تحقیق طراحی لرزه ای اندرکنش خاک و سازه


بسم الله الرحمن الرحیم

دانشگاه آزاد اسلامی واحدگرگان
گروه فنی مهندسی
عنوان سمینار
طراحی لرزه ای اندرکنش خاک و سازه
استاد راهنما:
استاد مشاور:
دانشجو:

فهرست مطالب

چکیده
روش های تحلیل اندرکنش خاک – سازه
اثرات اندرکنش خاک – سازه
روش کار
مطالعه تجربی آثار اندرکنش خاک-سازه در پاسخ لرزهای ساختمانها و توصیه های آیین نامه ای
تحلیل اندرکنش خاک – سازه به روش زیر سازه
تحلیل اندر کنش خاک – سازه به روش مستقیم
اندرکنش سینماتیکی خاک – پی
درجه اهمیت اندرکنش خاک-سازه :
مدل سازی عددی و فیزیکی اندرکنش لرزه ای سازه و خاک در خاک های لایه ای
نتیجه گیری
مراجع

چکیده
رفتار غیرخطی خاک باعث تغییر پاسخ لرزه ای سازه می شود و وجود سازه حرکت خاک را تحت تاثیر قرار می دهد. خاک به سازه نیرو واردمی کند و سازه نیز، به واسطه وزن و اینرسی، تغییر شکل های دیگری خواهد داشت. تاثیر پذیری پاسخ سازه از رفتار غیر خطی خاک و در مقابل آن ، نوع پاسخ و رفتار لایه خاکی زیرین، به دلیل وجود سازه، پدیده اندرکنش خاک و سازه (Soil Structure Interaction) گفته می شود. اثرات اندرکنش خاک – سازه (SSI) و اهمیت تغییراتی که در پاسخ لرزه ای سازه به واسطه تحلیل این مجموعه رفتاری ، ایجاد می شود، عموماً غیرقابل صرفنظر کردن است. این اثرات ممکن است سبب افزایش یا کاهش پاسخ لرزه ای سازه یا سایر پارامترهای لرزه ای آن ، تحت اثر نیروی زلزله شود که خود این اثرات هم، به مشخصه های حرکت میدان آزاد ، خواص دینامیکی سازه (شامل پریود ارتعاشی اصلی، میرائی و … ) و انعطاف پذیری تکیه گاه بستگی دارند. به همین ترتیب این امکان وجود دارد که با وقوع این تغییرات، نیرو در اعضای سازه ای نیز تغییر کرده ( کاهش یا افزایش یابد) و ایمنی، کارآئی و یا دوام آنها را تحت تاثیر قرار دهد
اعمال اثرات اندرکنش خاک – سازه، پاسخ لرزه ای سازه ها را تغییر داده و باعث کاهش یا افزایش نیروی برشی پایه می شود. به همین ترتیب نیروهای داخلی در اعضای سیستم مقاوم جانبی به دلیل تفاوت توزیع نیروی جانبی زلزله، ناشی از تغییر در میزان بارش پایه ، تغییر خواهند کرد.
به دلیل حساسیت خاصی که در طرح و اجرای سازه های بتونی وجود دارد ، هم چنین به دلیل تاثیر گذار بودن ابعاد د مقاطع اعضاء در میزان ظرفیت باربری عضو و نهایتاً کل سیستم، اعمال اثرات اندرکنش خاک – سازه در تحلیل و طراحی سازه های بتونی و تغییر نیروی داخلی اعضاء ،ناشی از این پدیده، هم در جهت ایمنی طرح و هم در اقتصاد آن موثر خواهد بود. از دیگرسو چون طرح لرزه ای سازههای بتونی ، تعیین ضریب رفتار سازه و تامین شکل پذیری اعضای آن انجام می شود ( طراحی بر اساس سطح عملکرد ) ، بنابراین تشخیص رفتار سازه و بازتاب و پاسخ لرزه ای آن تاحد زیادی به مدلسازی خاک زیرین سازه وابسته است .
روش های تحلیل اندرکنش خاک – سازه
فارغ از روش های مدرن امروزی نظیر "روش هیبرید" که هنوز عمومیت نیافته و با استقبال چندانی روبرو نشده است،

دو روش برای تحلیل رفتار اندرکنش خاک – سازه وجود دارد:
روش مستقیم؛ که در آن تمام سیستم خاک – پی – سازه با هم مدل شده و در یک مرحله تحلیل می شود. در این روش اعمال اصل جمع آثار از تحلیل های غیرخطی استفاده نمود. در این پژوهش با توجه به اینکه اثر رفتار غیرخطی خاک و پیآمدهای انعطاف پذیری تکیه گاه مورد نظر است، از این روش استفاده شده است (شکل شماره ۱). یکی از ویژگی های این روش، اعمال اثرات میرایی هندسی، عمق مدفون پی، فرورفتگی سازه در خاک و لایه بندی خاک در راستای افقی و قائم است.
روش زیرسازه؛ که در آن مجموعه خاک ای سازه به طور جداگانه و هر کدام به عنوان یک زیرسازه مدل شده و مسائل مربوط به آنها با روش مناسب خود تحلیل شده، نتایج با استفاده ازاصل جمع آثارقوا تجمیع میشوند. این روش یک روش خطی محسوب شده وسبب میشود برای مجموعهٔخاک و سازه رفتار خطی لحاظ گردد. برای لحاظ آثار رفتار غیر خطی ، از روش خطی معادل می توان استفاده نمود..

