اثر حرکات زمین بر پاسخ دینامیک غیرخطی و آسیب لرزه‌ای سد بتنی

این ترجمه مقاله را با دوستان خود به اشتراک بگذارید.

حرکات نزدیک گسل زمین آثار قابل توجهی را در پاسخ دینامیکی غیرخطی و آسیب انباشته سدهای وزنی بتنی در نتیجه تاثیرات شدید و ضربه‌ای بر روی سازه‌ها دارد. حرکات نزدیک گسل دارای پتانسیل ایجاد آسیب شدیدتری در بدنه سد نسبت به حرکات دور از گسل زمین دارد، و آثار این حرکات بایستی به منظور دستیابی به نتایج واقعی‌تر بایستی در نظر گرفته شود.

تاثیرات حرکات زمین در نزدیکی گسل و دور از گسل بر پاسخ دینامیکی غیرخطی و آسیب لرزه‌ای سدهای بتنی گرانشی

چکیده

همان‌طور که جهت روبه جلو و پرتابه‌ای بر ویژگی‌های حرکات زمین در نزدیکی گسل تاثیرگذار است، پاسخ لرزه‌ای سازه‌ها در حوزه نزدیک پارگی گسل به‌طور قابل توجهی می تواند متفاوت با تاثیرات مشاهده شده در حوزه دور باشد. ویژگی های منحصر به فرد حرکات زمین در نزدیکی گسل می تواند منجر به آسیب‌های قابل توجهی در حین زلزله شود.

در مقاله حاضر نتایج مطالعه با هدف ارزیابی تاثیرات حرکت زمین در نزدیک گسل و دور از گسل بر پاسخ دینامیکی غیرخطی و آسیب لرزه‌ای سدهای بتنی گرانشی شامل تعامل پایه و اساس سد می گردد. بر این منظور، ۱۰ رکورد زلزله ثبت شده که حرکات زمین با پالس سرعت آشکار را نشان می‌دهند به منظور آشکارسازی مشخصات حرکت زمین در نزدیکی گسل، مورد استفاده قرار گرفته است. گحرکات زمین لرزه ثبت شده در همان سایت ناشی از زمین‌لرزه‌های دیگر با نقطه کانونی دور از منطقه مورد نظر به عنوان حرکات لرزه‌ای دور از گسل در نظر گرفته می شوند. سد گرانشی Koyna ،که به عنوان نمونه عددی انتخاب شده است، در معرض مجموعه‌ای از رکوردهای ثبت شده حرکات قوی نزدیک گسل و دور از گسل قرار گرفته‌اند.

مدل بتن آسیب‌دیده‌ی شکل‌پذیر

مدل بتن آسیب‌دیده‌ی شکل‌پذیر (CDP) شامل کرنش سخت شدن یا رفتار نرم شدن در آنالیز غیرخطی بکار گرفته شد. پاسخ دینامیکی غیرخطی و آنالیز آسیب لرزه‌ای سد بتنی انتخاب شده در معرض رکوردهای هر دو حرکت نزدیک گسل و دور از گسل امجام شده است. هر دو شاخص آسیب محلی و جهانی بعنوان پارامترهای پاسخ ثبت شدند. نتایج بدست آمده از تجزیه و تحلیل سد در معرض هر نوع تاثیر گسل با یکدیگر مقایسه شده است. از تجزیه و تحلیل نتایج چنین دیده شده است که حرکات زمین نزدیک گسل، که تاثیر قابل توجهی بر پاسخ دینامیکی سیستم پایه و مخزن سد دارند، پتانسیل ایجاد آسیب‌های شدیدتر و جدیتری در بدنه سد نسبت به حرکات دور از گسل زمین دارا می باشند.

مقدمه

سدها از جمله سازه‌های مهم مهندسی هستند که مدت‌ها به توسعه تمدن بشری کمک کرده‌اند. به منظور پاسخگویی به تقاضای روزافزون برای قدرت، آبیاری، و آب آشامیدنی و غیره، اکثر سدهای بتنی بلندمرتبه در کشورهای لرزه‌خیز ساخته می شوند یا ساخته شده‌اند. با این حال، گسیختگی محتمل سدهای با ظرفیت بالای نگهداری آب می تواند منجر به خرابی‌های قابل توجهی در پایین دست مناطق پرجمعیت در حین زلزله‌های قدرتمند گردد. سدها بایستی کاملا ایمن و پایدار باشند. ارزیابی ایمنی لرزه‌ای سدهای بلند مرتبه یک مسئله مهم و اساسی در ساخت سدها می‌باشد. رکوردهای ثبت شده از حرکت زمین در زلزله‌های قوی اخیر، مانند loma Prieta (1989)، Northridge (1994)، Kobe (1995)، Kocaeli (1999)، و Chi-Chi (1999)، مشخصات منحصر به فردی از حرکات زمین در حوزه نزدیک گسل را آشکار می‌سازد.

