بخشی از مقاله
خلاصه
در طراحی رادیه شم ع فاکتورهاي مختلفی از جمله طول و قط ر شمع ها، ضخامت رادیه، نحوه چیدمان شمعها در گروه و ن وع بارگذاري تاثیرگذار میباشد. لذا براي انجام یک طراحی ایمن و بهینه با توجه فاکتورهاي موثر در طراحی رادیه شمع و اثرات متفاوت آنها در شرایط مختلف بارگذاري، تحلیلهاي بسیار زیادي باید انجام شود. روش آماري تاگوچی یکی از ابزارهاي ساده و مفید در کاهش تعداد ترکیبهاي مورد نیاز براي طراحی بهینه میباشد. همچنین با اس تفاده از این روش میتوان اثر هر یک از فاکتورها را در رسیدن به طرح بهینه ارزیابی نمود. علاوه بر این طراحی بهینه، رفتار رادیه شمع در خاك ماسه سیلیکا تحت تر کیب بارهاي عمود ي و افقی بررسی می شود. نتایج بدست آمده از تحلیل رادیه شمع با استفاده از کد اجزاي محدود سه بعدي نشان میدهد که حض ور بارهاي عمودي منجر به افزایش در مقاومت جانبی رادیه شمع می شود.
1. مقدمه
زمانی که خصوصیات ژئوتکنیکی زمین بگونه اي باشد که پیهاي کم عمق براي تامین ایمنی و قابلیت اطمینان کافی مناسب نباشند، پیه اي عمیق به عنوان فوداسیون سازه مورد استفاده قرار می گیرند. شالوده شمع یکی از پرکاربردترین شالودههاي عمیق در ساخت سازههاي بلند و پلها میباشد. با توجه به موارد استفاده این ن وع شالوده میتوان دریافت که تحلیل و طراحی آن از اهمیت بالایی برخوردار میباشد و به تبع آن طراحی غیر ایمن میتواند خسارات جبران ناپذیري را بوجود آورد. همچنین ساخت شالوده شمع، به خصوص در پروژههاي بزر گ هزینههاي زیادي را به خود اختصا ص میدهد و در صور ت طراحی غیر بهینه هزینههاي اضافی به پروژه تحمیل میشود. لذا با بهینه کردن طراحی فونداسیون شمع و در نظر گرفتن اثرات فاکتورهاي مختلف در طراحی، میتوان علاوه بر داشتن ی ک طرح ایمن، هزینههاي ساخت را تا حد قابل قبولی کا هش داد.
فونداسیون رادیه شمع به عنوان یکی از اقتصاديترین سیستمهاي فونداسیون شناخته شده است. در سیستم رادیه شمع،کلاهک بتن مسلح به منظور ات صال شمعها به یکدیگر در گروه، به س طح زمین و سر شمعها متصل میباشد و عمدتاً براي کاهش نشست فونداس یون به سطح قابل قبول استفاده میشوند. مفهوم کاهش دهنده نشست نیز براي رادیه شمع مطرح شده است
خواص مکانیکی بسیار وجود دارد که نشستهاي کل و نشست تفاضلی رادیه شمع را تحت تاثیر قرار میدهد، از جمله شرایط بارگذاري ، شکل و اندازه رادیه، طول و قطر شمعها، تعداد شمعها، فاصله شمعها، سختی نسبی میان رادیه و خاك بستر و چیدمان شمعها.
پولوس [2] پیشنهاد می کند که افزایش ض خامت کلاهک میتواند به طور قاب لتوجهی نشستها ي تفاضلی را کاهش دهد. علاوه بر این م طرح میکند که با اینکه افزایش تعداد شمعها به طور کلی مفید میباشد، اما همیشه بهترین عملکرد را براي فونداسیون بوجود نمیآورد.
نشستهاي تفاضلی رادیه شمع بستگی به نوع بارگذاري دارد - یعنی بارگذاري گسترده یکنواخت، بارگذاري خطی و بارگذار ي نقطهاي - و اینکه رو ش چیدمان شمعها براي کاهش نشست هاي تفاضلی به نو ع بارگذاري بستگی دارد .
به عنوان یک طرح عملی ، برج مسیترم در فرانکفورت با استفاده از فونداسیون رادیه شمع طراحی شده است، که در لبههاي رادیه، شمعها ي بیشتري نزدیک به هم چیده شدهاند .[4] با توجه به این مطالعات میتوان دریافت که چیدمان شمعها و سختی ن سبی رادیه- خاك در کاهش نشستهاي کل و نشستهاي تفاضلی از اهمیت بالایی برخوردار میباشند. با استفاده ا ز آزمایش سانتریفیوژ اثر این دو فاکتور بررسی شده است
آنها در مطالعه خود چیدمان متمرکز و چیدمان یکنواخت شمعها را در رادیه شمع ارزیابی نموده و نشان دادهاند که با متمرکز کردن شمعها در اطراف بار نقطهاي - محل قرارگیري ستونها - نشستها ي کل و نشست تفاضلی کاهش
مییابد و طرح ارایه شده براي رادیه شمع اقتصاديتر و بهینهتر می شود.