شکل شماره 1 – روش مستقیم در تحلیل اندر کنش خاک – سازه کل مساله مدل شده و پاسخ به حرکت میدان آزاد در مرزها ، در یک مرحله تحلیل می شود .

اثرات اندرکنش خاک – سازه
در بررسی اثرات اندرکنش خاک – سازه ه دو دیدگاه متفاوت وجود دارد. یکی تعیین پاسخ و حرکت میدان آزاد در اثر تحریک لرزه ای و سپس محاسبه پاسخ سازه به حرکت به دست آمده برای فونداسیون است و دیگری ؛ تعیین مشخصات دینامیکی سازه و سپس محاسبهٔپاسخ سازه به حرکت میدان آزاد. هر دو روش نتایج یکسانی خواهند داشت با این تفاوت که به دلیل سادگی روش دوم در مقاصد کاربردی و عملی ،ایین نامهها بیشتر بهاستفاده از این روش توصیه کرده اند.
اثرات اندرکنش خاک – سازه عموماً به سه گروه اصلی طبقه بندی می شوند؛
1 . افزایش پریود اصلی سیستم خاک – سازه ( که وابسته به ظرفیت جذب استهلاک انرژی در خاک زیرین سازه و میرایی مصالح و تشعشعی است .
2: تغییر در میرایی موثر سیستم خاک سازه (مرتبط با ظرفیت جذب و استهلاک انرژی و میرایی مصالح
3 . تغییر در آن دسته از پاسخ های لرزه ای سیستم که مستقیم یا غیر مستقیم وابسته به دو آیتم فوق هستند ؛ مانند ؛ طیف شتاب افقی ، تغییرات برش پایه و تغییر در نیروی درونی اعضاء و جابجایی ها و . .
روش کار
در هر تیپ ساختگاه (IIIوIV) و برای هر تیپ سازه دو مدل ساختمانی ساخته می شود (یعنی برای هر ساختگاه ۶ مدل و در مجموع ۱۲ مدل خواهیم داشت)؛ یکی شامل سیستم سازه، پی و خاکی زیرین آن است و دیگری که فقط به منظور مقایسه و استخراج نتایج تطبیقی و به صورت سازه با یک تکیه گاه صلب، ایجاد می شود. ابتدا مدل های دوم هر تیپ سازه با فرض تکیه گاه صلب در نرم افزار EtabS تحلیل و طراحی می شوند تا تخمینی از ابعاد اعضای سازه های به دست آید. سپس مدل های اول یک بار صورت سازه تنها و بار دیگر به صورت مجموع سیستم خاک – سازه در AnsyS تحلیل می شوند. تحریک ورودی با استفاده از تحریک ارتعاشی وارد شده در تراز سنگ بستر ثبت شده در ایستگاه آب بر مربوط به زمین لرزه صورت بار لزره ای اعمال می شود .
اعمال اثرات اندرکنش خاک – سازه بسته به نوع خاک ساختگاه و سختی سازه باعث افزایش پریود و میرائی سیستم خاک و سازه شده که این افزایش نسبت مستقیم با سختی نسبی سازه به خاک و ارتفاع موثر سازه به بعد پی دارد. این براسان نسبت عکس با سرعت موج برشی در لایه های خاک دارد . هرچه سرعت موج برشی کمتر باشد ، اثرات اندرکنش خاک – سازه بیشتر خواهد بود .
ساختگاه های تیپ III و IV به مراتب بیشتر از ساختگاه های تیپ I و II رفتار غیرخطی داشته و اثرات اندرکنش را تشدید می کنند. به نحوی که برای تمام سازههای بلندمرتبه در ساختگاه های تیپ III و برای تمام سازههای میان مرتبه و بلند مرتبه در ساختگاه های تیپ IV تحلیل اندرکنش خاک – سازه الزامی است.
همچنانکه از جداول و نمودار استفاده می شود، با افزایش نرمی خاک، میزان افزایش پریود سیستم خاک – سازه بیشتر خواهد شد. به همین میزان کاهش در برش پایه بیشتر خواهد بود . به طوری که میزان کاهش برش پایه در ساختگاه تیپ IV بیشتر از کاهش آن در ساختگاه تیپ III است. میزان کاهش برش پایه در سازه ۱۶ طبقه در ساختگاه IV برابر ۷۳۶۸ ۰ و بیشتر از مقدار کاهش درساختگاهIII که برابر 8993 .0 است ، میباشد . به همین ترتیب میزان کاهش تغییر مکان بیشینه برای سازه 16 طبقه در ساختگاه IV ( 7374 . 0 ) از این مقدار برای ساختگاه III ( 8990 . 0 ) بیشتر است . این روند برای سازه های 10 و 4 طبقه حاکم است ولی مقدار آن کمتر است .
اعمال اثرات اندرکنش خاک – سازه در تحلیل و طراحی سازههای بتونی در تمام حالات باعث کاهش مقدار نیروی داخلی اعضای سازه ای شده است. این تغییرات کاهنده برای سازه های کوتاه مرتبه در ساختگاه III بسیار ناچیز بوده و در ساختگاه IVنیز قابل اغماض است.
اما برای سازه های میان مرتبه و بلندمرتبه، در هر دو ساختگاه تیپΙΙΙ و IVمقدار آن قابل توجه است.
برای سازه های کوتاه مرتبه در هر دو تیپ ساختگاه ، تغییر نیروی داخلی در هر ستون قابل صرف نظر کردن است . در تیر ها و دیوارهای برشی گرچه مقدار این اثر کاهندگی ، بیشتر است ولی هم چنان قابل چشم پوشی است . این اثرات را می توان در ساخت و سازهای انبوه و برای صرفه جویی در مصرف مصالح مورد توجه قرار داد .
برای سازه های میان مرتبه و بلند مرتبه در هر دو تیب ساختگاه، میزان تعییرات به نوعی است که نیاز به تحلیل و طراحی مجدد دور ازانتظار نیست، به طوری که کاهش لنگرهای خمشی و نیروی برشی در تیرها و همچنین دیوارهای برشی، سبب تغییر در ابعاد مقاطع آنها می شود .
تغییر ابعاد مقطع اعضای سازه ای برای ستون ها و تیرها قابل ملاحظه و در مورد سازه 16 طبقه در ساختگاه تیپ IV به ترتیب تا 10 و 14 درصد کاهش نیز میرسد، ولى برای دیوار های برشی در تمام حالات، این تغییرات بسیار اندک است که شاید بتوان دلیل آنرا سختی قابل ملاحظهٔدیواربرشی نسبت به سایراعضای سازه ای دانست.
لحاظ تحلیل های اندرکنش خاک – سازه سبب ایجاد تغییر شکلهای جدید در اعضای سازهای مختلف می شود، که پیآمد آن عموماً کاهش مساحت و وزن آرماتورهای مصرفی، ابعاد مقاطع و نهایتاً طرح مجدد عضو خواهد بود.
در مورد لزوم انجام تحلیل های اندرکنش خاک – سازه، پیشنهاد می شود پارامتر " نسبت سختی سازه به خاک " به عنوان یکی از مهمترین معیارهای انجام این تحلیل و اعمال اثرات ناشی از آن در طرح لرزه ای سازه ها، در ویرایشهای آتی استاندارد ۲۸۰۰ و سایر آئین نامه های طرح لرزه ای گنجانده شود.

