بخش مهندسی راه و ساختمان
پایان نامه‌ی کارشناسی ارشد در رشته‌ی مهندسی عمران گرایش مکانیک خاک و پی

تعیین مشخصات دینامیکی پی جهت تحلیل دینامیکی اندرکنش خاک-سازه با بهره گیری از روشهای اجزای محدود و نامحدود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
اندرکنش خاک-سازه یکی از موضوعات مهم مهندسی عمران می باشد. در نظر گرفتن حوزه نامحدود خاک یکی از مهمترین مسائلی می باشد که در اندرکنش خاک-سازه مد نظر قرار میگیرد. از روش المان محدود برای مدلسازی حوزه نزدیک و از روش المان نامحدود برای مدلسازی حوزه دور بهره گیری گردید. روش المان نامحدود از لحاظ فرمول بندی شباهت زیادی به روش المان محدود دارد. در این پایان نامه از المان نامحدود با سه نوع موج، جهت مدل سازی حوزه نامحدود بهره گیری گردید. با بهره گیری از ترکیب این دو روش، توابع نرمی دینامیکی برای پی صلب بدون جرم روی لایه خاک ویسکوالاستیک واقع بر سنگ بستر محاسبه گردید. پدیده تشدید بر خاک روی سنگ بستر و همچنین اثر تغییر عمق سنگ بستر روی فرکانس قطع مطالعه گردید. مثال در نظر گرفته شده در این مطالعه نشان داد که این روش دقت مناسبی جهت تحلیل مسائل اندرکنش خاک-سازه و مسائل شامل حوزه نامحدود را دارد.
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                                                                     صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1-مقدمهای بر اندرکنش خاک-سازه     1
1-2-روشهای مستقیم و زیرسازه     4
فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده
2-1-مقدمهای بر روش المان نامحدود     6
2-2-مروری بر مطالعات  پیشین     8
2-3-هدف این مطالعه     9
فصل سوم: روابط حاکم بر روش المان محدود و المان نامحدود
3-1-مقدمه ای بر روش المان محدود ………………………………………………………………………………………………………………………………11
3-2-مقدمهای بر روش المان نامحدود     13
3-2-1-المان نامحدود با زوال نمائی     14
3-2-2-المان بینهایت نگاشت شده     15
3-3-فرمول بندی مسئله     15
3-3-1-معادله حاکمه     17
3-3-2-تعیین جوابهای هارمونیک     20
3-4-فرمول بندی روش المان محدود     21
3-5-روش المان نامحدود     30
3-5-1-روش اول، قسمت بندی محیط مسئله     33
3-5-2-روش دوم، المان بینهایت با سه نوع موج     37
3-6-تعیین ضریب استهلاک دامنه موج،      43
3-7-عمق موثر موج ریلی     50
3-8-انتگرال عددی المان نامحدود     52
3-9-میرایی مصالح     55
فصل چهارم: تحلیل و مطالعه نتایج
4-1-تعیین سیستم اندرکنش خاک و سازه و خواص دینامیکی آن     58
4-1-1-تعیین سیستم پی    59
4-1-2-روشهایی برای تعیین امپدانس پی    60
4-1-3-مروری اختصار بر تاریخچه توابع امپدانس    61
4-2-مدل سازی با روش المان محدود    65
4-3-توابع نرمی در حالت دوبعدی برای نیم فضای الاستیک    68
4-3-1-مقدمه    68
4-3-2-تعریف توابع نرمی    68
4-4-مدل سازی با ترکیب روشهای المان محدود و المان نامحدود.    73
4-4-1-مقدمه    73
4-4-2-کنترل صحت ترکیب روشهای المان محدود و المان نامحدود    73
4-4-3-مثال پی ویسکوالاستیک تحت بارگذاری هارمونیک یکنواخت    74
4-5-چگونگی بدست آوردن توابع نرمی دینامیکی برای پی نواری ویسکوالاستیک    81
4-5-1-تعیین ضرایب تأثیر نرمی دینامیکی    81
4-5-2-تعیین ماتریس سختی دینامیکی    84
4-5-3-تعیین ماتریس نرمی دینامیکی    88
4-6-توابع نرمی با بهره گیری از ترکیب روشهای المان محدود و المان نامحدود    92
4-6-1-توابع نرمی دینامیکی     94
4-7-اثر عمق سنگ بستر    95
