התנהגות סיסמית של מנהרת תשתית
23/6/2016 5:34
תקציר:
רעידות אדמה מחוללות גלים בתווך הקרקע וגורמות לתנועה, אשר מזעזעת יסודות מבנים ותשתיות. לבד מהדיון בתגובתם של מבנים לפעולות אלה, יש חשיבות רבה לניתוח התנהגותם של תשתיות ושל עורקי חיים. המחקר המוצע מתמקד במבני תשתית טמונים בקרקע נקבובית עם דגש על מנהרת תשתיות תת קרקעית. נוכחות מנהרה בנוייה או כרוייה בתת קרקע עלולה להשפיע גם על תנועת פני הקרקע ברעידת האדמה, וגם בכך יעסוק המחקר המוצע.
המסקנה העיקרית הנובעת מסקר הספרות היא שכל המודלים שמובאים במקורות השונים מבוססים למעשה על המודל של Biot אך המודלים הנ"ל יותר מסובכים מכיוון שהם כוללים משוואות ופרמטרים נוספים כך שלעיתים קרובות לא ברור כיצד לקבוע את הפרמטרים הנ"ל ולא ברור כיצד להשתמש במודלים אלה בבעיות התפשטות גלים סיסמיים. מסקר הספרות ניתן להסיק שלבעיות הנ"ל לא הוקדשה תשומת לב מספקת ומספר המאמרים בנושא הינו מצומצם.
במחקר הנוכחי פותחו אלגוריתם ותוכנת מחשב המבוססים על שיטת ההפרשים הסופיים הן להדמיית התפשטות גלים סיסמיים בתווך הקרקע והן להדמיית אינטראקציה בין דיפון המנהרה ובין הקרקע. השיטה פותחה במערכת צירים של לאגראנז' והיא שייכת למשפחה של הפרשים סופיים ומאפשרת להציג בצורה יעילה הן משוואות הפרשיות של תנועת הקרקע והן תנאי גבול ללא שימוש בתאי שווא נוספים שמשתמשים בהם בשיטת הפרשים סופיים קלאסית. לצורך ולידצייה של השיטה הנומרית, שפותחה במחקר הנוכחי, נערכו חישובים חד-ממדיים בשימוש בתנאי השפה שונים: תנאי הגבול "Non-reflecting boundary conditions", תנאי הגבול קיר קשיח, תנאי הגבול פני הקרקע ( free surface ). מהחישובים נובע שתוצאות החישוב הנומרי קרובות מאוד לפתרון מדויק. נבחנה השפעת הנקבוביות (מנת המים) של הקרקע הרוויה על האקסלרוגרמה הפועלת על פן הביניים. התבצעה האנליזה של הערכים המרביים של ספקטרום התגובה ושל התדרים המתאימים כתלות בנקבוביות. מהאנליזה נובע שהאקסלרוגרמות הפועלות על פן הביניים סלע-קרקע תלויות מאד בנקבוביות הקרקע הן באופן איכותי והן באופן כמותי. נחקרה השפעת מנת האוויר של הקרקע על האקסלרוגרמה הפועלת על פן הביניים. מהאנליזה נובע שתוספת קטנה מאוד של האוויר (0.00001-0.0001) גורמת לשינוי משמעותי באקסלרוגרמות הפועלות על פן הביניים סלע-קרקע. אחרי כן התוספות הבאות משפיעות לא כל כך משמעותית. נחקרה תגובת המנהרה לפעולת סיסמית עקב התפשטות גל לחץ. נבחנו שתי מנהרות: המנהרה הגלילית והמנהרה בצורת פרסה. מובאים המהלכים של כוח צירי, כוח גזירה ומומנט כפיפה. המהלכים שהתקבלו עבור נקבוביות (מנות מי הקרקע) שונים דומים באופן איכותי זה לזה וההבדל מתבטא רק בערכי הפרמטרים. מהאנליזה נובע שכאשר מנת מי הקרקע גדלה ערכי הכוחות והמומנטים קטנים מכיוון שתכונות הקרקע מתקרבות למים. נערכה השוואה לתוצאות של מחברים אחרים. תוצאות אלה התקבלו על ידי מודל מפושט קואזי-סטטי של תגובת מנהרה גלילית לפעולה סיסמית הן בקרקע יבשה והן בקרקע נקבובית רוויה. התקבלה התאמה טובה למדי של תוצאות המחקר הנוכחי לתוצאות של המודל המפושט.
