Modelling the Interaction between Structure and Soil for Shallow Foundations

طراحی و مدل سازی پی سازه ها دو رشته مهندسی را در بر می گیرد. اولین شاخه، مهندسی سازه است که سازه را طراحی می کند و دومین شاخه از مهندسی عمران، مهندس ژئوتکنیک است که ظرفیت باربری خاک را تعیین می کند. هنگام مدل سازی پی های سطحی بزرگ، یکی از چالش های اصلی تعیین سختی خاک و چگونگی استفاده از آن در نرم افزارهای سازه ای است. به طور کلی سختی توسط مهندس ژئوتکنیک تعیین می شود و مقدار تعیین شده توسط مهندس سازه استفاده می شود. برای تعیین سختی، دانستن کاربرد مورد نظر مهم است. برای استفاده از سختی، همچنین لازم است بدانیم که چه محدودیت ها و فرض هایی قابل اعمال هستند. علاوه بر عدم قطعیت در تعیین سختی خاک، روش‌ های دیگر برای مدل‌سازی اندکنش بین سازه و خاک نیز ساده نیستند. یک مدل واقعی از اندرکنش سازه و خاک می تواند منجر به ساختاری بهینه و اقتصادی شود.
هدف از نگارش کتاب مدلسازی اندرکنش بین خاک و سازه برای پی های سطحی ارائه دستورالعمل های کاربردی برای تحلیل و مدل سازی پی های متشکل از دال های بزرگ است.

هدف این است که در مدل سازی اندرکنش بین سازه ها و خاک سازگاری وجود داشته باشد. یافته های این گزارش می تواند به نوبه خود به مهندس سازه و ژئوتکنیک در هنگام مدل سازی سازه های پی سطحی کمک کند. همچنین بینشی در مورد تعیین مشخصات سازه و خاک ارائه می دهد. علاوه بر این، دانش بیشتری در مورد رفتار اندرکنش خاک – سازه بر اساس یک تحلیل پارامتریک به دست می آید. این مطالعه در بخش مهندسی سازه، در دانشکده مهندسی عمران و علوم زمین دانشگاه فنی دلف انجام شده است.

در فصل 1، مقدمه ای کوتاه در مورد پی های سطحی و اطلاعات مرتبط و جنبه های مورد نیاز برای مدل سازی چنین سازه هایی ارائه شده است. در پایان، شرح تحقیق، اهداف، چالش ها، رویکرد و محدوده کتاب مدلسازی اندرکنش بین خاک و سازه برای پی های سطحی توضیح داده شده است. در این کتاب، تحلیل پی های سطحی با آنالیز فنر برای پاسخ خاک انجام می شود.

در فصل 2، نظریه بنیادی و ادبیات فنی مورد استفاده در گزارش، توضیح داده شده است. این فصل با تشریح روش کلی مدل سازی آغاز می شود. به طور مشخص تر، تاکید نویسنده در این فصل بر نحوه مدل سازی روسازه و خاک است. سازه مذکور با نظریه مرسوم تیر و خاک به عنوان فنر مدل سازی شده است.

مدل سازی خاک به صورت فنر از مدل وینکلر پیروی می کند. این مدل دارای اشکالاتی است که با مدل پی پاسترناک (Pasternak foundation model) بهبود یافته است. این فصل با تشریح تعامل بین سازه و خاک ادامه می یابد. سختی سازه و خاک نقش مهمی در مدل سازی این اندرکنش دارد. این فصل با جریان کار برای طراحی یک دال برای پی پایان می یابد و بخشی از فرآیند آن در ادامه مطالعه تمرکز خواهد کرد.

در فصل 3، مطالعات موردی تحلیلی مورد بحث قرار گرفته است. در این فصل از کتاب مدلسازی اندرکنش بین خاک و سازه برای پی های سطحی روابط حاکم بر مدل های بنیادی وینکلر و پاسترناک به صورت تحلیلی مورد بررسی قرار می گیرد. علاوه بر این یک روش جدید نیز در این موضوع معرفی خواهد شد. این روش جدید مدل پی گرادیان نام دارد. این مدل پی بر روی چرخش سطح خاک تأثیر می گذارد. در این مطالعه از شرایط مرزی مختلف استفاده خواهد شد و تأثیر آن بر خاک اطراف برای مدل‌ های مختلف پی مورد بررسی و ارزیابی قرار می گیرد. به کمک این مطالعه، تئوری و کاربرد معادلات و تفاوت بین مدل ها روشن می شود. نتیجه گیری مهمی که در این تحلیل به دست می آید این است که مدل پایه پاسترناک نتایجی به دست می دهد که به واقعیت نزدیک تر می شوند. این امر به دلیل جفت شدن فنرها در قالب متغیر دوم (G_p) انجام می شود.

فصل چهارم به بررسی اجمالی نظری برنامه نرم افزار سازه ای که در تحقیق مورد استفاده قرار می گیرد، اختصاص دارد. نرم افزار مهندسی استفاده شده در این تحقیق SCIA می باشد که برای مدلسازی سازه ای پی های سطحی به صورت دال، یک المان دو بعدی، استفاده شده است.

