مقاله تحلیلی: راهنمای اندرکنش خاک-سازه

اندرکنش خاک-سازه (SSI) در رفتار ساختمان‌ها حین زلزله و چگونگی طراحی آن‌ها تفاوت قابل‌توجهی ایجاد می‌کند. بااین‌حال همچنان اثرات SSI توسط مهندسین سازه به‌اندازه کافی لحاظ نمی‌شود. الزامات آن در ASCE/SEI 7-16 با عنوان "حداقل بارهای طراحی و دیگر معیارها برای ساختمان‌ها و سازه‌های دیگر" و در ASCE/SEI 41-17 با عنوان "ارزیابی لرزه‌ای و بهسازی ساختمان‌های موجود" وجود دارند که می‌توان از آن‌ها برای در نظرگیری اثرات SSI استفاده کرد. بااین‌حال پیروی از این الزامات دشوار بوده و دستورالعمل‌های محدودی وجود دارد. FEMA به‌منظور کمک به مهندسان روی پروژه‌ای با عنوان ATC-144 که توسط انجمن فناوری‌های کاربردی (ATC) سازمان‌دهی شده سرمایه‌گذاری کرده است. خروجی این پروژه تحقیقاتی تهیه یک دستورالعمل طراحی با عنوان FEMA P-2091، راهنمای عملی اندرکنش خاک-سازه است.

هدف از این راهنمای طراحی علاوه بر ارائه مثال‌هایی از چگونگی لحاظ کردن روش‌های مختلف SSI، کمک به مهندسان به‌منظور آگاهی از این موضوع است که چه زمانی SSI اهمیت دارد. این راهنما شرایطی را توضیح می‌دهد که SSI می‌تواند تقاضاهای وارد بر ساختمان را کاهش یا افزایش دهد یا به‌سادگی الگوی تسلیم در فونداسیون و روسازه را تغییر دهند. این راهنما افزایش پریود، میرایی فونداسیون، تعدیل دال کف، انعطاف‌پذیری خاک و مدل‌سازی زیرزمین را پوشش می‌دهد و شامل مثال‌های طراحی اجرایی برای یک ساختمان ۲ طبقه با قاب مهارشده و یک ساختمان بتنی 12 طبقه است.

این مقاله شرایطی را بررسی می‌کند که در آن SSI مهم است؛ هدف، محدوده و جامعه هدف را توضیح می‌دهد؛ و نکات عملی پیاده‌سازی مؤثر SSI را ارائه می‌دهد. پروژه ATC-144 نیز شامل روش تحلیلی دقیقی برای جستجو و صحت سنجی الزامات SSI و به‌روزرسانی الزامات آیین‌نامه است. این موضوعات در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرند.

شرایطی که در آن SSI مهم است

شرایط زیر نشان می‌دهد که اندرکنش خاک-سازه (SSI) می‌تواند در نحوه رفتار ساختمان‌ها در حین زلزله تفاوت قابل‌توجهی ایجاد کرده و نیروهای طراحی ممکن است تحت تأثیر قرار گیرند. توجه کنید که شکل‌ها برگرفته از FEMA P-2091 هستند و موارد استثناء ذکر شده‌اند.

۱- بزرگ بودن مساحت زیربنا

ثابت شده که مساحت زیربنا با تقاضاهای طیفی بخصوص در پریودهای کوتاه‌تر ارتباط دارد. هرچه ساختمان بزرگ‌تر باشد، کاهش بیشتری در پاسخ طیفی پریود کوتاه آن وجود خواهد داشت. دلیل اثرات متقابل تعدیل دال کف است (شکل 1).

۲- مدفون‌شدگی قابل‌توجه فونداسیون

مدفون‌شدگی فونداسیون نیز به تقاضاهای طیفی، بخصوص در محدوده پریود کوتاه‌تر ارتباط دارد. هرچه مدفون‌شدگی بیشتر باشد، پاسخ طیفی پریود کوتاه کاهش بیشتری خواهد یافت. این موضوع به دلیل کاهش حرکات زمین در عمق است که یک ویژگی متعارف از پاسخ ساختگاه است (شکل 2).

