بخشی از مقاله
لحاظ نمودن اندرکنش خاك وسازه درتحلیل دینامیکی سازه ها
چکیده
در تحلیل دینامیکی سازه هاعموماً فرض می شود که خاك زیر شالوده صلب است و از انعطاف پذیـري آن صرف نظـر می شـود. در این حالت پاسخ سازه متأثر از خواص دینامیکی خود سازه است وانعطاف پذیري خاك، تأثیري در پاسخ سازه ندارد.با لحـاظ نمـودن انعطاف پذیري خاك زیر شالوده انتظار می رود پاسخ سازه تحت تأثیر سیستم دینامیکی جدید خاك-فونداسیون وسـازه قـرار بگیـرد.
اثراندرکنش خاك وسازه در پاسخ سازه ها موضوع اصلی این مقاله را در بر می گیرد. براین اســاس سازه هاي با یک درجه آزادي بر روي خاکی که با طبقه بندي چهارگانه زمین در آیین نامه 2800 ایران مطابقت دارد انتخاب و مدل مناسب نـیم فضـا و المـان محـدود براي احتساب اندرکنش خاك وسازه در نظرگرفته شده است. سپس طیف پاسخ سازه با پایه گیردار وبا احتساب اندرکنش خاك و سازه در مقابل زلزله هاي طبس، ناغان و السنترو به کمک نرم افزار عددي محاسبه شده استمتعاقباً. طیف هاي محاسبه شده با همـدیگر وبـا طیف بازتاب آیین نامه 2800 مقایسه گردیده است. که بر مبناي محاسبات انجام شده می توان گفت که لحاظ کـردن انعطـاف پـذیري خاك زیر شالـوده در پاسخ دینامیکی سازه ها تأثیر داشته و این تأثیر، متأثر از نوع خاك و زمان تناوب سازه است.
کلیدواژه ها: تحلیل دینامیکی، طیف پاسخ، اندرکنش خاك وسازه، آیین نامه2800
مقدمه
تغییر شکلهاي یک سازه در هنگام زلزله تحت تأثیر اندرکنش سـه سیسـتم مـرتبط بـا همـدیگر سـازه، فونداسـیون و مشخصات لایههاي خاك زیر واطراف فونداسیون قرار دارد. آنالیز اندرکنش خاك و سازه پاسخ ایـن سیسـتمهـا را به حرکت زمین در میدان آزاد (Free-Field) مورد ارزیابی قرار میدهد. گرچه در محاسبات نیروي اعمـالی زلزلـه بـر سازه،معمولاً تکیهگاه آن صلب و تغییر شکلناپذیر فرض میگردد و از انعطافپذیري خـاك در زیرسـازه صـرف نظر میشود ولی مشاهدات وتجربیات گذشته نشانگر این واقعیت است که عامل تغییر شکلپذیري خاك عـلاوه بـر تغییر خصوصیات حرکت آزاد زمین در سطح، ممکن است بعلت اندرکنش سازه تغییرات قابل ملاحظهاي درواکنش سازه در مقابل زلزله نیز ایجاد نمایــد . [1]
روشهاي معمول براي تحلیل هاي اندرکنش خاك و سازه (Soil Structure Interaction)SSI را به دو روش مستقیم و زیر سازه طبقه بندي میکنند. در روش مستقیم سازه و خاك هر دو با هم مدل می شوند و تحلیل در یک گام صورت می پذیردغالباً. خاك با المانهاي محدود جامد (Solid) و سازه با المـــانهاي محدود تیري (Beam) المانبندي میگردد. به دلیل اینکـه در ایـن حالـت فرضـیه جمـع آثـار قـوا لازم نمـی باشـد آنالیزهـاي غیرخطی ممکن می گردد. در روش زیر سازه مسئله SSI به سه قسمت مجزا از همدیگر تقسیم می شود که این قسمتها براي حل کامل مسئله با همدیگر ترکیب میشوند. در ایـن روش اصـل جمـع آثـار قـوا بطـور ذاتـی لازم مـیباشـد.
بنابراین رفتار خطی براي سازه و خاك الزامی می گردد.
از جمله مهمترین مشکلات در تحلیل پدیدة اندرکنش خاك و سازه انتخاب مدل مناسب براي خاك اسـت. درایـن مقاله از مدل ترکیبی نیم فضا و المانهاي محدود براي مدل سازي خاك در تحلیل دینامیکی استفاده شده است و با طبقه بـــندي خاك مطابق طبقهبندي زمین در آیین نامه [2] 2800 و مدل ســازي سیستم خاك و سازه به کمک نرم افزار عددي طیفهاي پاسخ با احتساب اندرکنش خاك و سازه و بـدون آن در مقابل زلزلههاي طبس، ناغان و السنترو محاسبه و نتایج بدست آمده با هم وبا طیف طراحی در آئیننامـه 2800 ایـران مقایسه میگردد.
