کارآیی گروه شمع تحت بارگذاری مرکب
دکتر محمد علی روشن ضمیر (2)
خلاصه
کلیدواژه ها: کارآیی گروه شمع، بارگذاری مرکب، آنالیز عددی، FLAC3D.
مقدمه
صحت سنجی عملکرد مدل
دراین مقاله از نرم افزار سه بعدی تفاضل محدود FLAC3D استفاده شده است. جهت مدل سازی شمع های گروه از المان سازه ای شمع و برای کلاهک از المان سازه ای پوسته استفاده شده است. همچنین از مش های مکعبی برای مدل سازی محیط و از مدل رفتاری موهر - کولمب نیز برای مدل رفتاری خاک محیط استفاده شد [12]. برای مدل سازی گروه شمع و بررسیهای بعدی نیاز به رسیدن به یک مدل بهینه از لحاظ نحوه ی مش بندی، مشخصات شمع ها و مشخصات مدل خاک می بود. به همین جهت برای دستیابی به یک مدل بهینه به بررسی این موارد پرداخته شد. به همین منظور تحلیل حساسیت ظرفیت باربری شمع نسبت به پارامترهای مختلف، از جمله اندازه ی مش بندی، مدول برشی و حجمی و زاویه ی اتساع و موارد دیگر در نرم افزار انجام گرفت و با توجه به حساس بودن خروجی برنامه نسبت به این موارد، با توجه به انتخاب تراکم متوسط برای ماسه، مابقی پارامترهای مربوط به این تراکم از مراجع مکانیک خاک و پی سازی استخراج و به عنوان ورودی اطلاعات در نرم افزار به کار گرفته شد که در جدول 1 ارائه گردیده است. جدول 2 نیز پارامترهای ورودی مربوط به شمع ها و کلاهک می باشد. جهت ارزیابی صحت عملکرد مدل، به بررسی تحقق کومودروموس و همکاران در سال 2003 [10] و مقایسه ی نتایج با آن پرداخته شد که در شکل 1 ارائه شده است. اشکال 2 و 3 مربوط به نحو ی مش بندی و مدل سازی شمع منفرد و گروه شمع می باشند.
جهت بررسی کارآیی گروه شمع در ابتدا می بایست فاصله ی بهینه بین شمع ها در گروه تعیین شود. به این منظور پس از مدل سازی گروه شمع 3×3، با توجه به تعرف کارآیی، ظرفیت باربری تک شمع و ظرفیت باربری گروه در فواصل مختلف محاسبه گردید. فاصله ی بهینه به این گونه تعیین شد که پس از محاسبه ظرفیت های باربری، فاصله ای که در آن کارآئی گروه برابر واحد گردد. آن فاصله به عنوان بهینه در نظر گرفته شود. با توجه به مقادیر ارائه شده در جدول 3، مقدار D5/3 به عنوان فاصله ی بهینه تعیین گردید.
بررسی کارآیی گروه شمع تحت بارگذاری مرکب محوری و جانبی
گروه شمع 3×3 به طول 10 متر و قطر 1 متر
25/0= بارگذاری مرکب شامل محوری+25/0 بار نهایی جانبی.
5/0 = بارگذاری مرکب شامل محوری+5/0 بار نهایی جانبی.
75/0 = بارگذاری مرکب شامل محوری+75/0 بار نهایی جانبی.