۳- نسبت بالای سختی سازه به خاک

زمانی که سازه در مقایسه با خاک نسبتاً سخت باشد، دوران فونداسیون رخ داده و به جابجایی‌های سازه‌ای اضافه می‌شود و پریود اصلی سازه افزایش می‌یابد. این افزایش پریود می‌تواند بر روی شتاب‌های طیفی که در طراحی استفاده می‌شود تأثیر گذارد. این اثر معمولاً در ساختمان‌های دارای سیستم‌های مقاوم جانبیِ متمرکز مانند دیوارهای برشی بتنی مسلح و قاب‌های مهارشده فولادی که بر روی المان‌های فونداسیون قرار می‌گیرند، اتفاق می‌افتد. در مقابل برای ساختمان‌های دارای فونداسیون‌های عریض و سخت و روسازه‌های نسبتاً انعطاف‌پذیر، معمولاً تأثیر انعطاف‌پذیری خاک نسبتاً اندک است.

شکل 3 مثالی از سیستم دیوار برشی طره‌ای متمرکز و فونداسیون آن را نشان می‌دهد که در آن انعطاف‌پذیری خاک، پریود اصلی ارتعاش را افزایش خواهد داد. جابجایی بام از دیوار برشی در سمت چپ شکل با∆_w نشان داده شده است. در شکل 3 سمت راست، انعطاف‌پذیری قائم خاک با مجموعه‌ای از فنرها نشان داده شده است. در حین جابجایی جانبی روسازه، جابجایی قائم فنرها و دوران فونداسیون رخ خواهد داد. جابجایی جانبی حاصل از حرکت گهواره‌ای در شکل 3 سمت راست با ∆_r نشان داده شده است. افزایش این جابجایی با افزایش پریود اصلی سازه ارتباط دارد. 

شکل 4 تأثیر احتمالی تغییر پریود در آنالیز طیف پاسخ را نشان می‌دهد. پریود در مدل پایه ثابت با T و پریود در مدل خاک انعطاف‌پذیر با T^~ نشان داده شده است. در حالت پریود کوتاه، سازه بسیار سخت است و افزایش پریود از T به T^~ باعث افزایش طیف پاسخ و افزایش شتاب طیفی خواهد شد. در حالت پریود بلند، سازه انعطاف‌پذیرتر است و افزایش پریود باعث کاهش شتاب طیفی می‌شود. شکل 4 همچنین تأثیر میرایی فونداسیون را بر کاهش پاسخ طیفی نشان می‌دهد. 

 ۴- حرکت گهواره‌ای فونداسیون

سازه‌های دارای سیستم‌های مقاوم جانبی عمودی کوپل زمانی که در معرض انعطاف‌پذیری خاک قرار می‌گیرند، ممکن است رفتار بسیار متفاوتی داشته باشند. شکل 5 یک مونه تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوش آور) را از اسلایدهای سمینار مربوط به راهنمای طراحی FEMA P-2006 نشان می‌دهد. در مدل پایه ثابت کمانش در مهاربند فشاری در پایین‌ترین طبقه رخ می‌دهد و این مهاربند اضافه تنش بسیار بالایی دارد. در مدل پایه انعطاف‌پذیر که فنرهای عمودی در زیر هریک از ستون‌ها قرار داده‌شده‌اند، قاب‌های مهارشده حرکت گهواره‌ای دارند و سیستم ظرفیت کافی برای مقاومت در برابر تقاضاهای وارد شده را دارد. توجه کنید که در مدل پایه انعطاف‌پذیر، انتهای تیرهایی که این قاب‌ها را به یکدیگر متصل می‌کنند دوران‌های بیشتری نسبت به مدل پایه ثابت دارند.

جزئیات راهنمای طراحی SSI

هدف کلی این راهنمای طراحی ارائه اطلاعات مربوط به SSI مشابه با ضوابط اجرایی آیین‌نامه‌ها اما به صورتی که فهم آن راحت‌تر باشد و در ساختاری مختصر برای مهندسان اجرایی است. هدف راهنمای طراحی این است که: (1) به مهندسان اجرایی کمک کند که مشارکت SSI چه زمانی اهمیت خواهد داشت و (2) مثال‌هایی از چگونگی انجام روش‌های مختلف SSI را نشان دهد.