مطالعه تجربی آثار اندرکنش خاک-سازه در پاسخ لرزهای ساختمانها و توصیه های آیین نامه ای
اثرات اندرکنش سینماتیکی پی ها در مقایسه با اندرکنش اینرسی سیستم های خاک -سازه اهمیت چندانی ندارد .
ارتعاشات لرزه ای موثر بر سازه ها تابعی است از پارامترهای متعدد نظیر : اثرات سرچشمه ، زلزله ، ثرات مسیر عبور امواج ، اثرات ساختگاه و اثرات اندرکنش خاک – سازه که در شکل ( 1 ) نشان داده شده است .

شکل2:نسبت تغیرات پریود سازه -برش پایه-تغیر مکان
برای هر سه تیپ ساختمان(با اندرکنش و بدون اندرکنش)
ارتعاشات لرزه ای موثر بر سازه ها تابعی است از پارامترهای متعدد نظیر: اثرات سرچشمه زلزله، اثرات مسیر عبور امواج، اثرات ساختگاه وثرات اندرکنش خاک – سازه که در شکل (۱) نشان داده شده است. اثرات سرچشمه زلزله بیانگر بزرگی زلزله، مکانیزم گسلش و موقعیت آن نسبت به ساختگاه می باشد. اثرات مسیر عبور امواج براساس کاهندگی امواج لرزهای منتشر شده در طول مسیر بستر سنگی از سرچشمه به طرف ساختگاه تعیین میشود. اثرات ساختگاه نیزبزرگنمایی یا کاهندگی دامنه امواج لرزهای منتشره از بستر سنگی به طرف سطح آزاد را بیان میکند. نتیجه نهایی سه پارامتر اول به عنوان حرکت لرزه ای سطح آزاد (Free field) شناخته می شود که بیانگر پاسخ زمین در غیاب هرگونه اثرات ناشی از ارتعاش سازه ها می باشد. اثرات اندرکنش خاک – سازه از انعطاف پذیری خاک زیر پی و ارتعاشات نسبی بین پی و سطح آزادناشی می شود. با منظور نمودن این اثرات می توان نیروهای اینرسی و تغییر مکانهای واقعی یک سیستم سازه-پی-خاک را تحت اثر
حرکات لرزهای سطح آزاد تعیین نمود. مسئله اندرکنش خاک – سازه منفرد در حالت دو سازه مجاور هم به مسئله پیچیده اندرکنش سازه-خاک – سازه تبدیل می شود. در حالت کلی، برای مطالعه خطر زلزله و آسیب پذیری لرزه ای سازه ها مسئله اندرکنش شهر – ساختگاه (Site city interaction ) مطرح می باشد .
با استفاده از نتایج آزمایشهای دینامیکی مدلهای مقیاس شده روی میز لرزان مهمترین جنبه های عملکرد سازه های مجاور هم مورد بررسی قرار گیرد. ابتدا، روشهای مستقیم و زیر سازه برای تحلیل مسائل اندرکنش خاک – سازه و قابلیتهای هرروش بطور اجمال مطرح شده اند. سپس ضمن معرفی مشخصات هندسی و مکانیکی مدلهای آزمایشگاهی و برنامه آزمایش آنها روی میز لرزان، نتایج آزمایشهای دینامیکی مورد توجه قرار گرفته اند. در خاتمه، ضمن مقایسه نتایج آزمایشگاهی با مدلسازیهای عددی، مهمترین نتایج و یافته های این تحقیق ارائه شده اند .لازم به ذکر است که برای مطالعات تحلیلی از برنامه کامپیوتری FLUSH استفاده شده است. برای این منظور تغییراتی در متن اصلیاین برنامه داده شده است تا روی کامپیوترهای شخصی و با سیستم واحد متریک قابل اجرا باشد.

