عنوان پایان‌نامه
بررسی اثرات آتش سوزی برروی دیوارهای خاک مسلح ژئوسنتتیکی (بانگاه ویژه به کوله پلها)
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مکانیک خاک وپی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2362;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81332;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2362;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81332
- تاریخ دفاع
- ۱۸ اردیبهشت ۱۳۹۶
- دانشجو
- اکبر یاری وند
- چکیده
- در سال‌های اخیر استفاده از ژئوسنتتیک ها در پروژه‌های صنعتی، سدسازی، راهسازی، سازه هایی از قبیل دیوارهای نگهبان، بهسازی خاک و سایر پروژه‌ها که با خاک مرتبط هستند، افزایش یافته است. با وجود برخی مزایای این مصالح مصنوعی، خواص ژئوسنتتیک‌ها مانند مقاومت کششی، مدول کشسانی، سختی و ... تحت تأثیر دما و افزایش آن است و دما اثر بسیار چشمگیری بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی ژئوسنتتیک ها دارد. یکی از عواملی که می تواند باعث افزایش دما درون خاک ریز دیوارهای خاک مسلح ژئوسنتتیکی شده و خصوصیات مکانیکی این مصالح را تحت تأثیر قرار دهد، آتش سوزی است. تردد بالای وسایط نقلیه سنگین حمل مواد سوختی و آتش‌زا در جاده‌های درون‌شهری و برون‌شهری و آمار بالای تصادف و واژگونی این وسایل، احتمال ایجاد آتش سوزی در مجاورت سازه¬های خاک مسلح ژئوسنتتیکی، به خصوص، پایه‌های کناری پلها را افزایش می دهد. از طرفی، تخریب کلی و جزئی سازه های مرتبط با صنعت حمل‌ونقل در اثر آتش سوزی های بزرگ ناشی از آتش گرفتن وسایط نقلیه سنگین حمل مواد سوختی (تونل گریت بلت دانمارک، 1994؛ تونل چنل انگلستان، 1996؛ تونل مانش فرانسه، 1996؛ پل یونیون پاسیفیک آمریکا، 1993؛ پل ویهلتال آلمان، 2004؛ تبادل مک آرتور ماز در اوکلند کالیفرنیا، 2007؛ پل ناین مایل در دیترویت میشیگان، 2007) نشان می دهد، بررسی تأثیر آتش سوزی بر رفتار سازه های خاک مسلح ژئوسنتتیکی که نزدیک جاده ها ساخته می شوند، حائز اهمیت است. در این پژوهش به بررسی اثر آتش‌سوزی بر رفتار سازه های خاک مسلح ژئوسنتتیکی به صورت آزمایشگاهی و مطالعه عددی پرداخته شده است. کارهای آزمایشگاهی شامل تعداد 20 آزمایش افروزش در برابر شعله کوچک برای تعیین واکنش ژئوگریدهای پلی‌استر و پلی‌اتیلن با وزن مخصوص بالا در برابر آتش، تعداد 75 آزمایش کشش ژئوگریدهای مذکور در دماهای بالا تا دمای 140 درجه سلسیوس (مطابق با استاندارد ASTM-D6637 و کشش با نرخ کرنش 10% بر دقیقه) برای بررسی اثر افزایش دما بر روی خواص مکانیکی ژئوگریدها و تعداد 7 آزمایش های مقاومت در برابر آتش بر روی مدل آزمایشگاهی سازه های خاک مسلح در دو حالت کلی، با نمای دور پیچ و با نمای بلوک¬های بتنی و باهدف تعیین میزان نفوذ حرارت به درون خاک‌ریز و همچنین کالیبره کردن مدل عددی برای انجام مطالعات پارامتریک، هستند. در آزمایش های مقاومت در برابر آتش، از منحنی استاندارد آتش هیدروکربنی (استاندارد یورو کد 1) بازمان 120 دقیقه در فاز داغ و با بیشینه دمای 1100 درجه سلسیوس، استفاده شد. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش¬های افروزش در برابر شعله و همچنین نتایج آزمایشهای مقاومت در برابر آتش، مشخص شد دیوارهای خاک مسلح ژئوگریدی با نمای دور پیچ به شدت در برابر آتش سوزی آسیب‌پذیر هستند و با از بین رفتن ژئوگریدها در هنگام آتش سوزی، خطر تخریب آن‌ها به صورت پیش‌رونده وجود دارد. بیشینه دمای 177 درجه سلسیوس پشت بلوک های بتنی با ضخامت 15 سانتیمتر ثبت شد که 185 دقیقه پس از خاموش شدن آتش رخ داد. برای بلوک¬های بتنی با ضخامت 20 سانتیمتر، این مقدار 92 درجه سلسیوس بود. بر اساس نتایج آزمایشهای کشش ژئوگریدها در دماهای بالا، نرخ کاهش مقاومت ژئوگرید پلی استر تا دمای 80 درجه سلسیوس، حدود 28/0- درصد بر درجه سلسیوس و از دمای 80 درجه سلسیوس به بالا، به 46/0- درصد بر درجه