رفتار شمعها در گروه به موقعیت قرار گیري آنها درگروه بستگی دارد. تغییر شکل شمعها در گروه به طور قابلتوجهی بزرگتر از تغییرشکل شمع منفرد تحت بار معادل با میانگین بار هر شمع میباشد .
ظرفیت باربري جانبی در گروه شمع تابعی از موقعیت ردیف میباشد. براي تغییر شکل داده شده، شمعها در ردیف انتهایی بار کمتر ي را نسبت به شمع هاي ردیف جلوی ی متحمل میشوند و به دلیل اثر گروه، شمعها در تمام ردیفها بار کمتري را نسبت به شمع منفرد متحمل میشوند
برخی از مح ققین 9]،[8 در تحقیقات خود نشان دادهاند که مقاومت جانبی میانگین تابعی از فاصله شمعها در گروه میباشد. با کاهش فاصلهي شم عها، اندرکنش گر وه اثرات بسزایی در کاهش مقاومت جانبی شمعها دارد.
در تعداد کمی از مطالعات تجربی به بررسی رفتار شمعها تحت اثر بارهاي ترکیبی پرداخته شده است. مایرهوف و همکارانش [10] از طریق مدلهاي آزمایشگاهی به بررسی اثر بارهاي جانبی و لنگرهاي خمشی بر روي ظر فیت باربري عمودي شمع منفرد و گروه شمع پرداخته اند و مطرح کردهاند که در حضور بارهاي جانبی یا لنگرهاي خمشی کاهش قابل توجهی در ظرفیت باربري عمود ي مشاهده میشود. از سوي دیگر، نتایج موجود در ادبیات فنی نسبت به اثر بارهاي عمودي بر روي پاسخ جانبی شمعها در تضاد میبا شد.
بررسیهاي تحلیلی اولیه نشان میدهد که براي یک بار جانبی داده شده، تغییر شک لهاي جانبی با ترکیب بار عمودي افزایش مییابد. با این حال، مطالعات اخیر براساس بررس یهاي تجربی [13] و تحلیلهاي عددي ان جام شده 15]،[14 نشان میدهد که تغییرشکلهاي جانبی با ترکیب بارهاي عمودي کاهش مییابد. آنها این بهبود در ظرفیت جانبی را به تنشهاي جانبی اضافی خا ك در جلوي شمع و مقاومت اصطکاکی توسعه یافته در طول شمع نسبت دادهاند. مطالعات اخیر به رفتار شمع و گروه شمع بدون کلاهک محدود میشوند.
همانطور که اشاره شد عوامل مختلفی در طراحی گروه شمع دخیل میباش د، هر کدام از فاکت ورهاي فوق اثرات متفاوتی بر روي ظرفیت باربري عمودي و یا مقاومت جانبی دارند. ممکن است برخی از این فاکتورها در افزایش ظرفیت باربري عمودي نقش مثبت و در مورد مقاومت جانبی میانگین اثر منفی و یا ناچیزي داشته باشند و یا بالعکس. لذا با توجه با فاکتورهاي موجود و اثرات متفاوت آنها، انتخاب یک طرح بهینه براي رادیه ش مع خواستار زمان محاسباتی زیادي میباشد، چرا که ترکیب هاي مختلفی از فاکتورهاي مذکور با توجه به هدف مورد نظر باید تحلیل شوند تا از میان آن ها بهینهترین حالت انت خاب شود. در این مطالعه طراحی بهینه با استفاده از روش آماري تاگوچی انجام میشود. ای ن روش آماري کمک میکند تا با انجام کمترین تحلیلها، بهترین ترکیب از فاکتورها متناسب با تابع هدف انتخاب شود. همچنین این امکان فراهم م یشود تا سهم هر فاکتور در رسیدن به تابع هدف تعیین شود.
2. روش تاگوچی
. 1 .2 کلیت روش
تعریف و یررسی عوامل مه م و تاثیرگذار در یک آزمایش طراحی فاکتوریلی نامیده میشود. در روش طراحی فاکتوریل ی تمامی ترکیبات موجود مورد بررسی قر ار میگیرند و این امر منجر به انجام تعداد زیادي آزمایش میشود. لذا براي کاهش تعداد ت رکیبها و دستیابی به بهینهترین حالت ، میتوان از آزمایشهاي فاکتوریلی جزئی استفاده نمود. در این راستا تاگو ی مجموعهي ویژهاي از طرحهاي کلی را براي آزمای شهاي فاکتوریلی جزئی ایجاد کرده اس ت. آرایههاي آرتوگونال جزئی از این مجموعه طراحی هاست. وي با ترکیب آرایههاي آرت وگونال با روش ثابت، سري جدیدي از آرایههاي آرتوگونال استاندارد را فراهم کرد که براي تعدادي از موقعیت هاي آزمایش استفاده میشود. با به کارگیري این آرایهها میتوان با کمترین تعداد آزمایش به بهینهترین حالت دست یافت..
