بخشی از مقاله
چکیده
یکی از پرکاربردترین معیارهای طراحی سازه، تغییر شکل آن است. بر اساس آییننامههای طراحی ایران و جهان، برای بررسی این معیار از ضریبی به نام ضریب اصلاح جابجایی استفاده شده است تا با آن بتوان تغییر شکلهای الاستیک را به غیر الاستیک تبدیل نمود. اندرکنش سازه-خاک-سازه مانند اندرکنش خاک-سازه بر روی تغییر شکلهای سازه با تفاوت در مقدار، تأثیرات بسزایی میگذارد؛ اما در آییننامههای طراحی تنها اثرات اندرکنش خاک-سازه در پاسخ سازهها لحاظ میگردد. این مقاله قصد دارد تا اثرات اندرکنش سازه-خاک-سازه را بر روی ضریب اصلاح جابجایی بررسی کند و در ادامه، روابطی جهت تأثیر اندرکنش سازه-خاک-سازه بر جابجایی سازه ارائه دهد تا بدون مدلسازی سازههای مجاور یک سازه اصلی، بتوان تأثیرات این پدیده را بر سازه اصلی منظور نمود. برای این هدف، سازههای 2 تا 15 طبقه با فاصلههای صفر، 10 و 25 متری، بر روی خاک، در نرمافزار OpenSees مدل و با استفاده از یک مجموعه 8 تایی از رکوردهای زلزله، تحلیل شدهاند. خاک و سازه دارای رفتار غیرخطی هستند و خاک بهصورت یک محیط پیوسته مدلسازی شده است. بر اساس نتایج این پژوهش، با در نظرگیری حالت بحرانی، اندرکنش سازه-خاک-سازه نسبت به اندرکنش خاک-سازه، حداقل باعث افزایش 5 درصدی در جابجایی سازه میشود. حداکثر این مقدار افزایش برای سازه 15 طبقه برابر 70 درصد و برای پاسخ دریفت آن برابر 42 درصد است.
کلمات کلیدی: اندرکنش سازه-خاک-سازه، اندرکنش خاک-سازه، ضریب اصلاح جابجایی، رفتار غیرخطی.
-1 مقدمه
اندرکنش سازه- خاک- سازه یکی از پدیدههای نوظهور در علم مهندسی عمران به شمار میرود که در حقیقت تکمیلکننده اندرکنش خاک-سازه است. اندرکنش خاک-سازه به بررسی اثرات متقابل یک سازه و خاک پیرامون آن میپردازد درحالیکه اندرکنش سازه-خاک-سازه اثرات متقابل حداقل دو سازه و خاک اطرافشان را موردبررسی قرار میدهد. تفاوت رفتار این دو پدیده زمانی برجسته میشود که پس از عبور امواج زلزله از لایههای خاک و انتقال آنها به سازه، موجهای بازتاب شده از سازه علاوه بر خاک به سازههای مجاور هم گسیل پیدا میکند. با این توصیف، رفتار سازه در دو حالت اندرکنش سازه-خاک-سازه و خاک-سازه متفاوت خواهد بود.
بعد از معرفی اندرکنش سازه-خاک-سازه در سال 1969 میلادی، تحقیقات پیرامون این موضوع شروع شد - Lou, Wang, . - Chen, & Zhai, 2011 یکی از جنبههای موردنیاز برای واکاوی، بحث تغییر شکلهای سازه تحت اثر اندرکنش سازه-خاک-سازه بود. ازاینرو، در همان سالها، تحقیقاتی برای روشن کردن اثر این پدیده بر روی تغییر شکل سازه انجام گرفت - Kobori, Minal, page13. - & Kusakabe, 1973; Warburton, Richardson, & Webster, 1972 با توسعه روشهای عددی نظیر اجزای محدود و اجزای مرزی در مدلسازی خاک و سازه، لین و همکاران - Lin, Roesset, & Tassoulas, 1987 - در یک مطالعه پارامتریک به بررسی اثرات اندرکنش سازه-خاک-سازه بر پاسخ سازه با تمرکز بر روی دو مؤلفه فاصله و مدفونشدگی پرداختند.
