مصالح و سازه های بتنی

مصالح و سازه های بتنی

تاثیر الیاف پلی‌پروپیلن بر عملکرد لرزه‌ای درزه‌های طولی در پوشش سگمنتال تونل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، ایران.
2 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی اهل بیت (ع)، ایران.
3 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه بین المللی اهل بیت (ع)، تهران، ایران
چکیده
این پژوهش به بررسی تأثیر الیاف پلی‌پروپیلن بر عملکرد لرزه‌ای درزه‌های طولی پوشش سگمنتال تونل‌ها پرداخته است. تونل‌ها به عنوان زیرساخت‌های حیاتی شهری در معرض خطرات لرزه‌ای قرار دارند و ضعف در نواحی درزه می‌تواند پایداری کلی سازه را تحت تأثیر قرار دهد. در این مطالعه، مدل رفتاری بتن مسلح به الیاف بر پایه داده‌های آزمایشگاهی معتبرسازی شد و سپس رفتار پوشش سگمنتال تحت رکوردهای مختلف زلزله از طریق تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی ارزیابی گردید. به منظور بررسی اثر میزان الیاف، سه نسبت حجمی مختلف شامل 0.7، ۱ و 1.5 درصد برای الیاف پلی‌پروپیلن در مدل‌سازی در نظر گرفته شده و پاسخ لرزه‌ای درزه‌های طولی بر اساس پارامترهای تنش، جابجایی و منحنی‌های لنگر- نیرو تحلیل شده است. نتایج نشان داد که افزودن الیاف پلی‌پروپیلن، به‌ویژه در نسبت حجمی 1.5 درصد، موجب بهبود قابل توجه مقاومت نرمال و برشی در درزه‌ها، کاهش جابجایی‌های بحرانی و افزایش شکل‌پذیری سازه گردیده است. همچنین، مقایسه نتایج عددی با روابط تحلیلی آیین‌نامه ACI و داده‌های آزمایشگاهی معتبر، انطباق قابل قبولی را نشان داده و اعتبار نتایج را تأیید کرده است. در مجموع، استفاده از 5/1 درصد الیاف پلی‌پروپیلن می‌تواند به عنوان راهکاری عملی برای افزایش ایمنی و پایداری تونل‌های سگمنتال در مناطق لرزه‌خیز پیشنهاد گردد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Effect of Polypropylene Fibers on the Seismic Performance of Longitudinal Joints in Segmental Tunnel Linings

نویسندگان English

Ata Hojat Kashani 1
Mehdi Shalchi Tousi 2
Payam Tarighi 3
1 Department of Civil Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Department of Civil Engineering, Ahlul Bayt International University, Tehran, Iran.
3 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Ahlul Bayt International University, Tehran, Iran.
چکیده English

This study examines the effect of polypropylene fibers on the seismic performance of longitudinal joints in segmental tunnel linings. Tunnels, as vital components of urban infrastructure, are highly vulnerable to seismic hazards, and weaknesses in joint regions can compromise overall stability. In this research, the fiber-reinforced concrete behavior model was validated using experimental data, and nonlinear time-history analyses were conducted to evaluate the seismic response of the lining under multiple earthquake records. Three volumetric ratios of polypropylene fibers (0.7%, 1%, and 1.5%) were considered, and the longitudinal joint behavior was assessed in terms of stress, displacement, and moment–axial force interactions. The results revealed that the inclusion of 1.5% polypropylene fibers significantly enhances normal and shear strength, reduces critical displacements, and improves structural ductility. Moreover, the numerical findings showed good agreement with both the analytical relations provided by the ACI code and validated experimental data, confirming the reliability of the model. Overall, incorporating 1.5% polypropylene fibers can be proposed as a practical solution for improving the seismic safety and durability of segmental tunnel linings in earthquake-prone regions.

