تحقیق در مورد طراحی فنداسیون گسترده بر چشمه های و نیکلر

طراحی فنداسیون گسترده بر چشمه های و نیکلر:

مقدمه

در این فصل مبحثی در مورد انتخاب پارامترهایی برای ابزار طارحی فونداسیون گسترده ساده که با توضیح مختصری از این ابزار ها ادامه خواهد یافت. مثالهایی نیز از کاربرد این ابزارها ارائه شده است. که با نتیجه گیری کلی همراه خواهد شد. این مبحث بر پاسخهای ساختاری گستره نسبت به عوامل تکنیکی زمین متمرکز است.

5.2 گزینش پارامترهای خاک:

5-2-1 مدلهایی برای تحلیل بر هم کنش فونداسیون خاک:

در طراحی فونداسیون گستره: خاک در دو مسیر ارائه می شود (شکل 5.1):
الف) به عنوان مجموعه ای از چشمه ها، فرضیه وینکلر یا ،
ب9 پیوستار ، اغلب به نیمه فضای الاستیکی رجعت داده می شود. طبق فرضیه وینکلر (5.1) فشار تماس P در نقطه پایه فونداسیون به W قرار گیری، نسبتی مانند زیر است.

فرمول (5.1)

همانطور که در شکل (5.1) دیده می شود، ثبات نسبت K معمولاً مقیاس واکنش شیب یا سختی چشمه وینکلر نامیده می شود. این فرم پشتیبانی همچنین به مدل مایع چگال بر می گردد. زیرا پاسخ آن به مایع چگال مشابه است؛ شکل 5.1 (a)، با u که نشان دهنده فشار هیدرواستاتیک است. بنابر این واحدهای قیاس واکنش همانند این واحدها برای وزن واحد است.
خاک همچنین می تواند پیوستار معرفی شود؛ هم الاستیک و هم غیر ااستیک ، (شکل 5.1، b) در حالت اول شناخت بهتر به عنوان فضای الاستیک را می توان بوسیله تعدادی راه حل های بسته بر پایه فرضیه الاستیکی مورد بررسی قرار داد. حالت دوم (پارامترهای اضافه C برای انسجام و Q برای زاویه اصطکاک) در تمارین هر روزه به سختی تنظیم می شود و فقط می تواند به وسیله استفاده از روشهای عددی مانند روش عناصر محدود حل شود.
پاسخ روشهای مختلف در شکل 5.2 برای دو حالت صفر و فونداسیون محدود نسبت به خاک قابل مشاهده است. تفاوت برای فشار تماس تحت فونداسیون سخت و برای قرار گیری فونداسیونهای انعطاف پذیر دوباره قابل ذکر است. این نکته آخر ضعف مدل وینکلر را نشان می دهد. از تنها نقاط تحت استقرار فونداسیون به عنوان نتیجه بارهای فونداسیون به منظور محاسبه افزایش سختی خاک در مناطق فونداسیون ، سختی دورترین چشمه ها باید افزایش یابد (5.2).

5.2.2 تعیین مقیاسهای واکنش شیبی:

مقیاسهای واکنش شیب از طریق زیر بدست می آید. الف) آزمایش بار مسطح، ب) جدول ارزشهای نمونه ، ج) محاسبه استقرار فونداسیون .
روش نسبی بدست آوردن مقیاسهای واکنش شیب بوسیله ابزارهای آزمایش بار که در یک سطح چهار گوش 1ft (cm 30) قرار می گیرد، انجام می شود. ضعف این روش آن است که ضخامت محدودی از خاک در زمان مقایسه با بار لایه، قابل بارگیری است. این نیازها نیازمند اصلاح برای شکل و بعد گستره است.
این بروشور حاوی جداولی با مقیاسهای نمونه برای سطح cm 30 است، مانند آنچه توسط ترزاقی ارئه شده است (5.3) . وابستگی به آزمونهای موقعیتی ، مانند آزمون استاندارد نفوذ (spt) نیز ارائه شده است، به عنوان مثال دی ملو (5.4) . این جداول و همبستگی آنها دامنه وسیعی از مقادیری را که می توانند با مقیاسها منتسب باشند را نشان می دهند.
از این رو مقیاس واکنش شیب خاصیت و ویژگی خاک تلقی نمی شود اما با پاسخی به بار ارایه شده در سطح مورد بررسی است، ارزش آن در سطح آزمایش نیازمند تصحیح برای بعد و شکل فونداسیون واقعی است. این تصحیح نقشی از چگونگی تغییر سختی خاک با عمق خواهد بود. به عنوان مثال ، اگر مختصات خاک بتواند با الاستیک یکدست برابر در نظر گرفته شود، استقرار سطح آزمایش و فونداسیون تحت میانگین فشار q را می توان اینگونه محاسبه کرد.

