بخشی از مقاله
بررسی اندر کنش خاک-فونداسیون در نرمافزار ABAQUS
چکیده:
در طراحی سازه های متعارف معمولا از اثرات اندرکنش دینامیکی خاک-سازه صرف نظر می گردد. این موضوع برای سازه های سبک و زمین های سفت منطقی است. اما برای سازه های خاص، مثل آسمانخراش ها، بزرگراه های چند طبقه و نیروگاه های هسته ای ، این اثر برجسته و حساس است. همچنین، مسئله اندرکنش خاک و سازه به سازه های مجاور هم قابل تعمیم است. بررسی رفتار خاک روی فونداسیون به حدی است که لحاظ نکردن اثر آن از نگاه مهندسی با حاشیه ایمنی پایین در طراحی فونداسیونها همراه خواهد بود، به عبارت دیگر خاک با خصوصیات مختلف، رفتاری متفاوت خواهد داشت که این رفتار بر طراحی فونداسیونها نیز اثرگذار خواهد بود. امروزه با وجود نرمافزارها با رویکرد تحلیل اجزاء محدود و قدرت مدلسازی در این نرمافزارها، زمینه تحقیق و بررسی مدلهای مختلف به شکل منطقی و واقعگرایانه میسر شده است. و یکی از مهمترین موضوعات در طرح بهسازی لرزهای سازه ها فونداسیون است. بررسی پاسخ توأمان روسازه-فونداسیون-خاک عمدتا کاری مشکل، زمانبر و به علت نبود اطلاعات در سایر مواقع پرهزینه است. از این رو ابتدا روسازه تحلیل شده و پاسخ آن به فونداسیون اعمال میشود. در این تحقیق اثر اندرکنش خاک-فونداسیون به صورت آنالیز استاتیکی خطی در حالتهای متفاوت توسط نرمافزار ABAQUS مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: اندرکنش خاک و فونداسیون- روش آنالیز المان محدود- آنالیز استاتیکی خطی- نرمافزار ABAQUS
مقدمه:
در بسیاری از مسائل روزمره تحلیل سازه اعم از دینامیکی و استاتیکی فرض بر این است که فونداسیون صلب بوده و با خاک زیر آن یکپارچه عمل میکند. از اواخر قرن نوزدهم محققین بسیاری برآن شدند تا تاثیر اندرکنش را در رفتار خاک و سازه لحاظ کنند. یکی از مسائل مهم در این حوزه عکسالعمل مابین خاک و فونداسیون است. به علت پیچیدگی موضوع، توسعه معادلات حاکم بر اندرکنش همواره با فرضیات ساده کنندهای همراه بوده که از مهمترین آنها میتوان به رفتار فنر گون خاک اشاره کرد. این نظریه اولین بار در سال 1860 توسط وینکلر و با حل معادلات تیر یا صفحه بر بستر الاستیک ارائه شد. در این روش خاک زیر پی در محدوده سطح اتکای پی، با فنرهای مستقل محوری جایگزین میگردد. در حالت کلی، پاسخ دینامیکی سازه متأثر از حرکت لایههای خاک زیرین و از طرف دیگر، پاسخ یا رفتار تنش-تغییر شکل لایههای خاک زیرین، تحت ثیرتأ حرکت سازه است. این پدیده اصطلاحاً به اندرکنش خاک-سازه مشهور است. با توجه به عواول مختلفی چون مشخصات مکانیکی زمین، اثرات اندرکنش خاک-سازه با اهمیت یا قابل صرفنظر کردن است. در خاکهای سست، این اثرات از اهمیت قابل توجهی برخوردار است که منجر به تغییر در نیروهای داخلی اجزاء سازه، نسبت به حالتی که از اثر اندرکنش صرفنظر میشود، خواهد شد. در این خصوص، مطالعات گستردهای در ادبیات فنی موجود است که تفاوت اساسی آنها در چگونگی ایدهآلسازی هندسی و رفتاری خاک زیرین است. [3]، [5]
طبقهبندی روشهای اندرکنش خاک-سازه:
روشهای معمول برای تحلیلهای اندرکنش خاک-سازه به دو روش کلی مستقیم و زیر سازه طبقهبندی میشوند که در ادامه هر یک به تفکیک تشریح میشوند.
در روش مستقیم (Direct Method)، سازه، پی و خاک همه با هم مدل میشوند و تحلیل در یک گام صورت میپذیرد. در این حالت به دلیل اینکه فرضیه جمع آثار قوا لازم نمیباشد، امکان انجام آنالیزهای غیر خطی میسر میگردد. در این روش، عمماً سازه و قسمتهای اصلی خاک به وسیله روش اجزاء محدود مدل شده و با یکدیگر تحلیل میشوند و حرکت میدان آزاد خاک در مرزها اعمال میشود. همچنین در این روش امکان در نظر گرفتن رفتار غیر خطی خاک نیز وجود دارد.
