-
- مقدمه
میتوان گفت اولین راه حمل و نقل سریع بشر راه آهن بوده است که قدمت آن بیشتر از جادهها و اتومبیل میباشد. از تاریخ حرکت اولین قطار در نیمه اول قرن نوزدهم میلادی در انگلستان تا به امروز تغییرات بسیار زیادی چه در راهسازی و ابنیه راه و چه در قطارها ایجادشده است و میتوان این دوره را در دو دسته زمانی جای داد، دوره قطارهای با سرعتهای پایین (حدود ۷۰ تا ۸۰ کیلومتر در ساعت) و دوره قطارهای سریع السیر (سرعت در حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ کیلومتر و بیشتر). این در حالی است که اغلب قطارهای جدید از پلهای قدیمی که برای قطارهای با سرعت پایین طراحی شدهاند عبور می کنند. شکاف بین این دو دوره پتانسیل بالای مطالعاتی را برای محققین علاقمند به سلامت سنجی سازهای پلهای راه آهن، فراهم نمود.
فاجعه ریزش پل I-35W روی رودخانه می سی سی پی واقع در ایالت مینسوتای[۳] آمریکا در سال ۲۰۰۷ که منجر به خسارات جانی و مالی زیادی شد و بعد از آن شکست یک عضو از پل خرپایی کیسوگوا اوهاشی[۴] در ژاپن در اثر یک حادثه نقطه عطف مهمی در شروع سری جدید تحقیقات وسیعتر دانشمندان در زمینه سلامت سنجی پلها بود.[۵]
کنترل و بررسی سلامت پلها، اعم از پلهای در حال اجرا و پلهای موجود در گسترهی علم مدیریت پل قرار میگیرد که از علوم جدید و البته مهمی میباشد که در کشورهای پیشرفته به دلیل وجود تعداد زیاد پلهای قدیمی و صرفه اقتصادی در تعمیر و بازسازی آنها بجای ساخت سازههای جدید، به آن بسیار توجه می شود. سلامت سنجی سازهای پل زیر مجموعه مدیریت پل محسوب می شود. بررسی کفایت خدمت دهی پل در برابر بارگذاریهای جدید از جمله مواردی است که در مبحث سلامت سنجی سازهای پل به آن پرداخته می شود. یکی دیگر از زیرمجموعههای علم سلامت سنجی پلها بررسی پلهای خرپایی و پایداری سازه بعد از شکست یک عضو آن میباشد. اغلب مطالعات انجام شده در این زمینه مربوط به پلهای خرپایی بزرگراهی است، اما در مطالعه حاضر به بررسی این موضوع در پلهای خرپایی راه آهن پرداخته شده است.
۱-۲- لزوم انجام تحقیق
کشور ما با جمعیت بالای خود نیازمند یک شبکه حمل و نقل ریلی ایمن و پر سرعت به منظور جابجایی مسافر است. راهاندازی قطار سریع السیر پروژهای عظیم و پر اهمیت بوده و به عنوان یکی از ایمنترین و موثرترین سیستم های حمل و نقل محسوب میگردد. بنابراین پیش از شروع احداث و بهرهبرداری، لازم است تا کلیه بسترهای آن در کشور مهیا شود. درصد زیادی از پلهای شبکه ریلی ایران سنی بالغ بر ۵۰ سال دارند که بر اساس آیین نامه و الگوهای بار گذشته طراحی شدهاند. امروزه با توجه به راه اندازی قطارهای سریعالسیر و پر رنگ شدن اثرات دینامیکی بار، محاسبه ظرفیت نهایی، سلامت سنجی، بازدید فنی و تعمیر پلها اهمیت ویژهای پیدا نموده است.
شناخت صحیح رفتار دینامیکی پل برای پیشبینی واقعی پاسخ سازه در برابر بارهای جدید، از جمله قطارهای سریعالسیر، ضروری است که باعث رسیدن به یک طراحی اقتصادی برای سازههای جدید یا شناسایی منطقی پلهای در حال سرویس و تعمیر می شود.
