بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه به دلیل گسترش ساخت و ساز در زمین های سست و نیاز به سازه های مقاوم در برابر زلزله استفاده از شمع ها به صورت تکی و گروه شمع روش مناسب و اقتصادی بوده است. اما بررسی پارامترهای موثر در مدلسازی سیستم شمع ها بدلیل پیچیدگی رفتار خاک و زلزله مشکل بوده و نیازمند صرف هزینه زیاد است. در این مقاله به نحوه ی کاربرد آزمایش سانتریفیوژ ژئوتکنیکی پرداخته شده است و در ادامه روشی برای محاسبه مدول برشی خاک ارائه شده است و اثرات سینماتیکی خاک و اثرات اینرسی سازه فوقانی بر شمع بررسی شده است که می تواند در طراحی سازه های پدافندی بکار گرفته شود.
-1مقدمه
شمع های تک و گروه شمع ها به طور وسیعی در پی بسیاری از سازه های عمرانی مثل پل ها و ساختمان ها استفاده می شود. در هنگام زلزله، شمع های زیر تحت جابجایی ناشی از خاک اطراف - اثرات سینماتیک - و اثر سازه فوقانی - اثرات اینرسی - قرار می گیرد. تعیین این اثرات و پارامترهای دیگر مثل تنش برشی، کرنش برشی و مدول برشی در طراحی لرزه ای شمع ساختمان ها، پل آزاد راه ها، تقاطع ها و رمپ ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
اثرات متقابل اندرکنش خاک -شمع-سازه روی پارامترهای دینامیکی سازه و رفتار لرزه ای پی با استفاده از مدل های عددی بیان شده اند و اثرات آنها ممکن است برای هر سازه ای وجود داشته باشد که توسط آیین نامه های لرزه ای جدید تدوین شده است و مشخص شده است که در طی طراحی لرزه ای شمع ها و سازه ها اثرات متقابل خاک به چه نحوی اعمال شود. این مشخصات بر اساس روش های عددی و تحلیلی در دو حالت انجام می گیرد:
روش اول که روش ساده چند مرحله ای است که قسمت سازه و پایه را جدا ازهم در نظر می گیرد و در مراجع به عنوان روش تجزیه سینماتیک-اینرسی نام برده می شود.
روش دوم تجزیه و تحلیل مستقیم سیستم خاک-شمع-سازه است که بررسی های جامع روی این روش انجام شده است.
رویکرد تک مرحله ای - روش دوم - ، برآورد مستقیم و اغلب مناسب تر از پاسخ لرزه ای سیستم های سازه-خاک را می دهد که اثرات سینماتیکی و اینرسی را به طور همزمان مدلسازی می کند.
با این وجود روش بسیار پیچیده است و نیازمند محاسبات بار و پارامترهای زیادی دارد و به همین دلیل در بین مهندسان کمتر استفاده می شود.
برعکس، رویکرد چند مرحله ای در روش های مهندسی و تحقیقاتی به طور گسترده ای استقاده می شود. یک محدودیت کلیدی در این روش این است که پاسخ خطی یا نسبتا خطی از سیستم خاک-شمع-سازه را در نظر می گیرد در حالی که خاک در سیستم شمع-خاک و اغلب خود سازه رفتار غیر خطی در طول زلزله دارد.
بر این اساس، آزمایشات آزمایشگاهی با کیفیت بالا یا داده های موجود از سازه های قبلی مورد نیاز است تا نتایج حاصل از اثرات سازه فوقانی را تایید کند. یک دستگاه آزمایشگاهی قدرتمند برای آزمایش اثر متقابل سیستم خاک-شمع-سازه و تعیین پارامترهای دینامیکی خاک آزمایش سانتریفیوژ ژئوتکنیکی است. برخی از جنبه های متقابل خاک-شمع-سازه که می توان با این آزمایش بدست آورد به صورت زیر است:
.1 تعیین فرکانس تشدید برای شمع تکی و گروه شمع و تعیین پارامترهای طراحی
.2 تعیین مشارکت نسبی اندرکنش اثرات سینماتیکی و اینرسی برای تعیین مقدار خمش در یک شمع از گروه شمع
.3 اندرکنش خاک-شمع-سازه تحت بارگذاری سینماتیک و اینرسی تحت تاثیر محتوای فرکانسی تحریک ورودی این سه جنبه از اندرکنش خاک-شمع-سازه بر اساس مجموعه ای از داده های آزمایش سانتریفیوژ که بر روی شمع هایی به صورت تکی و گروه شمع 3*3 در خاک ماسه قرار دارد و از سازه هایی با درجات آزادی یک و دو پشتیبانی می کند؛ بررسی شده است.
