مطالب زیر از کانال تلگرامی دکتر علی فاخر بازنشر می گردد که خلاصه ای از گفتگوهای متخصصین ژئوتکنیک در خصوص سختی فنر وینکلر می باشد که جهت مشاهده و مطالعه کامل این موضوع می توانید به کانال تلگرام ایشان مراجعه بفرمایید:
بند (1) تعیین سختی فنر در مدل وینکلر
نکته (1 – 1) سختی فنر در مدل وینکلر از آزمایش بارگذاری صفحه در لایه های مختلف یا آزمایش هایی مثل پرسیومتری، نفوذ استاندارد و نفوذ مخروط با کمک روابط تجربی برای صفحه ای به قطر ۳۰ سانتیمتر به دست می آید.
.
نکته (1 – 2) برای تبدیل سختی فنر صفحه به قطر ۳۰ سانتیمتر به سختی فنر در زیر پی واقعی، روابط ترزاقی بر حسب عرض پی وجود دارد ولی این روابط ساده برای پی های بزرگ و نامنظم دقت ندارند.
نکته (1- 2) تعیین سختی فنر برای پی به ابعاد واقعی بر اساس تخمین مدول الاستیسیته خاک و روابط نشست الاستیک این مزیت را دارد که میتواند برای اشکال و اندازه های مختلف پی به کار رود.
نکته (1-3) تغییر کم سختی فنر تاثیری بر تنش های سازه ای پی ندارد. .
(1 – 3- 1) اگر خاک محکم و فاصله ستون ها کم باشد، آنگاه تغییرات ks در حدود 5 برابر هم ممکن است تاثیر کمی بر نتیجه طراحی پی انعطاف پذیر داشته باشد. برای خاک های نرم و متوسط و به خصوص در صورت فاصله زیاد ستون ها ممکن است تغییرات ks در حدود 2 برابر هم بر نتیجه طراحی پی انعطاف پذیر موثر باشد.
(1 – 3 – 3) هر مقداری که برای ks انتخاب گردد، توصیه میشود که مقدار ks در هر نقطه بر اساس محاسبه نشست آن نقطه با روابط تحلیلی یا مدلسازی عددی اصلاح شود.
(1 – 3 – 4) سختی پی خیلی بیشتر از سختی خاک است بنابراین سختی پی بیش از سختی خاک در تعیین تنش های سازه ای پی نقش دارد.
بند (2) سختی فنر در خاک تحکیم پذیر
وارد کردن مستقیم مقدار نشست تحکیم در محاسبه سختی فنر موجب میشود که سختی کوچکی به دست آید. این روش تعیین سختی میتواند خطاهایی در برخی بارگذاری ها به وجود آورد لذا پیشنهاد میشود:
(الف) برای بار های مرده و غیرگذرا، نشست تحکیم در محاسبه سختی فنر وارد شود. در ضمن بهتر است فقط بخشی از نشست تحکیم وارد شود که موجب تغییرمکان غیریکنواخت پی میشود. وارد کردن همین مقدار نشست تحکیم هم بهتر است با روش ACI انجام شود.
(ب) برای بارهای گذرا مثل زلزله، نشست تحکیم را در محاسبه سختی فنر وارد نمی کنیم.
(ج) برای ترکیب بارهای مرده و گذرا، پیشنهاد می شود که نشست تحکیم در سختی فنر وارد نشود چون بارهای گذرا مثل زلزله تعیین کننده هستند. مدول الاستیسیته خاک قبل از تحکیم و پس از تحکیم خاک تخمین زده شود و تحلیل برای دو مقدار سختی انجام شود.
بند (3) سختی فنر در شرایط زلزله
(3 – 1) سختی فنر وینکلر (ks) در تحلیل پی های انعطاف پذیر تابع سختی برشی (G) و مدول الاستیسیته (E) خاک است. از آنجا که رفتار خاک غیرخطی است، متغیرهای G و E تابع سطح تنش و کرنش خاک و همچنین سرعت بارگذاری (فرکانس بارگذاری) هستند. با توجه به شرایط خاک و بارگذاری ممکن است E و G در شرایط لرزه ای کمتر یا بیشتر از شرایط استاتیکی باشد.
