بخشی از مقاله
چکیده
تحقیق حاضر به بررسی اثر اندرکنش خاک و سازه درحالت غیرخطی که به شکست خاک و همچنین پدیده بلندشدگی پی میانجامد و در نظر گرفتن این آثار در سازههای دارای سیستم کنترل غیرفعالِ میراگرهای جرمی تنظیم شده میپردازد. در این پژوهش از سه سازه بتنی دو بعدی با سیستم باربر قاب خمشی 10، 15 و20 طبقه، بهعنوان مدلهای مورد تحلیل استفاده شده است. با استفاده از تحلیلهای متعدد تاریخچه زمانی بهوسیله نرمافزار Opensees ابتدا پارامترهای بهینه میراگر جرمی تنظیم شده اعم از فرکانس و جرم بهدست آمده است. سازههای کنترل شده و کنترل نشده، با پایه صلب و بر روی دو نوع خاک نرم، متوسط مدلسازی شدهاند. مدلها تحت 4 شتابنگاشت حوزه نزدیک و سه شتابنگاشت حوزه دور مورد تحلیل تاریخچه زمانی قرار گرفتهاند. جهت در نظر گرفتن اندرکنش غیرخطی و بلندشدگی پی از مدل تیر بر بستر غیرارتجاعی وینکلر با بهره بردن از نرمافزار Opensees استفاده شده است. نتایج نشان داد، که اثر اندرکنش غیرخطی و بلندشدگی پی در سازههای کنترل نشده در اکثر موارد موجب کاهش پاسخها و در سازههای کنترل شده موجب کاهش کارایی میراگر جرمی تنظیم شده میشود. همچنین با افزایش اثر اندرکنش غیرخطی خاک و سازه یعنی با نرمتر شدن خاک، کاهش پاسخ در سازههای کنترل نشده و کاهش کارایی میراگر جرمی بیشتر میشود.
واژههای کلیدی: میراگر جرمی تنظیم شده- اندرکنش غیرخطی خاک و سازه- بلندشدگی پی - زلزله حوزه دور و نزدیک
مقدمه
وجود بارهای جانبی بهخصوص زلزله، بهعنوان سوانح طبیعی همواره برای متخصصین و مهندسین سازه چالش برانگیز بوده است. محققین بدون وقفه به پژوهش در مورد اثرات بارهای جانبی بر سازههای مختلف پرداختهاند تا بتوانند، راههای بهتر و مؤثرتر از قبل، برای مقابله با این عوامل بیابند. از جمله راههای مقابله با این اثرات که توسط متخصصین از سالهای قبل ابدإ شده است و همچنان رو به گسترش است، کنترل ارتعاشات بهوسیله ابزارهای کنترلی فعال، غیرفعال و ترکیبی میباشد. ابزار کنترل ارتعاش در این مقاله »میراگر جرمی تنظیم شده« از نوع غیرفعال است. هنگام تحریک سازه توسط حرکت زمین پدیده دیگری نیز وجود دارد، که باعث تغییر در پاسخهای سازه میشود. این پدیده رفتار متقابل خاک و سازه است که به اصطلاح »اندرکنش خاک و سازه« نامیده میشود. اندرکنش خاک و سازه در تحریکهای خفیف به صورت خطی و در تحریکهای شدید ناشی از حرکت زمین بهصورت غیرخطی بروز میکند. در رفتار غیرخطی خاک، اندرکنش خاک و سازه موجب ایجاد پدیده دیگری بهنام »برکنش یا بلندشدگی« پی میشود، که این پدیده باز هم باعث تغییر پاسخهای سازه شده و در تحریکهای بسیار شدید حتی موجب واژگونی سازه میشود.
