چگونگی نشست گود در کنار یک سازه ی بلند مرتبه تحت اثر زلزله

چکیده

با رشد جمعیت، نیاز به ساخت و ساز افزایش می‌یابد و این مهم، جز با گسترش زیر ساخت‌های عمرانی امکان پذیر نمی‌باشد. از طرف دیگر کمبود زمین‌های مرغوب (زمین‌هایی که خاک آن برای ساخت و ساز دارای خصوصیات مکانیکی مناسب است) در شهرهای پر جمعیت و همچنین گرانی زمین در برخی مناطق موجب شده است تا ساخت و ساز در اعماق پایین‌تر از تراز زمین گسترش یابد. بدیهی است برای جلوگیری از سوانح احتمالی عملیات گودبرداری باید با پایدار‌سازی همراه باشد. از طرفی اغلب گودبرداری­های عمیق برای سازه­های بلند انجام می­شود. سازه­ های بلند یک شهر نیز معمولا در کنار یکدیگر ساخته می­شوند. لذا وقتی گودبرداری انجام می­شود، برای سازه ­های بلند واقع شده در کنار این گود گرانی ­هایی ایجاد می­گردد. این نگرانی­ ها در طی یک زلزله می­تواند تشدید شود. با توجه به اینکه زلزله ­های حوزه نزدیک تاثیرات بیشتر و متفاوت ­تری نسبت به زلزله ­های حوزه دور می­گذارند، لذا برای یک سازه بلند در کنار گودبرداری عمیق می­توانند بسیار خطرآفرین بوده و سازه را تا حد بحرانی پیش ببرند. در این تحقیق برای ارزیابی رفتار لرزه­ای سازه ­های بلند در کنار گودبرداری­های عمیق و چگونگی نشست لبه ی گود تحت زلزله­ های حوزه نزدیک، سه سازه 20، 25 و 30 طبقه در 3 فاصله 20، 40 و 50 متری از گود قرار گرفته با اعمال زلزله حوزه نزدیک گسل مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان دهنده­ی این است که با افزایش ارتفاع سازه و همچنین کاهش فاصله سازه از لبه گوبرداری، احتمال خرابی گود و افزایش خطر برای سازه­ های بلند افزایش می یابد.

1. مقدمه

تعیین مشخصات ساختمان هایی که در گروه سازه های بلند قرار می گیرند بسیار مشکل است، زیرا بلندی خود یک حالت نسبی است و ساختمان ها را نمی توان بر حسب ارتفاع یا تعداد طبقات، دسته بندی و تعریف نمود. بلندی یک ساختمان بستگی به شرایط اجتماعی و تصورات فرد از محیط دارد، بنابراین ارائه یک معیار قابل قبول همگانی برای تعریف بلندی سازه غیرممکن است. از نظر مهندسی هنگامی می توان سازه را بلند نامید که ارتفاع آن باعث شود که نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله، بر طراحی آن اثر قابل توجهی گذارند. همچنین همانند نیروهای ثقلی، تأثیر نیروهای جانبی در سازه ها کاملاً متغیر بوده و به سرعت با افزایش ارتفاع شدت می یابد.

سه عامل اساسی که باید در طراحی تمام سازه های بلند در نظر گرفته شوند عبارتند از :

1. مقاومت
2. صلبیت
3. پایداری

که در طراحی سازه های بلند سیستم سازه ای باید متناسب با این نیازها باشد. نیاز به مقاومت عامل غالب در طراحی سازه های کوتاه است، اما با افزایش ارتفاع صلبیت و پایداری اهمیت بیشتری می یابد. بنابراین در یک سازه بلند، سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی و قائم بر حسب ارتفاع سازه و نوع کاربری و نیز ماهیت و نوع نیروها متفاوت خواهد بود.

یکی از مسائل مهم در مهندسی عمران مقاوم کردن ساختمان ها در برابر نیروی ناشی از زلزله است. روش های معمول برای این منظور در سازه های فلزی، استفاده از بادبند و در سازه های اسکلت بتنی استفاده از دیوار برشی است. علاوه بر این دو، از توان قاب خمشی نیز در مقاومت در برابر نیروی زلزله بویژه برای سازه های بلند می توان استفاده کرد. آنچه تاکنون بطور جدی بدان پرداخته نشده بطوری که ضوابط آیین نامه ای برای آن وجود داشته باشد استفاده از بادبند در سازه های اسکلت بتنی برای نیروی زلزله است. در مقابل، استفاده از دیوار برشی در ساختمان های اسکلت فلزی رایج است و از نظر آیین نامه زلزله ایران، استاندارد 2800 مورد تأیید است. هر چند استفاده از دیوار برشی به جای بادبند در ساختمان های اسکلت فولادی در سال های اخیر رواج پیدا کرده اما بادبند مقاوم در برابر زلزله، از نظر اقتصادی، سرعت و سهولت اجرا همچنین از دیدگاه معماری و نیز بدلیل شکل پذیری بهتر عناصر فولادی می تواند در بسیاری از موارد، از دیوار برش مناسب تر باشد.

