توضیحات

جزوه اندرکنش خاک و سازه

جزوات دانشگاهی و کنکور

اندرکنش خاک و سازه (soil structure interaction) عبارت است از بررسی تأثیر وجود خاک در پاسخ سازه تحت بار دینامیکی. اندرکنش خاک و سازه از جمله مباحث مهندسی ژئوتکنیک و مهندسی زلزله می‌باشد.

اندرکنش خاک و سازه فرایندی است که در آن پاسخ خاک بر حرکت سازه تأثیر می‌گذارد، همچنین حرکت یک سازه معین نیز بر پاسخ خاک تأثیر می‌گذارد.

در این پدیده جابجایی‌های سازه و زمین مستقل از یکدیگر صورت می‌گیرند.

تأثیر اندرکنش 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 داشته‌است، 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 به‌طور دقیق ممکن است باعث افزایش دوره تناوب طبیعی و در نتیجه باعث کاهش ضریب زلزله در طراحی و متعاقباً کاهش هزینه‌ها گردد.

کاربرد اندرکنش خاک و سازه

• این مفهوم در سازه‌های سنگین مانند سازه‌های هیدرولیکی و سازه‌های هسته ای استفاده می‌شود.
• برای سازه‌هایی که در آنها اثرات پی – دلتا غالب باشد، تجزیه و تحلیل مبتنی بر اندرکنش خاک – سازه مفید خواهد بود.
• بررسی اندرکنش خاک و سازه نقش مهمی در فونداسیونهای عمیق، سازه‌های روی خاک نرم، سازه‌های بلند یا لاغر که دارای سرعت برشی متوسط ۱۰۰ متر بر ثانیه هستند، ایفا می‌کند.

اثرات اندرکنش خاک و سازه

• اندرکنش جنبشی : جابجایی خاک ناشی از حرکت زمین هنگام زلزله ، حرکت میدان آزاد نامیده میشود. حرکت میدان آزاد در فونداسیون مشاهده نمی‌شود و در نتیجه اثری بر آن نخواهد داشت. اندرکنش جنبشی ، ناشی از ضعف فونداسیون در ارتباط کامل با حرکت میدان آزاد است.
• اندرکنش اینرسی : تغییر شکل اضافی ایجاد شده در خاک به علت انتقال نیروی اینرسی به خاک زیر سازه فوقانی ، اندرکنش اینرسی نامیده میشود.

هنگامی که حرکتهای زمین کم باشد ، اثر جنبشی اندرکنش خاک و سازه بیشتر خواهد بود. این امر باعث میشود که پریود و میرایی تشعشعی افزایش یابد. هنگامی که تکان ها قویتر باشند ، میرایی تشعشعی از طریق کاهش مدول خاک در میدان نزدیک و شکافته شدن شمع خاک محدود خواهد شد. در این شرایط ، اندرکنش اینرسی مهم تر خواهد بود. این امر باعث ایجاد جابجایی بیش از حد در نزدیکی سطح زمین و آسیب رساندن به فونداسیون های شمعی خواهد شد

تجزیه و تحلیل اندرکنش سازه- خاک

اندرکنش فوق را به دو روش میتوان تجزیه و تحلیل کرد. این روشها عبارتاند از:

1. تجزیه و تحلیل مستقیم
2. رویکرد سازه تحتانی

تجزیه و تحلیل مستقیم اندرکنش سازه- خاک

در این نوع تجزیه و تحلیل ، برای خاک و سازه از مدل مشابهی برای تجزیه و تحلیل استفاده میشود. لذا به صورت یک سیستم کامل تجزیه و تحلیل خواهند شد. یکی از مثالهای موجود در این زمینه ، نمایش عناصر محدود است. فونداسیون ، عناصر سازهای ، مرزهای انتقال بار ، المانهای خط مشترک واقع بر لبه های فونداسیون از این دسته هستند. این روش به ندرت در عمل استفاده میشود ، زیرا محاسبات زیادی دارد و تحلیل آن بسیار پیچیده است.

رویکرد سازه تحتانی در اندرکنش سازه –خاک

فعالیت اندرکنش خاک – سازه به دو بخش تقسیم می شود. این بخش ها به منظور ارائه یک راه حل جامع با هم ترکیب خواهند شد.

در این رویکرد ، مدل با شرایط خاصی تولید می شود :

• حرکت های میدان آزاد و خصوصیات مربوط به خاک ، ارزیابی می شوند.
• روابط انتقال برای تبدیل حرکت میدان آزاد به حرکت ورودی فونداسیون ارزیابی می گردند.
• میراگر و فنرها تلفیق خواهند شد. فنرها نشان دهنده سختی و میراگر نشان دهنده میرایی در خط مشترک خاک و فونداسیون هستند.
• پاسخ سازه ترکیبی آنالیز می شود.

