مقدمه

اثر اندرکنش خاک و سازه در محاسبات سوله در تعبیر کلی در بحث اندرکنش، تحلیل دو محیط با سختی و یا جنس متفاوت، در حالت استاتیکی یا دینامیکی می باشد. درحالی که کاربرد تخصصی آن در نظرگیري بازگشت امواج ناشی از ارتعاش سازه به درون زمین است و پدیده اي صرفأ دینامیکی تلقی می شود. در واقع هرگاه سازه اي روي بسترخاکی احداث شود، به خصوص اینکه آن بستر خاکی از جنس خاك نرم باشد و یا ارتفاع سازه زیاد باشد اثرات عیور امواج لرزه اي از داخل خاك و بازگشت امواج حاصل از ارتعاش سازه به داخل خاك بر پاسخ لرزه اي سازه تأثیرخواهند داشت. سوله، سازه اي فلزي با سقف شیب دار است که براساس محاسبات فنی خاص طراحی و ساخته می شود. از این نوع سازه در کارخانه ها، اسکلت ساختمان، انبارها، آشیانه هاي هواپیما و سالن هاي ورزشی که به قابهایی با دهانه ي بزرگ نیاز است استفاده می شود. امر طراحی سوله کاري است تخصصی وبسیار دقیق، فاکتورهاي مهمی در طراحی دخیل هستند که بی توجهی به آنها می تواند هم هزینه ي گزافی به سازنده تحمیل کند که صرفه اقتصادی را زیر سؤال می برد و هم ممکن است نتیجه معکوس داده و استحکام و پایداري سازه را تضعیف نماید و موجب ایجاد حوادث جبران ناپذیر گردد. مهم ترین بارگذاري هایی که در طراحی سوله در نظر گرفته می شود، بارگذاري براي بار مرده، بار برف، بار نامتقارن ونیز بارگذاري جانبی سوله شامل بار باد یا زلزله می باشد.

با توجه به اینکه سوله ها جزء سازه هاي سبک به شمار می آیند اغلب بارگذاري جانبی آن ها براي بار باد صورت می گیرد و تقریبأ همه ي مهندسین طراح بارگذاري جانبی وثقلی سوله را با فرض پی صلب انجام می دهند و به عبارت دیگراز اثرات اندرکنشی خاك – سازه صرفه نظر میشود. این فرض اگر سوله روي خاك سخت بنا شود فرض نادرستی نمی باشد اما اگر قرار باشد که بر بستر خاك نرم اجرا شود، ممکن است اثرات اندرکنشی خاك – سازه قابل توجه باشد. هرچد در اغلب موارد عدم در نظر گیري اثر اندرکنش خاك – سازه موجب طراحی دست بالاي سوله خواهد شد و تنها هزینه هاي اقتصادي به همراه خواهد داشت اما ممکن است در برخی شرایط منجر به ناپایداري هاي سازه اي گردد. تا کنون مطالعه اي که در آن اثرات اندرکنش خاك و سازه را براي باد در سوله ها مورد بررسی قرار داده باشد صورت نپذیرفته است. البته مطالعاتی در همین زمینه براي سازه هاي بلند دیگر انجام شده که در ادامه به نتایج برخی از این مطالعات اشاره می شود.
مطالعه Venazi و همکاران نشان داد که اثر در نظرگیري اندرکنش در تغییر ممان خمشی و نیروي برشی در پایه سازه زیاد است و در نظرگیري این اثر منجر به افزایش جابجایی محاسبه شده در بالاي سازه می شود[1]. در مطالعه ي Viladkarو همکاران مدل عددي برج خنک کننده تحت بار متقارن باد، مؤثر بر بالاي آن با درنظرگیري اثر اندرکنش خاك – سازه ایجاد شده و تحلیل آن انجام گرفته است. نتایج حاکی از تغییر نتایج ممان خمشی ، نیروي برشی و جابجایی برج در حالت درنظر گیري اندرکنش می باشد[Liu .[2 و همکاران یک مدل ریاضی براي بررسی اثر باد بر نوسان یک سازه ي بلند با میراگر و جرم معادل (TMD) بادر نظرگیري اثر اندرکنش خاك – سازه توسعه داده اند و مدل بر پایه تحلیل تاریخچه زمانی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج با مدل واقع بر پی صلب مورد مقایسه قرارگرفته و حاکی از آن است که در صورت عدم درنظرگیري اندرکنش نوسان سازه هاي بلند ممکن است به صورت دست بالا و کارایی میراگر جرم معادل ممکن است به صورت دست پایین تخمین زده شود[3]. در مقاله ي Noorzaei و همکاران مدل سازي مصالح و مدل سازي فیزیکی سیستم خاك – پی- برج خنک کننده مورد مطالعه قرارگرفته است. سیستم تحت بارهاي عمودي و جانبی ناشی از وزن خود و باد مورد تحلیل قرار گرفته است. پاسخ سیستم درحوزه تغییرمکان و تنش مورد مقایسه قرار گرفته ونشان داده شده که در نظرگیري اثر اندر کنش خاك – سازه نقش مهمی در آزاد سازي تنش در برج خنک کننده ایفا می کند[4]. در مطالعه Prenninger و Schueller بار باد و انتشار آن به صورت دقیق شبیه سازي شده و بادر نظرگیري اثر اندرکنش خاک و سازه در محاسبات سوله برسازه اعمال شده است. نتایج نشان دهنده ي تاثیر اندرکنش خاك – سازه برتغییر پاسخ هاي سازه می باشد[5]. در مطالعات دیگري نظیر مطالعات Novak و El Hifnawy و نیز مطالعات Xu و Kwok تأثیر اندرکنش خاك–سازه بر پاسخ سازه برنیروي باد به صورت تئوري مطالعه شده است[6] و [7].

