بخشی از مقاله
چکیده
در هنگام وقوع زلزله، گسیختگی گسل دو نوع تغییر مکان شامل جابجائی ناشی از انتشار امواج برشی زلزله و جابجایی ماندگار بر روي گسل را ایجاد میکند. تحقیقات مهندسی زلزله تاکنون بیشتر بر روي پاسخ دینامیکی خاك و سازه در اثر ارتعاش زمین متمرکز بودهاست و مطالعات کمتري در خصوص شناخت اندرکنش گسلش و سازه انجام شدهاست. پس از سه زلزله مهم در ترکیه و تایوان که در آنها موارد متعددي از آسیبهاي وارد بر سازههاي در معرض جابجائیهاي ماندگار ناشی از گسلش گزارش شد، توجه زیادي به انجام تحقیقات بیشتر در این زمینه معطوف گردید.
با این وجود در بیشتر تحقیقات انجام شده از در نظرگرفتن مستقیم سازه در مدلهاي آزمایشگاهی و تحلیلی خودداري شدهاست. با توجه به پیشینه مناسب مطالعات انجام شده تا مرحله فعلی، به نظر میرسد مدلسازي مستقیم سازه میتواند درك بهتري از عملکرد اعضاء مختلف آن در حین گسلش و همچنین تاثیر تغییر خصوصیات سازه بر عملکرد کلی سیستم را امکانپذیر سازد. در تحقیق حاضر، تاثیر مدلسازي مستقیم سازه بر عملکرد سیستم کوپل گسلش معکوس- خاك- فونداسیون- سازه در مدلسازیهاي فیزیکی و عددي و صحتسنجی نتایج تحلیلهاي عددي مطالعه میشود .
در ابتدا نحوه انتشار گسل در یک لایه ماسهاي مورد آزمایش قرار میگیرد و مدل عددي مربوطه با استفاده از نتایج این آزمایش صحتس سنجی و تدقیق میگردد. در ادامه تاثیر حضور سازه بر عملکرد سیستم کوپل با دو آزمایش بررسی شده و پاسخهاي سازه در دو حالت با یکدیگر و با نتایج مدلسازي آزمایشگاهی مقایسه میشود. براي مدلسازي فیزیکی از دستگاه آزمایش گسلش 1g موجود در آزمایشگاه ژئوتکنیک پژوهشگاه زلزله شناسی و مهندسی زلزله و براي مدلسازي عددي از روش اجزاء محدود و نرم افزار آباکوس استفاده شدهاست. نتایج کیفی حاصل از آزمایشها با روش پردازش تصویر به نتایج کمی و قابل مقایسه با تحلیلهاي عددي تبدیل شدهاست. به منظور کنترل بیشتر بر نتایج آزمایشها نیز تعدادي جابجایی سنج دیجیتال بکار گرفته میشود.
-1 مقدمه
تجربیات زلزلههاي گذشته نظیر ترکیه و تایوان - 1999 - و ونچوان - 2008 - موارد بسیاري از تخریب یا آسیب دیدگی سازههاي مختلف نظیر ساختمانها، دکلهاي برق، سدها، راهها و پلها تحت تاثیر پدیده گسلش سطحی و جابجائیهاي ماندگار ناشی از آن ارائه دادهاست
با این وجود مواردي از عملکرد مناسب برخی از سازهها بدون در نظر گرفتن تمهیداتی خاص در هنگام گسلش سطحی و یا انحراف مسیر گسلش در اثر حضور سازه گزارش شدهاست. این امر بیانگر تاثیر متقابل گسلش سطحی و سازه یا فونداسیون بر یکدیگر است.
در تحقیقات پیشین مطالعه در زمینه انتشار گسلش، از سه جنبه مطالعات میدانی، مدلسازي فیزیکی با آزمایشهاي سانتریفیوژ و 1g، Bransby - 2008 - و موسوي و جعفري - 1389 - ، و مدلسازي عددي انجام شدهاست. عمده این بررسیها بر تعیین مکانیزمهاي گسیختگی و انتشار گسل در آبرفت و پارمترهاي موثر بر آن در حالت میدان آزاد و در اندرکنش با فونداسیون تمرکز داشتهس است.
بر این مبنا میتوان نتیجه گیري کرد که فونداسیون صلب و پیوسته و یا با بار سنگین، تغییر شکلهاي نامتوازن تکیهگاهی و در نتیجه تخریب کمتري را به سازه منتقل مینمایند و بیش از فونداسیونهاي تکی یا سبک باعث انحراف مسیر گسلش خواهند شد .
