عنوان پایان‌نامه
فشار دینامیکی خاک بر دیوار زیرزمین های چند طبقه
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مکانیک خاک وپی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2170;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72589
- تاریخ دفاع
- ۳۰ اردیبهشت ۱۳۹۴
- دانشجو
- محمدرضا وکیلی
- استاد راهنما
- علی فاخر
- چکیده
- با توجه به توسعه ساخت و ساز و افزایش طبقات زیرزمین‌ها در شهرهای بزرگ کشور و قرارگیری ایران در ناحیه لرزه‌خیز جهان، نیاز به مطالعات گسترده روی فشار لرزه‌ای خاک بر دیوار این زیرزمین‌ها احساس می‌شود. در دهه گذشته تحقیقات قابل توجهی به منظور مطالعه فشار خاک بر روی دیوارهای حائل در حالت دینامیکی صورت پذیرفته است. اما برای دیوارهای زیرزمین با توجه به متفاوت بودن تغییر شکل‌ها و رفتار، مطالعات کمتری موجود می‌باشد. از این رو نیاز به ارائه روشی کاربردی در آیین‌نامه‌ها جهت طراحی دیوارهای زیرزمین تحت فشارهای لرزه‌ای خاک ضروری به نظر می‌رسد. بدین منظور در بخش اول این پایان‌نامه رابطه‌ای تحلیلی جهت تخمین مقدار فشار لرزه‌ای حاصل از اختلاف فاز شتاب‌های مؤثر بر گوه خاکی و دیوار زیرزمین بر مبنای روش تعادل حدی توسعه یافت. در این رابطه اثرات مربوط به زاویه اصطکاک و چسبندگی خاک، زاویه اصطکاک و چسبندگی پشت دیوار و وزن ساختمان همسایه دیده شده است. اعتبار سنجی این رابطه با نتایج مدلسازی‌های اخیر سانتریفیوژ در دانشگاه برکلی که بر روی مدل‌هایی از دیوارهای زیرزمین انجام شده است، انطباق بسیار مناسب نتایج را برای فشارهای لرزه‌ای در خاک‌های دانه‌ای و چسبنده نسبت به دیگر روابط تحلیلی موجود نشان داد. مقایسه نتایج حاصل از رابطه ارائه شده با روابط تجربی کلاسیک موجود در حالت استاتیکی نیز نشان داد که، این رابطه در تخمین فشارهای استاتیکی هم بسیار مناسب عمل می‌کند. به منظور مدلسازی شرایط واقعی یک سازه تحت بار زلزله، مدل‌هایی عددی از یک سازه 15 طبقه با 5 طبقه زیرزمین در نرم‌افزارهای ABAQUS توسعه یافت. اصلاح مربوط به تغییرات سختی خاک در سطوح کرنشی متفاوت تحت بارهای دینامیکی، به وسیله‌ی سابروتین USDFLD به مدل‌رفتاری خاک اضافه شد. اندرکنش خاک و سازه، به منظور بررسی شرایط واقعی، با استفاده از سطوح مجزا و رفتار پنالتی در مدل‌ها وارد گردید. در مدلهای ساخته شده، تمرکز اصلی بر روی نوع خاک می‌باشد. به همین منظور، از اطلاعات سازندهای موجود در تهران استفاده گردید. سازندهای موجود بر اساس سرعت موج برشی دسته‌بندی شد تا در هر یک از این دسته‌ها مقدار فشار دینامیکی، نقطه اثر و ممان‌های دینامیکی خاک بر دیوار زیرزمین با هشت روش متعارف از روش‌های تحلیلی موجود، مورد مقایسه قرار گیرد. نتایج بیانگر این امر می‌باشد که در حالت دیوارهای زیرزمین به علت سختی بالای این دیوارها، خاک در محدوده‌ای میانی بین حالت محرک و مقاوم قرار دارد. فشار پشت دیوار با توجه به مود غالب تغییر شکل کنسولی سازه در زمان وقوع زلزله به سمت فشار محرک یا مقاوم میل می‌کند. بر این اساس می‌توان اختلافات موجود در روابط تحلیلی و مدلسازی‌های عددی را به سادگی تفسیر کرد. مقایسه مقدار فشار دینامیکی خاک بر دیوار زیرزمین در سازندهای مختلف تهران نشان داد که فشار دینامیکی در سازند C تهران که سازندی غالب در مناطق مختلف شهر تهران به شمار می‌رود، بحرانی‌تر است؛ این موضوع نگرانی‌هایی را با توجه به ساخت و سازهای موجود شهر تهران در پی دارد. به صورت کلی مقدار فشار در سازندA نسبت به سازند C کاهش پیدا می‌کند و کمترین مقدار فشار در سازند D بوجود آمده است. پارامترهای دخیل در فشار دینامیکی خاک معمولاً به حداکثر شتاب زلزله و محتوای فرکانسی زلزله ورودی، پارامترهای مقاومتی و سختی خاک و نهایتاً اثرات توپوگرافی منطقه ساختگاه محدود می‌شود؛ اما در مطالعات انجام پذیرفته در این تحقیق، تأثیر قابل توجه وزن و ارتفاع سازه نیز در نتایج مشخص گردید. نهایتاً با توجه به نتایج حاصل از مدلهای عددی فرمی کلی برای تخمین فشار دینامیکی خاک بر دیوار زیرزمین پیشنهاد شد و شکل توزیع واحدی برای فشارهای وارد بر پشت دیوار مشخص گردید در این شکل توزیع برای سازندهای مختلف و سختی‌های متفاوت خاک تهران حداکثر ارتفاع نقطه اثر برآیند فشار دینامیکی در حدود 75% ارتفاع دیوار به دست آمد.
- Abstract
