پایان نامه کارشناسی ارشد توسعه منحني هاي شكنندگي براي پل هاي مقاوم سازي شده با FRP

پایان نامه کارشناسی ارشد توسعه منحنی های شکنندگی برای پل های مقاوم سازی شده با FRP

 
برای دانلود استارت دانلود و بعد کریت لینک دانلود رو زده

download

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد مهندسی عمران(گرایش زلزله) 

عنوان 

توسعه منحنی های شکنندگی برای پل های مقاوم سازی شده با FRP

فایل word قابل ویرایش در 137 صفحه

فهرست مطالب­

چکیده. 1

فصل اول : مقدمه و کلیات... 2

1-1 مقدمه. 3

1-2 آسیب پذیری پلها در زلزله­های گذشته. 4

1-2-1 فروریزش دهانه پل از تکیه­گاهها4

1-2-2 ضعفهای لرزه­ای ستونها5

1-2-3 ضعف های لرزه­ای تیرها و گره­های اتصال تیر به ستون.. 6

1-3 روشهای مقاوم سازی ستونهای پلها8

1-3-1 مقاوم سازی ستون‌ها با استفاده از پوشش فولادی.. 9

1-3-2 مقاوم سازی ستون‌ها با استفاده از پوشش بتنی.. 12

1-3-3 پوشش به وسیلة مواد کامپوزیت... 13

1-4 ارزیابی آسیب پذیری لرزه­ای پلها به کمک توابع شکنندگی.. 21

1-4-1 منحنی های شکنندگی و کاربرد آنها در ارزیابی آسیب پذیری لرزه­ای پلها22

1-5 اهداف و چشم انداز پایان نامه. 23

منابع. 25

فصل دوم : تحلیل غیر خطی ستونهای مقاوم­سازی شده با استفاده از پوشش مواد کامپوزیت FRP 26

2-1 مقدمه. 27

2-2 رفتار تنش - کرنش مصالح.. 27

2-2-1 رفتار تنش-کرنش بتن محصور نشده در فشار. 27

2-2-2 رفتار تنش-کرنش بتن در کشش.... 28

2-2-3 رفتار تنش-کرنش بتن محصور شده. 29

2-2-4 رفتار تنش- کرنش فولاد در کشش.... 33

2-2-5 رفتار تنش - کرنش فولاد در فشار. 33

2-2-6 رفتار تنش- کرنش بتن محصور شده با FRP.. 35

2-3 الگوریتم تحلیل لنگر- انحنا40

2-4 بررسی صحت نتایج.. 42

2-5 مطالعه موردی.. 43

2-6 نتیجه­گیری.. 47

منابع. 48

فصل سوم : ارزیابی آسیب پذیری لرزه­ای پلها به کمک توابع شکنندگی.. 50

3-1 مقدمه. 51

3-2 ارزیابی آسیب پذیری لرزه­ای شبکه­های حمل و نقل بزرگراهی.. 51

3-3 منحنیهای شکنندگی.. 53

3-3-1 انواع منحنیهای شکنندگی.. 55

3-4 روند ترسیم منحنیهای شکنندگی.. 57

3-4-1 تهیه نگاشتهای زلزله مربوط به ناحیة مورد بررسی.. 57

3-4-2 مدل سازی پل و تعیین مقادیر تقاضا58

3-4-3 تعیین حالات حدی ظرفیت اعضا58

3-4-4 برآورد پارامترهای منحنی شکنندگی.. 59

3-5 تحلیل متعین پلها64

3-5-1 روشهای گوناگون مدل­سازی سازة پلها65

3-5-2 معرفی پل مورد مطالعه. 67

3-5-3- مدل سازی پل مورد مطالعه. 69

3-5-4 تحلیل دینامیکی.. 75

3-6 تحلیل شکنندگی پلهای مورد مطالعه. 81

3-6-1 انتخاب مجموعه رکوردهای زلزله. 81

3-6-2 تعیین مقادیر تقاضا85

3-6-3 تعیین حالات حدی ظرفیت اعضا86

3-6-4 ترسیم منحنیهای شکنندگی.. 88

منابع. 92

فصل چهارم : تاثیر مقاوم سازی با پوشش مواد کامپوزیت FRP بر آسیب پذیری لرزه­ای پلها95

