بخشی از مقاله
خلاصه:
خسارات وارده به شمعها وسازه های قرار گرفته بر روی آنها در طول زلزله های مختلف، باعث تحقیقات گسترده ای به منظور شناخت وتحلیل لرزه ای سازه های دارای فونداسیون شمعی گردیده است. لیکن وجود اندر کنش های مختلف بین اجزاء یک سیستم خاک -شمع -سازه - از جمله اندر کنش سینماتیکی خاک -شمع ،اندر کنش اینرسال ناشی از روسازه ومیرابی تابشی - باعث پیچیدگی در تحلیل سیستم گردیده است.
وجود این اندر کنشها می تواند پاسخ سازه را نسبت به بارهای وارده به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهد. لذا در روشهای متداول تحلیل وطراحی سازه ها ،به طور محافظه کارانه از این اندر کنش ها صرفنظر می گردد که می تواند باعث افزایش هزینه ها گردد. لذا منظور داشتن این اندر کنشها در تحلیل سازه ها ضروری می باشد. به منظور در نظر گیری صحیح اندر کنش های موجود در سیستم ،انجام تحلیل یکپارچه سیستم ضروری می باشد.
مقدمه :
ایناین از مهمترین مسائلی که که در طراحی سازهها همواره مورد توجه مهندسان باید قرارگیرد طراحی سازهها به گونه ای است که در مقابل بارهای جانبی مقاومت بیشتری از خود نشان دهند. برای رسیدن به این هدف، تاکنون روشهای بسیاری برای مقاوم ساختن سازهها در برابر زلزله ابداع شده است. یکی از این راه حل ها، احداث پی های عمیق و به خصوص استفاده از شمع است.
اگر چه تا چند دهه پیش، پیشرفتهای مهمی در این زمینه صورت پذیرفته بود اما زلزله های اخیر وآشکار شدن بعضی نقایص طراحی شمع، اهمییت تحقیق در این زمینه را بیش از پیش روشن ساخت. شالودههای عمیق اعم از شمع های در جاریز یا کوبشی و همچنین صندوقهها و پایههای عمیق، عموما جهت انتقال بارهای سازهای از خاک-های نرم به لایههای سخت تر در اعماق زمین، بکار میروند. این پیها ممکن است تحت بارهای جانبی لحظهای یا متناوب ناشی از عوامل دینامیکی مختلف از قبیل زلزله، باد، موج انفجار، ضربه و یا بار ناشی از ماشینها قرار گیرند.
بنابراین انجام مدرس دانشگاه فنی و حرفه ای - دانشکده فنی پسران خرم اباد ؛دانشجوی دکتری مهندسی عمران -خاک و پی دانشگاه ازاد اسلامی واحد اراک 2 عضو هیات علمی و استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی تهران 3 عضو هیات علمی و استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی تهران تحلیلهای دینامیکی برای این بارهای وارده، ضروری به نظر میرسد.
در این تحقیق شمعها بهعنوان مهمترین شالودههای عمیق، تحت بار زلزله بررسی گردیده اند. هنگامیکه یک سازه بنا شده بر روی خاک نرم با فونداسیون شمعی تحت نیروهای ناشی از زلزله قرارگیرند، خطرات زیادی فونداسیون را تحدید می کند. اثرات احتمالی ایجاد پدیده تشدید بین خاکهای نرم با پریود طولانی وسازه های مرتفع، می تواند باعث افزایش این خطرات گردد.
روشهای تحلیلی وتئوریک مبتنی بر مکانیک محیطهای پیوسته نیز توسط محققین متعددی بکار برده شده است. اما مزیت استفاده از روش اجزای محدود، قابلیت تحلیل شمع و خاک و اندر کنش آنها با در نظر گرفتن همزمان پارامترها میباشد، با استفاده از این روش میتوان هر نوع نیمرخ خاک رادر حالت سه بعدی مورد مطالعه قرار داد. یکی از علل موفقیت این روش در تحلیل مسائل خاکی استفاده از مدلهای رفتاری مختلف خاک میباشد. که میتوان رفتار خاک را با دامنه وسیعی از کرنشها، اثرات سرعت ×بارگذاری وکاهش سختی و... مورد مطالعه قرار داد.
