واکنش دینامیکی پی های عمیق و خاک اطراف با تحلیل های تاریخچه زمانی

در سالهای اخیر تحقیقاتی در مورد برهم کنش دینامیکی سازه ها با پی (خاک با سنگ) برای انواع مختلف سازه انجام شده است.به ویژه برای سازه های حجیم و سنگین مانند نیروگاه های اتمی،سدها،سکوهای ساحلی،پل ها،و سازه های بلندکه بر روی خاک نرم بنا شده اند اشاره نمود که در بسیاری از موارد این تحقیقات نشان داده است که برهم کنش بین سازه و پی بسیار مهم است.از جمله  دلایلی که طراح نیاز به استفاده از شمع دارد عبارتند از:

درساختمان های بلند برای مقابله با نیروهای جانبی،در شالوده های سازه های خاص و مهم و زمانی که لایه خاک فوقانی خیلی سست باشد

در این تحقیق ابتداروشهای معمول تحلیل و طراحی پی های عمیق با اثر نیروی سازه روی آن بررسی و سپس کل سازه و پی عمیق با خاک اطراف تحلیل استاتیکی و تاریخچه زمانی قرار می گیرد

در این مقاله رفتار دینامیکی پی های عمیق با خاک اطراف مورد بررسی قرار می گیرد.

برای این کار اندر کنش مستقیم دینامیکی پی های عمیق با استفاده از مدل سازی مستقیم خاک و شمع سازه و اعمال شتتاب نگاشتهای مختلف به بستر سنگ فیزیکی انجام می گردد.موج برشی اعمالی بعد ازعبور از لایه های خاک در نقاط مختلف بر روی پی عمیق و خاک اطراف و سازه ثبت گردید.همچنین با تحلیل دینامیکی مستقیم اثر نیروی سازه موجود بر روی رادیه شمع و پاسخ دینامیکی شمع و خاک مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت که می توان به تنش های قائم و افقی خاک و شمع و... اشاره کرد

 

انتخاب مدل سازه

در قسمت آنالیز یک ساختمان بلند بتن آرمه 12 طبقه که دارای قاب با فاصله عرضی 5 متر و دو دهانه 4 متری و ارتفاع هر طبقه 3 متر (شکل1)  که با نرم افزار ETABS تحلیل گردیده و بعلت کاربردی بودن طرح ابعاد دهانه ها واقعی و سازه متقارن در نظر گرفته شده است.کاربری ساختمان مسکونی و بار مرده DL=750kg/m2 و بارزنده LL=200kg/m2  منظور شده است.

سیستم بار جانبی قاب خمشی می باشد و برای بارگذاری از آیین نامه های 519 و 2800 ایران و برای بار زلزله از روش تحلیل استاتیکی،دینامیکی طیفی و تاریخچه زمانی استفاده شده است و برای تحلیل اعضاء بتن آرمه از آیین نامه های ACI  استفاده شده که جدول شماره 1 مشخصات مصالح مصرفی بتن و فولاد را نشان می دهد

 جدول 1-مشخصات مصالح مصرفی بتن و فولاد

فولاد

بتن

Esu

Es,Mpa

Fy,Mpa

Ecu

Ec,Mpa

F’c,Mpa

0.05

210000

300

0.003

24000

21

 تحلیل پی عمیق در حالت استاتیکی،دینامیکی طیفی و تحلیل تاریخچه زمانی

 حالت استاتیکی

در این حالت سازه روی پی عمیق به روش استاتیکی تحلیل شده و بارها به سر شمع و سپس به شمع اعمال می گردد که در این حالت خاک مورد نظر نوع    IIوسازه یک قاب از ساختمان بتونی 12 طبقه می باشد.در این تحلیل سختی ستون شمع با توجه به سختی محور شمع و سختی خاک محاسبه می شود که نیروی محوری شمع با توجه به در نظر گرفتن آنها بدست می آید.در این آنالیز فقط تنش زیر پی،نیروی محوری شمع و نشست ها قابل محاسبه می باشد

 حالت دینامیکی طیفی

در این حالتبا توجه به شتابهای اعمالی به سازه که در خاک نوع IIرکورد شده اند  سازه تحلیل و نیروها بهشمع و سپس به شمع اعمال می گردد

