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 پارامترهای طراحی گروه شمع نظیر قطر، طول، تعداد و فاصله شمع ها از یکدیگر بر پایداری 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.
بلوری و رحمانی [1] - 1390 - با بهره گیری از برنامه های کامپیوتری و اصول الگوریتم ژنتیک به بهینه سازی طول یا محل قرارگیری شمع در خاک، سطح مقطع، جنس، روش نصب و چکونگی عملکرد شمع ها در جهت کاهش هزینه - کاهش حجم بتن ریزی و آرماتوربندی به عنوان تابع هدف در حل مسائل - پرداخته اند. نتیجه کار ایشان نشان داد که با استفاده از فرایندهای الگوریتم ژنتیک و برنامه های کامپیوتری و تحلیل ماتریسی مقدار حجم بتن مصرفی در صورت بهره گیری از چیدمان متقارنی از شمع برابر 2457 متر مکعب با قطر شمع 1/4 متر و طول شمع 32 متر می باشد.
در صورتی که از چیدمان نامتقارن شمع استفاده شود با توجه به تقسیم باری که صورت می گیرد مقدار بتن مصرفی بیشتر از13 درصد کاهش حجم نشان داده و به حجم 2129 متر مکعب با شمعهایی به قطرهای 1/35 و 1/25 و طول های 27 و 14 و 8 متر رسیده است. طول آرماتور مصرفی نیز از36897 متر به 28927 متررسیده و حدود 21 درصد کاهش طول را نشان می دهد. در آزمایشاتی که توسط [2] - 1976 - Brungraber که بر روی دو گروه با فواصل 0/9 و 1/2 متر انجام گرفته مشخص گردید که در فاصله بزرگتر ظرفیت باربری 1/5 تا 2 برابر بیشتر شد.
با استفاده از روشهای عددی بیان نمود که مقدار ضریب کارآئی گروه شمع به فواصل شمع بستگی دارد و با افزایش فواصل شمعها ضریب کارائی افزایش می یابد. [4] - 2003 - Hanna & Afram مقاومت اصطکاکی تک شمع قائم و مایل را مطالعه نمودند. این تحقیق آزمایشگاهی بر روی دو نوع شمع فولادی به قطر 76 میلیمتر و 38 میلیمتر و در ماسه با تراکم نسبی 65/3 درصد انجام شد.
برای محاسبه مقاومت نهایی شمع در این آزمایش ها نمودار بار تغییر مکان رسم گردید و نقطه ای از نمودار که در آن شیب نمودار تغییر می یافت به عنوان مقاومت نهایی شمع در نظر گرفته شد. از تقسیم کردن مقاومت نهایی شمع به طول شمع، مقدار نهایی مقاومت اصطکاکی واحد طول شمع fs تعیین گردید. با افزایش L/D مقاومت اصطکاکی واحد طول fs تا عمق بحرانی افزایش می یابد و بعد از این عمق، افزایش این مقاومت با سرعت کمی ادامه می یابد. علاوه بر این با افزایش زاویه تمایل شمع نسبت به راستای قائم مقاومت اصطکاکی واحد طول کاهش می یابد. با افزایش زاویه تمایل شمع از صفر تا 30 درجه، مقاومت جانبی شمع کاهش می یابد.
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.
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 بارهای وارد بر مدل، ناشی از وزن خاک تحت شتاب گرانشی زمین، بار وارد بر پی مستقر بر شمع - کلاهک گروه شمع - می باشند.
