Analysis of Pile Foundations Subject to Static and Dynamic Loading

پی های عمیق و شمع ها اغلب زمانی استفاده می شود که خاک خوب برای اطمینان از عملکرد رضایت بخش پی در اعماق کم در دسترس نباشد. هدف استفاده از شمع ها می تواند به ظرفیت باربری، نشست یکنواخت و یا نشست غیر یکنواخت گره خورده باشد. در خاک هایی که در هنگام زلزله مستعد روانگرایی نیز هستند، گاهی اوقات از شمع ها برای انتقال بارها از طریق لایه روانگرا به زمین پایدار در اعماق خاک استفاده می شود. در کاربردهای دیگر، عملکرد شمع ممکن است از نظر معیارهای سختی و ارتعاش در پی هایی که تحت بارهای با فرکانس بالا قرار دارند حائز اهمیت باشد.

استفاده از شمع ها به عنوان پی، هزینه های نسبتاً قابل توجهی را به پروژه تحمیل می کند، اما اغلب یک جایگزین اقتصادی برای پی گسترده شمع دار (Piled Raft) هستند. این پی ها اغلب در زمین نسبتاً خوب اجرا می شوند که عمدتاً با هدف برآورده کردن معیارهای دقیق سرویس دهی به ویژه نشست انجام می شود. ملاحظات طراحی باید اهمیت عملکردی سازه، سطح اطمینان به مشخصه های خاک برای طراحی شمع مناسب، کفایت ابزار تجزیه و تحلیل برای ارزیابی اندرکنش شمع، خاک و سازه و ساز و کارهای انتقال بار و میزان کنترل های ساخت و ساز را در نظر بگیرند. اگر چه آزمایش های بار شمع گران و زمان بر هستند، اما برای تایید و بهینه سازی طراحی پی شمع از نظر تعداد، طول شمع و چیدمان شمع ها ضروری هستند. به خصوص برای شرایط نامشخص زیرزمینی، یک برنامه آزمایشی بار شمع قبل از ساخت و ساز با دقت برنامه ریزی شده معمولاً هزینه های کلی پی را با امکان ضریب ایمنی کمتر از نظر ظرفیت بار و تخمین قابل اعتمادتر نشست های تفاضلی تحت بارهای بهره برداری کاهش می دهد. مقوله اجرا توسط پیمانکاران تخصصی به همان اندازه مهم است، به ویژه هنگامی که لایه های خاک نرم با ویژگی های عمدتا ناشناخته در پروژه وجود دارد. با وجود پیشرفت های صورت گرفته، بسیاری از مسائل نظیر کاربردهای جدید فناوری های موجود هنوز تحت تحقیق هستند.

شمع ها از مواد مختلف در مقاطع مختلفی ساخته می شوند و به طور سنتی در صنعت ساختمان و سایر سازه ها در خشکی و دریا استفاده می شوند. شمع های فولادی لوله ای نوع غالب شمع در سازه های دریایی می باشند و هم برای تامین ظرفیت باربری و هم جهت تسهیل در امر اجرا مورد استقبال سازنده ها قرار گرفته اند. البته در سال های اخیر استفاده از تک شمع ها در سازه های بادی در محدوده دریا و ساحل با قطر قابل توجه نیز استفاده می شود.

هدف کتاب تحلیل شمع ها تحت بار های استاتیکی و دینامیکی، بررسی و ارائه ابزارهای محاسباتی مناسب در زمینه شمع بر اساس اصول طراحی موجود برای شمع های مورد استفاده در پروژه های متعدد تحت شرایط بارگذاری مختلف است.

فصل های این کتاب ترکیبی از راه حل های پایه مهندسی و آخرین یافته های تحقیقاتی به شکلی متعادل و منسجم می باشد. انگیزه اصلی کتاب، ارائه این روش ها به عنوان یک مجموعه پیوسته متعلق به خانواده روش های عددی می باشد. بر اساس تجربه نویسنده، برخی از مهندسین شاغل، این تصور را دارند که روش های تحلیلی  محدودی در زمینه شمع ها وجود دارد که بسته به نوع شمع، بارگذاری و کاربرد جواب های یکسانی را در اختیار مهندسین قرار دهد. حتی در بین محققان نیز گاهی این سوء تفاهم وجود دارد که باید انتظار پاسخ های متفاوتی را از برنامه های مختلف داشت.

 این واقعیت که کتاب ها و مقالات زیادی وجود دارد که هر کدام یک روش تجزیه و تحلیل را برای یک شرایط بارگذاری یا برنامه خاص را ترویج می دهند، در این زمینه چندان مفید نبوده است. فصول کتاب تحلیل شمع ها تحت بار های استاتیکی و دینامیکی توسط متخصصان صاحب نام در این زمینه نوشته شده است و هر یک از فصل ها به یکی از جنبه های شمع ها به تفضیل می پردازد. با این حال، مطالب ارائه شده به صورت یکپارچه بر اساس روش‌ های عددی و تحلیلی دقیق ارائه شده و در نهایت برای ارائه راه حل ‌های مهندسی ساده ‌سازی می شوند. فصول مختلف این کتاب نشان می دهند که چگونه روش ‌ها و ابزارهای مختلف تجزیه و تحلیل با یکدیگر مرتبط هستند و چگونه می توان با اعمال برخی ساده سازی ها از آنها استفاده نمود.

