ارائه روش ناحیه نزدیک و مدل های نیمه تحلیلی برای تحلیل اندرکنش سازه و خاک و پاسخ حداکثر سازه های مجاور هم در زلزله

STUDENT

DEGREE

YEAR

In design of low rise structures the effects of soil-structure interaction are often ignored. However, these effects are considerable for heavy structures such as skyscrapers or multi-level highway structures. The existence of this interaction phenomenon can also be extended to the adjacent buildings. For example, in an area congested with many nearby tall buildings, to account for the proximity effects of adjacent buildings will become critical. Previous few studies conducted in this area, were limited to 2D finite element plain-strain models. While assuming plain-strain for foundation soil may be valid, for a building structure with limited dimensions in plan this assumption could be erroneous. In this thesis, the effects of soil-structure interaction and structural adjacency on the response of structures are studied. Also, a simple and effective method for soil modeling in the analysis of soil-structure interaction and adjacent structures is presented. 3D models of 5, 10, 15 and 30 Story building structures on strip, matt and group piles are used. The foundation soils are assumed to be 25 m layered sand and 45 m layered clay. The site For structural modeling, beam element is used for frames and piles. Shell elements are used for rigid diaphragm and pile caps. Solid 3D element with 8 nodes is selected for direct finite element modeling of soils. Structural elements are assumed to behave linearly in general and nonlinearly in critical cases. To account for soil nonlinearities, the equivalent linear approach is assumed for soil behaviour. This method is effective, fast and sufficiently accurate for analysis of large scale soil media. Also, in critical states, plastic modeling is done for the near field soil. Results show that the soil-structure interaction (SSI) increases the lateral displacement response of moderate, tall and very tall structures (up to 24% in roof and 98% in first Story of structures), and decreases the lateral displacement of short structures (12% in average). For shear force responses of structures in stories, SSI decreases the response in all cases (up to 30% in the first Story and 50% in roof levels). In structural adjacency cases, results show that the adjacency increases the lateral displacements of stories (up to 80% in first Story for shorter structure and 30% in first Story for taller structure) and decreases the shear forces of stories (up to 75% in roof for shorter structure and 20% in roof for taller structure). It is expected that for two adjacent structures, as they are closer, the interaction response of the structures is higher, and for deep site cases the variation of response of the structures are more extensive. Finally, for presentation of applicable and useful results from this study, several semi-analytical formulations are developed.

هدف تحقیق حاضر، بررسی اثرات اندرکنش خاک و سازه و مجاورت سازه ها بر پاسخ لرزه ای آنها است. همچنین، روشی ساده، موثر و کارا به نام روش ناحیه نزدیک برای مدلسازی خاک زیر سازه در مسائل اندرکنش خاک و سازه و مجاورت سازه ها معرفی شده است. چهار تیپ سازه ?، ??، ?? و ?? طبقه، ? نمونه شتابنگاشت زلزله و ? تیپ ساختگاه ماسه ای و رسی (مطابق با تیپ III استاندارد ????) با ضخامت لایه خاک به ترتیب ?? و ?? متر در نظرگرفته شده است. با توجه به یکسان بودن تیپ آیین نامه ای ساختگاه ها، نتایج به دست آمده برای دو ساختگاه قابل مقایسه بوده و اثر عمق زمین بر پاسخ لرزه ای سازه ها قابل بررسی می باشد. در مدلسازی، برای سازه ها رفتار خطی و در حالات خاص غیرخطی و برای خاک رفتار خطی شده معادل (و در حالات خاص غیرخطی و پلاستیک) فرض شده و تحلیل های دینامیکی اندرکنش خاک و سازه و مجاورت سازه ها با استفاده از روش مستقیم و مدلسازی هندسی سه بعدی انجام گردیده است. بررسی پاسخ های جابجایی جانبی در طبقات سازه ها و برش پایه آنها نشان می دهد که اثرات اندرکنش و مجاورت بر پاسخ دینامیکی سازه ها به جنس و عمق زمین، نوع و محتوای رکورد زلزله و تیپ مجاورت سازه ها از نظرارتفاع و مشابهت سازه های مجاور و فاصله بین آنها وابسته است. به طور کمی، اندرکنش خاک و سازه منفرد عمدتا باعث افزایش جابجایی جانبی نسبت به پای سازه (حداکثر ?? درصد در بام و ?? درصد در طبقه اول برای سازه های بلند) و کاهش برش طبقات آن (حداکثر حدودا ?? درصد در طبقه اول و ?? درصد در طبقه بام ساختمان های بلند) می شود. در ساختمان های کوتاه (? طبقه) این پدیده منجر به کاهش پاسخ جابجایی جانبی سازه (به طور میانگین ?? درصد) و همچنین کاهش برش طبقات (به طور میانگین حدود ?? درصد در طبقه اول و ?? درصد در طبقه بام) می شود. مجاورت دو سازه نیز باعث افزایش بیشتر پاسخ جایجایی سازه کوتاه تر (حداکثر تا ?? درصد در طبقه اول) و کاهش بیشتر برش طبقات آن (حداکثر تا ?? درصد برای طبقه اول و حدودا ?? درصد در طبقه بام) نسبت به اندرکنش خاک و سازه منفرد برای سازه کوتاه تر و افزایش کمتر پاسخ جابجایی (حداکثر تا ?? درصد در طبقه اول) و کاهش کمتر برش طبقات (حداکثر تا ?? درصد در طبقه بام برای بلندترین سازه) نسبت به اندرکنش خاک و سازه برای سازه بلندتر می شود. درصد تغییرات به خاطر اندرکنش خاک و سازه و یا مجاورت در مجموع در ساختگاه عمیق تر بیشتر دیده شد. به این ترتیب، می توان گفت که در تیپ بندی آیین نامه ای زمین اثر عمق آن نیز باید لحاظ شود. همچنین در رابطه با فاصله دو سازه مجاور، مشاهده شده است که افزایش فاصله بین دو سازه مجاور باعث نزدیک شدن پاسخ سازه ها به حالت اندرکنش خاک و سازه منفرد هر یک از آنها می شود. نتیجه دیگر به دست آمده این است که اثرات موضعی این دو پدیده بیشتر در طبقات تحتانی سازه ها (برای جابجایی) و در طبقات فوقانی آنها (برای نیروی برشی) مشاهده شده است. همچنین زمان تناوب ارتعاشی سیستم متشکل از مجاورت دو سازه به زمان تناوب مدل اندرکنش خاک و سازه منفرد مربوط به سازه بلندتر خیلی نزدیک تر است. در نهایت، برای کاربردی تر شدن نتایج این تحقیق، به بسط و ارائه روابط نیمه تحلیلی برای تخمین زمان تناوب سازه ها و پاسخ های جابجایی جانبی و برش طبقات آنها در حالت های اندرکنش خاک و سازه منفرد و مجاورت سازه ها پرداخته شده است.