4-1 مقدمه. 96

4-2 ترسیم منحنیهای شکنندگی بعد از مقاوم سازی.. 96

4-2-1 مقاوم سازی ستونها با استفاده از پوشش........... 97

4-2-2 مدل سازی پل و تعیین مقادیر تقاضا101

4-2-3 تعیین مقادیر حالات حدی ظرفیت اعضا103

4-2-4 منحنیهای شکنندگی بعد از مقاوم سازی.. 103

4-3 مقایسة منحنیهای شکنندگی قبل و بعد از مقاوم سازی.. 107

4-4 نتیجه­گیری.. 107

منابع. 113

فصل پنجم : نتیجه‌گیری و پیشنهادها114

5-1 مقدمه. 115

5-2 نتیجه‌گیری.. 116

5- 3 پیشنهادات... 116

پیوست 1 : تاریخچه زمانی نگاشت‌های بکار رفته در تحلیل شکنندگی.. 118

پیوست 2 : برنامه تهییه شده با نرم­افزار MATLAB جهت ترسیم منحنی لنگر- انحنای ستون. 132

چکیده انگلیسی (Abstract). 137

فهرست جدول­ها­

عنوان صفحه

جدول 1-1 خواص مکانیکی ورق های FRP. 15

جدول 2-1: خصوصیات استاندارد رده­های مختلف فولاد. 34

جدول 2-2: تاثیر پوشش CFRP بر خواص مقاومتی و شکل پذیری ستون مثال مورد بررسی.. 46

جدول 3-1: معرفی حالات حدی ظرفیت ستونها59

جدول 3-2: خصوصیات شتاب نگاشتهای استفاده شده در ترسیم منحنیهای شکنندگی.. 82

جدول 3-3: مقادیر حالات حدی تغییر مکان ستونهای پل واشنگتن بر حسب میلی متر. 87

جدول 4-1: تاثیر پوشش CFRP بر خواص مقاومتی و شکل پذیری ستون پل مورد مطالعه. 100

جدول 4-2: طول مفصل پلاستیک در ستونهای پل مورد مطالعه. 100

جدول 4-3: مقادیر حالات حدی تغییر مکان ستونهای پل واشنگتن پس از مقاوم سازی بر حسب میلی متر. 103

فهرست شکل­ها­

عنوان صفحه

شکل 1-1: شکست ستون یک پل در زلزله نورثریدج. 7

شکل 1-2: شکست برشی ستون کوتاه، زلزله تایوان. 7

شکل 1-3: بریدگی در ناحیه وصلة آرماتورهای طولی.. 8

شکل 1-4: خرابی کامل یک پل بزرگراهی در زلزله کوبه. 8

شکل 1-5: مقاوم سازی ستون به وسیلة پوشش فولادی.. 11

شکل 1-6: مقاوم سازی به وسیلة پوشش بتنی.. 13

شکل 1-7: نصب پوشش ستون به وسیلة صفحات CFRP به کمک دستگاه مخصوص... 21

شکل 2-1: منحنی تنش-کرنش بتن در کشش... 29

شکل 2-2: توزیع فشار جانبی در بتن محصور شده توسط آرماتور مارپیچ.. 30

شکل 2-3: منحنی تنش-کرنش بتن محصور شده و بتن محصور نشده در فشار. 32

شکل 2-4: منحنی تنش-کرنش آرماتور در کشش... 34

شکل 2-5: منحنی تنش-کرنش آرماتور در فشار با در نظر گرفتن اثر ناپایداری.. 35

شکل 2-6: وضعیت تنش در یک استوانة بتنی محصور شده با پوشش FRP.. 37

شکل 2-7: شکل کلی منحنی پیشنهادی تنگ و لام برای بتن محصور شده با پوشش FRP.. 38

شکل 2-8: منحنی نیرو - تغییر مکان ستونهای آزمایش شده توسط سعادت منش و همکاران و مقایسه با مقادیر تئوریک 42