فرمول (5.2)

I , I عوامل شکل برای صفحه چهار گوش (k 14/3) و برای فونداسیون، به ترتیب هستند. نسبت بین مقیاسهای فونداسیون و سطح خواهد بود (فرمول 5.3)
در مورد گستره بزرگ اگر بعد B مورد استفاده باشد، مقدار بسیار کمی از K بدست خواهد آمد. اگر بارها دور باشند، پهنای تاثیر 2R در محل B استفاده می شود. شعاع تاثیر R بار اینگونه است؛ فرمول (5.4) برای گستره با ضخامت t، نسبت موقعیت V و مقیاسهای E.
مقیاس همچنین می تواند از پیش بینی استقرار فونداسیون واقعی بدست آید. (5.5) در این حالت گستره سخت و تحت فشار برابر با کل بار روی گستره در نظر گرفته می شود. پیش بینی اتقرار مراحل مکانیک خاک را دنبال می کند. با استقرار محاسبه شده در این روش مقیاس اینگونه است.

(فرمول 5.5)
Q میانگین فشار به کار رفته و W استقرار گستره سخت است. این روش اجازه محاسبه لایه ها را در سطوح مختلف فشار می دهد که در روشهای قبلی ممکن نبود. بعلاوه پیش بینی استقرار کوتاه و بلند مدت مقیاسی برای تحلیل کوتاه و بلند مدت رفتار گستره ایجاد خواهد کرد.
استقرار رابطه بین K و مقیاس جدید فضای الاستیک آسان نیست زیرا پاسخی به سختی فونداسیون بستگی دارد. چنین رابطه ای بر پایه برابری استقرار صفحه سخت بر فضای الاستیک یکنواخت استوار است. با سطحی مشابه در مورد وینکلر (5.1) که چنین می شود، (فرمول 5.6) . روابط دیگری بر پایه برابر کردن لحظات تمایل که از هر دو مدل ایجاد می شود وجود دارد.

(5.3) مرور طراحی گستره
فونداسیون در گستره در موارد زیر انتخاب می شود:
الف) مناطق با موقعیت متغییر که به همدیگر نزدیک یا همپوشانی می کنند.
ب) نیاز به کاهش استقرارت ناهمسان
در عمل ، وقتی مناطق مذکور از نصف طرح بیشتر باشد، فونداسیون گسترده مد نظر قرار می گیرد.

5.3.1 روشهای ایستا

گستره ها را می توان همچنین از روش های ایستا طراحی کرد ، که فشار تماس مطابق با یکی از فرضیه های زیر را ایجاد خواهد کرد (شکل 5.4).
الف) فشار تماس زیر گستره به صورت خطی تغییر می کند.
ب) فشار تماس در مناطق تاثیر ستونها یکسان است.
فرضیه اول در گستره سخت کاربرد بیشتری دارد. در حالیکه فرضیه دوم در گستره انعطاف پذیر کاربرد بیشتری دارد. این روشها ایستا نامیده می شوند زیرا هیچ توجهی به سازگاری بین استقرارها و فشارهای تماس صورت نگرفته است و فقط تعادل بین بارها در نظر گرفته می شود. این روشها را می توان برای تعیین فشارهای درونی گستره استفاده کرد.
در تغییر خطی یا روش سخت، فشارهای تماس حاصله از بارها محاسبه می شوند. این روش برای گستره سخت در نظر گرفته می شود. (فرمول 5.7)
B پهنای ستون و E سختی نوار است.
برای طراحی گستره روی خاکهایی با خصوصیات متغییر ، روشی ساده ارائه کرده است که می تواند به عنوان روش ایستا در نظر گرفته شود. اگر خاک یکدست باشد ، نتیجه کار مشابه وینکلر خواهد بود.

