ارزیابی بیشینه شتاب افقی پل بردستان بر اساس مطالعات ویژه ساختگاه

امین کشاورز، سعید تمدن 

1-دانشجوی کارشناس ارشد مهندسی زلزله دانشگاه آزاد اسلامي واحد بوشهر

2- استادیار گروه مهندسی عمران دانشگاه خلیج فارس بوشهر

 

چکیده

پل رودخانه بردستان واقع در محور چهار خطه دیر –کنگان جهت احداث باند جدید در سال 1387شروع و در پايان سال 1388 به بهره برداری رسید. محاسبات پل مذکور در مقابل نیروی زلزله با استفاده از آنالیز استاتیکی و استفاده از شتاب مبنای طرح استاندارد (آئین نامه 2800ویرایش دوم) انجام شده است. هدف از این مطالعه، محاسبة شتاب مبنای طرح بر اساس مطالعات ویژة ساختگاه و مقایسة آن با شتاب طرح استاندارد (آئین نامه 2800 ویرایش سوم) می باشد. با انجام تحلیل‌های لرزه‌خیزی به روش تعیینی و احتمالاتی، بیشینه شتاب افقی در سایت تخمین زده شد. نتایج نشان می‌دهند که بیشینه شتاب افقی تخمینی در دو روش به هم نزدیکند و همچنین نسبت به شتاب ذکر شده در آیین‌نامه 2800 مقدار بالاتری دارند.

سوالات تحقیق :

در این تحقیق، به دنبال مقایسة شتاب مبنای طرح استاندارد آئین نامه 2800، با شتاب مبنای طرح، بر اساس مطالعات ویژه ساختگاه هستیم.

روش تحقیق :

در راستای این مطالعه زلزله های تاریخی، در بازه‌های زمانی مختلف، مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس با استفاده از روش کیجکو، پارامترهای لرزه خیزی منطقه محاسبه گردید و در نهایت با استفاده از روش تعیینی DSHA و احتمالاتی  PSHA شتاب مبنای طرح محاسبه شد.

نتیجه گیری :

در این تحقیق از هر دو روش تعیینی و احتمالی شتاب مبنای طرح براساس مطالعات ویژة ساختگاه به ترتیب g52/0 و g54/0 به‌دست آمده که نسبت به شتاب طرح استاندارد 2800 ،که g3/0 می باشد دارای اختلاف می باشد و اين اختلاف در طراحی پل تأثیر بسزایی دارد.

کلمات کلیدی : پل بردستان، شتاب مبنای طرح، Seisrisk ، تحلیل خطر لرزه‌ای احتمالی و تعیینی

 

1. مقدمه

با توجه به اهميت پل‌هاي بزرگ، پايداري آن‌ها در زلزله بسيار مهم مي باشد. از اين رودر نظر گرفتن پارامترهاي مربوط به نوع ساختگاه در تحليل و طراحي اين نوع پل‌ها امري ضروري است. پل بزرگ بردستان در سال 88 بر اساس تحليل استاتيكي محاسبه و طراحي شده است و مدتي است كه مورد بهره برداري قرار گرفته است .

آيين‌نامه تحليل و طراحي پل‌هاي راه و راه‌آهن در برابر زلزله (نشرية 463 )، دو نوع تحليل استاتيكي و ديناميكي را مجاز مي شمارد. برای تحلیل‌های دینامیکی بایستی ابتدا طیف ویژه ساختگاه تعیین شود. در ايران اغلب شركت‌هاي طراح به دليل صرفه‌جويي در زمان و پيچيدگي‌هاي خاص تحليل ديناميكي، پل‌ها را به روش استاتيكي كه ساده تر از تحليل ديناميكي است تحليل و طراحي مي‌نمايند.

