاز تحقیقاتی آتی مربوط به پایه‌گذاری روش تأیید منطقی یا جزئیات سازه‌‌ای برای جلوگیری از شکست فلز است. بدین منظور، انتظار می‌رود مدل‌‌های اجزای محدود پیشرفته‌ی ذکرشده اطلاعات سودمندی را درباره‌ی تراکم تنش و کرنش موضعی، که باعث بروز شکست‌ها می‌شود، ارائه دهد.

در طول زلزله‌ی 2011 توهوکو، چندین پل بزرگراهی مرتفع، که بر پایه‌های جدارنازک فولادی استوار بودند، در حوزه‌ی سندایی میاگی، در معرض جنبش‌های شدید زمین قرار گرفتند. این پایه‌ها بر مبنای مشخصات طراحی لرزه‌‌ای تدوین‌شده پس از زلزله‌ی کوبه طراحی شده بودند (Japan road Association, 1996). خوشبختانه، پایه‌‌های فولادی آسیبی ندیدند. البته، برخی از ضربه‌گیرهای لاستیکی لایه‌لایه متحمل آسیب‌هایی شدید شده بودند. پس از زلزله‌ی کوبه، استفاده از این ضربه‌گیرها رواج یافت. پیش از زلزله‌ی توهوکو، هرگز آسیب جدی به ضربه‌‌گیرهای لاستیکی وارد نشده بود، اگرچه پس از زلزله‌ی کوبه چندین زلزله‌ی بزرگ در ژاپن رخ داده بود. در طراحی لرزه‌ای کنونی، ضربه‌گیرهای لاستیکی به گونه‌ای طراحی نمی‌شوند که پیش از خمیری ‌شدن پایه‌ها دچار آسیب شوند. بنابراین، شکست ضربه‌گیرهای لاستیکی بر خلاف سناریوی طراحی لرزه‌ای کنونی است. علل این شکست باید به طور جامع بررسی شوند و بنا بر ضرورت، در طراحی ضربه‌گیرهای لاستیکی انعکاس یابند.

طراحی لرزه‌ای پل‌ها پیچیده و چالش‌برانگیز است و نیاز به کار تیمی چندرشته‌ای دارد. به طور کلی، پل‌ها را بهتر از زلزله‌ها می‌شناسیم و اطلاعاتمان درباره‌ی سازه‌ها بیشتر از اطلاعاتمان درباره‌ی خاک‌ها است. کمترین میزان آگاهی به حیاتی‌ترین آیتم، یعنی جنبش ورودی زمین مورد استفاده در طراحی‌ها، اختصاص دارد. این مسئله واقعیتی بنیادین است. تصدیق محدودیت‌های موجود در دانشمان به ما کمک می‌کند قضاوت‌های مهندسی مطلوبی داشته باشیم. آخرین آزمون نهایی برای ارزیابی طراحی لرزه‌ای بی‌تردید در حین زلزله انجام می‌شود. اشتباه‌های صورت‌گرفته در طراحی و احداث سازه، در نهایت و به طور پیوسته، به آسیب‌ها و شکست‌های ناشی از زلزله خواهد انجامید و جنبش‌های ورودی ثبت‌شده‌ی زمین در تکیه‌گاه‌های پل و تاریخچه‌ی پاسخ اجزای گوناگون پل طی زلزله‌های شدید فاقد ارزش خواهد بود. لذا، تلفیق تجهیزات و دستگاه‌های جدید در طرح‌های نوین و طرح‌های مقاوم‌سازی ضروری است. هر زمان که امکان‌پذیر باشد، مهندسان پل‌سازی باید مالکان پل را مجاب به این سرمایه‌گذاری‌های باارزش کنند.

دکتر شهریار طاوسی تفرشی - مهندس محمدحسین جمشیدی