در پژوهشهای اخیر، ترومبتا و همکاران - Trombetta et al., 2014, 2015 - ، با یک مدل آزمایشگاهی این پدیده را بررسی کردند. آنها سه سازه مختلف با ابعاد کوچک را تحت اثر آزمایش سانتریفیوژ قراردادند. طبق نتایج آنها، اندرکنش سازه-خاک-سازه باعث افزایش برش پایه و لنگر واژگونی گردید. در ادامه، قندیل و بهنامفر - Ghandil & Behnamfar, 2015; Ghandil, - Behnamfar, & Vafaeian, 2016، با ارائه یک روش جدید برای تحلیل عددی اندرکنش بین خاک و سازه و توسعه آن برای بهکارگیری در اندرکنش سازه-خاک-سازه، به واکاوی این پدیده پرداختند.
ضرایب طراحی لرزهای نظیر ضریب اصلاح تغییر شکل Cd و ضریب کاهش مقاومت R، یکی از کاربردیترین زمینههایی است که اندرکنش بین خاک و سازه، آن را دچار تغییراتی میکند. اثرات اندرکنش خاک-سازه بر این ضرایب در چندین پژوهش موردبررسی قرارگرفته است Abedi-Nik & Khoshnoudian, 2015; Avilés & Pérez-Rocha, 2005; Avilés & Pérez‐ - - Rocha, 2003؛ ولی این بحث درزمینه اندرکنش سازه-خاک-سازه توسعهای نیافته است. از سویی دیگر، آییننامهها و استاندارهای رایج نظیر - ASCE7 -10, 2010 - ASCE7 و - ASCE41 , 2013 - ASCE41، تنها اثر اندرکنش خاک-سازه را در مقادیر جابجایی لحاظ کردهاند.
با توجه به مطالب فوق و فقدان تأثیرپذیری ضریب اصلاح تغییر مکان Cd، تحت اندرکنش سازه-خاک-سازه، در این مقاله به بررسی آن پرداخته میشود. بر این اساس برای اثر دهی پدیده اندرکنش سازه-خاک-سازه در پاسخهای سازه، نیازی به مدلسازی سازههای مجاور و خاک آن نخواهد بود. در این مقاله روابطی جهت تعیین مقدار این ضریب بیان میشود.
-2 ضریب اصلاح جابجایی
ضریب اصلاح جابجایی Cd، نسبت مقدار حداکثر جابجایی نسبی غیر ارتجاعی به جابجایی الاستیک سازه است که برای محاسبه جابجایی الاستیک باید از نیروهای لرزهای معادل استاتیکی استفاده شود. تعریف دیگری از ضریب اصلاح جابجایی را هم میتوان بیان کرد و آن Cʽ است. Cʽ نسبت حداکثر دریفت بین طبقاتی در حالت غیر ارتجاعی به ارتجاعی برای یک رکورد زلزله میباشد . - Abedi-Nik & Khoshnoudian, 2015 -
دو روش کلی برای بیان اثرات اندرکنش خاک-سازه در جابجاییهای سازه در آییننامههای وجود دارد. درروش اول که یک روش سادهشده است، با در نظرگیری اندرکنش اینرسی خاک-سازه، تغییر مکانها اصلاحشدهاند. بر اساس ASCE7- -
که در این رابطه، δSSIx، V، Ve ، MO، hx، K و δx به ترتیب جابجایی سازه تحت اثر اندرکنش خاک-سازه، برش پایه، برش پایه کاهشیافته، لنگر واژگونی سازه، ارتفاع تراز موردنظر، سختی دورانی پی و جابجایی سازه حالت تکیهگاه صلب هستند.
پس از محاسبه تغییر مکان اصلاحشده، بایستی آن را در Cd مربوط به سیستم مهار جانبی مورد استفادهشده ضرب نمود. همانطور که قبلاً گفته شد، در این رابطه از اثرات اندرکنش حرکتی صرفنظر شده است که این خود باعث به وجود آمدن خطا میشود؛ زیرا اندرکنش حرکتی میتواند پاسخ سازه را کاهش دهد.
روش دوم برای در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک-سازه، پیچیدهتر از روش اول است. طبق - ASCE41, 2013 - ASCE41، برای این منظور باید خاک را بهصورت فنر و میراگر مدل نمود. روش تیر وینکلر یکی از پرکاربردترین روشها - Gajan, page12. - Raychowdhury, Hutchinson, Kutter, & Stewart, 2010; Harden, 2005 در این روش، خاک با فنرهای قائم - برای درجات آزادی قائم و خمشی - و افقی - برای در نظرگیری فشار جانبی و لغزش - مدل میشود. از طرفی برای لحاظ کردن میرایی تشعشعی خاک میراگرهای ویسکوز در این مدل گنجاندهشدهاند.