מהאנליזה נובעת המסקנה החשובה שמבחינת תיכנון מנהרות להשפעת פעולות סיסמיות התיכנון בשימוש בפרמטרים של קרקע יבשה נותן מקדם ביטחון יותר גבוה.
מהשוואת התוצאות שהתקבלו עבור המנהרה הגלילית והמנהרה בצורת פרסה נובע שבמקרה של גלי לחץ סיסמיים העומסים (כוחות ומומנטים) שפועלים במנהרה בצורת פרסה יותר גבוהים מאשר במנהרה הגלילית. זה מתרחש מכיוון הדופן התחתונה של המנהרה בצורת פרסה היא בעלת צורה ישרה אופקית ולכן המנהרה מקבלת עומס יותר גבוה.
Abstract:
It is well known that earthquakes generate waves in rock and soil media and cause an undesirable movement of buildings' foundations and infrastructures.
Apart from the response of the aboveground structures to the seismic actions, there is much need and importance in investigating the behavior of the infrastructure in general and of underground structures in particular. The presence of a pipeline or a tunnel in soil is affected by the earthquake excitation and also affects the earthquake response of the soil free surface that is different compared to the case where a buried structure does not exist. The present research focuses on buried structures in porous saturated soil; it mainly focuses on large diameter pipelines and tunnels. The main conclusion from the literature survey is that the models used in different sources, are based essentially on the Biot model, but these models are more complicated. They include cumbersome equations and too many parameters. It is often not clear how to determine these parameters and how to apply these models to problems of seismic wave propagation. The literature survey shows that inadequate attention has been given to the above problems and that there is only a limited number of articles on the subject.
An effective algorithm has been composed and a computer program was developed that is based on the variational-differences method. They aim at simulating the seismic wave propagation as well as the interaction between the tunnel lining and the surrounding porous saturated soil. The developed variational-differences technique belongs to the family of finite differences methods and effectively allows obtaining numerical approximations of the equations of motion as well as of the boundary conditions without the use of additional fictitious cells that are typical to classical finite difference methods.
To validate the new method that is developed in the present study, several one-dimensional calculations were performed using the following boundary conditions: "non-reflecting" boundary condition, "rigid wall" boundary condition, "free surface" boundary condition on the soil surface. A very good agreement between the calculated results with the analytical solutions was obtained.
The effect of the porosity on the acceleration time history at the bedrock base (rock-soil interface) was studied. A frequency analysis of the above acceleration magnitude was performed using the FFT (Fast Fourier Transform) technique for different porosities. The analysis shows that the soil porosity significantly affects the acceleration time history at the bedrock base, both qualitatively and quantitatively.
The dynamic response to compressional waves (P-waves) of infinitely long lined tunnels buried in an elastic porous half-space was carried out. Two tunnels were examined: a cylindrical tunnel and a U-shaped tunnel. The axial force, shear force and bending moment distributions are presented for the fully saturated soil with different degrees of porosity. It was shown that the peak values of the forces and of the moment decrease with increase of the porosity (and therefore of the water content).
The ratio of the axial forces generated by the same pressure wave on a tunnel in a dry ground and in a fully saturated ground was studied. It was concluded that this ratio is always larger than one, thus the assumption of dry ground is conservative. This conclusion is confirmed by findings of other authors.
A comparison was performed between the cylindrical tunnel and the U-shaped tunnel. It was concluded that the peak axial force, the peak shear force and the peak bending moment acting at the section of the U-shaped tunnel are higher than in the case of the cylindrical tunnel. This is due to the bottom of the U-shaped tunnel that is straight and horizontal and therefore it is subjected to a higher load.
תקציר:
רעידות אדמה מחוללות גלים בתווך הקרקע וגורמות לתנועה, אשר מזעזעת יסודות מבנים ותשתיות. לבד מהדיון בתגובתם של מבנים לפעולות אלה, יש חשיבות רבה לניתוח התנהגותם של תשתיות ושל עורקי חיים. המחקר המוצע מתמקד במבני תשתית טמונים בקרקע נקבובית עם דגש על מנהרת תשתיות תת קרקעית. נוכחות מנהרה בנוייה או כרוייה בתת קרקע עלולה להשפיע גם על תנועת פני הקרקע ברעידת האדמה, וגם בכך יעסוק המחקר המוצע.