-2مدل سازي و المانبندي سیستم خاك و سازه :
براي تحلیل مورد نظر و بدست آوردن طیف پاسخ از قابهاي یک درجه آزادي دو بعدي استفاده شده است. قـاب مورد نظر یکی از قابهاي سـاختمان یـک طبقـه سـه بعـدي بـه دهانـه 4 متـر مـیباشـد کـه داراي شـالوده گسـترده است.عمق خاك در زیر سازه 30 متر و در زیر این لایه سنگ بستر قرار گرفته وطول خاك در اطراف سـازه25 متـر می باشد. براي محاسبه طیف جابجایی و طیف پاسخ ، پریود قاب طوري تغییر داده مـیشـوند تـا در محـدودة 0/04 ثانیه تا 4/2 ثانیه قرار گیرد. ملاك طبقه بندي خاك در آیین نامه 2800 ایران سرعت موج برشی در خاك است . [3]
براین اساس سرعت موج برشی خاك در زیر سازه طوري انتخاب شده است که با طبقهبندي چهارگانه زمین مطـابق آییننامه 2800 ایران تطابق داشـته باشـد. سـایر مشخصـات خـاك مطـابق جـدول 1 انتخـاب کـه در محاسـبه مـدول الاستیسیته و مدول برشی خاك فرض شده است خاك رفتار الاستیک خطی دارد . [ 4]
بدین ترتیب براساس این مدل، سازه بر روي جعبهاي با طول و عمق و ضخامت مشخص از خاك قـرار مـیگیردکـه کل این ناحیه را ناحیه نزدیک وخاك خارج از این ناحیه را ناحیه دور مینامیم.براي مدل سازي مرز بین ناحیـه دور ونزدیک نیز از فنر و کمک فنر استفاده شده است 5 ]و. [6
براي محاسبه سختی فنرهایی که در مرز مشترك ناحیه دور و نزدیک خـاك قـرار گرفتـهانـد از پیشـنهاد ارائـه شـده توسط (Whitman&Richart 1967) و براي محاسبه ضریب میرایی کمک فنرها نیز از روابـط (Whitman 1967) اسـتفاده شده است . [7 ] میرایی خاك در ناحیه نزدیک با توجه به نمودار ارائه شـده توسـط (Idriss 1990) و بـا فـرض رفتـار الاستیک و خطی براي خاك، تعیین شده است.
لازم به ذکر است مدل سازي والمان بندي ناحیه نزدیک ،ناحیه دور،قـاب وشـالوده از برنامـه عـددي اسـتفاده شـده است.که بطور شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است.
پس از المان بندي سیستم خاك و با استفاده از روابط میرایی و سختی ، ضرایب سختی و میرایی بــراي گرههاي میانی و انتهایی محاسبه شده که نتایج آن در جدول 2 آمده است . [4 ]
-3محاسبه طیفهاي پاسخ با احتساب اندرکنش خاك و سازه و بدون آن ومقایسه آنها با هـم وبـا طیف طرح آیین نامه 2800 ایران :
براي محاسبه طیف هاي پاسخ با احتساب اندرکنش خاك و سازه و بدون آن از آنالیز تاریخـچه زمانی استفاده شده است وپس از بدون بعد نمودن آنها با همدیگروهمچنین با آیین نامه2800 مقایسه مـیگردنـد. بـر ایـن اساس در شکلهاي 2 الی 4 طیف پاسخ بدون بعد زلزله طبس با احتساب اندرکنش خاك و سازه و بـدون احتسـاب آن به ترتیب براي میرایی سازه برابر با 0/02، 0/05 و0/10 ارائه شده است. براي زلزلههاي ناغان و السنترو عملیـات تکرار و نتایج مربوط به زلزله ناغان در شکلهاي 5 الی 7 و براي زلزله السنترو در شکل هاي 8 الی 10 ارائه شده اند.
طیف پاسخ بدون بعد زلزلههاي طبس، ناغان و السنترو با احتساب SSI با میرایی 0/05براي خاك I ، با طیف بازتـاب آییننامه 2800 مقایسه و در شکل 11 و براي خاکهـاي II و III و IV بـه ترتیـب در شـکلهـاي 12 الـی 14 مشـخص گردیده است.
شکل– 3 مقایسه طیف پاسخ بدون بعد زلزله طبس با احتساب SSI براي چهار نوع خاك با سازه با پایه گیردار براي میرایی 0,05
شکل–4 مقایسه طیف پاسخ بدون بعد زلزله طبس با احتساب SSI براي چهار نوع خاك با سازه با پایه گیردار براي میرایی 0,10
شکل– 5 مقایسه طیف پاسخ بدون بعد زلزله ناغان با احتساب SSI براي چهار نوع خاك با سازه با پایه گیردار براي میرایی 0,02
شکل– 6 مقایسه طیف پاسخ بدون بعد زلزله ناغان با احتساب SSI براي چهار نوع خاك با سازه با پایه گیردار براي میرایی 0,05
شکل– 7 مقایسه طیف پاسخ بدون بعد زلزله ناغان با احتساب SSI براي چهار نوع خاك با سازه با پایه گیردار براي میرایی 0,10
شکل–8 مقایسه طیف پاسخ بدون بعد زلزله السنترو با احتساب SSI براي چهار نوع خاك با سازه با پایه گیردار براي میرایی 0,02