کلیدواژه‌ها English

structure of tunnel
segment cover
dynamic loads
fibers
tunnel lining
concrete damage model
[1] Dowding, C.H. & Rosen, A. (1978). "Damage to rock tunnels from earthquake shaking" Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 104(GT2), pp.175–191.
[2] Okamoto, S. (1984). "Introduction to Earthquake Engineering" University of Tokyo Press.
[3] Owen, G.N. & Scholl, R.E. (1981). "Earthquake engineering of large underground structures" FHWA/RD-80/195.
[4] Sharma, S. & Judd, W.R., (1991). "Underground openings and earthquakes" Tunnelling and Underground Space Technology, 6(3), pp.177–193.
[5] Wang, J.N. (2001). "Seismic design of tunnels: A simple state-of-the-art design approach" Parsons Brinckerhoff.
[6] Hashash, Y.M.A., Hook, J.J. & Schmidt, B. (2001). "Seismic design and analysis of underground structures" Tunnelling and Underground Space Technology, 16.
[7] Hashash, Y.M.A. & Romero-Arduz, M.I. (2014). "Seismic design of tunnels" Encyclopedia of Earthquake Engineering, Springer, pp.1–29.
[8] Monier, J. (1867). "Patent for iron-reinforced concrete troughs" France Patent, July 16.
[9] Plizzari, G. & Mindess, S. (20xx) "Fiber-reinforced concrete".
[10] Varzavand, S. (1987). "The Study of Steel Fiber Reinforced Concrete" MSc thesis. University of Northern Iowa.
[11] Shah, S.P. & Rangan, B.V. (1970). "Effect of reinforcement on ductility of concrete" Journal of Structural Engineering, 96(ST6), pp.1167–1184.
[12] Labib, W.A. (2018). Fibre Reinforced Cement Composites. In: Cement Based Materials. DOI:10.5772/intechopen.75102.
[13] MDPI (2020). "Impact of fibres on the mechanical and durable behaviour of fibre‑reinforced concrete" Buildings, 12(9), Article 1436.
[14] MDPI (2022). "A review of the use of natural fibers in cement composites" Polymers, 14(10), Article 2043.
[15] Springer (2024). "Enhancing mechanical properties of fibre‑reinforced concrete" Discover Civil Engineering, 1, Article 88.
[16] Xin, C.-L. et al. (2019). "Shaking‑table tests on seismic behavior of polypropylene fiber reinforced concrete tunnel lining" Tunnelling and Underground Space Technology, 88, pp.1–15.
[17] An, D. et al. (2020). "Application of fiber‑reinforced concrete lining for fault‑crossing tunnels" Engineering, Construction and Architectural Management, 12(7).
[18] Guo, X. et al. (2024). "Seismic response of shield tunnel with double‑layer lining" Applied Sciences, 14(12), 5318.
[19] Zhang, S. et al. (2024). "Experimental investigation of seismic performance of PFRC tunnel members" KSCE Journal of Civil Engineering.
[20] Zhang, Z. et al. (2024). "Damage prediction for tunnel lining using FRC under train loading" Tunnelling and Underground Space Technology, 28(11), pp.2534–2574.
[21] Conforti, A., Tiberti, G. & Plizzari, G. (2017) "Precast tunnel segments reinforced by macro‑synthetic fibers" Tunnelling and Underground Space Technology, 63, pp.1–11.
[22] Linjie, K. et al. (2023). "Application prospect analysis of hybrid fiber for tunnel segments" International Journal of Infrastructure Research and Management, 11(2), pp.63–73.
[23] Wang, Z. et al. (2025). "Mechanical properties of steel fiber‑reinforced concrete tunnel secondary lining" Buildings, 15(14).
[24] Qiu, M. et al. (2020). "Effect of reinforcement ratio and fiber properties on UHPC tension behaviour" Construction and Building Materials, 256, 119311.
[25] JP, A.D.K. & Sakthieswaran, N. (2015). "Strength and stability of GGBS–red‑mud geopolymer concrete with hybrid fibres" Indian Concrete Journal, p.66.
[26] Fischer, O. (2015). "Soil–structure interaction in tunnel lining analyses" Geotechnik, 38(2), pp.134–145.
[27] CEN (2004) Eurocode 2: Design of Concrete Structures – Part 1‑1. European Committee for Standardization.
[28] Hsu, L.S. & Hsu, C.T. (1994). "Complete stress‑strain behavior of high‑strength concrete" Magazine of Concrete Research, 46(169), pp.301–312.
[29] Lubliner, J., Oliver, J., Oller, S. & Onate, E. (1989). "A plastic‑damage model for concrete" International Journal of Solids and Structures, 25(3), pp.299–326.
[30] Lee, J. & Fenves, G.L. (1998). "Plastic‑damage model for cyclic loading of concrete structures" Journal of Engineering Mechanics, 124(8), pp.892–900.
[31] Dassault Systèmes (2023). "ABAQUS Analysis User’s Manual" Version 2023.
[32] fib (2010). fib Model Code 2010. Vol. 1.
[33] AFTES (1999). "The design and sizing of precast concrete segments installed behind a TBM".
[34] Choi, Y. & Yuan, R.L. (2005). "Relationship between splitting tensile and compressive strength of GFRC and PFRC" Cement and Concrete Research, 35(8), pp.1587–1591.
[35] Chi, Y., et al., (2017). "Finite element modeling of steel-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete using modified concrete damaged plasticity". Engineering Structures, 148: p. 23-35.
[36] Sahel (1388) "Geology report of Karaj water transfer tunnel to Tehran", Piece K–BR.
[37] Group, I.C. (2004), UDEC Version 4.1 User's manual.
[38] Emadi, R. (2019) Von Mises. Available at: http://pinion.ir
[39] Koyama, Y. (2003) "Present status and technology of shield tunneling method in Japan" Tunnelling and Underground Space Technology, 18(2), pp.145–159.
[40] American Concrete Institute (2016) "ACI 544.7R‑16: Report on Design and Construction of Fiber‑Reinforced Concrete Elevated Slabs" Farmington Hills, MI: ACI.

  • تاریخ دریافت 13 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری 12 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش 25 بهمن 1404