بررسی اثر اندرکنش خاک و سازه بر  سیستم قاب خمشی بتن آرمه

چکیده

      سازه های مهندسی شامل بعضی از اعضای سازه ای می باشند که مستقیما به زمین متصل هستند . در هنگام وقوع زلزله ، پاسخ خاک  روی حرکت سازه و حرکت سازه روی پاسخ خاک تاثیر می گذارد که به این فرایند اندر کنش خاک و سازه می گویند . در این مقاله اثر اندر کنش خاک و سازه روی عملکرد لرزه ای قاب خمشی بتن آرمه دو بعدی بررسی شده است . در این تحقیق با تغییر نوع خاک و نوع روش مدلسازی ، اثرات اندر کنش خاک و سازه بر روی قاب خمشی بررسی شده است . در مدلسازی مدل ها ، از هر دو روش مستقیم و روش زیر سازه استفاده شده است و مدل های مورد استفاده در این تحقیق سازه قاب خمشی بتن آرمه با تعداد طبقات 4 و 8 می باشد . برای طراحی این سازه ها از آیین نامه (NTC-08) ایتالیا استفاده شده و فرض شده که سازه ها بر روی خاک نرم احداث شده اند . نتایج نشان می دهد که میزان تقاضای لرزه ای حداکثر برش پایه و نسبت دریفت طبقات به شدت به نوع روش مدلسازی بستگی دارد .

کلمات کلیدی : اندرکنش خاک و سازه ، قاب خمشی ، روش مستقیم ، روش زیر سازه .

مقدمه

  فرایندی که در آن پاسخ خاک بر روی حرکت سازه و حرکت سازه بر روی پاسخ خاک تاثیر می گذارد را اندرکنش خاک و سازه می گویند . به طور کلی اندرکنش بین سازه و خاک به دو نوع اندر کنش سینماتیکی و اندرکنش اینرسی تقسیم می شود . اندرکنش سینماتیکی زمانی اتفاق می افتد که سختی سیستم مانع گسترش حرکات زمین آزاد شود و اندرکنش اینرسی زمانی ایجاد می شود که ، جرم شالوده و سازه سبب پاسخ دینامیکی آنها به پی شده و این پاسخ از طریق شالوده به خاک شکل پذیر زیر پی منتقل شده و باعث جابجایی آن شود . معمولا مولفه اندرکنش سینماتیکی اندرکنش خاک و سازه ، در طراحی نیروگاههای هسته ای یا سازه های ساحلی و صنایع نفتی مورد توجه قرار می گیرد . اثرات اندرکنش خاک و سازه به دو روش مستقیم و روش زیر سازه در نظر گرفته می شود که در این تحقیق با تغییر در ویژگی های خاک ، روش مدلسازی در نظر گرفتن اثرات اندر کنش خاک و سازه و تغییر در سطح طراحی لرزه ای ، اثر اندرکنش خاک و سازه بر عملکرد لرزه ای قابهای خمشی بتن آرمه بررسی شده است .

تحلیل

در این تحقیق چهار قاب خمشی بتن آرمه دو بعدی مدلسازی شده اند که دو مدل بدون هیچ ضابطه ی لرزه ای فقط برای بارهای قائم طراحی شده و دو مدل دیگر هم با سطح عملکرد لرزه ای بالا مطابق آیین نامه لرزه ای ایتالیا طراحی شده است . خلاصه مشخصات سازه های مدلسازی شده  از جمله وزن کل سازه ، مقاومت در نظر گرفته شده برای فولاد و بتن مدلها و همچنین دوره تناوب مدل ها و جزئیات مربوط به تحلیل سازه ها در جدول 1 آورده شده است . مشخصات دو نوع خاک در نظر گرفته شده برای بررسی اندرکنش خاک و سازه که از نوع رس متوسط و رس نرم به ترتیب به عنوان خاک نوع C  و D  تعریف شده اند ، در جدول 2 آورده شده است. ( 4FNC : 4طبقه بدون ضابطه و 4FWC : 4طبقه با ضابطه)

جدول 1 : مشخصات مدلهای سازه ای

( 4FNC : 4طبقه بدون ضابطه و 4FWC : 4طبقه با ضابطه)

جدول 2 : مشخصات خاک مورد استفاده

21 رکورد مورد استفاده در تحلیل های دینامیکی در شکل (1) نمایش داده شده است که در سه مجموعه شتابنگاشت هفت تایی قرار گرفته اند .

