بخشی از مقاله
چکیده
مطالعات گستردهای که طی چندین دهه اخیر روی اندرکنش خاک و سازه انجامشده است، بیانگر اهمیت موضوع اندرکنش خاک و سازه در حوزه مهندسی زلزله میباشد؛ از طرفی با توجه به اینکه فضای شهری دارای ساختمانهایی با چیدمان بسیار نزدیک به یکدیگر است و حجم عظیمی از سازهها را دربر میگیرد ولی مدارک موجود نشان میدهد که توجه چندانی به اندرکنش سازههای مجاور صورت نپذیرفته است. عمده تحقیقات انجامشده در خصوص این دو پدیده منوط به در نظرگیری مدلهای دوبعدی با فرض رفتار کرنش صفحهای محدود بوده است. این در حالی است که چنین فرضیات ساده کنندهای منجر به حصول نتایج نهچندان دقیق و قابلاعتمادی خواهد بود.
در تحقیق حاضر با تمرکز بر مجاورت سازه ها به بررسی اثر اندرکنشی خاک و سازه، پرداخته شده است. در این خصوص تحلیلهای دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی با استفاده از سه رکورد زلزله بر سیستم خاک و سازه که شامل دو سازه 5 و 10 طبقه و سیستم جانبی مقاوم خمشی با فونداسیون سطحی گسترده است و واقع بر خاک نوع III - مطابق با استاندارد - 2800 با عمق 30 متر میباشد، انجامشده است. مدلسازی خاک بر اساس روش مستقیم، با در نظرگیری محیط مرزی مناسب بهصورت سهبعدی و با استفاده از نرمافزار اجزا محدود OpenSees انجامشده است و اعضای فصل مشترکی، جهت شبیهسازی تماس اصطکاکی و لغزش احتمالی در اثر تحریک لرزهای بهکاربرده شده است.
تحلیلهای اندرکنشی خاک و سازه نیز با استفاده از نرمافزار OpenSees انجام گردیده و ابتدا اثر اندرکنشی خاک ها بر پاسخ لرزهای هر سازه تعیین گردیده است و سپس با در نظرگیری فاصلهای مناسب بین سازهها، با پاسخ سازههای مجاور که بهصورت های گوناگون در کنار هم واقعشدهاند، مقایسه گردیده است. نتایج بیانگر کاهش پاسخ سازهای در ساختمان کوتاه منفرد و افزایش پاسخ سازهای در ساختمان بلند منفرد واقع بر بستر انعطافپذیر نسبت به بستر صلب بوده و نیز وجود سازه مجاور بلندتر پاسخ سازه را افزایش و وجود سازه کوتاهتر، پاسخ سازه را کاهش داده است.
-1 مقدمه
توسعه فزاینده جوامع بشری و افزایش رو به رشد جمعیت از یک سو و تمایل به شهرنشینی و کمبود فضای شهری از سوی دیگر، منجر به پدید آمدن مجموعه ای از سازه ها در کنار یکدیگر شده است. بطوریکه در اکثر کلان شهرها سازههای نزدیک به هم رخنمایی میکنندکه بعضاً بر خاکهای نرم واقع گردیده اند. تحت چنین شرایطی اندرکنش دینامیکی سازه ها باید از طریق انرژی ساطع شده از یک سازه مرتعش به سازهای دیگر اتفاق بیفتد.
ازاین رو خصوصیات دینامیکی سازه ها شامل مشخصه های پاسخ لرزه یک سازه به پاسخ لرزه سازه مجاور غیر وابسته نخواهد بود. مطابق با تحقیقات ژیانگ و یان دو ساختمان با فاصله کمتر از 2/5 برابر عرض فونداسیون با یکدیگر در اندرکنش خواهند بود و هنگامیکه فاصله کمتر از یک برابر عرض فونداسیون باشد، پاسخ سازه ها ممکن است افزایش و یا کاهش ده ها درصدی داشته باشد؛ بنابراین اندرکنش بین ساختمانهای مجاور باید مدنظر قرار گیرد .[1]
اندرکنش خاک-سازه - SSI - ، یکی از مهم ترین موضوعات در زمینه مهندسی زلزله است که در دهه های اخیر، بسیار موردتوجه بوده است؛ که به اواخر قرن نوزدهم میلادی برمیگردد و تا نیمه اول قرن بیستم در پی دهه های متمادی تدرجاًی تکاملیافته است؛ و در نیمه دوم قرن بیستم با توجه به نیاز به نیروگاههای هستهای و صنایع ساحلی، پیشرفت سریعی داشته است.
