طراحی لرزه‌ای دیوارهای حایل

استفاده از سازه‌های حايل نظير ديوارهای نگهبان، ديوارهای جناحی پل‌ها، ديوارهای ساحلی، اسكله‌ها، ديوارهای مهار شده، و سيستم‌های مختلف خاك مسلح در همه مناطق از جمله مناطق لرزه خيز نيز مورد توجه هستند. سازه‌های مذكور در بنادر و سواحل، جناحين پل‌ها، كنار اتوبان‌ها، و ساير شريان‌های حياتی نقش مهمی داشته و خسارت وارده به آنها در اثر وقوع زلزله، عواقب اقتصادی و اجتماعی زيادی را در مناطق شهری در پی خواهد داشت. لذا كنترل پايداری اين قبيل سازه‌ها در خلال وقوع زلزله امری ضروری است. در اين بخش رفتار لرز‌ه‌ای ديوارهای حايل در مقابل بارهای ديناميكی تشريح شده و رو‌ش‌های متداول در طراحی لرزه‌ای آنها به منظور جلوگيری از خسارت مالی و جانی بررسی می‌شود.

شكست لرزه‌ای انواع حايل‌ها

ديوارهای حايل دارای وزن نسبی و انعطاف پذيری متفاوت بوده و به انواع مختلفی نظير ديوارهای ثقلی، ديوارهای گابيونی، حايل‌های طره‌ای و سيستم‌های خاك مسلح تقسيم بندی می‌شوند. در تشريح رفتار هر يك ازانواع فوق الذكر، نوع شكست، عوامل مؤثر در پايداری ديوار و نيروهای وارد بر آنها مشخص شدند و به طور كلی تأكيد شد كه هدف از طراحی كامل يك حايل برقراری تعادل نيروهای مذكور بدون وقوع تنش‌های برشی بيش از حد تحمل خاك پشت و زير ديوار است. ليكن در خلال زلزله و وقوع نيروهای داخلی ناشی از جنبش زمين و تغييرات مقاومت خاك، تعادل استاتيكی به هم خورده و موجب بروز تغيير مكان‌های دايمی در ديوار می‌شود. كه در صورت افزايش اين تغيير مكان از حد مجاز، گسيختگی ديوار به صورت لغزش، واژگونی، كج شدن و يا ساز و كارهای ديگر محتمل خواهد بود.

پاسخ ديناميكی ديوارهای حايل

پاسخ ديناميكی ديوارهای حايل حتی در ساده‌ترين نوع پيچيده است و ميزان جابه‌جايی ديوار و فشار وارد بر آن به اندركنش خاكريز پشت و خاك زير ديوار، جسم ديوار، و طبيعت جنبش زمين بستگی دارد. با توجه به كمبود اطلاعات موجود از رفتار ديناميكی حايل‌ها بر اساس اندازه‌گيری‌ها و مشاهدات محلی، تكيه اكثر مطالعات بر روی مدل‌های آزمايشگاهی و عددی است كه نتايج آنها نيز ،حاوی نكات زير است.

• حركت ديوارها به صورت جابه‌جايی (تغييرمكان) يا دوران است كه مقدار نسبی هر يك به انعطاف پذيری ديوار بستگی دارد. هر يك از حالات مذكور ممكن است به تنهايی يا همزمان اتفاق بيفتد.
• مقدار و نحوه توزيع فشار ديناميكی خاكريز پشت ديوار بر حسب مود حركت ديوار (نظير تغيير مكان، دوران حول قاعده يادوران حول بخش فوقانی) متفاوت است. در اين راستا نقطه اثر برآيند رانش خاك بر ديوار در خلال اعمال بارهای لرزه‌ای نسبت به حالت استاتيكی به سمت بالا و پايين حركت می‌كند.
• رانش ديناميكی متأثر از اندركنش ديناميكی ديوار و خاكريز پشت بوده و مقدار جابه جايی افقی ديوار در فركانس‌های نزديك به فركانس طبيعی سيستم خاك و ديوار، با توجه به وقوع پديده تشديد، به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزايش می‌ يابد. لازم به ذكر است كه جابه‌جايی‌های افزايش يافته مذكور ممكن است پس از يك دوره جنبش نيرومند زمين بر حايل مورد نظر باقی بمانند (رانش ماندگار).

فشارهای لرزه‌ای بر حايل‌ها

فشار لرز‌ه‌ای وارد بر ديوارهای حايل بستگی به قابليت حركت آنها نسبت به خاكريز پشت دارد. در صورتی كه امكان حركت ديوار نسبت به خاكريز پشت وجود داشته باشد، تعيين فشارهای ديناميكی مؤثر بر ديوار از طريق روش‌های استاتيكی يا شبه استاتيكی انجام می‌گيرد و در صورت عدم امكان حركت نسبی خاك و ديوار (ديوارهای ثابت)، تحليل الاستيك صورت می‌گيرد.

