بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله تاثیر عمق مدفون در ماکزیمم تغییر مکان سازه های مجاور بلند بررسی خواهد شد. این کار با تغییر ارتفاع عمق مدفون سازه ها انجام می گیرد. بصورت کلی هدف از انجام این تحقیق این است که دریابیم در هنگام وقوع زلزله، تغییر عمق مدفون سازه های بلند مجاور هم، باعث چه تغییری در تغییر مکان ماکزیمم سازه ها می گردد. فرض بر این است که سازه ها از نظر مصالح و ارتفاع کاملاً یکسان در نظر گرفته شده اند و عمق مدفون هر دو سازه با هم و یکسان تغییر می کند.
جهت مدل سازی خاک و سازه از روش اجزاء محدود استفاده گردیده است.به طور کلی اندرکنش سازه خاک سازه با افزایش عمق مدفون در ابتدا سبب کاهش تغییر مکان ماکزیمم سازه نسبت به حالت اندرکنش خاک و سازه روی سطح زمین می گردد ولی با افزایش عمق مدفون تغییرمکان ماکزیمم سازه افزایش می یابد. نتایج ارائه شده در این مقاله، میتواند به عنوان یک مرجع علمی جهت تخمین پارامترها در مواقعی که اندازهگیری آنها به صورت مستقیم دشوار یا غیر ممکن باشد راهگشای مهندسین گردد. همچنین میتواند به عنوان یک منبع جهت مطالعات آتی در زمینه مسائل خاکی مورد استفاده قرار گیرد.
.1 مقدمه
با گسترش تکنولوژی و شهرنشینی، پروژه های گسترده و وسیعی طراحی و اجرا می شوند که بعضی از این پروژه ها باید در شرایط نامطلوب ژئوتکنیکی اجرا شود. با گذشت زمان مقیاس و اندازه این پروژه ها افزایش می یابد و در این شرایط، با توجه به وضعیت های ناشناخته یا عوامل در نظر گرفته نشده، ضریب اطمینان طراحی و به طبع آن قیمت تمام شده پروژه افزایش می یابد. یکی از این عوامل، وقتی بار دینامیکی به سازه وارد می شود، بر هم کنش خاک- پی- سازه است.
در حالت کلاسیک برای آنالیز سازه فرض می شود، حرکت اعمال شده بر پایه سازه، مساوی حرکت میدان آزاد زمین است. یعنی حرکت زمین در تراز فونداسیون، وقتی هیچ سازه ای موجود نباشد. این فرض در مورد سازه های ساخته شده بر سنگ بستر یا زمین سخت صحیح است. در حالتی که سازه بر روی یک لایه خاک نرم، قرار گرفته باشد، پاسخی کاملا متفاوت خواهد داشت.
از یک طرف بسته به هندسه فونداسیون و نحوه انتشار امواج و خاک زیر سازه، حرکت فونداسیون، متاثر از پاسخ زمین بوده و لذا حرکت پایه سازه با حرکت میدان آزاد، متفاوت خواهد بود . از طرف دیگر، پاسخ دینامیکی سازه، باعث تغییر شکل خاک زیر سازه می شود. این روند که در آن پاسخ خاک زیر سازه، تحت تاثیر حرکت سازه و پاسخ سازه تحت تاثیر حرکت لایه خاک قرار می گیرد، اندرکنش خاک- سازه نامیده می شود.
زلزله توسط آزاد شدن انرژی در یک ناحیه بخصوص ایجاد می شود، که در داخل پوسته زمین قرار دارد و به عنوان منبع انرژی نامیده می شود. انرژی توسط امواج از منبع به تمام جهات منتشر می شود. با انتشار امواج پدیده های مختلفی ایجاد می شود. انرژی امواج با انتشار از منبع و عبور از یک ناحیه همگن کاهش می یابد. بعلاوه، ناپیوستگی مواد موجود در محیط باعث بازتاب و شکست امواج می گردد، که می تواند باعث تغییر جهت، دامنه و نوع موج می گردد. موج باعث ایجاد جابجایی نوسانی در محیط می شود. وقتی که موج به نزدیکی سطح زمین می رسد، این جابجایی از طریق خاک به سازه منتقل می شود، که موجب تحمیل خسارت و یا فروریزش سازه می گردد.
اثر اندرکنش خاک سازه در تحلیل خسارت سازه های ساخته شده بر روی خاک نرم بسیار مهم است. اثر اندرکنش خاک سازه بدلیل افزایش تغییر مکان های جانبی سازه، تاثیر بسزایی در عملکرد سازه های حساس دارد و یکی از پارامترهای مهم در طراحی بر اساس عملکرد به شمار می رود3]و.[4 اندرکنش سازه های مجاور هم تحت بارگذاری زلزله از اهمیت ویژه ای در آنالیز سازه های حساس و مهم برخوردار است.
وجود یک سازه مجاور می تواند موجب افزایش یا کاهش پاسخ دینامیکی سازه - بسته به محتوای فرکانسی زلزله ورودی و مشخصات دینامیکی خاک و سازه - شود لذا پیوستگی و ارتباط دینامیکی فونداسیون های مجاور از طریق خاک فاکتور مهمی در مسائل اندرکنش خاک سازه می باشد. همانطور که اشاره شد در حالت اندرکنش خاک سازه، پاسخ سازه متاثر از پاسخ لایه خاک و پاسخ لایه خاک، متاثر از حضور سازه بوده و خاک و سازه اثر متقابل بر پاسخ هم دارند.