5.3.2 راه حل های تئوریک

برای گستره هایی با شکل های ساده و توزیع بار راه حلهای تئوریک فراوانی وجود دارد . این مورد برای گستره چرخه ای با بارها و گستره خطی است. به عنوان مثال : تانکرهای نگهدار آب وروغن و فونداسیون برج ها و دودکشها ، زیر گذرها و غیر.
5.3.3 روش های منطبق بر فرضیه وینکلر

شکل صفحه الاستیک نازک موجود در چشمه های وینکلر در ارتباط با فرمهای مختلف بار گذاری کاربردی را شلیچر تحت مطالعه قرار داده است. هتن پی و دیگران نیز در این زمینه گامهایئ برداشته اند. یک موسسه آمریکایی روش طراحی بر پایه راه حل تحلیلی برای شکل صفحه نامحدود نازک ارائه کرده است. که در گستره انعطاف پذیر یک نواخت دارای کاربرد است (5.19) . موقعی که حاشیه گستره در شعاع بار قرار می گیرد، نیروهای جنبشی در طول حاشیه محاسبه می شوند.

5.4 روشهای عددی:

روشهای عددی ییا مجزا در طراحی فونداسیون گسترده به کار می روند که روش تفاوت محدود (FDM) و روش عناصر محدود هستند (FEM) . این دو روش در بخشهای زیر قابل بحث اند. روشهای دیگر شامل روش عنصر سر حدی هستند که در آن فقط سر حد مجزا می شوند. روش عنصر سطحی ؛ ترکیبی از عناصر محدود با پیوستگی حاد و روش شبکه محدود (FJM) که توسط باول تشریح شد.

5.4.1 روش عنصر محدود:

تشریح روش عنصر را می توان در کتب مختلف یافت (5.25) . FEM معمولاً از تطریق کد های تجاری که به آسانی برای تحلیل دو بعدی و سه بعدی بدست می آسیند این کدها عناصر مختلفی را شامل می شود، از جمله عناصر چشمه و صفحه . فاکتور مهم تحلیل عنصر محدود انتخاب مدل برای ساختار و برای خاک است. مدل به عوامل پایه ای بستگی خواهد داشت: الف) نوع گستره ب) خصوصیات خاک و ج) پختگی و مهارت لازم برای تجزیه و تحلیل . تجربه و مهارت تجزیه و تحلیل نه تنها زمان و بودجه را لحاظ می کند بلکه کیفیت اطلاعات خاک را نیز مد نظر قرار می دهد برای گستره یکنواخت انتخاب طبیعی استفاده از عناصر تمایلی صفحه است که از طریق چشمه ها تحت حمایت قرار می گیرد . (شکل 5.5) یا به وسیله عناصر الاستیک (شکل b 5.5 ) اولین گزینه مدال عمومی تر در عمل است و حتی مشخصات خاک لایه بندی شده، می تواند از طریق انتخاب مقیاس واکنش شیب مد نظر را قرار گیرد گزینه دوم اجازه بررسی تغییرات فضایی را در خصوصیات خاک می دهد. اما نیازمند تلاشهای محاسباتی بیشتری است.

5.4.2 روش اختلاف محدود:

روش اختلاف محدود تعادل متفاوتی را با تعادل جبری جایگزین می کند، که با جابجایی نقطه ای که با نقاط هم جوار در ارتباط است . این نقاط در سطح صفحه گسترده شده اند . این روش برای اولین بار به وسیله آلن و سورن شکل گرفت و در ستون استاندارد مختلف تشرریح شد .

5.5 نمونه های از مدل سازی عددی:

در این بخش نمونه هایی از فونداسیون گسترده با تحلیل عددی ارائه شده است ، شامل مقایسه های بین روشهای طراحی .