یکی از عواملی که سازه در مقابل زلزله با آن مواجه است، تشدید یا رزونانس است. تشدید زمانی اتفاق میافتد که سختی سازه، حرکت زمین را به طبقات بالاتر از سطح زمین انتقال میدهد، که به صورت انرژی جنبشی و پتانسیل در سازه باقی میماند، اگر این انرژی مستهلک یا خنثی نشود، باعث افزایش تغییر مکانها خواهد شد، این اتفاق زمانی بحرانیتر است که فرکانس منبع ارتعاش با فرکانس سازه برابر شود یا به هم نزدیک باشند، در این حالت سرعت و تغییر مکان با گذشت زمان به سمت بینهایت میل میکند، در طی این مسیر زمانی، لحظهای میرسد که تغییر مکان ایجاد شده در سازه باعث ایجاد نیروهایی مانند اثر پی - دلتا و افزایش لنگر واژگونی با اثرات اندرکنش خاک و سازه زیاد و حتی پدیده بلندشدگی پی، ایجاد تغییر مکانهای ماندگار و...میشود که از حد توان سازه بیشتر است و باعث تخریب موضعی یا کلی در سازه میگردد .[1]
به دلایل ذکر شده کنترل تشدید در سازه از اهمیت زیادی برخوردار است، برای کنترل تشدید از راههای مختلفی استفاده میشود، که یکی از این راهها مقابله با تغییر مکانهای ایجاد شده متناسب با شتابشان بهوسیله نیروی اینرسی ماند یا لختی ذخیره شده با استفاده از جرم یا جرمهایی که در نقاطی که تغییر مکانها باید کنترل شوند قرار میگیرد تا بتوانند سازه را در سطح عملکرد تعریف شده نگه دارند. این سیستمهای کنترلی به نام میراگرهای جرمی تنظیم شده یا به اختصار TMD شناخته میشوند .[1] ایدههای اولیه و مفهوم کلی برای کنترل ارتعاش بهوسیله جرم ابتدا در سال 1909، توسط شخصی به نام Frahm ارائه گردید .[7] اساس رفتار میراگر جرمی متوازن بر روی سازهها ریشه در عملکرد جذب کنندههای ارتعاش دینامیکی داشته که توسط Frahm مورد مطالعه قرار گرفت. هدف او کاهش حرکات چرخشی کشتی حول محور طولی آن بود، و بعد از توسعهاش آن را جاذب ارتعاش دینامیکی نامگذاری کردند. سالها بعد از ایده Frahm، Ormondroyd و Den Hartog، اولین تئوری که ابزار میرایی را به طور کامل شامل میشد، در سال 1925 ارائه کردند .[8] در کتاب مکانیک ارتعاش Den Hartog نحوه محاسبه پارامترهای بهینه برای یک سیستم میراگر جرمی تنظیم شده ارائه شده است. Ormondroyd و Den Hartog، در سال 1928 مدل کاملتری از نگره ضربهگیرها را گسترش دادند .[9] در سال Den Hartog 1956، در کتاب خود تئوری ضربهگیرها را در حالتیکه سازه اصلی بدون میرایی باشد عرضه نمود .[10] تا دهه هفتاد سیستم میراگر جرمی تنظیم شده، بسیار در برابر باد کارآمد به نظر میرسید و اینچنین تصور میشد که در برابر تحریکات لرزهای زلزله جواب خوبی را ارائه در سال 1995، Chaojin و Spyrako، پژوهشی در مورد تحلیل لرزهای برجها و پدیده بلندشدگی در آنها انجام دادند. در این پژوهش عواملی از قبیل سختی خاک، نسبت ارتفاع برج به عرض پی و میزان جداشدگی پی از خاک را مورد توجه قرار دادند و همچنین تأثیرات سختی خاک بر پاسخ لرزهای برجهای کوتاه نسبت به برجهای بلند را بررسی کردند. پژوهش آنها نشان داد، در بلندشدگی غیرعادی پی، در واقع پاسخ لرزهای به لنگر و چرخش در خاکهای سخت و برجهای بلند و عمده پاسخ لرزهای به برش در خاکهای سخت و سازههای کوتاه تبدیل میشود. نکته مهم در پژوهش آنها اهمیت سختی خاک بر پاسخ لرزهای برجهای بلند و باریک و برجهای کوتاه بود .[11]
