تأثیر اندر کنش خاک و سازه در رفتار دینامیکی سازهها
در تحلیل و بررسی رفتار لرزهای یک سازه، تحریکی که از جانب زمین به سازه اعمال میشود برای حالتی که سازه بر زمین سخت و سنگ بستر متکی باشد همان تحریکی است که قبل از احداث سازه در آن نقطه پی وجود داشته است، اما در صورتی که سازه بر خاک نرم متکی باشد تغییرات مهمی در ورودی لرزهای سازه رخ خواهد داد. از جمله حرکات زمین آزاد (Free Field) با وجود سازه ساخته شده تغییرات نسبتاً قابل توجهی را متحمل میشود و نیز سیستم دینامیکی سازه مورد نظر متفاوت از سیستمی با شرایط پی گیردار خواهد بود. لذا سازه با خاک پیرامون خود در اندر کنش بوده و تغییراتی را در حرکات پایه ایجاد خواهد نمود. در نتیجه در نظر گرفتن اثرات اندر کنش خاک و سازه به طور دقیق ممکن است باعث افزایش دوره تناوب طبیعی و در نتیجه باعث کاهش ضریب زلزله در طراحی و متعاقباً کاهش هزینهها گردد. در این مقاله سعی شده است که نحوه اثرات بر هم کنش خاک و سازه مورد بررسی قرار گیرد.
تجربیات دهه اخیر نشان دادهاند که اثرات بر هم کنشی سازه و خاک در ساختمانهای حجیم، سنگین و صلب که بر روی خاکهای ضعیف و نرم بنا شدهاند، از نظر پایداری آنها قابل توجه میباشد.
تغییر و اصلاح حرکت زمین آزاد تحت تأثیر وجود سازه با پی حجیم و سنگین، یکی از گامهای مهم تحلیل بر هم کنش دینامیکی سازه و خاک میباشد.
در مواردی که ساختمانها بر روی خاک نرم بنا شدهاند، اثرات برهم کنش خاک و سازه پریود اصلی سیستم را افزایش داده و باعث کاهش نیروی برشی پایه میشوند.از سوی دیگر فرکانس حرکت ورودی زمین در فصل مشترک خاک و سازه، نقش مهمی در نحوه تأثیر بر هم کنش خاک و سازه دارد.
بنابراین در یک طراحی مطمئن، برای درنظر گرفتن اثرات برهم کنشی دینامیکی سازه و خاک لازم است طیفهای شتاب توسط یک سری منحنی با مقدار حداکثرهای مختلف تعیین گردند.
اثرات بر هم کنش دینامیکی سازه و خاک معمولاً برای پیهای مدفون و نیمه مدفون نسبت به پیهای سطحی قابل ملاحظهتر میباشند.
اثرات بر هم کنش برای انواع مختلف پیهای سطحی مانند پیهای منفرد و مرکب، گروه شمعها و پیهای جعبهای باید با ملاحظه اثر مدفون شدگی در نظر گرفته شود.
انعطاف پذیری خاک میتواند باعث افزایش پریود غالب ساختمان و در نتیجه مقادیر کوچکتر شتاب در محدوده پریودهای بلند گردد.
در نتیجه در نظر گرفتن اثرات بر هم کنش خاک و سازه به طریق صحیح، ممکن است باعث کاهش ضریب زلزله در طراحی و کاهش هزینهها گردد که در نهایت طرح اقتصادیتر میشود. اگر چه در موارد بسیاری باعث افزایش در شتابهای وارده و بالتبع افزایش هزینه خواهد شد.
بررسی
اثر اندرکنش خاک و سازه بسیار مهم ارزیابی شده و در حالت کلی قابل صرف نظر کردن نمیباشد. تا آنجا که بعضی از آئین نامههای طراحی لرزهای که در مورد سازههای معمولی بکار میروند، کاهش معینی را در بار استاتیکی معادل برای منظور کردن اثر کنش در حالتی که پی ساختمان صلب در نظر گرفته میشود، مجاز میدانند.
در آنالیزهای دینامیکی کلاسیک، سازه مورد نظر با تعداد معینی درجه آزادی مدل میشود و معادلات حرکت دینامیکی سازه به تنهائی فرمول بندی شده و برای حل این معادلات روشهای توسعه یافته زیادی نیز موجود میباشد. اما تحلیل سازه به تنهایی نمیتواند دربرگیرنده تمامی جوانب باشد. در بسیاری از حالات مهم، مثلاً‌حالات تحریک لرزهای، بار دینامیکی به محیط خاک اطراف سازه اعمال شده و این فرآیند نیاز به مدلسازی خاک اطراف را نشان میدهد.(خاک اطراف سازه، یک مدل نامحدود است). برای این منظور ابتدا تحلیل خطر زلزله برای منطقه مورد نظر توسعه مهندسین صورت میگیرد، سپس این احتمال را که زلزله مورد استفاده برای طراحی در طول عمر مفید سازه از مقدار معینی بیشتر شود،تعیین میکنند که در این ارزیابی نوع سازه دارای اهمیت زیادی میباشد.
برای یک سازه با اهمیت، مثل نیروگاههای اتمی این احتمال بسیار کوچک در نظر گرفته میشود، که این تحلیل نهایتاً‌منجر به تعیین مهمترین پارامتر، مشخصه حرکت زمین، خواهد شد که عبارت است از حداکثر شتاب زمین(P.G.A).
پارامترهای دیگری مانند طول دوام زلزله و محتوی فرکانسی،توسط زلزله شناسان بر اساس تاریخچه لرزهای منطقه مورد نظر تعیین میشود که این فعالیتها در نهایت منجر به تعیین یک نوع حرکت برای نقطهای به نام نقطه کنترل میشود.
اثر اندرکنشی خاک و سازه
در مقایسه کیفی پاسخ یک سازه احداث شده بر روی زمین صلب و سازه احداث شده در خاک نرم (مطابق شکل)، مواد ذیل معین میشوند.
دو سازه با پی صلب (شامل پی و دیوارهای جانبی) در شکل a نشان داده شده است. لایه خاک نرم روی سنگ قرار گرفته است. فاصله بین دو سازه کم بوده، لذا حرکات زمین که در سنگ بستر دریافت میشود برای هر دو سازه یکسان است. (برای سهولت یک حرکت با انتشار قائم در نظر گرفته شده است.)
نقطه کنترلی در سطح سنگ و در نقطه A در زمین آزاد در نظر گرفته شده است که در آن نقطه، حرکات زلزله به صورت تابعی از زمان تخصیص داده شده میشوند. در ادامه مقایسه دو سازه مورد نظر در شکل (a) برای سازه واقع بر خاک صلب، حرکت در نظر گرفته شده در نقطه کنترل A (که از نظر تئوری با حرکت در نقطه B یکسان است) میتواند مستقیماً به پی سازه صلب وارد شود.
شتاب ورودی حاصل از نیروی اینرسی افقی وارده بر سازه در کل ارتفاع یکسان میباشد.
در طول زلزله یک لنگر واژگونی و یک برش پایه در پی سازه وجود دارد. چون زمین صلب میباشد، این نیروها تغییر شکلهای اضافی به پی تحمیل نمیکنند و تغییر مکانهای افقی منتج در پایه با حرکت نقطه کنترلی برابر است و حرکت دورانی در پایه ایجاد نمیشود و در این حالت پاسخ سیستم، به پارامترهای سازه بستگی دارد. اما برای سازه احداث شده روی خاک نرم حرکات پی در نقطه O با حرکات نقطه کنترل A متفاوت خواهد بود که این تفاوت به دلیل اثرات متقابل خاک و سازه میباشد، این تفاوت در نتیجه سه اثر زیر انجام میشود.
اولاً: حرکات محل در غیاب ساختمان ویا هر نوع خاکبرداری(حرکات زمین آزاد)تغییرمییابد.(شکل C )
حرکات خاک نرم روی سنگ بستر در نقطه C با حرکات نقطه کنترلی A متفاوت خواهد بود زیرا که خاک نرم روی نقطه C، باعث کاهش حرکات در آن نقطه (c) خواهد شد و در بیشتر حالات،حرکات از نقطه C به بالا تشدید میشود که این مورد به محتوی فرکانس امواج بستگی دارد.
دوماً: خاکبرداری و جایگزینی پی صلب در محل مورد نظر، حرکات را تغییر میدهد. (شکلd). در این گونه پیها میانگین یک سری حرکت با مؤلفههای افقی و دورانی به پیها وارد میشود که این حرکتهای وارده به پی،باعث ایجاد شتاب و در نتیجه نیروی اینرسی خواهد شد که در طول ارتفاع سازه متغیر میباشند. این قسمت از این نیروها که ناشی از اندرکنش خاک و سازه میباشند، اصطلاحاً قسمت اندرکنش سینماتیکی نامیده میشود.
سوماً: نیروهای اینرسی وارده بر سازه باعث ایجاد لنگر واژگونی و یک برش معکوس در مرکز پی میشوند (شکلe) که این لنگر و برش باعث ایجاد تغییر شکل در خاک و لذا تغییر در حرکات پایه خواهد شد که این قسمت تحلیل اصطلاحاً اندرکنش اینرسی نام دارد.
همچنین در این شکلها میتوان اثرات مهم در نظر گرفتن اندرکنش خاک ـ سازه را مشاهده کرد.
اولاً: حرکات لرزهای وارد بر سیستم خاک ـ سازه تغییر خواهد کرد. به لحاظ تشدید حرکات زمین آزاد، مؤلفه انتقالی در بسیاری حالات بزرگتر از حرکات نقطه کنترلی میباشد و لذا یک شتاب نگاشت دیگر به سیستم اعمال خواهد شد.
این تشدید حرکات لرزهای بیانگر این حقیقت است که سازههای احداث شده بر روی لایه خاک نرم و عمیق بسیار شدیدتر از سازههای همجوار که بر روی سنگ یا زمین سفت بنا شده اند آسیب خواهند دید.
دوماً: وجود خاک در مدل نهایی دینامیکی سیستم خاکـ سازه، موجب نرمی و انعطاف پذیری بیشتر سیستم شده و باعث کاهش فرکانس پایه سازه (افزایش پریود) شده که به طور مشخصی از فرکانس سازه با پایه گیردار کوچکتر است.
سوماً: بازتاب انرژی ناشی از امواج منتشره از سازه، باعث افزایش میرائی مؤثر سیستم نهائی خاک ـ سازه میگردد.
نتیجه
با تداخل سه اصل فوق مشاهده میشود که اثر اندرکنش خاک ـ سازه در طراحی سازهها غیر قابل چشم پوشی بوده و در نظر گرفتن آن و تحلیل اثرات متقابل خاک و سازه در بسیاری موارد از جمله طراحی سازههای استراتژیک و مهم مانند نیروگاههای هستهای، موجب شناخت بهتر برای طراحی مطمئنتر و اقتصادیتر میگردد.
مراجع
راهنمای تحلیل بر هم کنش دینامیکی خاک ـ سازه و اثرات آن بر واکنش دینامیکی سازه
dynamic soil structure interaction