شکل 1 : رکوردهای انتخابی در تحلیل

برای مدلسازی عددی از نرم افزار اپنسیس استفاده شده است که در روش زیر سازه از تئوری تیر غیر خطی وینکلر استفاده شده است . خاک زیر سازه تا عمق 30 متری تا سنگ بستر به صورت همگن با سرعت موج برشی خاک m/s1000 در نظر گرفته شده است . در تمام تحلیل ها رکوردها برای 8 مقدار مختلف حداکثر شتاب سنگ بستر g0.05 ، g0.075 ، g0.1 ، g0.125 ، g0.15  ، g0.2 ، g0.25 و g0.3  مقیاس بندی شده است .

در شکل 2 نتایج تحلیل بدست آمده برای خاک نوع رس نرم نشان داده شده است که نسبت تقاضای لرزه ای بدست آمده برای مدل با پایه ثابت و انعطاف پذیر را نشان می دهد . با توجه به نتایج می توان فهمید که مدلسازی اثرات اندرکنش خاک و سازه تاثیر بسزایی در تخمین تقاضای لرزه ای سازه دارد ، طوریکه یک مدل المان محدود کامل با پایه ثابت می تواند باعث کاهش تقاضای لرزه ای به مقدار 50% برای حداکثر برش پایه و 25% برای حداکثر جابجایی نسبی طبقات شود و یک مدلسازی با روش تئوری تیر غیر خطی وینکلر باعث کاهش تقاضای لرزه ای در حداکثر برش پایه و حداکثر جابجایی نسبی طبقات به میزان 22% برای هر دوی آنها می شود .

شکل 2 : نتایج تحلیل دینامیکی برای خاک رس نرم

با توجه به نتایج و با در نظر گرفتن سازه ها ، اندرکنش خاک و سازه بیشترین اثر را روی حداکثر جابجایی نسبی طبقات برای ساختمان های بدون ضابطه دارد در حالیکه کمترین کاهش مربوط به حداکثر برش پایه برای ساختمان های با ضوابط می باشد . همچنین نتایج نشان می دهد وقتی از مدلسازی به روش تئوری تیر غیرخطی وینکلر استفاده می شود ، ارتفاع سازه مهمترین نقش را در اثر اندرکنش خاک و سازه دارد . تنها در مورد ساختمان های 8 طبقه که اثرات سنگ بستر بسیار مهم می باشد مدل می تواند تفاوت چشمگیری در تخمین تقاضای لرزه ای نسبت به مدل با پایه ثابت داشته باشد . اما در مورد ساختمان های کوتاهتر مدل تئوری تیر غیرخطی وینکلر ناتوان بوده و توانایی تخمین دقیق تقاضای لرزه ای سازه را ندارد . با توجه به ویژگی های خاک با مراجعه به مدل المان محدود ، مشاهده می شود که اثرات اندرکنش خاک و سازه در ساختمان های با ارتفاع کم چندان مهم نبوده و فقط در ساختمان های مرتفع مقادیر تقاضای لرزه ای با تغییر نوع خاک از رس متوسط به رس نرم ؛ تغییر چشمگیری دارد . همچنین با مراجعه به مدل تئوری تیر غیرخطی وینکلر با در نظر گرفتن ویژگی های خاک ، اثرات اندرکنش خاک و سازه بیشترین تاثیر را در خاک رس نرم دارد .