محتوای فصل های مختلف کتاب تحلیل شمع ها تحت بار های استاتیکی و دینامیکی چگونه است؟

کتاب تحلیل شمع ها تحت بار های استاتیکی و دینامیکی از ده فصل تشکیل شده است. چهار فصل اول به توضیحاتی در زمینه انواع بارهای استاتیکی و چرخه ای (سیکلی) اختصاص دارد و فصل های باقی مانده به بارگذاری های دینامیکی و زلزله می پردازد. فصل 1 عناصر و مراحل اساسی در تجزیه و تحلیل شمع تحت بارهای استاتیکی را همراه با ارجاعات لازم به مقررات طراحی مناسب در یوروکد 7 ارائه می کند. علاوه براین در این فصل ابزارهای آنالیز مرسوم به همراه روش های ساده مبتنی بر اندرکنش میان شمع و خاک و نظریه مدلسازی سختی خاک با فنرهای با سختی متفاوت و استفاده از منحنی های p-y و t-z را مورد بحث قرار می دهد. فصل 2 نحوه استخراج دقیق مشخصات فنرهای بیان شده در فصل 1 با استفاده از مدل های پیشرفته اجزای محدود و پاسخ تنش-کرنش اندازه گیری شده خاک شرح داده شده است. همچنین نویسنده در این فصل توضیح می دهد که چگونه می توان از همان تحلیل ها برای محاسبه میرایی در فنرها استفاده کرد. فصل 3 کاربرد روش ‌های اجزای محدود (FE) را در تحلیل ‌های سه بعدی شمع ‌ها، به‌ویژه مونوپایل های با قطر بزرگ در پروژه های دریایی ارائه می‌کند. در ادامه این فصل از کتاب تحلیل شمع ها تحت بار های استاتیکی و دینامیکی نشان داده شده است که چگونه می توان از این تحلیل ها برای کالیبره کردن فنر های p-y در هر پروژه خاص استفاده نمود. در این فصل اصول طراحی تک شمع ها برای حالت های قابل اجرا نیز مورد بحث قرار گرفته است. فصل 4 اصول اساسی طراحی شمع های مکشی را ارائه می دهد که اغلب برای لنگر انداختن سازه های دریایی شناور در آب های عمیق استفاده می شود. در این فصل شرایط مختلف بارگذاری نیز برای شمع ها مطرح شده است. اما در مجموع باید گفت اصول آنالیزها بسیار مشابه موارد و نکاتی است که در فصل های 1 تا 3 مطرح شده است.

فصل های 5 تا 10 به تجزیه و تحلیل دینامیکی شمع ها در زلزله اختصاص دارد. فصل های 5 و 6 توسعه نظریه فنرها برای تحلیل های دینامیکی در جهت های عمودی و افقی را با استفاده از روش های اجزای محدود و تحلیلی پیشرفته مورد بحث قرار داده اند. این دو فصل همچنین بحث اندرکنش خاک و شمع در شرایط دینامیکی را مورد بحث قرار می دهند و ابزارهای ساده ای را برای محاسبه عوامل برهم کنش دینامیکی توسعه می دهند. فصل 7 به مفهوم منحنی ‌های اندرکنش در پاسخ غیرالاستیک خاک می پردازد و نشان می دهد که چگونه اثر اندرکنش شمع و خاک به دلیل غیرخطی بودن رفتار خاک، کاهش می یابد. در فصل 8 کتاب روش های شرح داده شده در فصل 6 برای بارگذاری زلزله تعمیم داده می شود و مسائل طراحی از جمله تأثیر امواج لرزه ای بر نیروهای برهم کنش سینماتیکی در شمع ها را مورد بررسی قرار می دهد. نویسنده در فصل 9 به مسائل مربوط به پاسخ شمع ها در خاک های روانگرا می پردازد و هم روش های عددی دقیق و هم روش های ساده طراحی را مورد بحث قرار می دهد. فصل 10 ابزارهای ویژه ای را برای تجزیه و تحلیل پی ها به مخاطب ارائه می کند که شامل تعداد زیادی شمع است که در پی ماشین آلات، پی های سازه های بلند و نیروگاه های هسته ای مشاهده می شود. علاوه بر نشان دادن برخی از ویژگی ‌های اساسی سختی های دینامیکی، همانطور که در فصل‌های 5-7 ارائه شده است، چندین موضوع عملی را که در تحلیل دینامیکی پی های دارای شمع بزرگ با آن مواجه می‌شوند، مورد بررسی قرار می گیرد.