(3 – 2) از آنجا که سطح تنش و کرنش در زلزله معمولا بیشتر از بارهای استاتیکی است، میتوان E یا G را با توجه به مقدار کرنش در هنگام زلزله تخمین زد و سپس ks لرزه ای را به دست آورد که معمولا کمتر از ks استاتیکی خواهد. این روش تعیین ks فقط به مقدار کرنش در خاک توجه میکند و برای تحلیل های شبه استاتیکی یا تحلیل بار-افزون (push-over) مناسب است.
(3 – 3) اگر سرعت و فرکانس بارگذاری را در نظر بگیریم، مقدار ks لرزه ای معمولا بیشتر از ks استاتیکی خواهد بود. این نوع روابط تعیین ks برای تحلیل های دینامیکی مثل تحلیل تاریخچه زمانی (time history) مناسب هستند. البته باید میرایی را هم در این تحلیل ها نظر گرفت یعنی افزون بر فنر وینکلر در زیر پی باید میراگر (dashpot) هم در نظر گرفت.
(3 – 4) از آنجا که تحلیل سازه تحت بار زلزله در کارهای حرفه ای به صورت شبه استاتیکی صورت میگیرد، در جهت سادگی پیشنهاد میشود، ks لرزه ای در خاک های سخت مثل خاک درشت دانه تهران مشابه ks استاتیکی در نظر گرفته شود ولی در خاک های نرم و زلزله های بزرگ پیشنهاد میشود ks لرزه ای در حدود ۱۰ الی ۲۰ درصد کاهش یابد.
بند (4) مسیولیت مهندس ژئوتکنیک و طراح سازه
(4 – 1) سختی فنر وینکلر تابع عوامل مختلف مثل ابعاد و شکل پی، مقدار تنش و نوع بارگذاری است. این عوامل در هنگام آزمایش ها و مطالعات ژیوتکنیک هنوز قطعی نشده اند. بنابراین:
آزمایشگاه ژیوتکنیک مقدار ks را برای صفحه ۳۰ سانتیمتر بدهد و سپس روابط یا توصیه های لازم را برای اصلاح ks با توجه به ابعاد و شکل پی، مقدار نشست و تنش، نوع بارگذاری و سایر عوامل ارایه نماید. تمام محدودیت های ks پیشنهادی در شرایط مختلف مثل تحکیم خاک و زلزله باید در گزارش ژئوتکنیک بیاید.
(4 – 2) تیم محاسبه و طراحی سازه در پروژه های مهم دارای مهندس ژئوتکنیک در کادر خود باشند تا کارهای زیر را انجام دهد:
الف- تحلیل محیط پیوسته برای تعیین نشست نقاط مختلف زیر پی با نرم افزارهایی مشابه پلکسیس همراه با کالیبراسیون و راستی آزمایی مدل عددی.
ب- اصلاح سختی ks بر اساس نتایج بند (الف)
ج- کنترل نشست و تنش زیر پی با توجه به نتایج حاصل از تحلیل های دقیق سازه ای.
بند (5) تحلیل پی های انعطاف پذیر
برای تحلیل پی های انعطاف پذیر و شبیه سازی خاک با فنر (مدل وینکلر) روش های زیر قابل استفاده است:
روش (5 – 1) انتخاب ks ثابت برای شبیه سازی خاک با فنر
روش (5 – 2) انتخاب ks ثابت و ۲ برابر کردن آن در کناره ها
روش (5 – 3) منطقه بندی ساده ks بر اساس پیشنهادات مراجع (بر اساس محاسبه نشست نقاط مختلف با روابط نشست الاستیک)
روش (5 – 4) محاسبه تغییر مکان زمین در هر نقطه زیر پی (بر اساس تحلیل محیط پیوسته با نرم افزار هایی مثل پلاکسیس) و تعیین ks برای هر نقطه و تحلیل مجدد
پی در این روش در مدل سازه ای وارد میشود، لذا نباید در مدل ژیوتکنیکی هم وارد شود.