. 2 .2 تحلیل نتایج
در روش تاگوچی نتایج آزمایشات به منظور ر سیدن به اهداف زیر مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرند.
* ایجاد ش رایط بهینه یا بهترین شرایط ممکن در تولید یک محصول یا یک فرایند.
* ارزیابی سهم هر فاکتور به صورت مجزا.
* ارزیابی پاسخ بدست آمده تحت شرایط بهینه.
شرایط بهینه با مطالعه اثرات عمده هر یک از فاکتورها شناسایی میشود. فرایند فوق مستلزم انجام بررسیهاي ریاضی بر نتایج عددي بدست آمده می باشد. اثرات اصلی، روند کلی تاثیر فاکتورها را نشان میدهد. با دانستن و معلوم بودن هدف- یعنی اینکه پایین یا بالا بودن مقدار آ ن کدام نتیجه مورد نظر را ایجاد میکند- سطوح فاکتورهای ی که انتظار میرود بهترین نتیجه را ایجاد کند، میتوان پیشبینی کرد. دان ستن سهم هر فاکتور به صورت مجزا کلید تصمیمگیري درباره ماهیت کنترلی است که باید در یک فرایند تولید برقرار باشد.
تحلیل واریانس - A NOVA - ، عملیات آماري و معمولی است که براي تعیین درصد سهم هر فاکتور بر روي نتایج اعمال میشود. مطالعه و بر رسی جدول ANO VA براي یک تحلیل معین، در تعیین اینکه کدام یک از فاکتورها نیاز به کنتر ل دارند و کدام ی ک ندارند، کمک زیادي میکند. به محض اینکه حالت بهینه تعیین شد، معمولاً انجام یک آزمایش تایید در شرایط بهینه، مفید است. با وجود این، با استفاده از نتایج آزمایشاتی که در حالت غیر بهینه انجا م میشوند امکان ارزیابی عملکرد در حالت بهینه وجود دار د. باید توجه داشت که چون آرایه آرتوگونال تنها کسر کوچکی از تمامی حالات ممکن را نشان میدهد، ممکن است حالت بهینه در محدوده آزمایشات ی که قبلاً انجام شده، نباشد.
تاگوچی دو روش متفاوت براي انجام و کامل کردن تح لیل پیشنهاد میکند. اولی - روش استاندارد - که در آن نتیجه یک موقعیت آزمایش و یا مقدار میانگین نتیجه بدست آمده از تکرار یک موقعیت آزمایش به واسطه اثر عمده و ANOVA که د ر بالا بدان اشاره ش د، پردازش میشود. روش دوم، که وي شدیداً براي آزمایشات همراه با تکرار توصیه میکند، استفاده از نسبت سیگنال به نویز - S/N - براي مراحل یکسان در تحلیل است. تحلیل S/N با استفاده از تغییرات نتایج، بهترین و قویترین شرایط کاري را تعیین میکند
.3 مقایسه نتایج مدلسازي رادیه ش مع توسط مدل اجزاي محدود با نتایج آزمایش سانتریفیوژ
. 1 .3 مشخصات مدل آزمایشگاهی
در این م طالعه، به منظور تایید اعتبار مدلسازي عددي توسط نرم افزار پلکسیس سه بعدي، نتایج آزمای ش سانتریفیوژ [5] مورد استفاده قرار گرفته است..
شتاب سانتریفیوژ معادل 5 0g میباشد. رادیه شمع شامل 16 شمع میباشد. طول و قطر شمعها در مدل واقعی به ترتیب معادل 12/5 متر و 0/6 متر بوده و کلاهک بتنی به ابعاد 19×19 متر و ضخامت 0/542 متر به سر شم عها متصل میباش د - شکل . - 1 بار عمودي نیز از طریق چهار ستون C1، C 2، C3 و C4 اعمال می شود. بار عمودي کل در مدل واقعی معادل 29000 kN, 18750 kN, 12500 kN و نسبت بارها C1:C2:C3:C4 برابر با 4:2:2:1 میباشد.
شکل .1 آرایش شمعها و ستونها در پلان
خاك مورد استفاده نیز ماسه سیلیکاي سست و مصالح شمع و ک لاهک از بتن میباش د که مشخصات آ نها در جدول 1 بیان شده است. مدلسازي توسط کد اجزا ي محدود پلکسیس سه بعدي انجام م یشود. در این مدل سازي شمعها با استفاده از المانهاي ش مع، و کلاهک نی ز توسط المان صفح ه مدل شده است. مدل قوي و کارآمد خ اك سخت شونده1 براي مدل سازي ماسه سست مورد استفاده قرار میگیرد.
