7855
شناسه خبر: 7855
بازدید: 11

به طور کلی تحلیل سدهای خاکی و سنگریز در سه محور اصلی تحلیل تراوش، تحلیـل پایـداری شـیروانی و تحلیـل تنش-کرنش قابل دسته بندی است. تحلیل شبه استاتیک ، بخشی از تحلیل پایداری شیروانی های سد به شمار می آیـد کـه به بررسی وضعیت ایستایی لرزه ای و میزان ضریب اطمینان وقوع لغزش در شیب های بدنه سد در حین بارگـذاری زلزلـه می پردازد.

پیشنهاد مطالعه: بررسی عوامل موثر در پایداری سدهای خاکی

در ارزیابی پایداری سدهای خاکی تا قبل از سال 1965، تحلیل شبه استاتیک تنهـا روش مـورد اسـتفاده بـه شـمار می رفت. از سال 1965 به بعد، ضمن توسعه روش های شبه اسـتاتیکی، روش های تحلیل دینـامیکی نیـز بـه تـدریج مـورد استفاده طراحان قرار گرفتند. هرچند روند پیشرفت و توسعه روش های تحلیل عددی و دینامیکی و اقبال عمومی بـه ایـن روش ها همچنان ادامه دارد، اما روش های تحلیل شبه استاتیکی به دلیل سادگی مفاهیم و سهولت کاربرد، همچنان به عنوان یکی از پرکاربردترین روش های تحلیل لرزه ای به خصوص برای طراحی اولیه سد و به نوعی به عنوان پیش نیاز تحلیل های دینامیکی در یک سد، جایگاه خود را حفظ نموده است. در بسیاری از آیین نامه ها و دستورالعمل های معتبر بـین المللی برای طراحی سدها، روش تحلیل شبه استاتیک به عنوان یک راهکار مناسب برای تحلیل لرزه ای پذیرفته شده است.

پیشنهاد دانلود : آموزش تحلیل شبه استاتیک برای پایداری سدهای خاکی در نرم افزار GeoStudio

اصول روش تحلیل شبه استاتیک

به طور کلی اساس روش شبه استاتیک بر معادل سازی بارگذاری حاصل از ارتعاشات زلزله با یک بار اسـتاتیکی، اسـتوار گشته است. در حالی که بارهای ناشی از یک زلزله طی لحظات بسیار کوتاهی اعمال شده و تغییر جهت و مقدار می دهد، در این روش، بار استاتیکی معادل همواره از جهت و مقدار ثابتی برخوردار بوده و به صورت دائمی اعمال می گردد.

در تحلیل شبه استاتیک سدهای خاکی و سنگریز پس از محاسبه و اعمال این نیرو بر مرکز جـرم یـک تـوده لغزشـی فرضی، ایستایی و ضریب اطمینان آن در مقابل لغزش با اسـتفاده از روش های مختلـف تحلیـل پایـداری (مشـابه حالـت استاتیکی) بررسی و محاسبه می گردد. با تکرار این محاسبات، توده ای از یک شـیروانی کـه کمتـرین ضـریب اطمینـان را داشته باشد به عنوان توده بحرانی در تحلیل شبه استاتیک معرفی می گردد. در صورتی که ضریب اطمینان این توده کمتر از مقادیر مجاز شود لازم است با اعمال تمهیداتی از جمله کاهش شیب، تغییر ناحیه بنـدی بدنـه و یـا تغییـر مشخصـات مصالح و تکرار محاسبات نسبت به بهبود شرایط اقدام نمود.