حرکات لرزه‌ای ثبت شده‌ی زمین از زلزله‌های درون مناطق نزدیک گسل و ایستگاههای قرار گرفته در جهت پارگی گسل، به طور قابل توجهی از حرکات معمول دور از گسل مشاهده شده در فواصل دور متفاوت می‌باشند [۱].  جهت روبه جلو و اثرات پرش توسط زلزله شناس‌ها به عنوان پارامترهای اولیه حرکت‌های نزدیک گسل شناسایی شده‌اند [۲]. المان‌های یک گسل نرمال در حرکات زمین اغلب شامل پالس‌های سرعت و جابجایی‌های بزرگ می‌شود. چنین پالس معرفی شده در حرکات زمین دور از گسل موجود نمی‌باشد. این پالس‌ها به شدت از مکانیزم گسیختگی، جهت لغزش نسبت به سایت، و هچنین محل ایستگاه ضبط نسبت به گسل که به عنوان “اثر جهت” در نتیجه انتشار گسیختگی به سمت سایت ضبط نامیده می‌شود، تاثیرپذیر می‌باشند.

حرکات زمین نزدیک گسل

به دلیل مشخصات منحصر به فرد حرکات زمین نزدیک گسل، حرکات ثبت شده زمین در ناحیه نزدیک گسل، که سازه را در معرض انرژی اعمالی بالایی در آغاز زمین لرزه قرار می‌دهد [۶]، پتانسیل ایجاد یک پاسخ بزرگ و آسیب قابل توجه در سازه‌ها را دارد. ازاینرو، پاسخ سازه‌ای در حرکات نزدیک گسل در سالهای اخیر مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. تاثیرات حرکات نزدیک گسلی بر روی بسیاری از سازه‌های مهندسی مانند ساختمان‌ها و پل‌ها و غیره، در سالهای اخیر مورد ارزیابی و سنجش قرار گرفته است [۷-۱۷]. به وضوح از این مطالعات قابل مشاهده می‌باشد که اهمیت تاثیرات حرکت نزدیک گسلی بر پاسخ دینامیکی غیرخطی سازه‌ها برجسته سازی شده است. طرح لرزه‌ای سازه‌ها بایستی با توجه به مشخصات حرکات نزدیک گسل و در نتیجه تاثیرات ضربه‌ای آن بر سازه‌ها انجام گیرد.

بایستی توجه شود که مطالعات بسیار اندکی توجهشان را به پاسخ دینامیکی غیرخطی و آسیب لرزه‌ای سدهای بتنی گرانشی در معرض حرکات زمین در نزدیکی گسل معطوف نموده‌اند. به عنوان مثال، Akkose و Simsek [18] پاسخ لرزه‌ای سد بتنی گرانشی در معرض حرکات زمین در نزدیکی گسل و دور از گسل شامل اثر متقابل سد-آب-رسوبات – سنگ پایه را مورد مطالعه قرار داده‌اند. آنها دریافتند که تغییر شکل‌های پلاستیکی در سد در معرض حرکات زمین در نزدیکی گسل بزرگتر از این تغییر شکل‌ها در سدهای در معرض حرکات زمین دور از گسل می‌باشند.

Bayraktar و همکارانش [۱۹-۲۲] تاثیرات حرکات نزدیک گسل و دور از گسل بر روی پاسخ غیر خطی سدهای گرانشی ارزیابی نموده‌اند. نتایج نشان داده‌اند که مطالبات لرزه‌ای بیشتری هنگامی که سد در معرض حرکات نزدیگ گسل قرار دارد در جابجایی‌ها و تنش‌ها وجود دارد. اگرچه مطالعات قبل مقداری اطلاعات در زمینه تاثیرات حرکات نزدیک گسلی در پاسخ سدها فراهم نموده‌اند، پژوهش کافی‌ای در زمینه‌ی تاثیرات حرکت نزدیک گسلی بر آسیب لرزه‌ای سدهای بتنی گرانشی وجود ندارد.

تاثیر مخزن بر رفتار سد

به منظور در نظرگیری تاثیر مخزن بر رفتار سد تحت حرکات شدید زمین، عموما سه رویکرد، در تجزیه و تحلیل مسائل تعامل سیال-سازه استفاده شده است. ساده‌ترین آن رویکرد جرم اضافه شده اولیه اعمالی توسط  Westergaard [23] (اجرام اضافه شده بر سد)، می‌باشد. رویکرد دیگر رویکرد Eulerian [24]، می‌باشد به طوریکه جابجایی‌ها متغیرها در سازه بوده و فشار یا پتانسیل‌های سرعت متغیرهای سیال می‌باشند.