برهم کنش سازه و خاک توسط متغیرهای برهم کنش به نام «متغیرهای C» مدل‌سازی می شود. نکات نظری این متغیرهای C نیز در این فصل از کتاب مدلسازی اندرکنش بین خاک و سازه برای پی های سطحی مورد بحث قرار خواهد گرفت. روش استفاده از این متغیرهای تعاملی را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد. یک گروه از ضرایب یکنواخت و گروه دیگر از ضرایب غیر یکنواخت استفاده می کنند. مدل های ضریب غیر یکنواخت عبارتند از یوروکد 7، روش شبه جفت شده (Pseudo-Coupled) و روش سکانت ((Secant Method. این روش ها به طور مفصل در این فصل مورد بحث قرار گرفته است. علاوه بر این مطالب نویسنده سعی کرده است تا نگاه ویژه ای به روش سکانت که فرآیند تبدیل و گسترش خواص خاک به فنر است را داشته باشد.

همچنین محاسبه نشست که در برنامه استفاده می شود مورد بحث قرار خواهد گرفت. محاسبه نشست که برنامه برای تعیین متغیرهای اندرکنش استفاده می کند با معادله ترزاقی که اغلب استفاده می شود متفاوت است. در این زمینه دو معادله برای تخمین نشست با هم مقایسه و بررسی خواهند شد.

فصل 5 بر روی کاربرد مدل های ضریب یکنواخت و غیر یکنواخت، از فصل قبل تمرکز دارد. در این فصل تأثیر و تغییرات این ضرایب مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت. پیاده سازی یوروکد 7، روش شبه جفت شده و سکانت قابل مشاهده است. تفاوت بین این مدل ها نیز با مقایسه نتایج آنها مورد بحث قرار خواهد گرفت. این روش ها از نظر نتایج به دست آمده در میزان نشست، لنگر و تنش تماسی با یکدیگر مقایسه می شوند. در پایان این فصل، تحلیل حساسیت متغیر اندرکنش دوم (C2) انجام خواهد شد. با انجام این کار می توان بینش بیشتری در مورد این متغیر به دست آورد.

فصل 6 به مقایسه بین روش Secant Method (SM)، روش اجزای محدود خطی (LFEM) و روش اجزای محدود غیرخطی (NLFEM) می‌پردازد. SM در ماژول SOIL in برنامه SCIA Engineer پیاده سازی شده است. تجزیه و تحلیل اجزای محدود خطی و غیر خطی در PLAXIS پیاده سازی شده است. PLAXIS یک برنامه ژئوتکنیکی است که اغلب در تمرینات مهندسی روزمره استفاده می شود. تجزیه و تحلیل غیرخطی انجام شده توسط این برنامه به طور گسترده با نتایج تجربی مقایسه شده است و به طور کلی کاملاً واقعی در نظر گرفته می شود. SM با آزمایشات مقایسه نشده است بلکه این روش بر پایه انطباق با قوانین حاکم بر اندرکنش توسعه یافته است. علاقه مندان می توانند این نکات را در فصل 6 مشاهده نمایند.

فصل 7 بر اندرکنش بین مهندسی سازه و ژئوتکنیک تمرکز خواهد کرد. یک رویکرد عملی که از مدل پایه ای وینکلر استفاده می کند، ارائه خواهد شد. همچنین چک لیستی که می تواند به ارتباط بهتر بین دو مهندس کمک کند توضیح داده خواهد شد. در پایان نیز نکته ای مختصر و نهایی در مورد پایه های مدل سازی ارائه خواهد شد.

در نهایت، فصل 8 نتیجه گیری نویسنده ازمطالب بیان شده در کتاب مدلسازی اندرکنش بین خاک و سازه برای پی های سطحی و پیشنهاداتی برای مطالعه بیشتر ارائه شده است.

به طور کلی هدف این کتاب توسعه روشی سازگار برای مدل سازی پی های دال بتنی بزرگ و بهینه سازی تعامل بین مهندسین سازه و ژئوتکنیک است. مدل ارائه شده باید تعامل بین سازه و خاک را در نظر بگیرد و باید بتواند نتایج صحیح، سریع (زمان محاسباتی و مدل سازی) و قابل استفاده برای طراح را به همراه داشته باشد. نتایج این پایان نامه را می توان به سه بخش تقسیم کرد. اولی مربوط به تحلیل های تحلیلی مدل های مختلف پی است که مورد بررسی قرار گرفت، دومی مربوط به تحلیل های محاسباتی و سومی مربوط به ارتباط بین مهندس سازه و ژئوتکنیک است.

• سه مدل پایه ساده با پارامترهای ثابت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است: پی وینکلر، پی پاسترناک و پایه گرادیان.

 مدل ها با معادلات دیفرانسیل یک بعدی نشان داده شده و به صورت تحلیلی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته اند.

• مشخص شده است که هر یک از این مدل ها اشکالات مهم خود را دارند:

• مدل وینکلر پخش بار در لایه های خاک را در نظر نمی گیرد.

• مدل پاسترناک گسترش را در نظر می گیرد، با این حال تعیین پارامتر دوم که مدول برشی لایه برشی (G_p) است، دشوار است.

• تفسیر نتایج مدل گرادیان از نظر فیزیکی دشوار بود، بنابراین نتایج را غیرقابل استفاده می کرد.

• در این مطالعه مشخص شد که نتایج مدل پاسترناک واقعیت را با ثبات بیشتری نشان می دهد. بنابراین، تعامل بین سازه و خاک اطراف با این مدل قابل تحلیل است. این مدل فقط به سه پارامتر ورودی نیاز دارد و تعیین مقدار Gp برای آن ها دشوار است.