در این گونه تحلیل ها معمولاً نیروی شبه استاتیک در جهت افقی و به سمت بیرون شیب در نظر گرفته مـی شـود. ایـن شرایط در حالت کلی بحرانی ترین شرایط برای پایداری یک شیب به شمار مـی آیـد. بـا ایـن حـال اعمـال مؤلفـه نیـروی شبه استاتیکی حاصل از زلزله در جهت قائم نیز امکان پذیر است. در این صورت تحلیل پایـداری بـر اسـاس اثـر همزمـان مؤلفه های قائم و افقی زلزله صورت می پذیرد. شکل (1) شمایی کلی از نیروهای وارد بر یک شیروانی خاکی را در یـک تحلیل شبه استاتیک نشان می دهد.

تحلیل شبه استاتیکی

شکل 1 – نحوه تأثیر نیروهای حاصل از زلزله بر پایداری شیروانی

نیروهای شبه استاتیکی بر اساس روابط زیر محاسبه می گردند :

رابطه 1

رابطه 1

رابطه 2

رابطه 2


در این روابط:

av و ah به ترتیب شتاب های قائم و افقی شبه استاتیک زلزله

Kv و Kh به ترتیب ضرایب زلزله قائم و افقی بدون بعد شبه استاتیکی

W وزن توده لغزشی مفروض

چگونگی محاسبه ضریب شتاب شبه استاتیک و تعاریف مختلف ضرائب اطمینان و همچنـین نحـوه انتخـاب روش های مناسب حل معادلات تعادل حدی به طور مفصل در بخش های پیش رو بیان می شود.

محدودیت ها و مزایای روش شبه استاتیک

روش تحلیل شبه استاتیک با وجود قدمت و سادگی به کارگیری آن، دارای معایب و کاستی هایی است که استفاده مطلق از آن را در تحلیل های لرزه ای با محدودیت هایی مواجه ساخته است. از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود :

  • استفاده از روش تعادل حدی برای تحلیل شبه استاتیکی

ارزیابی پایـداری لـرزه ای بدنـه و پـی سـدهای خـاکی و سنگریز با استفاده از روش تعادل حدی انجام می گیرد. لذا محدودیت های روش تعادل حدی ناگزیر در تحلیل هـای شبه استاتیکی نیز منعکس می گردد. برخی از این محدودیت ها عبارتند از : عدم در نظر گرفتن رفتار تـنش-کـرنش مصالح خاکی، عدم در نظر گرفتن میرایی و جذب انرژی توسط پـی و بدنـه سـد، عـدم امکـان محاسـبه و اعمـال تغییرات تنش حاصل از تغییرات فشار آب حفره ای در حین زلزله، عدم امکان محاسبه مستقل تغییر شـکل، عـدم امکان بررسی مستقیم پدیده هایی نظیر روانگرایی و شکست هیدرولیکی.

  • در نظر گرفتن سد به صورت یک جسم کاملاً صلب و در نتیجه اعمال شتاب یکسان در تمامی نقاط بدنه سد

این در حالی است که رفتار سدهای خاکی در برابر بارهای حاصل از زلزله به صورت یک جسم صلب نبوده و بسته بـه مشخصات هندسی و مکانیکی مصالح بدنه و پی، عکس العمل های متفاوتی را نسبت به تحریک هـای زمـین از خـود نشان می دهند. استفاده از ضرایب شبه استاتیک متغیر در ارتفاع از جمله راهکارهایی است که برای حل این مسأله پیشنهاد شده است.

  • عدم تغییر شتاب در طول زمان

در اینگونه تحلیل ها بر خلاف آنچه در واقعیت رخ می دهد جهت و مقـدار اعمال شتاب های شبه استاتیک ثابت بوده و در طول زمان تغییر جهت و مقدار نمی دهد.

  • سختی تخمین ضریب زلزله شبه استاتیکی به گونه ای که بتواند بیانگر کلیه خصوصیات زلزله طرح باشد.

یک زلزله دارای ویژگی هایی نظیر محتوای فرکانسی، شتاب متغیر با زمان و … می باشد که امکان ارائـه یـک عـدد ثابـت بـه عنوان نماینده کل ویژگی های آن زلزله تقریبا غیر ممکن است.

