اندرکنش خاک و سازه چیست؟
با تکیه بر دانش فنی و سوابق مدیران خود در مهندسی و ساخت پروژه های عمرانی و با هدف توسعه و گسترش فناوری نوین و تکنیکهای روز دنیا در زمینه مدیریت، طراحی، ساخت و اجرای پروژه های عمرانی شکل گرفته است.
اندرکنش خاک و سازه چیست؟
(Soil Structure Interaction (SSI))
شرکت ایستاسازه
این شرکت با برخورداری از نیروهای جوان ، مجرب، خلاق و نوآور، با تکیه بر تخصص و صداقت در کار و بهره گیری از آخرین دستاوردهای علمی و تکنولوژیکی درصدد ارائه خدمات مهندسی در گستره وسیعی از زمینه های مهندسی عمران می باشد.
دانش علمی و فنی در کنار تجربه ی اجرایی، مدیریتی و قراردادی، تیم فنی مهندسی “ایستاسازه” را به گروهی قابل اعتماد، جهت واگذاری کلیه مراحل برنامه ریزی، طراحی، اجرا و نیز مدیریت و نظارت راهبردی پروژه های عمرانی – ژئوتکنیکی تبدیل و انجام موفقیت‌آمیز بسیاری از پروژه‌های متنوع طرح و اجرای پایدارسازی و بهسازی خاک را تضمین نموده است.
مطالعه مقاله زیر پیشنهاد می گردد:
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 تحلیل سازه ها فرض می شود که خاک واقع در زیر سازه صلب است و از اثر اندرکنش خاک و سازه صرف نظر می گردد. این در حالی است که خاک در واقعیت صلب نیست و وجود خاک در زیر سازه باعث تغییر خصوصیات دینامیکی سازه و در نتیجه پاسخ آن می گردد. از طرف دیگر قرارگیری شالوده نسبتًا صلب سازه در خاک باعث تغییر تحریکات ورودی به سیستم خاک و سازه می گردد. این اثر که اصطلاحًا اثر سینماتیکی نامیده می شود، خصوصاً در سازه های دارای پی مدفون و عمیق بیشتر حائز اهمیت است. هر چند در مورد تأثیر خاک بر پاسخ ارتجاعی سازه ها مطالعات فراوانی صورت گرفته است، تحقیقات انجام شده در ناحیه غیرارتجاعی اندک و محدود به سال های اخیر می باشد. تحقیقات انجام شده هم اغلب محدود به مطالعات موردی برای شرایط خاصی از خاک و سازه بوده اند. تنها مطالعات پارامتریک انجام شده نیز از اندرکنش سینماتیکی صرف نظر کرده اند.
در تحلیل مرسوم سازه ها، 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 سینماتیکی و اندرکنش اینرسی به صورت کیفی، مثال زیر را در نظر بگیرید:
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
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.
- 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.
