بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش رفتار لرزهای قابهای فولادی بلند مرتبه با سیستم دوگانهی قاب خمشی- مهاربند واگرا روی خاک رس، توسط تحلیل دینامیکی غیرخطی در دو حالت نزدیک و دور از گسل مورد بررسی قرار میگیرد و پاسخ سازه شامل تغییر مکانها و انرژی جذب شدهی غیر الاستیک، تعیین æ مقایسه میشود. برای این کار قاب سه بعدی 1 طبقهای در برنامهی ETABS مدلسازی میشود. سپس با استفاده از نرمافزار SAFE به طراحی پی گسترده برای این ساختمان میپردازیم. جهت بررسی تاثیرات خاک این قاب را در سه حالت پای گیردار، پی سطحی و پی عمیق در نرمافزار PERFORM مدل میکنیم. سپس تحلیل دینامیکی غیرخطی تحت شتابنگاشتهای حوزهی دور و نزدیک صورت گرفت تا تاثیرات حوزه نزدیک æ دور از گسل نیز مورد بررسی قرار گیرد. نتیجه تحقیق بیانگر آن است که دوره تناوب مدلهایی با پی سطحی بیشتر از دوره تناوب مدلهای با پایهی گیردار و شمع است و جابهجایی بام و انرژی هیسترزیس مدلها در زلزلههای حوزه نزدیک به مراتب بیشتر از حوزهی دور است. همچنین درصد جذب انرژی خاک در زمین لرزهی حوزهی دور بیشتر از زمینلرزهی حوزهی نزدیک است.
کلمات کلیدی: حوزهی نزدیک و دور از گسل، اندرکنش خاک و سازه، انرژی هیسترزیس
.1 مقدمه
محدودیت های زمین از نظر هزینه اولیه خرید و تراکم جمعیت در شهرهای بزرگ باعث شده ساختمان های با ارتفاع بلند روی هر نوع خاکی بنا شوند. طراحی این نوع سازهها برای کشور ما که از خطر بالای زلزله برخوردار است شرایط و روشهای ویژهای نیاز دارد. از طرف دیگر شهرهای ساحلی و مرزی به عنوان مناطق آزاد اغلب روی خاک رس توسعه یافتهاند. اثرات اندرکنش خاک و سازه طی چند دهه اخیر محققین زیادی رو متوجه خود ساخته است. اندرکنش خاک و سازه هم رفتار خطی و هم رفتار غیر خطی سازهها را تحت تاثیر قرار میدهد. از این رو طراحی لرزهای سازهها تحت تاثیر این مقوله است.
در چند دهه اخیر زلزلههای ویرانگر زیادی چون زلزله های نوتریج - 1994 - ، کوبه ژاپن - 1995 - ، ایزمیت و دوزچی ترکیه - 1999 - و چی چی تایوان - 1999 - در حوزه نزدیک به گسل رخ داده است. این زلزلهها و آثارشان بر روی سازهها سبب شد تا محققین زیادی بر روی این زلزلهها تحقیق کنند. اهمیت این موضوع در طراحی سازه های مهندسی عمران به خوبی درک نشده بود تا اینکه پس از زلزلههای اخیر و خرابی زیاد سازههای طراحی شده با آیین نامههای متداول زلزله، برای محققین اثبات شد که پاسخ غیر خطی سازهها برای زلزلههای حوزه دور و نزدیک بسیار با یکدیگر متفاوت بوده و این آیین نامهها نیازمند تکمیل می باشند. آثار ناشی از زمین لرزههای حوزه نزدیک و امواج پالسگونه، تا اندازه زیادی ناشناختهاند، و بدلیل کمبود اطلاعات آزمایشگاهی و تجربی، تاکنون آیین نامههای محدودی تاثیر آن را در متن ضوابط خود گنجاندهاند.
.2 مشخصات زلزله در فاصله با گسل
مطالعه در مورد زلزله حوزه نزدیک سابقهای طولانی دارد. میزان خرابی ایجاد شده در اثر وقوع زلزله به عوامل بسیاری از جمله مکانیزم شکست، فاصله گسل تا محل، نوع خاک و خصوصیات رکورد زلزله شامل محتوای فرکانسی، مدت زمان و دامنه و همچنین خصوصیات دینامیکی سازه وابسته است. از حدود نیم قرن پیش زمینلرزهها را بر حسب فاصله محل ثبت رکورد تا گسل به دو دسته زلزلههای حوزه نزدیک و دور تقسیمبندی کردهاند. البته بعدها این تعریف اصلاح گردید و عوامل دیگری در این تقسیمبندی تاثیرگذار گشتند. در بین زلزلههای اخیر نیز زلزلههای نورتریج - 1994 - ، کوبه - 1995 - و جیچی 1999 را میتوان از خسارتبارترین و مهمترین زلزلههای حوزه نزدیک دانست که با توجه به اهمیت آنها مطالعات زیادی بر روی آنها انجام گرفته است.
