اندرکنش خاک و سازه چیست؟ (SSI)
(Soil Structure Interaction)
گاهی اوقات جهت تحلیل سازه های مجاور خاک، نمی توان سازه و خاک را به طور مجزا تحلیل و شبیه سازی (مدل سازی) کرد. زیرا خاک و سازه هر کدام بر روی دیگری اثر متقابل می گذارد. به در نظر گرفتن اثرات متقابل خاک و سازه بر روی یکدیگر، اندرکنش خاک و سازه گفته می شود.
عمومًا در تحليل انواع سازه های فلزی و بتنی فرض می شود که خاک واقع در زير سازه صلب است و از اثر اندرکنش خاک و سازه صرف نظر می گردد. اين در حالی است که خاک در واقعيت صلب نيست و وجود خاک در زير سازه باعث تغيير خصوصيات ديناميکی سازه و در نتيجه پاسخ آن می گردد. از طرف ديگر قرارگيری شالوده نسبتًا صلب سازه در خاک باعث تغيير تحريکات ورودی به سيستم خاک و سازه می گردد. اين اثر که اصطلاحًا اثر سينماتيکی ناميده می شود، خصوصاً در سازه های دارای پی مدفون و عميق بيشتر حائز اهميت است. هر چند در مورد تأثير خاک بر پاسخ ارتجاعی سازه ها مطالعات فراوانی صورت گرفته است، تحقيقات انجام شده در ناحيه غيرارتجاعی اندک و محدود به سال های اخير می باشد. تحقيقات انجام شده هم اغلب محدود به مطالعات موردی برای شرايط خاصی از خاک و سازه بوده اند. تنها مطالعات پارامتريک انجام شده نيز از اندرکنش سينماتيکی صرف نظر کرده اند.
در تحلیل مرسوم سازه های بتنی و فولادی، قرارگیری سازه بر خاک به صورت ساده و بدون در نظر گرفتن تغییر شکل خاک در نظر گرفته می شود. در تحلیل لرزه ای سازه ها نیز حرکت میدان آزاد زمین که در آن وجود سازه در حرکت زمین منظور نمی شود، به تکیه گاه های مزبور اعمال می شود.
- 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 می شود.
- همچنین پاسخ دینامیکی سازه نسبت به شتاب پایه، سبب تغییر شکل خاک خواهد شد. این پدیده اندرکنش اینرسی نامیده می شود.
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.
به منظور روشن شدن اندرکنش سينماتيکی و اندرکنش اينرسی به صورت کيفی، مثال زیر را در نظر بگیرید:
فرض کنيد که امواجی که به قايق شکل زیر می رسد، تحريک ميدان آزاد باشند. بنابراين قايق نماينده پی و شخص ايستاده در آن نماينده سازه خواهد بود. قايق نوسانی به اندازه ميانگينی از امواج رسيده به بدنه خود خواهد داشت و در اثر نوسان قايق، شخص داخل آن نيز نوسان می کند. تا اين قسمت، نوسانات ايجاد شده همان اثر سينماتيکی است و مشابه تحريک ورودی به پی می باشد. اما کار به اينجا ختم نمی شود. وقتی که شخص داخل قايق نوسان می کند، به علت جرم خود و در اثر قانون اول نيوتن به هر طرفی که می رود، در انتهای نوسان خود ضربه ای وارد می کند که خود آن ضربه باعث تغيير نوسانات ايجاد شده می گردد. اين بخش از نوسانات همان اثر اينرسی می باشد.
مثالی جهت روشن شدن اندرکنش سينماتيکی و اندرکنش اينرسی
اندرکنش خاک و سازه چیست
در تحلیل های متداول دینامیکی یک سازه، روش معمول به این صورت است که حرکت میدان آزاد زمین در محل ساخت تعیین شود و به پای سازه، به صورت صلب، اعمال گردد. 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 می گردد. قسمتی از انرژی ارتعاشی سازه می تواند با انتقال به خاک زیر پی بر اثر میرایی تشعشعی حاصل از انتشار موج و میرایی هیسترزیس مصالح خاک تلف شود. در صورتی که در حالت معمول با صلب فرض کردن خاک زیر سازه این اتلاف انرژی در نظر گرفته نمی شد در این حالت در هنگام وقوع زلزله، رفتار غیرخطی خاک زیرین و وقوع پدیده اندرکنش خاک و سازه، در پاسخ سازه ای به صورتی نتیجه می دهد که می تواند 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.