تحلیل اندرکنش خاک – سازه به روش زیر سازه
اندرکنش دینامیکی از دو مکانیزم اندرکنش بین سازه ، پی و خاک به شرح زیر ناشی می شود :
الف – اندرکنش اینرسی : نیروهای اینرسی سازه تولید نیروهای برشی و لنگرهای خمشی در تراز پایه می کند که سبب تغییر مکان پی نسبت به سطح آزاد می گردد .
ب – اندرکش سینماتیکی : وجود پی سخت روی خاک باعث تغییر حرکات پی نسبت به سطح آزاد می گردد .
اگر اثرات اندرکنش سینماتیکی صرفنظر شود ،

K_u=8/(2-v) 〖Gr〗_u
K_θ=8/3(1-v) 〖Gr〗_θ^3
T ̃/T=√(1+k/K_u +(kh^2)/K_θ )
β ̅=β_0+β/(T ̃⁄T)^3

شکل شماره 3:مشخصات مهندسی اندرکنش خاک وسازه-شکل ساده شده

تحلیل اندر کنش خاک – سازه به روش مستقیم
برنامه کامپیوتری FLUSH از قابلیت های خوبی جهت تحلیل مسائل خاک – سازه برخوردار است .
برای مدلسازی خاک در این برنامه از عناصر چهار گرهی ((Quadrilateral یا سه گرهی( Triangular) و برای مدلسازی سازهاز عناصر خمشی (تیر) استفاده شده است. توزیع جرم میتواند به صورت پیوسته یا متمرکز در نقاط گرهی و یا ترکیبی از آنها در نظر گرفته شود. تاریخچه زمانی زلزله ورودی روی بستر سنگی یا روی سطح آزاد خاک اعمال میشود. رفتار غیرخطی خاک تحت اثر حرکات لرزه ای شدید باروش خطی معادل در نظر گرفته شده است. حل معادلات تعادل دینامیکی به روش مختلط (Complex response) این مزیت را فراهم می سازد کهمدول برشی خاک نیز به صورت مختلط تعریف شده و در نتیجه میرایی هر عضو نسبت به اعضای دیگر میتواند متفاوت درنظر گرفته شود. متن اصلی
این برنامه برای کامپیوترهای مادر نوشته شده است. لذا برای اجرایی نمودن آن روی کامپیوترهای شخصی جهت تحلیل نتایج آزمایشگاهی،تغییراتی در متن اصلی این برنامه داده شده است.

شکل شماره4:مدل اجزا محدود با تقارن محوری و مرزهای ویسکوز

نتایج آزمایشهای میز لرزان
با توجه به اینکه برنامه آزمایش مدلها روی میز لرزان مراحل و آزمایشهای مختلف را شامل میشود، لذا می توان اثر پارامترهای مختلف ازجمله: تعداد طبقات سازه، نوع خاکث، فاصله سازههای مجاورهم، تاثیر نوع زلزله و غیره را در اندرکنش خاک -سازه مورد مطالعه قرار داد. پردازشاولیه اطلاعات شامل انتخاب قسمت مطلوب نگاشت های ثبت شده، اعمال ضریب کالیبراسیون شتاب سنج ها، تصحیح خط پایه و فیلتر کردن نوفه ها(Noise )می باشد. بدیهی است که ارائه تمام نتایج آزمایشها در اینجا مقدور نبوده وفقط به ارائه نتایج نمونه بسنده شده است. برای نتایج کاملتر به مرجع مراجعه شود .
پاسخ سطح آزاد
نتایج نشان می دهند که فرکانس اصلی ارتعاش مدل خاک در زلزله های متوسط و بزرگ به ترتیب در حدود 7 تا 10 درصد کاهش یافته است که از رفتار غیرخطی خاک ناشی میشود. به این ترتیب، رفتار غیرخطی خاک با کاهش فرکانس و افزایش میرایی عامل مهمی در کاهش خسارات ناشی از زلزله های شدید محسوب میشود.
جدول 1 – مقایسه فرکانس های تحلیلی – تجربی مدل خاک بر حسب هرتز