سد خاکی

شکل 2 – قسمت های مختلف یک سد خاکی

پیشنهاد مطالعه: با ژئوتکستایل و فیلتر در سدهای خاکی آشنا شوید

علیرغم تمامی محدودیت های فوق استفاده از روش تحلیل شبه استاتیک بنابر دلایل زیر همچنان در طراحی لرزه ای سدها متداول و مرسوم می باشد.

1 . سادگی درک مفاهیم و سهولت به کارگیری و استفاده از آن

این در حالی است که تحلیل های عـددی پیشـرفته از نظر مفهومی و نظری بسیار پیچیده تر و به کـارگیری آنهـا بسـیار مشـکل تـر و نیازمنـد امکانـات و نـرم افزارهـای پیشرفته تری است.

2 . پشتوانه تجربه استفاده از روش شبه استاتیک

با توجه به کثرت استفاده، شـناخت و تجربـه نسـبتاً خـوبی کـه در مورد روش تحلیل شبه استاتیک در جامعه مهندسی وجود دارد می توان برخی از کاستی های این روش را به طـور نسـبی در تحلیل ها با استفاده از قضاوت مهندسی مرتفع نمود.

3 . امکان انجام تحلیل در زمان کوتاه

معمولاً در فاز مطالعاتی طرح، جانمایی های مختلـف و گزینـه هـای متفـاوتی از نظر نوع و هندسه برای یک سد مطرح است. تحلیل های شبه استاتیک در مدت زمان کوتاه قادرند برای هـر یـک از این گزینه ها سطوح لغزش متعددی را مورد بررسی قرار داده و ضرائب اطمینـان را در حـالات مختلـف ارائه دهند. این در حالی است که انجام آنالیزهای دینامیکی برای هر گزینه به تنهایی دشوار و در عین حـال زمـان بـر و غیر اقتصادی خواهد بود.

4 . امکان دستیابی نسبتاً آسان به پارامترهای ژئوتکنیکی مورد نیاز ایـن روش

پارامترهای مـورد نیـاز بـرای تحلیل شبه استاتیک از پیچیدگی های کمتری نسبت به سایر تحلیل ها برخوردار بوده و امکان تعیین آن هـا بـا آزمایش های متداول ژئوتکنیک میسر است و نیازی به آزمایش های دینامیکی خاص که در مطالعات مرحله اول طرح دستیابی به آن ها ممکن و یا اقتصادی نمی باشد، نیست.


مراحل انجام تحلیل لرزه ای به روش تحلیل شبه استاتیک

نمودار (1) نمودار مراحل انجام تحلیل لرزه ای به روش شبه استاتیک را به طور خلاصه نشان می دهـد. لازم بـه ذکـر است که با توجه به تعدد سطوح لغزش محتمل و زمانبر بودن حل معادلات تعادل حـدی و محاسـبه ضـریب اطمینـان، فرآیند سعی و خطای مورد نیاز در این روش برای جستجو و یافتن سطح لغزش بحرانی و کمترین ضریب اطمینان، اغلب به کمک نرم افزارهای موجود در این زمینه به سادگی و در کوتاهترین زمان انجام می گیرد.

پیشنهاد دانلود : آموزش تحلیل شبه استاتیک برای پایداری سدهای خاکی در نرم افزار GeoStudio

نمودار 1 – نمودار مراحل انجام تحلیل لرزه ای به روش شبه استاتیک

تحلیل شبه استاتیک

ضریب شتاب شبه استاتیک (ضریب زلزله)

مطابق روابط 1 و 2 انتخاب ضریب شتاب شبه استاتیک یا ضریب زلزله مهمترین مرحله در انجام تحلیل شبه استاتیک به شمار می آید. با مشخص شدن این ضریب، دستیابی به ضریب اطمینان پایداری لرزه ای شیروانی های سد با انجام یک تحلیل پایداری به سهولت امکان پذیر خواهد بود. به سبب وابستگی میزان ضریب اطمینان ایستایی شیب بـه مقادیر این ضریب، لازم است ضمن مطالعه و شناخت بیشتر عوامل مؤثر بر این پارامتر، حداکثر دقت در تعیین آن به کار گرفته شود؛ چرا که انتخاب مقادیر دست بالای این شتاب، منجر به افزایش هزینه های ساخت سد و بعضاً غیر اقتصادی شدن آن و استفاده از مقادیر دست پایین نیز غیر ایمن شدن طرح را به دنبال خواهد داشت.

