بررسی اندرکنش خاک و سازه و اثرات آن

در این پست ابتدا به مطالعات انجام شده در رابطه با اندرکنش خاک و سازه توسط محققین مختلف می پردازیم سپس در ادامه کاربردهای این نوع اندرکنش و اثرات آن را بر سازه بررسی می کنیم، با ما همراه باشید.

مقدمه

اخیرا، مطالعات متعددی توسط محققان به منظور ارزیابی شاخص های خرابی سازه ها انجام شده است. با این حال، کلیه محققان بر انواع مختلف سازه ها با پی صلب، یعنی بدون در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک و سازه، متمرکز شده اند. اندرکنش خاک و سازه یکی از مهمترین فاکتورهایی است که می تواند به طور قابل توجهی پاسخ های لرزه ای سازه های قرار گرفته در خاک های نرم را با تغییر سختی کلی و مکانیزم استهلاک انرژی سیستم ها، تحت تاثیر قرار دهد. در حقیقت، یک سیستم خاک-سازه به عنوان سیستم جدید دارنده ی پریود طولانی تر و به طور کلی میرایی بالاتر به علت استهلاک انرژی توسط رفتار هیسترتیک و تابش موج در خاک، رفتار می کند. در سال های اخیر، مطالعات بسیاری توسط محققان برای بررسی اثرات اندرکنش خاک و سازه بر رفتار غیر الاستیک سازه ها انجام شده است. با این حال، بیشتر آن ها بر سیستم های SDOF متمرکز شده اند، در حالی که اثر اندرکنش خاک و سازه بر پاسخ غیر الاستیک سیستم های MDOF به علت پیچیده تر بودنش به طور جزئی بررسی نشده است. در مطالعه ای که اخیرا صورت گرفته، گنجوی و هائو به واسطه ی محاسبات پارامتریک دقیق، اثر اندرکنش خاک و سازه را بر مقاومت و نیازهای شکل پذیری MDOF همچون ساختمان های SDOF معادل آن با در نظرگیری هر دو رفتار الاستیک و غیر الاستیک، بررسی کرده اند و نتیجه گرفتند که ممکن نیست سیستم های SDOF معمول به تخمین دقیقی از مقاومت و نیازهای شکل پذیری سیستم های خاک-سازه MDOF، به خصوص برای ساختمان های میان مرتبه و بلند مرتبه، به علت سهم قابل توجه مود های ارتعاشی بالاتر، منجر شوند. در شکل 1 نمونه ای از اندرکنش خاک و سازه نشان داده شده است.

شکل 1 . اندرکنش خاک و سازه

مطالعات کمی در رابطه با اثرات اندرکنش خاک و سازه بر سیستم های MDOF انجام شده است. با این حال، اثرات اندرکنش خاک و سازه بر نیازهای لرزه ای سیستم های MDOF به خوبی مورد مطالعه قرار نگرفته اند و بررسی های بیشتر ضروری به نظر می رسند. در حقیقت، بررسی خرابی سازه به صورت موضعی و کلی با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه ضروری است. علت این امر این است که، پارامترهای دوران بیشینه، دوران پلاستیک و انرژی جذب شده توسط سازه ها، به طور قطع توسط مشخصات خاک تحت تاثیر قرار می گیرند. در پژوهش های اخیر، مطالعه ی پارامتری جامعی به منظور ارزیابی اثر اندرکنش خاک و سازه بر شاخص خرابی کرزینگ در شکل پذیری ها و در قاب های بتن مسلح با استفاده از مدل ساده شده ی خاک-سازه، انجام شده است. این کار برای محدوده ی زیادی از مدل های سازه ای برای ارزیابی نقش اندرکنش خاک و سازه بر شاخص خرابی کرزینگ در سازه های ساختمانی MDOF انجام شده است.

با افزایش ارتفاع قاب ها اثر اندرکنش خاک و سازه بر روی شاخص خرابی کرزینگ افزایش می یابد و یا به عبارتی با افزایش لاغری اثر اندرکنش خاک و سازه بر روی شاخص های خرابی افزایش خواهد یافت.

عدم در نظر گرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه در طراحی سازه ها در سازه های کوتاه مرتبه در تمام شکل پذیری ها و سازه های میان مرتبه در شکل پذیری های کم که دارای لاغری کم و متوسط می باشند، می تواند در جهت اطمینان باشد ولی در سازه های میان مرتبه (لاغری متوسط) با شکل پذیری بالا و بلند مرتبه (لاغری زیاد) باید اثر اندرکنش خاک و سازه در طراحی سازه ها، به خصوص اثر آن در طبقات فوقانی دیده شود.

در شاخص خرابی کرزینگ که شاخصی تجمعی بر مبنای انرژی می باشد اثر اندرکنش خاک و سازه بر روی شاخص خرابی در تمامی قاب ها در المان تیر بیشتر از المان ستون می باشد. شاخص خرابی کلی سازه، در تمامی شاخص های خرابی تحت اثر اندرکنش خاک و سازه با کاهش خرابی روبرو می شود.

امروزه بررسی اثر خاک روی رفتار سازه های مدفون یا در تماس با خاک همچون فونداسیون ها، شمع ها، دیوارهای حائل و سایر این قبیل سازه ها به حدی است که لحاظ نکردن اثر آن از نگاه مهندسی عدم توجه به حاشیه ایمنی تلقی می گردد و در بسیار موارد می تواند باعث حصول نتایج محاسباتی شود که با واقعیت، تفاوت چشم گیر و غیر قابل صرف نظری دارد. به عبارتی خاک با خصوصیات مختلف، رفتاری متفاوت خواهد داشت که مستقیما به نیرو های وارد به سازه همچون شمع یا فونداسیون تاثیر گذار خواهد بود و در طراحی سازه دخیل است. در شکل 2 نمونه ای از اندرکنش خاک و سازه نشان داده شده است.