روش تحقیق:
به منظور در نظر گیری صحیح اندر کنش های موجود در سیستم، انجام تحلیل یکپارچه سیستم ضروری می-باشد. لذا به دلیل پیچیدگیهای موجود، انجام چنین تحلیلی تنها با استفاده از روش عددی وبه کمک نرم افزارهای کامپیوتری میسر میباشد. یکی از مسائل مهمی که در تحلیل یکپارچه سیستم مطرح است، مدلسازی خاک می باشد. دقیق ترین روش، مدلسازی سه بعدی خاک به روش المان محدود واستفاده از مدلهای رفتاری مناسب برای آن می-باشد. لیکن به دلیل اینکه در این روش بایستی حجم زیادی از خاک اطراف مدل گردد، نیاز به صرف هزینه و زمان زیادی میباشد.
به همین دلیل میتوان از روشهای سادهتری استفاده نمود که با صرف هزینه وزمان کمتر، دقت قابل قبولی را ارائه می دهند. یکی از این روشها استفاده از مدل تیر بر روی بستر وینکلر میباشد. در این روش می-توان با استفاده از فنرهای غیر خطی و میرا گرها، رفتار دینامیکی شمع- خاک را مدل نمود. معمولا برای مدل کردن فاصله بین شمع وخاک از فنر هایی استفاده می شود، که قادر یه تحمل کشش نباشند.
مدلسازی مرزهای خاک می باشد. در مورد تحلیل استاتیکی، میتوان یک مرز ساختگی را در جائیکه پاسخ از یک مقدار خاص کمتر است قرار داد. لیکن در مورد بارهای دینامیکی، این مرزهای ساختگی امواج را منعکس میکنند و اجازه عبور امواج رابه داخل محی بینهایت خاک نمیدهند.
بنابراین محی نیمه بینهایت خاک بایستی به طریقی مدل گردد که شرای تابشی را ارضاء کند، یعنی امواج تنها بتوانند به سمت خارج از منطقه مورد بررسی تابش بمایند و نباید به داخل این مرزها بازتاب کنند. حرکت زلزله به شکل تاریخجه زمانی شتاب برسنگ بستر مفروض برپایه شبکه المان محدود اعمال شد. برای اثرات اندرکنش سینما تیکی ،پاسخ میدان آزاد خاک و پاسخ سر شمع ها حاصل از تحلیل سیستم گروه شمع-خاک با هم مقایسه شد.
تحلیل عکس العمل بستر - تیر روی پی وینکلر - :
در این روش محل تماس خاک -شمع به تعدادی نقاط تقسیم میگردد که در آن نقاط از ترکیب فنرها و میراگرها بیانگر سختی خاک -شمع ومیرایی هر لایه استفاده میشود. فنرهای خاک شمع ممکن است ارتجاعی خطی و یا غیر خطی در نظر گرفته شود. یکی از مزایای مدا بستر وینکلر، امکان ساده سازی محل اتصال خاک -شمع به صورت دو بعدی است. که در آن از مولفههای سه بعدی شعاعی اندر کنش چشم پوشی میگردد. این روش بهدلیل کم حجمی محاسبات و سادگی برای سازههایی که از درجه اهمییت برخوردار نباشند مزیت دارد.
