سازه و تکنولوژی | structech

تعیین سختی فنر معادل خاک جهت مدلسازی شمع

امیر کورش وثوق
433

تعیین سختی فنر معادل خاک جهت مدلسازی شمع

هدف از تولید این مقاله پاسخ به سوالات زیر می باشد:

  • تعریف اندرکنش خاک و سازه [Soil – Structure Interaction]
  • کاربرد سختی فنر معادل [Equivalent Spring Stiffness]
  • مدول بستر خاک [Soil Sub-grade Modulus] چیست؟
  • محاسبه مدول بستر خاک به کمک ST-PILE و اعمال آن در نرم افزارهای طراحی سازه (نظیر SAP2000)

 

تعریف اندرکنش خاک و سازه

نحوه انتقال تنش از فونداسیون به خاک و واکنش خاک به آن اندرکنش خاک و سازه [Soil – Structure Interaction] نامیده می شود. واکنش خاک به سازه می توان نشست، تغییر شکل، لغزش، گسیختگی و … تعبیر شود.

در اکثر موارد طراحی پی، ظرفیت باربری خاک و نشست مجاز بجای نیروها و لنگرهای داخلی تعیین کننده ابعاد فونداسیون می باشد. بعبارت دیگر طراحی در مهندسی پی از تعیین ظرفیت باربری شروع و پس از ارزیابی نشست، طراحی سازه ای انجام می پذیرد و بر حسب ضرورت کنترلهای پایداری و نیز بهینه سازی انجام می شود.

به این ترتیب طراحی پی (در هر نوع) به صورت اندرکنشی بوده و نمی توان بدون اثربخشی خاک و فونداسیون بر همدیگر در نظر گرفته شود.

 

کاربرد سختی فنر معادل

در تحلیل پی، چه دستی چه با کمک نرم افزار (SAFE) نتایج زیر مورد انتظار است:

  • مقدار تنش خاک ناشی از ترکیب بارهای بحرانی ثقلی و جانبی سازه
  •  مقدار نشست خاک ناشی از ترکیب بارهای بحرانی ثقلی و جانبی سازه
  • تغییر شکل فونداسیون و نیروهای داخلی آن
  • اثر تغییر شکل خاک بر روی روسازه
  • و امثال دیگر

جهت حصول خروجی های بالا می بایست اثر خاک زیر فونداسیون بگونه ای دیده شود. مثال ساده این موضوع تحلیل تیر روی بستر الاستیک می باشد. در شکل زیر تیری در تئوری روی بستر الاستیک قرار گرفته است. با اعمال انواع بارگذاری روی این تیر طبیعتا بستر الاستیک دچار تغییر شکل می شود.

بهترین پیشنهاد جهت تعیین این تغییر شکل، مدلسازی بستر الاستیک با فنرهای تئوری وینکلر می باشد. به این صورت نیروها از تیر با توجه به میزان سختی هر فنر در آنها توزیع شده و از رابطه خطی (F=K*Delta) مقدار نشست هر نقطه زیر تیر تعیین می گردد.

تیر روی بستر الاستیک

با تعیین نیرو – تغییر مکان هر فنر، سایر خروجی های اشاره شده قابل محاسبه می باشد. این فنرها در فضای 3 بعدی می تواند بصورت نقطه ای، خطی یا صفحه ای مدلسازی شود.

علاقه مندان به مطالعه بیشتر می توانند در دوره اصول مدلسازی خاک با فنر توسط SAP2000 شرکت کنند.

 

مدول بستر خاک چیست؟

نرم افزارهای متداول نظیر SAP2000، ETABS و SAFE رسالت اصلی شان طراحی اعضای سازه ای فولادی، بتنی و کامپوزیتی است که با گذشت زمان و توسعه آنها مدلسازی خاک زیر فونداسیون بصورت خطی و غیر خطی به آنها اضافه شده است.

به این ترتیب می توان کل سازه بهمراه فونداسیون و خاک زیر آن در یک مدل واحد مورد تحلیل و طراحی قرار گیرد. برای این منظور لازم است دیتای مهمی بنام مدول بستر خاک [Soil Sub-grade Modulus] که همان سختی فنر معادل می باشد، به نرم افزار معرفی گردد.

مدول بستر خاک برای فونداسیون سطحی تنها بصورت قائم کاربرد داشته و رابطه قدیمی و تقریبی برای آن (Kv = 1.2qall) می باشد. اما برای شمع قضیه متفاوت بوده و مدول بستر برای آن در سه بخش زیر تقسیم بندی می شود:

  • سختی فنر در نوک شمع
  • سختی فنر جانبی شمع در ارتفاع
  • سختی فنر جداره شمع

 

مثال محاسبه مدول بستر خاک برای شمع در SAP2000 توسط ST-PILE

مدول بستر خاک برای شمع، ضریب فنریت نیز خوانده می شود. در این مثال کاربرد نرم افزار ST-PILE در ورود دیتا به مدل سازه با شمع در SAP2000 مورد تشریح قرار می گیرد. مدل مورد بحث یک قاب دو بعدی فلزی مربوط به سازه Pipe Rack با فونداسیون شمع می باشد. مدل ساخته شده در شکل زیر نمایش داده شده است.

مدل شامل یک قاب دو بعدی بهمراه دو شمع و کلاهک آن می باشد. مشخصات خاک و هندسه شمع در ST-PILE بصورت زیر تعریف شده است:

 

نرم افزار ST-PILE پس از محاسبه و ارائه ظرفیت باربری شمع و نشست آن، مدول بستر را گزارش می دهد. مدول بستر در 4 حالات زیر ارائه می شود.

  • سختی نوک شمع (Kvp)
  • سختی جداره شمع (Kvs)
  • سختی معادل قائم (Keq) برای نرم افزار SAFE جهت جایگزینی المان شمع با فنر
  • سختی جانبی شمع در ارتفاع (Khs)

 

و در نهایت ارائه خلاصه مدول بسترها بصورت شماتیک مطابق شکل زیر گزارش می شود.

 

حالا می توان اطلاعات مدول بستر خاک را به روش Joint Springs به نرم افزارهای طراحی سازه (SAP2000 و SAFE) مطابق اشکال زیر معرفی نمود.

اعمال فنر در SAP

 

در شکل زیر سختی شمع بهمراه اندرکنش با خاک بصورت فنر معادل به SAFE معرفی شده است.

اعمال فنر در SAFE

 

در صورت نیاز می توانید در دوره های آموزشی مدلسازی شمع در نرم افزار SAFE و SAP شرکت نمایید.

آموزش مدلسازی شمع در نرم افزار SAFE

آموزش مدلسازی شمع در نرم افزار SAP2000

این مطلب را به اشتراک بگذارید

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

اسکرول به بالا