در سوله ساز عضو شوید و درخواست برآورد اولیه قیمت ساخت سوله ثبت کنید

مشخصات سازه و خاك

سازه مورد نظر براي مطالعه یک سوله باارتفاع 6متر ودهانه 20متر می باشد. محل واقع شدن آن منطقه با لرزه خیزي پایین در نظر گرفته شده است. در عوض بار جانبی ناشی از باد مورد بررسی قرار گرفته است. مقطع اعضاي سوله از نوع مقاطع غیر منشوري بوده و سقف پوشش دهنده آن از نوع سقف سبک با پشم شیشه درنظر گرفته شده است و لاپه ها نیز از نوع مقاطع Zمی باشد. مشخصات خاك به صورت زیر درنظرگرفته شده است.

که در آن υنسبت پواسون خاك و G3,G2,G1 به ترتیب مدول هاي برشی در نظر گرفته شده براي خاك در حالت سست، متوسط، و نسبتأ سخت می باشند.در شکل1 نماي سه بعدي مدل سوله نشان داده شده است.

blank
شکل1: نمای سه بعدی سوله

بارگذاری و محاسبات

بارگذاري ثقلی براساس آیین نامه 519 انجام گرفته و در مدلسازي از بارگذاري خودکار ثقلی برنامه SAP2000و از روش مدل سازي سقف هاي غشایی جهت انتقال بار سطحی به تیرها استفاده شده است. در بار گذاري جانبی ساختمان ها بارگذاري باد و زلزله به صورت مجرا انجام می شود. با مقایسه برش هاي پایه بارهاي باد و زلزله مطابق آیین نامه 519 برش پایه ناشی از باد 18720kgو برش پایه ناشی از زلزله 8745kg محاسبه شد و در نتیجه اثر باد غالب بوده و نیازي به لحاظ نمودن اثر زلزله نمی باشد. در جهت طولی بار باد براي بخش رو به باد 940kg/m و براي بخش پشت به باد 600kg/mمطابق آیین نامه در نظر گرفته شده است. همچنین در جهت عرضی بار رو به باد 576kg/mو بار پشت به باد 360kg/mو بار مکش لاپه ها 540kg/m در نظر گرفته شده است. همچنین اثر اندر کنش خاك – سازه با مدل سازي خاك به روش فنر معادل و استفاده از سختی فنرهاي لیسمر استفاده شده که در این مطالعه از سختی قائم خاك صرف نظر شده و خاك در جهت قائم صلب فرض می شود[8].

blank

که در آن Kφ ,Kθ ,Kh ,Kvبه ترتیب سختی فنرها در جهات قائم، افقی، دورانی و پیچشی و r شعاع پی دایره اي می باشد.

مراحل انجام کار

مراحل ساخت مدل و تحلیل آن به صورت گام به گام به صورت زیردر نظر گرفته می شود.

_ ساخت مدل، تعریف مشخصات و اختصاص مشخصات اعضا

_ بارگذاری ثقلی و جانبی با در نظرگیری اثر اندرکنش و بدون آن

_ تحلیل مدل و مقایسه نتایج

لازم به ذکر است که کلیه مراحل ساخت مدل و تحلیل به کمک نرم افزار SAP2000 صورت گرفته است.

نتیجه گیری (کلیدواژه: اثر اندرکنش خاک و سازه در محاسبات سوله)

نتایج حاصل از تحلیل دو مدل که در یکی اثر اندر کنش لحاظ شده و در دیگري از آن صرف نظر شده است براي برش پایه ، لنگر خمشی حداکثر و تغییر مکان بالاي سوله مورد مقایسه قرار گرفته اند. مقایسه مقادیر برش و لنگر خمشی حداکثر در پایه هاي سمت چپ و راست به همراه تغییر مکان حداکثر بالاي سوله و پریود طبیعی سیستم در جداول 1و 2مشخص شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که درنظر گرفتن اثر اندرکنش خاك – سازه باعث کاهش برش پایه و لنگر خمشی و همچنین افزایش تغییر مکان بالاي سوله می شود.

blank
جدول1: مقایسه نتایج به دست آمده از مدل پی صلب با مدل اندرکنش براي پایه هاي سمت راست
blank
جدول: 2مقایسه نتایج به دست آمده از مدل پی صلب با مدل اندرکنش براي پایه هاي سمت چپ

با توجه به انعطاف پذیري نسبتأ بالاي سازه ي مورد نظر تغییر زیادي در پریود طبیعی سیستم مشاهده نشده است که امري طبیعی می باشد.
همچنین براي مقایسه بهتر اثر اندرکنش خاک و سازه در محاسبات سوله، فنرهاي معادل سختی خاك براساس سه نوع خاك خیلی نرم ، متوسط ، نسبتأ سخت و بر اساس روابط لیسمر تغییر داده شده اند. نتایج حاصل از تحلیل این سه مدل براي برش و لنگر خمشی حداکثر پایه هاي سمت چپ ونیز جابجایی حداکثر بالاي سوله درشکل هاي 2 تا 4 نشان داده شده است.

blank
شکل2: نمودار برش بر حسب سختی خاك
blank
شکل3: نمودار لنگر خمش حداکثر بر حسب سختی خاك
blank
شکل4: نمودار تغییر مکان حداکثر در بالاي سوله بر حسب سختی خاك

همان طور که مشخص است نرم تر شدن خاك سبب انحراف مقادیر برش، لنگر و جابجایی نسبت به حالت پی صلب می باشد که این امر بیانگر آن است که در مواردي که سوله با ارتفاع زیاد و حساسیت کاربري بالا قرار است بر خاك نرم احداث شود بهتر است اثرات اندرکنش خاك سازه در طراحی آن لحاظ شود. لازم به ذکر است که در نمودارهاي فوق مقادیر سختی بر حسب N/m و مقادیر جابجایی بر حسب m میباشند.

نویسندگان: شیما السادات حسینی ،علی قنبري

مراجع (کلیدواژه: اثر اندرکنش خاک و سازه در محاسبات سوله)

1. Venanzie,L., Salciarini,D., Tamagnini,C. (2014),”The effect of soil-structure interaction on the windinduced response of tall building”,Engineering structures,
2. Viladkar, M.N., Karisiddappa,Bhargava,P.,Godbole P.N.( 2006),”Static soil-structure interaction response of hyperbolic cooling towers to symmetrical wind loads”, Engineering structures, 20, pp 1236-1251.
3. Liu,M.Y.,Chiang,W.L.,Hwang,J.H.,Chu,C.R.(2008),”Wind-inducad vibration of high rise building with tuned mass damper including soil-structure in teraction”, Journal of wind Engineering and industri Aerodynamics, 96, pp 1092-1102.al
4. Noorzaei, J., Naghshineh, A., Abdul kadir, M.R.,Thanoon, W.A., Jaa far, M.S.(2006),” Nonlinear interactive analysis of cooling tower-foundation- soil interaction under unsymmetrical wind load Thin-walled structures, 44,pp 997-1005.”,
5. Prenninger,P.H.W.,Schueller,G.I.(1989),”Reliability of tall buildings under wind excitation: considering
coupled modes and soil-structure interaction”,
Probabilistic Engineering Mechanics, 4,pp 19-31.
6. Novak,M.,El Hifnawy,L.(1988),”Structured response to wind with soil-structure interaction” Journal of wind Engineering and Industrial Aero dynamics, 28, pp 329-333.
7. Xu, Y.L., KwoK, K.C.S.(1992),” Wind-induced response of soil-structure- damper systems”,Journal of wind Engineering and Industrial Aero dynamics, 43, pp 2057-2068.
8. Datta, T. K. (2010),” Seismic analysis of structures”,Jhon Wiley & Sons(Asia) Pte Ltd,Singapore.9