کاملاً روشن است که به حداقل رساندن خسارتهای جانی، اقتصادی، اجتماعی و ... نیازمند تدوین و گسترش دیدگاه تحلیلی نسبت به ارتعاشات زلزلههای حوزه نزدیک میباشد. در دسامبر 1995 گزارشی طولانی تحت عنوان - مطالعه پارامتری پاسخ قابهای خمشی فولادی به زمین لرزه حوزه نزدیک گسل - با سرمایهگذاری آژانس مدیریت بحران آمریکا - FEMA - ارائه گردید. بر اساس نتایج این تحقیق معلوم گردید که تنش غیرالاستیک عموماً در تیرها ایجاد شده ولی به میزان قابل توجهی تسلیم در ستونها نیز اتفاق میافتد که در پایان به این نتیجه رسیدند که تاثیرات رکوردهای نزدیک گسل از تاثیرات ارائه شده در آییننامهها بیشتر است لذا به منظور در نظرگرفتن تاثیرات رکوردهای نزدیک گسل در آییننامههای لرزهای باید سطح نیروهای طراحی آییننامهها برای زمینلرزههای نزدیک گسل افزایش یابد.
.3 مدلسازی اندرکنش خاک و سازه
روشهای مختلفی برای مدلسازی پیهای سطحی وجود دارد: مدل فنرهای غیر همبسته، مدل المانهای بزرگ، مدل المان محدود و مدل بسترهای فنری. مدل بسترهای فنری به دلیل انعطافپذیری و قابلیت بالا در شبیهسازی رفتار پیها و همچنین سادگی مدلسازی از مقبولیت خوبی برخوردار است. اولین بار مدل بسترهای فنری برای توجیه رفتار پیها توسط وینکلر پیشنهاد شد .[1] در این مدل از گروهی فنرهای نزدیک بههم برای مدل کردن رفتار خاک و پی استفاده شده است. در مدل وینکلر فنرهای قائم برای بدست آوردن رفتار قائم و دورانی پی و یک فنر افقی برای بدست آوردن رفتار افقی پی استفاده شده است. مدل وینکلر در سالهای بعد توسعه خوبی پیدا کرد و تکنیک BNWF1 شکل گرفت. در این روش فنرهای غیرخطی برای هر دو جهت افقی و قائم به کار برده شدهاند. فنرهای qz برای مدل کردن رفتار عمودی خاک و فنرهای px و tx به ترتیب برای مدل کردن رفتار افقی ناشی از مقاومت منفعل خاک و مقاومت اصطکاکی خاک به کار برده شدهاند. پیشنهاد داده شده در [2] FEMA 356 نیز نوعی از مدل بسترهای فنری میباشد. شکل 1 این پیشنهاد را برای مدل کردن پیهای سطحی نشان میدهد:
این مدل پی را به دو ناحیهی کاملا مجزا تقسیم میکند: ناحیهی مرکزی و ناحیهی انتهایی. ناحیهی انتهایی برای بدست آوردن سختی دورانی اولیه سختتر در نظر گرفته میشود. سختی فنرهای قائم - qz - در نواحی انتهایی و مرکزی طبق روابط - 1 - و - 2 - بدست میآید.
ضرایب
ظرفیت باربری خوانده میشوند. همگی این ضرایب تابعی از زاویهی اصطکاکی خاک - - s میباشند.
برای بدست آوردن مقاومت نهایی فنرهای px بر واحد طول پی را میتوان از رابطهی 4 استفاده کرد:
در رابطهی بالا وزن واحد خاک، K ضریب فشار منفعل زمین، D عمق مدفونشدگی پی است.
برای بدست آوردن مقاومت نهایی فنرهای tx میتوان از رابطهی 5 استفاده کرد:
در رابطهی بالا W g وزن وارد شده بر فونداسیون از طرف سازه، زاویهی اصطکاک بین خاک و فونداسیون - مقداری بین sسطح فونداسیون میباشند. سختی فنرهای tx را میتوان طبق روابط مطرح شده در آییننامههای بهسازی از قبیل fema356 بدست آورد - روابط 6 و : - 7 سختی فنرهای px را میتوان از روابط ارائه شده برای فنرهای py شمع که در ادامه ذکر خواهد شد بدست آورد. شمع باید برای مقاومت در برابر بارهای محوری استاتیکی و چرخهای طراحی شود. در سیستم شمع مقاومت محوری بوسیلهی ترکیبی از انتقال بار در وجه شمع و مقاومت در راس شمع تامین میشود. رابطهی بین برش خاک و شمع و تغییر شکل محلی شمع در هر عمقی بوسیلهی یک منحنی t-z تعیین میشود.
همینطور رابطهی بین مقاومت راس شمع و تغییر شکل محوری بوسیلهی منحنی Q-z تعیین میشود. ریسه و همکاران پیشنهاداتی رو برای منحنیهای p-y تا حدی برپایهی ریاضیات و بیشتر بر پایهی آزمایشات در خاکهای دانهای و رس بیش تحکیم یافته ارائه کردند. پیشبینی منحنیهای p-y مستلزم دقت و توجه به جزییات است. استفاده از اطلاعات مربوط به خاک محل پروژه، توجه اساسی به نقش آب، استفاده از مکانیک خاک تا حد ممکن و در نظر گرفتن طبیعت بارگذاری در محل پروژه نباید فراموش شود. این منحنی برای خاک رس سفت بدون آب آزاد توسط ریسه و همکاران [3] به شکل زیر ارائه شده است:
