وبلاگ تخصصی مهندسی عمران و مدیریت پروژه

این وبلاگ در جهت ارائه بهترین مطالب کاربردی در زمینه مهندسی عمران و مدیریت پروژه رسما از سال 1383 کار خود را شروع کرده است. امید است در جهت پر بار بودن و بهبود حرکت این وبلاگ از ارائه مطالب مرتبط و نیز نظرات سازنده ما را بی نصیب نگذارید.

تأثیر اندر کنش خاک و سازه در رفتار دینامیکی سازه‏ ها
ساعت ٤:۱۸ ‎ب.ظ روز ٤ بهمن ۱۳٩٢  کلمات کلیدی: اندر کنش خاک و سازه ، اندرکنش سینماتیکی ، pga ، محتوی فرکانس

در تحلیل و بررسی رفتار لرزه‏ای یک سازه، تحریکی که از جانب زمین به سازه اعمال می‏شود برای حالتی که سازه بر زمین سخت و سنگ بستر متکی باشد همان تحریکی است که قبل از احداث سازه در آن نقطه پی وجود داشته است، اما در صورتی که سازه بر خاک نرم متکی باشد تغییرات مهمی در ورودی لرزه‏ای سازه رخ خواهد داد. از جمله حرکات زمین آزاد (Free Field) با وجود سازه ساخته شده تغییرات نسبتاً قابل توجهی را متحمل می‏شود و نیز سیستم دینامیکی سازه مورد نظر متفاوت از سیستمی با شرایط پی‏ گیردار خواهد بود. لذا سازه با خاک پیرامون خود در اندر کنش بوده و تغییراتی را در حرکات پایه ایجاد خواهد نمود. در نتیجه در نظر گرفتن اثرات اندر کنش خاک و سازه به طور دقیق ممکن است باعث افزایش دوره تناوب طبیعی و در نتیجه باعث کاهش ضریب زلزله در طراحی و متعاقباً کاهش هزینه‏ها گردد. در این مقاله سعی شده است که نحوه اثرات بر هم کنش خاک و سازه مورد بررسی قرار گیرد.
تجربیات دهه اخیر نشان داده‏اند که اثرات بر هم کنشی سازه و خاک در ساختمانهای حجیم، ‌سنگین و صلب که بر روی خاکهای ضعیف و نرم بنا شده‏اند، از نظر پایداری آنها قابل توجه می‏باشد.


تغییر و اصلاح حرکت زمین آزاد تحت تأثیر وجود سازه با پی حجیم و سنگین، یکی از گامهای مهم تحلیل بر هم کنش دینامیکی سازه و خاک می‏باشد.
در مواردی که ساختمانها بر روی خاک نرم بنا شده‏اند، اثرات برهم کنش خاک و سازه پریود اصلی سیستم را افزایش داده و باعث کاهش نیروی برشی پایه می‏شوند.از سوی دیگر فرکانس حرکت ورودی زمین در فصل مشترک خاک و سازه، نقش مهمی در نحوه تأثیر بر هم کنش خاک و سازه دارد.

بنابراین در یک طراحی مطمئن، برای درنظر گرفتن اثرات برهم کنشی دینامیکی سازه و خاک لازم است طیفهای شتاب توسط یک سری منحنی با مقدار حداکثرهای مختلف تعیین گردند.
اثرات بر هم کنش دینامیکی سازه و خاک معمولاً‌ برای پی‏های مدفون و نیمه مدفون نسبت به پی‏های سطحی قابل ملاحظه‏تر می‏باشند.
اثرات بر هم کنش برای انواع مختلف پی‏های سطحی مانند پی‏های منفرد و مرکب، گروه شمع‏ها و پی‏های جعبه‏ای باید با ملاحظه اثر مدفون شدگی در نظر گرفته شود.
انعطاف پذیری خاک می‏تواند باعث افزایش پریود غالب ساختمان و در نتیجه مقادیر کوچکتر شتاب در محدوده پریودهای بلند گردد.
در نتیجه در نظر گرفتن اثرات بر هم کنش خاک و سازه به طریق صحیح، ممکن است باعث کاهش ضریب زلزله در طراحی و کاهش هزینه‏ها گردد که در نهایت طرح اقتصادی‏تر می‏شود. اگر چه در موارد بسیاری باعث افزایش در شتابهای وارده و بالتبع افزایش هزینه خواهد شد.

