بخشی از مقاله
چکیده
هنگام زلزله اثرات اندرکنش کینماتیکی خاك- شمع علاوه بر تغییر در حرکت میدان آزاد زمین، با وارد نمودن انحنا و تغییر شکلهاي جانبی از طرف خاك به شمع، باعث گسیختگی شمعها در اعماق زمین میشود. با توجه به پیچیده بودن تحلیل پدیده اندرکنش کینماتیکی در خاكهاي لایهاي، نیاز به استفاده از روشهاي عددي براي تحقیق و تعیین بارهاي طراحی گروه شمعها را روشن میکند.
در این مقاله از مدل اجزاس ي محدود سه بعدي توسط نرمافزار ABAQUS براي تحلیل لرزهاي گروه شمعها واقع در دو لایه خاك با رفتار غیرخطی استفاده شده است. بدین منظور از مدل دراگر- پراگر سختشونده براي بیان رفتار غیرخطی خاك و از المانهاي نامحدود براي جلوگیري از برگشت امواج لرزهاي به درون سیستم خاك - شمع و اثر جعبهاي استفاده میشود. ابتدا صحت نتایج مدل عددي براي شمع منفرد تحت بارگذاري استاتیکی با نتایج آزمایشگاهی و نیز روش عددي وینکلر مورد ارزیابی قرار گرفته و مشاهده میشود که مدل به کار رفته قادر به پیشبینی قابل قبول پاسخها میس باشد.
سپس اثرات اندرکنش کینماتیکی خاك – شمع روي نیروهاي داخلی گروه شمعها واقع در محیط خاك لایهاي بررسی میگردد. انجام مطالعات پارامتري در خصوص عوامل موثر در تغییرات نیروهاي کینماتیکی شامل نسبت فاصله به قطر شمع و تعداد شمعها درگروه نشان میدهد که روش عددي مذکور قابلیت خوبی براي بررسی نیروهاي کینماتیکی لرزهاي در گروه شمعها را نیز دارد .
مقدمه
شمعها عضو سازهاي چوبی، بتنی و فولادي است که براي انتقال بارهاي سطحی به تراز پایینتر تودهي خاك مورد استفاده قرار میگیرند و کاربرد آنها در زیر سازههاي مهمی همچون تجهیزات نیروگاهی، مجتمعهاي پتروشیمی، سازههاي دریایی و پلها که تحت اثر ارتعاشات حاصل از امواج زلزله قرار دارند، محققین را متوجه لزوم بررسی رفتار دینامیکی شمعها کرده است . این مساله فرآینده بسیار پیچیدهاي است که مستلزم بررسی پدیدههایی همچون اندرکنش کینماتیکی خاك – شمع و اندرکنش اینرسی شمع – سازه میباشد و در طراحی مناسب سازهها و پیهاي آنها، باید هر دو این اثرات به طور دقیق محاسبه شوند.
در گذشته طراحی لرزهاي شمعها بدون در نظر گرفتن نیروهاي کینماتیکی، توسط نیروهاي اینرسی بدست آمده از تحلیل دینامیکی روسازه صورت میپذیرفت. این روند باعث افزایش سرعت محاسبات و همچنین افزایش سهولت مدل کردن مساله و فرضی محافظهکارانهاي تلقی میشد. ولی با بررسی خسارات و خرابی شمعها در زلزلههاي اخیر و نتایج به دست آمده از آزمایشات انجام شده روي مدلهاي فیزیکی، مشاهده شد که نیروهاي کینماتیکی میتواند سهم قابل توجهی در خسارتهاي ایجاد شده در فونداسیون شمعها در اعماق زمین داشته باشد و نبایستی در تحلیلها از آن چشم پوشی شود.
این مشاهدات موجب شد تا محققین به مطالعات و تحقیقات دقیقتري در زمینه نقش اندرکنش کینماتیکی در طراحی شمع بویژه در خاكهاي لایهاي پرداخته و روشهاي تحلیلی و عددي گوناگون در این خصوص پیشنهاد شود.