روش زیر سازه (Sub Structure Method)، متداول ترین روش حل مسائل اندرکنش خاک-سازه است. در این روش، مسئله اندرکنش خاک-سازه به یک سری زیر مسأله سادهتر و مجزای از یکدیگر تفکیک میشود و هر زیر مسأله با مناسبترین روش تحلیل میشود و سپس نتایج حاصله، با استفاده از اصل جمع آثار قوا، با هم ترکیب میشوند. با توجه به اینکه روش زیر سازه، یک روش تحلیل اندرکنش خاک-سازه است، فرض رفتار خطی برای سازه و خاک الزامی میگردد. اخیراً روشی به نام هیبرید (Hybrid Method) نیز برای تحلیل اندرکنش خاک-سازه ابداع شده که در این روش سازه و ناحیه نزدیک خاک با هم و ناحیه دور خاک در مرحله بعد مدلسازی شده و اثر ناحیه دور در نظر گرفته میشود. [4]
رفتار خاک:
ارزیابی رفتار خاک در سطح زمین: در حوضه مکانیک کلاسیک، رفتار الاستیک، (خطی یا غیر خطی) به تغییر شکلهای برگشتپذیر اطلاق میشود ولی به علت خصوصیات پیچیده خاک و با الهام از قانون هوک مقاومت مصالح، در حوزه مهندسی ژئوتکنیک تعریف جداگانهای شکل گرفته بطوریکه رفتار خاک در محدوده تغییر شکلهای کوچیک الاستیک فرض میگردد. برای درک بهتر موضوع در دو حالت خاک دارای چسبندگی و فاقد چسبندگی با استفاده از دو مدل رفتاری موهر-کولمب نشان داده شده در شکل 1، یک رفتار الاستیک-پلاستیک کامل برای خاک متصور است یعنی زیر پوش گسیختگی رفتار الاستیک و خارج از آن پلاستیک است.
شکل 1، مدل موهر-کلومب در محیط محورهای -
خاک دارای چسبندگی: همانگونه که در شکل (1) پیداست رفتار خاک وابسته به سطح تنش است. در سطح زمین و خارج از سطح اتکاء فونداسیون اگر سربار موجود صفر باشد خاک تنها تا رسیدن به خد چسبندگی رفتار الاستیک از خود نشان میدهد. در محدوده سطح اتکاء، رفتار خاک به الگوی توزیع تنش وابسته بوده لذا انتظار رفتار الاستیک، تا حد زیادی تابع نوع بارگذاری است.
خاک فاقد چسبندگی: در سطح زمین و خارج از سطح اتکاء، اگر سربار موجود صفر باشد رفتار الاستیک خاک منتفی است. از طرفی وجود تخلخل در خاک موجب تراکم پذیری یا قابلیت تورم در خاک میشود لذا تعیین مرز رفتار الاستیک و پلاستیک میبایستی با تئوری مکانیک محیطهای متخلخل صورت پذیرد. مدل کلاهک نشان داده شده در شکل 2 تا حدود زیادی میتواند این موضوع را تبیین کند. [3]
شکل 2، مدل کلاهک (دراکر-پراگر توسعه یافته) در محیط محورهای t-p
عملکرد فونداسیونها در هنگام زلزله:
غالبا پیها در ساختگاههایی که پتانسیل جابجایی زمین در اثر گسلش، زمین لغزشها یا روانگرایی وجود ندارد، عملکرد خوبی دارند. گسلها در مواقعی که نیروهای وارد شده بر سنگهای سازنده پوسته زمین بیش از حد تحمل آنها باشد، بوجود میآیند. در صورت وجود گسل در ساختگاه مورد مطالعه، اطلاعات زیر ضروری است.
· درجه فعالیت گسل بر اساس سن آخرین حرکت گسل
· نوع گسل به صورت امتداد لغز، عادی، معکوس
· جهت حرکت گسل در ارتباط با هندسه و موقعیت ساختمان
· اندازه جابجاییهای قائم و افقی بر مبنای سطح خطر انتخابی برای زلزله
· طول و عرض منطقه خردشده گسلی
بررسیها بر اساس شواهد گسیختگیها در حین زلزله نشان میدهد که عوامل زیر به صورت جداگانه و سا توام میتواند باعث خرابی فونداسیونها گردد:
· مشکلات مربوط به مقاومت برشی: ناشی از اضافه برآورد مقاومت برشی، کاهش مقاومت برشی بر اثر وقوع روانگرایی و کاهش مقاومت رسهای حساس بر اثر وقوع زلزله میباشد.
· بارهای سازهای اضافی و شرایط اعمال تنش بیشتر حاصل از بارهای زلزله: بدین صورت که با اعمال بار جانبی حاصل از زلزله و تحمیل کشش و فشار بر پی، بارها و تنشهایی بیشتر بر پی اعمال میگردد که خود آنها میتواند باعث مشکلات توان باربری گردد.