המסקנה העיקרית הנובעת מסקר הספרות היא שכל המודלים שמובאים במקורות השונים מבוססים למעשה על המודל של Biot אך המודלים הנ"ל יותר מסובכים מכיוון שהם כוללים משוואות ופרמטרים נוספים כך שלעיתים קרובות לא ברור כיצד לקבוע את הפרמטרים הנ"ל ולא ברור כיצד להשתמש במודלים אלה בבעיות התפשטות גלים סיסמיים. מסקר הספרות ניתן להסיק שלבעיות הנ"ל לא הוקדשה תשומת לב מספקת ומספר המאמרים בנושא הינו מצומצם.
במחקר הנוכחי פותחו אלגוריתם ותוכנת מחשב המבוססים על שיטת ההפרשים הסופיים הן להדמיית התפשטות גלים סיסמיים בתווך הקרקע והן להדמיית אינטראקציה בין דיפון המנהרה ובין הקרקע. השיטה פותחה במערכת צירים של לאגראנז' והיא שייכת למשפחה של הפרשים סופיים ומאפשרת להציג בצורה יעילה הן משוואות הפרשיות של תנועת הקרקע והן תנאי גבול ללא שימוש בתאי שווא נוספים שמשתמשים בהם בשיטת הפרשים סופיים קלאסית. לצורך ולידצייה של השיטה הנומרית, שפותחה במחקר הנוכחי, נערכו חישובים חד-ממדיים בשימוש בתנאי השפה שונים: תנאי הגבול "Non-reflecting boundary conditions", תנאי הגבול קיר קשיח, תנאי הגבול פני הקרקע ( free surface ). מהחישובים נובע שתוצאות החישוב הנומרי קרובות מאוד לפתרון מדויק. נבחנה השפעת הנקבוביות (מנת המים) של הקרקע הרוויה על האקסלרוגרמה הפועלת על פן הביניים. התבצעה האנליזה של הערכים המרביים של ספקטרום התגובה ושל התדרים המתאימים כתלות בנקבוביות. מהאנליזה נובע שהאקסלרוגרמות הפועלות על פן הביניים סלע-קרקע תלויות מאד בנקבוביות הקרקע הן באופן איכותי והן באופן כמותי. נחקרה השפעת מנת האוויר של הקרקע על האקסלרוגרמה הפועלת על פן הביניים. מהאנליזה נובע שתוספת קטנה מאוד של האוויר (0.00001-0.0001) גורמת לשינוי משמעותי באקסלרוגרמות הפועלות על פן הביניים סלע-קרקע. אחרי כן התוספות הבאות משפיעות לא כל כך משמעותית. נחקרה תגובת המנהרה לפעולת סיסמית עקב התפשטות גל לחץ. נבחנו שתי מנהרות: המנהרה הגלילית והמנהרה בצורת פרסה. מובאים המהלכים של כוח צירי, כוח גזירה ומומנט כפיפה. המהלכים שהתקבלו עבור נקבוביות (מנות מי הקרקע) שונים דומים באופן איכותי זה לזה וההבדל מתבטא רק בערכי הפרמטרים. מהאנליזה נובע שכאשר מנת מי הקרקע גדלה ערכי הכוחות והמומנטים קטנים מכיוון שתכונות הקרקע מתקרבות למים. נערכה השוואה לתוצאות של מחברים אחרים. תוצאות אלה התקבלו על ידי מודל מפושט קואזי-סטטי של תגובת מנהרה גלילית לפעולה סיסמית הן בקרקע יבשה והן בקרקע נקבובית רוויה. התקבלה התאמה טובה למדי של תוצאות המחקר הנוכחי לתוצאות של המודל המפושט.
מהאנליזה נובעת המסקנה החשובה שמבחינת תיכנון מנהרות להשפעת פעולות סיסמיות התיכנון בשימוש בפרמטרים של קרקע יבשה נותן מקדם ביטחון יותר גבוה.
