بخشی از مقاله
چکیده
عموماً در تحلیل لرزه ای سازه ها با تکیه گاه صلب از اثرات اندرکنش خاک- پی- سازه و تاثیر آن بر روی نیروهای داخلی چشم پوشی می شود. نوع خاک وانعطاف پذیری پی از جمله عواملی می باشند که می توانند تا حدودی نتایج تحلیل استاتیکی سازه را تحت تاثیر قرار داده و اندرکنش خاک - سازه را ایجاب نمایند. در این راستا مطالعاتی توسط محققین برای تعیین این اثرات انجام شده است. بدین منظور در این مقاله با در نظر گیری محیط خاک به صورت پیوسته در زیر سازه نیروهای داخلی اعضا تحت بارگذاری ثقلی و جانبی برای یک سازه یک طبقه یک دهانه یکبار به صورت قاب مهاربندی شده و یک بار به صورت قاب خمشی، در مجاورت خاک های رسی و ماسه ای مختلف - Type I ,II, III & IV - مورد بررسی قرار گرفته است. مدل ها با استفاده از روش استاتیکی با در نظر گرفتن اثر اندرکنش به کمک نرم افزار Abaqus تحلیل شده، و سپس با ارائه جداول و نمودارها ، نیروهای ایجاد شده درستون ها مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که رفتار سازه در خاک های رسی برای هر دو معیار پاسخی نزدیک به هم را داده، در حالیکه برای خاک ماسه ای در تیپ های III و IV پاسخی متفاوت را نتیجه می دهد.
-1 مقدمه
عموماً در زمان تحلیسازهل ها، بیشتر به میزان و زمانِ تواناییِ پاسخ دهی و شکل پذیری سیستم مقاوم جانبی سازه در برابر زلزله و نیروهای جانبیمی پردازیم و اثرات رفتارِ خاک زیرین سازه را بر پاسخ لرزه ای سازه،کمتر مدنظر قرار می دهیم. در تحلیل سازه ها، معمولاً اثرات اندرکنش خاک - سازه نادیده گرفته می شود و پاسخ لرزه ای سازه همانگونه سنجیده می شود که یک سازه با فرض شالوده صلب مورد ارزیابی پاسخ لرزه ای قرار می گیرد. اما طی وقوع یک پدیده زمین لرزه و بعد از آن،خاک زیرینِ سازه متحمل تغییر شکل هایی می شود که از شالوده سازه بر آن وارد می آید و به همین ترتیب، پاسخ دینامیکی سازه متأثر از رفتار تغییر یافته خاک زیرین آن خواهد بود.
بررسی حرکات سازه با توجه به انعطاف پذیری پای سازه، اندرکنش یا اثر متقابل خاک و سازه گفته می شود. در تحلیل های رایج هنگامی که در مدل، تکیه گاه گیردار فرض می شود، از اثر اندرکنش خاک- پی- سازه صرف نظر می شود. این مورد در حالتی صحیح است که سازه بر روی سنگ بنا شده باشد. در حالت قرار گرفتن سازه بر روی خاک نرم وضعیتکاملاً متفاوت است و می بایست اثر اندرکنش خاک و سازه مورد بررسی قرار گیرد. روشهای متعددی برای حل مسأله اندرکنش دینامیکی خاک و سازه وجود دارد که از جمله آنها می توان به روشهای حل ساده هندسی، روش مستقیم، روش مختلط و روش زیرسازه اشاره کرد. متداولترین روش حل مسأله اندرکنش دینامیکی خاک و سازه، روش زیرسازه است . در این روش، مسأله خطی اندرکنش دینامیکی خاک و سازه، به یکسری زیرمسأله ساده ترتفکیک می شود و هر زیرمسأله با مناسبترین روش تحلیل می شود و سپس نتایج حاصله، با استفاده از اصل جمع آثار قوا، با هم ترکیب می شوند. هدف از این مطالعه ، بررسی تاثیر مدل های رفتاری بر پاسخ خاک بر سازه در مجاورت خاک های رسی و ماسه ای - در تیپهای - Type I , II, III & IV و تحلیل استاتیکی می باشد. برای شبیه سازی رفتار محیط خاکی با استفاده از معیار موهر کولمب - MC - و معیار دراکر پراگر - DP - استفاده شده که یکی از پر کاربردترین مدلهای ژئوتکنیکی مورد استفاده در پژوهش ها و همچنین شرکت های مشاور می باشد. بدین منظور با در نظر گیری محیط خاک به صورت پیوسته در زیر سازه نیروهای داخلی اعضا تحت بارگذاری ثقلی و جانبی برای یک سازه یک طبقه یک دهانه یکبار به صورت قاب مهاربندی شده - Braced Frame - BF - و یکبار به صورت قاب خمشی - Flexural Frame- FF - مورد بررسی قرار گرفته است. با مقایسه نتایج، اثر نوع خاک، مدل رفتاری خاک و نیروها ولنگرهای ایجاد شده در دو سازه مورد مطالعه قرار گرفته است.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
