بخشی از مقاله
خلاصه
تاثیر شرایط مرزی در نتایج آزمایشات مدل فیزیکی از اهمیت ویژهای برخوردار هستند. در حال حاضر، محفظههای برشی لایهای شرایط مرزی مناسبی را برای آزمایشات مدل فیزیکی به ویژه در کرنشهای برشی بزرگ فراهم میکنند. قبل از انجام آزمایشات میز لرزان، لازم است تا به من ظور جلوگیری از وقوع پدیده تشدید، از اختلاف قابل توجه مقادیر فرکانس بارگذاری و فرکانس طبیعی محفظه برشی لایهای پر از خاک اطمینان حاصل شود. در این مقاله، به نتایج مدلسازی عددی محفظه برشی لایهای بزرگ مقیاس ساخته شده در دانشگاه صنعتی شریف با نرمافزار اجزای محدود ABAQUS پرداخته می شود. نتایج مدلسازی عددی، نشان داد که فرکانس طبیعی محفظه برشی لایهای با فرکانس طبیعی خاک فاصله مناسبی دارد و در نتیجه تاثیر منفی بر حرکت طبیعی خاک نمیگذارد. همچنین فرکانس طبیعی سیستم خاک و محفظه برشی لایهای در محدودهای خارج از فرکانس بارگذاری قرار میگیرد و در نتیجه در حین آزمایش تشدید رخ نخواهد داد.
1. مقدمه
در جریان زلزله های گذشته، آسیب های فراوانی به شمع ها، در زمین های روانگرا شونده وارد شده است.[1-3] روانگرایی در زمین های با خاک دانه ای شل و اشباع که شیب ملایم دارند منجر به گسترش جانبی میگردد.[4] پدیده گسترش جانبی ناشی از روانگرایی خرابی های بسیار شدیدی را در سازه ها و پی های عمیق موجب شده است.[5-8] اگرچه در سال های اخیر مطالعات زیادی به منظور شناخت جنبه های مختلف این پدیده صورت گرفته است، ولیکن اندرکنش دینامیکی میان شمع و خاک روانگرا شده در شرایط گسترش جانبی از پیچیدگی های بسیاری برخوردار بوده و هنوز به طور کامل شناخته نشده است.[9-12] از همین روی هم چنان مطالعات بیشتری به منظور شناخت مکانیزم عمل پدیده گستر ش جانبی و فشارهای خاک وارده به شمع ها مورد نیاز است.[12] تحقیقاتی که برای بررسی پدیده گسترش جانبی در آزمایشات بزرگ مقیاس میز لرزان توسط محفظه های صلب صورت گرفته است[12]، اثر استهلاک موج را در نظر نمی گیرد و موجب انعکاس موج در برخورد با کناره های صلب محفظه میشود.[13] با ساختن محفظه برشی با ساختار لایه ای اثر انعکاس موج را به حداقل رسانده و میرایی موج مدلسازی میشود. از آنجایی که آزمایشات مدلسازی فیزیکی به صورت دینامیکی است، بایستی به منظور کنترل محفظه برشی لایهای ساخته شده در دانشگاه صنعتی شریف - شکل - 1 برای بررسی پدیده گسترش جانبی تحلیل فرکانس صورت گیرد تا از عدم رخداد تشدید احتمالی در حین آزمایش اطمینان حاصل گردد. در این تحقیق از نرم افزار المان محدود ABAQUS برای تعیین پارامترهای دینامیکی و مودال محفظه برشی لایهای طراحی شده استفاده شد تا از عملکرد مناسب محفظه و دور بودن فرکانس محفظه از فرکانس طبیعی خاک اطینان حاصل گردد.