 بعد از زلزله‌هاي 1989 لوما پريتا، 1994 نوثريچ و 1995 هياگو، آيين نامه طراحي پل‌هاي بزرگ بارها تجديد نظر شده است. در ايالات متحده، ادارة حمل و نقل راه‌هاي بزرگ آمريكا(AASHTO)[1] دو آيين نامه جهت طراحي پل‌هاي بزرگ را‌ه‌ها به نام‌های خصوصیات استاندارد پل‌های بزرگ راه و طراحي به روش LRFD چاپ کرده است. ادارة حمل ونقل كاليفرنيا يك آيين نامه مستقل در همين راستا چاپ كرده است كه تقريباً شبیه به آیین نامة آشتو می‌باشد و آنرا با ATC-32 نامگذاری کرده است. در آیین نامة آشتو به روش LRFD تأکید شده است که مطالعات ویژه برای پل‌های نزدیک گسل بایستی انجام شود و در آیین نامة کالیفرنیا نیز تأکید شده است که طیف پاسخ مشخص ساختگاه برای پل‌هایی که در نزدیکی گسل قرار دارند، نیاز است.

در هر دو نوع تحلیل استاتیکی و دینامیکی در نظر گرفتن پارامتر شتاب ماکزیمم زمین امری ضروری است و بدون آن عملاً طراحی پل‌ها امکان پذیر نمی‌باشد. در تحلیل به روش استاتیکی نیازی به به‌دست آوردن شتاب زمین از راه‌های شناخته شده نیست، چرا که آیین نامه این پارامتر را در اختیار طراح قرار می‌دهد اما در تحلیل‌های دینامیکی برای به‌دست آوردن پارامتر فوق بایستی ابتدا تحلیل خطر زلزله به یکی از دو روش تحلیل قطعی خطر زلزله(DSHA) یا تحلیل احتمالی خطر زلزله (PSHA) انجام شود [2و3].

اخيراً شبيه سازي و تحليل هاي زيادي راجع به پل ها انجام شده است. مايس و شاو [4] به ارزيابي پاسخ 16 ستون طراحي شده در پل كالترانس براي رويداد هاي مختلف لرزه اي نزديك گسل پرداخته اند. لياو و همكاران [5] مطالعاتي را درباره رفتار ديناميكي پنج دهانه پل بتني بر روي زمين لرزه هاي نزديك گسل و دور از گسل انجام داد و نتايج اين تحقيقات حاكي از آن است كه برش پايه و تغيير شكل زلزله هاي نزديك گسل بيشتر از گسل هاي دورتر مي باشد.

پل بردستان در مختصات 95/51 درجه شرقی و 88/28 درجه شمالی در استان بوشهر واقع شده است. جهت مطالعة لرزه خیزی منطقه از دایره ای به شعاع 200 کیلومتراستفاده شده است(شكل1)، که استان های بوشهر و فارس را در بر می گیرد. در این راستا بحراني ترین گسل‌ها از لحاظ لرزه خیزی در استان بوشهر قرار گرفته اند. تداوم تنشهاي تکنوتیکی ناشی از کوتاه شدگی پوسته و همچنین حرکت گنبد های نمکی سبب گردیده که بوشهر یکی از استان های لرزه خیز کشور باشد‍.مهمترين گسل‌هاي فعال كه در شعاع 200 كيلومتري از مركز سايت قرار گرفته اند، شامل گسل‌هاي رگ سفيد،كازرون،كربس، سبزپوشان، قیر، سروستان، برازجان، لار و زاگرس می‌باشند که در ادامه به تحلیل لرزه خیزی هر کدام و تأثیر آن برروی سایت مورد نظر خواهیم پرداخت. بزرگ‌ترین زلزله منطقه مورد مطالعه در مختصات 78/52 درجه شرقی و4/28 درجه شمالی با بزرگاي گشتاوری 7/6 و گسل مسبب قیر در تاریخ 10/4/1974 رخ داده است

  پیشنهاد می‌کنیم محصول آب بندی بتن را هم بررسی کنید.