مطالعه اندرکنش خاک-سازه (Soil-Structure interaction=SSI) به حوزه مهندسی زلزله مربوط می‌گردد. بسیار مهم است که به پاسخ‌های سازه تحت نیروهای ایجاد شده در اثر اندرکنش خاک و سازه توجه ویژه شود. این نیروهای به شکل تحریکات لرزه‌ای می‌باشند.

کمیته محققین مهندسی با مسئله بررسی اثرات اندرکنش خاک-سازه روبرو بوده و تنها زمانی که این نیروهای اثر قابل ملاحظه‌ای بر حرکت زمین در مقایسه با حرکات زمین ثبت شده آزاد داشته باشد، مسئله بحرانی می‌گردد. زمین‌لرزه‌ سطح آزاد را می‌توان به عنوان حرکت ثبت شده در سطح خاک، بدون منظور اثرات سازه تعیین نمود. پاسخ سازه به یک زلزله به شدت به اندرکنش سیستم‌های متصل به هم، به صورت عمده سه سیستم زیر بستگی دارد:

• سازه
• فنداسیون
• خاک زیر فنداسیون

تحلیل اندرکنش خاک-سازه یک روش برای ارزیابی مجموعه پاسخ سه سیستم در بالا ذکر شده متصل به هم است که تحت یک زمین‌لرزه مشخص قرار می‌گیرد. اندرکنش خاک-سازه به صورت یک فرآیند که در آن پاسخ‌های بدست آمده از حرکت خاک بر روی سازه و اثرات سازه بر پاسخ‌های بدست آمده از خاک موثر است، تعریف می‌شود. این روند پدیده‌ای است که در آن تغییرمکان‌های سازه و تغییرمکان‌های زمین نسبت به یک دیگر مستقل نمی‌باشند.اساسا نیروهای خاک-سازه نیروهای اندرکنشی هستند که برای هر سازه اتفاق می‌افتد.

ملاحظات اثرات اندرکنش خاک-سازه

یک سازه، زمانیکه با فنداسیون صلب تحلیل گردد، گفته می‌شود که اثرات اندرکنش خام-سازه منظور نشده است. در این حالت، اندرکنش وجود نخواهد داشت اگرچه نیروهای اندرکنشی به فنداسیون اثر داده شوند.

اثر حرکت خاک با نیروهای اندرکنشی به عوامل زیر بستگی دارد:

• مقدار بزرگی اندرکنش خاک و سازه
• انعطاف‌پذیری خاک فنداسیون

شتاب فنداسیون و اینرسی سازه را می‌توان جهت تخمین مقادیر نیروهای اندرکنشی استفاده نمود. هر چه قدر سازه سنگین‎تر باشد اثرات اندرکنش خاک در یک سایت مشخص تحت یک تحریک لرزه‌ای سطح آزاد بیشتر است. بیشتر سازه‌های مهندسی عمران، که بر روی خاک‌های سخت یا متوسط قرار دارند نشانی از اثرات SSI در آنها مشاهده نمی‌شود.

همانطور که قبلا اشاره شد، اثرات اندرکنش خاک و سازه بیشتر برای سازه‌های سنگین که شامل سازه‌های هیدرولیکی مانند سدها، ساختمان راکتور نیروگاه‌های هسته‌ای (NPP) مورد توجه است. می‌توان نتیجه گرفت که اندرکنش خاک در مطالعات مهندسی زلزله اساسا برای حوزه این صنایع ساخت و ساز توسعه و اعمال شده است.

شرایط دیگر که در اندرکنش خاک-سازه لحاظ شده است، انعطاف‌پذیری خاک است. خاک هرقدر نرم باشد، امکان دخیل بودن اثرات اندرکنش خاک-سازه بر پاسخ‌ها بیشتر است.

نکته: چگالی خاک و مربع سرعت موج برشی، مدول برشی خاک را نتیجه می‌دهد. در عمل، چگالی خاک تا ۲ تن بر مترمکعب متفاوت است. بنابراین، اصلی‌ترین مشخصه سختی خاک را می‌توان سرعت موج برشی (V_s) دانست. طبقه‌بندی خاک نیز براین اساس در آئین‌نامه‌های بین‌المللی صورت پذیرفته است.

