برای دریافت بسته بر روی لینک زیر کلیک کنید

بسته جامع پژوهشی تحلیل اندرکنش خاک سازه

چکیده
در طراحی سازه های متعارف معمولا از اثرات اندرکنش دینامیکی خاک – سازه صرف نظر می گردد. این موضوع برای سازه های سبک و زمین های سفت منطقی است. اما برای سازه های خاص، مثل آسمانخراش ها، بزرگراه های چند طبقه و نیروگاه های هسته ای ، این اثر برجسته و حساس است. همچنین، مسئله اندرکنش خاک و سازه به سازه های مجاور هم قابل تعمیم است. به عنوان مثال، طراحی سازه های خاص یاد شده مستلزم در نظرگیری مدل محیط مجاور در زلزله می باشد. سهم این دو پدیده در جلب توجه محققین مهندسی زلزله معمولا ناچیز است. عمده تحقیقات انجام شده درباره این موضوع نیز به درنظرگیری مدل های دو بعدی با فرض رفتار کرنش صفحه ای محدود می باشند. این درحالی است که سازه برخلاف زمین، دارای ابعاد محدود در هر سه راستا است. قبول این فرض، منجر به حصول پاسخ های نه چندان دقیق می شود. هدف تحقیق حاضر، بررسی اثرات اندرکنش خاک و سازه و مجاورت سازه ها بر پاسخ لرزه ای آنها است.
همچنین، روشی ساده، موثر و کارا به نام روش ناحیه نزدیک برای مدلسازی خاک زیر سازه در مسائل اندرکنش خاک و سازه و جاورت سازه ها معرفی شده است. چهار تیپ سازه 15 ،10 ،5و 30طبقه، 7نمونه شتابنگاشت زلزله و 2تیپ ساختگاه ماسه ای و رسی مطابق با تیپ IIIاستاندارد (2800با ضخامت لایه خاک به ترتیب 25و 45متر در نظرگرفته شده است. با توجه به یکسان بودن تیپ آیین نامه ای ساختگاه ها، نتایج به دست آمده برای دو ساختگاه قابل مقایسه بوده و اثر عمق زمین بر پاسخ لرزه ای سازه ها قابل بررسی می باشد. در مدلسازی، برای سازه ها رفتار خطی و در حالات خاص غیرخطی و برای خاک رفتار خطی شده معادل )و در حالات خاص غیرخطی و پلاستیک( فرض شده و تحلیل های دینامیکی اندرکنش خاک و سازه و مجاورت سازه ها با استفاده از روش مستقیم و مدلسازی هندسی سه بعدی انجام گردیده است. بررسی پاسخ های جابجایی جانبی در طبقات سازه ها و برش پایه آنها نشان می دهد که اثرات اندرکنش و مجاورت بر پاسخ دینامیکی سازه ها به جنس و عمق زمین، نوع و محتوای رکورد زلزله و تیپ مجاورت سازه ها از نظرارتفاع و مشابهت سازه های مجاور و فاصله بین آنها وابسته است. به طور کمی، اندرکنش خاک و سازه منفرد عمدتا باعث افزایش جابجایی جانبی نسبت به پای سازه )حداکثر 24درصد در بام و 98درصد در طبقه اول برای سازه های بلند( و کاهش برش طبقات آن )حداکثر حدودا 30درصد در طبقه اول و 50درصد در طبقه بام ساختمان های بلند( می شود. در ساختمان های کوتاه ) 5طبقه( این پدیده منجر به کاهش پاسخ جابجایی جانبی سازه )به طور میانگین 12درصد( و همچنین کاهش برش طبقات )به طور میانگین حدود 20درصد در طبقه اول و 29 درصد در طبقه بام( می شود. مجاورت دو سازه نیز باعث افزایش بیشتر پاسخ جایجایی سازه کوتاه تر )حداکثر تا 80درصد در طبقه اول( و کاهش بیشتر برش طبقات آن )حداکثر تا 40درصد برای طبقه اول و حدودا 75درصد در طبقه بام( نسبت به اندرکنش خاک و سازه منفرد برای سازه کوتاه تر و افزایش کمتر پاسخ جابجایی )حداکثر تا 30درصد در طبقه اول( و کاهش کمتر برش طبقات )حداکثر تا 20درصد در طبقه بام برای بلندترین سازه( نسبت به اندرکنش خاک و سازه برای سازه بلندتر می شود. درصد تغییرات به خاطر اندرکنش خاک و سازه و یا مجاورت در مجموع در ساختگاه عمیق تر بیشتر دیده شد. به این ترتیب، می توان گفت که در تیپ بندی آیین نامه ای زمین اثرعمق آن نیز باید لحاظ شود. همچنین در رابطه با فاصله دو سازه مجاور، مشاهده شده است که افزایش فاصله بین دو سازه مجاور باعث نزدیک شدن پاسخ سازه ها به حالت اندرکنش خاک و سازه منفرد هر یک از آنها می شود. نتیجه دیگر به دست آمده این است که اثرات موضعی این دو پدیده بیشتر در طبقات تحتانی سازه ها )برای جابجایی( و در طبقات فوقانی آنها )برای نیروی برشی( مشاهده شده است.