همان طور که از شکل 4 قابل مشاهده است کارآیی گروه شمع بسته به فاصله ی شمع ها در گروه و مقدار بارگذاری مرکب متفاوت می باشد. کارآیی گروه در فاصله ی بهینه تا بار مرکب محوری + 25/0 جانبی افزایش یافته و پس از آن به مقدار 6 درصد کاهش را نسبت به بار مرکب قبلی نشان
می دهد ولی از کآرایی تحت بار محوری منفرد کم تر نشده است. این در حالی است که در فواصل بیش تر از فاصله ی بهینه، بعد از بار مرکب 25/0، که افزایشی 44 درصدی نسبت به حالت بار محوری داشته است، کارآیی گروه روند ثابتی را طی کرده و در فاصله ی کمتر از فاصله ی بهینه با افزایش بار جانبی، کارآیی روندی کاملاً افزایشی را نشان می دهد. از شکل 5 که مربوط به بار - نشست می باشد، مشخص شده است که نشست تحت بار مرکب افزایش یافته است به طوری که در بار مرکب محوری +25/0 جانبی مقدار نشست نسبت به بار محوری منفرد دو برابر شده است.با دقت در شکل 5 می توان مشاهده نمود که ظرفیت نهایی محوری تحت بار مرکب محوری +25/0 جانبی نسبت به بارگذاری محوری منفرد تقریباً 2 برابر افزایش یافته ولی در مراحل بعدی از ظرفیت نهایی محوری کاسته شده است.
بررسی نوع رفتار شمع ها
1- کوتاه صلب
2- بلند انعطاف پذیر
در ابتدا بررسی این مسأله ضروری است که شمع های در نظر گرفته شده در کدام دسته قرار گرفته اند. با توجه به معیار پیشنهاد شده در مرجع تاملینسون [13] که در ذیل به آن اشاره شده است، جهت بررسی نوع رفتار شمع، مشخص است که رفتار شمع های در نظر گرفته شده، حد واسط دو نوع رفتار می باشد. لذا جهت ارزیابی و مقایسه ی بهتر، این شمع ها در مرز دو نوع رفتار یعنی کوتاه صلب و بلند انعطاف پذیر مورد بررسی مجدد قرار گرفته اند تا مشخص گردد رفتار شمع های مورد تحلیل قرار گرفته در بخش قبل، به کدام حالت نزدیک تر است.
که در آن T ضریب سختی، E و I مشخصه های شمع (ضریب کشسانی و لنگر اینرسی مقطع آن)، nh ثابت ضریب واکنش بستر است که مقدار آن بر حسب نوع خاک در مرجع تاملینسون [13] موجود می باشد. با محاسبه ی R یا T با توجه به طول فرورفتگی شمع (L)، رفتار شمع با توجه به معیارهای جدول 5 تعیین می گردد.
شمع های در نظر گرفته شده در این مقاله بتنی می باشد. ثابت ضریب واکنش بستر (nh) با توجه به نمودارهای ارائه شده در مرجع تاملینسون [13] برای خاک دانه ای با تراکم متوسط به دست آمده است. با جاگذاری مقادیر در رابطه (1) نتایج زیر به دست آمده است.
2=T×2×5/2=5m(a)
4=T×4×5/2=10m(b)
عدد (a) نشان دهنده ی مرز رفتار کوتاه صلب و عدد (b) نشان دهنده ی مرز رفتار بلند انعطاف پذیر می باشد. در ادامه شمع هایی با طول های 5 و 15 متر، جهت مقایسه با شمع های به طول 10 متر بررسی شده، در نظر گرفته شده است، تا مشخص گردد رفتار شمع های مورد تحلیل قرار گرفته در بخش های قبل، به کدام حالت نزدیک تر است.
گروه شمع 3×3 به طول 5 متر و قطر 1 متر
همان طور که از شکل 6 معلوم شده است روند تغییرات کارآیی گروه شمع در همه ی فواصل، شامل فاصله ی بهینه، فواصل بیش تر از بهینه و فاصله ی کمتر از بهینه، صرفاً افزایشی بوده که در فاصله ی بهینه با توجه به نوع بارگذاری این افزایش از 8 تا 17 درصد متغیر است. از شکل 7 که مربوط به نمودار بار - نشست می باشد، مشخص است که مقدار نشست نسبت به حالت طول 10 متر بررسی شده در بار مرکب محوری +25/0 جانبی نهایی به مقدار 40 درصد کاهش یافته است.