جدول ۱ – طبقه‌بندی نوع خاک براساس ASCE07-16

کاربردهای اندرکنش خاک-سازه

• در سازه‌های سنگین مانند برج‌ها، سازه‌های هیدرولیکی و سازه‌های نیروگاه‌ها
• در سازه‌های زیرزمینی مانند مخازن مدفون، تونل‌ها و …
• برای سازه‌هایی که اثرات P-∆ در آنها قابل ملاحظه است، تحلیل اندرکنش خاک-سازه بسیار مفید است.
• مطالعه SSI نقش اساسی در فنداسیون‌های عمیق، سازه‌هایی که روی خاک‌ نرم قرار داشته، سازه‌های بلند یا با پهنای کم

اندرکنش خاک-سازه و پاسخ سازه‌ای

براساس تئوری‌های سنتی اینگونه مطرح شده که اندرکنش خاک-سازه اثراتی دارد که بر پاسخ‌ سازه مفید است. بیشتر آئین‌نامه‌های طراحی برای سازه‌ها توصیه نموده‌اند که اندرکنش خاک-سازه در تحلیل لرزه‌ای سازه‌ها منظور نگردد. این توصیه به دلیل این افسانه نادرست است که SSI اثرات مطلوبی بر پاسخ سازه داشته و بنابراین منظور نکردن آن محدوده ایمنی را افزایش می‌دهد. هرچند در طول سالیان اخیر با پیشرفت‌های صورت گرفته و قابل اعتماد شدن روش‌های تحلیل این مانع از سر راه برداشته شده است.

طراحی انعطاف‌پذیرتر سازه در صورتی که اثرات اندرکنش خاک-سازه لحاظ شود، قابل دستیابی است. این فرآیند موجب می‌شود که پریود طبیعی حرکت سازه افزایش یابد که موجب بهبود سازه در مقایسه سازه صلب می‌شود.

منظور اثرات SSI در طراحی سازه به افزایش میرائی سیستم کمک می‌کند. این مطالعه برای شیوه‌های طراحی محافظه کارانه محدود می‌شود. تحلیل SSI در طبیعت پیچیده است. عدم منظور آن موجب کاهش پیچیدگی تحلیل سازه می‌شود.

این مسائل بدین معنی است که این افسانه را که اثرات SSI برای سازه خوب است قابل قبول نیست. در حقیقت، SSI می‌تواند اثرات تخریبی برای سازه داشته باشد.

اثرات اندرکنش خاک-سازه چیست؟

اثرات SSI بیشتر به سبب اثرات مخرب آن مورد توجه است. همانطور که گفته شد، اگرچه مطالعات نشان داده که طراحی براساس اندرکنش خاک-سازه پریود سیستم را افزایش می‌دهد، اما افزایش پریود همواره مناسب نیست. یک افزایش طول موج در امواج لرزه‌ای در محل سایت‌های با خاک نرم رسوبی مشاهده می‌شود. این موجب افزایش پریو طبیعی شده که منتج به رزونانس یا پدید تشدید می‌شود. این اتفاق در پریودهای ارتعاشی طولانی وقوع می‌یابد.

اگر پریود سیستم افزایش یابد، پاسخ شکل‌پذیری نیز افزایش می‌یابد. این عامل موجب تغییرشکل‌های ماندگار و خرابی خاک که بیشتر وضعیت پاسخ لرزه‌ای را نامطلوب می‌سازد. در یک سازه تحت نیروهای لرزه‌ای (تحریکات لرزه‌ای)، اندرکنشی بین خاک و فنداسیون که تغییرات را در زلزله ورودی ایجاد می‌نماید، وجود دارد. اندرکنش خاک-سازه دارای سه نوع اثر یا پدیده مطابق با FEMA P-750, NEHRP است.

• اندرکنش سینماتیکی (میرائی و سختی فنداسیون)
• اندرکنش اینرسی (تفاوت بین زلزله سطح آزاد و سطح فنداسیون)
• اثرات انعطاف‌پذیری خاک فنداسیون

اندرکنش سینماتیکی

تغییرمکان خاک به دلیل زمین لرزه حرکت سطح آزاد گفته می‌شود. این حرکت سطح آزاد توسط فنداسیونی که بر روی خاک قرار دارد پیروی نمی‌شود. اندرکنش سینماتیکی به دلیل ناپایداری فنداسیون برای فرو رفتن در خاک یا حرکت سطح آزاد زمین است.

