تعیین ضریب رفتار اعوجاجی تونلی با مقطع بیضی ناقص با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته‌ی کارشناسی‌ارشد مهندسی زلزله؛ دانشکده‌ی فنی و مهندسی؛ دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

2 استادیار؛ گروه مهندسی زلزله؛ دانشکده‌ی فنی و مهندسی؛ دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

چکیده

در نظر گرفتن رفتار غیر خطی خاک و تونل در برابر زلزله برای رسیدن به پاسخ‌های واقعی در عمل از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مقاله با استفاده از ترکیب روش پیشنهادی وانگ (Wang) و هشاش  (Hashash) برای تعیین تغییر مکان اعوجاجی تونل و الگوی پیشنهادی سعی و خطای اصلاح سختی پوشش، تغییر مکان اعوجاجی هدف (تونل) تعیین شده است. سپس با استفاده از روابط موجود برای تعیین ضریب ‌رفتار سازه‌ها و تعمیم آن به تونل‌ها و سازه‌های زیرزمینی و با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه، یک ضریب رفتار اعوجاجی برای تونل تخمین زده شده است. هدف اصلی این مقاله تعیین نیروهای ایجاد شده در پوشش تونل (بدون مدلسازی خاک پیرامون آن) است که با اعمال ضریب رفتار اعوجاجی، اثرات غیرخطی شدن سازه‌ی تونل و همچنین اندرکنش خاک و سازه در حین زلزله لحاظ شده است. برای بررسی صحت این ضریب رفتار، سه تحلیل دینامیکی غیر خطی سازگار با ساختگاه روی مدل المان‌‌محدود خاک و تونل انجام شده و مقایسه‌ای بین نیروهای اصلاح شده با ضریب رفتار در حالت استاتیکی خطی و نیروهای به وجود آمده درحالت تاریخچه‌ی زمانی غیرخطی، انجام شده است. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد در صورت انجام تحلیل استاتیکی خطی بدون اعمال ضریب ‌رفتار برای تونل‌ها، مقادیر نیروهای ایجاد شده روی پوشش تونل بسیار محافظه‌کارانه است؛ حال آن‌که با اعمال ضریب ‌رفتارهای تعیین شده می‌توان پاسخ استاتیکی را به پاسخ واقعی در حین زلزله نزدیک نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Determination of the Racking Reduction Factor for an Incomplete Ellipse Shaped Tunnel Considering the Soil-Structure Interaction

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Momenzadeh 1
  • Mohammad Reza Mansoori 2
  • Armin Aziminejad 2
1 M.Sc. in Earthquake Engineering; Department of Engineering; Islamic Azad University; Science and Research Branch
2 Assistant Professor; Department of Engineering; Islamic Azad University; Science and Research Branch
چکیده [English]

In this paper, a new method is presented to find tunnel target racking displacement during earthquake considering nonlinear behavior of lining and soil and also soil- structure interaction. In the next step, tunnel racking reduction factor has been evaluated for an incomplete ellipse tunnel located in two soil types, A and B, with overburden depths of 5 and 20 m by performing nonlinear static analysis. Finally, to verify the values of racking reduction factors, tunnel responses obtained from linear static analyses are compared with the responses obtained from nonlinear dynamic analyses.
 
Introduction
Design and analysis of the underground structures such as tunnels are performed on the basis of structure and ground deformations because the seismic response of such structures is very sensitive to the imposed ground deformations. In recent years, Several researches have indicated the importance of the harmful effects of earthquakes on tunnels and underground structures.
 
Methodology and Approaches
In this paper, by combining Wang (1993) and Hashash (2000) methods in determination of tunnel target racking displacement and using the trial and error method to correct tunnel structure stiffness, possibility of redistribution of the forces and deformations has become possible. It is also tried in this paper to present a comprehensive method to determine the tunnel target racking displacement. In the next step, using the force-racking displacement curve and applying the existing equations of reduction factors of the structures and their generalization for tunnels and underground structures and considering the soil-structure interaction, tunnel racking reduction factor has been estimated. Then, using ABAQUS software, a comparison has been performed between dynamic and static forces in the tunnel lining.
 
Results and Conclusions
Comparison of lining force (bending moment and axial force) obtained from linear static analyses modified by tunnel racking reduction factors and nonlinear time history analyses shows that the accuracy of achieved tunnel racking reduction factors is acceptable. The studies also show that implementing linear static analyses without tunnel racking reduction factor leads to very conservative results of lining force in the tunnel. Nonlinear time history dynamic analyses are time-consuming and complicated in modeling and analysis procedure. Thus, using the proposed racking reduction factors, linear static analyses with a suitable accuracy could be an alternative for nonlinear dynamic analyses.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Racking reduction factor
  • Nonlinear static
  • Target racking displacement
  • Soil-Structure interaction
  • Nonlinear time history
  • Overburden depth
[1]      Pakbaz, M. C., & Yareevand, A. (2005). 2-D Analysis of Circular Tunnel Against Earthquake Loading. Tunnelling and Underground Space Technology, 20(5), 411-417. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2005.01.006 .

