بخشی از مقاله
چکیده:
با گسترش تکنولوژِی و شهر نشینی، پروژه های گسترده و وسیعی طراحی و اجرا می شوند که بعضی از این پروژه ها باید در شرایط نامطلوب ژئوتکنیکی اجرا شود. در هنگام وقوع زلزله در چنین شرایطی، اثرات متقابل خاک-سازه حائز اهمیت می باشد و رفتار سیستم سازه ها را به مقدار قابل توجهی تحت تاثیر قرار می دهد.اثرات اندرکنش خاک - سازه اختلافات پاسخ سازه در حالتی که این پاسخ با فرض برابر بودن حرکت پی سازه با حرکت میدان آزاد زمین محاسبه شده است را نسبت به پاسخ سازه با در نظر گرفتن حرکت اصلاح شده یا واقعی پی، نشان می دهد واین اختلافات به مشخصه های حرکت میدان آزاد زمین بعلاوه خواص سازه و تکیه گاه انعطاف پذیر - خاک مجاور و زیر پی - بستگی دارد.
در این مقاله یک ساختمان 49 طبقه مدل سازی شده و برای لحاظ کردن اثر اندرکنش خاک و پی، سختی و میرایی خاک زیر پی گسترده به صورت فنر و میراگر در زیر پی مدل می شود. مهمترین پارامتری که بعد از مدلسازی مدل با اندرکنش خاک - سازه، با مدل بدون اندرکنش، مورد بررسی قرار می گیرد، زمان تناوب اصلی سازه می باشد که لحاظ کردن اندرکنش خاک - سازه در محاسبات دینامیکی سازه باعث افزایش پریود سازه میشود.
واژه های کلیدی: اندرکنش خاک - سازه ، سختی خاک ، میرایی خاک ، زمان تناوب اصلی ، سازه های بلند
مقدمه:
با گسترش تکنولوژِی و شهر نشینی، پروژه های گسترده و وسیعی طراحی و اجرا می شوند که بعضی از این پروژه ها باید در شرایط نامطلوب ژئوتکنیکی اجرا شود. در هنگام وقوع زلزله در چنین شرایطی، اثرات متقابل خاک-سازه حائز اهمیت می باشد و رفتار سیستم سازه ها را به مقدار قابل توجهی تحت تاثیر قرار می دهد. این امر باعث گردیده که این موضوع از دو دهه اخیر مورد توجه قرار گیرد.[1] تحلیل عکس العمل دینامیکی سازه هایی که تحت بارهای بالقوه زلزله در پایه خود قرار دارند، یکی از وظایف اصلی مهندسی زلزله می باشد. در حالت کلی سازه با خاک اطراف خود در حال بر هم کنش است. در سازه های متکی بر زمین صلب، حرکت پایه سازه در اثر زلزله، برابر همان حرکت میدان آزاد زمین می باشد.
برای سازه های متکی بر خاک انعطاف پذیر، حرکت پی معمولا با حرکت میدان آزاد اختلاف دارد. این اختلاف ممکن است شامل یک مولفه حرکت گهواره ای مهم، بعلاوه یک مولفه جانبی یا انتقالی نسبت به زمین باشد. مولفه حرکت گهواره ای به ویژه می تواند برای سازه های بلند، مهم باشد.[2] یک سازه با تکیه گاه انعطاف پذیر، با یک سازه با تکیه گاه صلب، از این لحاظ نیز اختلاف دارد که ممکن است یک قسمت اساسی از انرژی ارتعاشی به وسیله تشعشع امواج و نیز به وسیله عمل هیسترزیس در خاک در تکیه گاه انعطاف پذیر تلف و مستهلک شود. اهمیت فاکتور دوم با افزایش شدت لرزش زمین افزایش می یابد. تکیه گاه انعطاف پذیر همچنین باعث تغییر شکل مودها و فرکانس های ارتعاشی سازه می شود.[3]
اثرات اندرکنش خاک -سازه اختلافات پاسخ سازه در حالتی که این پاسخ با فرض برابر بودن حرکت پی سازه با حرکت میدان آزاد زمین محاسبه شده است را نسبت به پاسخ سازه با در نظر گرفتن حرکت اصلاح شده یا واقعیپی، نشان می دهد واین اختلافات به مشخصه های حرکت میدان آزاد زمین بعلاوه خواص سازه و تکیه گاه انعطاف پذیر - خاک مجاور و زیر پی - بستگی دارد. [4] تاکنون مطالعات گسترده ای در مورد رفتار سیستم های خاک-سازه در هنگام وقوع زلزله و اثرات اندرکنش خاک-سازه انجام گرفته است.
به نظر می رسد که این مطالعات از سال 1970 سرعتی جهشی نسبت به سال های قبل از آن، به خود گرفته است و هم اکنون نیز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. در این تحقیقات، مدل های مختلفی برای سازه، پی ساختمان و خاک در نظر گرفته شده و از روش های مختلفی برای تحلیل استفاده شده است. تحلیل ها بصورت دو بعدی و هم به صورت سه بعدی در نظر گرفته شده اند. خاک با مدل سازی های مختلفی همچون مدل نیم فضا،مدل المان محدود، مدل فنر و کمک فنر و نیز مدل ترکیبی نیم فضا و المان محدود، مورد بررسی قرار گرفته است.