4-8-تکنیک انتگرال گیری عددی نیوتن-کوتس    98
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
نتیجه گیری و پیشنهادات    102
فصل ششم: منابع  و مراجع
منابع و مراجع    105
فهرست شکلها
عنوان                                                                                                                                    صفحه
شکل 1-1-اندرکنش سینماتیکی و اینرسی برای سازه با پی صلب    4
شکل 3-1-نیم فضا تحت اثر بار هارمونیک    16
شکل 3-2-لمان سرندپیتی هشت گرهی صفحهای در دستگاه مختصات کارتزین     21
شکل 3-3-المان هشت گرهی در مختصات کلی و مختصات محلی    22
شکل 3-4-محل قرار گیری نقاط نمونه گیری برای تابع دو بعدی در حالات مرتبه دو و مرتبه سه    30
شکل 3-5-انتشار امواج در مناطق گوناگون حیطه مسئله    31
شکل 3-6-المان نامحدود در مختصات کلی و مختصات محلی    33
شکل 3-7-نمایش طول المان نامحدود در جهت محور     35
شکل 3-8-المان نامحدود در مختصات کلی و مختصات محلی    38
شکل 3-9-استهلاک دامنه امواج هارمونیک در محیط بینهایت    45
شکل 3-10-هندسهای برای تعیین ضریب استهلاک دامنه    48
شکل 3-11-هندسهای برای تعیین ضریب استهلاک دامنه    51
شکل 4-1-مدل محاسباتی جهت مطالعه صحت برنامه نوشته شده المان محدود    67
شکل 4-2-نمایش شماتیک اندرکنش خاک-پی-سازه بصورت شماتیک، فقط برای تحریک قائم    69
شکل 4-3-پی نواری صلب بدون جرم روی نیم فضا و نیروها و لنگر مؤثر بر آن در حالت دو بعدی    70
شکل 4-4-شبکه بندی پی ویسکوالاستیک نیمه بینهایت    74
شکل 4-5-قسمت حقیقی نرمی بیبعد، بارگذاری در جهت ، جابجایی در جهت     77
شکل 4-6-قسمت حقیقی نرمی بیبعد، بارگذاری در جهت ، جابجایی در جهت     77
شکل 4-7-قسمت حقیقی نرمی بیبعد، بارگذاری در جهت ، جابجایی در جهت     78
شکل 4-8-قسمت موهومی نرمی بیبعد، بارگذاری در جهت ، جابجایی در جهت     78
شکل 4-9-قسمت حقیقی نرمی بیبعد، بارگذاری در جهت ، جابجایی در جهت     79
شکل 4-10-قسمت موهومی نرمی بیبعد، بارگذاری در جهت ، جابجایی در جهت     79
شکل 4-11-توصیف ضرایب تأثیر نرمی دینامیکی     81
شکل 4-12-شکل توصیف بارگذاری    82
شکل 4-13-ضرایب تأثیر نرمی دینامیکی برای تنش اعمالی قائم    83
شکل 4-14-نقاط گرهی و المانهای واقع در مرز مشترک خاک-سازه    85
شکل 4-15-توابع نرمی دینامیکی برای لایه خاک واقع بر بستر سنگی    94
شکل 4-16-اثر عمق سنگ بستر بر قسمت حقیقی نرمی دینامیکی    96
شکل 4-17-اثر عمق سنگ بستر بر قسمت موهومی نرمی دینامیکی    96
شکل 4-18- اثر عمق سنگ بستر بر دامنه جابجایی وسط پی    97
فهرست جداول
عنوان                                                                                                                                    صفحه
جدول 3-1-محل نقاط نمونه گیری و ضرایب وزنی برای گائوس کوآدرچر در بازه  تا     29
1- مقدمه
⦁    مقدمهای بر اندرکنش خاک-سازه
اندرکنش خاک-سازه یکی از موضوعات چالش بر انگیز در مهندسی عمران می باشد. درهر سازه متصل به زمین، اندرکنش بین خاک زیر پی و سازه میتواند اثرات قابل ملاحظهای هم روی سازه و هم روی پـــی و خاک قرار گرفته در زیر آن بگذارد. موضوع اندرکنش خاک-سازه برای سازه های حجیم که برروی خاکهای سست قرار گرفته بودند مورد توجه قرار گرفت. به عنوان مثال سازههایی مثل نیروگاههای هستهای، سدهای بتنی، مانند این موردها هستند. همچنین سازههایی مثل پلها، تونلها و سازههای زیر زمینی نیز از نقطه نظر اندرکنش خاک و سازه مورد مطالعه قرار میگیرند.
