بخشی از مقاله
خلاصه
هدف از این پژوهش، بررسی تاثیر اندرکنش خاک و سازه بر پتانسیل فروریزش لرزهای سازهها و همچنین تاثیر کاهش برش پایه طراحی بر پتانسیل فروریزش سازههای طراحیشده بر اساس ضوابط لرزهای موجود میباشد. بدین منظور سه سیستم برای تحلیل مدل شدهاند: سازه با پای صلب، سازه بر روی بستر انعطافپذیر و سازه با برش پایه کاهشیافته بر روی بستر انعطافپذیر.
در این مقاله، سازهی تک-درجهآزادی با نرمشدگی در نمودار نیرو-جابهجایی بر پی سطحی و با درنظرگرفتن وابستگی سختی دینامیکی خاک به فرکانس تحریک بررسی شده است. از روش تحلیل دینامیکی افزاینده برای تعیین ظرفیت فروریزش سیستمهای خاک و سازه استفاده شده است. نتایج نشان میدهد اندرکنش خاک و سازه در بیشتر موارد حاشیه اطمینان سازهها را در برابر فروریزش افزایش میدهد. همچنین کاهش برش پایه طراحی طبق ضوابط لرزهای موجود موجب افزایش احتمال فروریزش سازه میگردد.
1. مقدمه
در این مقاله تاثیر اندرکنش خاک وسازه بر حاشیه اطمینان سازه ی قرارگرفته روی بستر انعطافپذیر در برابر فروریزش تحت تحریک لرزهای و میزان تغییر پتانسیل فروریزش سیستم خاک و سازه در صورت به کارگیری ضوابط کاهش برش پایه طراحی بررسی شده است.
منعطف در نظرگرفتن بستر سازه به دلیل تأثیرات خاک زیر سازه در افزایش پریود و اغلب افزایش میرایی سیستم خاک و سازه، موجب تغییر پاسخ سازه به تحریک لرزهای میشود. به دلایل اقتصادی، ضوابط آییننامهای اجازه میدهد سازهها برای مقاومتی کمتر از مقاومت مورد نیاز برای باقی ماندن در محدوده خطی در ازای متحمل شدن تغییر شکلهای غیر الاستیک طراحی شوند.
مقدار مقاومت کاهشیافته با ضریبی به نام ضریب کاهش مقاومت تعیین می شود. مطالعات زیادی روی تاثیر اندرکنش خاک و سازه بر میزان تغییر پاسخهای خطی سازهها انجام شده است .[1] هرچند تحلیل خطی دید باارزشی درمورد ماهیت پاسخ سازه به تحریک زلزله میدهد، اما طی زلزلههای قوی بیشتر سازهها به تسلیم رسیده و تغییرشکل اضافهای بعد از نقطهی تسلیم داشته و به عبارتی رفتار غیرخطی از خود نشان میدهند.
بررسیهای انجام شده در مورد تاثیر اندرکنش خاک وسازه روی ضریب شکلپذیری سازه های غیرخطی نشان میدهد که اگرچه اندرکنش خاک و سازه در سازه های با پریود طولانی تاثیر مثبتی داشته و موجب کاهش تقاضای شکلپذیری نسبت به حالت بستر صلب میشود، اما لحاظ نکردن تاثیر اندرکنش خاک و سازه در سازههایی که پریود کمتر از پریود غالب تحریک دارند موجب طراحی غیرایمن میشود، زیرا تقاضای شکلپذیری در چنین سازه هایی بیشتر از حالت بستر صلب است.
میزان تاثیر گذاری اندرکنش خاک و سازه بر پاسخ سیستم برای دو حالت رفتار خطی و غیرخطی سازه با هم متفاوت میباشد. مطالعات نشان میدهند که این تاثیر در سیستمهای غیرخطی کمتر از سیستمهای خطی است و این به خاطر این است که تسلیم سازه موجب نرمتر شدن سازه و کاهش سختی نسبی خاک و سازه و در نتیجه کاهش تاثیر اندرکنش خاک و سازه میشود. کاهش تاثیر اندرکنش خاک و سازه بدین معناست که با غیرخطیتر شدن سازه، مقادیر مقاومت موردنیاز طراحی برای دو حالت سازه روی بستر صلب و روی بستر انعطافپذیر به هم نزدیکتر میشوند. از آن جایی که مقدار مقاومت الاستیک سازه با لحاظ کردن اندرکنش خاک و سازه کاهش مییابد، ضریب کاهش مقاومت سازه با استفاده از اندرکنش خاک و سازه کمتر از حالت سازه روی بستر صلب میباشد.
به دلیل تاثیر اندرکنش خاک و سازه روی پاسخها که در اغلب موارد در جهت کاهش میزان برش پایه است، آئیننامه های طراحی موجود ضوابطی را مبنی بر امکان کاهش برش پایه طراحی فراهم کردهاند. این ضوابط بر مبنای رفتار خطی سیستم های خاک و سازه می باشد. استفاده از ضوابط کاهش برش پایه در سیستمهای غیرخطی که از همان ضریب کاهش مقاومت سازه روی بستر صلب استفاده میشود، موجب تقاضای شکلپذیری زیادی بهخصوص در سازههای با پریود کوتاه قرارگرفته روی خاک نرم میشود. بنابراین اگر چنین سازه هایی طبق ضوابط آییننامه طراحی شوند، بیشتر در معرض خطر هستند .