همچنین زمان تناوب ارتعاشی سیستم متشکل از مجاورت دو سازه به زمان تناوب مدل اندرکنش خاک و سازه منفرد مربوط به سازه بلندتر خیلی نزدیک تر است. در نهایت، برای کاربردی تر شدن نتایج این تحقیق، به بسط و ارائه روابط نیمه تحلیلی برای تخمین زمان تناوب سازه ها و پاسخ های جابجایی جانبی و برش طبقات آنها در حالت های اندرکنش خاک و سازه منفرد و مجاورت سازه ها پرداخته شده است.
کلمات کلیدی: اندرکنش خاک – سازه، مجاورت سازه ها، روش خطی شده معادل، روش ناحیه نزدیک، جابجایی
طبقات، برش طبقات.

فصل اول
مقدمه، کلیات و هدف از تحقیق حاضر
1-1معرفی و کلیات
ساختمان ها، بناها، پل ها و سایر سازه های مربوط به مهندسی عمران، متصل و مرتبط با زمین می باشند. زمانی که نیروهای خارجی، مثل زلزله، بر سازه ها اثر می کنند، پاسخ سازه )مثل نیروها وتغییر مکان ها( و پاسخ زمین )مثل جابجایی و شتاب حرکت( به یکدیگر وابسته است. این فرایند که درگیر با پاسخ اثر زمین بر حرکت سازه می باشد، به عنوان اندرکنش خاک – سازه 1معرفی می گردد.
پدیده فوق علت بسیاری از خرابی های سازه ای در زلزله ها بوده است. به عنوان مثال، یاشینسکی خسارت های زلزله سانفرانسیسکو را در سال 1989ارائه کرد. وی اشاره کرد که قسمت عمده ای از خرابی ها مربوط انعطاف پذیری خاک زیر سازه است. همچنین، تحلیل های عددی وسیعی که توسط میلوناکیس و گاستاس انجام شد، نشان داد که اندرکنش خاک و سازه در خرابی شدید بزرگراه سریع السیر هنشین شهر خسارت دیده در زلزله کوبهدر سال 1995ژاپن، علت عمده بوده است].[1
توجه به این پدیده در تحقیقات، از سال 1930آغاز شده و از دهه هشتاد میلادی رواج یافته است. ولی سهم آن نسبت به کل تحقیقات مربوط به مهندسی زلزله ناچیز می باشد. این درحالیست که یک طرح لرزه ای بهینه و دقیق برای سازه ها مستلزم درنظرگیری اثرات زمین بر پاسخ آنها می باشد. همچنین، در این گونه مسائل هنوز پاسخ های دقیق برای سازه ها حاصل نشده است. شاید علت آن، پیچیدگی های رفتار خاک به صورت مصالحی غیرخطی و پلاستیک و زمین به صورت محیطی نیمه بینهایت با ابعاد نامحدود باشد. قبول فرض رفتار کرنش مسطح با مدلسازی دو بعدی سازه و خاک، درنظرگیری تعداد اندکی رکورد زلزله علیرغم الزامات آئین نامه ای و عدم گستردگی تحقیقات روی همه انواع سازه ها و خاک ها از جمله محدودیت هایی است که به خاطر همین مشکلات در این گونه مسائل، در تحقیقات مشاهده می شود.
دسته ای از مسائل اندرکنش خاک و سازه، مربوط به اثرات سازه های مجاور هم بر یکدیگر است. زمین به عنوان یک المان رابط بین سازه های مجاور هم، وابستگی ارتعاشی میان آنها ایجاد می کند. برای کاربردی تر شدن نتایج تحلیل اندرکنش دینامیکی خاک – سازه در طراحی سازه های خاص )مثل نیروگاه های هسته ای یا ساختمان های ساخته شده نزدیک به هم در فاز لندمرتبه سازی شهرها و (…، بعضا لازم است که مدلی از محیط مجاور نیز تهیه گردد.