ارزیابی رفتار سازه ها در زمین لرزه های بزرگ نمایانگر ایجاد خسارت های قابل توجه حتی در ساختمانهای طراحی شده بر پایه اصول مهندسی است و این به معنای ناکافی بودن پارامتر مقاومت به ویژه در زمین لرزه های بزرگ و در سطح فرو ریزش است. رفتار نامطلوب سازه ها در برابر زمین لرزه محققان را بر آن داشت تا پارامترهای دیگری در طراحی سازهای مد نظر قرار دهند. یکی از پارامترها که در نگرش نوین پژوهشگران به رفتار سازه ها مدنظر قرار گرفته است، مفهوم انرژی در سازه ها است. ایده برقراری مطلوب توازن انرژی در سازه از طریق بهینه سازی خسارت در حال گسترش است. خسارت های ناشی از زلزله ها، پژوهشگران را بر آن داشته است تا همواره به دنبال راه حل هایی برای جلوگیری از این خسارت ها و همچنین نشست گود باشند.

مدت ها پیش در نظر گرفتن قابلیت شکل پذیری و اتلاف انرژی در سازه ها مطرح گشت و خود را توسط ضریبی به نام ضریب رفتار R در آیین نامه ها نشان داد. زلزله های مختلف آسیب های کم یا زیادی بر حسب مقاومت و پایداری سازه ها در برابر زلزله به سازه ها وارد می سازد، لذا پایدار و مقاوم بودن سازه ها در برابر زلزله برای جلوگیری از تخریب های کلی و یا جزیی سازه ها و همچنین از دست رفتن سرمایه های مالی و جانی افراد از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. روش های مختلفی برای پایدار کردن سازه های فلزی در برابر نیروهای جانبی باد و زلزله وجود دارد. در این تحقیق نخست به معرفی و تشریح انواع سازه های باربر در سازه های بلند می پردازیم سپس به تمرکز بر روی سازه های باربر پرکاربرد و معمول در ساختمان های بلند خواهیم پرداخت. سازه هایی که در ساختمان های بویژه فولادی به منظور مقاومت در برابر بارهای جانبی وارد بر ساختمان شامل نیروی باد یا زلزله طراحی می شوند از نظر خواص مصالح مورد استفاده مانند سختی، شکل پذیری، مدول الاستیسیته، مدول پلاستیک یا میزان جذب انرژی زلزله مورد بررسی قرار می گیرند. هر چه سازه باربر جانبی دارای شکل پذیری بیشتری باشد دارای توان جذب انرژی بالاتری می باشد بدین معنا که نیروی جانبی زلزله باعث ایجاد تغییر شکل های بیشتری پیش از گسیختگی در سازه می شود و همین باعث کاهش تلفات جانی ناشی از زلزله و نشست گود می شود.

2. شرح مساله و جزئیات مدلسازی

تحت شرایط زهکشی‌شده، مقاومت خاک­ها اغلب با افزایش فشار میانگین افزایش یافته و خصوصیات اصطکاکی بیشتر نمایان می­شود. بر همین اساس و با توجه به نتایج مطالعات صورت گرفته، در این تحقیق از رفتار مور-کلمب برای مصالح خاکی در استفاده شده است. به منظور انتقال صحیح موج با فرکانس داده شده در حدود ١٠ گره در هر طول موج  مورد نیاز است. استفاده کمتر از ١٠ گره می‌تواند موجب میرایی عددی گردد، همانطور که گسسته کردن مسئله باعث از دست دادن قله‌های مشخص از موج می‌گردد. به منظور تعیین بزرگترین فاصله مش بندی مناسب می‌بایست حداکثر فرکانس مربوط  که در مدل حضور دارد با انجام آنالیز فوریه حرکت ورودی بدست آید معمولا در آنالیزهای لرزه‌ای  (حداکثر فرکانس) در حدود  10 است.

مدل سه بعدی خاک ناحیه نزدیک و خاک ناحیه دور

سازه بلند 20، 25 و 30 طبقه در سه فاصله 20، 40 و 50 متر از لبه گود مورد بررسی قرار کرفته است. نحوه قرار گرفتن سازه­ ها از لبه گود در شکل زیر نشان داده شده است.

نمایش سازه در کنار گود

سازه­های مدلسازی شده در این تحقیق ابتدا در برنامه sap مدلسازی شده و بعد از تعیین مشخصات المانها سازه در برنامه المان­محدود مدلسازی گشته است. سازه مدل شده در برنامه المان محدود آباکوس در شکل زیر نشان داده شده است. عرض دهانه ­ها قاب­ها 4 متر و ارتفاع آنها 3 متر در نظر گرفته شده است. سازه­ها دارای 4 دهانه در هر راستا هستند. سقف سازه­ها هم از نوع shell در نظر گرفته شده است.