اندرکنش اینرسی

اینرسی توسعه یافته در یک ارتعاش سازه‌ای موجب ایجاد برش، لنگر پایه و تحریک پیچشی می‌شود و این نیروها موجب تغییرمکان و چرخش فنداسیون نسبت به سطح آزاد می‌گردد. این تغییرمکان‌ها و چرخش‌های نسبی تنها ممکن است چون در راستای سیستم خاک-فنداسیون قرار دارد، که مشارکت اساسی در انعطاف‌پذیری سازه‌ای در برخی موارد دارد. علاوه‌ بر این، حرکت نسبی فنداسیون-سطح آزاد موجب اتلاف انرژی به وسیله میرائی تابشی (میرائی همراه با انتشار امواج در زمین دور از فنداسیون، که به عنوان منبع موج عمل می‌کند) و میرائی هیسترتیک خاک می‌گردد. این اتلاف انرژی تاثیر به سزائی بر میرائی کلی سیستم سازه-فنداسیون-خاک دارد. چون این اثر از اینرسی سازه نتیجه می‌شود، به آن اندرکنش اینرسی گفته می‌شود.

زمانیکه سطح ارتعاش زمین پایین است، اثرات سینماتیکی SSI برجسته‌تر است. این موجب طولانی شدن پریود و افزایش میرائی تابشی می‌شود. زمانیکه ارتعاش شدید شروع می‌شود، میرائی تابشی به مدول زوال خاک در حوزه نزدیک (Near field) و فواصل شمع‌های زیر خاک محدود می‌شود.

در این موقعیت، میرائی اینرسی برجسته است. این مورد موجب تغییرمکان بیشتر نزدیک سطح زمین می‌شود که موجب آسیب رسیدن به فنداسیون و شمع‌ها می‌شود.

مطالعات زلزله‌های گذشته و اخیر نشان می‌دهد که پاسخ سازه تحت تاثیر عوامل زیر است:

• پاسح از فنداسیون
• پاسخ از خاک

اثر SSI دلیل بزرگ تخریب سازه‌های بزرگ در هنگام زلزله است. یک نمونه بزرگراه Hanshin در طول زلزله Kobe در سال ۱۹۹۵ را می‌توان یاد کرد. در ادامه فاکتورهایی که اثرات فوق را توضیح میدهند ارائه شده است.

تفاومت موجود بین حرکت سطح آزاد و حرکت ورودی فنداسیون

تفاوت به دلایل زیر است:

• اندرکنش سینماتیکی
• تغییرمکان نسبی بین فنداسیون و سطح آزاد

حرکت‌های فنداسیون توسط المان‌های سخت فنداسیون تولید می‌شود که ممکن است در زیر یا بالای سطح زمین قرار گرفته باشند.

تغییرشکل فنداسیون

نیروها و تغییرمکان‌های اعمال شده به المان‌های فنداسیون توسط روسازه  یا محیط خاک موجب تغییرشکل‌های خمشی، محوری و برشی می‌شود. این پارامترها پاسخ‌هایی هستند که المان‌های فنداسیون باید برای آنها طراحی شوند. این اثرات برای مواردی که دارای پی تخت یا شمع هستند اساسی هست.

تحلیل اندرکنش خاک-سازه

اندرکنش‌های مطرح شده در بالا توسط دو روش قابل تحلیل و ارزیابی است:

• روش تحلیل مستقیم (Direct Analysis)
• روش زیرسازه (Substructure Approach)

برخی از عناوین فهرست اندرکنش خاک و سازه

 فصل اول : مفاهیم پایه اندکنش خاک و سازه 
 فصل دوم : جایگاه تحلیل اندرکنش خاک و سازه در آیین نامه 
 فصل سوم : مروری بر مفاهیم پایه در دینامیک سازه ها 
 فصل چهارم : مروری بر روش های محاسبه فرکانس ارتعاش آزاد 
 فصل پنجم : اثر ساختگاه در تحلیل لرزه ای سازه 
 فصل ششم : روش مستقیم تحلیل اندرکنش خاک و سازه 
 فصل هفتم : روش فنر و میراگر معادل 
 فصل هشتم : مدل های تحلیلی برای شبیه سازی ارتعاش پی 
 فصل نهم : تحلیل اندرکنش خاک و سازه به روش زیر سازه 
 فصل دهم : اندرکنش خاک ، شمع ، سازه 
 فصل یازدهم : تحلیل لرزه ای سازه های زیرزمینی 
 فصل دوازدهم : مفاهیم پایه در تحلیل لرزه ای پل ها 
 فصل سیزدهم : تحلیل لرزه ای دیوارهای حائل 
 فصل چهاردهم : اندرکنش خاک ، سازه ، سیال