بخشی از مقاله
چکیده
ضرورت احداث گروه شمع به عنوان پی در سازههای مختلف، از دیرباز متداول بوده است. در زمینهای سست و نشستپذیر و همچنین در شرایط اجرایی مشکل همواره استفاده از شمع به عنوان یکی از گزینههای مطرح برای نوع پی بیان میشود. بهطور کلی شمعها عناصر ستونی نسبتاً لاغری هستند که جهت انتقال بارهای فشاری، کششی و یا حتی جانبی از سطح زمین به لایههای سختتر زمین بهکار برده میشوند.
بسیاری از تحقیقات انجام گرفته در سال های اخیر بر روی رفتار شمع تحت بارهای دینامیکی، شمع منفرد را مورد توجه قرار داده است. با توجه به ماهیت حضور شمع در انتقال بارهای زیاد، استفاده از شمع بصورت گروهی متداول است در این مطالعه به بررسی تاثیر افزایش تعداد شمع ها در پایداری لرزه ای یک گروه شمع مستقر بر یک پی سطحی با مشخصات یکسان با بهره گیری از نرم افزار FLAC3D پرداخته شده است.
مقدمه
ضرورت احداث گروه شمع به عنوان پی در سازههای مختلف، از دیرباز متداول بوده است. در زمینهای سست و نشستپذیر و همچنین در شرایط اجرایی مشکل همواره استفاده از شمع به عنوان یکی از گزینههای مطرح برای نوع پی بیان میشود. بهطور کلی شمعها عناصر ستونی نسبتاً لاغری هستند که جهت انتقال بارهای فشاری، کششی و یا حتی جانبی از سطح زمین به لایههای سختتر زمین بهکار برده میشوند.
مطالعات متعددی در زمینه تعیین ظرفیت باربری جانبی شالوده های شمعی تحت تاثیر نیروهای ناشی از زلزله صورت گرفته است. روش های تحلیلی متعددی توسط تعدادی از محققان نظیر [1] - 1982 - Kaynia & Kasusel، Sen و همکاران [2] - 1985 - ، - 1992 - Gazetas & Dobry [3]و بسیاری دیگر بسط داده شده است که در آنها پاسخ دینامیکی گروه شمع را با فرض رفتار خطی خاک مورد بررسی قرار داده اند.
پاسخ دینامیکی گروه شمع را با استفاده از تئوری وینکلر مورد توجه قرار دادند. Nagomi و همکاران [5] - 1992 - با تعریف عناصر جدا از هم فنر، جرم و میراگر توانستند رفتار گروه شمع را با درنظر گرفتن رفتار غیرخطی خاک بررسی کنند. 1996 - Novak & El Neggar،[6] - 1995 و [7]، یک تحلیل غیرخطی تاریخچه زمانی برای گروه شمع تحت بارهای جانبی با استفاده از تئوری وینکلر به انجام رساندند.
به بررسی رفتار شمع با ارائه یک مدل سه بعدی از شمع قائم واقع در خاک رسی و فرض یک رفتار الاستوپلاستیک برای خاک پرداختند. همچنین [9] - 1991 - Brown & shie، از روش تفاضل اجزای محدود استفاده کرده و شمع را به صورت یک المان تنیری شکل و خاک را به صورت فنرهای غیرخطی متصل به شمع مدل کردند که این فنرهای غیرخطی با استفاده از منحنی های p-y در فواصل مشخصی از طول شمع تعریف می گردند.
نشان دادن اثرات میرایی و اینرسی در محیط خاک با درنظر گرفتن سیستم های وینکلر و مشابه آن مشکل بوده و ناچار به استفاده از روش های عددی برای تحلیل دینامیکی با در نظرگرفتن همزمان پارامترهای موثر می باشد. Wu & Finn [10] - 1997 - ، روش شبه سه بعدی را برای تحلیل دینامیکی غیرخطی خاک انجام دادند. - 2000 - Bentley & El Neggar [12]، با استفاده از مدل رفتاری دراگر-پراگر و ایجاد فاصله بین شمع و خاک پاسخ سینماتیک شمع منفرد را مورد بررسی قرار دادند.