۱- جامعه هدف

مخاطب اصلی راهنمای طراحی، مهندسانی هستند که با طراحی لرزه‌ای بر مبنای ASCE/SEI 7 آشنا بوده و تجربه کمی در زمینه SSI دارند. مخاطبان درجه دوم مهندسانی هستند که در برخی از زمینه‌های SSI مانند استفاده از فنرها تجربه دارند اما ممکن است نیاز به توصیه‌هایی در رابطه با دیگر روش‌های SSI که هنوز استفاده نکرده‌اند، داشته باشند.

۲- محدوده

این راهنمای طراحی، موضوعات SSI در بخش 12.13 و فصل 19 از ASCE/SEI 7-16 را تحت پوشش قرار می‌دهد. تمرکز این راهنما بر روی روش‌هایی است که مهندسان می‌توانند استفاده کنند. ساختار این راهنمای طراحی به شکل زیر تنظیم شده است.

• فصل 1. مقدمه: واژه‌شناسی SSI، هدف، محدوده و مخاطب هدف را معرفی و به‌صورت خلاصه به برخی از توصیه‌های کلیدی در پیاده‌سازی SSI اشاره می‌کند.
• فصل 2. شرایطی که در آن SSI اهمیت دارد: توضیح مفصلی از شرایطی که SSI می‌تواند بر روی نیروهای طراحی و شیوه پاسخ سازه به زلزله تأثیر گذارد، اراده می‌دهد
• فصل 3. آزمایش ساده اهمیت SSI به لحاظ اینرسی: یک آزمایش ساده را توضیح می‌دهد که در ابتدای یک پروژه که تنها اطلاعات محدودی موجود است، کاربرد دارد. این آزمایش برای کمک به تعیین اینکه استفاده از SSI تفاوتی در نتایج ایجاد خواهد کرد یا خیر استفاده خواهد شد. این آزمایش ساده تنها برای اندرکنش اینرسی است و هیچ اطلاعاتی را درباره اهمیت اندرکنش سینماتیک ارائه نمی‌دهد.
• فصل 4. تعدیل دال کف: نشان می‌دهد که چگونه پیوستگی فونداسیون می‌تواند به کاهش تقاضاهای وارد بر سازه کمک کند. مثال‌هایی از شرایط متعارف فونداسیون و دال‌های روی زمین و اینکه آیا می‌توان از تعدیل دال کف استفاده کرد یا خیر، ارائه می‌دهد.
• فصل 5، اثرات مدفون‌شدگی: توضیح می‌دهد که مدفون‌شدگی فونداسیون چگونه می‌تواند تقاضاهای وارد بر سازه را کاهش دهد.
• فصل 6، انعطاف‌پذیری فونداسیون و خاک: روش‌های مختلف اضافه کردن فنرهای قائم و افقی برای نمایش انعطاف‌پذیری خاک را بررسی می‌کند.
• فصل 7، افزایش پریود: الزاماتی درباره اینکه چگونه انعطاف‌پذیری خاک باعث افزایش پریود پاسخ سازه شده و تأثیر حاصل بر روی تقاضاهای لرزه‌ای را پوشش می‌دهد.
• فصل 8. میرایی فونداسیون: نشان می‌دهد که چگونه و چه زمانی باید دو نوع میرایی فونداسیون- میرایی تشعشعی و میرایی خاک- که می‌توانند تقاضاهای وارد بر سازه را کاهش دهند را اعمال کرد.
• فصل 9، چگونه زیرزمین را باید مدل‌سازی کرد: روش‌های عددی مختلف دقیق اما سرراست را برای مدل‌سازی زیرزمین توضیح می‌دهد.
• فصل 10، نتیجه‌گیری‌ها و پیشنهاد‌ها، نکات کلیدی درباره SSI که در راهنمای طراحی شرح داده شده را به‌طور مختصر توضیح می‌دهد و پیشنهاد‌هایی را درباره بازبینی‌های موردنیاز برای الزامات SSI آیین‌نامه و مطالعات دیگر SSI که باید انجام شود را ارائه می‌دهد.

پیوست A: مثال کاملی از کاربرد روش‌های مختلف SSI در یک ساختمان دو طبقه با قاب مهارشده فولادی کمانش تاب (که در شکل 6 نشان داده شده است) ارائه می‌دهد. این ساختمان بر روی پی گسترده بناشده و از روش نیروی جانبی معادل برای طراحی آن استفاده شده است. موضوعات SSI عبارت‌اند از: استفاده از فنرهای خاک، تغییر در مود پاسخ و کاهش تقاضاهای لرزه‌ای براثر انعطاف‌پذیری فونداسیون، انعطاف‌پذیری و میرایی خاک و تعدیل دال کف.