-2اصول مدل سازی سانتریفیوژ
مدل سازی سانتریفیوژ ژئوتکنیک در طول سه دهه گذشته برای شبیه سازی شرایط دینامیکی و لرزه ای استفاده شده است. شبیه سازی مدل یک مسئله مهم در آزمایش سانتریفیوژ با استفاده از مدل های مقیاس مدل است که برای پاسخ به مقیاس نمونه اولیه طراحی شده اند . در طی آزمایش سانتریفیوژ، طبق قواعد مقیاس برایn g، گرانش، فرکانس و شتاب باید n برابر افزایش یابد در حالی که طول و زمان n برابر کاهش می یابد. تنش و کرنش در مقیاس مدل اندازه گیری شده همان تنش و کرنش که توسط نمونه اولیه تجربه شده است. خاک دارای منحنی های تنش-کرنش، تغییر شکل و خواص تغییر حجم است. بنابراین، سانتریفیوژ یک ابزار مفید برای بررسی مسائل مهندسی زلزله است.
-3تجهیزات سانتریفیوژ
مشخصات آزمایشات سانتریفیوژ از موسسه تحقیقات پیشگیری از حوادث، دانشگاه کیوتو - DPRI-KU - ژاپن آورده شده است. مرکز سانتریفیوژ دارای شعاع پلت فرم 2,5 متر و ظرفیت 24 تن است. سیستم مجهز به یک میز لرزش یک بعدی - جابجایی مجاز:75 میلی متر - است که تحت شتاب گریز از مرکز تا 50 عمل می کند.
این دستگاه دارای یک جک هیدرولیکی موازی برای چرخش بازوی سانتریفوژ است و از طریق یک رایانه شخصی - PC - در بازوی سانتریفوژ کنترل می شود. رایانه شخصی در نزدیکی محور چرخش سانتریفیوژ ثابت می شود تا نیروی سانتریفوژ روی آن کاهش یابد. این رایانه توسط یک شبکه بی سیم به یک کامپیوتر در اتاق کنترل متصل شده است، و داده های گیرنده های متصل در بازوی دستگاه از یک کامپیوتر در اتاق کنترل از طریق اتصال USB بی سیم قابل دسترسی است. برای حفظ تعادل در هنگام چرخش ، یک وزنه در طرف دیگر بازو قرار می گیرد
-4راه اندازی آزمایشی
مدل زمین با ماسه سیلیکا عبور داده شده از الک شماره 7 ساخته شد. خواص فیزیکی ماسه در جدول 1 ذکر شده است و منحنی دانه بندی در شکل 1 نشان داده شده است. خاک به " ماسه ضعیف " - SP - طبقه بندی می شود. مدل زمین در یک مخزن قوی ساخته شده که دارای ابعاد داخلی اسمی 0,3*0 ,15*0,45 متر مکعب با یک دیوار شیشه ای در یک طرف است .
عمق مقیاس نمونه اولیه زمین برای مدلسازی 10 متر بود. در مجموع 7 آزمون مدل، که در جدول 3 ذکر شد انجام شد. طرح های آزمایشی نمونه های آزمایشی شماره 4 و 7 که در جدول 2 آورده شده است، در شکل - 2الف - و - ب - به ترتیب ارائه شده است. شکل2 شامل ابعاد مهم و مکان ابزار های انتخاب شده است. گروه شمع 3 تا 3 با فاصله 4 برابر قطر شمع از مرکز تا مرکز در هر دو جهت قرار داشت. شمع آزمایش شده دارای قطر خارجی 0,4 متر و ضخامت دیواره 30 میلیمتر بود. شمع ها و ستون های استفاده شده در مدل در شکل - 2الف - و - ب - نشان داده شده است که از لوله های فولادی ساخته شده اند. خواص مواد و ابعاد صفحات فولادی مربع - در جدول 3 نشان داده شده است - که برای مدل سازی وزن سازه مورد استفاده قرار می گیرد، در جدول 4 ذکر شده است.
-5ساخت مدل
مدل سانتریفوژ به طور معمول در خارج از گودال سانتریفیوژ تهیه می شود و سپس به پلت فرم نوسان انتقال می یابد. هر مدل با دقت بسیار ساخته شد تا تمام مدل های زمین به همان اندازه به عنوان یکسان باشند.