2. روش تحقیق

برای تحلیل خطر زلزله و جهت تعیین حرکت زمین در یک منطقه برای مقاصد طراحی معمولاً از دو  روش تعیینی و احتمالاتی استفاده می شود. روش تعیینی به دلیل در نظر گرفتن تنها یک سناریو ممکن است جواب‌هایی بسیار دست بالا بدهد. اما روش احتمالاتی به دلیل در نظر گرفتن پارامترهای مختلف لرزه‌ای به صورت احتمالاتی از دقت مناسب‌تری برخورد است. جهت برآورد دقیق پارامتر های جنبش نیرومند زمین و نتایج حاصل از آن، هر دو روش مذکور در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است. مطالعات پایداری پل مذکور در برابر نیروهای ناشی از زلزله با استفاده از مشخصات لرزه خیزی ناحیه مورد نظر از جمله شتاب ماکزیمم زمین (PGA)، بزرگی زلزله و امثال آن انجام می گیرد. جهت انجام این مطالعه، یک مدل از منطقه به همراه لرزه خیزی آن با استفاده از روش های آماری که شامل مراحل زیر است انجام شده است:

- شناسایی منابع لرزه زا در منطقه مورد نظر و پتانسیل لرزه زایی هریک

- تخمین پارامترهای لرزه خیزی برای منطقه با استفاده از روش گوتنبرگ ریشتر و روش کیکو و سلوول[6]

 در این مقاله از هر دو روش تعیینی (Deterministic Seismic Hazard Analysis, DSHA) و احتمالاتی (Probabilistic Seismic Hazard Analysis, PSHA) استفاده شده است.

2-1.  روش تعیینی (DSHA)

در این روش بزرگ‌ترین زلزله ای که می تواند رخ دهد در نظر گرفته شده و حرکت قوی زمین ناشی از آن در ساختگاه مورد نظر به‌دست می آید و مقادیر جنبش نیرومند زمین برای هر چشمه لرزه زا به‌طور جداگانه محاسبه می گردد (شکل1).

 

شكل1-شعاع مورد مطالعه و چشمه هاي لرزه زا [7 ]

 

در ادامه جهت تعیین حداکثر بزرگاي زلزله های ناشی از گسله های موجود در شعاع مورد بررسی، برآورد بیشینه بزرگاي منتسب به گسل‌ها با توجه به نکات زیر مدنظر قرار گرفته است [7]:

1- در مورد گسلهای بالای 100کیلومتر فرض بر گسیخته شدن 30٪ از طول گسل بوده است

.2- در مورد گسل های کوچکتر از 100کیلومترو بزرگ تر از 10 كيلومتر فرض بر گسیخته شدن 50٪ از  طول گسل بوده است.

3- در مورد گسل های کوچکتر از 10کیلومتر فرض بر گسیخته شدن 100٪ از طول گسل بوده است.

بیشینه بزرگاي منتسب به هر گسل، ابتدا توسط روابط نوروزی و ولز وكاپر اسميت و امبرسيز و ملویل و زارع محاسبه شده است. جزییات این روابط را می‌توان در مراجع [7و8] نیز یافت

 (سپس با توجه به اعداد به‌دست آمده، داده های لرزه ای موجود در منطقه، دیدگاه لرزه زمین‌ساختی و ریخت زمین‌ساختی و قضاوت کارشناسی، عددی به عنوان بیشینه بزرگاي پذيرفتني برای هر گسل معرفی شده است (جدول 1)

مرحله بعد،  انتخاب روابط کاهندگی مناسب برای منطقه طرح است که منجر به تعیین شتاب می‌گردد (جدول 2). این جدول نشان می‌دهد که بیشترین شتاب افقی زمین با استفاده از روش تعیینی مربوط به گسل های زاگرس 2 و برازجان می‌باشد.