از دیگر مشکلات وینکلر، علاوه بر صرف نظر کردن از اندر کنش بین لایه های مجزا، این است که نمایش صحیح میرا ی و اثرات اینرسی محی پیوسته خاک با استفاده از چنین سیستم مجزایی مشکل است. تا کنون به منظور مدل سازی رفتار غیر خطی و دینامیکی خاک در فونداسیون های شمعی تحت بار جانبی، مدلهای مختلفی بر مبنای فرض وینکلر، و با استفاده از روشهای تحلیلی یا تجربی، توسعه یافته اند. در بسیاری از مدلهای مبتنی برروش تحلیلی خاک به دو ناحیه میدان دور و میدان نزدیک تقسیم گردیده است. که هر ناحیه توس ترکیبی از فنرها و میراگرهای منفصل در اعماق مختلف مدل میگردد.
مدلهای المان محدود برای شرای مختلف، اعتبار سنجی و اصلاح گردیده است. همچنین مدل های ساده تری وجود دارد که مبتنی بر نتایج کارهای تجربی می باشد . در این مدل ها خاک بر اساس منحنی های تجربی p-y شبیه سازی می گردد. مدل تیر بر روی فونداسیون غیر خطی وینکلر یک روش ساده سازی شده با استفاده از فنرهای غیرخطی شمع-خاک p-y میباشد که فواید زیادی در کارهای مهندسی داشته است. تروچیانیس و همکاران نشان دادند که پاسخ شمعهای در معرض بارگداری جانبی، که با استفاده از فرمولهای BNWF پیش بینی شده اند، توافق خوبی را با اطلاعات حاصل از آزمایشات بار استاتیکی و آنالیزهای سه بعدی و غیر خطی المان محدود دارد.
مدل سازی سختی غیر خطی خاک شمع با استفاده از منحنی های p -y تجربی که از آزمایش های صحرایی حاصل شده اند، علاوه بر ساده بودن دارای این مزیت است که بر خلاف دیگر روشهای تحلیلی، بطور ضمنی در برگیرنده تأثیرات جایگذاری بر روی خاک اطراف می باشند.
- شمع های تحت بار جانبی:
در طراحی پی های شمعی مقاوم در برابر بارهای جانبی، در اکثر حالات، معیار طراحی، باربری جانبی نهایی شمعها نمیباشد، بلکه حداکثر تغییر مکان مجاز شمع، معیار طراحی است. تغییر مکان مجاز میتواند برای سازه های موقت و دیوارهای نگهبان مهار شده نسبتاً بزرگ باشد. ولی در برخی سازها نظیر کولههای مهار شده پل یا پی یک سازه بلند فق حرکتهای کوچک مجاز میباشد. در گذشته مراحل طراحی با استفاده از اطلاعات تجربی برای طراحی شمع صورت میگرفت، برای مثال کارهایی که توس مک نولتی - 1956 - بر شمع ها با مقیاس یک به یک، تحت بار گذاری جانبی صورت گرفته است.
تعداد محدودی از آزمایشهای صحرائی و مدل و نیز روش تجربی و پذیرفته شده منحنیهای p-y برای تحلیل شمع تحت بارجانبی مورد پذیرش قرار گرفتند. این روش تحلیل که در ابتدا برای بارگذاری استاتیکی استفاده میشد. به مرور اصلاح شده و برای شرای بار گذاری متناوب تعمیم داده شد و در عین حال برای حالات بار گذاری دینامیکی ولرزه ای هم اعمال می شود.
هم زمان با این روش ،روش هایی جهت ایده آل سازی تحلیل دینامیکی خاک -شمع-برای شمع های مدفون در یک محی ویسکو-الاستیک خاک بس داده شدند،که شمع را یک تیرالاستیک خطی فرض می کنند. این روش ها به همراه روش المان محدود، نتیجه تلاش های وسیع برای مطالعه مسئله اندر کنش خاک-سازه در نیروگاههای هسته ای مدفون در دهه های 70 و 60 میلادی بوده-اند.
