اندرکنش خاک و سازه از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک لرزه ای است که به بررسی تأثیر وجود خاک در پاسخ سازه تحت بار دینامیکی می پردازد. در حالت متداول یک تحلیل دینامیکی فرض می شود که حرکت اعمال شده بر پایه سازه مساوی با حرکت آزاد زمین (free field motion ) می باشد. این فرض تنها در سازه های قرار گرفته بر روی سنگ بسیار سخت صحیح می باشد. چون که سختی بسیار بالای سنگ باعث می شود که این توده به عنوان یک جسم صلب عمل کرده و امواج زلزله را از لایه های پایینی زمین گرفته و عیناً به بالا منتقل کند. در صورتی که در عمل، توده خاک به دلیل رفتار متفاوت با یک جسم صلب، دامنه و محتوای فرکانسی زلزله را تغییر می دهد. گذشته از این مسئله، خاصیت دینامیکی توده خاک در زیر سازه ، باعث بوجود آمدن نیرویی متفاوت با حالت انتهاگیرداری در پی می شود. همچنین خصوصیات توده خاکی نظیر لایه بندی و سختی لایه ها نیز بر میزان عکس العمل خاک تأثیر گذار است. بنابراین می توان دریافت که تحلیل دینامیکی یک سازه، بدون درنظر گرفتن خاک زیرین، می تواند به نتایج غیر واقعی منجر شود . این فرایند که پاسخ خاک ، حرکت سازه و پاسخ سازه ، حرکت خاک را تحت تأثیر قرار می دهد، بعنوان اندرکنش خاک و سازه شناخته می شود. روش های مختلفی برای تحلیل اندرکنش خاک و سازه وجود دارد. از جمله این روش ها، روش مخروط است که بر مبنای رفتارخطی و الاستیک خاک می باشد. در این روش، سختی دینامیکی پی با در نظر گرفتن تشعشع ادامه چکیده پایان نامه مخروطی امواج از پی، محاسبه شده و سپس معادلات تعادل دینامیکی با لحاظ کردن ماتریس سختی دینامیکی خاک و سازه بدست می آید. از حل این معادلات ، خروجی ها شامل جابجایی و دوران پی و سازه قابل حصول است. این روش با توجه به ماهیت رفتار غیر خطی خاک با تقریب هایی روبرو است. لیکن در محدوده کرنش های کم ،جواب قابل قبول و منطقی بدست می دهد. در روش دیگر، می توان با در نظر گرفتن رفتار غیر خطی خاک به روش خطی معادل(equivalent linear method) از روش مخروط بهره برد. به این ترتیب که نسبت میرایی و مدول برشی خاک از نمودار مرجع انتخاب می شود ، فرایند حل مسئله در قالب روش مخروط انجام شده و در نهایت ، مدول برشی و نسبت میرایی نظیر کرنش های بدست آمده با مقادیر اولیه شان مقایسه می شود. این فرایند تا همگرا شدن ثوابت خاک ادامه می یابد. در این پایان نامه سعی بر آنست که با لحاظ کردن شرایط مختلف توده خاکی به لحاظ لایه بندی و نوع قرارگیری پی، مدل سازی خطی و غیرخطی اندرکنش خاک و سازه را به روش مخروط انجام داده و بتوان میزان تأُثیر رفتار غیرخطی خاک را در اندرکنش خاک و سازه بدست آورد. در گام بعدی، مدل سازی سیستم خاک و سازه در نرم افزار abaqusانجام می گیرد. کاملاً روشن است که با بررسی نتایج بدست آمده، می توان دقت روش مخروط را سنجید. البته با توجه به تقریب ها و ساده سازی هایی که در هنگام مدل سازی با نرم افزار صورت می پذیرد، خطای تا میزان 30 درصد قابل قبول می باشد.