 

جدول 1- بيشينه بزرگاي گسلهاي منطقه طرح

 

جدول 2- برآورد بيشينه شتاب افقي زلزله هاي ناشي از فعاليت گسلهاي مهم منطقه طرح

 

2-2.   روش احتمالاتی (PSHA)

در این روش مقادیر مختلفی از پارامتر های حرکت زمین محاسبه می‌گردد که هر پارامتر می تواند برای سطوح مختلف طراحی محاسبه گردد. هر سطح طراحی متناسب با یک احتمال تجاوز سالیانه می باشد. به عبارت دیگر پارامتر جنبش نیرومند زمین به ازای مقادیر احتمال تجاوز سالیانه مختلف محاسبه می گردد. در این روش مقادیر جنبش نیرومند زمین به ازای تمامی منابع لرزه‌زا محاسبه می گردد[2و3].

به منظور برآورد ویژگی‌های لرزه خیزی گسترة مورد مطالعه، از اطلاعات مربوط به زلزله ها و روش هاي آماری مناسب استفاده می گردد. بدین منظور لازم است تا ابتدا فهرست زلزله در شعاع مورد نظر گردآوری شده و تکمیل و پردازش گردد. سپس با به‌کارگیری روابط و روش‌های آماری مناسب همانند روابط گوتنبرگ – ریشتر و روش تخمین بیشینه درشت نمایی (کیکو – سلوول)[6]، پارامترهای لرزه خیزی، دورة بازگشت و احتمال رویداد زلزله ها بر حسب بزرگای آنها محاسبه گردد.

بدین منظور فهرست زمین لرزه های رخداده در محدوده ای به شعاع 200 کیلومتر پیرامون محل طرح جمع آوری گردید. داده های جمع آوری شده کلیه اطلاعات مربوط به زمین لرزه های رویداده در قرن حاضر ( زمین لرزه های دستگاهی) و پیش از آن (زمین لرزه های تاریخی) را در بر می گیرد. به منظور تهیه فهرست زمین لرزه ها از منابع مکتوب موجود [9] و همچنین از سایت پژوهشگاه بین المللی زلزله‌شناسی استفاده شده است.

برای تعیین پارامترهای لرزه خیزی از تابع پواسون استفاده می شود. در این تابع فرض بر این است که رویداد زمین لرزه‌ها مستقل از یکدیگر هستند. این فرض در صورتی درست است که پیش لرزه ها و پس لرزه ها از فهرست زمین لرزه های اصلی حذف شود. روش معمولی برای انجام این کار، در نظر گرفتن بازه های زمانی و مکانی برای رویداد زمین لرزه ها بر حسب بزرگای آنها می باشد. از آنجایی که تاکنون مطالعات ویژه ای بر روی نحوه حذف پیش لرزه ها و پس لرزه های زمین لرزه های سرزمین ایران صورت نگرفته است، بنابراین الگویی نظير آنچه که در مورد حذف پسلرزه ها و پيشلرزه هاي زمين لرزه‌ها در منطقه جنوب کالیفرنیای آمریکا صورت گرفته است، انتخاب می گردد[10]. در این روش برای هر زمین لرزه یک پنجره زمانی – مکانی وابسته به بزرگا در نظر گرفته می شود. زمین لرزه هایی با بزرگای کمتر از شوک اصلی که در داخل پنجره زمانی – مکانی قرار می گیرند، پس لرزه فرض شده و از کاتالوگ حذف می شوند. برای به‌دست آوردن زلزله های اصلی (شوک های اصلی) در منطقه، ابتدا کاتالوگ Decluster گرديد كه به معناي جداسازي رخدادهاي وابسته اعم از پس لرزه ها و پيش لرزه ها از كاتالوگ مي باشد. كاتالوگ بعد از Decluster شدن، تنها زمین لرزه های اصلی را در بر خواهد داشت.

