اندرکنش خاک و سازه (Soil-Structure Interaction) مربوط به رشته مهندسی زلزله است. ذکر این نکته بسیار حائز اهمیت است که پاسخ سازه‌ای عمدتاً ناشی از نیروهای تعاملی خاک – سازه است که تأثیر بر ساختار اصلی می‌گذارد. این اندرکش نوعی تحریک لرزه‌ای است. کمیته تحقیقات مهندسی با مطالعه بر روی اندرکش خاک و سازه می‌گوید: « تنها در مواردی که این نیروها تأثیر قابل ملاحظه‌ای در حرکت لایه‌های زیرین ساختار ایجاد می‌کنند می‌توان از تعامل بین سازه و خاک استفاده کرد.» برای شناخت بیشتر این مفهوم با ویکی ساختمون همراه باشید.
اندرکنش خاک و سازه چیست؟
حرکت آزاد زمین را می‌توان به‌عنوان حرکتی که در سطح خاک ثبت می‌شود و بدون درگیر شدن سازه تعریف کرد. پاسخ ساختاری در برابر زلزله به تعامل بین سه سیستم مرتبط وابسته است، یعنی:
- سازه
- فونداسیون
- خاک زیرین
تجزیه و تحلیل اندرکش خاک – سازه برای ارزیابی پاسخ جمعی از سه سیستمی که در بالا برای حرکت زمین مشخص شده استوار است. تعامل خاک و سازه را می‌توان به‌عنوان فرآیندی تعریف کرد که در آن پاسخ از خاک بر حرکت سازه تأثیر می‌گذارد و حرکتی که به ساختار داده شده بر پاسخ از خاک، تأثیر می‌گذارد. نیروی سازه – خاک عمدتاً نیروهای تعاملی هستند که می‌توانند برای هر سازه‌ای ایجاد شوند. اما این‌ها قادر به تغییر حرکت خاک در هر شرایطی نیستند.
اثرات متقابل اندرکش خاک و سازه
گفته می‌شود یک سازه با در نظر گرفتن سختی فونداسیون، هیچ اثر متقابلی بین خاک و سازه ندارد. در این مورد اگر نیروی اندرکنش بر پی ساختمان تأثیر بگذارد، در نظر گرفته می‌شود. تأثیر حرکت خاک به نیروهای اندرکنش به دو مورد زیر بستگی دارد:
- بزرگی نیرو
- انعطاف پذیری خاک
هر چه سازه سنگین‌تر باشد، اثرات متقابل خاک و سازه نیز بیشتر خواهد بود. بیشتر ساختمان‌های شهری، چه در زمین‌های سخت و چه زمین‌های نرم بنا شده باشند، هیچ علامتی از تأثیرات سازه – خاک نشان نمی‌دهند.
همانطور که گفته شد، اثرات اندرکنش سازه و خاک بیشتر به سازه‌های سنگین همانند سدها و نیروگاه‌های هسته‌ای (NPP) است. می‌توان نتیجه گرفت که تعامل خاک در مطالعات مهندسی زلزله عمدتاً برای حوزه‌های صنعتی توسعه یافته است و مورد استفاده قرار می‌گیرد.
یکی دیگر از شرایطی که اثرات متقابل خاک و سازه را در نظر می‌گیرید، انعطاف پذیری خاک است. خاکِ نرم‌تر بیشتر احتمال وقوع اثرات اندرکنش را دارد. بنابراین برای ساختاری که در منطقه لرزه خیز ساخته شده است، این اثر باید لحاظ شود.
توجه: در عمل، تراکم جرم خاک در حدود 2 تن در مترمکعب متفاوت خواهد بود. از این رو می‌توان ویژگی اصلی سختی خاک را با سرعت موج برشی Vs مرتبط دانست.
- اگر برابر Vs <300m / s باشد، خاک نرم در نظر گرفته می‌شود.
- اگر برابر Vs> 800m / s باشد، خاک سخت در نظر گرفته می‌شود.
- اگر برابر Vs> 1100m / s باشد، خاک صلب در نظر گرفته می‌شود.