با افزایش جمعیت شهرهای بزرگ میزان حمل و نقل و نیاز برای ذخیره فضا افزایش یافته و به تبع آن نیاز به حمل و نقل زیرزمینی و احداث سازه های زیرزمینی بیشتر می شود. سازه های زیرزمینی مانند تونل برای بزرگراه ها، آزادراه ها، انبارهای زیرزمینی برای ذخیره مواد و کانال های زیرزمینی برای انتقال آب و فاضلاب ها نقش مهمی در توسعه شهرهای بزرگ دارند. مطالعات صورت گرفته در کشورهای مختلف بر روی زلزله های اخیر این واقعیت را بیان می کند که با وجود ایمن بودن سازه های زیرزمینی در برابر زلزله باز شاهد وقوع خرابی هایی بر اثر زلزله های مختلف در این سازه ها هستیم. این مسأله باعث می شود که در مورد ایمنی و مقاومت لرزه ای این سازه ها در برابر حرکت های زمین و امواج لرزه ای تحقیقات زیادی صورت گیرد. برای بررسی اثرات امواج زلزله برروی این گونه سازه ها روش های تئوری مختلفی ارائه شده است که هر یک از این روش ها با درنظر گرفتن فرضیات خاصی به ارائه فرمول هایی برای تأثیر و چگونگی لحاظ اثرات امواج زلزله برروی این سازه های زیرزمینی ابداع کرده اند. در این تحقیق با مدل سازی یک سازه زیرزمینی (تونل) به بررسی اثر امواج زلزله با مدلسازی خاک اطراف آن پرداخته می شود. در این تحقیق با مدل کردن یک سازه زیرزمینی مانند تونل و لحاظ اندکنش نیروها بین سازه و خاک اطراف آن با توجه به نتایج بدست آمده از تحقیقات پیشین به مقایسه نتایج بدست آمده بدست آمده از دو روش المان محدود (روش دقیق) و روش کوتاهتر و سریعتر cone می پردازیم. انتظار می رود که نتایج بدست از روش cone نزدیک به نتایج المان محدود شود.

به طور کلی شمع ها عناصر ستونی نسبتاً لاغری هستند که جهت انتقال بارهای فشاری، کششی و یا حتی جانبی از سطح زمین به لایه های سخت تر زمین به کار برده می شوند. از آن جا که اجرای پی های عمیق در شرایط نیروهای قائم وافقی وعدم وجود خاک مناسب در مجاورت سطح زمیناجتناب ناپذیر می باشد و درشرایط بروز زلزله وتأثیر بارنامنظم دینامیکی ناشی از آن موضوع به صورت بحرانی مطرح می گردد، لزوم بررسی وتحلیل دقیق رفتار شمع ها که اکثریت قریب به اتفاق در مورد سازه های بلند به کار می رود احساس شده است. از آن جا که انتخاب نوع سیستم پی با توجه به ملاحظات اقتصادی و مشکلات اجرایی باید با بررسی ها و مطالعات دقیق فنی همراه باشد، بررسی میزان و نوع بارهای وارده و ویژگی نوع لایه های خاک در اولویت اول مطالعات است. پس از آن باید به انتخاب سیستم پی شامل نوع شمع، تعداد و نحوه ی قرارگیری در پلان، طول، قطر و نحوه ی اتصالات شمع ها توجه شود. با توجه به پیچیدگی رفتار شمع، موضوعات مختلف در خصوص شمع ها همواره مورد تحقیق بوده است.در این تحقیق با انجام مدلسازی های متعدد بر روی گروه شمع 3 x 3 به بررسی اثر پارامترهای:نسبت فاصله به قطر، طول و قطر شمع ها پرداخته شد. همچنین با تغییر پارامترهای خاک به اثر نوع خاک در تحلیل ها پرداخته شد. موارد مورد بررسی تغییر مکان ها، نیروهای برشی و محوری و لنگر خمشی می باشند. اندرکنش خاک–سازه از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک لرزه ای است که به بررسی تأثیر وجود خاک در پاسخ سازه ها تحت بار دینامیکی می پردازد. درحالت معمول یک تحلیل دینامیکی فرض می شود که حرکت اعمال شده بر پا ی سازه مساوی با حرکت آزاد زمین می باشد. درصورتی که درعمل توده خاک به دلیل رفتار متفاوت با یک جسم صلب، دامنه ومحتوای فرکانسی زلزله را تغییرمی دهد.بنابراین می توان دریافت که تحلیل دینامیکی یک سازه بدون درنظرگرفتن خاک زیرین می تواند به نتایج غیرواقعی منجر شود. روش های مختلفی برای تحلیل اندرکنش خاک وسازه وجود دارد.از جمله این روش ها، روش مخروط است که برمبنای رفتارخطی و الاستیک خاک می باشد.دراین روش سختی دینامیکی پی با درنظرگرفتن تشعشع مخروطی امواج از پی، محاسبه شده وسپس معادلات تعادل دینامیکی با لحاظ کردن ماتریس سختی دینامیکی خاک وسازه به دست می آید. از حل این معادلات، خروجی ها شامل جابجایی ودوران پی وسازه قابل حصول است. در این تحقیق این روش به عنوان صحت سنجی موضوع مورد بررسی به کار برده شده است. در مورد مهمترین نتایج این تحقیق می توان گفت که با افزایش نسبت فاصله به قطر به طور کلی تغییر مکان افقی، تغییر مکان قائم، نیروی برشی ولنگر خمشی افزایش یافت. همچنین با افزایش طول و قطر شمع ها، تغییر مکان افقی، تغییر مکان قائم، نیروی برشی، نیروی محوری و لنگر خمشی افزایش یافت در حالی که تغییر مکان قائم کاهش یافت.