پارامترهای لرزه خیزی به‌طور کلی بیان کننده سيماي لرزه خیزی یک گستره می باشند و بر اساس آنها احتمال رویداد و دوره بازگشت جنبش نیرومند زمین و بزرگای زمین لرزه برآورد می گردد. در این مطالعه علاوه بر روش مقدماتی گوتنبرگ – ریشتر

 

(شکل 2)، از روش کیكو – سلوول که بر پایه تابع توزیع دو کراندار گوتنبرگ – ریشتر می باشد(جدول3)،  نیز استفاده شده است، تا با مقایسه نتایج حاصل، مناسب ترين پارامترهای لرزه خیزی در رابطه با فعالیت چشمه های لرزه زا اختیار گردد.

آهنگ لرزه خیزی)، از روش گوتنبرگ ریشتر 27/2 و از روش کیكو- سلوول 25/2 به‌دست آمده است و در نهایت به منظور بررسی روند لرزه خیزی این گسترده در سده بیستم و سده های گذشته، روش کیکو )  β در این مطاله ضریب سلول به کار گرفته شد که نتایج حاصل از آن در جدول (3)، ارائه شده است. همان‌گونه که در جدول مذکور مشاهده می شود، مقادیرβ و λ  به ترتیب 2/25و 3/34 بدست آمده است سهم زلزله های تاریخی در محاسبه βوλ به ترتیب 55/6و6/3 در صد بوده است

و به همین منوال سهم بازه زمانی 1964-1989، 6/13و 3/35 درصد و سهم بازه 1990 تاکنون 2/17 و 5/47 درصدی می باشد. مقدار بزرگترین بزرگای قابل انتظار بر اساس بیشینه لرزه خیزی گستره شعاعی 200 کیلومتری بر اساس این روش برابر 

/محاسبه می شود

 

شكل2-پارامترهاي گوتنبرگ- ريشتر(=2.27β)

 

جدول3-پارامترهاي به‌دست آمده از روش كيكو-سلوول(2.25=β)

 

قابل ذکر است با توجه به اینکه در محاسبه بیشینه مقادیر شتاب از برنامه کامپیوتری SEISRISKIII[11]، استفاده شده است، مهم ترین پارامتر مورد نیاز نرخ رویداد سالیانه است. شكل(3) نشان دهنده رابطه بين بزرگاي گشتاوري و نرخ رويداد ساليانه زلزله ها با استفاده از روش كيكو مي باشد.

 

شكل3-رابطه بين بزرگاي گشتاوري و نرخ وقوع ساليانه زلزله ها

 

بر پایه چشمه های لرزه زای مدل شده و با استفاده از پارامترهای لرزه خیزی به‌دست آمده و بهره بردن از برنامه کامپیوتری  SEISRISKIII [11] بیشینه شتاب افقی در طول عمر مفید سازه برآورد شده است. در تحلیل خطر زلزله به روش احتمالاتی معمولاً مقادیر جنبش نیرومند زمین برای سطوح مختلف احتمال خطر رویداد (احتمالات تجاوز مختلف) در نظر گرفته می‌شود. در شکل (4) نمودار احتمال تجاوز سالیانه بر حسب مقادیر مختلف ماکزیمم شتاب افقی زمین (PGA) برای پارامترهای لرزه خیزی شعاع 200 کیلومتری و گسل های منطقه توسط برنامه SEISRISKIII ترسیم شده است. همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، گسل زاگرس2 با كد ft08 بيشترين شتاب افقي را براي پل بردستان ايجاد مي كند.