· تغییرات در وضعیت سایت: بر اثر وقوع زلزله ممکن است سطح آب زیرزمینی و فشار آب منفذی تغییر کرده و جابجایی سطحی رخ دهد.
اثرات اندرکنش خاک-فونداسیون:
اثرات اندرکنش خاک-فونداسیون از انعطاف پذیری خاک زیر پی و ارتعاشات نسبی بین پی و سطح آزاد ناشی میشود. این اثرات به این حقیقت اشاره میکند که پاسخ یک سازه ساخته شده بر روی ساختگاه، به رابطه بین مشخصههای سازهای و خواص لایههای خاک زیرین و نیز مشخصههای حرکت میدان آزاد زمین بستگی دارد. در صورتی که سازه بر بستر نرم متکی باشد، حرکت پی معمولا با حرکت میدان آزاد اختلاف دارد و ممکن است شامل یک مولفه حرکت گهوارهای (Rocking)،بعلاوهیک مولفه حرکت جانبی یا نتقالینسبتبه حرکت میدان آزاد زمینباشد وتغییرات مهمی در ورودیلرزهای سازه رخ دهد. به منظور آنالیز دینامیکی یک سازه مرسوم است که زلزله ای که در میدان آزاد خاک ثبت شده است (یعنی حالتی که سازه احداث نشده و حفاری های مربوطه نیز انجام نگرفته است)، به پای سازه ثابت وارد می شود و تحلیل دینامیکی انجام م یگردد. البته این حالت وقتی صحیح است که سازه مربوطه بر روی یک خاک سخت بنا شده باشد، در غیر این صورت پاسخ سازه تحت اثر پدیده اندرکنش خاک سازه بسیار متفاوت خواهد بوداصولاً. اثر اندرکنش خاک سازه هنگامی اهمیت می یابد که سازه های حجیم یا سخت از قبیل راکتورهای اتمی یا سدها بر روی خاکنسبتًا نرم قرار گیرند. تأثیراتی که اندرکنش خاک سازه ایجاد می کند، به دو اثر اندرکنش سینماتیکی و اثر اندرکنش اینرسی تقسیم بندی می شوند. هنگامی که جرم پی و سازه در نظر گرفته نشود، به دلیل صلبیت پی سازه نسبت به خاک و عدم قابلیت تطابق خاک با حرکت میدان آزاد، پی سازه میانگینی از حرکت میدان آزاد خاک را تجربه می کند که به این حرکت تغییر یافته، تحریک ورودی به پی می گویند. این اثر را که جدا از جرم پی و سازه می باشد، اندرکنش سینماتیکی می نامند. با وجود جرم سازه و پی، ارتعاش سازه و نیروی اینرسی ناشی از آن باعث ایجاد حرکت جدیدی در پی خواهد شد که این اثر را اندرکنش اینرسی می نامند. این دو اثر باعث می گردند که حرکت پی در هنگام زلزلهکاملاً متفاوت از پاسخ ناشی از حرکت میدان آزاد خاک شود مطالعات نشان می دهد که اثر اندرکنش اینرسی دارای اهمیت بیشتری نسبت به اندرکنش سینماتیکی می باشد.
شکل 3، مثالی برای توضیح اندرکنش سینماتیکی و اندرکنش اینرسی
به منظور روشن شدن اندرکنش سینماتیکی و اندرکنش اینرسی به صورت کیفی، مثالی درشکل 3 آورده شده است. فرض کنید که امواجی که به این قایق می رسد، تحریک میدان آزاد میباشد، بنابراین قایق نماینده پی و شخص ایستاده در آن نماینده سازه خواهد بود. قایق نوسانی به اندازه میانگینی از امواج رسیده به بدنه خود خواهد داشت و در اثر نوسان قایق، شخص داخل آن نیز نوسان میکند. تا این قسمت، نوسانات ایجاد شده همان اثر سینماتیکی (KI) است و مشابه تحریک ورودی به پی می باشد. اما کار به اینجا ختم نمیشود. وقتی که شخص داخل قایق نوسان میکند، به علت جرم خود و در اثر قانون اول نیوتون، به هر طرفی که میرود، در انتهای نوسان خود ضربه ای وارد میکند که خود آن ضربه باعث تغییر نوسانات ایجاد شده میگردد. این بخش از نوسانات همان اثر اینرسی (II) میباشد. [2]
مشخصات ابعاد خاک و فونداسیون:
خاک: قطعه زمین به طول و عرض 100 70 متر و با ضخامت 20 متر.
فونداسیون: پی گسترده با ابعاد 20 14 متر و با ضخامت 1 متر.
مشخصات مصالح:
:
مدلی با شرایط، 10 تن بار اعمال شده به فونداسیون به صورت Pressure و در صورتیکه مدل خاک روی بستر سنگ واقع شده است و با در نظر گرفتن اندرکنش بین خاک و فونداسیون. [1]
شکل 4، کانتور تنش
شکل 5، کانتور جابجایی کلی