تحقیقات گسترده ای که روی اندرکنش خاک-سازه انجامشده است، بیانگر این است که پریود اصلی و میرایی سازهها باملاحظه اندرکنش خاک و سازه ممکن است طولانیتر به دست آیند. وقتیکه در پاسخ سازه مود اول غالب باشد، در اغلب موارد میتوان از تأثیر اندرکنش خاک و سازه چشم پوشی کرد؛ اما وقتیکه نتوان از تأثیر مودهای بالاتر چشمپوشید اختلاف بزرگی میان نتایج دو فرض اندرکنش خاک و سازه و بدون اندرکنش بوجود خواهد آمد .[2-1] این اختلاف زمانیکه سیستم سازه ای قاب خمشی واقع بر ساختگاه نرم با سرعت موج برشی کمتر از - m/s - 600 باشد، چشمگیر خواهد بود .[3]
مساله اندرکنش سازه-خاک-سازه - SSSI - ، در دهه های اخیر مورد توجه قرارگرفته است. لوکو و کانتس در سال 1973 برای اولین بار این بحث را مطرح نمودند و آنرا اندرکنش دینامیکی تداخلی عنوان کردند که برگرفته شده از چندین مقاله منتشره در خصوص ایستگاههای انرژی هستهای میباشد. همچنین در برخی موارد فونداسیون بدون وجود روسازه مدنظر بوده که اندرکنش فونداسیون-خاک-فونداسیون بیان شده است. در حقیقت اندرکنش سازه-خاک-سازه تأثیر حضور سازه های مجاور یکدیگر با در نظرگیری اثر اندرکنش خاک تحت اغتشاشات دینامیکی میباشد. اغتشاشات دینامیکی همچنین میتواند باعث ایجاد بارهای خارجی و یا امواج لرزهای گردد .[1]
روشهای متعددی برای حل مساله اندرکنش دینامیکی خاک و سازه وجود دارد که از جمله آنها میتوان به روشهای حل ساده مهندسی، روش مستقیم، روش مختلط و روش زیر سازه اشاره کرد .[8 -4] در مقاله حاضر، روسازه به دو صورت منفرد و در مجاورت سازهای دیگر واقع بر پایه انعطافپذیر مدل شده است. جهت مدلسازی روسازهها از دو سیستم سازه ای5 و 10 طبقه با دو دهانه 5 و4 متری در دوجهت X - و - Z عمود بر پلان، سیستم مقاوم جانبی قاب خمشی و فونداسیون سطحی گسترده بهصورت سهبعدی استفاده گردیده است.
برای تحلیل و طراحی اعضای روسازه ها مطابق با دستورالعمل آییننامه بتن ایران و با استفاده از نرمافزار ETABS، بارگذاری ثقلی و جانبی به ترتیب باملاحظه مبحث ششم آییننامه مقررات ملی ساختمان و استاندارد 2800 ایران، انجامشده و مقاطع سازه مطابق با مبحث نهم مقررات ملی ساختمان طراحی گردیده است. در این تحقیق، از نوعی خاک، معرف خاک نوع III مطابق با طبقه بندی استاندارد2800، استفاده شده است.
مشخصات خاک موردنظر برگرفته از مطالعات زمین شناسی واقعی میباشد؛ بنابراین نسبت به پارامترهای فرضیکه ممکن است کاملاً سازگار با واقعیت نباشند، برتری دارد. مدل سازی خاک بر اساس روش مستقیم، با در نظرگیری محیط مرزی مناسب به صورت سه بعدی و با استفاده از نرمافزار اجزا محدود OpenSees انجامشده است و از اعضای فصل مشترکی برای شبیهسازی تماس اصطکاکی و لغزش احتمالی در اثر تحریک لرزهای به کار گرفتهشده است.
در تحلیل های اندرکنش خاک و سازه نیز، از نرم افزار OpenSees استفاده گردیده است و از دادههای جابه جایی سه زلزله آی ویت - 2008 - ، لوماپریتا - 1989 - و تایوان - 1986 - در ایستگاههای متناسب با شرایط ساختگاه از دیدگاه آییننامه زلزله ایران، استفادهشده است. با استفاده از نتایج بهدستآمده از تحلیلها، روند تغییرات جابهجایی نسبی و برش طبقات در حالتهای مختلف قرارگیری سازهها بر پایه انعطافپذیر با وجود و یا عدم وجود سازههای مجاور بررسیشده است.
-1 مشخصات مدل سازهای
دو سیستم سازهای بتنی 5 طبقه که معرف یک ساختمان با ارتفاع متوسط و 10 طبقه که معرف یک ساختمان با ارتفاعنسبتاً بلند است و بهصورت سهبعدی، دو دهانه 5 متری در جهت x و 4 متری در جهت z، با سیستم مقاوم جانبی قاب خمشی و فونداسیون سطحی گسترده واقع بر یک نوع خاک که معرف خاک نوع III میباشد، مدل شده است. مقاطع سازه مطابق با مبحث نهم مقررات ملی ساختمان طراحی گردیدهاند. مقاطع سازهای مورداستفاده در مدلسازی، در جدول 1 آورده شده است.
-2 مدلسازی عددی سیستم خاک-سازه
معادلات حاکم بر حرکت سازه در تعامل با اندرکنش فونداسیون با خاک و نیز روش حل این معادلات نسبتاً پیچیده میباشد؛ بنابراین در گام نخست برای مدلسازی سیستم خاک-سازه از روش مستقیم و بهصورت سهبعدی، با به کار بردن از نرمافزار اجزا محدود، OpenSees، استفادهشده است. همانطور که در اشکال 1 الی 3 میتوان دید، اعضای سازهای متشکل از المانهای تیر-ستون غیرخطی کنترل شونده بر اساس نیرو1، اعضای آجری هشت گرهی از نوع ماده چند تسلیمی برای مدلسازی خاک، مرزهای ثابت برای مدلسازی سنگبستر، مرزهای جاذب - مرزهای ویسکوز - 2 برای جلوگیری از انعکاس امواج تولیدشده بهوسیله مرزهای جانبی خاک و اعضای فصل مشترک برای شبیهسازی تماس اصطکاکی و لغزش احتمالی در اثر تحریک لرزهای استفادهشده است.