بررسی
اثر اندرکنش خاک و سازه بسیار مهم ارزیابی شده و در حالت کلی قابل صرف نظر کردن نمی‏باشد. تا آنجا که بعضی از آئین نامه‏های طراحی لرزه‏ای که در مورد سازه‏های معمولی بکار میروند، کاهش معینی را در بار استاتیکی معادل برای منظور کردن اثر کنش در حالتی که پی ساختمان صلب در نظر گرفته می‏شود، مجاز می‏دانند.
در آنالیزهای دینامیکی کلاسیک، سازه مورد نظر با تعداد معینی درجه آزادی مدل می‏شود و معادلات حرکت دینامیکی سازه به تنهائی فرمول بندی شده و برای حل این معادلات روشهای توسعه یافته زیادی نیز موجود می‏باشد. اما تحلیل سازه به تنهایی نمی‏تواند دربرگیرنده تمامی جوانب باشد. در بسیاری از حالات مهم، مثلاً‌حالات تحریک لرزه‏ای، بار دینامیکی به محیط خاک اطراف سازه اعمال شده و این فرآیند نیاز به مدلسازی خاک اطراف را نشان می‏دهد.(خاک اطراف سازه، یک مدل نامحدود است). برای این منظور ابتدا تحلیل خطر زلزله برای منطقه مورد نظر توسعه مهندسین صورت می‏گیرد، سپس این احتمال را که زلزله مورد استفاده برای طراحی در طول عمر مفید سازه از مقدار معینی بیشتر شود،‌تعیین می‏کنند که در این ارزیابی نوع سازه دارای اهمیت زیادی می‏باشد.
برای یک سازه با اهمیت، مثل نیروگاههای اتمی این احتمال بسیار کوچک در نظر گرفته می‏شود، که این تحلیل نهایتاً‌منجر به تعیین مهمترین پارامتر، مشخصه حرکت زمین، خواهد شد که عبارت است از حداکثر شتاب زمین(P.G.A).
پارامترهای دیگری مانند طول دوام زلزله و محتوی فرکانسی،‌توسط زلزله شناسان بر اساس تاریخچه لرزه‏ای منطقه مورد نظر تعیین می‏شود که این فعالیتها در نهایت منجر به تعیین یک نوع حرکت برای نقطه‏ای به نام نقطه کنترل می‏شود.

اثر اندرکنشی خاک و سازه
در مقایسه کیفی پاسخ یک سازه احداث شده بر روی زمین صلب و سازه احداث شده در خاک نرم (مطابق شکل)، مواد ذیل معین می‏شوند.
دو سازه با پی صلب (شامل پی و دیوارهای جانبی) در شکل a نشان داده شده است. لایه خاک نرم روی سنگ قرار گرفته است. فاصله بین دو سازه کم بوده، لذا حرکات زمین که در سنگ بستر دریافت می‏شود برای هر دو سازه یکسان است. (برای سهولت یک حرکت با انتشار قائم در نظر گرفته شده است.)
نقطه کنترلی در سطح سنگ و در نقطه A در زمین آزاد در نظر گرفته شده است که در آن نقطه، حرکات زلزله به صورت تابعی از زمان تخصیص داده شده می‏شوند. در ادامه مقایسه دو سازه مورد نظر در شکل (a) برای سازه واقع بر خاک صلب، حرکت در نظر گرفته شده در نقطه کنترل A (که از نظر تئوری با حرکت در نقطه B یکسان است) می‏تواند مستقیماً‌ به پی سازه صلب وارد شود.
شتاب ورودی حاصل از نیروی اینرسی افقی وارده بر سازه در کل ارتفاع یکسان می‏باشد.
در طول زلزله یک لنگر واژگونی و یک برش پایه در پی سازه وجود دارد. چون زمین صلب می‏باشد، این نیروها تغییر شکل‏های اضافی به پی تحمیل نمی‏کنند و تغییر مکانهای افقی منتج در پایه با حرکت نقطه کنترلی برابر است و حرکت دورانی در پایه ایجاد نمی‏شود و در این حالت پاسخ سیستم، به پارامترهای سازه بستگی دارد. اما برای سازه احداث شده روی خاک نرم حرکات پی در نقطه O با حرکات نقطه کنترل A متفاوت خواهد بود که این تفاوت به دلیل اثرات متقابل خاک و سازه می‏باشد، این تفاوت در نتیجه سه اثر زیر انجام می‏شود.
اولاً‌: حرکات محل در غیاب ساختمان ویا هر نوع خاکبرداری(حرکات زمین آزاد)تغییرمی‏یابد.(شکل C )
حرکات خاک نرم روی سنگ بستر در نقطه C با حرکات نقطه کنترلی A متفاوت خواهد بود زیرا که خاک نرم روی نقطه C، باعث کاهش حرکات در آن نقطه (c) خواهد شد و در بیشتر حالات،‌حرکات از نقطه C به بالا تشدید می‏شود که این مورد به محتوی فرکانس امواج بستگی دارد.