عوامل مؤثر بر تعیین ضریب شتاب شبه استاتیک

ضریب زلزله یا ضریب شتاب شبه استاتیک، به طور کلی تابع عوامل ذیل می باشد:

  • شرایط لرزه خیزی ساختگاه
  • طول عمر مفید سد
  • درجه اهمیت سد و مخاطرات و خسارات احتمالی در صورت خرابی سد
  • شرایط هندسی بدنه و پی سد
  • خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مصالح بدنه و پی

روش های مختلفی برای تخمین ضریب زلزله پیشنهاد شده است که هریک قادر به در نظر گیری یـک یـا چند عامل فوق الذکر می باشد. گروهی از محققین و مراجع با پیشنهاد اتخاذ یک مقدار ثابت برای ضریب زلزله، صرفاً به ارائه محدوده مقادیر ضریب زلزله (مثلا بین 0.1 تا 0.15) بدون اشاره به هیچ یک از عوامل مؤثر بر آن بسنده نموده اند. برخی دیگر یک ضریب زلزله ثابت به صورت کسری از حداکثر شتاب زلزله طرح که خود تابع عواملی نظیر لرزه خیزی ساختگاه، طول عمر و درجه اهمیت سد می باشد، پیشنهاد می کنند. برخی روش ها با لحاظ نمودن اثرات هندسه بدنه سد، ضریب زلزلـه را بـه صورت متغیر (افزایشی) در ارتفاع توصیه نموده اند.

روش های دیگری نیز وجود دارد که اثرات جنس مصالح و هندسه بدنه و پی سد را نیز در تخمین ضریب زلزله اعمال می نمایند. تعدادی از این روش ها مبتنی بر تئوری انتشار موج می باشد، که در نهایت به تاریخچه زمانی ضریب زلزله و یـا تاریخچه زمانی ضریب اطمینان منجر می شود. با توجه به تغییرات ضریب اطمینان یا ضریب زلزله در طول زمان، ارزیـابی پایداری لرزه ای سد به سهولت امکان پذیر نبوده و نیازمند تفسیر نتایج و تحلیل های تکمیلی می باشد.

ضریب زلزله به صورت یک عدد ثابت در ارتفاع و معادل کسری از زلزله طرح توصیه می شود. علت انتخاب این روش، عمومیت آن در اغلب مراجع، سهولت نسبی تعیین ضریب زلزله و سادگی استفاده از آن در تحلیل هـای پایداری می باشد. در روش پیشنهادی سه عامل لرزه خیزی ساختگاه، طول عمر و درجه اهمیت سد در نظر گرفته شـده و از اثرات هندسه و جنس مصالح بدنه و پی سد چشم پوشی شده است. در هر حال برای سدهای با اهمیت زیاد در مطالعات مرحله دوم، توصیه می شود از روش های شتاب متغیر در ارتفاع نیز استفاده شود.

تعیین ضریب شتاب شبه استاتیک افقی

یکی از متداول ترین روش های تعیین ضریب شتاب شبه استاتیک انتخاب مقدار آن بر اساس حداکثر میزان شتاب زمین (PGA) در طی یک زلزله با سطح خطر مشخص و بر اساس رابطه 3 می باشد :

رابطه 3

رابطه 3

در این رابطه α به صورت یک ضریب ثابت در محدوده 0.33 تا 0.5 توصیه می شود. شتاب PGA نیز معادل شتاب بیشینه زمین در صورت رخداد زلزله طرح می باشد که عموماً در سد های متعارف بر مبنای سطح خطر MDE (حـداکثر زلزله طراحی) در نظر گرفته می شود.