پیوست B، نمونه ساختمان بلند: مثال کاملی از کاربرد روش‌های مختلف SSI برای یک ساختمان بتنی 12 طبقه که در یک جهت قاب خمشی و در جهت دیگر سیستم دوگانه قاب خمشی و دیوار برشی دارد، ارائه می‌دهد. این ساختمان بر روی شمع ساخته شده و از روش طیف پاسخ مودال برای طراحی آن استفاده شده است. این ساختمان تفاوت‌هایی را با و بدون زیرزمین متحمل شده است. موضوعات SSI پوشش داده شده در این پیوست عبارت‌اند از: کاهش تقاضاهای طراحی براثر تعدیل دال کف و مدفون‌شدگی فونداسیون، اصلاحات ناشی از افزایش پریود و میرایی فونداسیون که به تقاضای سازه وارد می‌شود و تأثیرات محدودیت‌های الزامات ASCE/SEI 7-16. شکل 7 یک پلان و مقطع از این ساختمان را نشان می‌دهد. شکل 8 طیف پاسخ میدان بدون SSI، کاهش تقاضاهای حاصل از تعدیل دال کف و اثرات فونداسیون و حداقل طبقه برای کاهش‌های مجاز ارائه می‌دهد.

نکاتی برای درک و اجرای SSI

بر اساس تجربه انجام تحلیل‌های SSI، مشاهدات کلی زیر ارائه می‌شود. این مشاهدات با جزئیات بیشتر در راهنمای طراحی توضیح داده‌شده‌اند.

• پیاده‌سازی SSI آن‌قدر هم دشوار نیست.
• SSI معمولاً یک فرآیند تکراری است، لذا در مقایسه با تحلیل پایه ثابت ممکن است برای همگرایی تا جواب نهایی نیاز به چرخه‌های اضافی تحلیل داشته باشد.
• معمولاً SSI تقاضاهای لرزه‌ای طراحی را کاهش می‌دهد. بااین‌حال موارد غیرمعمولی در طیف پاسخ ویژه ساختگاه وجود دارد که در آن تقاضاها ممکن است افزایش پیدا کنند زیرا افزایش پریود ممکن است باعث افزایش طیف پاسخ به همراه افزایش سطوح شتاب طیفی شود.
• اضافه کردن انعطاف‌پذیری فونداسیون به یک مدل ممکن است بر روی نحوه رفتار ساختمان در برخی از شرایط و الگوهای تغییرشکل آن تأثیر گذارد بخصوص برای شرایطی که انعطاف‌پذیری فونداسیون باعث حرکت گهواره‌ای دیوارهای برشی یا قاب‌های مهارشده در روسازه شوند. این موضوع می‌تواند تقاضاهای برشی و خمشی را در المان‌های سازه‌ای مشخص در مقایسه با آنچه در تحلیل‌های پایه ثابت ارزیابی می‌شود، افزایش دهد.
• سرعت موج برشی مؤثر v_s، یک پارامتر کلیدی در معادلات و روش‌های مختلف SSI است. سرعت موج برشی مؤثر با سرعت موج برشی کرنش پایین v_so که برای طبقه‌بندی ساختگاه در فصل ۲۱ از ASCE/SEI 7-16 استفاده می‌شود، متفاوت است. بر اساس نوع خاک، شتاب طیفی ساختگاه و عمق مدنظر؛ اصلاحاتی بر روی آن انجام می‌شود. این راهنمای طراحی دستورالعملی را درباره این مسئله مهم و درعین‌حال کمتر توجه شده در اختیار می‌گذارد. 
• الزامات آیین‌نامه‌ای زیادی در هردو فصل 12 و 19 از ASCE/SEI 7-16 وجود دارد که می‌تواند گستره کاهش‌های SSI که می‌تواند مورداستفاده قرار گیرند را محدود کند. این محدودیت‌ها ممکن است مانع استفاده از SSI شده و مبنای فنی قوی نداشته باشند. 

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.