شکل شماره 5: تابع انتقال پاسخ شتاب سطح آزاد تحت السنترو-طیف پاسخ شتاب سطح آزاد السنترو

اندرکنش سینماتیکی خاک – پی
به این ترتیب ملاحظه می شود که اثرات اندرکنش سینماتیکی پی ها ناچیز بوده و اساس به فرکانس های بالاتر از مد های اصلی ارتعاش سازه ها مربوط می شود که عملا از نظر آسیب پذیری لرزه ای اهمیت زیادی ندارند .
نتایج آزمایش پی های مجاور هم مشابه پی های منفرد بوده و اثر متقابل آنها عملا قابل صرفنظر کردن می باشد. با توجه به اینکه اثرات اندرکنش سینماتیکی در فرکانسهای بالا مشاهده می شود، لذا به نظر می رسد اینگونه اثرات در ساختمانهای سخت و صلب نظیر نیروگاهها یا درساختمانهای با لوازم مکانیکی، الکتریکی و الکترونیکی حساس قابل توجه باشد.
اندرکنش دینامیکی سازه – خاک – سازه
مقایسه نتایج این جدول با نتایج مشابه برای مدلهای سازه ای منفرد نشان می دهد که سازههای مجاور هم تاثیر عمدهای در تغییر فرکانس و میرایی همدیگر ندارند. فقط درفواصل 2 , 1=d/ a تغییراتی در فرکانسهای ارتعاشی سازه های نزدیک بهم ملاحظه می شود. بعلاوه، تغییرات جزئی در میرایی سازههای مجاور هم نسبت به سازه منفرد مشاهده می شود لیکن روند خاصی قابل شناسایی نیست. در سازه های با میرایی زیاد (مدل ۱۰ طبقه در اینجا) از اهمیتاندرکنش متقابلا سازه ها کاسته می شود.

مقایسه نتایج تجربی و تحلیلی
برای تحلیل نتایج زمایشگاهی از برنامه کامپیوتری FLUSH استفاده شده است. بررسی ها نشان میدهد که نتایح تجربی و تحلیلی پاسخسطح آزاد و همچنین پاسخ نوک مدلهای سازهای توافق بسیارخوبی با هم دارند. بیشترین تفاوت به پاسخ مدهای بالا ترمربوط می شود . نتایج مشابهی برای سازههای مجاور هم نیز حاصل شده است. تفاوتهای جزئی در نتایج تجربی – تحلیلی به خطاهای آزمایشکاهی و فرضیات مدلسازی عددی مربوط میشوند. ضمنااین نکته مهم خاطرنشان میشودکه پاسخ سطح ازاد به رفتار غیرخطی خاک بسیار حساس است. بنابراین، در انتخاب منحنی تغییرات مدول برشی و میرایی چرخه ای خاک با کرنش برشی به خصوص تحت زلزله های بزرگ باید دقت کافی به عمل آورد .
جمع بندی و توصیه های آئین نامهای
مهمترین یافته های این تحقیق و توصیه های آئین نامهای در زمینه اندرکنش خاک -سازه به شرح زیر می باشند:
سهم حرکات افقی و گهوارهای پی در پاسخ سازه:
مکانیزم اصلی اندرکنش خاک-سازه به حرکات افقی و گهوارهای پی ها مربوط می شود. با مراجعه به سیستم تک درجه میتوان سهم حرکات افقی پی در حرکت جانبی سقف بام سازه را از تفاضل حرکت افقی پی و سطح آزاد و همچنین سهم حرکات گهواره ای پی در حرکت جانبی سقف بام سازه برابر hθ در نظر گرفت. به این ترتیب، سهم حرکات افقی و گهواره ای پی در پاسخ نوک مدلهای سازه ای برحسب h ̅/r حاصل میشود که در آن h ̅ارتفاع سیستم سازه ای یکدرجه آزاد (معادل 0.7 ارتفاع کل سازه چند طبقه) می باشد. نتایج نشان میدهند که در ساختمانهای کوتاه (۵ طبقه)، سهم حرکات افقی و گهواره ای پی در پاسخ نوک سازه تقریباً مساوی است، لیکن در ساختمانهای با ارتفاع
بیش از ۱۰ طبقه، سهم حرکات گهواره ای به شدت افزایش می یابد.به طوری که در ساختمانهای بلندتراز ۱۵ طبقه (2.8 <h ̅ /r) سهم حرکات افقی پی در پاسخ سیستم خاک – سازه در مقایسه با حرکات گهواره ای ناچیز و قابل صرفنظر کردن میباشد. شایان ذکر است که حرکات افقی پی و سطح آزاددر محدوده فرکانسهای کمتر از 30 هرتز در مقیاس مدل (Hz3.0 در مقیاس واقعی) تقریبا برهم منطبق میباشند که از فرکانس مد اصلی مدلهای سازه ای بیشتر است .
پریود موثر سازه:
اثرات اندرکنش خاک-سازه به صورت افزایش پریود ارتعاشی در مدلهای سازه ای ظاهر میشود. مقادیر تجربی پریود موثر در مدلهای سازه ای (T ̃)برحسب نسبت ابعادی h ̅ /r بامقادیر حاصل ازروابط پیشنهادی ATCوNEHRPمقایسه شده است. همانطور که ملاحظه میشود، این اثرات درزمینهای نرم و نسبتا نرم (نوع IV و III) قابل توجه بوده ولی در زمینهای نسبتا سخت (نوع II) ناچیز است. روابط آیین نامه ای هماهنگی خوبی را با نتایج آزمایشهای تجربی نشان می دهد. لیکن، پریود موثر حاصل از رابطه تحلیلی برای ساختمانهای بلند تر از ۱۰ طبقه در مقایسه با نتایج تجربی قدری دست پایین است. شایان ذکر است که اثرات اندرکنش خاک – سازه اساساً در مداصلی سازه ها دیده می شودو درمدهای بالاتر قابل اغماض است. بعلاوه، با افزایش میرایی سازه از درجه اهمیت اثرات اندرکنش دینامیکی خاک – سازه کاسته می شود .
اثر حرکات افقی و گهواره ای پی ها در پریود موثرسازه به ترتیب با ضرایب سختی K_y و K_θ در نظر گرفته میشوند که از روابط قابل محاسبه هستند. اگر مقدار K_y خیلی بزرگ در نظر گرفته شود (K_y → ∞)، فقط حرکت گهواره ای در اندرکنش خاک – سازهمشارکت می کند. همین طور اگر K_θ خیلی بزرگ باشد (K_θ → ∞)فقط حرکت افقی پی در اندرکنش خاک – سازه موثر خواهد بود. ملاحظه میشود که در ساختمانهای کوتاه (۵ طبقه) اثر این حرکات در اندرکنش خاک – سازه تقریباً یکسان است، اما با افزایش ارتفاع سازه سهم حرکت گهوارهای غالب می گردد به طوری که در ساختمان های بلند (۲۰ طبقه) بیشی از 90 درصدتغییرات پریود سازه از این حرکتناشی می شود. بنابراین میتوان گفت که نسبت ابعادی h ̅ /r نقش کلیدی در اندرکنش خاک – سازه ایفا میکند.