به طور کلی بسیاري از تحقیقات گذشته پیرامون تحلیل اندرکنش کینماتیکی خاك و شمع با استفاده از روشهاي نیمه تحلیلی و یا وینکلر در حالت رفتار الاستیک خاك انجام شده است . - Dezi et al., 2009; Nikolaou et al., 2001 - لیکن باید توجه نمود که در اثر زلزلههاي شدید رفتار غیرخطی خاك در فصل مشترك خاك و شمع اثرات زیادي بر روي پاسخ شمعها داشته و باید در تحلیل مدنظر قرار گیرد. در این زمینه، مطالعاتی با استفاده از روشهاي عددي وینکلر و اجزاي محدود به صورت تاریخچه زمانی انجام گردید تا بتوان اثر غیرخطی بودن خاك را در مدل بررسی نمود
لازم به ذکر است که در این مطالعات، محاسبه نیروهاي ناشی از اندرکنش کینماتیکی به سر شمعها محدود شده است و تحقیقات اندکی در ارتباط با برآورد این نیروها در امتداد شمعها به بحث پرداختهاند
در این مقاله، اثرات اندرکنش کینماتیکی خاك – شمع روي نیروهاي داخلی در امتداد گروه شمعها واقع در دو لایه خاك تحت بارهاي زلزله، با در نظرگرفتن رفتار غیرخطی مصالح خاك تشریح میشود. براي تحلیل دینامیکی از مدل اجزاي محدود سه بعدي توسط نرمافزار ABAQUS استفاده شده است تا دقت و توانایی این روش در بررسی این نوع نیروها مشخص گردد. سپس با انجام مطالعات پارامتري عوامل موثر در تغییرات نیروهاي کینماتیکی در مقاطع گروه شمعها شامل نسبت فاصله به قطر شمع و تعداد شمعها درگروه مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
تشریح مساله
زمانی که چند شمع انعطافپذیر در مجاورت همدیگر در بستري از خاك قرار میگیرند اثرات گروه بر روي رفتار شمع باعث میشود فشارهاي خاك در بین شمعها با یکدیگر همپوشانی داشته باشد و نیروي ایجاد شده در هر یک از شمعهاي گروه نسبت به نیروي شمع منفرد کاهش یابند. چنین فرآیندي در قالب پدیده اندرکنش شمع – خاك – شمع مورد توجه بسیاري از دانشمندان و محققین بوده است .
هدف مطالعه حاضر، بررسی این نیروهاي کینماتیکی در گروه شمعها واقع در خاكهاي لایهاي تحت حرکات جانبی زمین ناشی از انتشار امواج زلزله میباشد. براي بررسی این موضوع، مطابق شکل 1 از یک گروه شمع 5×5 به قطر 0.28 متر ، طول 13 متر با 0.1 متر بیرون زدگی از سطح زمین و نسبت فاصله به قطر برابر 3.6 و پروفیل خاکی به ضخامت 20 متر در دو لایه مساوي از رس نرم و سخت روي بستر سنگی استفاده میشود. شمعها توسط کلاهک فولادي به ابعاد 5×5 متر و ضخامت 0.6 متر به یکدیگر متصل میباشند.
جدول 1 خصوصیات مصالح مصرفی خاك و شمع را نشان میدهد. براي تحلیل دینامیکی، تحریک لرزهاي به صورت گذرا در کف توده خاکی اعمال میگردد. بدین منظور از مولفهي افقی زلزله طبس در سال 1978، ثبت شده در ایستگاه Dayhook با حداکثر شتاب 0.33 g، زمان تناوب غالب برابر 0.195 ثانیه استفاده و به مدت 24 ثانیه به گرههاي واقع در کف مدل در جهت محور x اعمال میشود.
شکل :1 مدل قرارگیري گروه شمع 5×5 در پروفیل خاك دو لایه جدول:1 خصوصیات مصالح خاك و شمع
مدل اجزاء محدود
در این تحقیق، براي مدلسازي سیستم خاك – شمع از برنامه ABAQUSE 6.9.3 استفاده شده است. شبکه اجزاء محدود به کار رفته مطابق شکل2، شامل یک مدل سه بعدي به ابعاد 20 متر با المانهاي مکعبی 8 گرهی براي مدل خاك میباشد که در کنارهها از المان نامحدود استفاده شده است. با توجه به محدودیت موجود از نظر زمان محاسبات، مشبندي به گونهاي انجام شده است که از یک سو زمان محاسبات بسیار طولانی نگردد و از سویی دیگر دقت لازم در نتایج فراهم گردد .
