محاسبه طیف های طراحی با احتساب اندرکنش خاک و سازه

در تحلیل و طراحی دینامیکی سازه ها عموماً فرض می شود که خاک زیر پی سازه صلب بوده و از اثر اندرکنش خاک و سازه صرف نظر می شود. طیف های طراحی موجود در آیین نامه های لرزه ای نیز با این فرض محاسبه شده است. در حالی که با درنظرگرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه پاسخ های دینامیکی سازه تغییر می یابد که این تغییرات دارای اثرات مثبت و یا منفی بر روی عمل کرد سازه می باشد. در این تحقیق به بررسی اثر اندرکنش خاک و سازه بر روی محاسبه ی طیف طرح با استفاده از روش زیرسازه پرداخته شده است. معادله حرکت سیستم خاک و سازه با استفاده از مدل سازه برشی برای سازه فوقانی و درنظرگرفتن دو درجه آزادی افقی و دورانی در تراز پی استخراج شده است. با توجه به غیرکلاسیک بودن ماتریس میرایی سازه با پای انعطاف پذیر، برای حل مسئله مقدار ویژه در تحلیل مودال غیرکلاسیک از روش بردار حالت استفاده می شود. بردار ها و مقادیر مشخصه این سیستم به شکل اعداد و بردارهای مختلط مزدوج می باشند که در نهایت با استفاده از تحلیل مودال کلاسیک و غیرکلاسیک مشخصات و پاسخ دینامیکی سیستم به صورت اعداد حقیقی حاصل می شود. واکنش های سازه شامل نسبت برش پایه به وزن سازه، نسبت جابجایی بام به ارتفاع سازه و نسبت حداکثر دریفت سازه به ارتفاع طبقه ی مربوطه در سه حالت سازه با پای صلب و سازه با پای انعطاف پذیر کلاسیک و غیرکلاسیک محاسبه شده است. همچنین تغییرات زمان تناوب سازه با درنظرگرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه بررسی شده است. برای این منظور ابتدا قاب های خمشی فولادی ویژه 1، 2، 4، 6، ... و 20 طبقه واقع بر خاک های نوع 3 و 4 مطابق با طبقه بندی آیین نامه زلزله ایران توسط نرم افزار sap2000 به صورت دو بعدی تحلیل وطراحی شده و بعد پی سازه ها نیز به صورت منفرد و نواری بسته به مورد طراحی شده است. سپس با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی خطی به روش انتگرال گیری مستقیم و تحلیل طیفی با طیف میانگین زلزله ها به روش کلاسیک و غیرکلاسیک واکنش های هر سازه با 10 رکورد زلزله ناحیه ی نزدیک و 10 رکورد زلزله ناحیه دور برای هر نوع خاک به دست آمده است. تحلیل تاریخچه زمانی با استفاده از نرم افزار sap2000 و matlab و تحلیل طیفی با استفاده از نرم افزار matlab انجام شده است. خاک زیر پی سازه در نرم افزار matlab با استفاده از فنر و میراگر و در نرم افزار sap2000 توسط فنر و میرایی موثر سازه مدل شده است. مقادیر سختی و میرایی فنرها ومیراگرها با استفاده از توصیه های دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود (نشریه 360) محاسبه گردیده است. با ارائه نمودارهای نسبت میانگین حداکثر برش پایه به وزن قاب، نسبت میانگین حداکثر تغییرمکان بام به ارتفاع قاب و نسبت میانگین حداکثر دریفت سازه به ارتفاع طبقه ی مربوطه منحنی هایی مشابه با طیف های موجود در آیین نامه ها ولی با درنظرگرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه حاصل می شود. برای بررسی اثر اندرکنش خاک و سازه بر مودهای بالاتر ارتعاش سازه نتایج تحلیل ها بر روی 3 واکنش ذکر شده به صورت واکنش کل، واکنش مود اول و واکنش سایر مودها به جز مود اول ارائه گردیده است. همچنین با بررسی منحنی های تغییرات واکنش سازه با پای انعطاف پذیر نسبت به واکنش سازه با پای صلب، محدوه ای از زمان تناوب سازه ها که تحلیل غیرکلاسیک با اندرکنش لازم است و یا تحلیل کلاسیک با اندرکنش کافی است تعیین شده و محدوده زمان تناوب هایی که آنالیز سازه با درنظرگرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه مورد نیاز است، معرفی شده است. در نهایت باتوجه به تغییرات واکنش سازه با پای انعطاف پذیر نسبت به سازه با پای صلب ضرایب اصلاح واکنش کل و واکنش مود اول به صورت تابعی از زمان تناوب مود اول سازه های مورد بررسی با پای صلب تعیین شده است.