بخشی از مقاله
چکیده
تحلیل عکسالعمل دینامیکی سازههایی که تحت بارهای بالقوه زلزله در پایه خود قرار دارند، یکی از وظایف اصلی مهندسی زلزله میباشد. در حالت کلی سازه با خاک اطراف خود در حال برهمکنش است. در سازههای متکی بر زمین صلب، حرکت پایه سازه در اثر زلزله، برابر همان حرکت میدان آزاد زمین میباشد. در عمل، سازه بر لایههای خاک انعطافپذیر واقعشده است. بنابراین خاک نیز باید بمانند سازه مدل شود. یک سا زه با تکیهگاه صلب و یک ساز ه با تکیهگاه انعطاف ف پذیر از این لحاظ با یکدیگر اختلاف دارند که ممکن است قسمت اصلی انرژی ارتعاشی بهوسیلهی تشعشع امواج و نیز توسط عمل هیسترزیس در خاک مستهلک شود. در آییننامهی 2800 خاک زیر سازه صلب فرض شده است و از اثرات اندرکنش خاک - سازه صرفنظر شده است. در این تحقیق سعی شده تا تأثیر اندرکنش خاک - سازه بر پاسخهای ارتعاشی برای قابهای خمشی بتنی بررسی شود و روشی بر پایهی المانهای محدود مطابق با ضوابط و پارامترهای آییننامهی 2800 ارائه شود. دقت روش ارائهشده با چهار روش دیگر مراجع مقایسه شده است. نتایج حاصل از تاریخچهی زمانی و تحلیل مودال بر روی سیستمهای معرفیشده در نمودارها و جداول ارائهشده است.
واژههای کلیدی: اندرکنش خاک-سازه، تکیهگاه انعطافپذیر، تکیهگاه صلب، پاسخ ارتعاشی سازه، روش المان محدود.
-1 مقدمه
تاکنون مطالعات گستردهای در مورد رفتار سیستمهای خاک- سازه در هنگام وقوع زلزله و اثرات اندرکنش خاک-سازه انجامگرفته است. اندرکنش خاک و سازه مساله ی بسیار مهم استخصوصاً برای سازههای سنگین و سخت که بر زمینهای انعطافپذیر ساختهشدهاند. این مساله پاسخهای سازه را تا حد قابلتوجهی تغییر میدهد؛ بنابراین تأثیرات این اندرکنش باید در پاسخهای دینامیکی سازه در نظر گرفته شود . - 1 - موضوع تحلیل و طراحی سازهها در برابر زلزله در مطالعات زیادی موردتحقیق و بررسی قرارگرفته است. در هنگام وقوع زلزله رفتار خاک زیر سازه نقش مهمی در پاسخ سازهایها میکند. در اغلب موارد، خاک مدل نمیشود و از تأثیرات مهم آن صرفنظر میشود. به علت نامحدود بودن محیط خاک، مدلسازی آن پیچیدگی بیشتری نسبت به مدلسازی سازه دارد. در سازههایی که تحت تأثیر زلزله قرارگرفتهاند علاوه بر نیروهای دینامیکی وارد و تنشهای ناشی از آن در سازه، پارامتر زمین و خاک به عبارت بهتر رفتار متقابل خاک و سازه، نقش انکارناپذیری بر عهده دارد و رفتار سیستم را به مقدار قابلتوجهی تحت تأثیر قرار میدهد. این امر باعث گردیده که این موضوع در سالهای اخیر موردتوجه محققان زیادی قرار گیرد. به نظر میرسد که این مطالعات از سال 1969 - 1970 سرعتی جهشی نسبت به سالهای قبل از آن به خود گرفته است و هماکنون نیز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. در این تحقیقات مدلهای مختلفی برای سازه، پی ساختمان و خاک در نظر گرفتهشده و از روشهای مختلفی برای تحلیل استفادهشده است. از سال 1962 تا 1967 هوسیه و لایسمر برای نخستین بار متوجه این مطلب شدند که میتوان رفتار پی سطحی و خاک را در حالت ارتعاش قائم بهمانند یک سیستمیک درجه آزادی مدل کرد. بهطوریکه دارای سختی و میرایی ثابت - غیر وابسته به فرکانس - باشد. پسازآن این روش سادهسازی به شبیهسازی لایسمر معروف شد و توسط ریچارت و ویتمن برای تمامی حرکات گسترشیافته است. سیوکوماران در سال 1990 پاسخ دینامیکی یک ساختمان چندطبقه و نامتقارن، با تأثیر اندرکنش خاک-سازه به دست آوردند. استروف و فیروزیان در سال 2000 یک روشی را با استفاده از روش المان محدود و روش المانهای مرزی ارائه نمودند. تریفوناک در ادامه تحقیقات خود در مورد اندرکنش خاک-سازه، این مسئله را هم به روش تحلیلی و هم به روش تجربی موردبررسی قراردادند. در این بررسی 56 ساختمان تحت 15 شتابنگاشت ایالت کالیفرنیا، مورد برسی قرار گرفتند. در سال 2003، یرلی و همکاران یک روش ترکیبی با استفاده از روش المانهای محدود و روش المانهای نامحدود ارائه نمودند. در این روش میدان نزدیک با استفاده از المانهای محدود و میدان دور با استفاده از المانهای نامحدود مدل شده است. شکیب و فولادگر در سال 2004 اثر اندرکنش خاک-سازه بر ساختمانهای نامتقارن را بررسی کردند. آنها اثر همزمان اندرکنش خاک-سازه و اثر نامتقارن بودن ساختمانها بر پاسخ سازه را موردبررسی قراردادند.