در تعمیم مسائل اندرکنش خاک و سازه منفرد به مطالعات عمومی مربوط به مجاورت سازه ها )اندرکنش سازه– خاک– سازه( دشواری تهیه مدل دوگانه از سازه ها با انواع تیپ های مجاورت )تشابه سازه های مجاور هم و فاصله بین آنها( نیز به مشکلات تحلیل اندرکنش خاک– سازه منفرد افزوده می شود.
2-1هدف از تحقیق حاضر
در تحقیق حاضر سعی شده است که با استفاده از روش مستقیم و تفکیک زمین به دو ناحیه نزدیک به سازه و دور از آن، روشی کاربردی و ساده مبتنی بر خطی سازی معادل رفتار غیرخطی خاک برای تحلیل لرزه ای اندرکنش خاک و سازه و مجاورت سازه ها معرفی شود. سپس از آن برای انجام تحلیل های مذکور استفاده شده و نتایج به دست آمده شامل جابجایی جانبی طبقات )به عنوان پاسخ موضعی سازه ها( و برش پایه )به عنوان پاسخ کلی( مورد بررسی کیفی و کمی قرار گرفته است.
روش معرفی شده در این مطالعه مبتنی بر ایده ها و مشاهدات ارزشمندی است که محققین اخیر سعی بر نشان دادن و اثبات اهمیت آن نموده اند. در این تحقیق سعی شده است تا به نحوی این مشاهدات کاربردی شوند. البته مطالعه صورت گرفته در این پایان نامه برای رسیدن به این منظور، قدم های اولیه و در حقیقت شروع کار می باشد.
امید است تا با توجه محققین در آینده گام های اساسی تری برداشته شود.
موارد زیر در این تحقیق منظور شده است:
• مدلسازی کامل سازه ها همراه با جزئیاتشان به صورت سه بعدی.
• معرفی و پیشنهاد یک روش ساده شده و کابردی، بر اساس تحلیل اندرکنش لرزه ای خاک و سازه.
• تعمیم کاربرد روش پشنهادی فوق به حالت مجاورت سازه ها.
• بحث و بررسی کیفی و کمی پاسخ لرزه ای به دست آمده از سازه ها.
3-1نگاهی به محتویات فصل های آینده
اکنون محتویات فصل های بعد این مجموعه به اختصار مرور می شوند.
üفصل دوم شامل مرور تحقیقات مرتبط گذشته و اشاره به روش های موجود، ارائه مبانی تئوری روش اجزاء محدود مستقیم و روش های ساده سازی رفتار غیرخطی خاک می باشد.
üدر فصل سوم ملاحظات سازه ای، ژئوتکنیکی و لرزه ای این تحقیق ارائه می شود. انواع سازه های طراحی شده 15 ،10 ،5و 30طبقه که مطابق با آیین نامه های مربوطه طراحی شده اند، معرفی می شوند. معرفی دو ساختگاه انتخاب شده و نیز ملاحظات مربوط به انتخاب رکوردهای زلزله نیز از مطالب دیگر این فصل است.
üدر فصل چهارم تحلیل دینامیکی برای میدان سطح آزاد و سازه های اصلی )به صورت متکی بر تکیه گاه صلب( انجام شده است.
üدر فصل پنجم به مدلسازی سیستم اندرکنش خاک و سازه و همچنین مجاورت دو سازه در زلزله پرداخته شده است. معرفی روش پیشنهادی ناحیه نزدیک، ملاحظات و تعمیم آن به حالت مجاورت نیز در این فصل ارائه شده است.
üدر فصل ششم به بررسی نتایج در سیستم های سازه ای متشکل از تکیه گاه صلب، اندرکنش و مجاورت پرداخته شده است. دو نوع پاسخ سازه مورد توجه قرار گرفته است : جابجایی جانبی مرکز جرم و نیروی برشی در هر طبقه به عنوان پاسخ های موضعی 1در سازه. سپس نتایج به صورت نرمال شده )از اندرکنش خاک و سازه منفرد به تکیه گاه صلب و از مجاورت به اندرکنش خاک و سازه منفرد( به منظور مقایسه بهتر آورده شده است. در انتها نیز سعی می گردد، روابطی پیشنهادی برای ارزیابی کمی مسئله و تخمین پاسخ های لرزه ای موضعی و کلی سازه ها در حالت اندرکنش خاک و سازه )از جواب های حالت تکیه گاه صلب( و در حالت مجاورت سازه ها )از جواب های اندرکنش خاک و سازه منفرد( ارائه شود.