شکل شماره 6:سهم حرکات افقی و گهواره ای پی در پاسخ سازه(h/r)

شکل شماره 7 :تغیر پریود موثر مدل های سازه ای(h/r)

درجه اهمیت اندرکنش خاک-سازه :
شاید مهمترین سوال در خصوص اندرکنش خاک-سازه این باشد که تحت چه شرایطی فرض مرسوم پایه گیردارقابل قبول نبوده و باید اثرات اندرکنش خاک -سازه در نظر گرفته شود؟ براساس پیشنهاد ولنسوس و میک در صورتی کهV_s/(fh ̅ )<20باشند. لازم است اثرات اندرکنش خاک – سازه در نظر گرفته شود که در آن f فرکانس سازه یکدرجه آزاد (مد اول سازه چند طبقه) میباشد. با بهره گیری از این رابطه درجهاهمیت اندرکنش خاک – سازه برای مدلهای ۵، ۱۰، ۱۵ و ۲۰ طبقه مطابق جدول تقریباً یکسان بدست میآید. اما نتایج مطالعات تجربی – تحلیلی ارائه شده نشان میدهند که اثرات اندرکنش خاک – سازه در ساختمانهای بلندتر اهمیت بیشتری دارد. بعلاوه، تاثیر عمق لایه خاک نرم روی بستر سنگی در این رابطه منظور نشده است. بنابراین، باعمال نسبت ابعادی سازه (h ̅ /r) وعمق خاک نرم تا بستر سنگی (H_s ) رابطه کاملترى به شکل (4rH_s)/h ̅^2 f_s/f<20 حاصل میشود. بهره گیری از این رابطه در مدلهای سازهای مورد مطالعه درجه اهمیت اندرکنش خاک – سازه را در ساختمانهای بلند افزایش می دهد در صورتی که برای ساختمانهای کوتاه(۵ طبقه) نتایج مشابهی حاصل میشود. یکی از مزایای این رابطه آن است که از فرکانس ارتعاشی خاک به جای سرعت موج برشی استفاده شده است که با ضوابط آیین نامه های طرح لرزه ای سازگاری بیشتری دارد. با مراجعه به نتایح آزمایشهای دینامیک، به نظ میرسد که محده دانم، دن مق از این رابطه به کمتر از 10 به حاع 20 به ساختمان مراجعه به نتایج آزمایشهای دینامیکی به نظر می رسد که محدود نمودن مقادیر حاصل از این رابطه به کمتراز 10 به جای 20 برای ساختمانهای معمولی با پی های صلب سطحی کافی باشد .