در این مطالعه سعی شده است تا با استفاده از المانهای فنر و میراگر وایتمن و ریچارد که به صورت یک جرم متمرکز و فنر در زیر سازه مدل می شود و با استفاده از روش المانهای محدود که موردتوجه بسیاری از محققان میباشد مدل ترکیبی اصلاحشدهای برای بررسی تأثیرات اندرکنش خاک و سازه ارائه شود. در ادامه تلاش شده است میزان تأثیرات اندرکنش خاک و سازه برسازههای بتنی واقع بر روی پیهای سطحی مطابق با ضوابط و پارامترهای آییننامهی 2800 بررسی شود.
-2 مدل خاک و سازه برای در نظر گرفتن اندرکنش خاک- سازه
یک مدل خاک در صورتی به شرایط طبیعی نزدیک میباشد که در آن سختیهای خاک، میرایی ماده، میرایی تشعشعی، کرنشهای غیرخطی و تغییرات خواص خاک در نظر گرفته شود. روشهای تحلیل اندرکنش خاک - سازه به سه دستهی روش مستقیم، روش زیر سازه و روش مختلط تقسیم میشوند. روش مستقیم اندرکنش خاک- سازه بهوسیله متد اجزای محدود انجام میشود و میتواند در محدوده وسیعی از مسائل به هندسههای مختلف اعمال شود. در این روش، سازه و قسمتی از خاک اطراف سازه مدفونشده، توسط المان محدود مدل شده و سپس باهم تحلیل میشوند. حرکت میدان آزاد خاک در مرزها به سیستم اعمال میشود. این روش دارای این برتری مهم است که قادر به در نظر گرفتن مشخصات غیر همگن خاک یا سنگ هست. تجربه نشان داده که این روش برای استفاده سازههای مدفون، سادهتر هست. روش مستقیم، اجازه گرفتن قوانین رفتاری غیرخطی خاک را نیز میدهد. غیرخطی بودن رفتار خاک به دلیل خصوصیات غیرخطی آن بهویژه سطح تماس خاک و سازه - لغزش و جداشدگی بر روی پی آن - هست. درروش مستقیم، عکسالعملهای سازه و خاک بهطور همزمان به دست میآیند. در این روش سازه میتواند خیلی بزرگی مدل گردد. روش زیر سازه دیگری که سیستم کلی خاک - سازه را به زیرسیستم تقسیم میکند، روش هیبرید هست که توسط گوپتا ابداعشده است. اولین زیرسیستم، موسوم به میدان نزدیک است که نهتنها سازه بلکه محدوده معینی از خاک اطراف سازه را نیز در برمیگیرد. دومین زیرسیستم، میدان دور که محدوده باقیمانده خاک نیمه بینهایت، در بیرون سطح تماس نیمکره را شامل میشود. این روش، بیشتر در تحلیل سهبعدی اندرکنش خاک - سازه بکار میرود و با استفاده از قدرت روش اجزای محدود، توانایی مدل کردن هندسه پیچیده پیهای نیمه مدفون و انعطافپذیر و همچنین فضای پیوسته را دارا هست. در این حالت امپدانس باید برای یک محیط پی نیمه بینهایت تعیین شود.
در مواردی که لایهبندی خاک در جهات افقی و عمودی قرارگرفته و بررسی رفتار غیرخطی خاک در تحلیل اندرکنش ضروری باشد، استفاده از مدل نیم بینهایت ارتجاعی امکانپذیر نیست و باید از روش عناصر محدود استفاده شود. در این روش میتوان علاوه بر در نظر گرفتن میرایی هندسی، مشابه مدل نیم بینهایت ارتجاعی، مدفونشدگی پی و لایهبندی خاک در جهات افقی و عمودی را بهراحتی در تحلیل دخالت داد. گرچه امکان تحلیل سهبعدی نیز در این روش امکانپذیر است، لیکن به علت حجم بالای محاسباتی این روش، آن را به صورت مدل دوبعدی معادل شبیهسازی میکنند شکل . - 1 - خصوصیات گرهها روی این مرزها که مرز اندرکنش نامیده میشوند نمایانگر خصوصیات مهم دامنهی نامحدود خاک در خارج از این مرزها میباشند.
شکل 1 مدل دوبعدی خاک درروش المان محدود
-3 مشخصات سازههای موردبررسی
برای طراحی قابهای بتنی مسطح، مشخصات مصالح برابر مقادیر جدول - 1 - فرض شده است:
در این مطالعه به بررسی سازههای بتنی با قاب خمشی متوسط پرداختهشده است و سعی شده از سازههای با ارتفاع کم، متوسط و زیاد در مدلها استفاده شود. همانطور که در شکل - 2 - نشان دادهشده است، سازههای موردمطالعه شامل 5 مدل میباشند که این مدلها دارای تعداد طبقات 4، 10، 15، 20 و 25 میباشند. قابها به صورت دوبعدی مدلسازی و موردمطالعه قرارگرفتهاند. ارتفاع طبقات این سازهها 3 متر میباشد و این مدلها به صورت قاب بتنآرمه با سیستم قاب خمشی متوسط آئیننامه زلزله 2800 ایران طراحیشدهاند. دهانهی قابها 5 متر انتخابشده است و در جهت عرضی، قابها بهاندازه 5 متر از هم فاصلهدارند. سیستم سقف به صورت تیرچهبلوک است و جهت تیر ریزی سقفها به صورت شکل - 3 - میباشد. بار