به دلیل اهمیت تونل ها و قرار داشتن آنها در رده سازه های زیر ساخت و داشتن حساسیت بالا در طراحی تونل ها به دلیل پیچیدگی رفتار تونل و ناشناخته بودن بعضی از خصوصیات خاک که تونل در آن قرار دارد و تاثیر رفتار و عوامل محیطی دیگر هنوز به طور کامل و دقیق نمی توان رفتار تونل ها را پیش بینی کرد. و بررسی رفتار آنها نیازمند صرف زمان و هزینه زیاد و پیچیدگی خاص خودش است. و به همین دلیل کاری بسیار سخت و نیازمند دانش فنی بالا و زمان و هزینه است. رشد فزاینده توانمندی محاسباتی در طول چند دهه اخیر, حل حتی پیچیده ترین مسائل اندرکنش خاک و سازه را از طریق تحلیل های عددی مفصل فراهم نموده است. با این حال, همچنان بین پتانسیل تحلیل چنین مسائل و قابلیت کاربردی آن, چه برای یک کاربرد ویژه و چه برای اهداف پژوهشی, شکافی وجود دارد. در عوض راه حل های ساده سازی شده ای به منظور تمرکز بر بخش بحرانی مسئله کلی مورد استفاده قرار می گیرند. در این پایان نامه سعی شده است که با لحاظ کردن شرایط مختلف توده خاکی, مدل سازی اندرکنش خاک و سازه را به روش مخروط انجام داده و در گام های بعدی, سیستم در نرم افزار abaqus مدل شود. به این ترتیب می توان, مقایسه ای بین این دو روش انجام داد. البته با توجه به تقریب ها و ساده سازی های که در هنگام مدل سازی انجام شده است, خطای حداکثر 30 درصد قابل قبول می باشد. با افزایش پارمترهای نظیر ?, ?, ?, ?, g, سختی دینامیکی افزایش می یابد. و با افزایش سختی دینامیکی مقدار جابجایی ها در تونل کاهش می یابد.