شکل 2-9: ابعاد و مشخصات مثال مورد بررسی در این قسمت.. 44

شکل 2-10: منحنیهای لنگر انحنا برای ستون پل مربوط به مثال مورد. 45

شکل 2-11: تاثیر پوشش CFRP با ضخامتهای متفاوت.. 46

شکل 3-1: مراحل یک برنامه کاهش خطر زلزله در طول زمان. 52

شکل 3-2: مراحل ارزیابی آسیب پذیری شبکه حمل ونقل بزرگراهی یک ناحیه مشخص... 53

شکل 3-3: تفاوت ارزیابی متعین و غیرمتعین عملکرد سازه54

شکل 3-4: فرم کلی منحنی های شکنندگی و تفسیر آن به ازای شدت زلزلة معلوم. 56

شکل 3-5: تاثیر مقاوم سازی بر منحنی های شکنندگی.. 56

شکل 3-6: تعیین پارامترهای منحنی شکنندگی از طریق تحلیل رگرسیون. 61

شکل 3-7: روند ترسیم منحنی های شکنندگی با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی و تحلیل رگرسیونی 61

شکل 3-8: تعریف تابع درست نمایی.. 62

شکل 3-9: ترسیمی از تابع درست نمایی.. 63

شکل 3-10: انواع روش‌های مدل‌سازی جهت تحلیل لرزه‎ای پل‌ها66

شکل 3-11: المانهای متداول در مدل سازی پلها67

شکل 3-12: مشخصات پل مورد مطالعه. 68

شکل 3-13: مشخصات عرشه و پایة پل مورد مطالعه. 69

شکل 3-14 مدل سازی عرشة پل مورد مطالعه با استفاد ه از المان پوسته. 70

شکل 3-15: المانهای مورد استفاده برای مدل سازی قاب میانی.. 71

شکل 3-16: مدل دو خطی و سختی معادل المان خرد شدگی- شکاف بر اساس تحقیقات موتوکومار. 73

شکل 3-17: ثابتهای فنری معادل پی و ضرایب تصحیح عمق برای درجات آزادی مختلف... 75

شکل 3-18: شتابنگاشت زلزلههای (الف) نورثریدج، (ب) لوما پریتا، (ج) پارک فیلد. 76

شکل 3-19: مودهای غالب تغییر مکان پل. 77

شکل 3-20: تغییر مکان راس ستونهای پل در زلزلة نورثریدج. 78

شکل 3-21: تغییر مکان راس ستونهای پل در زلزلة لوماپریتا79

شکل 3-22: تغییر مکان راس ستونهای پل در زلزلة پارک فیلد. 80

شکل 3-23: ترسیم شتاب نگاشت­ها با احتمال رخداد 2، 10 و 50 درصد در 50 سال. 85

شکل 3-24: منحنیهای تقاضا- شدت زلزلة پل واشنگتن در جهت عرضی برای ستونهای مختلف... 86

شکل 3-25: منحنیهای شکنندگی پل واشنگتن در جهت عرضی برای ستونهای مختلف... 89

شکل 3-26: مقایسة بین آسیب پذیری ستونهای 4 گانة پل واشنگتن به ازای سطوح خسارت مختلف... 90

شکل 3-27: سطوح شکنندگی پل واشنگتن در جهت عرضی برای ستونهای مختلف... 91

شکل 4-1: تاثیر پوشش CFRP با ضخامتهای متفاوت.. 98

شکل 4-2: منحنیهای لنگر- انحنا برای ستون پل واشنگتن. 99

شکل 4-3: نحوة مقاوم سازی ستونهای پل واشنگتن با استفاده از پوشش FRP.. 101

شکل 4-4: منحنیهای تقاضا- شدت زلزلة پل واشنگتن در جهت عرضی برای ستونهای مختلف بعد از مقاوم سازی 102

شکل 4-5: منحنیهای شکنندگی پل واشنگتن در جهت عرضی برای ستونهای مختلف بعد از مقاوم سازی.. 105

شکل 4-6: مقایسة بین آسیب پذیری ستونهای 4 گانة پل واشنگتن به ازای سطوح خسارت مختلف بعد از مقاوم سازی 106