دوماً: خاکبرداری و جایگزینی پی صلب در محل مورد نظر، حرکات را تغییر می‏دهد. (شکلd). در این گونه پی‏ها میانگین یک سری حرکت با مؤلفه‏های افقی و دورانی به پی‏ها وارد می‏شود که این حرکتهای وارده به پی،‌باعث ایجاد شتاب و در نتیجه نیروی اینرسی خواهد شد که در طول ارتفاع سازه متغیر می‏باشند. این قسمت از این نیروها که ناشی از اندرکنش خاک و سازه می‏باشند، اصطلاحاً قسمت اندرکنش سینماتیکی نامیده می‏شود.

سوماً: نیروهای اینرسی وارده بر سازه باعث ایجاد لنگر واژگونی و یک برش معکوس در مرکز پی می‏شوند (شکلe) که این لنگر و برش باعث ایجاد تغییر شکل در خاک و لذا تغییر در حرکات پایه خواهد شد که این قسمت تحلیل اصطلاحاً اندرکنش اینرسی نام دارد.

همچنین در این شکل‏ها می‏توان اثرات مهم در نظر گرفتن اندرکنش خاک ـ سازه را مشاهده کرد.
اولاً: حرکات لرزه‏ای وارد بر سیستم خاک ـ سازه تغییر خواهد کرد. به لحاظ تشدید حرکات زمین آزاد، مؤلفة انتقالی در بسیاری حالات بزرگتر از حرکات نقطه کنترلی می‏باشد و لذا یک شتاب نگاشت دیگر به سیستم اعمال خواهد شد.
این تشدید حرکات لرزه‏ای بیانگر این حقیقت است که سازه‏های احداث شده بر روی لایه خاک نرم و عمیق بسیار شدیدتر از سازه‏های همجوار که بر روی سنگ یا زمین سفت بنا شده اند آسیب خواهند دید.

دوماً: وجود خاک در مدل نهایی دینامیکی سیستم خاک‏ـ ‏سازه‌، موجب نرمی و انعطاف پذیری بیشتر سیستم شده و باعث کاهش فرکانس پایه سازه‌ (افزایش پریود) شده که به طور مشخصی از فرکانس سازه با پایه گیردار کوچکتر است.

سوماً: بازتاب انرژی ناشی از امواج منتشره از سازه، باعث افزایش میرائی مؤثر سیستم نهائی خاک ـ سازه می‏گردد.

نتیجه
با تداخل سه اصل فوق مشاهده می‏شود که اثر اندرکنش خاک ـ سازه در طراحی سازه‏ها غیر قابل چشم پوشی بوده و در نظر گرفتن آن و تحلیل اثرات متقابل خاک و سازه در بسیاری موارد از جمله طراحی سازه‏های استراتژیک و مهم مانند نیروگاههای هسته‏ای، موجب شناخت بهتر برای طراحی مطمئن‏تر و اقتصادی‏تر می‏گردد.

مراجع :

1-راهنمای تحلیل بر هم کنش دینامیکی خاک ـ سازه و اثرات آن بر واکنش دینامیکی سازه

Dynamic Soil-Structure Interaction, Wolf-2