سلسیوس است. نرخ کاهش مقاومت کششی ژئوگرید پلی اتیلن با وزن مخصوص بالا تا دمای 60 درجه سلسیوس، حدود 79/0- درصد بر درجه سلسیوس و از دمای 60 درجه به بالا به مقدار 09/1- درصد بر درجه سلسیوس به دست آمد. در این پژوهش با استفاده از روش اجزای محدود (نرم افزار ABAQUS)، تعداد 127 تحلیل کرنش مسطح برای مطالعه پارامتریک اثر آتش سوزی هیدروکربنی بر رفتار پایه های کناری پل ژئوگریدی با نمای بلوک های بتنی و دیوارهای خاک مسلح ژئوسنتتیکی با نمای قطعات بتنی مجزا انجام شد. در مدل های عددی، برای خاک‌ریز از مدل رفتاری الاستیک- پلاستیک موهر کلمب با قانون جریان غیر وابسته، برای ژئوگریدها از مدل رفتاری الاستیک- پلاستیک وابسته به دما با رفتار سخت شوندگی (مدل کلاسیک خمیری فلزات) و برای بلوک های بتنی نما و فونداسیون روی دیوار از مدل الاستیک وابسته به دما استفاده شد. اعتبارسنجی مدل عددی، با استفاده از نتایج به‌دست‌آمده از یک آزمایش تمام‌مقیاس انجام‌گرفته در گروه ژئوتکنیک کالج نظامی سلطنتی کانادا (RMC) انجام شد. کالیبراسیون رفتار وابسته به دمای ژئوگریدها و خصوصیات حرارتی خاک‌ریز و بلوک های بتنی نما، با استفاده از نتایج آزمایش های کشش ژئوگریدها در دماهای بالا و آزمایش های مقاومت در برابر آتش انجام شد و تطابق بسیار خوبی بین نتایج مدل های عددی بکار برده شده و نتایج آزمایش ها مشاهده شد. نتایج مطالعات پارامتریک نشان داد، آتش سوزی باعث افزایش دمای درون خاک‌ریز مسلح شده و با توجه به کاهش مدول کشسانی و مقاومت کششی ژئوگریدها، تغییر شکل های دیوار و فونداسیون مستقر بر آن افزایش می یابد. با افزایش زمان آتش سوزی و فشار فونداسیون، اضافه تغییر شکل جانبی دیوار و اضافه تغییر شکل جانبی و قائم فونداسیون مستقر بر آن افزایش می یابند. نتایج نشان دادند، عمق تحت تأثیر آتش سوزی درون خاک‌ریز در حدود 50 سانتیمتر است. در این ناحیه، با فاصله گرفتن از بلوک های نما، دما به صورت غیر خطی کاهش می یابد. بر اساس نتایج، ضخامت بلوک های نما نقش بسیار مهمی در انتقال حرارت به درون سازه خاک مسلح دارد. با افزایش ضخامت بلوک های نما از 20 سانتیمتر به 28 سانتیمتر، بیشینه دمای رخ‌داده درون خاک‌ریز حدود 38 درصد کاهش پیدا می‌کند. اضافه تغییر شکل جانبی نما و نشست خاک رویه یک پایه کناری خاک مسلح با بلوک های مدولار نما با ضخامت 20 سانتیمتر نسبت به بلوک های با ضخامت 28 سانتیمتر و در اثر آتش¬سوزی-هایی با زمان‌های تداوم 60، 180 و 300 دقیقه، به ترتیب، حدود 1.8، 2.2 و 3.4 برابر محاسبه شد. بر اساس نتایج حاصله، کاهش فاصله قائم لایه های ژئوگرید و یا افزایش سختی آن‌ها، باعث کاهش اضافه تغییر شکل جانبی نما و نشست خاک رویه به میزان حدود 25 درصد می شود. با توجه به ضخامت کم نمای بتنی دیوارهای خاک مسلح ژئوسنتتیکی با قطعات نمای مجزا، در آتش سوزی هایی بازمان تداوم بالاتر از 90 دقیقه، دمای محل اتصال ژئوگرید به قطعات نما از دمای ذوب ژئوگرید پلی‌اتیلن با وزن مخصوص بالا بالاتر می رود و پس از ذوب شدن ژئوگرید، تغییر شکل های سازه به صورت ناگهانی افزایش می یابند.با توجه به نتایج این پژوهش، آتش سوزی را باید به عنوان یکی از عوامل تأثیرگذار بر رفتار سازه های خاک مسلح ژئوسنتتیکی، به خصوص پایه‌های کناری پلها که بیشتر در معرض آتش سوزی هستند، تعریف کرد که تا به حال مورد توجه واقع نشده است.
- Abstract