[2]      Hashash, Y. M. A., Hook, J. J., Schmidt, B., & Yao, J. I-C. (2001). Seismic Design and Analysis of Underground Structure. Tunnelling and Underground Space Technology, 16(4), 247-293. http://dx.doi.org/10.1016/S0886-7798(01)00051-7.

[3]      Wang, J. N. (1993). Seismic Design of Tunnels: A State-of-the-Art Approach. New York: Parsons Brinckerhoff Quade & Douglas, Inc. http://www.pbworld.com/pdfs/publications/monographs/wang.pdf.

[4]      کمیته‌ی دائمی بازنگری آئین‌نامه‌ی طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله. (1384). آئین‌نامه‌ی طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله-استاندارد 2800 ایران. ویرایش سوم. نشریه‌ی ض-253. تهران: مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن. شابک: 6-95-7404-964.

[5]      ASCE. (2000). FEMA 356 Prestandard: Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings. Washington, D. C.: Federal Emergency Management Agency. https://law.resource.org/pub/us/code/bsc.ca.gov/sibr/gov.fema.fema356.pdf.

[6]      Monsees, J. E., & Merritt, J. L. (1991). Earthquake Considerations in Design of the Los Angeles Metro. In Cassaro (Ed.), Proceedings of the ASCE Conference on Lifeline Earthquake Engineering: Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering (TCLEE) Monograph No. 4 (pp. 75-88). New York: American Society of Civil Engineers. ISBN: 978-0-87262-821-2.

[7]      ATC. (1996). ATC-40: Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings. Redwood City: Applied Technology Council. Report SSC 96-01. http://www.civil.iitb.ac.in/~p0saurabhrs/ATC-40.pdf.

[8]      FHWA. (2009). Technical Manual for Design and Construction of Road Tunnels-Civil Elements. Publication No.: FHWA-NHI-10-034. Washington, D. C.: National Highway Institute-US Departement of Transportation- Federal Highway Administration.  http://www.fhwa.dot.gov/bridge/tunnel/pubs/nhi09010/tunnel_manual.pdf.

[9]      ATC. (1995). ATC-19: Structural Response Modification Factors. Redwood City: Applied Technology Council.

[10]   Newmark, N. M., & Hall, W. J., (1982). Earthquake Spectra and Design (pp. 99-103). Earthquake Engineering Research Institute. ISBN: 0943198224.

[11]   Mwafy, A. M., & Elnashi, A. S. (2002). Calibration of Force Reduction Factors of RC Buildings. Journal of Earthquake Engineering, 6(2), 239-273. http://dx.doi.org/10.1080/13632460209350416.

[12]   ICC-IBC. (1999). International Building Code. Sanfrancisco: International Code Council Inc. ISBN:978-1-58001-725-1. https://law.resource.org/pub/us/code/ibr/icc.ibc.2009.pdf.

[13]   Kolymbas, D. (2008). Tunnelling and Tunnel Mechanics: A Rational Approach to Tunnelling. Springer. ISBN: 978-3-540-25196-5.

[14]   Das, B. M. (1993). Principles of Soil Dynamics. (M. Thomas, Ed.) Boston: PWS-Kent Publishing Company. ISBN: 0-534-93129-4.

[15]   Seed, H. B., Wong, R. T., Idriss, I. M., & Tokimatsu, K. (1986). Moduli and Damping Factors for Dynamic Analysis of Cohesionless Soils. Journal of Geotechnical Engineering, 112(11), 1016-1032. http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1986)112:11(1016).

[16]   Chopra, A. K. (1995). Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering. (B. Stenquist, Ed.) USA: Prentice Hall/Pearson Education. ISBN: 0-13-855214-2.

[17]   Asheghabadi, M. S., & Matinmanesh, H. (2011). Finite Element Seismic Analysis of Cylindrical Tunnel in Sandy Soils with Consideration of Soil-Tunnel Interaction. Procedia Engineering (The Proceedings of the Twelfth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction-EASEC12), 14, 3162-3169. http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2011.07.399.

[18]   باباگلی، ر. (1390). ارزیابی ظرفیت در تحلیل و طراحی تونل‌های متروی شهری تحت اثر امواج لرزه‌ای. پایان‌نامه‌ی کارشناسی‌ارشد، دانشکده‌ی مهندسی عمران، دانشگاه سمنان.

[19]    سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور. (1385). دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود. نشریه‌ی شماره‌ی 360. معاونت امور فنی، تدوین معیارها و کاهش خطرپذیری ناشی از زلزله. http://aut.ac.ir/miscellaneous/Code360.pdf.

[20]   ﻣﻌﺎوﻧﺖ ﺑﺮﻧﺎﻣﻪﺭﯾﺰی و ﻧﻈﺎﺭﺕ ﺭﺍﻫﺒﺮﺩی ﺭﯾﯿﺲ ﺟﻤﻬﻮﺭ. (1388). تفسیر دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود. ویرایش اول. نشریه‌‌ی شماره‌ی 361. ﻣﻌﺎوﻧﺖ ﻧﻈﺎﺭﺕ ﺭﺍﻫﺒﺮﺩی. http://www.tanbakoochi.com/File/www.tanbakoochi.com-Code361.pdf.