۱-۳- نوآوری و اهداف تحقیق
در این تحقیق، هدف تعیین سرعت حدی مجاز قطارهای سریعالسیر برای عبور از پلهای خرپایی راه آهن میباشد. بدین منظور روش پیشنهادی روی یک پل واقعی مورد بررسی قرار گرفته است. در این روش سعی شده کلیه بندهای آئین نامهایران در نظر گرفته شود و در صورت نیاز از آئین نامه اروپا استفاده شده است.
بعلاوه در این مطالعه به بررسی رفتار دینامیکی پل بعد از شکست عضو بحرانی پرداخته شده است. هدف بررسی کفایت باربری پل بعد از شکست در عضو یا اعضای بحرانی است.
با توجه به پیچیدگی سازهای پلهای خرپایی، فرایند شکست عضو بحرانی و حمل بار در هر پل، خود دارای الگویی جدید و متفاوت با سایر الگوهای سازهای خرپا میباشد.
تا کنون تحقیقات انجام شده روی پلهای خرپایی در این زمینه مربوط به پلهای بزرگراهی و با اعمال بار استاتیکی بوده است. از جنبه های نوآوری مطالعه حاضر بررسی اثر بعد از شکست عضو روی سازه در پلهای خرپایی راه آهن و تحت بار دینامیکی قطار سریعالسیر میباشد. در مطالعه حاضر تحلیل سازه به صورت دینامیکی و تحت بارگذاری قطار واقعی انجام شده است.
۱-۴- فرضیات تحقیق
-
- تنها اثرات قائم بارگذاری ناشی از وسیله نقلیه در نظر گرفته می شود.
-
- فرض میشود شکست در عضو یا اعضای بحرانی قبل از عبور قطار رخ داده است.
۱-۵- ساختار فصول تحقیق
با توجه به نیاز هر کار تحقیقاتی به دسترسی مناسب به منابع تحقیقاتی و مطالعاتی موجود، جستجوی گستردهای در جهت تهیه و جمع آوری منابع اطلاعاتی حاضر انجام گردید تا تحقیق به نحوی مطلوب انجام گیرد.
این پایاننامه در پنج فصل و به شرح ذیل تدوین شده است:
در فصل اول مقدمه و کلیاتی درباره روند تحقیق، بیان شده است.
در فصل دوم مفاهیم و تعاریف پایه مرتبط با موضوع تحقیق و مروری بر کارهای انجام شده قبلی ارائه شده و به طور خلاصه توضیح داده شده اند.
در فصل سوم معرفی روشها و کارهای گذشته با جزییات بیشتر، بررسی آیین نامه های رایج در این زمینه، انتخاب نرم افزار مناسب و توضیحاتی در مورد نرم افزار ABAQUS ارائه می شود.
در فصل چهارم روش پیشنهادی شامل پارامترهای کنترلی و تکنیکهای مدلسازی ارائه و به بررسی آنها قالب مطالعه موردی پل خرپایی راه آهن ورامین پرداخته می شود. صحت سنجی نتایج نرم افزار نیز با مقایسه نتایج آن با یک آزمایش میدانی انجام می شود؛ و در آخر نتایج خروجیهای نرم افزار ارائه و تحلیل میگردد.
فصل پنجم در این فصل با توجه به خروجیهای نرم افزاری که در فصل چهارم ارائه شده نتیجه گیری می شود. در پایان پیشنهادهایی برای تحقیقات و مطالعات آتی در این زمینه ارائه میگردد.
فصل دوم: مروری بر کارهای انجام شده قبلی
در این فصل نخست پیشینه علمی موضوع مورد مطالعه با بهره گرفتن از منابع گردآوری شده بررسی شده است. مطالعات زیادی در زمینه سلامت سنجی و مسائل دینامیکی بارهای متحرک، برای پلهای مختلف و وسایل نقلیه گوناگون در شرایط مختلف وجود دارد که در ادامه به طور خلاصه به مهمترین آنها اشاره می شود.
