بهسازی لرزه ای اسکله های شمع و عرشه

بهسازی لرزه ای اسکله های شمع و عرشه

یکی از مشکلات مشاهده شده در اسکله های شمع و عرشه هنگام وقوع زلزله، عملکرد نامناسب سازه هایی است که در آن ها از شمع مایل استفاده شده است. شمع های مایل به دلیل سختی بالا به کنترل تغییر شکل سازه کمک می کنند، ولی تمرکز نیروهای جانبی ( به صورت نیروهای بزرگ فشاری و کششی) در آن ها باعث ایجاد آسیب های زیادی به خود شمع و عرشه ی متصل به آن می شود.استفاده از جداگرهای لرزه ای در محل اتصال شمع های مایل باعث توزیع یکنواخت تر نیروهای محوری در همه ی شمع های مایل و قائم شد، همچنین به دلیل کاهش سختی و کاهش برش پایه و افزایش قابلیت جذب انرژی، مقادیر برش و لنگر در عرشه ی اسکله کاهش مناسبی داشت.

اسکله ها به عنوان مهم ترین اجزای پایانه های یک بندر در بهره دهی و عملکرد بنادر نقش بسیار مهمی دارند و کارایی آن ها در شرایط بحرانی مانند زلزله از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. زلزله های رخ داده در مناطق ساحلی جهان و آسیب های رخ داده در این سازه ها نشان دهنده ضعف روش های طراحی لرزه ای و لزوم بهسازی سازه های موجود بوده است. از میان گزینه های موجود برای طرح و اجرای اسکله، اسکله های شمع و عرشه به عنوان یکی از سازه های متداول در سراسر دنیا مورد استفاده قرار گرفته است.

شمع های مایل اغلب برای مقاومت در برابر بارهای جانبی مانند زلزله و ضربه ی کشتی مورد استفاده قرار می گرفتند. مزیت شمع های مایل عملکرد محوری آن ها در برابر عملکرد خمشی و برشی شمع های قائم در بارهای جانبی است. بنابراین شمع های مایل در مقایسه با شمع های هم اندازه و هم قطر قائم سختی جانبی بسیار بیشتری را ایجاد می کنند. علی رغم این مزیت، این شمع ها عملکرد مناسبی در زلزله از خود نشان نداده اند.شمع های قائم، به جز تعداد محدودی، دچار خسارت نشدند.

همچنین در پایانه ها وارد که به جای استفاده از شمع های مایل، از شمع های قائم و یا نزدیک به قائم استفاده شده بود، خساراتی در شمع ها مشاهده نشد. به همین دلیل استفاده از شمع های مایل در پروژه های جدید محدود گشته و آیین نامه های طراحی رویکرد محافظه کارانه ای در قبال استفاده از آن ها گرفتند.البته مشاهداتی (هر چند محدود) وجود دارد که نشاندهنده ی رفتار بسیار مناسب شمع های مایل در زلزله در مواردی است که درست طراحی شده اند، است. بیشتر خرابی های رخ داده در شمع های مایل مربوط به سازه های قدیمی است که بدون دانش و امکانات محاسباتی امروزی طراحی شده اند، بنابراین تعداد زیادی از سازه های شمع و عرشه با شمع مایل وجود دارد که احتمالاً نیاز به بهسازی لرزه ای دارند.

بهسازی این سازه ها با افزایش مقاومت اجزای آن (عرشه، اتصالات و شمع) از گزینه های مرسوم است. همچنین اصلاح و تغییر پاسخ های سازه با استفاده از روش های کنترل فعال، نیمه فعال و غیر فعال می تواند از گزینه های مطرح برای بهسازی این سازه ها باشد که در سال های اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است.به صورت کلی سازه ی اسکله را می توان به 2 بخش روسازه بتنی (شامل تیر و دال بتنی) و شمع های لوله ای فولادی تقسیم بندی کرد.

جداگر لرزه ای

با توجه به نوع سازه و خورندگی محیط دریا جداگرهای لاستیکی برای انجام این پژوهش انتخاب شدند. ابزارهای پایه الاستومری به صورت کلی به دو دسته سامانه الاستومری با میرایی کم و میرایی زیاد دسته بندی می شوند. سامانه های الاستومری با میرایی کم دارای دو صفحه فولادی ضخیم در دو انتها هستند و چندین صفحه فولادی نازک تر نیز در بین ماده الاستومری استفاده شده است.