شکل 2 . اندرکنش خاک و سازه

در مهندسی ژئوتکنیک، رفتار لایه مرزی خاک-سازه نقش مهمی در بیان اندرکنش خاک-سازه ایفا می کند. لایه های مرزی به محدوده مرزی بین دو محیط گفته می شود که تنش را از محیطی به محیط دیگر منتقل می کنند.

با بارگذاری از نوع زهکشی نشده، فشار آب منفذی در خاک نزدیک به نوک شمع نسبت به سایر نقاط در طول شمع افزایش قابل توجهی دارد و می توان نتیجه گرفت که در تمام طول شمع مقاومت زهکشی نشده اثر یکسانی ندارد و مقادیر افزایش فشار منفذی المان های نزدیک به نوک شمع نسبت به المان های بالایی خاک بسیار بیشتر است.

در حالت زهکشی نشده که کوتاه مدت است و زمان کافی برای زهکشی فشار آب اضافی نیست، مقدار فشار آب حفره ای به سرعت افزایش می یابد. این در حالی است که مقدار تنش قائم افزایش قابل توجهی را نشان نمی دهد. برای حالت زهکشی شده بعد از سپری شدن زمان کوتاه مدت و افزایش یک باره فشار آب حفره ای، این مقدار سیر کاهش تدریجی به خود می گیرد و در مقابل مقدار تنش قائم با سرعت بیشتری نسبت به حالت زهکشی نشده افزایش می یابد.

کاربرد اندرکنش خاک و سازه

1 . در سازه‌ های سنگین مانند برج ‌ها، سازه‌ های هیدرولیکی و سازه‌ های نیروگاه ‌ها

2 . در سازه‌ های زیرزمینی مانند مخازن مدفون، تونل ‌ها و …

3 . برای سازه ‌هایی که اثرات P-∆ در آن ها قابل ملاحظه است، تحلیل اندرکنش خاک-سازه بسیار مفید است.

4 . مطالعه اندرکنش خاک-سازه نقش اساسی در فونداسیون ‌های عمیق، سازه ‌هایی که روی خاک‌ نرم قرار داشته، سازه‌ های بلند یا با پهنای کم دارد.

اثرات اندرکنش خاک و سازه

اثرات اندرکنش خاک و سازه بیشتر به سبب اثرات مخرب آن مورد توجه است. همان طور که گفته شد، اگرچه مطالعات نشان داده که طراحی بر اساس اندرکنش خاک و سازه پریود سیستم را افزایش می ‌دهد، اما افزایش پریود همواره مناسب نیست. یک افزایش طول موج در امواج لرزه ‌ای در محل سایت ‌های با خاک نرم رسوبی مشاهده می ‌شود. این موجب افزایش پریود طبیعی شده که منتج به رزونانس یا پدید تشدید می ‌شود. این اتفاق در پریودهای ارتعاشی طولانی وقوع می ‌یابد. اگر پریود سیستم افزایش یابد، پاسخ شکل‌پذیری نیز افزایش می ‌یابد. این عامل موجب تغییر شکل ‌های ماندگار و خرابی خاک که بیشتر وضعیت پاسخ لرزه‌ ای را نامطلوب می‌ سازد، می شود. در یک سازه تحت نیروهای لرزه ‌ای (تحریکات لرزه‌ای)، اندرکنشی بین خاک و فونداسیون که تغییرات را در زلزله ورودی ایجاد می ‌نماید، وجود دارد. اندرکنش خاک و سازه دارای سه نوع اثر یا پدیده است.

1 . اندرکنش سینماتیکی (میرائی و سختی فونداسیون)

2 . اندرکنش اینرسی (تفاوت بین زلزله سطح آزاد و سطح فونداسیون)

3 . اثرات انعطاف‌پذیری خاک فونداسیون

اندرکنش اینرسی

اینرسی توسعه یافته در یک ارتعاش سازه ‌ای موجب ایجاد برش، لنگر پایه و تحریک پیچشی می ‌شود و این نیروها موجب تغییر مکان و چرخش فونداسیون نسبت به سطح آزاد می‌ گردد. این تغییرمکان ‌ها و چرخش‌ های نسبی تنها ممکن است در راستای سیستم خاک-فونداسیون قرار گیرد که مشارکت اساسی در انعطاف ‌پذیری سازه ‌ای در برخی موارد دارد. علاوه‌ بر این، حرکت نسبی فونداسیون-سطح آزاد موجب اتلاف انرژی به وسیله میرائی تابشی (میرائی همراه با انتشار امواج در زمین دور از فونداسیون که به عنوان منبع موج عمل می ‌کند) و میرائی هیسترتیک خاک می ‌گردد. این اتلاف انرژی تاثیر به سزائی بر میرائی کلی سیستم سازه-فنداسیون-خاک دارد. چون این اثر از اینرسی سازه نتیجه می‌ شود، به آن اندرکنش اینرسی گفته می‌ شود.

پیشنهاد مطالعه : تاثیر میراگر در مقاوم سازی لرزه ای ساختمان

منابع :

1 . مقاله ی بررسی اندرکنش خاک و سازه های مدفون در خاک با استفاده از مدلسازی بر اساس تحلیل المان محدود از میثم شیرزاد شهریور، امین قلی زاد

2 . مقاله ی اثر اندركنش خاك و سازه بر ارزیابی عملکرد شاخص خرابی تجمعی انرژی در قاب های بتن مسلح از رضا وهدانی و همکاران