انواع مدل هلی خاک که برای تحلیل دینامیکی اندرکنش خاک-سازه استفاده می شود:[5]
- 1 مدل فنر و کمک فنر در پی سازه : ساده ترین روش مدل کردن خاک، استفاده از فنر، کمک فنر و جرم معادل می باشد که در تراز پی سازه قرار داده می شود.
- 2 مدل تیر برشی : مدل تیر برشی می تواند برای مدل کردن رفتار دینامیکی خاک های لایه ای روی بستر سنگی بکار رود. چون در این روش از تئوری امواج برشی برای تحلیل استفاده می شود، آن را مدل تیر برشی می نامند.
- 3 مدل نیم فضای الاستیک یا ویسکوالاستیک : یک روش سه بعدی می باشد که بر اساس مدل پی نیم فضای پیوسته و تکنیک زیر سازه چند مرحله ای پایه ریزی شده است.
- 4 مدل عناصر محدود برای خاک : در مواردی که لایه بندی خاک در جهات افقی و عمودی قرار گرفته و بررسی رفتار غیر خطی در تحلیل اندرکنش ضروری می باشد، استفاده از مدل نیم بینهایت امکان پذیر نبوده و باید از روش عناصر محدود استفاده نمود.
- 5 مدل ترکیبی نیم فضا و المان محدود : این روش، روشهای توصیف شده قبلی را با هم ترکیب میکند و ادعا می شود که تمام امتیازهای روش المان محدود و روش نیم بی نهایت را دارا می باشد. روش های تحلیلی اندرکنش خاک-سازه:[6]
- 1 روش مستقیم: روش حل مستقیم اندرکنش خاک-سازه به وسیله متد اجزای محدود انجام می شود و می تواند در محدوده وسیعی از مسائل با هندسه های مختلف اعمال شود. در این روش، سازه و قسمتی از خاک مدفون شده، توسط المان محدود مدل شده و سپس با هم تحلیل می شوند. حرکت میدان آزاد خاک در مرزها به سیستم اعمال می شود. اسین روش دارای این برتری مهم است که قادر به در نظر گرفتن مشخصات غیرهمگن خاک یا سنگ می باشد. تجربه نشان داده که این روش برای استفاده سازه های مدفون، ساده تر می باشد. روش مستقیم، اجازه در نظر گرفتن قوانین رفتاری غیر خطی خاک را نیز می دهد. غیر خطی بودن رفتار خاک بدلیل خصوصیات غیر خطی آن به ویژه سطح تماس خاک وسازه می باشد. در روش مستقیم، عکس العمل های سازه و خاک به طور همزمان بدست می آیند. در این روش می توان سازه های خیلی بزرگ را مدل کرد.
- 2 روش زیر سازه: فرض اصلی این روش برقراری اصل برهم نهی که متضمن رفتار خطی است می باشد. روش زیر سازه بر اساس تقسیم خاک-سازه به یک سری از زیر مسئله های ساده تر می باشد. هر زیر مسئله جداگانه حل شده و در مرحله نهایی تحلیل، بر پایه اصل برهم نهی نتایج با هم ترکیب می شوند. این روش به خصوص در مواقعی که یک قسمت سیستم مثلا پی دارای هندسه ساده ای است در حالی که قسمت های دیگر هندسه پیچیده ای دارند، کاربرد مناسبی دارند.
- 3 روش مختلط: روش زیر سازه دیگری که سیستم کلی خاک-سازه را به دو زیر سیستم تقسیم می کند، روش هیبرید می باشد که توسط گوپتا ابداع شده است. اولین زیر سیستم، موسوم به میدان نزدیک است که نه تنها سازه بلکه محدوده معینی از خاک اطراف سازه را نیز در برمی گیرد. دومین زیر سیستم ، میدان دور، که محدوده باقیمانده خاک نیمه بینهایت، در بیرون سطح تماس نیم کره را شامل می شود. این روش بیشتر در تحلیل سه بعدی اندرکنش خاک-سازه بکار میرود و با استفاده از قدرت روش اجزای محدود، توانایی مدل کردن هندسه پیچیده پی های نیمه مدفون و انعطاف پذیر و همچنین فضای پیوسته را دارا می باشد.
روش لحاظ کردن اثر اندرکنش خاک وسازه در این پروژه:
در سال 1991 گازتاس [7] روشی برای لحاظ کردن اثر اندرکنش خاک و پی پیشنهاد کرد. این روش با فرض استفاده از پی گسترده صلب انجام می گیرد.گازتاس روابطی را برای تعیین سختی پی در سه جهت انتقالی و سه جهت چرخشی با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و پی، بدست آورد. در این روش ابتدا سختی سطحی پی قرار گرفته روی خاک، با توجه به ابعاد پی بدست می آید . - ksur - سپس ضریب تصحیح برای حالت مدفون شده پی در خاک تعیین می شود - . - kemb بدین ترتیب سختی سطح زیر پی در شش جهت محاسبه می شود. ضریبی هم برای تصحیح سختی سطح پی با در نظر گرفتن اثرات دینامیکی خاک روی پی محاسبه می شود. همچنین روابطی برای تعیین میرایی سازه در جهات مختلف و با استفاده از ضریب سختی بدست آمده و ابعاد پی، پیشنهاد شده است.
سختی ها و میرایی بدست آمده را می توان با فنر زیر فونداسیون مدل کرد. این روابط در جدول های زیر نشان داده شده است:
