بخشی از مقاله
خلاصه
در اکثر محاسبات و تحلیلهای رایج که به وسیله نرمافزارهای مختلف تجاری توسط مهندسین محاسبه انجام میشود عموماً فرض میشود که خاک زیر شالوده صلب بوده و از انعطافپذیری خاک زیر شالوده صرفنظر میشود. در این حالت پاسخ سازه متأثر از خواص دینامیکی خود سازه است و خواص خاک زیر شالوده تأثیری در پاسخ سازه ندارد. درحالی که اگر خاک زیر شالوده نیز در تحلیلها در نظر گرفته شود سیستم جدیدی ناشی از اندرکنش خاک و سازه تشکیل خواهد شد که رفتار آن متفاوت از حالت قبل خواهد شد. در این تحقیق با استفاده از مدلسازی سه بعدی اجزا محدود و تحلیل استاتیکی غیرخطی، اثرات اندرکنش خاک و سازه بر پاسخ قابهای فولادی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این تحقیق لزوم لحاظ اثرات اندرکنش خاک و سازه در تحلیل و طراحی قابهای فولادی مرتفع واقع بر خاکهای نرم را تایید مینماید.
مقدمه
رفتار یک سازه در هنگام زلزله×به تعامل رفتاری×بین سه×سیستم×مرتبط×با×یکدیگر شامل سازه،×پی و خاک×زیر×پی× وابسته میباشد. آنالیز×اندرکنش×خاک×و×سازه×پاسخ×این×سیستمها را مورد×ارزیابی×قرار×میدهد.×گرچه×در ×محاسبات×رفتار لرزهای سازه معمولاً×تکیهگاه×آن×صلب×و×تغییرشکلناپذیر×فرض×میگردد×و×از×انعطافپذیری×خاک×در×زیر سازه×صرفنظر× میشود ×ولی مشاهدات ×و تجربیات ×گذشته ×نشانگر ×این ×واقعیت ×است ×که ×عامل ×تغییرشکلپذیری ×خاک ×علاوه ×بر تغییر × خصوصیات×حرکت×آزاد×زمین×در×سطح،×ممکن است×به علت×اندرکنش×سازه×تغییرات×قابلملاحظهای×در واکنش×سازه×در× مقابل×زلزله×نیز×ایجاد×نماید .[1] مطالعات بسیاری نشان دادهاند که اندرکنش×خاک×و×سازه×دارای×تأثیر×بسیار×زیادی×روی× رفتار×لرزهای×سازه ×میباشد از جمله این مطالعات میتوان به پژوهش Eser و همکارانش [2] اشاره کرد که نشان داد لحاظ اندرکنش خاک و سازه در تحلیل و طراحی سازههای عمومی و متداول سبب دستیابی به طراحی سبکتر و اقتصادیتر میگردد؛ به ویژه اگر× خاک×بستر سازه×نرم ×باشد. مطالعات ×Katzenbachو همکارانش [3] بر روی اثرات اندرکنشی خاک بر رفتار شمعهای پی برجهای بلند نمونه دیگری از مطالعات اندرکنشی خاک و سازه است که نشان داد رفتار لرزهای پی در هنگام لحاظ خاک در مدلسازی نسبت به حالت عدم لحاظ خاک تا حد زیادی متفاوت میباشد.
حسینزاده و همکاران [4] اثرات اندرکنش دینامیکی خاک-سازه در پاسخ لرزهای ساختمانهای مجاور به کمک آزمایشهای دینامیکی مدلهای مقیاسشده را مورد بررسی قرار دادند. چهار مدل سازهای 5، 10، 15و 20 طبقه و دو خاک نسبتاً نرم برای انجام این آزمایشها طراحی و ساخته شدند. نتایج تجربی این محققین نشان میدهد که اثرات اندرکنشی سینماتیکی در مقایسه با اندرکنش اینرسی چندان اهمیتی ندارد و مهمترین اثر اندرکنش خاک-سازه بصورت افزایش پریود مود اول و نسبت میرایی سازه مشاهده میشود. ناطقی الهی و همکاران [5] با استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی، اثر اندرکنش سازه-خاک بر پاسخ غیرخطی سازههای بلند، به روش المان محدود را مورد بررسی قرار دادند. سازههای استفاده شده برای آنالیز شامل دو ساختمان 15 و 30 طبقه فولادی میباشند که به ترتیب در رده برجهای متوسط و بلند قرار دارند و بر روی دو پروفیل خاک نرم و خاک سخت به فواصل یکچهارم و یکهشتم بعد پی، درنظر گرفته شدهاند. خزائی و کرمی [6] تغییرات خواص و پارامترهای رفتاری زمین زیر و اطراف شالوده باتوجه به تغییر ابعاد آن بصورت عددی و با درنظرگرفتن اثرات اندرکنش بین زمین و شالوده را مورد بررسی و مطالعه قرار دادند. نتایج حاصل از تحلیل این محققین نشان میدهد که رفتار زمین در زیر و اطراف شالودههای کوچک بصورت برشی است و این همان رفتار پیش-بینی شده و الگوی خرابی پذیرفتهشده است که اغلب محققان به آن اعتقاد دارند. اما در شالودههای بزرگ زمین واقع در نواحی مرکزی و زیرشالوده عمدتاً تحت تنشهای فشاری و همهجانبه است و رفتاری نرم همراه با خمیری سختشونده دارد.
بنابراین باربری آن همواره رو به افزایش است که منجر به تمرکز تنش و تغییرشکلها بسوی این ناحیه خواهد شد. امینفر و همکاران [7] تاثیر اندرکنش خاک-سازه بر پاسخهای ارتعاشی قابها را مورد بررسی قرار دادند. به این منظور 5 سازه با قاب خمشی متوسط به ارتفاع 4، 10، 15، 20و 25 طبقه تحت آئیننامه زلزله 2800 ایران توسط این محققین طراحی شد. در این مرجع به منظور مدلکردن سیستم خاک زیر سازه از روش المان محدود استفاده شده است. خاک زیر سازه به دو قسمت میدان نزدیک و میدان دور تقسیم گردیده است. مطالعه نتایج مرجع [7] نشان میدهد که با افزایش نرمی خاک و نیز با افزایش تعداد طبقات سازه - کاهش سختی سازه - تأثیرات اندرکنش خاک-سازه در پریود ارتعاشی سازهها افزایش مییابد. همچنین مشاهده شد اندرکنش خاک-سازه اثر کاهنده بر مقادیر برش پایه دارد و برای سیستم-های با تعداد طبقات یکسان، با افزایش نرمی خاک، میزان کاهش برش پایه، یعنی اثر اندرکنش خاک-سازه، بیشتر خواهد شد. بعلاوه اندرکنش خاک-سازه اثر کاهنده بر مقادیر تغییرمکان دارد و برای سیستمهای با تعداد طبقه یکسان، با افزایش نرمی خاک، میزان این تأثیرات افزایش مییابد؟ در مرجع [8] تعداد متنوعی از سازههای جداسازی شده در محدوده ارتفاعنسبتاًَی کوتاه تا متوسط شامل 4، 7و 10 طبقه انتخاب شده و برای پریودهای هدف متغیر برابر با 1,6، 2و 2,5 ثانیه برای هریک از سازهها، ابتدا بدون درنظرگرفتن اثرات اندرکنشی خاک، مدلسازی و طراحی شدهاند. سپس با فرض قرارگیری سازهها بروی خاکهای مختلف از نوع نرم و متوسط تا خیلی سخت اثرات اندرکنش خاک-سازه بر پاسخهای دینامیکی آنها مطالعه شده است. نتایج نشان میدهد هر چه اختلاف سختی مجموعه سازه جداسازی شده به خاک بیشتر گردد، اثرات اندرکنش خاک-سازه بروی پاسخها بزرگتر میگردد.
برای مدلسازی اثرات تعاملی بین سازه، پی و خاک زیر پی روشهای مختلفی توسط محققین ارائه شده است. یکی از مهمترین روشهای مدلسازی اندرکنش خاک و سازه، روش مستقیم است. در این روش خاک و سازه به کمک اجزا محدود مدل میشوند و سپس باهم و به طور همزمان تحلیل میگردند. این روش برای محیط وسیعی از مسائل با هندسههای مختلف میتواند به کار برده شود .[9] در این روش سازه و قسمت مهمی از خاک اطراف سازه توسط اجزا محدود المان-بندی شده و تحلیل میگردند و سپس حرکت میدان آزاد زمین در اثر نیروهای زلزله به مرزها اعمال میشود. یکی از مهمترین ویژگیهای این روش این است که روش مستقیم با توجه به همزمان مدلکردن خاک و سازه امکان بررسی مسائل غیرخطی که به واسطه خصوصیات فیزیکی به ویژه سطح تماس خاک و سازه در خاک پدید میآید را فراهم میکند. از دیگر ویژگیهای این روش میتوان به توانایی روش مستقیم در امکان درنظرگرفتن مشخصات خاک غیرهمگن در مدلسازی اشاره نمود. برای استفاده از مدلسازی روش مستقیم به دلیل تعداد درجات آزادی خیلی زیاد، تحلیل مدلسازی با دست غیرممکن میباشد و لازم است از نرمافزارهایی نظیر آباکوس استفاده شود که بتوانند محاسبات ریاضی اجزا محدود را براحتی انجام دهندقبلاً. استفاده از این روش با مخارج محاسباتی زیاد و پرهزینهای همراه بود که امروزه با رشد تکنولوژی نرمافزاری و سرعت و حافظهی بالای رایانهها این مشکل تا حدودی مرتفع گردیده است. در این تحقیق از روش مستقیم جهت مدلسازی اندرکنش خاک-سازه استفاده شده است.