شکل 4-7: مقایسة بین آسیب پذیری ستون شماره 1 پل واشنگتن به ازای سطوح خسارت مختلف قبل و بعد از مقاوم سازی 108

شکل 4-8: مقایسة بین آسیب پذیری ستون شماره 2 پل واشنگتن به ازای سطوح خسارت مختلف قبل و بعد از مقاوم سازی 109

شکل 4-9: مقایسة بین آسیب پذیری ستون شماره 3 پل واشنگتن به ازای سطوح خسارت مختلف قبل و بعد از مقاوم سازی 110

شکل 4-10: مقایسة بین آسیب پذیری ستون شماره 4 پل واشنگتن به ازای سطوح خسارت مختلف قبل و بعد از مقاوم سازی 111

شکل 4-11: میزان کاهش آسیب پذیری ستونهای واشنگتن به ازای شدت های مختلف زلزله. 112

چکیده

منحنی های شکنندگی یکی از ابزارهای قدرتمند قضاوت در مورد میزان تاثیر مقاوم سازی بر کاهش آسیب پذیری پل ها می باشد. در بررسی آسیب پذیری شبکه های حمل ونقل استفاده از این منحنی ها ضروری به نظر می رسد. شکنندگی را می توان به صورت احتمال رسیدن جزء یا اجزایی از سازه به سطح خاصی از خسارت در شدت زلزله معلوم بیان کرد و یا به فرم احتمال مشروط نمایش داد.در ارزیابی آسیب پذیری پل ها ممکن است به این نتیجه برسیم که در جزء یا اجزایی از سازه ضعف هایی وجود دارد که می تواند در زمان زلزله باعث رسیدن پل به سطوح بالای خسارت و خارج شدن پل از سرویس دهی و اختلال در شبکه حمل و نقل گردد.لذا روش هایی وجود دارد که به جای نوسازی کامل پل، قسمتهایی که دچار نقص هستند را مقاوم سازی کنیم. از آنجا که ستون های پل ها در زلزله های گذشته یکی از اجزای با پتانسیل بالای خرابی بوده اند لذا روش هایی توسعه یافته اند تا بتوان مقاومت و یا شکل پذیری ستون ها را افزایش دهیم. استفاده از پوشش توسط مواد کامپیوزیت (FRP) متداول ترین این روش ها به شمار می رود که تا کنون تحقیقات زیادی بر روی پاسخ ستون های مقاوم سازی شده به این روش صورت گرفته است. در این تحقیق ابتدا منحنی های شکنندگی را برای یک تیپ خاص از پل های بزرگراهی توسعه خواهیم داد و سپس از مقاوم سازی ستون ها به روش ذکر شده، مجدداً این منحنی ها را رسم خواهیم نمود و از طریق مقایسه این دو نوع منحنی، قضاوتی در مورد میزان کاهش احتمال خرابی پل در زلزله های با شدت های مختلف خواهیم نمود.

فصل اول

مقدمه و کلیات

1-1 مقدمه

پل‌ها به عنوان نقاط اتصال شبکة راه‌های کشور دارای اهمیت ویژه‌ای هستند و لذا اطمینان از پایداری آن‌ها به هنگام حوادث طبیعی برای ارائة خدمات امدادی ضروری است. هم‌چنین با توجه به مسائل اقتصادی و بالا بودن هزینة ساخت و بهره برداری پل­ها، نکات ویژه‌ای در طراحی آن­‌ها باید منظور شود تا پس از زلزله بتوان پل را با تعمیرات جزئی به وضع مناسب بازگردانید. اگرچه ساده بودن فرم سازه‌ای پل‌ها پیش بینی رفتار آن‌ها را تسهیل مینماید، لیکن این سادگی آسیب ‌پذیری آن‌ها را به ویژه در هنگام زلزله افزایش میدهد. در واقع به علت پایین بودن درجة نامعینی پل‌ها پس از آن‌که در یک عضو مفصل پلاستیک به وجود آید، امکان ایجاد مسیرهای جایگزین برای انتقال نیروها و باز توزیع تنش‌ها وجود نداشته و در صورت کافی نبودن ظرفیت عضو، تخریب کل سازه اجتناب ناپذیر خواهد بود. بنابراین در طراحی پل‌ها در مناطق لرزه‌خیز، توجه کافی به طراحی مقاوم لرزه‌ای از اهمیت بالایی برخوردار است[1].