جداسازهای هسته سربی نوع دیگر این سامانه ها هستند که ساختار بسیار شبیه سامانه های الاستومری با میرایی کم دارند و یک یا چند هسته سربی برای تامین میرایی مورد نیاز در آن ها به کار رفته است. میزانکارآریی هسته سربی به میزان تغییر شکل سامانه بستگی دارد و هر چه تغییر شکل بیشتر باشد آن گاه میرایی سامانه بیشتر خواهد بود. سامانه های الاستومری با میرایی بالا هم نوع دیگری از این جداسازها هستند و در این سامانه ها میرایی با کمک ویژگی الاستومر تامین می‌شود و دیگر نیازی به میراگرهای جدید نیست.

مطالعات صورت گرفته روی رفتار جداگرهای لرزه ای نشان دهنده ی تأثیر میزان نیروی محوری در پاسخ آن ها است. در آزمایشات انجام شده روی انواع جداگرهای لرزه ای توسط داشنمندان، نشان داده شد که سختی سکانت جداگرها با افزایش نیروی محوری وارد بر آن ها کاهش می یابد. همچنین جداگرهای لاستیکی در تغییر شکل های زیاد دچار کاهش سختی قائم شده و نقطه تسلیم هسته سربی در جداگرهای لاستیکی با هسته ی سربی نیز با نیروی محوری متناسب خواهد بود. مشاهدات نشان گر تسلیم زودتر هسته در مواردی است که بارگذاری محوری کمتر باشد.

بررسی تأثیر به کارگیری جداگرهای لرزه ای در عملکرد لرزه ای سازه

برای بررسی رفتار سازه در برابر زلزله های اعمال شده به آن و بررسی تأثیر به کارگیری جداگرهای لرزه ای در پاسخ سازه، مقدار میانگین نیروی محوری شمع ها، جابه جایی عرشه، بیشترین برش و لنگر ایجاد شده در عرشه و برش پایه عرشه به عنوان پاسخ های لرزه ای سازه، در سازه موجود با سازه ی همراه با جداگر محاسبه و مقایسه شده است.همان گونه که انتظار می رفت نیروهای جانبی در شمع های مایل متمرکز شده و شمع های قائم سهم چندانی از نیروهای جانبی ایجاد شده در اثر زلزله نداشته اند.

با بررسی اعداد مربوط به نیروهای محوری در حالت های با جداگر می توان دریافت که کاربرد جداگرهای لرزه ای باعث توزیع بسیار مناسب تر نیروها در تمام شمع ها شده است. همان گونه که مشاهده می شود در سازه با جداگر بیشترین نیروهای فشاری ایجاد شده و نیروی محوری شمع های مایل کاهش قابل ملاحظه ای داشته است.افزایش سختی جانبی و قائم جداگر، باعث افزایش نیروی محوری در شمع های مایل و کاهش نیروی محوری در شمع های قائم شده است.

کاربرد جداگرهای لرزه ای در محل اتصال شمع های مایل به عرشه باعث کاهش سختی جانبی، افزایش زمان تناوب سازه و بنابراین کاهش نیروی وارده از طرف زلزله به آن شده است. همچنین نتایج به خوبی نشان دهنده توزیع مناسب نیروهای محوری در تمامی شمع ها ( مایل یا قائم) و جلوگیری از تمرکز نیروهای جانبی در شمع های مایل در سازه بهسازی شده هستند.

با نصب جداگرهای لرزه ای، به دلیل کاهش سختی سازه و افزایش قابلیت جذب انرژی در آن میزان برش پایه ی عرشه به مقدار قابل توجهی کاهش یافته و همچنین برش و لنگر ایجاد شده در عرشه نیز به میزان مناسبی کاهش یافته است، همچنین با افزایش سختی جداگرها، میزان جابه جایی عرشه کاهش و میزان برش پایه ی سازه افزایش یافته و نیروهای محوری شمع های مایل افزایش پیدا کرده اند. با توجه به نتایج می توان عنوان کرد که کاربرد جداگرهای لرزه ای در اسکله های شمع و عرشه می تواند به عنوان یک روش مناسب برای بهبود عملکرد لرزه ای سازه های موجود و برای به کارگیری در طراحی سازه های جدیدی که روسازه ی آنها کوتاه محسوب می شود، شناخته شود.