شکل شماره8: تغیر میرایی مدل های موثر سازه ای

جدول 2- ارزیابی درجه اهمیت اندرکنش خاک – سازه برای مدل های آزمایشی

با توجه به آنچه که مطرح شد میتوان درجه اهمیت اندرکنش خاک – سازه را در زمینهای مختلف براساس طبقه بندی آیین نامه ۲۸۰۰ زلزله ایران به شرح زیر پیشنهاد نمود:
– در زمینهای نوع IV درنظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک – سازه برای طرح لرزهای کلیه ساختمانها ضروری است.
در زمینهای نوع III در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک – سازه برای طرح لرزهای ساختمانهای با نسبت ابعادی h ̅⁄r>1.0است.
درزمینهای نوع II درنظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک – سازه برای طرح لرزه ای ساختمانهای با نسبت ابعادی h ̅⁄r>2.5 ضروری است.
– در زمینهای نوع I در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک – سازه برای طرح لرزه ای ساختمانها ضروری نیست.

مدل سازی عددی و فیزیکی اندرکنش لرزه ای سازه و خاک در خاک های لایه ای
پاسخ سازه ای ساختمان هایی که در معرض بارهای لرزه ای قرار دارند، تحت تاثیر شرایط محلی و اندرکنش بین سازه و محیط خاک می باشد. مدل سانتریفیوژ لرزه ای آزمایش ها، در یک پروفیل خاک دولایه ای رسی 80g، جهت بررسی اندرکنش خاک و سازه و پاسخ دینامیکی پی انجام شده است. با استفاده میز لرزه الکترو هیدرولیک ، لرزش های متعددی به مدل های وارد شده است تا رفتار خطی و غیر خطی خاک شبیه سازی گردد. نتایج حاصل شده نشان می دهند که حرکت داخلی شالوده در هر دو مدل به طور قابل توجهی مخصوصا برای حرکات ضعیف لرزه ای ، تشدید شده است. اندرکنش لرزه ای خاک و سازه دارای تاثیر قابل ملاحظه ای بر روی پاسخ سازه به وسیله افزایش دامنه حرکت داخلی شالوده است . از یک مدل عددی محدود سه بعدی جهت شبیه سازی پاسخ آزمایشات مدل سانتریفیوژ و همچنین مطالعه پارامترهایی که بر روی خصوصیات زلزله در قسمت پایه سازه تاثیر گذار می باشد، استفاده شده است. نتایج نشان می دهند که سختی و لایه بندی پرفیلهای خاک، تاثیر قابل توجهی بر اصلاح حرکت ورودی شالوده دارد.
آزمایشات مدل سانتریفیوژ لرزه ای در پروفیل های دو لایه ای خاک رس جهت ارزیابی اندرکنش خاک و سازه و پاسخ دینامیکی شالوده انجام شده است . پروفیل های لایه ای خاک جهت دنبال کردن انتقال حرکات لرزه ای به خاک مورد استفاده قرار گرفته اند. این طور نتیجه گیری شد که تشدید بیشتر در خاک های با سختی کمتر مخصوصا برای حرکات لرزه ای به وقوع می پیوندد. پاسخ سازه به شدت تحت تاثیر لایه بندی خاک و اندرکنش خاک و سازه می باشد. تشدید و فرکانس غالب شتاب های سطحی با افزایش شدت زلزله، کاهش می یابد. وقوع این اثرات به دلیل کاهش سختی خاک و افزایش میرایی هنگام افزایش دامنه زمین لرزه می باشد. با استفاده از تفاضل محدود غیر خطی FLAC جهت مدل سازی عددی و پیش بینی پاسخ لرزه ای آزمایشات سانتریفیوژ استفاده شده است. مدل عددی با مقایسه پاسخهای پیش بینی شده با پاسخ های اندازه گیری شده بر روی خاک رس لایه ای ، مورد تایید قرار گرفته است. مقایسه نتایج نشان دهنده تطبیق مناسب بین شبیه سازیهای عددی و نگاشت های مدل سانتریفیوژ می باشد. سپس از مدل تایید شده جهت مطالعه تاثیرات لایه بندی بر تشدید زلزله و اندرکنش خاک و سازه استفاده شده است . شتاب های اوج خاک زیر سازه به دلیل اندرکنش بین خاک و فونداسیون افزایش می یابد. اندرکنش لرزه ای خاک و سازه در فرکانس های 6-2 هرتز، باعث افزایش حرکات افقی زمین می گردد. اندرکنش خاک و سازه باعث افزایش قابل توجه پاسخ اوج و زمان تناوب طبیعی سازه دارای شالوده ثابت می گردد. لایه بندی خاک دارای اثر قابل ملاحظه ای بر حرکت ورودی شالوده می باشد. لایه بندی خاک با کاهش اثرات نامطلوب SSI، باعث اصلاح حرکت وارد شده به پی می گردد. این مشاهدات نشان دهنده اهمیت درنظر گرفتن لایه بندی خاک هنگام ارزیابی حرکت ورودی پی می باشد. در عین حالی ، تحلیل های لختیSSI بر روی پروفیل های مختلف خاک نشان می دهند که لایه بندی خاک دارای اثرقابل اغماضی در اصلاح SSIلختی می باشد.