5.5.1 مثال 1: گستردگی چهار گوش مسطح ساده

گستره چهار گوش مسطح با توزیع ستون ساده بعنوان اولین تمرین مقایسه بین روشهای طراحی زیر انتخاب شد: الف) روش موسسه آمریکن کنکریت (5.19) ، ب) روش اختلاف محدود ، ج) روش عنصر محدود.
گستره در شکل 5.6 نشان داده شده است با مقیاس تداخل شیب 4MN/m3 در مبحث زیر فقط گشتاور خمشی در نظر گرفته شده است، اگر چه این روشها نیروهای برشی و تماسی و نشست و نیز ارائه می شود . وزن خود گسترعه نیز لحاظ نمی شود و بار ستون ها به عنوان بار نقاط به کار می رود. محاسبه نیروهای درونی با روش موسسه آمریکن کینکریت در نقاطی روی شبکه چهر گوش یک متر انجام می شود نتایج روی چهار محور در شکل 5.7 و جدول 5.1 ارائه شده است برای کاربرد FDM از کد های کامپیوتری که سانتوس ایجاد کرده بود استفاده شد، بر پایه همان شبکه که در شکل 5.8 نشان داده شده است این کد جزئیات برنامه رزی را که بویل ارائه کرده بود دنبال می کرد . نتایج محورهای ستونی در شکل 5.7 و جدول 5.1 و عمومی تر در شکل 5.8 ارائه شده است. تحلیل عنصر محدود با استفاده از کدهای تجاری انجام گرفت (5.28) . عنصر صفحه هشت گره ایزوپارامتریک انتخاب شد تا با دقت و راحتی ترکیب شود. این عنصر در نقطه مورد نظر گشتاور خمشی ایجاد می کند مقادیر گره ای در ابتدا به وسیله نتیجه نقطه مورد نظر به گره بدست می آیند و سپس به وسیله میانگین مقادیر هر گره هم عنصر های نازک و هم ضخیم برای بررسی تاثیر تغییر شکل برشی مورد استفاده قرار گرفتند . گستره به عناصر چهار گوش یک متری تقسیم شد تا با اصلاح سایر روشها قابل قیاس باشد.
5- با در نظر گرفتن ابعاد گستره و فضای ستون ، این اصلاح برای اهداف عملی عقلانی به نظر می رسد و آزمون حساسیت شبکه انجام نمی شود. مدلسازی واکنش خاک بنا بر فرضیه وینکلر از دو راه بررسی شد.
الف) مشخص کردن چشمه در هر گره با سختی محاسبه شده با محصول مقیاس واکنش زیر بنا و ناحیه تحت تاثیر
ب) استفاده از انتخاب عکس العمل موجود برای این عنصر
سه مورد ازمایش شد 1) صفحه نازک با چشمه های تعیین شده در هر گره 2) صفحه نازک با توزیع چشمه که با برنامه محاسبه شده بود. 3) صفحه ضخیم با توزیع چشمه که با برنامه محاسبه می شود. نتایج در جدول 5.1 و شکل 5.7 آورده شده است. اگر چه نسبت ضخامت گستره ستون (دهانه ستون نتایج در جدول 5.1 و شکل 5.7 آورده شده است. اگر چه نسبت ضخامت گستره ستون (دهانه ستون ) حدود 1.8 است تغییر شکل برش به خوبی تاثیر نمی گذارد که نسبت از مقدار بیست را کتیموشنکو و وینفسکی در نظر گرفته بودند بسیار بالاتر از (5.26) به عنوان حدودی که در آن تغییر شکل برشی نتایج را تحد تاثیر قرار می دهد تفاوت کوچکی نیز هنگام مقایسه نتایج بدست آمده بوسیله با ابزار محاسبه واکنش های خاک دیده می شود.

5.5.2 مثال 2: گستره چهار گوش صاف:

در مثال شماره 2 گستره چهار گوش صاف برای ساختمان مسکونی از دو روش طرح می شود: روش اختلاف محدود و روش المان محدود. گستره در شکل 5.9 نشان داده شده است و خاک به وسیله ضریب واکنش زیربنا از 30MN/m3 ارائه شده است . وزن خود گستره لحاظ نشده است.