حرکت آزاد زمین را می توان به عنوان حرکت ثبت شده در سطح خاک و بدون در نظر گرفتن سازه تعریف کرد. پاسخ ساختاری در برابر زلزله به تعامل بین سه مورد زیر وابسته است:
- سازه
- شالوده (فونداسیون)
- خاک زیرین
تجزیه و تحلیل اندرکنش خاک و سازه برای ارزیابی پاسخ مشترک سه مورد بالا استوار است. تعامل خاک و سازه را می‌توان به عنوان فرآیندی تعریف کرد که در آن، تغییرشکل خاک بر حرکت سازه تأثیر می گذارد و حرکت سازه بر تغییرشکل های خاک، اثر می گذارد. نیروهای بین سازه و خاک عمدتاً نیروهای تعاملی هستند که می توانند برای هر سازه ای ایجاد شوند.
اثرات متقابل اندرکش خاک و سازه
با در نظر گرفتن سختی شالوده (فونداسیون) یک سازه، هیچ اثر متقابلی بین خاک و سازه وجود ندارد. بنابراین اگر نیروی اندرکنش بر پی ساختمان تأثیر بگذارد، در محاسبات لحاظ می گردد. تأثیر نیروهای اندرکنش بر حرکت خاک به دو مورد زیر بستگی دارد:
- بزرگی نیرو
- انعطاف پذیری خاک
هر چه سازه سنگین‌تر باشد، اثرات اندرکنشی خاک و سازه نیز بیشتر خواهد بود. اثرات اندرکنش خاک و سازه بر روی بیشتر ساختمان های شهری که وزن کمی دارند، ناچیز است. در حالی که اثرات اندرکنش سازه و خاک در سازه های سنگین همانند سدها و نیروگاه های هسته‌ای (NPP) پر اهمیت است.
یکی دیگر از شرایطی که بر روی اثرات متقابل خاک و سازه موثر است، انعطاف پذیری خاک است. در خاکِ نرم‌تر اثرات اندرکنش خاک و سازه بیشتر است. بنابراین برای ساختمانی که بر روی خاک نرم و در منطقه لرزه خیز ساخته شده است، این اثر باید لحاظ گردد.
کاربردهای اندرکنش خاک و سازه
- در سازه های سنگین مانند سازه های هیدرولیکی، تونل‌ها، مخازن مدفون، برج‌ها و سازه های هسته ای کاربرد دارد.
- برای سازه هایی که اثرات P delta اهمیت دارد، اندرکنش خاک و سازه موثر است.
- برای شالوده های عمیق، سازه های پشتیبانی ساخته شده بر روی خاک نرم، سازه های بلند که دارای سرعت برشی متوسط 100 متر بر ثانیه هستند.
کاربردهای اندرکنش خاک و سازه
روش های تحلیل اندرکنش خاک و سازه
اندرکنش خاک و سازه را می‌توان با دو روش تحلیلی در محاسبات لحاظ کرد:
- تحلیل مستقیم اندرکنش خاک و سازه
در این نوع روش، خاک و سازه به عنوان یک مجموعه کامل تجزیه و تحلیل می شوند. یک نمونه از این نوع تحلیل «روش اجزای محدود» است. شالوده، عناصر ساختاری، مرزهای انتقال بار، عناصر خط اتصال لبه های پی نیز در تحلیل گنجانده می شود.
روش های تحلیل اندرکنش خاک و سازه
- رویکرد زیرساختی در اندرکنش خاک و سازه
فعالیت متقابل سازه و خاک به دو بخش تقسیم می شود و سپس ترکیب می شوند تا راه حل کاملی برای این مشکل ایجاد شود. در این روش، مدلی با الزامات خاص تولید می‌شود:
- حرکت‌های میدان آزاد و خصوصیات خاک مربوط ارزیابی می شوند.
- توابع انتقال برای تبدیل حرکت میدان آزاد به حرکت ورودی شالوده مورد ارزیابی قرار می گیرد.
- ضریب k یا سختی فنر و ضریب c یا میرایی خاک و پی در تحلیل محاسبه می شوند.
- با استفاده از ترکیب موارد بالا، نتیجه نهایی محاسبه می گردد.
مدل اوليه خاک و سازه دارای پی مدفون بدون در نظر گرفتن ميرايی مواد خاک
مدل نهايی خاک و سازه دارای پی مدفون با در نظر گرفتن ميرايی مواد خاک
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
- نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
- مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
- مدیریت پیمان (Management Contracting)
- مدیریت طرح (Construction Management)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
- سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار ABAQUS
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
مطالب مرتبط :