سازه مدل شده

3. بحث و نتایج

3.1. بررسی جابجایی افقی گود

در این بخش تاثیر سازه بلند در تغییرمکان افقی گود ارزیابی شده است. در این بخش نتایج در دو قسمت جداگانه بررسی شده­اند. در قسمت اول تاثیر فاصله مورد بررسی قرار گرفته است. بصورتی که برای هر کدام از سازه­های 20، 25 و 30 طبقه، نتایج در سه فاصله 20، 40 و 50 متر از لبه در یک شکل در کنار هم آورده شده است.

جابجایی افقی لبه گود در فاصله 20 متری

جابجایی افقی لبه گود در فاصله 25 متری

جابجایی افقی لبه گود در فاصله 20 متری

جابجایی افقی لبه گود در فاصله 30 متری

جابجایی افقی لبه گود در فاصله 40 متری

جابجایی افقی لبه گود در فاصله 50 متری

3.2. بررسی جابجایی قائم گود

در این بخش تاثیر سازه بلند در تغییرمکان قائم گود ارزیابی شده است. در این بخش نیز نتایج در دو قسمت جداگانه بررسی شده­اند. در قسمت اول تاثیر فاصله مورد بررسی قرار گرفته است. بصورتی که برای هر کدام از سازه­های 20، 25 و 30 طبقه، نتایج در سه فاصله 20، 40 و 50 متر از لبه در یک شکل در کنار هم آورده شده است. در قسمت دوم، تاثیر ارتفاع سازه در هر کدام از فواصل مورد بررسی مدنظر بوده است.

جابجایی قائم لبه گود در فاصله 20 متری

جابجایی قائم لبه گود در فاصله 25 متری

جابجایی قائم لبه گود در فاصله 30 متری

جابجایی قائم لبه گود در فاصله 40 متری

جابجایی قائم لبه گود در فاصله 50 متری

3.4. بررسی توزیع نشست گود

در این بخش مقدار نشست قائم در سیستم خاک، گود و فونداسیون سازه بررسی شده است. در این بخش مقدار نشست رد فاصله 20، 40 و 50 متری برای سازه­های 20، 25 و 30 طبقه مورد بررسی قرار گرفته است. مقدار نشست در قسمتهای مختلف بر اساس کانتور نشان داده شده است.

توزیع جابجایی در مدل 20 طبقه در فاصله 20 متری

توزیع جابجایی در مدل 25 طبقه در فاصله 20 متری

توزیع جابجایی در مدل 30 طبقه در فاصله 20 متری

توزیع جابجایی در مدل 20 طبقه در فاصله 40 متری

توزیع جابجایی در مدل 25 طبقه در فاصله 40 متری

توزیع جابجایی در مدل 30 طبقه در فاصله 40 متری

توزیع جابجایی در مدل 20 طبقه در فاصله 50 متری

توزیع جابجایی در مدل 25 طبقه در فاصله 50 متری

توزیع جابجایی در مدل 30 طبقه در فاصله 50 متری

4. نتیجه ­گیری

با ارزیابی که در این تحقیق در مورد رفتار سازه­ های بلند در کنار گودبرداری­های عمیق صورت گرفته است مشاهده می­ گردد که:

• مقدار تغییر مکان جانبی گود برای تحلیل (نشست گود) در اثر افزایش فاصله کاهش می­یابد. بطوری که با دوبرابر شدن فاصله 25 درصد مقدا تغییر مکان جانبی کاهش می­یابد. اما با افزایش فاصله به مقدار 25 درصد افزایش می­یابد مقدار کاهش تغییر مکان جانبی به مقدار 3 درصد است. این موضوع در سازه­های با تعداد طبقات 20، 25 و 30 طبقه تقریبا مشابه هم است.
• نتایج نشان دهنده­ی این است که، تغییر ارتفاع طبقه در یک فاصله مشخص تاثیر چندانی در مقدار تغییر مکان جانبی و ناپایداری گودبرداری نداشته و در حدود 3 الی 5 درصد مقدار تغییر مکان به تعداد طبقات بستگی دارد.
• نتایج نشان دهنده­ی این است که، مقدار تغییر مکان قائم در گود حساسیت زیادی به فاصله سازه از لبه گوبرداری دارد. این مهم در سازه­های 20، 25 و 30 طبقه بصورت کامل مشاهده می­شود. بطوری که افزایش دوبرابری فاصله سازه از لبه گود مقدار نشست گود قائم را در حدود 30 درصد کاهش می­دهد.
• نتایج حاصل از توزیع جابجایی نشان دهنده­ ی این است که، بحرانی­ترین ناحیه از لحاظ ناپایداری جانبی و قائم لبه گودبرداری است. این مهم در همه سازه ­ها و در هر سه فاصله مورد بررسی کاملا مشهود است.