اندرکنش دینامیکی خاک-سازه از مسائل مهم مهندسی زلزله بحساب میآید. پیچیدگی مسئله به علت طبیعت پیچیده و وجود دو حیطه محدود و نامحدود با ویژگیهای مکانیکی مختلف می باشد. برای مطالعه مسئله اندرکنش خاک-سازه میتوان از روشهای عددی بهره گیری نمود. محققین برای مدل کردن حیطه نزدیک معمولاُ از روش عددی اجزای محدود بهره گیری میکنند. اما مشکل اصلی، در مدل کردن حیطه نامحدود می باشد. در صورتی که بخواهیم از روش اجزای محدود برای مدل سازی حیطه نامحدود بهره گیری کنیم حیطه دور بایستی به قدری بزرگ انتخاب گردد که انعکاس موج رخ ندهد، این مطلب زمانی که با سازههای حجیم یا با مسائل سه بعدی مواجه هستیم، بیشتر اهمیّت پیدا می ‌کند.
به همین دلیل محققین برای مدل کردن حیطه نامحدود، روی به بهره گیری از روشهای عددی مختلفی که قادر به لحاظ کردن شرائط بینهایت و در نظرگرفتن میرایی تابشی باشد، آوردهاند. به عنوان مثال، این روشهای عددی عبارتند از: روش اجزای مرزی، روش اجزای بینهایت و روش اجزای مرزی محدود مقیاس شده. هر کدام از روش های عددی مزایا و معایب خود را دارند، در واقع هیچ روشی بی نقص نیست.
برای مطالعه لرزهای سازهای بنا شده روی محیط خاک نسبت به حالتی که سازه روی سنگ باشد، دو نکته مهم مورد توجه قرار میگیرد. اول، حرکات ساختگاه در غیاب سازه به شدت متاثر میشود. دوم، وجود سازه روی خاک در مقایسه با سنگ یا محیط صلب، باعث تغییر مشخصات دینامیکی سازه میشود. اندرکنش سازه با خاک اطراف آن باعث تغییراتی در تغییر مکانها، فرکانسهای طبیعی پی میشود.
روشهایی که دو اثر ذکر گردیده را در بر بگیرد، واکاوی آزاد و واکاوی اندرکنش خاک-سازه گویند. اندرکنش خاک-سازه همچنین برای حالتهای دیگر بارگذاری مثل: ارتعاشات ماشین به علت دوران جرم خارج از محور، ارتعاش زمین به علت بار ترافیک و غیره نیز مطالعه میشود.
پاسخهای دینامیکی سازههای حجیم، مثل نیروگاههای هستهای، ساختمانهای با ارتفاع زیاد، سد و مخازن ذخیره مایعات به علت اثر اندرکنش خاک-سازه دچار تغییر میشوند. برای سازههای سخت و حجیم که روی بستر نرم قرار گرفتهاند، اثر اندرکنش خاک-سازه قابل توجه میشود. این پدیده ممکن می باشد پاسخهای دینامیکی سازه را به گونه فاحشی دچار تغییر کند. پس اثرات اندرکنش برای طراحی و واکاوی سازههای واقع بر محیط نیمه بینهایت خاک بایستی مد نظر قرار گیرد.
اندرکنش خاک-سازه پدیده پیچیدهای از ترکیب سازه و محیط خاک اطراف آن می باشد. از نقطه نظر مهندسی به مقصود مطالعه این که چگونه اندرکنش خاک-سازه پاسخهای دینامیکی سازه را تحت تاثیر قرار میدهد، معمول می باشد که اندرکنش دینامیکی خاک-سازه را به دو بخش تقسیم میکنند: اندرکنش سینماتیکی و اندرکنش اینرسی.
در اندرکنش سینماتیکی اثرات کوپل بین سازه بیوزن(بدون جرم) و خاک اطراف آن در نظر گرفته میشود. در این سیستم نکته مهم انکسار امواج برخورد کننده با سازه می باشد. پس اثر اندرکنش سینماتیکی بیشتر بوسیله انواع مختلف امواج برخورد کننده، هندسه قسمتهای مدفون سازه و تفاوت بین سختی سازه و خاک اطراف آن متاثر میشود. بطور کلی در اندرکنش سینماتیکی تأثیر سختی سازه بر جوابها مد نظر می باشد و همانطور که گفته گردید از جرم سازه صرف نظر میشود.