üفصل هفتم نیز شامل جمع بندی، مرور کلی نتایج و ارائه پیشنهادات می باشد.

فصل دوم
مرور تحقیقات اخیر، روش ها و مبانی تئوری
1-2تاریخچه و مطالعات اولیه
عمدتا تحقیقات صورت گرفته در مورد اندرکنش لرزه ای خاک و سازه تا سال 1970عمدتا مربوط به ژاپن و ایالات متحده بوده است. در ادامه به مطالعات ابتدایی در این زمینه اشاره شده است.
1-1-2تحقیقات سویه هیرو1
در پاییز ،1931پروفسور سویه هیرو تعدادی مقاله را در مورد لرزه شناسی مهندسی در آمریکا ارائه کرد] .[2دریکی از این مقالات با عنوان ارتعاش ساختمان ها در زلزله، او به بررسی پاسخ و تخریب سازه های متنوع از نظر سختی بر روی خاک های نرم و سخت پرداخت. او نتیجه گیری کرد که : انعطاف پذیری مصالح زمین ممکن است دربرخی حالات، کمک زیاد به تخریب ساختمان های بنایی در هنگام وقوع زلزله های بزرگ کند. از سال 1932به بعد، مشاهدات بسیاری از جمله تحقیقات ایشیموتو، این امر را تائید کرده اند].[2
2-1-2تحقیقات سزاوا 2و کانای3
برای لرزه شناس ها، سزاوا و کانای با مطالعاتی که در تئوری پراکندگی امواج سطحی و تحقیقات عمومی لرزه شناسی از سال 1920انجام داده اند، شناخته می شوند. در سال های 1935و ،1936این دو محقق، بحثی را راجع به اندرکنش خاک و سازه شروع کردند که بر اساس انتشار امواج لرزه ای بود] .[2البته در آن زمان، آنها اصطلاح اندرکنش خاک و سازه را به کار نبردند. کانای بعد از حدود 50سال مشاهده و خلاصه سازی پیرامون این موضوع گفته است : توافق بسیار خوب بین امواج محاسباتی و مشاهدات لرزه نگارها نشان می دهد که بیشتر میرایی ارتعاشی ساختمان ها و سدها در طول زلزله، در سطح تماس سازه و زمین اتفاق می افتد.

3-1-2تحقیقات بیوت1
به گفته کریشنا در سال ،1981به نظر می رسد بتوان تولد مهندسی زلزله را با درک پاسخ سازه ایده آل شده به حرکت زمین توسط بیوت دانست. تحقیقات بیوت در سال 1932در رابطه با ارتعاش ساختمان ها در طول زلزله بوده است] .[2البته مشخص نیست که بیوت روی مسئله اندرکنش خاک و سازه کار کرده باشد. ولی یادداشتی منتشر نشده از وی، اشاره به پیچیده بودن مسئله انکسار و بازتاب امواج لرزه ای بین سیستم های سازه و خاک و همچنین تاثیرقابلیت ارتجاعی زمین در حرکت گهواره ای سازه ها کرده است.
2-2کلیات، مبانی تئوری، مرور روش ها و نرم افزارهای تخصصی
هدف این تحقیق، بررسی اثرات اندرکنش خاک و سازه و مجاورت سازه ها بر پاسخ لرزه ای آنها )به صورت مدلسازی هندسی سه بعدی( است. برای انجام این کار روش های مختلفی قابل انتخاب می باشد. در ادامه دو روش کلی زیرسازه و مستقیم که برای این گونه تحلیل ها به کار می روند، مرور شده و در پایان این فصل روش مناسب برای انجام این تحقیق انتخاب شده است.