در مدل عددي، ابعاد المانهاي خاك در نزدیکی شمع کوچک نگه داشته و با دور شدن از شمع ابعاد المان افزایش مییابد. در راستاي قایم نیز ابعاد المانها در نزدیکی مرز مشترك جدایی لایهها ریز و در دیگر اعماق درشت و ثابت نگه داشته شده است. با توجه تقارن مدل نسبت به محور موازي با جهت نیروي جانبی وارده به سیستم - محور - x، نصف مدل در نظر گرفته میشود و درجات آزادي در جهت عمود بر صفحه تقارن گیردار میباشد. همچنین از مدل رفتاري دراگر - پراگر سختشونده براي مدلسازي رفتار غیرخطی خاك استفاده شده است.
شکل:2 شبکه اجزاي محدود سه بعدي سیستم خاك – گروه شمع 5×5
مدل کردن سطح تماس خاك و شمع یکی از قسمتهاي مهم در اندرکنش خاك – شمع میباشد. عموما سطح تماس بین شمع و خاك به صورت کاملا به هم چسبیده و یا به شکل سطح تماس اصطکاکی که امکان لغزش و نیز جدا شدن بین خاك و شمع . وجود داشته باشد در نظر گرفته میشود. در این تحقیق، از المان الاستیک Beam براي مشبندي شمع استفاده شده و در حالت تماس کامل به گرههاي المانهاي خاك متصل شده است. از نظر شرایط مرزي، قسمت سر شمعها در برابر دوران گیردار میباشد. همچنین از المانهاي مکعبی 8 گرهی براي مشبندي کلاهک شمع استفاده شده است.
میراییسیستم متشکل از میرایی داخلی مصالح و میرایی هندسی میباشد . میرایی مصالح در اثر عبور امواج ارتعاشی در داخل خاك به وجود میآید و میتوان آن را عامل اتلاف انرژي در اثر پسماند - Hysteresis - در خاك دانست که به صورت میرایی رایلی در سیستم اعمال میگردد. اما میرایی هندسی عامل اتلاف انرژي در اثر پخش امواج از پی سازه به اطراف تا محدوده نیمه بینهایت است.
در این حالت، مدلسازي شرایط مرزي درکنارههاي مدل خاك بایستی به گونهاي صورت گیرد تا از برگشت امواج لرزهاي به داخل مدل و اثر جعبهاي جلوگیري شود. بنابراین براي اعمال شرایط مرزي دینامیکی از مرزهاي جاذب - Quiet Boundary - استفاده شده است. این مرز از قابلیت نرمافزار بوده و سبب جلوگیري از انعکاس امواج اضافی به خاك میشود . براي استفاده از این مرزها ، در اطراف مدل از المانهاي نامحدود استفاده میگردد. با فرض قرار گرفتن لایه خاك بر روي سنگ بستر، شرایط انتهایی مدل در سه جهت بسته شدهاند .
ارزیابی مدل عددي
براي بررسی ارزیابی مدل، از مشخصات خاك و شمع منفرد به کار رفته در تحقیقات آزمایشگاهی که توسط Blaney and ONeill - 1986 - در دانشگاه Houston انجام گردید، استفاده شده است و نتایج تحلیل استاتیکی مدل سه بعدي با نتایج حاصل از آزمایش و نیز روش وینکلر - Matlock, 1970 - مقایسه میشوند.
مدل تحلیلی شامل یک شمع منفرد با سر بصورت آزاد به طول 13 متر با 0.1 متر بیرون زدگی از سطح زمین و قطر 0.28 متر و خاك رس نرم با مشخصات مطابق جدول1 میباشند. تحلیل استاتیکی با اعمال بار جانبی به سر شمع انجام گرفته و تغییر مکان ایجاد شده تحت بار وارده کنترل میشود. در این تحقیق از مدل تماس سطح به سطح با خصوصیات رفتاري از نوع تماس سخت و بدون اصطکاك براي مدل کردن سطح تماس خاك و شمع استفاده میشود. رفتار غیرخطی خاك توسط مدل دراگر-پراگر سخت شونده در نظر گرفته میشود.