مدلسازی
نرمافزار FLAC3D یک برنامهی تفاضل محدود صریح سهبعدی برای محاسبات مکانیک مهندسی است. این برنامه توانایی شبیهسازی سهبعدی رفتار سازههای خاکی، سنگی و... را دارد. اساس این برنامه بر پایهی فرمولهای استفاده شده در برنامهی دوبعدی FLAC است. این نرمافزار در اصل برای مهندسین ژئوتکنیک و معدن طراحی شده است، با این حال با توجه به تواناییها و قابلیتهای گستردهای که دارد میتواند برای حل مسائل پیچیدهی مکانیکی در رشتههای دیگر مهندسی نیز استفاده شود.
در تحلیل استاتیکی، بارهای وارده ناشی از وزن خاک تحت شتاب گرانش زمین و بارهای عمودی مستقر بر گروه شمع می باشند، با در نظر گرفتن ابعاد مناسب برای کران های جانبی می توان تغییرشکل در این مرزها را در راستای قائم آزاد و در راستای افقی محدود کرد. کف مدل نیز برای شبیه سازی بستر صلب سنگی تماما گیردار در نظر گرفته می شود. در تحلیل استاتیکی کران های جانبی مدل برای بیان رفتار نشست در اثر بارگذاری قائم در راستای قائم آزاد و در راستای افقی محدود شده اند. اما در بارگذاری لرزه ای زلزله در کف مدل، برای پرهیز از انعکاس موج برشی در کران های جانبی و نیز بیان رفتار زمین آزاد، از مرزهای آزاد که شامل میراگر هایی می باشند، استفاده گردیده است موج با عبور از مرز آزاد، میرا می شود و به داخل مدل بازتاب نمی گردد.
در این مطالعه از رفتار مدل موهر کولمب برای مصالح خاک استفاده شده است. پارامترهای خاک از مطالعات ژئوتکنیکی خاک منطقه ای در شمال تهران استفاده شده است. طبق مطالعات ژئوتکنیکی انجام شده توسط شرکت مشاور ، عمق مورد نظر در گمانه برداری از دو لایه کلی به مشخصات جدول 1 که عموما از جنس شن رس دار به همراه ماسه و در لایه های بالاتر همراه با قلوه سنگ از طبقه - GC - تشکیل شده است. قابل ذکر است لایه اول از سطح زمین تا عمق 4 متر و لایه دوم از 4 تا عمق 25 متر می باشد
جدول -1 مشخصات مکانیکی خاک بستر
المانهای مورد استفاده برای خاک، المانهای تفاضل محدود مکعبی شکل 8 گرهای بوده که در سه جهت z،y ،x آزادی حرکت دارند. اندازهی آنها طوری تعیین شده که تغییرات تنش و پلاستیسیته ایجاد شده در خاک را به طور مناسبی نشان دهد. ابعاد المانهای خاک در نزدیکی شمع کوچک نگه داشته شده است و با دورشدن از شمع ابعاد المانها افزایش می یابد در راستای قائم نیز ابعاد المانها برای توزیع یکنواخت موج برشی ثابت نگه داشته شده است.
شمع مورد استفاده در مدلسازی دارای مقطع دایرهای شکل و از جنس بتن میباشد. ابعاد المانهای شمع طوری انتخاب شده است که با المانهای خاک اطراف خود سازگاری داشته باشند و امکان ایجاد جدایی بین خاک و شمع وجود دارد. رفتار مصالح شمع، رفتاری الاستیک در نظر گرفته شده است و برای مدلسازی آن از مدل الاستیک استفاده شده است. در این مدل پارامترهای مدول یانگ و ضریب پواسون به شمع داده شده است.
درنرمافزارFLAC المان شمع یک عملکرد ترکیبی از عملکرد المانهای کابل و تیر دارد.
در این تحقیق مدل در دو حالت استاتیکی و دینامیکی بارگذاری می گردد، در حالت استاتیکی، بارهای وارد بر مدل، ناشی از وزن خاک تحت شتاب گرانشی زمین، بار وارد بر پی مستقر بر شمع - کلاهک گروه شمع - می باشند. در بارگذاری دینامیکی از شتاب لرزه ای هارمونیک میرا دارای حداکثر شتاب و فرکانس متغیر، در راستای افقی و در کف مدل مورد استفاده قرار گرفته است. استفاده از این نوع بار امکان شبیه سازی انواع زلزله ها با دو مشخصه اصلی فرکانس غالب زلزله و حداکثر شتاب افقی را فراهم می نماید.
شکل -1 شتاب هارمونیک میرا
تحلیل و نتایج مدلسازی
جدول -2 مشخصات مدل های مورد بررسی