- Due to development in construction and underground structures in metropolises and also Iran being located on an active seismic zone of the word, the dynamic earth pressure behind the basement walls has to be a critical field to study. In the past decades, various studies on retaining walls in the dynamic state have been done. However, due to differences in the deformation and behavior of basement walls' structure, less studies are available. Therefore, it seems to be essential to add a practical method for designing basement walls under seismic earth pressure within building codes. To achieve this propose, in the first section, analytical equation derived based on limit equilibrium theory to estimate the seismic earth pressure as a result of phase difference of effective acceleration on soil wedge and basement walls. This method concluded dynamic earth pressure based on basement walls’ geometry, surcharge of neighbors’ structure, strength parameters of the backfill and the adhesion between the wall face and the soil. The analytical equation has been verified by recent results of centrifugal models on basement walls at Berkeley University. Verified results indicate that the proposed equation has the best fit on the experimental data for both cohesive and cohesion-less soils than the former theoretical methods. In addition, comparison between results of the presented equation with the classical co-relation methods, in the static state, also proves that presented method is accurate for estimating at rest pressure as well. In the numerical part of this thesis, the finite-element method is applied to obtain seismic soil thrust on finite displacing basement wall and then is compared it with eight types of analytical solution to obtain suitable criteria. In order to model real conditions, ABAQUS software employed to develop 15 stairs building with five floors basement as a half-buried structure. Modification on soil stiffness behavior in various strain under dynamic loads has been applied on the model by USDFLD subroutine. Then, soil structure interaction has been added to the model by utilizing separate face and penalty behavior. The presented study evaluates the effect of Tehran soil types on the seismic soil pressure behind basement walls and compares it with eight common analytical methods to obtain suitable criteria for dynamic earth thrust, point of application and dynamic moments. Therefore, analyses are performed for each type of Tehran soils, which are selected based on four categories of alluviums identified as A, B, C and D, where A is the oldest and D is the youngest. Results indicate that in the case of basement walls, as a result of high stiffness of the wall, the state of the soil is between the active and passive state. In the presence of earth quake, the thrust behind the wall due to cantilever deflection of the structure, tends to change from active state to passive state. Hence, contradictions between analytical and numerical results could be explained. Analysis on basement walls in various alluvium shows that the seismic pressure in type C alluvia, which is the dominant alluvia in Tehran, is the most critical. This results raises concerns about current constructions in Tehran. In general, the thrust in the type A alluvia is less than type C, and the least pressure belongs to the type D. Affecting parameters in seismic earth thrust consist of peak ground motion, earthquake dominant frequency, soil stiffness and resistance parameters with topographical site effects. However, this research also considers the effects of weight and height of the structure. Finally, according to numerical model, a general solution for seismic earth thrust estimation based on computational models has been proposed and distribution of dynamic earth pressure behind the wall is presented. In the presented distribution, the maximum height for seismic earth thrust point of application was obtained as 75% of the wall’s height from the base.