طبق آیین نامه زلزله 2800 از هفت زوج (Y.X)شتابنگاشت که در جدول2 مشخصات شتابنگاشتهای انتخاب شده جهت تحلیل دینامیکی طیفی و تاریخچه زمانی مشخص می باشد.شکل 2 نمونه ای از شتابگاشتهای استفاده شده(زلزله ناغان) در تحلیل دینامیکی طیفی و شکل3 منحنی طیف 2800 که با توجه به خاک نوع II را نشان می دهد.در این تحلیل نیز فقط تنش زیر پی،نیروی محوری شمع و نشست ها قابل محاسبه می باشد

حالت تاریخچه زمانی

در این حالت تحلیل سازه بر اثر دادن شتاب زمین به صورت تابعی از زمان در تراز پایه ساختمان و به کارگیری محاسبات متعارف دینامیک سازه ها انجام می شود.در این حالت میانگین قدر مطلق ماکزیمم نیروی عکس العمل پای ستونها را بدست آمده و این نیروها به سر شمع و سپس به شمع اعمال می گردد.در این مورد نیز فقط تنش زیر پی،نیروی محوری و نشست ها قابل محاسبه می باشد

همانطور که گفته شد در هر سه حالت مختلف فقط تنش زیر پی،نشست ها و نیروی محوری شمع قابل محاسبه بوده که بیشترین تنش زیر پی،نشست ها و نیروی محوری شمع در حالت تحلیل دینامیکی طیفی می باشد.نیروهای برشی،لنگر خمشی،نشست زیر شمع و اطراف آن و تنش های افقی خاک در این حالتها قابل محاسبه نمی باشد.

      جدول 2- شتابنگاشتهای انتخاب شده جهت تحلیل دینامیکی طیفی و تاریخچه زمانی             

نوع خاک

نام ایستگاه ثبت زلزله

بزرگی زلزله

زمان وقوع زلزله

تاریخ وقوع زلزله

نام شتابنگاشت

II

USGS 5051

MS=6.6

13:06

1987/11/24

SUPERSTITION HILLS

II

CDMG 57007

MS=7.1

00:05

1989/10/18

LOMA PRIETA

II

0 KJMA

MS=6.9

20:46

1995/01/16

KOBE

II

USGS 5070 NORTH PALM SPRINGS

MS=6

09:20

1986/07/08

PALM SPRINGS

II

CDMG 24278 CASTAIC-OLD RIDGE ROUTE

MS=6.7

12:31

1994/01/17

NORTHRIDGE

II

NAGHAN

MS=5.9

13:36

1977/04/06

NAGHAN

II

ABBAR

MS=7.7

21:00

1190/06/20

MANJIL

 

 

مراحل مدلسازی سازه،پی عمیق و خاک همزمان

           

برای مدلسازی لازم است ابتدا بستر خاک با استفاده از شبکه بندی مربعی مدلسازی شده و تحت وزن خود تحلیل شده و تنش ها و تغییر شکلهای ناشی ازآن بدست آید.برای حصول تعادل باید شرایط مرزی استاتیکی بصورت مسدود کردن جابجایی ها در جهت افقی در مرزهای قائم ومسدود کردن جابجایی های افقی و قائم در مرز افقی  پایین(مانند یک بستر سنگی صلب) است.مدل رفتاری موهر-کلمب بعنوان مدل رفتاری استفاده شد.برای مدلسازی شمع از المانهای شمع وبرای مدلسازی سازه از المانهای تیر استفاده گردیده است.بعد از مدلسازی سازه به تعداد 12 طبقه و شمع ها به عمق 15متر ابتدا تحلیل استاتیکی و حصول تعادل،مدل آماده تحلیل دینامیکی می گردد.همانند مرحله قبل برای تعیین و تخمین تغییر شکل های حاصل از صرفا تحریک زلزله(قبل از اعمال زلزله) ابتدا تغییر شکلهای حاصل از وزن سازه صفر گشته سپس تحریک زلزله از کف مدل(عمق 30 متری) به آن اعمال می شود.تحریک زلزله بصورت تاریخچه زمانی تنش،سرعت،جابجایی و شتاب قابل اعمال است که در مدل حاضر،از تاریخچه زمانی شتابنگاشتها استفاده شده است.جهت تحلیل دینامیکی باید شرایط مرزی متناسب نیز تعریف گردیده به عبارتی دیگر باید شرایط مرزی دینامیکی درآن تعریف شود.درمدل حاضر به دلیل اینکه سازه در سطح زمین قرار دارد از شرایط مرزی محیط آزاد(free field)  استفاده شده است

مشخصات خاک مورد استفاده در تحلیل های با تاریخچه زمانی همان نوع II   است که جهت طراحی پی تنها در حالت های استاتیکی،دینامیکی و تاریخچه زمانی استفاده شده است

 تحلیل پی عمیق و خاک همزمان

 بعد از مدلسازی سازه،رادیه،پی عمیق و خاک تحریک زلزله بصورت تاریخچه زمانی برای زلزله های مختلف از کف بستر مدل(عمق30متری)به آن اعمال گردید.

نتیجه گیری

دراین مقاله با توجه به آنالیز استاتیکی،دینامیکی طیفی،تاریخچه زمانی و همچنین روش آنالیز سازه وپی و خاک همزمان می توان به نتایج ذیل اشاره کرد:

الف:از نتایج تحلیل سازه و پی عمیق و خاک همزمان مشخص می شود که جابجایی های افقی و قائم سازه در این حالت خیلی بیشتر از تحلیل سازه در این حالت خیلی بیشتر از تحلیل سازه تنها می باشد و دلیل آن نیز انتقال تغییر شکل های تجمعی لایه های خاک به سازه در حالت تحلیل همزمان می باشد

ب:همچنین مشخص می گردد که نیروهای پای ستون سازه تفاوت زیادی با تحلیل سازه در حالت استاتیکی دینامیکی و تاریخچه زمانی نداشته است بدلیل اینکه نشست ها(تغییر شکل ها) در اثر همگنی لایه های خاک در زیر ستونها تقریبا یکسان ایجاد شده است

ج:نیروی محوری و جابجایی های قائم شمع ها در حالت تحلیل سازه و پی عمیق و خاک همزمان خیلی بیشتر از حالت تحلیل سازه جدا و پی می باشد و دلیل آن هم این است که نشست خاک و تنش های در حالت تحلیل پی عمیق و خاک همزمان کاهش یافته و بخش اصلی بار سازه توسط شمع ها به دلیل سختی محوری زیاد آن و قابلیت تغییر شکل خیلی کم آن نسبت به خاک اطراف تحمل شده است و همچنین نیروی برشی و ممان خمشی شمع در این حالت نیز قابل محاسبه بوده است

د. در تحلیل همزمان سازه و پی عمیق و خاک اطراف ظرفیت باربری نوک و جدار شمع نیز قابل محاسبه بوده که در اثر بسیج مقاومت نوک و برشی جداره شمعها شاهد نیروی قابل توجهی در ته شمع نیز هستیم که در دیگر روش این حالت امکان ندارد

ه.چسبندگی و اصطکاک کلاهک شمع در حالت پی عمیق و خاک همزمان نیز در نظر گرفته می شود که در واقع اندرکنش رادیه و خاک زیر آن نیز بعلت چسبندگی خاک قابل محاسبه می باشد

 

منابع

 

1-    Bowles,j.e.1996.foundation analsis  and  design.fifth edition.mc graw-hill

2-    Brown,p.t.and wiesner t.j.the behavior of uniformly loaded piled strip footings.soils and foundation,1975-15.13.21

3-    Budhu,m.2000.soil mechanics and foundation.586 p.

4-    Burland j.b,broms,b.behaviour of foundation and structures.proc.9th int.conf.soil mech.foundn engng,Tokyo,546-495.2.1977

5-    Coduto.d.p,2001.foundation design principles and practices.prentice hall,new jersey,875p

6-    Itasca consulting group,inc.fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions user’s guide”2002

7-    Klar a.and frydman s,”3d formulation for dynamic lateral soil pile interaction using 2d flac and numerical modeling in geomechanics,billaux et al(eds)@2001 swets &zeitlinger,isbn 5 859 2651 90

8-    Poulos,h.g.analysis of piled strip foundation.comp.methods & advances in geomech.balkema,Rotterdam,191-183,1,1991

13416

دیدگاه‌ها

باسلام خدمت شما . ممنونم از مقالات جابتون . اگر میشه مقالات مرتبط با عمران بیشتر بگذارید . ممنون

افزودن دیدگاه جدید