در زمینه تمهیدات ژئوتکنیکی براي مقابله با خطر گسلش سطحی و کاهش تخریبهاي ناشی از آن نیز مطالعاتی صورت گرفته است که از مهمترین آنها میتوان به کارهاي Moosavi & Jafari - 2012 - و Fadaee et al - 2013 - اشاره نمود. فدایی و جعفري - - 1392 به منظور حفاظت فونداسیون در برابر گسلش، پیشنهاد استفاده از دیواره بنتونیتی در حد فاصل مسیر انتشار گسل تا فونداسیون را پیشنهاد داده که نتایج آن در بهبود عملکرد فونداسیون بسیار تاثیر گذار بودهاست.
علی رغم مطالعات نسبتا جامع انجام گرفته در زمینه اندرکنش گسلش- آبرفت- فونداسیون- سازه، اثر سازه در مدلسازیها تنها با اعمال سربار ناشی از آن بر فونداسیون منظورشده و از مدلسازي مستقیم سازه در مدلهاي آزمایشگاهی و تحلیلی خودداري شدهاست. با توجه به پیشینه مناسب مطالعات انجام شده تا مرحله کنونی، به نظر میرسد مدلسازي مستقیم سازه میتواند درك بهتري از عملکرد اعضاء مختلف سازه در حین گسلش و همچنین تاثیر تغییر خصوصیات سازه - نظیر سختی اعضاء، نوع سازه و هندسه آن - بر عملکرد کلی سیستم را امکانپذیر سازد.
در زمینه مدلسازي مستقیم سازه در تحقیقی که در راستاي پایاننامه کارشناسی ارشد لهاشمیل در دانشگاه فنی آتن انجام گرفتهاست، تاثیر متقابل گسلش سطحی- سازه در یک لایه آبرفتی ماسهاي با استفاده از تحلیلهاي عددي و آزمایشگاهی و با تمرکز بر نحوه تاثیر گسلش بر سازه، بررسی شدهاست. سازه مورد نظر از جنس آلومینیوم و داراي سه طبقه و یک دهانه و با اتصالات نیمه گیردار در نظر گرفته شدهاست . در این تحقیق پس از صحت سنجی نتایج مدلسازي عددي، تعدادي تحلیل پارامتریک بر روي سیستم گسلش- خاك- فونداسیون- سازه انجام و تاثیر تغییر موقعیت سازه بر پارامترهایی نظیر چرخش نسبی و کلی اعضاء، دریفت طبقات و تغییر شکلهاي نقاط اتصالات بررسی شدهاست
با توجه به موارد فوق، در تحقیق حاضر که در راستاي پروژه پژوهشی لبررسی اثر اندرکنش گسلش سطحی- قابهاي ساختمانیل در پژوهشگاه بین المللی زلزلهشناسی و مهندسی زلزله تعریف شده است، مدلسازي آزمایشگاهی و عددي مسئله به منظور بررسی تاثیر متقابل سازه و گسلش بر یکدیگر مورد مطالعه قرار خواهد گرفت . بدین منظور ابتدا آزمایش گسلش براي حالت میدان آزاد و سپس دو آزمایش با حضور سازه انجام خواهد شد. مدلسازي عددي هر سه آزمایش با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود آباکوس صورت خواهد گرفت و کالیبراسیون و صحت سنجی نتایج تحلیلهاي عددي با استفاده از دادههاي نمونههاي آزمایشگاهی انجام خواهد شد.
-2 مدلسازي فیزیکی
-1-2دستگاه گسلش
مدلسازي فیزیکی سیستم گسلش معکوس- خاك- فونداسیون- سازه با استفاده از دستگاه گسلش 1g موجود در آزمایشگاه مکانیک خاك پژوهشگاه بین المللی زلزلهشناسی و مهندسی زلزله انجام شدهاست - موسوي و جعفري . - 1392 این دستگاه قادر به مدلسازي گسلش قائم - نرمال و معکوس - است. جعبه اصلی دستگاه داراي 180 سانتیمتر طول، 50 سانتیمتر عرض و 80 سانتیمتر ارتفاع است که امکان مدلسازي لایه خاکی با ضخامت حداکثر 60 سانتیمتر را دارا میباشد.
در این تحقیق، طول جعبه با استفاده از دیواره موقت به 130 سانتیمتر کاهش یافته است . در مدلسازیهاي فیزیکی انجام گرفته گسلش از نوع معکوس میباشد. طول بخش متحرك قسمت تحتانی جعبه 40 سانتیمتر، زاویه اعمال گسلش 45 درجه و از نوع معکوس انتخاب شدهاست. جابجایی پایه در گامهاي 2 میلیمتري با حداکثر مقدار 62 میلیمتر و بصورت شبهاستاتیکی به مدل اعمال میشود که مدلسازي واقعبینانهاي از سرعت رخداد پدیده گسلش میباشد.