حايل‌ها با قابليت تغيير مكان نسبی

در اين نوع حايل با توجه به امكان تغيير شكل يا تغيير مكان نسبی حايل و خاك، تعيين فشارهای ديناميكی با استفاده از روش‌های استاتيكی يا شبه استاتيكی امكانپذير است. يكي از روش‌های شبه استاتيكی كه در واقع بسط مستقيم نظريه رانش جانبی كولمب است، روش مونونو به اوكابه يا M−O است، كه در آن شتا‌ب‌های شبه استاتيك بر گوه كولمب در حالت محرك يا مقاوم اعمال شده و مقدار رانش موردنظر از برقراری تعادل بين نيروهای مؤثر بر گوه قابل محاسبه است.

حايل‌های ثابت

برخي از حايل‌ها نظير ديوارهای حايل سنگين، ديوارهای زيرزمين يا ديوار پيرامونی در طبقات مدفون ساختما‌ن‌ها كه در بالا و پايين مهار شده‌اند، فاقد حركت لازم جهت بسيج مقاومت محرك يا مقاوم خاكريز پشت خود هستند. به طور كلی نتايج تحقيقات اخير نشان داده شده برای محدوده فركانس‌های كمتر از فركانس طبيعی سيستم خاك و سازه، فشارهای وارد بر ديوار از روش الاستيك برای يك شتاب افقی و ثابت، قابل محاسبه است.

اثر آب بر فشار خاك

روش‌های فوق الذكر در تعيين فشار ديناميكی وارد بر ديوارهای حايل در شرايط خشك بودن خاك پشت ديوار قابل استفاده هستند. و با توجه به تعبيه سيستم زهكش در پشت ديوارهای حايل، چنين فرضی در غالب موارد صحيح است، ليكن در بعضی موارد نظير ديوارهای ساحلی، يا ديوار‌ه‌های كنار آبگيرها، وجود آب در پشت يا جلو ديوار موجب تغيير رانش ديناميكی شده، و منظور نمودن اثر آن در طراحی ضروری است. به طور كی فشار آب بر ديوارها در صورت عدم تأمين سيستم زهكشی مناسب، به دو مؤلفه فشار هيدروستاتيك كه با عمق به صورت خطی افزايش می‌يابد و فشار هيدروديناميكی كه از پاسخ ديناميكی آب ناشی می‌شود، قابل تفكيك است.

حضور آب در جلو ديوار

در صورت قرارگيری يك حجم آب در جلوی ديوار حايل، با فرض قرارگيری يك حايل صلب در مقابل يك مخزن نيمه بی‌نهايت، می‌توان فشار هيدروديناميك آب را كه از پاسخ ديناميكی حجم آب حين وقوع زلزله ناشی می‌شود را از روش وسترگاد تعيين نمود. طبق مطالعات وی، در صورت پايين بودن فركانس حركت لرزه‌ای نسبت به فركانس طبيعی مخزن، فشار هيدروديناميك آب با جذر عمق افزايش می‌يابد.

فشار جانبی كل ناشی از حضور آب در جلو يك ديوار حايل حين وقوع زلزله مجموع فشار هيدروستاتيك و اضافه فشار هيدروديناميك خواهد بود. در طراحی ديوارهای حايل در مقابل آبگيرها، افت سريع آب در مخزن در كنترل واژگونی ديوار بايد مدنظر باشد، همچنين در حين وقوع زلزله نيز بالا آمدن سريع آب در جلو ديوار باعث افزايش پايداری آن، ليكن پايين رفتن همين سطح آب باعث كاهش ضريب ايمنی پايداری خواهد شد كه بايد در طراحی مد نظر قرار گيرد.

حضور آب در خاك پشت ديوار

در صورتی كه خاك پشت ديوار از نوع خاك ريزدانه با ضريب نفوذپذيری خيلی كم باشد، آب منفذی در حين زلزله با خاك اطراف خود حركت می‌كند، ليكن در صورتی كه خاك از نوع ماسه‌ای و با ضريب نفوذپذيری بالا باشد، در حين لرزش، اسكلت خاك حركت كرده و آب حفر‌ه‌ای ساكن می‌ماند، در اين حالت امكان وقوع فشارهای هيدروديناميك برای اين آب حفره‌ای آزاد وجود خواهد داشت.

حضور آب در طرفين ديوار ديوارهای ساحلی

در بعضی موارد نظير ديوارهای ساحلی، در يك سمت آب حفره‌ای و در طرفين ديگر فشار آب وجود دارد، براي چنين مواردی برخی محققين افزايش فشار حفره‌ای در سمت خشكی را ۷۰ درصد اضافه فشار ديناميكی در سمت آب پيشنهاد كرده‌اند.

ديوارهای خاك مسلح

ديوارهای خاك مسلح، به دو ناحيه تفكيك می‌شوند، يكی ناحيه مسلح شده با تسمه‌های فولادی و ديگر بلوك خاك غير مسلح در پشت اين ناحيه. در اثر وقوع زلزله، ناحيه خاك غير مسلح تحت اثر رانش ديناميكي و ناحيه مسلح تحت اثر نيروی اينرسی قرار می‌گيرد. طراحی لرزه‌ای ديوارهای خاك مسلح با هدف كنترل لغزش و واژگونی ناحيه مسلح به تسمه‌ها و همچنين كنترل شكست كشش در تسمه‌های فولادی در خلال وقوع زلزله انجام می‌گيرد.

نکات بیشتر در زمینه طراحی لرزه‌ای دیوارهای حایل در نشریه شماره ۳۰۸ تهیه شده است.

منبع: عمران سافت