در نوع دیگر، اندرکنش اینرسی، تأثیر نیروهای اینرسی ناشی از سازه بر جوابها اهمیّت دارد. که نیروی اینرسی نتیجه اثر شتاب بر جرم سازه می باشد و برعکس حالت قبل در این حالت از جرم سازه صرف نظر نمیشود. در واقع امواج ناشی از نیروهای اینرسی سازه به پی منتقل شده و در توده بینهایت خاک انتشار مییابد.
توصیف فیزیکی اندرکنش اینرسی و سینماتیکی در شکلهای 1-1 نشان داده شده می باشد.
شکل 1-1 اندرکنش سینماتیکی و اینرسی برای سازه با پی صلب (Kim, 1999)
⦁    روشهای مستقیم و زیرسازه
با در نظر داشتن روش مدل کردن ناحیه خاک، روشهای واکاوی اندرکنش خاک-سازه به دو گروه تقسیم میشوند: روش مستقیم و روش زیرسازه.
در روش مستقیم، ناحیه خاک مجاور سازه مثل سازه به گونه مستقیم با روش المان محدود مدل میشود. از این رو در روش مستقیم میتوان هندسه پیچیده، تغییرات خواص خاک و رفتار غیر خطی محیط خاک را مدلسازی نمود.
در روش زیرسازه،  محاسبات برای دو سیستم انجام میشود، سازه واقع بر خاک و حیطه پی. این دو سیستم کاملاً از یکدیگر مستقل هستند. ارتباط بین این دو سیستم از طریق نیروی اندرکنش مرز مشترک خاک-سازه حاصل میشود.
تمام ناحیه خاک-سازه بوسیله ماتریس امپدانس معرفی میشود. پس واکاوی اندرکنش دینامیکی خاک-سازه بسیار ساده میشود و سختی محاسبات به حداقل میرسد. این روش محدودیتهایی همچون ساده بودن هندسه پی و خطی بودن رفتار خاک را دارد.
2-مروری بر تحقیقات انجام شده
2-1 مقدمهای بر روش المان نامحدود
در خیلی از مسائل، ابعاد جسم یا محیط در مقایسه با محیط اطرافشان بسیار کوچکتر می باشد. در اکثر این مسائل، روش اجزای محدود میتواند حیطه کوچکی از مسئله را مطالعه کند. در مسائل استاتیکی، معمولا یک برش ساده از محیط مسئله با اعمال مرز صلب حول قسمت برش خورده، کفایت می ‌کند. هرچند محل دقیق مرز صلب مشخص نیست و همین امر ممکن می باشد منجر به انتخاب المانهای محدود بیشتری گردد که باعث افزایش شدید حجم و زمان محاسبات میشود.
در مسائل دینامیکی، به دلیل وجود ارتعاشات در مسئله، مرز صلب باعث انعکاس موج میشود. این موضوع ارتباطی با اندازه شبکه بندی روش اجزای محدود و اندازه حوزه داخل مرز صلب ندارد. بخصوص برای مسئله اندرکنش خاک-سازه با محیط بینهایت خاک تحت بارهای دینامیکی، انتخاب شرایط مرزی مناسب اهمیّت پیدا می ‌کند. در نظرگرفتن میرائی تابشی(شعاعی) به علت مستهلک سازی امواج ناشی از ارتعاش سازه به پی و محیط دور، امری ضروری می باشد.
به این مقصود تکنیکهای مختلفی جهت حل این مشکل و مدل سازی شرایط مرزی مناسب به وجودآمدهاند که میتوان مرز لزج، مرز انتقال دهنده، روش المانهای مرزی، روش المان محدود مرزی مقیاس شده، روش المان بینهایت و روشهای ترکیبی را نام برد.
روش المان بینهایت از لحاظ فرمول بندی و مفهومی همانند روش المان محدود می باشد. تنها تفاوت این دو روش در المانها و توابع شکل به کار گرفته شده می باشد. فرمول بندی توابع شکل در روش المان بینهایت معمولا بنا به واکاوی بهتر رفتار محیط بینهایت انتخاب میشود.  پس انواع مختلفی از المانهای بینهایت برای مسائل مختلف مهندسی که به نوعی با محیط بینهایت سر و کار دارند، ایجاد شدهاند.
این مسائل عبارتند از: واکاوی تحکیم، واکاوی تراوش، انتقال جرم، انتقال حرارت، اندرکنش سیال-سازه و اندرکنش خاک-سازه.