2. کلیات
تحلیل مودال فرآیند تعیین مشخصات دینامیکی ذاتی یک سیستم در قالب فرکانس طبیعی، ضرایب میرایی و شکل مودها و همینطور استفاده از آنها برای فرمول بندی مدل ریاضی رفتار دینامیکی آن است. تحلیل های مودال به دو روش عددی و آزمایشگاهی قابل انجام هستند. برای سیستمهای مکانیکی روش آزمایشاگاهی تحلیل مودال شامل دو روش عمده آزمایش ضربه چکش1وآزمایش لرزش2 است. در هر دو این روشها انرژی با محتوای فرکانسی مشخصی به سیستم داده میشود و در حین رخ داد تشدید، در دامنه پاسخ تقویت مشاهده میشود و سپس به کمک طیف پاسخ و طیف نیرو میتوان تابع تبدیلFRF3 را بدست آورد - شکل . - 2 روش تحلیل مودال نظری بر اساس یک مدل فیزیکی از سیستم دینامیکی است که مشخصات جرم، سختی و میرایی آن را داراست. این خصوصیات ممکن است به صورت معادلات مشتقات جزیی داده شود. اگرچه، یک مدل فیزیکی واقع گرایانه تر باید عموما شامل خصوصیات جرم، سختی و میرایی به صورت توزیع مکانی آن باشد، که همان ماتریس جرم، سختی و میرایی است. این ماتریسها به یک دسته معادلات مشتق معمولی حرکت اعمال میشود. اصل جمع آثار قوا در یک سیستم دینامیکی خطی اجازه میدهد تا این معادلات به یک مسئله مقدار ویژه معمولی تبدیل شود.[14] فرآیند تحلیل فرکانس در نرم افزار×ABAQUS×به این صورت است که از مقادیر ویژه برای بدست آوردن فرکانسهای طبیعی و مود مرتبط با آن ها برای سیستم استفاده میکند. مسئله مقدار ویژه برای فرکانس طبیعی مدل بدون میرایی المان محدود به صورت رابطه - 1 - است:[15] - − 2 + - = 0 - 1 - که در آن ماتریس جرم، ماتریس سختی، بردار ویژه - مود ارتعاش - وM و N درجات آزادی هستند.
همان طور که ا شاره شد یکی از کاربردهای تحلیل مودال و تعیین پارامترهای دینامیکی سازه ها، ا صلاحات سازه ای ا ست و اطمینان از اینکه پارامترهای دینامیکی سازه به کاربرد آن سازه لطمه ای وارد نمیکند.[14] در این تحقیق هم کاربرد مد نظر از محفظه بر شی لایه ای ساخته شده انجام آزمای شات دینامیکی و بررسی رفتار خاک و تاثیر آن روی شمع است که نیازمند این اطمینان است که در شرایط بارگذاری دینامیکی، در سازه محفظه برشی لایه ای هیچگونه تشدیدی ایجاد نمیشود و پارامترهای دینامیکی سازه روی نتایج آزمایش تاثیر گذار نیست. در مورد این نوع آزمایش هم فرکانس محفظه برشی، هم فرکانس خاک داخل محفظه و هم فرکانس محفظه برشی همراه با خاک بای ستی به گونه ای باشند که از فرکانس بارگذاری فا صله دا شته با شند. همچنین لازم ا ست که فرکانس محفظه خالی و فرکانس خاک هم به هم نزدیک نبا شند تا روی پارامترهای دینامیکی واقعی خاک تاثیر منفی نداشته باشد.
3. معرفی مدلها و نحوه مدلسازی
مدل های ساخته شده برای تحلیل مودال محفظه برشی لایهای طراحی شده، در ابتدا شامل مدل محفظه است که در ادامه با مدلهای محفظه با خاک همراه میشود. این مدلها در جدول 1 ارائه شده است. وضعیت هندسی هرکدام از مدلها در شکل 3 و 4 نشان داده شده است. از آنجایی که در نرم افزار ABAQUS تحلیل فرکانس همان طور که گفته شده بر اساس مقادیر ویژه بدست آمده از حل رابطه - 1 - ، محاسبه می شود که در آن ماتریس سختی در معادله ا ست.[15] محفظه لایه ای مانند یک ساختمان بر شی ا ست که یا سختی بر شی ستونهای آن بینهایت و یا صفر است. هنگامی که نیروی محرک وارد به هر قاب کمتر از نیروی اصطکاک بین آن با قاب های مجاور خود باشد، قاب ها نمیتوانند نسبت به هم