FDM و FEM قبلاً استفاده شده اند و اصلاح شبکه ارماتور آزمایش شد:

الف) شبکه آرماتور ضخیم با 6/1 * m10 شبکه
ب) شبکه آرماتور خوب با m 5/0 * 8/5 شبکه
نتایج استفاده از شبکه آرماتور ضخیم در شکلهای 5.10 و 5.11 مقایسه شده است و نتایج استفاده از شبکه آرماتور خوب در شکل 5.12 و 5.13

5.5.3 مثال 3 : گستره چهار گوش جعبه ای

فونداسیون ساختمانی اداری با بیست دفتر در جنوب شهر ریودوژانیر و گستره جعبه ای طراحی شد.
ساختمان بتن فولاد گذاری شده با ابعاد50*41 متر طراحی شد و میانگین فشار Kpa 200 را به بکار برد . خاک بستر شامل زنجیره ای لایه های شنی با چگالی مناسب است و تحلیل نشست گستره ظریب معادل واکنش 30MN/m3 را برای مدل وینکلر ایجاد می کند .
تحلیل گستره با استفاده از روش عنصر محدود از طریق دو مدل انجام شد. الف) مدل پیوسته صفحه ب) مدل شبکه
مدل اول شامل صفحه هشت گره است که در بالا و پائین گستره فقرار دارد و عناصر بتن همانطور که در شکل 5.15 دیده می شود در دیواره ها قرار گرفته است گستره به شبکه های چهار گوش یک متری تجزیه شده است.
گشتائرهای خمشی حاصله در بالا و پایین قطعات در شکل های 5.16 و 5.17 نشان داده شده است.
خمش قابل توجهی در پایین قطعه وجود دارد. اما در بالا خمش کمتر است . حداکثر گشتاور خمشی در بخش پایینی برای تقویت این بخش مورد استفاده قرار گرفت با توجه به فشار تماسی بخش بالایی نیز برای بارگذاری تقویت شد. به منظور پارک ماشین برای کاهش قطعات مجموعه فوق العاده ای از تیرها در طراحی نهایی اضافه شد.
تقویت تیرها مرتبط با ستونها با استفاده از شبکه تیرها بر چشمه های الاستیک تعریف می شود.
روش دوم شمای کلی شکل 5.5 را دنبال می کند و شامل عناصر تیر – I می شود . گستره نیز با استفاده از عناصر دراز یک متری تجزیه شد و توزیع چشمه های خاک با برنامه محاسبه شد. گشتاور خمشی محاسبه شده دو تیر اصلی در شکل 5.18 نشان داده شده است.

5.5.4 نتایج:

نتایج سه طرح آزمایشی بالا یک نتیجه کلی به ما می دهد
1) روش موسسه آمریکن کانکریت مقادیر کم گشتاور خمشی را در مقایسه بادو روش دیگر ارائه می کرد: الخصوص در بار گذاریهای مورد نظر اگر چه این روش این موسسه در کتاب های فراوانی امده است نتیجه های این روش زیاد مطمئن به نظر نمی رسد.
2) نتایج روش اختلاف محدود بسیار نزدیک به المان محدود است ، که اجرای تقویت شبکه آرماتور را ایجاد می کند ترازهای گشتاور خمشی FDM هموار تر از FEMاست.
3) نتایج FEM با تقویت شبکه آرماتور به شدت تحت تاثیر قرار می گیرد الخصوص در مجاورت بارها . برای ارزیابی صحیح گشتاورهای خمشی مثبت زیر ستونها، تقویت نقاط نزدیک به بار باید برسی شود.
4) از مثال یک چنین نتیجه گیری می شود که وجود تغییر شکل برش، گشتاورهای برشی را زیاد تحت تاثیر قرار نمی دهد. نتیجه مشابهی نیز توسط هورویلر و باتل گزارش شده است(5.29) . به نظر می رسد تحلیل صفحات نازک معمولی در اجرای طراحی گستره قابل استفاده باشد
5) موارد پیچیده مانند گستره های جبعه ای با FEM ، از طریق استفاده از عناصر مختلف که در کدهای تجاری موجود است قابل تحلیل است.
6) ناهمواری و تناقض بین نتایج روشهای مختلف به دلیل فرضیه های هر روش است و هیچ راهی برای ممانعت از آن وجود ندارد ، که علت تطابق برخی مهندسان با طراحی احتیاط آمیز به وسیله ایجاد نیروهای درونی حاصله از بیش از یک روش را بیان می کند.