بدینمنظور هم خاک و هم قاب فولادی با استفاده از المانهای سه بعدی اجزا محدود در نرمافزار ABAQUS مدل شدهاند. قابهای فولادی با ارتفاع مختلف مدلسازی شده بر روی خاکهای با جنس متفاوت - سخت، نرم و متوسط - با استفاده از آنالیز استاتیکی غیرخطی - پوشآور - مورد تحلیل قرار گرفتهاند. قابل ذکر است که آنالیز پوشآور یک تحلیل استاتیکی غیرخطی تحت اثر بارهای جانبی فزاینده است. هدف از تحلیل استاتیکی غیرخطی فزاینده، برآورد رفتار مورد انتظار یک سیستم به کمک تخمین مقاومت و تغییرشکل موردنیاز، به وسیله انجام یک تحلیل استاتیکی غیرخطی و پس از آن مقایسه مقادیر موردنیاز با ظرفیتهای موجود در سطح رفتاری یا عملکردی موردنظر است. روشهای تحلیلی که در طراحی براساس عملکرد و بهسازی لرزهای سازهها مطرح میشوند، به-طور عمده بر مبنای آنالیز استاتیکی غیرخطی میباشند. دلیل ارجحیت استفاده از این نوع آنالیز، سرعت بالای انجام آن، سادگی تفسیر نتایج و دقت قابلقبول آن میباشد. یکی از مهمترین نتایج این تحلیل تعیین نمودار بار-تغییرمکان است که با مشخصکردن نیروی برش پایه و تغییرمکان جانبی بالاترین سطح سازه - بام - در هر گام و رسم این دو پارامتر در مقابل هم بدست میآید که به منحنی پوشاور معروف میباشد .[10] در پژوهش حاضر مطابق ضوابط دستورالعمل بهسازی لرزه-ای ساختمانهای موجود نشریه شماره [10] 360، سازه تحت بار یکنواخت جانبی قرار داده میشود و توسط نرمافزار در هر مدل منحنی پوشاور مربوط به سازه رسم و مورد بررسی قرار گرفته میشود.
.2 مدل اجزاء محدود
جهت مدل سازی اجزاء محدود مجموعهی قاب فولادی فونداسیون-خاک، از المانهای 8 گرهی متحرک C3D8 و نیز المانهای هرمی C3D4 استفاده شده است. این المانها در هر گره شامل 3 درجه آزادی انتقالی و نیز 3 درجه آزادی چرخشی میباشند. جهت مدلسازی رفتار تماسی میان سطح فونداسیون و خاک از مدل تماسی کولمب استفاده شده است. بدین ترتیب که اندرکنش میان سطح خاک و فونداسیون از جنس اصطکاک با ضریب ./43 در نظرگرفته شده است.
.2 مشخصات هندسی و مکانیکی مدلهای عددی
در مقاله حاضر تمامی ساختمانها در آباکوس بوسیله روش اجزا محدود مدلسازی و تحلیل شده است. مدلسازی سه بعدی میباشد و خاک زیر و اطراف سازه نیز مستقیم مدلسازی و مورد تحلیل قرار گرفته شده است. مدلسازی سه بعدی به همراه مدلسازی مستقیم خاک در تحلیلها باعث میشود نتایج پژوهش به واقعیت نزدیکتر باشد. در مقاله حاضر 3 نوع سازه فولادی، 1و 3 و 10 طبقه مدلسازی شدهاند. در این پژوهش پس از طراحی هر ساختمان، قاب میانی هر ساختمان از هر دو جهت X و Y انتخاب شده و توسط نرم افزار آباکوس بهصورت سهبعدی مدلسازی و به روش اجزا محدود تحت تحلیل پوشاور قرارداده شدهاند. خصوصیات هندسی سازههای مدل به شرح اشکال 1 تا 3 است.
