تاثیر اندرکنش خاک و سازه بر میرایی و تغییر مکان سازه های بهسازی شده

بهسازی سازه ها با توجه به مقتضیات اقتصادی و عملکردی ساختمان انجام می شود. هدف بهسازی سازه بر اساس میزان اهمیت و سطح عملکرد ساختمان انتخاب می شود و سطح عملکرد ساختمان بر مبنای عملکرد اجزای سازه ای و غیر سازه ای تعریف می شود. در واقع سطح عملکرد به نوعی تابعی از میزان جابجایی سازه است و هر چقدر تغییر مکان سازه در زمان زلزله بیشتر شود، سطح عملکرد سازه تنزل می یابد. در ادامه این مجله به بررسی تاثیر اندرکنش خاک و سازه بر میرایی و تغییر مکان سازه های بهسازی شده خواهیم پرداخت.

سطوح عملکرد اجزای سازه‌ای شامل چهار سطح عملکرد اصلی و دو سطح عملکرد میانی است.

سطوح عملکرد اصلی عبارت‌اند از:

سطح عملکرد ۱: قابلیت استفاده‌ی بی‌وقفه
سطح عملکرد ۳: ایمنی جانی
سطح عملکرد ۵: آستانه‌ی فروریزش
سطح عملکرد ۶: لحاظ نشده

سطوح عملکرد میانی عبارت‌اند از:

سطح عملکرد ۲: خرابی محدود
سطح عملکرد ۴: ایمنی جانی محدود

تغییر مکان هدف به عنوان تخمینی از تغییر مکان نقطه عملکرد سازه است که تحت زلزله طرح تجربه می کند.
در سازهای که در معرض زلزله قرار می گیرد بخشی از انرژی ورودی به انرژی جنبشی تبدیل میشود، بخشی به صورت انرژی پتانسیل در تغییرشکلهای الاستیک ذخیره میشود و مابقی توسط میرایی ذاتی سازه مستهلک می شود.

هرگاه انرژی پتانسیل مورد نیاز در اعضا از مقداری که میتوانند از طریق تغییر شکل های الاستیک تحمل نمایند بیشتر شود، عضو تسلیم شده و متحمل آسیب میشود. برای اینکه سهم سازه از انرژی ورودی و در نتیجه آسیب آن به حداقل برسد، سیستم های کنترل و جداساز لرزه ای بسیار موثرند و مشابه فیلتر، انرژی ورودی را از سازه دور می کنند. در این میان ابزار و طرح های کنترل فعال و غیر فعال با اصلاح مشخصات دینامیکی سازه و جذب بخش قابل توجهی از انرژی ورودی در میراگرها پاسخ سازه ها را بهبود می بخشند.

استفاده از ابزار کنترل غیرفعال به دلیل عدم نیاز به انرژی ورودی، سادگی عملکرد و نیز هزینه پایین تعمیر و نگهداری بسیار مورد توجه بوده است.
استفاده از میراگرها نقش موثری در کنترل پاسخ سازه ها در برابر زلزله دارند. میراگر ویسکوز یکی از میراگرهایی است که عملکرد آن، وابسته به مولفه های گوناگونی از جمله حرکت زمین و نوع خاک است. عموما در تحلیل سازه ها از اثر اندرکنش خاک وسازه صرفنظر می گردد و خاک زیر سازه صلب فرض می شود. گرچه این فرض برای سازه های بلند قرار گرفته بر روی بستر سنگی صحیح است ولی برای سازه های با دوره تناوب کوتاه و واقع بر خاک نرم دور از واقعیت می باشد، لذا در این حالت لازم است اثر خاک زیر سازه در نظر گرقته شود. زیرا وجود خاک زیر سازه باعث تغییر خصوصیات دینامیکی سازه و در نتیجه پاسخ آن می گردد.

اندرکنش خاک و سازه

در بسیاری از موارد، از جمله برای سیستم های خاک – سازه با رفتار غیر ارتجاعی، تحلیل سیستم خاک – سازه در حوزه فرکانس امکان پذیر نیست. به عبارت دیگر، از آنجا که در محاسبه انتگرال های تلفیقی از اصل برهم نهی استفاده می شود، امکان استفاده از آنها در تحلیل های غیر ارتجاعی وجود ندارد. برای رفع این مشکل می توان از مدل های جایگزین خاک استفاده کرد. مدل های جایگزین خاک، مجموعه ای از المان های جرم، میراگر و فنر با ضرایب ثابت ( مستقل از فرکانس) هستند. ضرایب مربوط به هریک از المان ها به گونه ای تعیین می شود که سختی دینامیکی مدل مذکور بتواند سختی دینامیکی محیط خاک را با دقت قابل قبولی برآورد کند.
محیط خاک در داخل مخروط ناقص را می توان توسط یک فنر و میراگر، مطابق شکل 1، جایگزین نمود.