نتیجه گیری

      در این مطالعه اثرات اندرکنش خاک و سازه بر روی تقاضای لرزه ای قابهای خمشی بتن آرمه مورد بررسی قرار گرفته شد و با استفاده از یک مطالعه عددی و یک تحلیل دینامیکی که در آن ویژگی های خاک و نوع مدلسازی اندرکنش خاک و سازه در طراحی لرزه ای در نظر گرفته شده انجام شده است . این مطالعه نشان می دهد که روش مدلسازی اثرات اندرکنش خاک و سازه می تواند تاثیر زیاد یا کمی در تخمین تقاضای لرزه ای مدل با پایه ثابت داشته باشد و اتخاذ کردن یک مدل کامل المان محدود FEM  می تواند منجر به کاهش تخمین تقاضای لرزه ای در مدل با پایه ثابت بیشتر از50 درصد در حداکثرجابجایی نسبی طبقات و بیش از 20 درصد در برش پایه حداکثر می شود . یک مدلسازی ساده از اثرات اندرکنش خاک و سازه با استفاده از روش تئوری تیر غیرخطی وینکلر می تواند فقط در مورد ساختمانهای 8 طبقه قرار گرفته روی خاک بسیار نرم ، بر روی مقدار تقاضای لرزه ای تاثیر بگذارد . کاهش تقاضای لرزه ای در مقایسه با مدل با پایه ثابت (بیش از 22 درصد در هر دو برش پایه حداکثر و حداکثر جابجایی نسبی طبقات ) کمتر از آن چیزی است که در مدل المان محدود کامل پیش بینی شده بود .تفاوت بین دو روش مدلسازی ذکر شده به  متفاوت بودن میرایی کلی نشان داده شده در شکل 3 که در آن شتاب در یک نقطه از بالای سازه و طیف فوریه متناظر برای یک رکورد مشخص رسم شده است بستگی دارد  . مدل تئوری تیر غیرخطی وینکلر به علت عدم ارتباط بین مدهای جانبی و قائم پاسخ فونداسیون و همچنین ناتوانی آن در درنظر گرفتن تغییرات فرکانسی امپدانس فونداسیون ، اتلاف انرژی ناشی از اثرات اندرکنش خاک و سازه  را دست کم در نظر میگیرد.

منابع

چهارمین همایش معماری،عمران و شهرسازی در آغاز هزاره سوم

[1] Lyamin AV, Salgado R, Sloan SW, Prezzi M. Two- and three-dimensional bearing capacity of footings in sand. Geotechnique 2007;57(8):647–62.

[2] de Borst R, Vermeer PA. Possibilities and limitation of finite elements for limit analysis. Geotechnique 1984;34(2):199–210.

[3] Zabala F, Alonso EE. Progressive failure of Aznalcollar dam using the Material Point Method. Geotechnique 2011;61(9):795–808.

[4] Roddeman DG. TOCHNOG, Version 5.3, Professional user’s manual. Heerlen: FEAT, The Netherlands; 2010.

[5] Bakir B. S., Sucuoglu H., Yilmaz T. “An overview of local site effects and the associated building damage in Adapazari during the 17 August 1999 Izmit earthquake”, Bulletin of the Seismological Society of America, 92 (1), 509-526, 2002.

[6] Kramer, S.L. and Stewart, J.P. (2004). Chapter 4: “Geotechnical Aspects of Seismic Hazards,” in Earthquake Engineering. From Engineering Seismology to Performance-Based Engineering, Y. Bozorgnia and V.V. Bertero (editors), CRC Press, 85 pages.

[7] Stewart, J.P., Seed, R.B., and Fenves, G.L. (1999b). “Seismic soil-structure interaction in buildings. II: Empirical findings,” J. Geotech. & Geoenv. Engrg., ASCE, 125 (1), 38-48.

[8] NIST GCR 12-917-21 (2012) – Soil Structure Interaction for Building Structures. NEHRP Consultants Joint Venture. A partnership of the Applied Technology Council and the Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering