تحلیل اندرکنش خاک و سازه

تحلیل اندرکنش خاک و سازه

در گذشته در تحلیل سازه‌ها خاک و سازه را به صورت کاملاً مجزا از یکدیگر در نظر می‌گرفتند. به این صورت که سازه را جدا از خاک تحلیل و طراحی می‌کردند (خاک زیر سازه را صلب در نظر می‌گرفتند)، و خاک را نیز جدای از سازه تحلیل و طراحی می‌نمودند طراحی سازه به طور مجزا در دو صورت می‌تواند منجر به حل رضایت بخش شود.

• ‌زمین، تحمل بارگذاری، با تغییر مکان‌های قابل قبول را داشته باشد.
• ‌زمین به وسیله بعضی تکنیک‌های مناسب، به سختی و مقاومت مطلوبی برسد.

در تحلیل کلاسیک سازه‌ها بطور معمول، تکیه سازه بر خاک به صورت ساده و بدون در نظر گرفتن تغییر شکل خاک مدلسازی می‌شود. در تحلیل لرزه‌ای سازه‌ها نیز حرکت میدان آزاد زمین، که در آن وجود سازه در حرکت زمین منظور نمیشود، به تکیه گاه‌های مزبور اعمال می‌شود. در صورتی که سختی سازه و پی در نظر گرفته شود، حرکت خاک در مجاورت سازه با حرکت میدان آزاد متفاوت خواهد بود، این اثر اندرکنش جنبشی نامیده می‌شود. همچنین پاسخ دینامیکی سازه نسبت به شتاب پایه، سبب تغییر شکل خاک خواهد شد. این پدیده اندرکنش اینرسی نامیده می‌شود. مجموع دو اندرکنش جنبشی و اینرسی، اندرکنش خاک و سازه نام دارد و نشانگر اثر حرکت خاک بر پاسخ سازه و حرکت سازه بر پاسخ خاک است‌.

در تحلیل‌های متداول دینامیکی یک سازه، روش معمول به این صورت است که حرکت میدان آزاد زمین در محل ساخت تعیین شود و حرکت به دست آمده به پای سازه،‌ به صورت صلب‌، اعمال می‌شود. این مورد در حالتی صحیح است که ساختمان بر روی سنگ بنا شده باشد. در حالت قرار گرفتن سازه بر روی خاک نرم، وضعیت کاملاً متفاوت است و یک مولفه دورانی ناشی از انعطاف پذیری تکیه گاه بر حرکات افقی پی اضافه می‌شود. قسمتی از انرژی ارتعاشی سازه می‌تواند با انتقال به خاک زیر پی، بر اثر میرائی تشعشعی حاصل از انتشار موج و میرائی هیسترزیس مصالح خاک تلف شود. در صورتی که در حالت کلاسیک با صلب فرض کردن خاک زیر سازه این اتلاف انرژی در نظر گرفته نمی‌شد در این حالت در هنگام وقوع زلزله، رفتار غیرخطی خاک زیرین و وقوع پدیده اندرکنش خاک و سازه، در پاسخ سازه‌ای به صورتی نتیجه می‌دهد که می‌تواند کاملاً متفاوت از پاسخ یک سازه با پای صلب قرار گرفته تحت اثر حرکت میدان آزاد زمین باشد‌. در موارد زیادی این اختلاف اندک بوده و قابل چشم پوشی است.

ا‌نواع روش‌های سیستم خاک سازه

روش‌های در نظرگیری سیستم خاک سازه را می‌توان به دو دسته‌ روش زیرسازه و ‌‌روش مستقیم ‌تقسیم بندی کرد.

اندرکنش خاک سازه در حالت کلی ممکن است موجب افزایش، کاهش یا عدم تغییر نیروهای ایجاد شده در سازه شود. ولی در کل برای سازه‌های معمول، اندرکنش باعث کاهش نیروهای طراحی در مقایسه با حالت بستر صلب می‌شود. بدین دلیل می‌توان حتی بدون در نظر گرفتن اثر اندرکنش خاک سازه به صورت محافظه کارانه از نتایج حالت پای ثابت بهره برد.

به طور کلی اندرکنش خاک سازه باعث کاهش ضریب رفتار سازه می‌شود. کاهش ضریب رفتار به معنی آن است که برای فراتر نرفتن از یک شکل پذیری معین، مجاز به کاهش کمتری در نیروی ارتجاعی به وجود آمده در سازه برای طراحی است. روند کاهش ضریب رفتار سازه با افزایش اثر اندرکنش تشدید می‌شود‌. افزایش عمق دفن شدگی پی باعث افزایش ضریب رفتار می‌شود، زیرا افزایش عمق دفن شدگی پی باعث افزایش بیشتری در نیروی ارتجاعی به وجود آمده در سازه می‌شود تا مقاومت تسلیم مورد نیاز سازه‌.

اثر اندرکنش خاک سازه در حوزه ارتجاعی بیشتر از حوزه غیر ارتجاعی است، بدین معنی که با افزایش این اثر، شاهد کاهش بیشتری در نیروی ارتجاعی ایجاد شده در سازه هستیم تا در مقاومت تسلیم مورد نیاز سازه.

به طور کلی با افزایش اثر اندرکنش خاک سازه نیروی ارتجاعی به وجود آمده در سازه کاهش می‌یابد. کاهش لاغری سازه باعث کاهش بیشتر نیروی ارتجاعی می‌شود‌. در سازه‌های لاغر، محاسبه تحریک ورودی به پی در اثر اندرکنش سینماتیکی و اعمال آن به پای سیستم خاک سازه به جای تحریک میدان آزاد خاک باعث افزایش نیروی ارتجاعی به وجود آمده در سازه می‌شود. این افزایش با تشدید اثر اندرکنش (نرمتر شدن خاک) بیشتر می‌شود.

اگر سازه دارای پی گسترده یا عمیق باشد و در عمقی از سطح زمین قرار گیرد و ابعاد ساختمان و پی به حدی باشد که انتشار و بازگشت موج زلزله از بدنه خاک‌، با توجه به سختی نسبی سازه و خاک پی امکان پذیر باشد، باید از روش‌های تحلیلی مناسب، اندرکنش لرزه‌ای خاک و سازه را درنظر گرفت. برای سازه‌های معمولی و ابعاد متداول که عمق زیرزمین آنها از دو طبقه تجاوز نمی‌کند، نیازی به در نظر گرفتن اندرکنش نیست.

‌صرف نظر کردن از اثراندرکنش خاک سازه در طراحی سازه‌های واقع بر بستر انعطاف‌پذیر به نتایج نامحافظه کارانه منجر می‌شود. همچنین ‌صرف نظر کردن از عمق دفن شدگی پی و اثر اندرکنش سینماتیکی در طراحی سازه‌های بلند دارای پی مدفون عمیق،‌ باعث حصول نتایجی نامحافظه کارانه می‌شود.

بررسی رفتار سازه‌های مدفون و تأثیر اندرکنش خاک و سازه بر پاسخ دینامیکی آن

استفاده از مخازن مدفون برای ذخیره سازی آب، فرآورده‌های نفتی‌ یا انبار نمودن ضایعات توسعه روز افزونی دارد. بررسی رفتار لرزه‌ای مخازن مدفون به لحاظ نحوه توزیع فشار دینامیکی سیال درون مخزن و فشار خاک اطراف آن تحت اثر بارگذاری زلزله اهمیت بسزایی دارد. برای مدل سازی اندرکنش خاک و سازه و پدیده انتشار امواج در حوزه خاکی اطراف مخزن، ضمن استفاده از روش حل مستقیم، از مرز جاذب ویسکوز در فاصله‌ای مناسب استفاده شده است. رفتار غیر خطی خاک توسط مدل رفتاری دراکر-پراگر که وابسته به فشار همه جانبه است، مدل شده و نتایج حاصله به صورت پوش فشار دینامیکی خاک ‌یا سیال بر جداره مخزن بیان شده است. روش‌های تحلیل اثر اندرکنش خاک و سازه به سه گروه عمده روش حل مستقیم، روش زیر سازه و روش حل مختلط تقسیم می‌شوند. در روش حل مستقیم، سازه و قسمتی از خاک اطراف آن به روش المان‌های محدود مدل شده و در یک مرحله مورد تحلیل قرار می‌گیرند.

مهمترین مزیت این روش امکان در نظر گرفتن رفتار غیر خطی خاک همراه با اثر اندرکنش سازه است. اما به علت استفاده از یک محیط غیر پیوسته و محدود برای مدل سازی فضای نیمه بی‌نهایت، نحوه اعمال شرایط مرزی بسیار مهم است.