شکل شماره 9:جابجای نسبی سازه ای برای تمام پیشامدهای لرزه ای

شکل شماره 10:نشست ثابت سازه برای تمام پیشامدهای لرزه ای
نتیجه گیری
اِعمال اثرات اندرکنش خاک- سازه بسته به نوع خاک ساختگاه و سختی سازه باعث افزایش پریود سازه و میرائی شده که این افزایش نسبت مستقیم با سختی نسبی سازه به خاک دارد. این اثرات نسبت عکس با سرعت موج برشی در لایه های خاک دارد . هرچه سرعت موج برشی کمتر باشد، اثرات اندرکنش خاک- سازه بیشتر خواهد بود
لحاظ تحلیلهای اندرکنش خاک- سازه سبب ایجاد تغییر شکلهای جدید دراعضای مختلف می شود، که پیآمد آن کاهش یا افزایش مساحت و وزن آرماتورهای مصرفی و نهایتاً طرح مجدد عضو خواهد بود .
ساختگاه های تیپ III و IV به مراتب بیشتر از ساختگاه های تیپI و II رفتارغیرخطی داشته و اثرات اندرکنش را تشدید می کنند. به نحوی که برای تمام سازه های بلندمرتبه در ساختگاه های تیپ III و برای تمام سازه های میان مرتبه و بلند مرتبه در ساختگاه های تیپ IV تحلیل اندکنش
خاک – سازه الزامی ست.
پیشنهاد می شود پارامتر " نسبت سختی سازه به خاک " به عنوان یکی از مهمترین معیارهای انجام تحلیل اندر کنش خاک- سازه و اِعمال اثرات ناشی از آن در طرح لرزه ای سازه ها، در ویرایشهای آتی استاندارد 2800 و سایر آئین نامه های طرح لرزه ای گنجانده شود.

مراجع

[1]Nagano, Masayuki, (2003), "Dynamic Soil-Structure Interaction" , Dr. Eng.Professor Department of Architecture Faculty of Science & Technology, Tokyo University of Science
[2]Stewart, Jonathan P and Seed, Raymond B and Fenves , Gregory L (1998) ,"Empirical Evaluation of Inertial Soil-Structure Interaction Effects", University of California, Berkeley
[3] تسنیمی، ع، رفتار و طرح لرزه ای ساختمانهای بتن مسلح، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن(1384)
[4]Mylonakis, G. and G. Gazetas, "Seismic Soil-Structure Interaction: Beneficial or Detrimental?" Journal of Earthquake Engineering, Vol.4 No.3, 2000
[5] " آئین نامه طرح ساختمانها در برابر زلزله – استاندارد 2800" ، ویرایش سوم، انتشارات مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن(1384)
[6]Whitman, R.V; Richart, F.E (1967), "Design Procedure for Dynamically Loaded Foundation", Table 4, pp.182-192.
[7]Wolf, John.P.(1997), "Spring-Dashpot-Mass Models for Foundation Vibrations", Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol.26,PP.931-949
[8] قناد، ،محمدعلی، "اثربرهم کنش خاک و سازه بر طراحی ساختمانها در برابر زلزله" ، شماره هشتم ، مجله زمین لرزه ، ص 14-20
[9] NEHRP, (1994), "Recommended provision for the development of seismic regulation for new building"
[10] Tsegaye,surafel ,(2011) ,"soil structure interaction", Civil Engineering Department, Institute of Technology, Addis Ababa University
[11] Repapis,C.,Vintzileou,E.,Zeris,C.,(2006),"Evaluation Of The Seismic Performance Of Existing RC Buildings," Earthquake Engineering and Dynamic Structures, Vol:10.
[12] Gao a, Q,;Lin,J.h;Zhong,W.x;Howson,W.p; Williams,F.w,(2008) "Isotropic layered soil-structure interaction caused by stationary random excitations" , Department of Engineering Mechanics, State Key Laboratory of Structural Analysis of Industrial Equipment, Dalian University of Technology,
[13] Grange,Stéphane; Kotronis, Panagiotis; Mazars, Jacky,(2009)," A macro-element to simulate 3D soil-structure interaction considering plasticity and uplift", Laboratoire 3S-R (Sols, Solides, Structures-Risques) INPG/UJF/CNRS Domaine Universitaire BP 53, 38041 Grenoble cedex 9, France
[14] Shakib,H; Atefatdoost ,G.R.(2011)," Effect of Soil-Structure Interaction on Torsional Response
of Asymmetric Wall Type Systems", The Twelfth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction, Procedia Engineering 14, 1729-1736, Elsevier, Department of Civil Engineering, Tarbiat Modarres University, Tehran, Iran
[15] ESER ,M ;AYDEMIR C, and EKIZ I (2011)," Effects of Soil Structure Interaction on Strength Reduction Factors", Procedia Engineering 14,1696-1704, Elsevier, Department of Civil Engineering, Yildiz Technical University, Istanbul, Turkey