چکیده

پلها از موارد اصلی و پر اهمیت شریانهاي حیاطی کشور هستند که ایمنی آنها در برابر عوامل مخرب مانند زلزله، از نظر اقتصادي، اجتماعی، سیاسی و نظامی نقش مهمی را ایفا میکنند. زلزلههاي دو دههي اخیر ژاپن، ترکیه و آمریکا نشان داد، که مقاومت سازه اي پلها در برابر زلزله کافی نمیباشد. تحقیقات زیادي در این زمینه انجام یافته ولی پراکندگی این یافتهها، و نبود ارتباط مناسب بین مهندسی ژئوتکنیک و سازه به صرف نظر کردن طراح از اثر خاك موجود شد. در هنگام وقوع زلزله، بین سازه و خاك، اتفاقاتی که منجر به تغییر شکل خاك میشود، میافتد. این تغییر شکلها موجب تغییر رفتار زمین با حرکات زمین، که تحت تاثیر وجود سازه نمیباشد(حرکت میدان-آزاد)، متفاوت میگردد که در خاك صلب قابل اغماض، ولی در خاك نرم موجب پدیده ي اندرکنش خاك- سازه میشود.سازههاي مستقر بر سنگ، سازههاي با قاعده گیردار به حساب میآیند. از سوي دیگر، اگر سازه بر روي تودهي خاك نرم قرار گیرد، پاسخی کاملا متفاوت خواهد داشت؛ اول آنکه حرکت قاعدهي سازه، نسبت به حرکت میدان-آزاد انحراف پیدا میکند. دوم پاسخ دینامیکی خود سازه، سبب تغییر شکل خاك زیر سازه میگردد. این روند که در آن پاسخ خاك تحت تاثیر حرکت سازه و پاسخ سازه تحت تاثیر حرکت خاك قرار میگیرد، به اندرکنش خاك- سازه مشهور است. در این مقاله به بررسی اندرکنش خاك- سازه، و تاثیرات در نظرگیري و عدم در نظرگیري آن در طراحی و شیوهي مطالعه و چگونگی حصول نتایج تشریح میگردد.

واژههاي کلیدي: پل، اندرکنش، خاك، سازه، طراحی

– ۱ مقدمه

پلها یکی از شریانهاي مهم در جوامع کنونی هستند که نقش مهمی را بر عهده دارند. موضوع اندرکنش خاك و سازه یکی از موضوعات مورد توجه مهندسین در چند دههي اخیر بوده است. در سالهاي اخیر طی زلزلههاي بزرگ بر اهمیت این موضوع و به خصوص اندرکنش دینامیکی خاك و سازه بیش از پیش افزاده شده است. زلزله توسط آزاد شدن انرژي در یک بخصوص که در داخل پوستهي زمین قرار دارد ایجاد میشود. انرژي امواج با انتشار از منبع و عبور از ناحیه همگن کاهش مییابد. به علاوه، ناپیوستگی مواد موجود در محیط باعث طیف پاسخ، و شکستگی امواج میگردد که نتیجهي آن تغییر جهت دامنه و نوع موج می-گردد .[۱] در هنگام رسیدن موج به سطح زمین جابهجایی از طریق خاك به پایه هاي پل انتقال مییابد که موجب تحمیل خسارت و در بعضی موارد فروپاشی پلها میگردد. تغییر شکلهاي یک سازه در هنگام زلزله تحت تاثیر اندرکنش سازه، پایه پل و مشخصات لایههاي خاك زیر و اطراف پایههاي پل قرار دارد. اندرکنش خاك-سازه تأثیر اندکی بر پاسخ دینامیکی بسیاري از سازهها وسیستم-هاي شالوده دارد. اما در حالاتی میتواند بسیار مهم باشد. صرف نظر از اینکه اثرات آن در جهت اطمینان یا خلاف اطمینان باشد، بستگی به جزییات مسئله مربوطه داشته و بایستی براي هر مورد به صورت مجزا ارزیابی گردد. به منظور آنالیز دینامیکی مرسوم است نیروي زلزله را به پاي سازه ثابت اعمال کنند و سپس تحلیلات دینامیکی انجام گردد. البته این حالت وقتی صحیح است که سازه بر روي خاك صلب قرار گرفته باشد. در غیر این صورت سازه تحت پدیده اندرکنش قرار خواهد گرفت .[۲]

۱-۱ انواع اندرکنش خاك-سازه

۱-۲ اندرکنش جنبشی(سینماتیکی)

اندرکنش جنبشی زمانی روي میدهد که تغییر شکل فونداسیون مطابقت زیادي با حرکت خاکهاي اطراف در هنگام حرکت امواج ناشی از زلزله نداشته باشد. در میدان آزاد، زلزله سبب جابجایی خاك در دو جهت افقی و قایم میگردد. اگر یک شالوده بر سطح یا داخل یک لایه خاك به اندازه اي سخت باشد که قادر به تحمل تغییر شکلهاي میدان- آزاد نباشد، حرکت آن حتی اگر جرمی هم نداشته باشد، تحت تأثیر اندرکنش جنبشی قرار خواهد گرفت .[۳]