شکل 1- مدل جایگزین خاک برای پی سطحی در راستای درجه آزادی قائم

در حالت چرخشی، علاوه بر درجه آزادی موجود، درجه آزادی دیگری نیز برای مدل جایگزین خاک در نظر گرفته می شود که درجه آزادی 1 نامیده می شود. از جمله مدل های ارائه شده برای حرکت چرخشی، مدل دم میمونی ارائه شده در شکل 2 است.

شکل 2- مدل جایگزین خاک برای پی سطحی در راستای درجه آزادی گهواره ای

در روش مدل سازی خاک، از مدل های مخروطی مربوط به پی های سطحی (مدل دم میمونی) استفاده شده است. بدین منظور، دو گره هم مختصات در تراز صفر و در مرکز پلان سازه تعریف شده است. تمامی گره های مربوط به پای ستون ها که برای سازه بدون اندرکنش خاک وسازه به صورت گیردار فرض شده بودند، در این حالت توسط المان صلب به المان به گره اول متصل گردیده اند. درجه آزادی قائم گره اول و کلیه درجات آزادی گره دوم بسته شده اند. برای مدلسازی فنرها و میراگرها به ترتیب از مواد تک محوری الاستیک و ویسکوز استفاده شده است. این فنرها و میراگرها به طریق مناسب، توسط المان با طول صفر (Zero Length) از گره اول به گره دوم متصل شده اند و از درجه آزادی قائم نیز صرف نظر گردیده است.

طی پژوهشی، اثر اندر کنش خاک وسازه بر روی مدل هایی که با استفاده از میراگرهای ویسکوز بهینه شده اند، مورد بررسی قرار گرفت.
در این پژوهش تعدادی قاب بتنی با تعداد طبقات مختلف واقع بر زمین نوع سه در منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد در نظر گرفته شده و برای آنالیز سیستم نیز از روش نیومارک با β=0.25 و γ= 0.5 استفاده شده است. در مرحله بعد میراگرهای ویسکوز با پارامترهای از پیش تعیین شده به روش Kelvin به مدل ها اضافه شده و سپس مدل های ساخته شده در نرم افزار تحت تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی با رکوردهای زلزله ویژه ساختگاه قرار گرفته اند. مشخصات رکوردهای مورد استفاده به شرح جدول1آورده شده است. کلیه رکوردهای زلزله طبق ضوابط، مقیاس شده¬اند.

جدول 1- مشخصات رکوردهای مورد استفاده در تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی

پس از انجام تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی نتایج در سه حالت مختلف مقایسه شده اند که گویای تاثیر میراگر و اندرکنش خاک و سازه بر پاسخ آن هستند. جدول 2 مربوط به بیشترین تغییر مکان سازه تحت سه رکورد متفاوت می باشد. در این جدول از علائم اختصاری به شرح زیر بهره گرفته شده است.

• S: مدل های ساده بدون میراگر
• D: مدل های بهسازی شده با میراگر
• SSID: مدل های بهسازی شده با میراگر که اثر اندرکنش خاک و سازه در آنها در نظر گرفته شده است.

جدول 2- بیشترین تغییرمکان سازه ها با طبقات مختلف

نتایج به دست آمده نشان می دهد اندرکنش خاک وسازه بر میزان میرایی سازه ها و عملکرد میراگرها موثرمی باشد. میراگرهای ویسکوز باعث کاهش تغییر مکان سازه می شوند، البته در اکثر سازه های فوق به خصوص در سازه های بلند تر این میراگرها موثرتر عمل کرده اند. همچنین در مقایسه تغییر مکان سازه ها تحت رکوردهای مختلف، افزایش تغییر مکان سازه های بهسازی شده به دلیل تاثیر اندرکنش خاک و سازه مشاهده می شود. توجه داشته باشید که نوع رکورد زلزله تاثیر بسزایی در پاسخ سازه دارد، به همین دلیل است که آیین نامه ها استفاده از تنها یک شتاب نگاشت زلزله را برای تحلیل دینامیکی غیر خطی کافی نمی دانند و حداقل باید از سه شتاب نگاشت برای محاسبه هر نوع پاسخ سازه استفاده نمود.