از جمله مطالعات انجامشده برای بررسی پتانسیل فروریزش سازه ها، ارزیابی عملکرد لرزهای سیستمهای قاب خمشی فولادی ویژه در زمان فروریزش طبق استاندارد FEMA-p695 میباشد. این تحقیق برای سیستمهای سه دهانه قاب خمشی فولادی ویژه با تعداد طبقات 1 تا 20، حاشیه اطمینان قابل قبولی را در برابر فروریزش طبق معیارها نتیجه داده است.
همچنین بررسی ناپایداری دینامیکی سازهی تک درجه آزادی مدلشده بر روی خاک نیز نشان داده است که منعطف بودن بستر سازه، سیستم را بیشتر در معرض ناپایداری قرار داده و افزایش تاثیر اندرکنش خاک و سازه موجب کاهش ضریب کاهش مقاومت خرابی سازه میشود .حاشیه اطمینان سازه ها در برابر فروریزش به کمک پارامتر 1CMR معرفی شده در FEMA-p695 محاسبه میشود
مبنای طراحی آییننامه موجود، احتمال فروریزش یکسان %10 در بزرگترین زلزله ی محتمل میباشد و انتظار میرود پتانسیل فروریزش سازهی طراحی شده با فرض صلبیت بستر و سازهای که با ضوابط اختیاری اندرکنش خاک و سازه با برش پایهی کاهشیافته طراحی شده است، یکسان باشد.
از آنجایی که در هنگام فروریزش، سازه به طور قابل ملاحظه ای وارد ناحیه غیرخطی میشود و با توجه به آن که ضریب کاهش مقاومت یکسانی برای دو حالت استفاده یا عدم استفاده از ضوابط اندرکنش ارائه شده است، پتانسیل فروریزش سازه غیرخطی در صورت بهکارگیری ضوابط مختلف طراحی میتواند تغییر کند. در نتیجه استفاده ازضوابط آییننامه برای لحاظ اندرکنش خاک و سازه در طراحی سازه های غیرخطی میتواند حاشیه اطمینان سازه ها در برابر فروریزش را تغییر دهد. بنابراین نیاز به بررسی میزان تاثیر اندرکنش خاک و سازه بر حاشیه اطمینان سازه ها در برابر فروریزش و ایمن بودن یا نبودن به کارگیری ضوابط کاهش برش پایه طراحی طبق استاندارد [6] ASCE/SEI 7-10 ضروری است.
2. روش انجام پژوهش
.1-2 مدلسازی سیستم خاک و سازه
برای مدلسازی سیستم خاک-سازه از روش زیرسازه استفاده میشود. در این روش سازه و فونداسیون از کل سیستم جدا شده و در گرههای موجود در محل اتصال فونداسیون با خاک تعدادی فنر و دمپر مطابق شکل 1 برای در نظرگرفتن سختی دینامیکی خاک قرار میگیرد. در مدلسازی، خاک یک نیمفضای همگن درنظرگرفته شده و فونداسیون با یک دیسک دایرهای صلب به جرم mf و مماناینرسی If جایگزین میشود.
سازه به صورت سیستم تکدرجهآزادی به جرم m و مماناینرسی I وارتفاع h با رفتار چهارخطی با شیب اولیه k مدل میشود. درجات آزادی نوسانی2و گهوارهای3برای بیان حرکت انتقالی و چرخشی فونداسیون درنظرگرفته شدهاند که برای هریک از این درجات آزادی فنر و دمپری با ضرایب مشخص لحاظ شده است. برای بیان وابستگی سختی دینامیکی خاک به فرکانس تحریک یک درجه آزادی چرخشی داخلی هم با قراردادن مماناینرسی جرمی قطبی متصل به دمپر چرخشی در مدل در نظرگرفته شده است. یک مماناینرسی جرمی محصورشده، ∆Mφ که مثل جسم صلب هم فاز با پی در درجه آزادی گهوارهای حرکت میکند، در شرایط خاک تراکمناپذیر به پی متصل میشود. در محاسبهی سختی خاک باید از مدول برشی متناسب با کرنش ایجادشده در خاک ناشی از زمینلرزهها استفادهکرد.
با فرض اینکه فونداسیون صلب بدون فرورفتگی روی سطح خاک واقع شده و تحت امواج برشی قائم که موجب حرکت افقی ذرات میشود، قرار میگیرد، اثر سینماتیکی اندرکنش خاک و سازه در محاسبات درنظرگرفته نشده و تنها بخش اینرسی آن لحاظ میشود. از 22 جفت رکورد معرفیشده در FEMA-p695 برای تحلیل سیستم چهاردرجه آزادی در حوزه ی زمان استفاده شده است. برای آنالیز سیستمها از روش انتگرالگیری گام به گام بتا-نیومارک استفاده شده است. برای یافتن ضرایب فنر و دمپر و جرم نشان داده شده در شکل 1 از مدل های مخروطی1 استفاده میشود. مدل های مخروطی بر پایهی تئوری انتشار یکبعدی موج، سختی دینامیکی خاک را با دقت خوبی مدل میکنند .[7]
شکل :1 مدل سیستم خاک-سازه
.2-2 پارامترهای مدل رفتاری
مدل رفتاری سازه به صورت چهار خطی طبق شکل 2 فرض میشود.[5] سازه پس از تسلیم، کاهش سختی داده و سپس با شیب منفی دچار نرمشدگی شده و در نهایت با افزایش جابهجایی با مقاومت ثابت به نقطه با حداکثر شکلپذیری تامینشده میرسد. مقادیر پارامترهای نمودار backbone برای سیستم قاب خمشی ویژه درجدول 1 آمده است.