روش (5 – 5) استفاده از برنامه هایی که یک نرم افزار سازه ای مثل etabs یا safe را با یک نرم افزار ژیوتکنیکی مثل پلکسیس کوپل میکنند. این روش موجب افزایش سرعت و دقت محاسبات میشود. انواع برنامه داخلی یا خارجی برای این کار تهیه شده است.
در یک پروژه با توجه به تمام شرایط و عوامل حاکم بر پروژه باید روش مناسب را از بین روش های بالا انتخاب کرد. البته روش ۱ نامناسب است. روش ۲ هم بسیار قدیمی میباشد.
روش (5 – 4) با کمک نرم افزارهایی مثل پلکسیس و آباکوس در بسیاری از پروژه ها عملی است چون این نرم افزارها به صورت رایگان در دسترس مهندسان ایرانی قرار دارد.
بند (6) کنترل نشست پی های انعطاف پذیر
(6 -1) مدل وینکلر برای تخمین هیچگونه نشست اعم از نشست کل یا غیریکنواخت پیشنهاد نمی شود است. حتی نشست غیریکنواخت را نمیتوان با مدل وینکلر بدون اصلاحات لازم تخمین زد.
(6 -2) نشست کل از روابط تحلیلی یا مدلسازی عددی تخمین زده شود.
(6 – 3) نشست غیریکنواخت با یکی از روش های زیر متناسب با شرایط پروژه تخمین زده شود:
الف. تخمین سرانگشتی طبق قاعده ترزاقی
ب. تخمین بر اساس Kr پیشنهادی در ACI
ج. محاسبه بر اساس مدل وینکلر که سختی فنرها با محاسبه نشست اصلاح شده است
د. تحلیل محیط پیوسته
(7) کنترل تنش خاک در زیر پی انعطاف پذیر
(7 – 1) کنترل تنش نقطه به نقطه در مدل وینکلر لازم نیست. به بیان ساده، نیازی نیست که تنش در هر نقطه کمتر از ظرفیت باربری مجاز باشد زیرا گسیختگی خاک در یک نقطه به معنی تشکلیل مکانیزم گسیختگی نیست.
(7 – 2) کنترل تنش زیر پی های انعطاف پذیر با یکی از روش های زیل متناسب با پروژه انجام شود:
(الف) برای کنترل ساده تنش، در گام اول ظرفیت باربری مجاز پی های انعطاف پذیر با روابط کلاسیک ظرفیت باربری با توجه به خروج از مرکزیت بار و بار افقی تخمین زده می شود. این مقادیر در هنگام آزمایش ها و مطالعات ژئوتکنیک با دقت در دسترس نیست و به خوبی در ظرفیت باربری مجاز مندرج در گزارش ژیوتکنیک دیده نمیشود. در گام دوم در این روش، تنش متوسط خاک زیر پی کنترل شود تا کمتر از ظرفیت باربری مجاز خاک باشد. مجدد تاکید میشود که در تعیین ظرفیت باربری مجاز خاک باید به مقادیر دقیق خروج از مرکزیت بار و بار افقی توجه شده باشد
(ب) مدلسازی محیط پیوسته برای کنترل تنش ممکن است. کنترل دقیق ظرفیت باربری پی انعطاف پذیر با تحلیل محیط پیوسته با نرم افزارهایی مثل پلکسیس انجام می شود تا از عدم تشکیل مکانیزم گسیختگی خاک اطمینان حاصل شود.
(7 – 3)چند نکته تکمیلی در مورد کنترل تنش:
(7 – 3 – 1) کنترل نقطه به نقطه تنش محافظه کارانه است. اگر بر اساس کنترل تنش حتی با این روش، نیازی به شمع یا صلب کننده های قوی برای پی نبود، به همین روش بسنده کنید
(7 – 3 – 2) اگر سختی فنرها بر اساس نشست های حاصل از محیط پیوسته اصلاح شود، خود به خود نتایج تحلیل محیط پیوسته میتواند علائم هر گونه گسیختگی جریانی را روشن کند.
(7 – 3 – 3) در پی صلب توزیع خطی تنش به دست می آید و تنش متوسط برای خاک دانه ای و تنش حداکثر در رس ها کنترل میشود.
دکتر علی فاخر
مرداد ۱۴۰۲