زلزله مربوط به سطح خطر MDE طی مطالعات لرزه خیزی ساختگاه سد بر اساس طول عمر مفیـد و درصـد احتمـال وقوع این سطح از زلزله محاسبه می شود. در این محاسبات معمولاً طول عمر سدها بین 50 تا 100 سـال و درصـد وقـوع زلزله MDE بین 5 تا 10 درصد در طول این مدت در نظر گرفته می شود. انتخاب هریـک از ایـن پارامترها در یـک سـد اصولاً تابعی از درجه اهمیت سد و اقتصاد طرح و تبعات اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی است که در صـورت آسـیب آن در زلزله انتظار می رود. تصمیم گیری در این خصوص بر عهده دست اندرکاران طـرح از قبیـل سـرمایه گـذار، کارفرمـا، مشاور و با توجه ویژه به افکار عمومی صورت خواهد گرفت. در صورت ضرورت و با توجـه بـه ویژگـی هـای پـروژه امکـان افزایش سطح خطر زلزله طرح تا سطح خطر MCE وجود خواهد داشت.

مقادیر حداقل و حداکثر ضریب زلزله افقی مطابق رابطه 4 پیشنهاد می شود :

رابطه 4

رابطه 4

تعیین ضریب شتاب شبه استاتیک قائم و تلفیق آن با ضریب زلزله افقی

معمولاً شتاب نگاشت زلزله در دو جهت متعامد افقی و یک جهت قائم ثبـت مـی گـردد. بـا ایـن حـال در تحلیل شبه استاتیک غالباً شتاب افقی مورد توجه بیشتری واقع شده و طراحی سدها تنها برای تحمل بارهای ناشی از این مؤلفـه زلزله صورت می پذیرد. بررسی ها نیز نشان دهنده آن است که در شرایط متعارف مولفه قائم زلزله تأثیر قابـل ملاحظـه ای بر پایداری شیروانی ها ندارد. لذا در حالت کلی نیازی به اعمال ایـن ضـریب در تحلیـل پایـداری شـیب سـدها در حالـت شبه استاتیک نخواهد بود. در صورتی که به تشخیص تیم طراحی و با توجه به موقعیت سـاختگاه نیـاز بـه اعمـال ضـریب زلزله در جهت قائم (Kv) باشد، این ضریب به طور معمول حداکثر برابر دو سوم ضریب زلزله در حالت افقی (Kh) در هـر دو جهت بالا و پایین به طور جداگانه، در نظر گرفته می شود. در این صورت با توجه به اینکه در طول مدت رخـداد زلزلـه، مؤلفه های قائم و افقی به طور هم زمان به حداکثر میزان خود نمی رسند، می توان مقدار مولفه افقی نیروی شبه اسـتاتیک را کاهش داد. درصد کاهش بر مبنای قضاوت مهندسی تعیین می گردد. در صورتی که اعمال همزمـان مؤلفـه هـای قـائم و افقی زلزله باعث افزایش ضریب اطمینان پایداری گردد، از مؤلفه قائم زلزله باید صرف نظر شود. موارد ذکر شده مختص ساختگاه های واقع در حوزه دور بوده و برای ساختگاه های واقع در حوزه نزدیک لازم اسـت مطالعات ویژه صورت پذیرد.

پیشنهاد مطالعه : روش های تحلیل لرزه ای سدهای خاکی و محدوده کاربرد آنها

نویسنده

مجید غواصیه
فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. موضوعات مورد علاقه من راه سازی، حمل و نقل، مهندسی ترافیک و مسائل مربوط به محیط زیست می باشد.

مشاوره از طریق واتساپ