برای واکاوی مسئله اندرکنش خاک-سازه، روش المان بینهایت بایستی قادر به نشان دادن انتشار انرژی در جهت شعاعی به علت انتشار مولفههای مختلف موج به حیطه دور باشد. در واقع این روش بایستی شرایط بینهایت را به کمک ریاضیات مدل سازی کند.
در حالت کلی در وضعیت سه بعدی(نیم فضا) یا در حالت دو بعدی(نیم صفحه) ، شامل لایه (لایههای) افقی و لایه زیرین می باشد که از سمت پایین به بینهایت میرود. به عنوان مثال در حالتی که لایه خاک روی سنگ بستر باشد، لایه زیرینی وجود ندارد که به سمت بینهایت برود. در واقع مثل مسئلهای می باشد که درجات آزادی مربوط به قسمت پایینی در حالت دو بعدی در دو جهت بسته شده باشند.
2-2 مروری بر مطالعات پیشین
همانطور که تصریح گردید به مقصود مدل سازی حیطههای بینهایت، تکنیکهای مختلفی به وجودآمدهاند. در اینجا مروری بر تاریخچه پیدایش روشهای مختلفی که به نحوی با مسائل شامل بینهایت سر و کار دارند، میپردازیم.
مرز لزج توسط (زینکویچ و نیوتن، 1969؛ لیزمر و کهلیمیر، 1969؛ کهلیمیر، 1973؛ لیزمر و واس، 1972؛ وایت و همکاران، 1977)، مرز انتقال دهنده (واس، 1973؛ کاوسل، 1974؛ تاسولاس 1981؛ واس و همکاران، 1985؛ ورکل، 1986)، مدل ترکیبی (تی زنگ و پنزین، 1981؛1983؛1986) روش المانهای مرزی (ونگ و اشمید، 1992؛ چوآن و همکاران، 1992؛ دومینگوئز، 1993؛ ازرائیل و بنرجی، 1992) و روش المانهای بینهایت (چو و اسمیت، 1981؛ مدینا و پنزین، 1982؛ مدینا و تیلور، 1983؛ استلی، 1983؛ رجپکسی و کاراسودی، 1986؛ ژنگ و ژائو، 1987؛ ینگ و یان، 1992؛ کاراسودی و لیو، 1993؛ یان و همکاران، 1995؛ ینگ و همکاران، 1996)، ارائه شده می باشد (Kim, 1999).
مفهوم روش المانهای بینهایت اولین بار توسط (Ungless, (1973 در غالب پایان نامه کارشناسی ارشد و Bettess, (1977) ارائه گردید. البته خاطر نشان می گردد که بتس در مقاله خود تصریح به این نکته داشته که در دستیابی به این روش از کمک و تشویق همکارش، زینکویچ، بهره گیری فراوان کرده می باشد.
همانطور که پیشتر نیز تصریح شده بود، انواع مختلف فرمولاسیون المان بینهایت به مقصود مطالعه محیط بینهایت در مسائل مختلف مهندسی شکل گرفته می باشد. در زیر به تاریخچه مختصری از این مورد تصریح شده می باشد.
مسئله تحکیم (اشرفلر  و سیمونی، 1987؛ کارپوراپو، 1988)، واکاوی تراوش (وود، 1976؛ هنجو و پوخارل، 1993؛ ژائو و والیاپان، 1993)، انتقال جرم (ژائو و والیاپان، 1994)، انتقال حرارت (سولیوان و اونیل، 1992)، مسائل آکوستیک (استلی، 1983)، اندرکنش سیال-سازه (بتس و زینکویچ، 1977؛ زینکویچ و همکاران، 1985؛ پارک و همکاران، 1991؛1992)، و اندرکنش خاک-سازه (چو واسمیت، 1981؛ مدینا و پنزین، 1982؛ مدینا و تیلر، 1983؛ رجبکسی و کاراسودی، 1986؛ ژنگ و ژائو، 1987؛ ینگ و یان، 1992؛ کاراسودی و لیو، 1993؛ یان و همکاران، 1995؛ ینگ و همکاران؛ 1996، یرلی و همکاران، 1998)، (Kim, 1999).
***ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود می باشد***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد: ارزیابی ضریب رفتار قاب های بتن آرمه متداول ایران با استفاده از روند آیین نامه FEMA P695

زیرا فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به گونه نمونه)

اما در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود می باشد

تعداد صفحه :31

قیمت : 14700 تومان

***

دسته‌ها: عمران