اثرات اندرکنش سازه و خاک بیشتر روی تأثیرات منفی آن متمرکز شده است. امواج لرزه‌ای در هنگام قرار گرفتن در محل رسوبات خاک نرم ایجاد می‌شوند. این منجر به افزایش دوره تناوب طبیعی می‌شود و از این رو منجر به ایجاد موج می‌شود. این اتفاق با لرزش در دوره‌ای طولانی اتفاق می‌افتد.
اگر دوره تناوب طبیعی افزایش یابد، تقاضا برای شکل پذیری نیز افزایش می‌یابد. این ممکن است منجر به تغییر شکل دائمی و خرابی خاک شود که پاسخ لرزه‌ای سازه را بدتر می‌کند. یک سازه تحت نیروی زلزله (برانگیختگی لرزه‌ای)، بین خاک و فونداسیون اندرکنشی دارد که تغییراتی در حرکت زمین ایجاد می‌کند. اندرکنش ساختار خاک می‌تواند سه نوع اثر داشته باشد:
- اثرات متقابل حرکتی
- اندرکنش اینرسی
- اثرات انعطاف پذیری فونداسیون – خاک
کاربرد اندرکنش خاک و سازه
- در ساختارهای سنگین مانند سازه‌های هیدرولیکی، تونل‌ها، مخازن مدفون، برج‌ها و سازه‌های هسته‌ای کاربرد دارد.
- برای ساختاری که اثرات P delta برجسته است، آنالیز برای تعامل ساختار خاک مفید است.
- مطالعه اندرکنش خاک و سازه نقش مهمی در فونداسیون‌های عمیق، سازه‌های پشتیبانی ساخته شده بر روی خاک نرم، سازه‌های بلند که دارای سرعت برشی متوسط 100 متر بر ثانیه هستند.
تحلیل تعامل سازه و خاک
اندرکنش فوق الذکر را می‌توان با دو روش تحلیلی اندازه گیری کرد. آنها عبارتند از:
- تحلیل مستقیم
- رویکرد زیر ساختی
تحلیل مستقیم اندرکنش سازه و خاک
در این نوع تحلیل، خاک و سازه به‌عنوان یک سیستم کامل آنالیز می‌شوند. یک نمونه از آنالیز «روش اجزای محدود» است. فونداسیون، عناصر ساختاری، مرزهای انتقال بار، عناصر خط اتصال لبه‌های پی نیز در تحلیل گنجانده می‌شود. این روش به ندرت در عمل مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا محاسبات زیادی را شامل می‌شود و تجزیه و تحلیلی بسیار پیچیده دارد.
رویکرد زیرساختی در اندرکنش سازه – خاک
فعالیت متقابل سازه و خاک به دو بخش تقسیم می‌شود و سپس ترکیب می‌شوند تا راه حلی کامل برای این مشکل ایجاد شود. در این روش، مدلی با الزامات خاص تولید می‌شود:
- حرکت‌های میدان آزاد و خصوصیات خاک مربوط ارزیابی می‌شوند.
- توابع انتقال برای تبدیل حرکت میدان آزاد به حرکت ورودی فونداسیون مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.
- ضریب k یا سختی فنر و ضریب c که همان دمپینگ است در تحلیل محاسبه می‌شوند. (دمپینگ، میرایی خاک و فونداسیون است).
- تجزیه و تحلیل پاسخ از ساختار ترکیبی
اهمیت استفاده از اندرکنش سازه و خاک
بحث در مورد تأثیر چیدمان سازه‌ها، فاصله بین سازه‌ها، بررس موج لرزه‌ای، سرعت موج برشی، میرایی خاک، مقیاس و عمق دفن سازه زیرزمینی، تعداد طبقات، سختی، شتاب افقی ساختار سطح و جابجایی نسبی افقی ساختار از جمله مواردی هستند که باید در محاسبات تعامل خاک و سازه لحاظ شوند. آنچه که در طرح لرزه‌ای مهم است، رسیدن به پاسخ درست و قانع کننده است، پاسخ می‌تواند با توجه به خواص دینامیکی ساختمان تقویت یا تضعیف شود. به طور کلی، اهمیت مفهوم اندرکنش خاک و سازه به قدری در طرح لرزه‌ای مهم است می‌توان سرنوشت ایستایی پروژه مربوطه را به آن وابسته دانست.
