ارائه مدل سه درجه آزادي براي بررسي تاثير پارامترهاي جرمي بر زمان تناوب طولي پل‌هاي داراي جداگر لرزه‌اي

Presentation of the Three Degree of Freedom Model to Study the Effect of Mass Parameters on the Longitudinal Period of Base Isolated Bridges

جرم زير سازه مولفه مهمي است كه بر روي زمان تناوب و در نتيجه نيروها و جابجايي‌هاي پل‌هاي داراي جداگر لرزه‌اي اثر مي‌گذارد. در حاليكه برخي آيين‌نامه‌هاي طراحي مانند آئين‌نامه آشتو، در روش ساده شده تحليل، اين جرم را ناديده گرفته‌اند. جرم زير سازه از چهار مولفه جرم پايه‌ها، جرم تير سر ستون، ممان اينرسي دوراني پايه‌ها، و ممان اينرسي دوراني تير سر ستون تشكيل شده‌است. در مقاله حاضر اثر مولفه‌هاي جرم زير سازه بر روي زمان تناوب طولي پل‌هاي داراي جداگر لرزه‌اي بررسي شده‌است. بدين منظور مدل تحليلي سه درجه آزادي پل داراي جداگر لرزه‌اي در جهت طولي و محاسبات زمان تناوب طولي در چهار حالت دقيق، با ناديده گرفتن ممان اينرسي دوراني، با ناديده گرفتن جرم تير سرستون و در آخر با ناديده گرفتن كل مولفه‌هاي جرم زير سازه (مدل پيشنهادي آئين نامه آشتو) ارائه شد. صحت سنجي مدل تحليلي ارائه شده در حالت دقيق، از طريق مقايسه با مدل اجزا محدود انجام شد. نتايج نشان داد ممان اينرسي دوراني زير سازه تاثيري بر روي زمان تناوب طولي ندارد، در حاليكه تاثير جرم تير سر ستون در پل‌هاي جداسازي شده با پايه‌هاي بلند قابل ملاحظه بوده و ناديده گرفتن آن منجر به ايجاد 8% خطا در زمان تناوب طولي پل‌هاي نامبرده مي‌گردد. همچنين نتايج نشان داد روش‌هاي ساده شده‌اي كه كل جرم زير سازه را ناديده مي‌گيرند، مشابه روش بكار گرفته شده در آئين نامه آشتو، در برخي پل‌ها نتايج دقيقي ندارد و هرچه نسبت سختي جداگر لرزه‌اي به سختي زير سازه افزايش مي‌يابد، خطاي اين روش‌ها در تخمين زمان تناوب افزايش يافته‌ و به 15% رسيده‌است

The effects of mass parameters on the natural vibration period of the isolated bridges is discussable. Herein the substructure mass parameters have the special importance, because of the disagreement of different researchers about it. Whereas some bridge design codes such as AASHTO guide specification, ignore substructure mass in the simplified analysis method. This paper investigates the effects of substructure mass components on the longitudinal period of the base isolated bridges. These components include: pier mass, cap beam mass, pier rotational moments of inertia, and cap beam rotational moments of inertia. For this purpose, a three degree of freedom analytical model of isolated bridge in longitudinal direction is proposed and the natural vibration period of this model is calculated in four cases: (1) exact solution, (2) by ignoring the rotational moments of inertia, (3) by ignoring the cap beam mass, and (4) by ignoring the pier and cap beam mass (AASHTO model). The results showed the good conformity between the periods obtained from exact analytical models and those obtained from finite element models. The results also showed that the substructure rotational moments of inertia aren’t a determinative parameter in the calculation of the first longitudinal period; while the cap beam mass have a significant impact on the longitudinal period of base isolated bridges with tall piers or stiff isolators. The ignorance of cap beam mass caused 8% error in the period of such isolated bridges. So the simplified method of AASHTO guide specification isn't applicable in some bridges and may cause more than 10% error. By increasing the stiffness ratio of the isolator to the substructure, the error of AASHTO model in determining the vibration period increases.