عموماً در تحلیل شمع ها در مقابل نیروی زلزله، مؤلفه قائم زلزله کمتر در نظر گرفته میشود. دلیل این امر این است که ضرایب اطمینانی که در برابر نیروهای استاتیکی قائم، اعمال میشوند معمولا مقاومت کافی در برابربارهای قائم دینامیکی ناشی از زلزله را ایجاد می کند. ازاین رو، در بررسی رفتار شمع حین زلزله، تحلیل شمع در مقابل بارهای جانبی، اهمییت اصلی را داراست.
به غیر از شمع های ساخته شده در مناطق زلزله خیز، در اسکله ها و سازه های بندری نیز نیروی جانبی از طریق برخورد کشتی ها، طی پهلو گرفتن و یا در اثر موج به شمع ها وارد میشود؛ همین طور در سازه های ساحلی تحت اثرات باد و امواج دریا، در سازه های نگهبان متکی بر شمع ها، در پی برج های انتقال نیرو و در پایه های متکی بر شمع، شمع ها تحت نیروی افقی قرار می گیرند.
از این رو اهمیت فراوان این موضوع از لحاظ مهندسی، منجر به گسترش روش های تئوریک و نیمه تئوریک علاوه بر استفاده از نتایج آزمایشهای با مقیاس کامل، برای پیشگویی انحرافات جانبی شمع ها شده است. که این موضوع به عنوان یک طراحی دست بالا برای تحلیلهای طیفی مطرح می باشد. لیکن باید توجه داشت که صرف نظر کردن از اندر کنش شمع -خاک -سازه، هم ممکن است منجر به یک طرح نا ایمن گردد. برخلاف تصور عمومی تأثیرات اندرکنش شمع - خاک همیشه زیان بخش نیستند، بلکه ممکن است این اثرات مطلوب باشند .
- اندرکنش شمع -خاک -سازه:
هنگامیکه یک سازه در معرض یک بار دینامیکی قرار می گیرد، به دلیل اینکه سرعت انتقال امواج در خاک از بتن و فولاد کمتر است، بین تحریک و پاسخ ، تاخیر زمانی وجود داشته و بنابراین برای تحلیل این سیسنم باید از تئوری انتشار امواج کمک گرفت. این روند که در آن پاسخ خاک تحت تأثیر حرکت سازه و پاسخ سازه تحت تأثیر حرکت خاک است به اندر کنش خاک -سازه معروف است. به عبارت دیگر نگرش اصلی در اندر کنش خاک- سازه این است که پاسخ در تحریک موثراست.
- اندرکنش خاک- سازه ناشی از دو پدیده است:
ناتوانی پی از تبعیت از تغییر شکلهای میدان آزاد - اندر کنش سینما تیکی یا جنبشی - اثرات پاسخ دینامیکی سیستم برروی حرکت خاک بستر - اندر کنش اینر سیال - که اثرات اندر کنش اینر سیال معمولا از اندر کنش سینماتیکی آشکارتر است. بنابراین در مورد بارهای دینامیکی، یک سازه همیشه با خاک اطراف خود اندر کنش نشان داده و به همین دلیل تحلیل مجزای سازه کافی نمی باشد و بایستی اثرات این اندر کنش ها در تحلیل بخوبی مدل گردند.
حضور خاک در مدل دینامیکی نهایی سیستم را انعطاف پذیر تر ساخته، فرکانس اصلی را تا مقدار قابل توجهی کاهش می دهد که از مقدار مربوط به سازه خیلی کمتر است. تابش انرژی امواج منتشر شده به بیرون از سازه ،باعث افزایش میرایی سیستم دینامیکی نهایی خواهد شد.
بطور کلی هر چه انعطاف پذیری خاک بیشتر وسازه سخت تر باشد، اندر کنش خاک -سازه افزایش می یابد. از طرف دیگر، برای یک سازه انعطاف پذیر واقع در خاک سخت، این اثر ناچیز خواهد بود. به دلیل اثرات متقابل زیاد، معمولا تعیین اینکه آیا اثرات اندرکنش، پاسخ لرزهای سیستم را افزایش و یا کاهش خواهند داد