به بیان دیگر وجود وجود پی سخت روي خاك باعث تغییر حرکات پایه، نسبت به سطح آزاد میگردد. سه عامل موجب اندرکنش سینماتیکی میشود؛ اول حرکت جسم صلب پایه، دوم مدفون بودن پایه، تفرق امواج لرزهاي در اطراف پایه میباشد .[۴]

۲-۲ اندرکنش اینرسی

اندرکنش اینرسی دار یا اندرکنش در حال سکون در اثر نیروي اینرسی جرمها در حین زلزله به وجود میآیند. اگر خاك بستر شکلپذیر باشد، نیروهاي منتقل شده از شالوده به آن باعث جابهجایی پی میگردند که این پدیده در سازه هاي با تکیه گاه گیر دار روي نمیدهد. این اثرات تغییر شکل پذیري خاك به علت اندرکنش اینرسی دار میباشد.[۵] این نیرو تولید نیروهاي برشی و لنگر خمشی در تراز پایه میکند که سبب تغییر مکان پی نسبت به سطح آزاد میگردد. یک سیستم ساده براي نمایش اندرکنش خاك و سازه در خاك صلب و نرم مطابق شکل ۱ است.

شکل (۱ شکل سمت چپ نمایش یک پایه ي پل با در نظر گیري بستري انعطافپذیر و شکل سمت راست نمایانگر پایهاي صلب در بر خورد با اندرکنش میباشد .[۶]

. پاسخ دینامیکی سیستم خاك-سازه وقتی که تحت اثر بارهاي دینامیکی قرار گیرد، تابعی از سه عامل پارامترهاي دینامیکی زمین محل شامل نیروها, تحریکات وارده و مدل دینامیکی سیستم میباشد. میرایی نیز به دو دستهي داخلی و تشعشعی تقسیم میشود میرایی داخل بر اثر عبور امواج ارتعاشی، در داخل خاك به وجود میآید و میتوان آن را عامل اتلاف انرژي در اثر پسماند در خاك دانست .[۷] اما میرایی تشعشعی یا تابشی عامل اتلاف انرژي در اثر پخش امواج از پی سازه به اطراف تا محدوده نیمه بینهایت است که به این دلیل به چنین توزیع هندسی انرژي امواج ارتجاعی، میرایی هندسی گویند.

۳-۲ اهمیت اندرکنش خاك و سازه در پلها

معمولا از اثرات اندرکنش خاك و سازه در طراحی پلها چشمپوشی میشود. در بعضی از موارد این امر باعث محافظه کارانه تر شدن طراحی میگردد. ولی اگر سازه ها مانند پلها داراي پایههاي سنگین و سخت با عمق زیاد که باید باربري بارهاي وارد بر پل را نیز انجام دهند، اندرکنش خاك و سازه، بسیار مهم است.

ارتعاشات لرزه اي زمین، تابعی از پارامترهاي متعدد، نظیر سرچشمهي زلزله، اثرات مسیر عبور امواج، اثر ساختگاه (سایت) و اندرکنش خاك-سازه است. تغییر و اصلاح حرکت زمین آزاد تحت تأثیر وجود سازه با پی حجیم و سنگین، یکی از گامهاي مهم تحلیل بر هم کنش دینامیکی سازه و خاك میباشد. در مواردي که ساختمانها بر روي خاك نرم بنا شدهاند، اثرات برهم کنش خاك و سازه پریود اصلی سیستم را افزایش داده و باعث کاهش نیروي برشی پایه میشوند. از سوي دیگر فرکانس حرکت ورودي زمین در فصل مشترك خاك و سازه، نقش مهمی در نحوه تأثیر بر هم کنش خاك و سازه دارد. بنابراین در یک طراحی مطمئن، براي درنظر گرفتن اثرات برهم کنشی دینامیکی سازه و خاك لازم است طیفهاي شتاب توسط یک سري منحنی با مقدار حداکثرهاي مختلف تعیین گردند. اثرات بر هم کنش دینامیکی سازه و خاك معمولاً براي پیهاي مدفون و نیمه مدفون نسبت به پیهاي سطحی قابل ملاحظهتر میباشند. اثرات بر هم کنش براي انواع مختلف پیهاي سطحی مانند پیهاي منفرد و مرکب، گروه

شمعها و پیهاي جعبهاي باید با ملاحظه اثر مدفون شدگی در نظر گرفته شود. انعطاف پذیري خاك میتواند باعث افزایش پریود غالب ساختمان و در نتیجه مقادیر کوچکتر شتاب در محدوده پریودهاي بلند گردد.

اثر اندرکنش خاك و سازه بسیار مهم ارزیابی شده و در حالت کلی قابل صرف نظر کردن نمیباشد. تا آنجا که بعضی از آئین نامههاي طراحی لرزهاي که در مورد سازههاي معمولی بکار میروند، کاهش معینی را در بار استاتیکی معادل براي منظور کردن اثر اندرکنش در حالتی که پی ساختمان صلب در نظر گرفته میشود، مجاز میدانند. در آنالیزهاي دینامیکی کلاسیک، سازه موردنظر با تعداد معینی درجه آزادي مدل میشود و معادلات حرکت دینامیکی سازه به تنهائی فرمول بندي شده و براي حل این معادلات روشهاي توسعه یافته زیادي نیز موجود میباشد. اما تحلیل سازه به تنهایی نمیتواند دربرگیرنده تمامی جوانب باشد. در بسیاري از