در محاسبه سختی دینامیکی پی¬ها و نیز برآورد حرکت ورودی مؤثر وارد بر سازه¬ها تحت اثر زلزله روش¬های مختلفی بسط داده شده است که از آن جمله می¬توان به روش¬های تحلیلی و نیمه¬تحلیلی، روش اجزای مرزی، روش¬های اجزای محدود پیچیده از قبیل روش لایه نازک، روش اجزای مرزی مقیاس شده اشاره نمود. در این راستا استفاده از روش¬های دقیق نیازمند پیش¬زمینه تئوریکی قوی و نیز تخصصی قابل توجه جهت ایده¬آل¬سازی سیستم دینامیکی می¬باشد. آماده¬سازی داده¬ها و تفسیر نتایج باید با دقت انجام گردد. هزینه محاسباتی این روش¬ها برای تنها یک مرتبه اجرا زیاد است؛ به این ترتیب، روش¬های دقیق می¬تواند به یک برداشت نادرست از نتایج منجر شده که به این می¬توان از بین رفتن درک فیزیکی به علت پیچیدگی ریاضی را نیز افزون کرد. از این رو این روش¬ها را می¬توان تنها برای پروژه¬های بزرگ یا تاسیسات حیاتی یا بحرانی از قبیل نیروگاه¬های هسته¬ای، پناهگاه¬های نظامی و سدها، با بودجه متناظر و زمان موجود به کار برد. بنابراین منطقی است بیشتر تحلیل¬های ارتعاش پی با استفاده از روش¬های دقیق انجام نشده و در عوض روش¬های مبتنی بر مقاومت مصالح به خدمت گرفته شوند. در زمره روشهای مبتنی برمقاومت مصالح سه نوع مختلف مدل وجود دارد: مدل¬های پارامتر متمرکز، مدل¬هایی بر مبنای الگوهای موج تعیین شده در صفحه افقی امواج یک¬بعدی حجمی و سطحی و امواج استوانه¬ای؛ و مدل¬های مخروطی. در ده سال گذشته مدل های مخروطی برای مدل¬سازی رفتار دینامیکی خاک در موارد عملی توسعه یافته¬اند. با استفاده از مدل های مخروطی، موارد کاربردی با پیچیدگی معقول را می¬توان تحلیل نمود. در این روش ساختگاه می¬تواند دارای هر تعداد لایه افقی بوده و مدل¬سازی تغییرات عمومی مشخصات در عمق را ممکن می¬نماید. همچنین با استفاده از این روش افزون بر پی¬های سطحی، پی¬های مدفون را نیز می¬توان تحلیل نمود و تحریک لرزه¬ای را می¬توان بدون معرفی فرضیات جدید پردازش نمود. در روش مبتنی بر مدل¬های مخروطی که عمدتـا" در حل¬های در حوزه فرکانس به خدمت گرفته می¬شوند مفروضات تئوری مقاومت مصالح یک¬بعدی برای مخروط¬ها استفاده می¬شود و به ویژه، انعکاس و انکسار امواج در ناپیوستگی¬های مصالح که منجر به ایجاد ضرایب انعکاس وابسته به فرکانس برای مخروط¬ها، میله¬ها و تیرهای ناقص می¬شود، به طور دقیق در نظر گرفته می¬شوند. با این حال، معادله موج یک¬بعدی برای مخروط¬ها را می¬توان به صورت مستقیم در حوزه زمان حل نمود. لزوم کار در حوزه فرکانس در یک تحلیل سازگار دقیق از سازوکار موج در محل ناپیوستگی مصالح ناشی می¬شودکه در آن ضریب انعکاس تابعی ازفرکانس می¬باشد. با این حال، حد فرکانس پایین و حد فرکانس بالای مستقل از فرکانس و تابعی از مشخصات مصالح دو لایه در سطح مشترک هستند. بنابراین، چنانچه یکی از این حدود به عنوان تقریب به کار رود، یک فرمول¬بندی مستقل از فرکانس برای سازوکار موج در محل ناپیوستگی مصالح به دست می¬آید که امکان تحلیل مستقیم در حوزه زمان را بدون هیچ تبدیلی به حوزه فرکانس یا از حوزه فرکانس فراهم می¬کند. فرمول¬بندی مستقیم در حوزه زمان با استفاده از روش مخروطی محدود به درجه آزادی انتقالی یک پی سطحی واقع بر روی یک نیم-فضای چندلایه می¬باشد، هدف از این پایان نامه توسعه مدل مخروطی در حوزه زمان به درجه آزادی گهواره¬ای برای پی واقع بر روی یک ساختگاه چندلایه می¬باشد. بدین ترتیب امکان محاسبه رابطه لنگر اندرکنش- دوران در حوزه زمان جهت کاربرد در تحلیل مسائل اندرکنش خاک -سازه فراهم می¬شود.