1-2-2روش زیرسازه برای تحلیل اندرکنش دینامیکی خاک سازه
در روش زیرسازه، سه نیم فضا برای مدلسازی عددی ساخته می شود: (1میدان سطح آزاد بدون حضور سازه. (2سازه. (3زمین گود برداری شده. سازه نیز به دو سیستم فونداسیون و روسازه تقسیم بندی می شود. این سه سیستم در نقاط اندرکنش )نقاط مشترک هر سه سیستم( به هم متصل می شوند. اولین سیستم که میدان سطح آزاد است به روش تیر برشی نیمه گسسته مدلسازی می شود. سازه و خاک گودبرداری شده به روش اجزاء محدود بررسی می شوند].[3
2-2-2کلیات روش مستقیم برای تحلیل اندرکنش دینامیکی خاک سازه

روش های تحلیلی مبتنی بر توابع امپدانس عموما با یک مدل ساده در نظر گرفته می شوند. در این گونه روش ها اثر عوامل مختلف از قبیل : خاک های لایه ای روی بستر سنگی، مدفون بودن پی ها، پی ها با شکل غیر دایره ای، پی های انعطاف پذیر، پی های شمعی و غیره… عموما به صورت تقریبی در نظر گرفته می شوند. اشکال عمده این گونه روش ها پر هزینه بودن محاسبات عددی آنها در مقایسه با روش های تحلیلی است. روش های اجزاء مرزی، تیر برشی و روش اجزاء محدود برای پیاده سازی روش مستقیم به کار می روند. برای جذب امواج متفرق شده از مرز زیرناحیه در بینهایت، یک مرز مجازی در اطراف محیط محدود جانشین شده برای شبیه سازی جذب این امواج در نظر گرفته می شود. این مرز با فنر و میراگر ویسکوز مدل می شود ] .[3شکل 1-2یک مدل اندرکنش خاک و سازه به روش مستقیم را نشان می دهد.
روش اجزاء محدود مستقیم کاربردی بوده و تعمیم آن به مسائل اندرکنش سازه – خاک – سازه ساده تر است.
در ادامه مبانی تئوری این روش مرور می شود.

خلاصه ای از مبانی تئوری روش اجزاء محدود
روش اجزاء محدود )که بعضی مواقع به آن تحلیل اجزاء محدود 1نیز گفته می شود(، یک تکنیک عددی برای حل عددی معادلات دیفرانسیل جزئی است که در آن تقریب حل مبتنی بر حذف کامل معادله دیفرانسیل جزئی )در مسائل وضعیت پایدار( بوده و یا به یک سیستم تقریبی از معادلات تفاضل محدود معمولی منجر می شود] .[4روش اجزاء محدود به این صورت است که زیرناحیه مسئله به تعداد محدودی زیرناحیه یا المان گسسته سازی می شود. حل تقریبی جابجایی ها برای هر جزء انجام می گردد. جابجایی گره ها به عنوان مقادیر مجهول انتخاب و این مجهولات توسط ترکیب خطی از توابعی که توابع شکل نامیده می شود تقریب زده می شوند.
یکی از خواص روش اجزاء محدود این است که جابجایی ها و معادلات حرکت برهم نهی می شوند. شرایط مرزی نیز اعمال شده و پس از برهم نهی درایه های ماتریس سختی، می توان کل معادلات را به صورت ماتریسی تشکیل داد.معادلات کلی متقارن که در مدل سراسری تشریح شده اند، اکنون قابل حل هستند. به این ترتیب جابجایی ها در کلیه گره ها قابل حصول می باشد. پس از تعیین جابجایی های گرهی، جابجایی در هر نقطه دیگر و همچنین تنش ها در کلیه نقاط به دقت قابل محاسبه می باشند.
روش اجزاء محدود توسط بسیاری از نرم افزارهای مهندسی استفاده می شود. به نحوی که کار با آن ساده و کاربردی است. حال اگر روش مذکور برای مدلسازی مستقیم خاک در مسائل اندرکنش خاک و سازه، با روش هایی که برای خطی سازی رفتار غیرخطی خاک توسعه داده شده اند ترکیب شود، تحلیل این گونه مسائل ساده تر خواهد شد.
تحلیل مستقیم غیرخطی خاک در مسائل میدان سطح آزاد یا اندرکنش لرزه ای خاک و سازه، با توجه به ابعاد زمین در سه راستا، دشوار، پیچیده و پرحجم می باشد. محققین سعی نموده اند تا با ارائه روش های ساده تری شامل تحلیل های خطی و معادل، خصوصیات وابسته به کرنش برشی خاک را به دقت تقریب بزنند. یکی از این روش ها، روش خطی معادل 1است که توسط سید و ادریس 2در سال 1969ارائه شده است].[5

این پایان نامه فایل کامل ندارد و صرفا برای آشنایی در سایت قرار گرفته است