31385

بررسي عددي تنش‌هاي وارده بر تونل در اثر زلزله با نرم‌افزار Opensees

كارشناسي ارشد

مهندسي عمران- ژئوتكنيك

1400

1403/6/10

محمدحسن بازيار

/

دانشكده مهندسي عمران

امروزه تونل‌ها كاربرد گسترده‌اي در زيرساخت‌هاي شهري دارند؛ بنابراين يكي از نگراني‌هاي موجود در خصوص تونل‌ها پايداري و رفتار آن‌ها در زلزله است. درگذشته فرض مي‌شد تونل‌ها در برابر زلزله آسيب‌پذير نيستند؛ زيرا با مرور موارد تاريخي مشاهده مي‌شود كه نرخ خرابي آن‌ها نسبت به سازه‌هاي روزميني پايين‌تر است. اما در زلزله‌هاي اخير مانند زلزله سال 1995 كوبه ژاپن، زلزله‌هاي 1995 چي‌چي تايوان و زلزله‌هاي 1999 كوجائلي تركيه سازه‌هاي زير زميني دچار خسارات عمده‌اي شدند. ازاين‌رو به اهميت و لزوم توجه به زلزله و طراحي لرزه‌اي تونل‌ها پي مي‌بريم. در اين تحقيق يك مدل‌سازي عددي دوبعدي با رفتار غيرخطي و روش اجزاء محدود از يك تونل محصور در عمق كم خاك توسط نرم‌افزار OpenSees انجام شد. هدف اين مدل‌سازي بررسي تنش‌هاي مكانيكي جدار تونل در اثر زلزله است. اين مدل‌سازي بر اساس يك آزمايش ميز لرزه بزرگ‌مقياس با ابعاد تقريبي مخزن 7 متر درازا در 3 متر پهنا و 5 متر ارتفاع اجراشده توسط تيم تحقيقاتي الگمل در دانشگاه كاليفرنيا – سن‌ديگو (UCSD) انجام شد. در نهايت نتايج حاصل از مدل‌سازي عددي نيز با نتايج آزمايش ميز لرزه مقايسه و صحت‌سنجي شد. بر اساس تحليل‌هاي انجام شده بر روي نتايج اين پژوهش براثر تحريك لرزه‌اي ناشي از شتاب‌نگاشت زلزله نورثريچ تطبيق خيلي خوبي بين الگوي ثبت شده از شتاب در سطح خاك، شتاب روي تونل، لنگر خمشي جدار تونل و تنش-كرنش خاك مجاور تونل مشاهده‌شد همچنين مقادير ثبت‌شده اختلاف كمي نسبت به آزمايش ميز لرزه داشتند كه در نوع خود كم‌نظير و بسيار خوب است. در آخر نيز در قالب يك تحليل احتمالاتي اثر تغييرات زاويه اصطكاك خاك، دوره تناوب غالب موج ورودي و دامنه‌ي بيشينه‌ي شتاب موج سينوسي بارگذاري مطالعه مي‌شود. بر اساس نتايج به‌دست‌آمده با تغييرات بارگذاري و مشخصات خاك مي‌تواند موجب تا حدود %500 تغيير در مقادير لنگر خمشي و بزرگ‌نمايي شود. همچنين مشخص شد كه تغييرپذير بارگذاري لرزه‌اي اعمالي تأثير قابل‌ملاحظه‌تري بر پاسخ تونل دارد و با احتمال بيشتري منجر به توليد مقادير بزرگ‌تري از بزرگ‌نمايي و لنگر خمشي خواهد شد. اين موضوعات ثابت‌كننده‌ي اهميت مطالعات احتمالاتي براي بررسي مسائل ژئوتكنيكي و طراحي‌هاي متناظر است.

1403/08/06

Numerical study of tunnel stresses in earthquake using Opensees

8/31/2025 12:00:00 AM

Today, tunnels are widely used in urban infrastructure; Therefore, one of the existing concerns about tunnels is their stability and behavior in an earthquake. In the past, it was assumed that tunnels are not vulnerable to earthquakes; Because by reviewing the historical cases, it can be seen that their failure rate is lower than the Rosmine structures. However, in recent earthquakes such as the 1995 Kobe earthquake in Japan, the 1995 Chichi earthquake in Taiwan, and the 1999 Kojaeli earthquake in Turkey, underground structures suffered major damages. Therefore, we understand the importance and necessity of paying attention to earthquakes and seismic design of tunnels. In this research, a two-dimensional numerical modeling with nonlinear behavior and finite element method of a shallow rectangular tunnel was performed with OpenSees. The purpose of this research is to investigate the mechanical stresses of the tunnel wall due to the earthquake. This modeling was based on a large-scale shake table test with dimensions of 7 meters long, 3 meters wide, and 5 meters high, conducted by Elgamal et. al. it was compared and validated with the shaking table test results. Based on the analysis performed on the results with seismic excitation of Northrige earthquake, a very good match was observed between the recorded pattern of the acceleration on the soil surface, the acceleration on the tunnel, the bending moment of the tunnel wall and the stress-strain of the soil adjacent to the tunnel. although in some cases there was a slight difference compared to the shaking table test. Finally in a probabilistic analysis the effect of variability in the soil friction angle, the predominant period of the input loading wave and the maximum amplitude (PGA) of the loading sine wave acceleration are studied. Based on the obtained results, changes in loading and soil characteristics can cause up to 500% change in bending moment and magnification values. It was also found that the applied seismic loading variability has a more significant effect on the tunnel response and will more likely lead to the production of larger values ​​of magnification and bending moment. These issues prove the importance of probability studies for investigating geotechnical problems and corresponding designs.

جدار تونل

Tunnel lining

Fateme Maldar

Dr. Bazyar