در حالتی که علاوه بر سازه و لایه خاک مورد بحث، سازه مجاور دیگری به سیستم اضافه شود، پاسخ لایه خاک، متاثر از وجود هر دو سازه، و پاسخ هرکدام از سازه ها نیز متاثر از پاسخ لایه خاک و سازه مجاور خود خواهد بود و لذا خاک و هر یک از دو سازه مجاور هم، تاثیر متقابلی بر پاسخ هم خواهند داشت که این پدیده، به نام اندرکنش سازه- خاک- سازه معروف است.[3] اندرکنش سازه های مجاور هم نیز بسته به نوع سازه های مجاور هم و عمق مدفون سازه ها باعث کاهش یا افزایش پاسخ غیر خطی سیستم نسبت به مدل اندرکنش خاک سازه می شود. که به تفصیل، مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
نتایج تحقیقات گذشته در زمینه مسائل اندرکنش خاک و سازه در عمق مدفون نشان می دهد که تغییرات میرایی مدل های سازه ای در سازه های مدفون نسبت به حالت سطحی کاهش می یابد، اما این تغییرات برای سازه های کوتاه قابل اغماض بوده و تنها برای سازه های بلند قابل توجه می باشد.[5] همچنین نتایج بررسی تجربی تاثیر عمق مدفون در عملکرد لرزه ای دیوارهای خاک مسلح با استفاده از آزمایش میز لرزه نشان می دهد عمق مدفون در رفتار لرزه ای دیوارهای خاک مسلح تاثیرگذار است و در کنترل تغییر شکل های دیوار پس از زلزله می تواند نقش تعیین کننده ای داشته باشد.
.2 روش تحقیق، مدل های رفتاری مواد و نوع المان بندی سیستم خاک و سازه
به منظور انجام این تحقیق دو سازه یکسان بتنی 20 طبقه می باشد که ارتفاع هر طبقه 2/8 در نظر گرفته شده است و سازه ها در فاصله 2/5 متری از هم قرار دارند و در حالت های روی سطح زمین و در عمق های یک طبقه، دو طبقه و سه طبقه زیر سطح زمین مورد آنالیز قرار گرفته اند.
سیستم های خاک و سازه با استفاده از نرم افزار آباکوس به روش المان محدود مدل شده، مدل رفتاری سازه بتنی به صورت غیرخطی بوده و مدل رفتاری خاک نیز به روش دراگر- پراگر در نظر گرفته شده است. خصوصیات خاک و بتن مطابق جدول 1 می باشد. به منظور رفتار تیر و ستون های بتنی از 200 المان دو بعدی Beam - المان دو گرهی و خطی - استفاده شده است.
تعداد المان های خاک،2200 المان از نوع CPE4R - المان حجمی، در بردارنده خصوصیات معادلات کرنش صفحه ای، چهارگره ای و روش انتگرال کاهش یافته - می باشد، همچنین برای فونداسیون بتنی 16 المان از نوع CPS4R - المان حجمی، در بردارنده خصوصیات معادلات تنش صفحه ای، چهارگره ای و روش انتگرال کاهش یافته - می باشد و در حالت های عمق مدفون، دیوار حائل بتنی در دو طرف فونداسیون در نظر گرفته شده است. آنالیزها بر اساس مشخصات دینامیکی سنگ بستر در تهران انجام گرفته و برای این کار از شتابنگاشت زمین لرزه ی بم استفاده شده است.
جدول:1 خصوصیات خاک و بتن
3 نحوه انتخاب مدل ها، مشخصات نمونه ها و مدلسازی آنها
از آنجاییکه مسئله اندرکنش سازه- خاک- سازه در حالتی که هر دو سازه یکسان هستند بحرانی تر است، دو سازه مجاور یکسان در نظر گرفته شده اند زیرا پیک رفتاری هر دو سازه در یک زمان یکسان روی داده، میزان نیروهای اندرکنشی حاصله اضافه شده و علاوه بر آن احتمال وقوع پدیده تشدید نیز افزایش می یابد.
مسئله اندرکنش سازه-خاک-سازه در مورد سازه های بلند مرتبه حائز اهمیت است. مسلماً هر چه سازه مورد نظر بلندتر باشد تحقیق و بررسی مطلوب تر می شود ولیکن امکان مدلسازی سازه بسیار بلند از لحاظ فنی - رایانه ای با این حد توانایی - وجود نداشته و نتیجتاً ارتفاع سازه به نحوی انتخاب شد که حداقل ارتفاع برای قرارگیری در محدوده سازه های بلند را دارا باشد.
تحلیل های صورت گرفته برای چهار حالت مد نظر بوده است. در حالت اول هر دو سازه روی سطح زمین قرار دارند، در حالت دوم یک طبقه سازه ها مدفون در زمین قرار می گیرد، در حالت سوم دو طبقه سازه ها مدفون در زمین قرار می گیرد و نهایتاً در حالت چهارم سه طبقه از هر دو سازه مدفون در زمین قرار می گیرد.
مدل شماتیک و مش خورده سازه ها در شکل 1 نشان داده شده است. به منظور آن که بتوان تاثیر خاک را در رفتار سازه به صورت کامل مشاهده کرد محدوده خاک به اندازه کافی مدل شده تا بتوان فرض محیط بی نهایت را نسبت به ابعاد سازه ها پیاده سازی نمود. بدین لحاظ برای مدلسازی خاک، تقریباً به اندازه ارتفاع سازه از زیر آن و تقریباً به اندازه سه برابر ارتفاع سازه از دو طرف سازه ها مدل گردیده است.
میراگرهایی در دو طرف خاک در نظر گرفته شده است که خصوصیات آن در جدول 2 آمده است و نحوه اختصاص میراگر ها در دو طرف خاک در شکل 2 نشان داده شده است.