۲-۱- سلامت سنجی سازهای
علم مدیریت پل از علوم جدید و البته مهمی میباشد که در کشورهای پیشرفته به دلیل وجود تعداد زیاد پلهای قدیمی و صرفه اقتصادی در تعمیر و بازسازی آنها بجای ساخت سازههای جدید، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. سیستم مدیریت پل یا BMS[6] ابزاری برای مدیریت پل در طول طراحی، ساخت و بهرهبرداری و نگهداری از پل است. سلامت سنجی سازهای پل زیرمجموعه مدیریت پل محسوب می شود. هدف از سلامت سنجی سازهای شناسایی خرابی، ارزیابی وضعیت موجود و تخمین عمر باقیمانده سازهها به منظور تصمیمگیری و ارائه راهکارهای مناسب در تعمیر و نگهداری آن برای حفظ ایمنی سازه است. بررسی کفایت خدمت دهی پل در برابر بارگذاریهای جدید از جمله مواردی است که در مبحث سلامت سنجی سازهای پل به آن پرداخته می شود. هلموت ونزل[۷] کتابی با عنوان «سلامت سنجی پلها» ارائه کرد. او در این کتاب در ابتدا به معرفی علم مدیریت پل و سلامت سنجی سازهای که یکی از زیرشاخههای آن است، می پردازد. سپس روشها و تکنیکهای رتبه دهی و ارزیابی پل را مرور می کند. همچنین به بررسی روشهای کشف خرابی در پل می پردازد. سپس روش تخمین طول عمر باقیمانده سازه پل از طریق ارزیابی آن را معرفی می کند. در ادامه روشهای مختلف سلامت سنجی سازهای (SHM)[8] را بیان می کند. او در این کتاب چندین مطالعه موردی در باب سلامت سنجی از سراسر دنیا که مربوط به پلهای معروف میباشد، با جزییات بیان می کند. [۱]
شروان عطایی (۱۳۸۰) در یک مقاله مبانی روشهای شناسایی سازههای پل مورد بررسی قرار میدهد و نحوه معتبرسازی یک پل راه آهن واقعی (پل قوسی - بتنی اکبرآباد) را به عنوان مثال بررسی می کند. او از مدل معتبر سازی شده پل برای تعیین ظرفیت باربری حال حاضر، تشخیص معایب احتمالی و ارزیابی ایمنی آن در شرایط بهرهبرداری استفاده می کند که در این مقاله فقط ظرفیت باربری مجاز پل محاسبه شده است. در نهایت نتایج تحقیق او نشان داد که سیستم سازهای پل بتنی اکبرآباد دارای ظرفیت باربری بالایی بوده و سیستم باربری آن به عنوان یک سیستم قابلاعتماد شناخته می شود. [۲]
شروان عطایی (۱۳۸۶) در پایان نامه خود به سلامت سنجی یک پل خرپایی واقعی راه آهن واقع در نکا می پردازد. او از طریق آزمایش میدانی و ثبت پاسخ سازه، مدلسازی اجزاء محدود خود را معتبرسازی می کند؛ و با بهره گرفتن از مدل معتبر شده به ارزیابی سازه تحت بارهای آیین نامهای می پردازد. آزمایش بارگذاری در سرعتهای ۵km/h و ۲۰km/h و ۴۵km/h انجام گردید. طبق نتایج ارائه شده از این آزمایشها، حداکثر خیز وسط دهانه پل در سرعتهای مختلف تفاوت اندکی با یکدیگر داشته اند اما روند تغییرات آن به این صورت بوده که با افزایش سرعت، کاهش خیز حداکثر داشته است.