-2-2مشخصات مدل سازهاي
مدل سازهاي مورد استفاده در این تحقیق یک سازه فولادي دو طبقه کوچک مقیاس است که داراي یک دهانه در هر یک از راستاهاي طولی و عرضی میباشد. با توجه به محدودیتهاي ابعادي دستگاه تست گسلش، مقیاس طرح و مدلسازي سازه برابر با 1/10 انتخاب شدهاست. ازآنجائیکه هدف نهایی این تحقیق بررسی عملکرد سازههاي طراحی شده بر اساس آئین نامههاي موجود میباشد، بارگذاري سازه بر مبناي روش تحلیل شبه استاتیکی معادل آئین نامه 2800 و طرح سازه با استفاده از روش تنشهاي مجاز مبحث دهم مقررات ملی ساختمان انجام شدهاست.
فولاد مورد استفاده در ساخت مدل سازهاي از نوع ST-37 با مقاومت تسلیم Fy 2400Kg / cm2 و پیچهاي پرمقاومت از نوع DIN-10.9 با مقاومت گسیختگی نهایی Fu 10000Kg / cm2 میباشند. به منظور امکان انجام تعداد نامحدودي آزمایش، اتصالات سازه از نوع پیچی انتخاب شدهاست تا کلیه اعضاء سازه قابلیت جداسازي از یکدیگر و نصب مجدد را دارا باشند.
جزئیات اجراي اعضاء سازه، ورقهاي اتصال و پیچها در شکل - 1 - نشان داده شدهاست . صلبیت هر اتصال با تغییر میزان سفتی پیچها قابل اندازهگیري میباشد و از اتصال مفصلی تا اتصال کاملا گیردار قابل تغییر میباشد. همچنین ملاحظه میشود که در محل اتصال تیرها پنج عدد سوراخ تعبیه شدهاست که براي اتصال تیر به ستون در حالت گیردار و نیمه گیردار از چهار عدد پیچ اطراف استفاده میشود و پیچ پنجم - پیچ وسط - براي مدلسازي اتصال کاملا مفصلی پیشبینی شده است.
به دلیل امکان ایجاد تعادل قابها در راستاي عمود بر محور گسلش و اتصال آنها به یکدیگر، از تعدادي تیر عرضی استفاده میشود . نقش مهم دیگر این تیرها بارگذاري ثقلی سازه میباشدوبه این دلیل با وزن نسبتاً بالا طراحی شدهاند. تعداد این تیرها در هر طبقه میتواند بین یک تا 5 عدد تغییر یابد که این امر باعث کاهش یا افزایش بار اعمالی از سوي سازه بر فونداسیون - که از پارامترهاي بسیار مهم در نحوه رفتار سیستم گسلش- خاك- سازه میباشد - خواهد شد. براي مدلسازي فونداسیونهاي سازه از ورقهاي پلکسی گلاس با ضخامت یک سانتیمتر استفاده شدهاست که به کف ستونهاي سازه پیچ میشوند. محل پیچها با استفاده از برش لیزري سوراخکاري شدهاست.
شکل:1 مشخصات و ابعاد اعضاء سازه، ورقهاي اتصالات و پیچها
تصویري از سازه فلزي کوچک مقیاس ساخته بر مبناي توضیحات بالا به همراه نماي نزدیک اتصالات تیر به ستون و اتصال پاي ستون در شکل - 2 - نمایش مشاهده میشود. در نهایت لازم به ذکر است که اعضاء سازه به نسبت خاك و نیروهاي اعمالی ناشی از پدیده گسلش، داراي سختی زیادي میباشند. از سویی چنانچه از مشاهدات زلزلههاي قبل گزارش شدهاست، در حین گسلش تشکیل مفاصل پلاستیک در اتصالات سازه و نه در طول اعضاء سازه ایجاد میشود. لذا به دلیل فرم خاص طراحی شده براي اتصالات در مدل آزمایشگاهی سازه، امکان تشکیل مفاصل پلاستیک در محل اتصال وجود دارد و بنابراین سختی نسبتا بالاي تیرها و ستونها تاثیري بر نحوه رفتار کلی سازه در هنگام اعمال گسلش نخواهد گذاشت.
-3-2 مشخصات خاك مورد استفاده در آزمایش
لایه آبرفتی از ماسه خشک یکنواخت فیروزکوه با اندازه متوسط دانهها برابر با D50 0.25mm تشکیل شدهاست. دانسیته مخصوص، دانسیته خشک حداقل و حداکثر ماسه به ترتیب برلبر با 2.61 ، 1.42 gr / cm3 و 1.71 gr / cm3 اندازهگیري شدهاست.