  

شكل4-نمودار احتمال تجاوز ساليانه بر حسب مقادير مختلف ماكزيمم شتاب افقي زمين(PGA)براي گسلهاي منطقه طرح

 

3.   نتیجه‌گیری

در این مقاله، بیشینه شتاب افقی پل بردستان واقع در استان بوشهر، به روش احتمالاتی و تعیینی تخمین زده شد. برای محاسبه، وضعیت لرزه‌خیزی و گسل‌های منطقه ارزیابی شدند. بررسی نتایج مطالعه انجام شده نشان می‌دهد که:

الف) حضور گسله هاي فعال در گستره مورد مطالعه، حكايت از وجود چشمه هاي لرزه زا در پهنه مطالعاتي را دارد. با مطالعات صورت گرفته و بررسي نتايج حاصل از آن مشخص مي شود كه به ترتيب گسلهاي زاگرس2، برازجان و زاگرس 3، با توجه به نزديكي به محل طرح و با توجه به ويژگي‌هاي فيزيكي و ظاهري گسله و همچنين پيشينه تاريخي آن‌ها، از پتانسيل لرزه‌خيزي بالاتري نسبت به ديگر گسل‌هاي موجود در منطقه طرح برخوردار هستند. گسله‌هاي فوق الذكر با فواصلي به ترتيب 6.19، 24.25، و 42.8 كيلومتر، قادر به ايجاد بزرگاي به ترتيب7.07و 7.4و 6.76  درمقياس ريشتر را دارند.  پیشنهاد می‌کنیم محصول ملات ترمیمی را هم بررسی کنید.

ب) در اين مطالعه گسله هايي كه در فاصله بيش از 100 كيلومتر از محل سايت قرار گرفته اند، تأثير شتاب افقي ناچيزي بر روي سايت دارند.

ج) در برآورد پارامترهاي لرزه خيزي به روش احتمالي مشخص گرديد كه براي سازه هاي داراي عمر مفيد 50 سال و ريسك خطر 10 درصد (دوره بازگشت 475 ساله)، بزرگي زلزله احتمالي(مورد انتظار)، تقريباً Mw=7 بوده، كه توانايي تحميل شتابي حدودg 54/0 را بر محل خواهد داشت. در آيين نامه 2800(ويرايش سوم)، منطقه مورد مطالعه داراي خطر نسبي زياد در نظر گرفته شده و عدد g3/0براي آن پيشنهاد گرديده است، كه اين مقدار با مقدار به‌دست آمده در اين مطالعه بر اساس مطالعات ويژه ساختگاه تفاوت دارد و اين تفاوت تأثير بسزايي در بارگذاري زلزله و تلاشهاي داخلي سازه پل دارد.

 

 

Evaluation of Horizontal Peak Ground Acceleration of Bardestan Bridge Based on Site Specific Studies

S. Tamaddon¹, A. Keshavarz²

1. Graduate Student, Islamic Azad University of Bushehr , Bushehr, I.R. Iran.

2. Assistant Professor, Civil Engineering Group, Persian Gulf University, Bushehr, I.R. Iran. 

  

ABSTRACT

Bardestan bridge is located on the Dair-Kangan road. This bridge has been designed based on static analysis using the Iranian 2800 code. The paper focuses on the evaluation of design peak acceleration of Bardestan bridge. Maximum horizontal ground acceleration of the site has been calculated using the deterministic and probabilistic seismic hazard analysis. Results show that the values of the peak ground acceleration based on these two methods are close and bigger than the proposed 2800 code acceleration.

RESEARCH INQUERIES

In this study, our interest was computing the peak design acceleration of the Bardestan bridge.

RESEARCH  METHOD

Historical earthquakes have been studied in different time spans. Then seismic parameters have been calculated using Kijko method. The design peak horizontal acceleration has been computed using DSHA and PSHA methods.

CONCLUSION

Based on deterministic and probabilistic hazard analysis, peak horizontal ground acceleration is 0.52g and 0.54g, respectively. These values are bigger than the proposed value in 2800 code which is 0.3g. 

Key Words

Bardestan bridge, Design acceleration, Seisrisk, Deterministic and probabilistic seismic hazard analysis

سلول به کار گرفته شد که نتایج حاصل از آن در جدول (3)، ارائه شده است. همان‌گونه که در جدول مذکور مشاهده می شود، مقادیر  و به ترتیب 25/2 و 34/3 به‌دست آمده است. سهم زلزله های تاریخی در محاسبه