با توجه به اینکه در آییننامههای طراحی، از روش اول استفادهشده است، در این مقاله هم این روش، ملاک عمل خواهد بود. از طرفی دیگر در این پژوهش، برای بررسی ضریب اصلاح تغییر مکان، از نسبت دریفت بین طبقاتی در حالت اندرکنش سازه-خاک-سازه به سایر حالات - اندرکنش خاک-سازه و تکیهگاه صلب - استفادهشده است.
-3 اندرکنش سازه-خاک-سازه
همانطور که در بخشهای قبلی بیان شد، اندرکنش سازه-خاک-سازه مکمل اندرکنش خاک-سازه است. با وقوع زلزله، امواج آن از لایههای خاک عبور میکند و پس از استهلاک مقداری از آنها به علت میرایی خاک، بخش دیگری از آنها به پی سازه میرسد؛ که تا این قسمت اندرکنش، به آن اندرکنش حرکتی میگویند. پس از انتقال این امواج به سازه و بازتاب آن به خاک - که باعث افزایش تغییر شکل انتقالی و دورانی پی میگردد - ، بخشی از امواج به درون خاک برمیگردد و بهطور کامل مستهلک میشود، که این قسمت، اندرکنش اینرسی نامیده شده است - Wolf, 1985 - ؛ و بخش دیگری از آن از طریق خاک به سازههای مجاور منتقل میشود و مانند یک حلقه تکرار، دوباره این امواج بازتاب میشوند.
برای مدلسازی اندرکنش سازه-خاک-سازه، نیاز به استفاده از روش پیوسته و مستقیم است؛ چون در مدل وینکلر، اثرات سازههای مجاور در نظر گرفته نشده است. برای این منظور بایستی خاک را بهصورت المانهای کوچک متصلبههم با شرایطی که در ادامه بیان خواهد شد، مدل کرد.
برای مدلسازی خاک بهصورت شبکهبندی شده، بایستی ابعاد آن از رابطه - 2 - تعیین شود - Jeremic, Jie, Preisig, & . - Tafazzoli, 2009 این رابطه، تعیین ابعاد المانهای خاک را به طولموج امواج زلزله ارتباط میدهد.
در این رابطه، Vs، fmax، λmin و h به ترتیب سرعت موجبرشی خاک، حداکثر فرکانس تحریک زلزله، حداقل طولموج زلزله و بُعد المان خاک هستند.
پس از وقوع زلزله و انتقال امواج آن به سازه، دوباره این امواج به خاک بازتاب میشوند. امواج بازتاب شده به خاک، با عبور از آن و طی کردن فاصلهای معین، مستهلک میشوند. با توجه به اینکه این فاصله معین مقدار زیادی دارد، نمیتوان خاک را تا آن اندازه در نرمافزار مدل نمود؛ ازاینرو لازم است تا از مرزهایی مناسب جهت مستهلک کردن این امواج برگشتی استفاده کرد. در مورد انواع مرزهای جاذب امواج بحثهای مختلفی انجام شده است - Wolf, 1985 - اما در این متن به بیان مرزهای دارای میراگر ویسکوز پرداخته میشود . - Joyner & Chen, 1975 - برای در نظرگیری میرایی تشعشعی خاک میتوان برای هرکدام از گرههای موجود در مرزهای قائم، یک میراگر ویسکوز با ضریب میرایی C مطابق رابطه - 3 - در نظر گرفت.
C AV - 3 - که در آن، ρ، A و V به ترتیب چگالی خاک، مساحت مؤثر و سرعت موجبرشی هستند.
برای در نظرگیری رفتار غیرخطی در این مقاله، از روش مستقیم جهت مدلسازی اندرکنش سازه-خاک-سازه استفادهشده است. این رفتار غیرخطی برای خاک را میتوان بهصورت الاستوپلاستیک در نظر گرفت. بهطوریکه برای پاسخ تنش-کرنش همه-جانبه، رفتار اﻻستیک و برای پاسخ تنش-کرنش انحرافی، رفتار پلاستیک داشته باشد . - Yang, Lu, & Elgamal, 2008 - شکل1، این رفتار را بهخوبی نشان میدهد. این منحنی پاسخ تنش-کرنش برشی را بیان میکند. Gr، γmax و τf به ترتیب مقدار سختی برشی برای کرنشهای بسیار کم، حداکثر کرنش برشی و تنش برشی گسیختگی هستند. برای بیان فرمولبندی رفتار کلی خاک، نظریههای متفاوتی بیانشده که از آن بین نظریه چندصفحهای از اهمیت بیشتری برخوردار است.
شکل: 1 منحنی رفتاری خاک.