او همچنین به بررسی نحوه شناسایی رفتار سازه با بهره گرفتن از سیگنالهای خروجی به دست آمده از سنسورهایی که بر روی پل راه آهن نصب شده بود، پرداخت. یکی از آزمایشهای مهم که اطلاعات ذی قیمتی از سازه در اختیار مهندسین قرار میدهد، آزمایش دینامیکی میباشد. در این آزمایش یک نیروی دینامیکی به سازه وارد می شود و با بهره گرفتن از سنسورها، پاسخ ارتعاشی سازه اندازه گیری می شود. مسئله مهم بعد از آزمایش، تفسیر سیگنالهای اندازه گیری است که مستلزم دانش فنی خاص خود است. او در این مقاله به بررسی عملکرد سنسورها، تفسیر زبان ارتعاشات به دست آمده از سنسورها و نحوه بکارگیری این اطلاعات می پردازد. [۳]
دایگو سایدام[۹] (۲۰۱۱) در مقاله خود به این نتیجه میرسد که قابلیت سازه برای سالم ماندن در برابر یک حادثه بزرگ، بدون شکست آن، با گذشت زمان کاهش مییابد و وابسته به پروسه زوال و نابودی سازه می شود که آن نیز به عمر سازه وابسته میباشد. این مقاله یک چارچوب کلی برای پیش بینی زمان عمر آسیبپذیری، نامعینی و مقاومت مطلوب سازه ارائه کرده است. در واقع او عوامل مؤثر بر کاهش سطح خدمت دهی سازه با گذشت زمان را به صورت پارامتریک و بر اساس شاخص های فرسایش و افزایش بار زنده، معرفی کرد. [۴]
زوجین سانگ[۱۰] (۲۰۱۱) در مقاله خود روشی سریع برای کشف خرابی در پلهای راه آهن با بهره گرفتن از روش تحلیل دینامیکی، ارائه کرده است. او دو پارامتر را در مقاله خود معرفی می کند شاخص تعیین محل خرابی [۱۱]DI، که همان انرژی جابجایی در محل خرابی است و بر اساس جابجایی به روش سری زمانی به دست آمده است، و شاخص وسعت خرابی [۱۲]DE. به طور کلی روشهای کشف خرابی دو دسته جای میگیرند: ۱) روشهایی بر اساس داده های آزمایش دینامیکی و ۲) روشهایی بر اساس داده های آزمایش استاتیکی که روشهای دینامیکی به دلیل دقت بیشتر مورد استقبال بیشتری قرار گرفتهاند. در روش دینامیکی از پارامترهای دینامیکی زیر برای کشف محل خرابی و وسعت آن استفاده می شود : فرکانسهای طبیعی سازه، شکل مودها، میرایی مودال، منحنی تغییر شکل مودها و انرژی کرنشی مودال.[۵]
یوشیاکی اوکای[۱۳] (۲۰۱۰) با بهره گرفتن از مدلسازی پل راه آهن در یک نرم افزار اجزا محدود، به محاسبه ظرفیت باربرداری آن بعد از شکست یک عضو، می پردازد. او ۱۶ حالت برای حذف عضو در نظر میگیرد و در هر تحلیل فقط یک عضو را حذف می کند و در پایان با مقایسه نتایج دو روش تحلیل خطی و غیرخطی، به دقت کافی روش تحلیل خطی در محاسبه ظرفیت باربرداری پل آسیب دیده اشاره می کند. او از جنبه های تکنیکی مختلف شکست در یک عضو را بررسی می کند. این جنبهها عبارتاند از: تخمین خرابی سازه با بهره گرفتن از شاخص خرابی، رتبه دهی بارگذاری، تغییرات انرژی کرنشی، آنالیز مودال و ایمنی سازه بر اساس اصول ساده تئوری قابلیت اعتماد. یوشیاکی نشان داد که توزیع دوباره تنشها بعد از شکست در عضو، در اعضای اصلی، بجز در اعضای نزدیک به عضو حذف شده، تغییر قابلتوجهی نمیکند. ]۶[
۲-۲- کدها و آیین نامههای طراحی و بارگذاری پل راه آهن
۲-۲-۱- آیین نامهایران
نشریه ۱۳۹ با عنوان «آیین نامه بارگذاری پلها» در دو بخش کلی بارگذاری پلها جادهای و بارگذاری پلهای راه آهن تنظیم شده است. در بخش دوم، بارگذاری پلهای راه آهن به معرفی بارهای دائمی، انواع بارهای بهره برداری، ضریب دینامیکی (ضربه)، اثر باد و غوطه وری، آثار دما و تغییرات آن و اثر زمین لرزه می پردازد. همچنین در بخش ۷.۷ این آیین نامه معیار و نحوه ارزیابی تغییر شکلهای پل راه آهن بیان شده است. ]۷[ در این آئین نامه هیچ اشارهای به بارگذاری مربوط به قطارهای سریعالسیر نشده است.