چکیده امروزه با پیشرفت علم و اهمیت در نظر گیری خاک زیر سازه ها و تاٌثیر بسزای آن در رفتار بخصوص دینامیکی سازه ها اندرکنش خاک- سازه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. تا امروز روش های بسیاری برای در نظرگیری اندرکنش خاک-سازه ابداع شده است. از این روش ها می توان به روش های مستقیم، زیرسازه، فنر معادل، اجزای مجزا، روش های تقریبی، مدل مخروط و دیگر روش ها اشاره کرد که هر کدام دارای کاستی ها و نقاط قوتی هستند. همچنین با توجه به توپوگرافی زمین و شرایط جغرافیایی بسیاری از سازه ها به ناچار در نزدیکی شیب های خاکی بنا می شوند که می بایست الزامات پایداری برای اینگونه سازه ها در نظر گرفته شود. بسیاری از محققین برای پایداری شیروانی ها در حالات استاتیکی و شبه استاتیکی و شبه دینامیکی روابطی را ارائه کرده اند ولی برای حالت تمام دینامیکی تحقیقاتی تا به امروز صورت نگرفته است. مدل مخروط یکی از مدل های اندرکنش خاک-سازه است که رفتار دینامیکی فونداسیون واقع بر نیم فضای الاستیک را بکمک روش مقاومت مصالح پیدا می کند. فرض این روش در نظرگیری انتشار امواج دینامیکی بصورت یک مخروط در زیر دیسک می باشد. در این پایان نامه از این روش استفاده شده تا رفتار دینامیکی فونداسیون واقع در نزدیکی شیب بدست آید. به این منظور مدل مخروط به مدل نیم مخروط های مجزا (dhcm) تبدیل شده است که در این روش پیشنهادی به دلیل تغییرات سختی سطح زمین زوایای انتشار مخروط در طول دیسک تغییر می کند. در این پایان نامه فرمولاسیون سختی سطح زمین در نزدیکی شیب و رابطه نیروی اندرکنش-تغییرمکان دیسک در نزدیکی شیب ارائه شده است. همچنین در پایان نتایج با نتایج حاصل از تحقیقات sawwaf and nazir(2011)، imani (2013)، attarzade(2013) و همچنین نتایج حاصل از نرم افزار plaxis مقایسه شده است که از تطابق خوبی برخوردار است.

تمامی سازه هایی که به مقاصد کاربری های مختلف بنا می شوند به نوعی با خاک سر و کار دارند. خاک، نه تنها به عنوان پر مصرف ترین مصالح ساختمانی، بلکه به عنوان بخشی پر اهمیت و تأثیرگذار در یک سیستم ساختمانی می تواند مهمترین نقش را در بقا یا زوال سازه ایفا نماید. باید دانست که خاک و سازه بطور توأمان امنیت کلی یک سیستم سازه ای را تأمین می نمایند. از آنجا که پاسخ های واقعی یک سیستم خاک – سازه نسبت به پاسخ های سازه قرار گرفته بر روی زمین صلب گاهی تفاوت های فاحشی دارند، عدم لحاظ اثر اندرکنش خاک و سازه به ویژه برای سازه های خاص گاهی نمی تواند توجیهی داشته باشد. از طرفی، برای انجام یک تحلیل اندرکنشی دقیق، نیاز به مدل کردن رفتار خاک و سازه به شکلی است که در طبیعت با آن مواجه می شویم. در این پایان نامه، مسأله اندرکنش خاک و سازه با استفاده از روش اجزای محدود مرزی مقیاس شده برای خاک ناحیه دور و روش اجزای محدود به همراه مدل رفتاری مناسب برای خاک ناحیه نزدیک بررسی شده است. برای مدل کردن اجزای محدود از امکانات زبان برنامه نویسی active tcl در برنامه جامع شبیه ساز زلزله opensees استفاده شده و ناحیه دوردست با استفاده از برنامه similar که در محیط fortran کدنویسی گردیده است. تحلیل نتایج و نیز آنالیزهای سایر بخش های این پایان نامه با استفاده از محیط برنامه نویسی matlab انجام شده اند. در نظر گرفتن رخداد اندرکنش الاستوپلاستیک خاک سازه به روش مذکور نشان می دهد که نیروهای ایجاد شده درون سازه از مقادیر بدون در نظر گرفتن اندرکنش کمتر، اما جابه جایی های کل بیشتر می باشند. از طرفی، با فرض عدم رخداد روانگرایی، بحرانی ترین حالت نیرویی مربوط به زمانی است که اندرکنش را تنها الاستیک فرض نماییم. خواهیم دید که در صورت امکان وقوع روانگرایی، قسمت زیادی از سازه می تواند درون خاک فرو رود و سازه در مواردی عملا غیرقابل استفاده باقی خواهد ماند.