در سال 2004، Gazetas و Apostolou ، پژوهشی در مورد اندرکنش غیرخطی خاک و سازه انجام دادند. هدف آنها مطالعه برروی شکست خاک و بلندشدگی پی بود. آنها در پژوهش خود رفتار خاک را به صورت الاستوپلاستیک مدل موهر کلمب در نظر گرفتند، و روی رفتار پیهای سطحی در معرض تکانهای زلزله تحقیق کردند. آنها به این نتیجه رسیدند، که حرکت یکنواخت بلندشدگی در سازههای نسبتاً بلند شامل تأثیراتی از قبیل پدیده پی- دلتا و تسلیم خاک میشود. در این پژوهش مشخص شد، که بلندشدگی در ارتعاشات قوی ناشی از زلزله اتفاق میافتد و در زلزلههای ضعیف نباید نگران بلندشدگی و واژگونی سازه بود .[12] در سال 2012، Zhou و همکاران، یک مدل شبه دینامیکی برای تحلیل بلندشدگی پی و اندرکنش غیرخطی خاک و سازه معرفی کردند. این مدل جدید قادر به محاسبه پاسخهای سازه با توجه به رفتار غیرخطی بین سازه و زمین در زلزلههای قوی بود. آنها در تحقیق خود نشان دادند، اگر بلندشدگی اتفاق بیافتد، پاسخهای سازه کاهش مییابد، که در این حال پاسخ از پی به سازه یک روند صعودی را نشان میدهد و کاهش واکنش فوقالعاده سازه میتواند، به دلیل بلندشدگی بین پی و خاک و سازه اتفاق بیافتد. آنها نتیجه گرفتند، اگر بلندشدگی در امتداد افقی اتفاق نیافتد و در امتدادی غیر از افقی اتفاق بیافتد، با توجه به مقاومت ظاهری در دو جهت افقی پاسخ سازه و پی در زمان تحریک زلزله در امتداد بدون بلندشدگی میباشد .[13] در سال 1386 قائد امینی به بررسی پدیده برکنش لرزهای در سازه با تکیهگاه صلب پرداخت. در مطالعه وی، نمودارهای کاربردی جهت حدس اولیه رخداد برکنش استخراج شد. در مرحله بعد سازههای انتخاب شده و پی آنها برای دو نوع سیستم قاب خمشی فولادی با شکلپذیری متوسط و مهاربندی هممحور فولادی مورد تحلیل برکنش قرار گرفتند. در همین سال بختیار نصرآبادی به مطالعه اثر برکنش بر رفتار لرزهای سازههای بتنی با تکیهگاه انعطاف پذیر پرداخت. در تحقیق مربوطه با تحلیل غیرخطی توأم سازه، پی و خاک زیر آن برای چندین مدل بتنی با دو سیستم باربر جانبی قاب خمشی و دیوار برشی با شکلپذیری متوسط واقع بر دو نوع خاک IV و III مطابق استاندارد 2800 رفتار سازه ناشی از برکنش روی تکیهگاه انعطافپذیر بررسی گردید. وی نتیجه گرفت که پدیده برکنش روی تکیهگاه انعطافپذیر نقش مهم و غیرقابل اغماضی در مقاومسازی و طراحی سازهها در برابر زلزله دارد 4]،. [3 در سال 2004، Fu Wang و Chang Lin، پژوهشی در مورد عملکرد میراگرهای جرمی تنظیم شده، با بررسی یک سازه سه بعدی دو درجه آزادی به صورت استفاده از 1، 3 و 7 میراگر جرمی با در نظر گرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه و همچنین وجود پیچش به علت نامتقارن بودن سازه انجام دادند. در تحقیق آنها بهوضوح اثر کنترل تشدید توسط میراگرهای جرمی مشخص شد .[14] آنها مدل خود را تحت تحلیل چند رکورد زلزله از جمله، زلزله کوبه ژاپن و چیچی تایوان با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه قرار دادند و نشان دادند، در مواقعی که اثر اندرکنش خاک و سازه بیشتر است، یعنی در خاکهای نرم و همچنین با در نظر گرفتن مودهای ارتعاش به صورت جداگانه کارایی میراگرهای جرمی تنظیم شده کاهش مییابد .[14]