نشریه ۳۹۵ با عنوان «دستورالعمل طراحی پلهای فولادی» باهدف تناسب و ارتباط موزون میان ضوابط بارگذاری و طراحی داخلی تدوین شد. در این مجموعه از آخرین اطلاعات آشتو در زمینه طراحی پلهای فولادی به روش تنش مجاز و نیز مبحث شماره ۱۰ مقررات ملی ساختمانی ایران، استفاده گردیده است. آیین نامه آشتو در چاپهای اخیر، طراحی سازههای فولادی در حالات حدی (ضرایب بار و مقاومت) را مورد توجه قرار داده است که موضوع دستورالعمل موازی با این نشریه میباشد. این نشریه در ۱۸ فصل و با موضوعات زیر ارائه شده است:
۱- مصالح، ۲- محدودیتهای لاغری، ۳- اعضای کششی، ۴- اعضای خمشی (تیرها و تیر ورقها)، ۵- تیرهای مختلط، ۶- تیرهای جعبهای، ۷- اعضای فشاری، ۸- ترکیب تنشها، ۹- وسایل اتصال، ۱۰- اتصالات و وصلهها، ۱۱- تنشهای مجاز خستگی، ۱۲- خرپاها، ۱۳- تیرورقهای قوسی با ورق جان یکپارچه، ۱۴- تیرهای خمیده، ۱۵- مسائل ویژه در طرح و محاسبه، ۱۶- ساخت، نصب و کنترل نوع کار، ۱۷- بالشتکهای الاستومتری، ۱۸- رنگ آمیزی و گالوانیزه کردن قسمت های فلزی. [۸]
۲-۲-۲- آیین نامه اروپا
بخش دوم آیین نامه اروپا[۹] با عنوان عملکرد سازهها[۱۴]، به بارگذاری پلها پرداخته شده است. در این بخش از آیین نامه اروپا، اصول بارگذاری و طراحی انواع پل شامل پل راه، پل گذرگاه عابر پیاده و در فصل ۶ به پلهای راه آهن می پردازد. در بخش ۶.۴ این فصل، آثار دینامیکی در تحلیل دینامیکی پلها، از جمله پدیده تشدید، مورد بررسی قرار میگیرد. در این آیین نامه فلوچارتی ارائه شده که تعیین کننده نیاز یا عدم نیاز سازه به تحلیل دینامیکی میباشد که این فلوچارت در فصول آتی آورده شده است. طبق آیین نامه اروپا عوامل اصلی که بر رفتار دینامیکی پل تأثیر میگذارند عبارتاند از:
-
- سرعت ترافیک عبوری
-
- طول دهانه پل و طول اعضا
-
- جرم سازه
-
- فرکانس طبیعی سازه و شکل مودهای اصلی پل
-
- تعداد محورهای بارگذرای، بار هر محور و فاصله محورها از یکدیگر
-
- میرایی سازه
-
- نامنظمیهای عمودی مسیر حرکت قطار روی پل
-
- جرم با فنر/ بدون فنر و سیستم تعلیق وسیله نقلیه
- الگوی تکیهگاههای موجود در طول دال عرشه