- In recent years, the use of geosynthetics has increased in industrial projects, damming, road construction, and structures such as retaining walls, soil improvement, and other related projects. Despite some of the benefits of this artificial material, the properties of geosynthetics such as tensile strength, elastic modulus, and hardness are under the influence of temperature and its increase, and temperature has a very significant effect on the physical and mechanical properties of geosynthetics. The fire is one of the factors that can increase the temperature inside the backfill of the geosynthetic reinforced soil walls and affect the mechanical properties of these materials. The traffic of heavy vehicles carrying fuel in intercity and suburban roads and high accident rates and overturns of these devices increases the likelihood of a fire near geosynthetic-reinforced soil structures (GRS), especially the abutments of the bridges. On the other hand, the general and partial collapse of structures related to the transport industry due to the large fire caused by heavy fuel vehicles accidents (Great Belt Tunnel, Denmark, 1994; Chanel tunnel, England, 1996; French Mann tunnel; 1996; Union Pacific bridge, USA, 1993; Wiehltal Bridge, Germany, 2004; McArthur Maze Exchanges in Auckland, California; 2007; Nine Mile Road Bridge, Detroit, Michigan, 2007), show that the study of the effects of fire on the behavior of GRS structures that are built near the roads is an important issue. In this study, the effects of fire on the behavior of geosynthetic reinforced soil structures have been investigated using experimental tests and numerical methods. Laboratory work consists of 20 Single-flame source tests to determine the reaction of polyesters (PET) and high-density polyethylene geogrids (HDPE) against fire, 75 elevated temperature tensile testing on PET and HDPE geogrids at high temperatures up to 140 degrees Celsius (in accordance with ASTM-D6637 and strain rate of 10% per minute) to study the effect of temperature increase on the mechanical properties of geogrids, and 7 fire resistance tests on the physical model of reinforced soil structures in two general conditions, with a wrapped-around facing and with modular concrete blocks facing to determine temperature distribution in a geosynthetic reinforced soil structures and to define the thermal characteristics of the facing and backfill for calibration of the numerical models for parametric studies. In fire resistance tests, the standard hydrocarbon fire curve (Euro code 1) was used for 120 minutes in hot phase and with a maximum temperature of 1100 ° C. With regard to the results of the Single-flame source tests and fire resistance tests, it was found that the GRS structures with a wrapped-around facing are highly vulnerable to the fire and after the loss of the geogrids, they may be degraded progressively. The maximum temperature of 177 °C was recorded behind concrete blocks with a thickness of 15cm, which occurred 185 minutes after the fire extinguished. For concrete blocks with a thickness of 20 cm, this value was 92 degrees Celsius. Based on the results of elevated temperature tensile testing at high temperatures, for the PET geogrid, the reduction rate for ultimate tensile strength was 0.28%/°C when the temperature increased from 20 °C to 80 °C, and above 80 °C, this value was 0.46%/°C. For the HDPE geogrid, the reduction rate for ultimate tensile strength was 0.79%/°C when the temperature increased from 20 °C to 60 °C, and above 60 °C, this value was 1.09%/°C. In this study using finite element (FE) analysis (ABAQUS software), 127 plane strain coupled temperature-displacement transient thermal analyses were carried out to study the performance of modular block facing