از آنجایی که این متغیرها در سازه و سیال در رویکرد Eulerian متفاوت هستند، یک برنامه کامپیوتری مشخص برای پاسخ سیستم‌های کوپلی نیاز می‌باشد. سومین روش برای بررسی تعامل سیال-سازه، رویکرد لاگرانژین می-باشد [۲۵-۲۶]، که جابجایی‌ها متغیرهای هر دو سیال و سازه می‌باشند. به همین دلیل، جابجایی لاگرانژین بر مبنای اجزای سیال به راحتی با برنامه کامپیوتری، به منظور تجزیه و تحلیل سازه ترکیب شده، زیرا به معادلات رابط ویژه نیاز نمی‌باشد. پاسخ دینامیکی سیستم‌های سیال-سازه با استفاده از رویکرد لاگرانژین، توسط بسیاری از محققان مورد ارزیابی قرار گرفته است [۱۸-۲۲,۲۷,۲۸].

سازماندهی مقاله

هدف اصلی این مقاله بررسی و مقایسه رفتار دینامیکی سدهای بتنی گرانشی در معرض تحریکات حرکت نزدیک گسل و دور از گسل با در نظرگیری تاثیرات تعامل سد-مخزن-پایه می‌باشد. مدل آسیب پلاستیسیته بتن که شامل کرنش سخت کنندگی و رفتار نرم‌کنندگی می‌باشد، به منظور مطالعه پاسخ لرزه‌ای سدهای بتنی گرانشی در معرض شرایط زمین لرزه، بکار گرفته شده است. Valley Imperial در سال ۱۹۷۹، Loma Prieta در سال ۱۹۸۹، Northridge 1994، و رکوردهای  زمین لرزه Chi-Chi در سال ۱۹۹۹ که حرکات زمین با پالس سرعت واضح، به منظور بیان مشخصات حرکت زمین در نزدیکی گسل، انتخاب شده‌اند.

در این مطالعه، مقوله “حرکت نزدیک گسل زمین” به رکورد بدست آمده از حرکت زمین در مجاورت یک گسل با پالس سرعت واضح (مدت زمان پالس بزرگتر از ۱ ثانیه)، و نسبت سرعت اوج زمین به شتاب اوج زمین (PGV⁄PGA) برای مقادیر بزرگتر از ۰٫۱ ثانیه، اشاره دارد. حرکات زمین لرزه ثبت شده در سایت مشابه برای وقایع مختلفی که کانون دور از منطقه مورد نظر دارند، بعنوان حرکات زمین دور از گسل در نظر گرفته می‌شوند.

رویکرد لاگرانژین

رویکرد لاگرانژین برای مدل‌سازی اجزای محدود مسائل تعاملی میان سد-مخازن-پایه استفاده شده است. سد گرانشی Koyna به عنوان نمونه عددی مورد ارزیابی قرار گرفته است. آنالیزهای خرابی لرزه‌ای غیرخطی سد بتنی مذکور در معرض هر دو حرکات نزدیک گسل و دور از گسل مورد بررسی قرار گرفته است. تاثیر حرکات نزدیک گسل زمین بر روی پاسخ دینامیکی و آسیب لرزه‌ای سدهای بتنی گرانشی مورد ارزیابی قرار گرفته است.

Effects of near-fault and far-fault ground motions on nonlinear dynamic response and seismic damage of concrete gravity dams

a b s t r a c t

As the forward directivity and fling effect characteristics of the near-fault ground motions, seismic response of structures in the near field of a rupturing fault can be significantly different from those observed in the far field. The unique characteristics of the near-fault ground motions can cause considerable damage during an earthquake. This paper presents results of a study aimed at evaluating the near-fault and far-fault ground motion effects on nonlinear dynamic response and seismic damage of concrete gravity dams including dam-reservoir-foundation interaction.

For this purpose, 10 as-recorded earth quake records which display ground motions with an apparent velocity pulse are selected to represent the near-fault ground motion characteristics. The earthquake ground motions recorded at the same site from other events that the epicenter far away from the site are employed as the far-fault ground motions.The Koyna gravity dam, which is selected as a numerical application, is subjected to a set of as-recorded near-fault and far-fault strong ground motion records. The Concrete Damaged Plasticity (CDP) model including the strain hardening or softening behavior is employed in nonlinear  analysis.

Nonlinear dynamic response and seismic damage analyses

Nonlinear dynamic response and seismic damage analyses of the selected concrete dam subjected to both near-fault and far-fault ground motions are performed. Both local and global damage  indices are established as the response parameters. The results obtained from the analyses of the dam subjected to each fault effect are compared with each other. It is seen from the analysis results that the near-fault ground motions, which have significant influence on the dynamic response of dam–reservoir–foundation systems, have the potential to cause more severe damage to the dam body than far-fault ground motions.

این ترجمه مقاله را با دوستان خود به اشتراک بگذارید.