گزارش‌های زیادی از خسارات وارد به پل‌ها در اثر زلزله‌های مناطق مختلف جهان از جمله کالیفرنیا، ژاپن و تایوان وجود دارد که ضعف‌های موجود در پل‌های طراحی شده توسط آیین نامه‌های قدیمی را آشکار میسازد. این امر از سویی ضرورت بازنگری روش‌های تحلیل و طراحی پل‌ها و از سوی دیگر لزوم توسعة روش‌های مقاوم سازی پل‌های موجود را ایجاب مینماید. در امریکا بعد از مشاهدة خرابیهای گستردة پل‌ها در جریان زلزلة سن‌فرناندو (1971) و آشکار شدن ضعف‌های موجود در پل‌های طراحی شده توسط آیین نامه‌های قدیم از جمله عدم توجه به محصور شدگی کافی بتن در پایه‌ها، مهار ناکافی آرماتورها در پی، کم بودن عرض نشیمن‌گاه در محل درزهای انبساط و نقایص عمدة طراحی به علت پایین در نظر گرفتن نیروهای زلزله و غیره، بخشی از فعالیت‌های تحقیقاتی در زمینة مهندسی زلزله به سمت توسعة روش‌های مقاوم سازی پل‌های موجود گرایش پیدا کردند. از آن زمان تاکنون هم‌زمان با توسعة دانش مهندسی زلزله و پیشرفت‌های بوجود آمده در تولید مصالح جدید، روش‌های مقاوم سازی لرزه‌ای پل‌ها، چه از نظر فن ‌آوری و چه از نظر کاربردی، پیشرفت چشم‌گیری یافته‌اند و در هر عضو از پل روش­های مختلفی برای مقاوم سازی پیشنهاد شده است. از طرفی در هر منطقه با توجه به مصالح و تکنیک‌های بکار رفته در ساخت پل‌ها، لرزه‌ خیزی منطقه و سطح پیشرفت از نظر فن آوری تولید مصالح جدید، روش‌های خاصی توسعه پیدا کرده‌اند[1].

در این فصل پس از مروری بر خسارات وارد به پل­ها در زلزله­های گذشته و نواقص موجود در پل­های طراحی شده بر اساس آیین­نامه­های قدیم، برخی از روش­هایی که برای مقاوم سازی ستون­های پل­ها بکار می­روند را مورد بررسی قرار خواهیم داد. همچنین منحنی­های شکنندگی که در این تحقیق به عنوان معیاری برای سنجش تأثیر مقاوم سازی بر عملکرد لرزه­ای پل­ها بکار می­روند، در انتهای این فصل معرفی خواهند شد. در انتها نیز به بیان اهداف و چشم انداز پایان نامه خواهیم پرداخت.

1-2 آسیب پذیری پل­ها در زلزله­های گذشته

طی یک دهه اخیر، مسأله ویژه آسیب پذیری پلها در مناطق با لرزه خیزی بالا پس از خرابیهای گسترده ناشی از زلزله در کشورهای مختلف توجه متخصصان و مهندسان پل را به خود جلب نموده است [2]. در این قسمت از پایان نامه با مروری بر عملکرد لرزه­ای پلها طی زلزله­های گذشته، آسیب پذیری اجزاء مختلف پل­ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت. به عبارت دیگر در این قسمت به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت که چرا پل­های موجود که بدون در نظر گرفتن ضوابط طراحی لرزه­ای، طراحی شده­اند، به مقاوم سازی نیاز دارند. در این پایان نامه به بررسی رفتار لرزه­ای پل­های بتن آرمه متمرکز خواهیم پرداخت. بسیاری از پل­های موجود در سطح دنیا از بتن ساخته شده­اند که این سازه­ها طی زلزله­های اخیر ضعف­های لرزه­ای متعددی از خود نشان داده­اند. در یک دسته بندی کلی می­توان ضعف­های زیر را بر شمرد



download