بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به کاهش دقت سیستم هاي جایگزین در برآورد پاسخ سیستم هاي خاك- سازه با نسبت بعدي کوچک، در این مقاله روشی براي محاسبه دقیقتر پاسخ ارتجاعی سازه واقع بر بستر انعطاف پذیر ارائه می شود. براي این منظور ابتدا دقت سیستم تک درجه آزادي معادل که مبناي ضوابط ارائه شده در دستورالعمل هاي موجود نیز قرار گرفته در برآورد پاسخ سیستم هاي خاك- سازه بررسی می شود. سپس جهت از میان بردن خطاي موجود، ضرایب تصحیحی براي تحریک ورودي به مدل جایگزین ارائه می شود که بر مبناي مشخصات سیستم خاك سازه قابل محاسبه و استفاده میباشند.
1. مقدمه
در دهه هاي اخیر اثر انعطاف پذیري بستر سازه بر پاسخ آن مورد توجه تحقیقات متعددي قرار گرفته است. به طور کلی صرف نظر کردن از اثرات اندرکنش خاك و سازه براي سازه هاي انعطاف پذیري که بر خاك نسبتاً سخت واقع شده اند فرض قابل قبولی محسوب می شود؛ ولی با افزایش نسبت سختی سازه به خاك نمی توان از انعطاف پذیري بستر سازه صرف نظر نمود. انعطاف پذیري بستر سازه باعث کاهش سختی کل سیستم خاك- سازه نسبت به سختی همان سازه با پاي ثابت می شود. همچنین، انتشار امواج ارتعاشی در محیط خاك و میرایی مصالح خاك، معمولاً میرایی کل سیستم خاك- سازه را افزایش می دهند
در ضوابط طراحی و بهسازي لرزهاي سازه ها، براي در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاك و سازه بر پاسخ ارتجاعی سازه، سیستم خاك- سازه توسط یک سیستم تک درجه آزادي معادل جایگزین می شود 2]،.[3 به منظور برآورد مناسب پاسخ سیستم واقعی، مشخصات دینامیکی سیستم جایگزین باید به گونه اي تعیین شوند که بیانگر مشخصات دینامیکی سیستم خاك- سازه باشند.
اولین مطالعات در زمینه تعیین مشخصات دینامیکی سیستم تک درجه آزادي معادل به دهه هفتاد میلادي باز می گردد .[4-6] پس از آن، این مفهوم به طور گسترده در مطالعات سایر محققین در زمینه بررسی اثرات اندرکنش خاك و سازه مورد استفاده قرار گرفته است .[7-10] روابط و گراف هاي ارائه شده در دستورالعمل فیما 440 براي محاسبه پریود و میرایی سیستم تک درجه آزادي معادل نیز بر مبناي همین روابط تقریبی و به طور مشخص تر براساس روابط ارائه شده توسط ولتسوس و نِیر [6] می باشند.
این روش جایگزینی سیستم خاك سازه براي سازههاي لاغر برآورد مناسبی از پاسخ سازه به دست می دهد. لیکن با کاهش نسبت بعدي سازه و چاقتر شدن آن، تابع پاسخ به دست آمده از پریود و میرایی مدل جایگزین، انطباق مناسبی با تابع پاسخ سیستم واقعی نداشته که منجر به افزایش تقریب در برآورد پاسخها میشود.
در این مقاله پس از بررسی دقت روابط تقریبی ارائه شده در مرجع [6] براي برآورد تابع پاسخ ارتجاعی سازه بر بستر انعطاف پذیر، روشی براي محاسبه دقیقتر پاسخ سیستمهاي خاك- سازه با استفاده از سیستمهاي جایگزین ارائه می شود. در این روش، جهت از میان بردن خطاي موجود ضرایب تصحیحی براي تحریک ورودي به مدل تک درجه آزادي جایگزین سیستم خاك- سازه در نظر گرفته می شود که بر مبناي مشخصات سیستم واقعی قابل محاسبه و استفاده میباشند.