GRS bridge abutments and mechanically stabilized earth (MSE) wall with Segmental Panels subjected to hydrocarbon fire scenario. The soil was modeled as an elastic plastic material using the Mohr-Coulomb plasticity model with a non-associated flow rule. The elastic model was used to simulate the modular blocks and bridge seat (sill) and an elastic-plastic temperature-dependent model, which includes material hardening and failure, was used to simulate the behavior of the geogrids. This temperature-dependent model was comprised of nonlinear stress-strain behavior, referred to in ABAQUS as classical metal plasticity model. Validation of the numerical model was carried out using the results of a full-scale experiment conducted in the Geotechnical Department of the Royal Military College of Canada (RMC). The calibration of the temperature-dependent behavior of the geogrids and the thermal properties of the soil backfill and concrete blocks were carried out using the results of tensile strength tests at elevated temperatures and fire resistance tests and a very good agreement was observed between the results of the numerical models and experiments. Based on this study, it was found that fire could lead to elevated temperatures within the soil backfill (as expected), reducing the tensile strength and elasticity modulus of the geosynthetic and causing higher deformation in the facing and bridge seat. This study also showed that sill pressure and fire duration affect the performance of GRS bridge abutments. The facing deformation, vertical and lateral displacement of the bridge seat increase with increases in sill pressure and fire duration. The results showed that the depth within the soil backfill affected by a fire is about 50 cm behind the modular block facing. In this area, the temperature within the soil backfill decreases in a nonlinear manner as the facing becomes more distant. Based on the findings, the width of blocks is an important factor, which can affect the heat transfer into the backfill. By increasing the thickness of the facade blocks from 20 centimeters to 28 centimeters, the maximum incident temperature within the backfill is reduced by about 38%. The results showed, for modular blocks with a thickness of 20 cm compared to the blocks with a thickness of 28 cm and for fire durations 60, 180 and 300 min, the additional lateral deformation of the facing and settlement of the soil behind it, will increase about 1.8, 2.2 and 3.4 timesو respectively. Based on the results, reducing the vertical distance between the geogrid layers or increasing their hardness reduce the additional lateral facade deformation and the soil settlement by about 25 percent. Due to the low thickness of concrete panels of MSE walls with segmental panels, in fires with a duration more than 90 minutes, at the junction of geogrids to the façade, HDPE geogrids melt and deformations of the structure increase suddenly. According to the findings of this study, the fire should be considered as one of the factors, which can influence the behavior of geosynthetic reinforced soil structures, especially bridge abutments that are more prone to fire and have not been considered so far. Keywords: Fire resistance; Geosynthetics; Reinforced soil; Bridge abutments; Finite elements; Simulation.