مطالعات وسیعی در تعیین اثرات اندرکنش خاک - سازه بر روی رفتار سازه ها انجام شده است. شروع این مطالعات به صورت رسمی توسط محققین لی و هریسون در سال 1970 در مقاله ای تحت عنوان "تئوری اندرکنش پی و سازه" انجام گرفت .[1] تحقیق بعدی در سال 1972 توسط آقایان براون و لی انجام گرفت که در آن پدیده اندرکنش خاک- سازه به صورت استاتیکی مورد مطالعه قرار گرفت.[2] استاویر دیس در سال 2002 مقاله ای تحت عنوان "تحلیل ساده شده اندرکنش خاک لایه ای با سازه" منتشر کرد و در آن روشی جدید بر پایه روش اجزا محدود برای تحلیل اندرکنش خاک- سازه معرفی نمود.[3]
-3 مواد و روش ها
-1-3 مشخصات سازه ها
سازه مورد بررسی یک قاب یک دهانه به ارتفاع 3,2 متر و دهانه 5 متر می باشد. مقطع مورد استفاده تیر IPE180 و ستون IPB260 در قاب خمشی و قاب مهاربندی می باشد. مقطع مهاربندها مقطع لوله ای شکل به قطر خارجی 160 میلی متر و ضخامت 5 میلی متر می باشد. مصالح مورد استفاده در اعضای سازه، فولاد ساختمانی ST-37 با مقاومت تسلیم 240 مگا پاسکال می باشد. برای شبیه سازی رفتار این فولاد رفتار الاستیک به صورت خطی ایزوتروپیک با ضریب الاستیسیته 206 گیگا پاسکال و ضریب پواسون 0/3 شبیه سازی شده است. برای دو سازه پی به صورت منفرد و مربعی به ابعاد 1 متر و ضخامت 0/8 متر در نظر گرفته شده است. همچنین صفحه پلیت برای انتقال بار قاب به فونداسیون به ابعاد 1 متر در ضخامت 3 میلی متر در نظر گرفته شده است. مصالح پی به صورت الاستیک خطی و ایزوتروپیک با ضریب الاستیسیته 20 گیگا پاسکال و ضریب پواسون 0/3 شبیه سازی شده است. برای مدلسازی بخش های مختلف سازه از المان B21 ، که یک المان تیر در فضای دو بعدی با تابع شکل درجه یک - دو گره ای - به صورت تیموشنکو می باشد، استفاده شده است. در سازه خمشی کل سازه به صورت یکپارچه مدلسازی شده است تا اثر صلبیت اتصالات شبیه سازی شود. در سازه مهاربندی شده تمامی اعضا به صورت جداگانه مدلسازی شده و با استفاده از قید MPC Constraint به یکدیگر به صورت Pin متصل شده تا اتصالات مفصلی شبیه سازی شود و جهت بررسی اندرکنش از قید Tie استفاده شده است.
-2-3 مشخصات محیط خاکی
محیط نیمه بینهایت خاک با استفاده از هندسه دوبعدی شبیه سازی شده است. ابعاد محیط خاکی بر اساس موارد ذکر شده در منابع موجود به صورت اولیه 3 تا 4 برابر عرض پی و عمق آن 2 تا 3 برابر عرض پی بایستی باشد. برای دقت بیشتر می توان ابتدا مدل سازه ای را بر روی محیط خاکی تحت بار ثقلی مورد بررسی قرار داد و با افزایش ابعاد محیط خاکی شرایط تنش و تغییر شکل را در خاک بررسی نمود. برای این منظور می بایست آنقدر ابعاد محیط خاکی بزرگ باشد تا میزان تنش ها در حبابهایی از تنش که به مرزهای مدل می رسد بسیار ناچیز بوده و بتوان از آنها صرف نظر نمود. در این حالت عملا تغییر شکل ها در مرزها برابر صفر بوده و می توان مرزها به صورت صلب و بدون تغییرشکل در نظر گرفت. به این منظور محیط خاکی به صورت مستطیلی به ابعاد 15 در 30 متر در نظر گرفته شده است. جهت بررسی تاثیرخاک بر روی پاسخ سازه، از دو نوع خاک رسی وماسه ای در تیپ های I , II, III & IV منطبق با آئین نامه 2800 ایران استفاده شده است .[7] در این بخش، از المان CPE4R استفاده شده است که یک المان محیط پیوسته در فضای دو بعدی از نوع کرنش مسطحه بوده که بصورت 4 ضلعی و با تابع شکل درجه یک 4 - گره ای - و همچنین انتگرال گیری کاهش یاقته برای محاسبه ماتریس سختی می باشد.