מהשוואת התוצאות שהתקבלו עבור המנהרה הגלילית והמנהרה בצורת פרסה נובע שבמקרה של גלי לחץ סיסמיים העומסים (כוחות ומומנטים) שפועלים במנהרה בצורת פרסה יותר גבוהים מאשר במנהרה הגלילית. זה מתרחש מכיוון הדופן התחתונה של המנהרה בצורת פרסה היא בעלת צורה ישרה אופקית ולכן המנהרה מקבלת עומס יותר גבוה.
Abstract:
It is well known that earthquakes generate waves in rock and soil media and cause an undesirable movement of buildings' foundations and infrastructures.
Apart from the response of the aboveground structures to the seismic actions, there is much need and importance in investigating the behavior of the infrastructure in general and of underground structures in particular. The presence of a pipeline or a tunnel in soil is affected by the earthquake excitation and also affects the earthquake response of the soil free surface that is different compared to the case where a buried structure does not exist. The present research focuses on buried structures in porous saturated soil; it mainly focuses on large diameter pipelines and tunnels. The main conclusion from the literature survey is that the models used in different sources, are based essentially on the Biot model, but these models are more complicated. They include cumbersome equations and too many parameters. It is often not clear how to determine these parameters and how to apply these models to problems of seismic wave propagation. The literature survey shows that inadequate attention has been given to the above problems and that there is only a limited number of articles on the subject.
An effective algorithm has been composed and a computer program was developed that is based on the variational-differences method. They aim at simulating the seismic wave propagation as well as the interaction between the tunnel lining and the surrounding porous saturated soil. The developed variational-differences technique belongs to the family of finite differences methods and effectively allows obtaining numerical approximations of the equations of motion as well as of the boundary conditions without the use of additional fictitious cells that are typical to classical finite difference methods.
To validate the new method that is developed in the present study, several one-dimensional calculations were performed using the following boundary conditions: "non-reflecting" boundary condition, "rigid wall" boundary condition, "free surface" boundary condition on the soil surface. A very good agreement between the calculated results with the analytical solutions was obtained.
The effect of the porosity on the acceleration time history at the bedrock base (rock-soil interface) was studied. A frequency analysis of the above acceleration magnitude was performed using the FFT (Fast Fourier Transform) technique for different porosities. The analysis shows that the soil porosity significantly affects the acceleration time history at the bedrock base, both qualitatively and quantitatively.
The dynamic response to compressional waves (P-waves) of infinitely long lined tunnels buried in an elastic porous half-space was carried out. Two tunnels were examined: a cylindrical tunnel and a U-shaped tunnel. The axial force, shear force and bending moment distributions are presented for the fully saturated soil with different degrees of porosity. It was shown that the peak values of the forces and of the moment decrease with increase of the porosity (and therefore of the water content).
The ratio of the axial forces generated by the same pressure wave on a tunnel in a dry ground and in a fully saturated ground was studied. It was concluded that this ratio is always larger than one, thus the assumption of dry ground is conservative. This conclusion is confirmed by findings of other authors.
A comparison was performed between the cylindrical tunnel and the U-shaped tunnel. It was concluded that the peak axial force, the peak shear force and the peak bending moment acting at the section of the U-shaped tunnel are higher than in the case of the cylindrical tunnel. This is due to the bottom of the U-shaped tunnel that is straight and horizontal and therefore it is subjected to a higher load.
הפניה לקובץ המחקר: התנהגות סיסמית של מנהרת תשתית
שנת פרסום: 2016
האחריות על התגובות למאמרים השונים חלה על שולחיהן. הנהלת האתר אינה אחראית על תוכנן.
הערה: התכנים המוצגים בעמוד זה ...
התכנים המופיעים במדור זה מועברים אוטומטית מבלוגים ואתרי מידע ברשת, כל הזכויות על התכנים: כולל טקסטים, תמונות, סרטים וכל מדיה נוספת, הנם של יוצרי החומר המקורי בלבד.
אתר נט2יו אינו טוען לבעלות או לזכויות יוצרים על התכנים, אלא רק מצביע עליהם בצורה נוחה ומרוכזת, וכן מקשר אל האתר המקורי, עם המאמרים המלאים.
אם למרות האמור לעיל, נתקלת בחשש להפרת זכויות יוצרים, או שתוכן מסויים באתר אינו לרוחך, אנא דווח לנו באמצעות טופס יצירת הקשר ונורידו בהקדם האפשרי מהאתר.