2. مدل خاك- سازه
شکل -1 الف شماتیکی از یک سازه یک طبقه واقع بر سطح محیط نیمه بی نهایت، همگن و ویسکوالاستیک خاك را نشان می دهد. در این تحقیق براي مدل سازي سیستم خاك- سازه در شکل -1 الف از روش زیر سازه استفاده شده است. شکل -1 ب شماتیکی از مدل فیزیکی استفاده شده براي مدل سازي سیستم خاك- سازه را نشان می دهد.
شکل -1 شماتیکی از الف - یک سازه یک طبقه واقع بر سطح محیط نیمه بی نهایت، همگن و ویسکوالاستیک خاك، و ب - مدل خاك- سازه
فرضیات در نظر گرفته شده براي ساخت مدل خاك- سازه به شرح زیر می باشند:
- براي مدل سازي سازه یک طبقه از یک نوسانگر تک درجه آزادي با همان پریود طبیعی سازه - - Tn استفاده شده است. همچنین جرم - - ms و ممان اینرسی - - Is نوسانگر تک درجه آزادي برابر با جرم و ممان اینرسی سازه در نظر گرفته شده است. ارتفاع h نیز بیانگر فاصله از سطح پی تا مرکز جرم سازه می باشد. قابل ذکر است براي یک سازه چند طبقه هر یک از پارامترهاي Tn ، ms ، Is و h ، به ترتیب، بیانگر پریود طبیعی، جرم، ممان اینرسی و ارتفاع مؤثر آن سازه در مد اول حرکت می باشند.
- پی سازه به وسیله یک دیسک صلب دایره اي با شعاع معادل r ، و جرم و ممان اینرسی mf و I f جایگزین شده است.
- براي مدل سازي محیط نیمه بی نهایت، همگن و ویسکوالاستیک خاك از مدل المان گسسته جرم- فنر- میراگر استفاده شده است .[11] در این مدل دو درجه آزادي افقی و گهواره اي براي حرکت صلب پی در نظر گرفته می شود. همچنین از درجه آزادي داخلی - - 1 براي لحاظ کردن وابستگی سختی دینامیکی محیط خاك به فرکانس تحریک استفاده می شود. در این بررسی از پراکندگی و یا مایل بودن امواج رسیده به پی صرف نظر و موج ورودي به پی موج برشی قائم فرض شده است. بنابراین تحریک ورودي به مدل خاك- سازه برابر با تحریک میدان آزاد خاك می باشد.
ضرایب مربوط به هر یک از المان هاي سختی، میرایی و جرم در مدل المان گسسته خاك مطابق روابط زیر به دست می آیند
مشخصات دینامیکی محیط خاك و سازه واقع بر آن، بر پاسخ سیستم خاك- سازه مؤثر می باشند. اثر هر یک از عوامل تأثیرگذار بر پاسخ سیستم خاك- سازه را می توان با استفاده از پارامترهاي بدون بعد، مطابق زیر، توصیف نمود 10]،.[12
- شاخص نسبت سختی سازه به خاك
n فرکانس طبیعی سازه با پاي ثابت در مد اول حرکت می باشد. می توان نشان داد که دامنه تغییرات a0 fix در سازه هاي متعارف از صفر، براي سازه با پاي ثابت، تا 3، براي شرایط غالب اندرکنشی، می باشد
- نسبت بعدي سازه - - h / r
- شاخص نسبت جرم سازه به خاك
- نسبت جرم پی به سازه - - m f / ms
- ضریب پواسون محیط خاك
- ضریب میرایی اسمی سازه
به طور کلی پارامترهاي بدون بعد شاخص نسبت سختی سازه به خاك و نسبت بعدي سازه در مقایسه با سایر پارامترهاي بدون بعد نام برده از اهمیت بیشتري برخوردار هستند [12] و به عنوان پارامترهاي کلیدي در اینجا مورد استفاده قرار می گیرند.