گروه شمع 3×3 به طول 15 و قطر 1 متر
همان طور که از شکل 8 قابل مشاهده است، در فاصله ی بهینه مقدار کارآیی تا بار مرکب 25 درصد افزایش و سپس در مرحله ی بعدی بارگذاری به مقدار 11 درصد کاهش داشته است. در فواصل بیشتر از بهینه تحت بارگذاری مرکب به مقدار 20 درصد نسبت به بار محوری افزایش و سپس روند ثابتی را طی کرده است. روند تغییرات کارآیی گروه مشابه نتایج شکل 4 می باشد که این نشان دهنده ی این است که رفتار شمع های بخش 3-1 از نوع بلند انعطاف پذیر می باشد. همچنین با توجه به شکل 9 مقدار نشست نسبت به حالت طول 10 متر افزایش یافته است. برای مثال نشست متناظر گسیختگی در بار مرکب محوری +25/0 جانبی، 4 درصد نسبت به طول 10 متر افزایش را نشان می دهد.
بررسی کارآیی گروه شمع با تغییر در آرایش گروه
همان طور که از نتایج مشخص شده است، افزایش تعداد شمع فقط بر روی مقدار کارآیی مؤثر است و در روند تغییرات آن تحت بارگذاری مرکب در فاصله ی بهینه نقشی ندارد. با افزایش تعداد شمع مقدار کارآیی گروه نیز افزایش می یابد. در حالت بار محوری، کارآیی گروه 2×2، یک درصد کم تر از گروه 3×3 و گروه های 4×4 و 5×5 در حدود 3 درصد بیش تر از گروه 3×3 می باشند. در اشکال 11، 12 و 13 به مقایسه ی کارآیی گروه شمع به قطر 1 متر و در سه طول مورد مطالعه، پرداخته شده است. همان طور که از این اشکال قابل مشاهده است در رفتار کوتاه صلب نسبت به رفتار بلند انعطاف پذیر، همخوانی بهتری بین نتایج بارگذاری محوری منفرد و بارگذاری مرکب وجود دارد. همچنین شکل 14 نشان داده است که با افزایش تعداد شمع ها در گروه، مقدار کارآیی گروه در فاصله ی بهینه افزایش یافته است.
جمع بندی و نتیجه گیری
1- عملکرد بار جانبی نه تنها افت راندمان باربری محوری را به دنبال ندارد بلکه می تواند بازدهی باربری محوری را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد.
2- با افزایش طول شمع ها، مقدار کارآیی افزایش می یابد. به عنوان نمونه در فاصله ی بهینه در بار محوری کارآیی در طول 15 متر، 2 درصد نسبت به 10 متر افزایش یافته است.
3- روند تغییرات کارآیی گروه به فواصل مختلف شمع ها در گروه وابسته می باشد.
4- ظرفیت محوری در فاصله ی بهینه در بارگذاری مرکب محوری +25/0 جانبی نسبت به بار محوری منفرد به مقدار 2 برابر افزایش داشته و سپس در بارگذاری های بعدی روندی کاهشی داشته ولی هیچگاه از ظرفیت محوری منفرد کم تر نگردیده است.
5- نشست گروه شمع معمولاً بزرگ تر از مقدار نشست به دست آمده برای یک شمع منفرد می باشد.
6- بارگذاری جانبی تأثیر قابل توجهی بر رفتار محوری می گذارد که این رفتار بسته به نوع شمع (صلب یا انعطاف پذیر) متفاوت است.
7- با افزایش تعداد شمع های گروه، کارآیی گروه افزایش می یابد.
پينوشتها:
1- دانش آموخته ی رشته مکانیک خاک و پی در مقطع کارشناسی ارشد، دانشکده ی مهندسی عمران دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد اصفهان، ایران، Email: Rouholamin 1@yahoo.com
2- دانش آموخته ی رشته ی مکانیک خاک و پی در مقطع دکتری، استادیار دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران، Email: mohamali@cc.iut.ac.ir
1- روشن ضمیر، م. و شکرانی، ح.، (1382)، مهندسی پی اصفهان، انتشارات مؤسسه ی علمی دانش پژوهان برین.
2- Kim, J. B., and Brungraber, R. J., (1976), Full-scale lateral load tests of pile groups, Journal of the Geotechnical Engineering Divission, ASCE, Vol. 102, No. gti, PP.87-105.
3- Rollins, K. M., Johnson, S. R., Peterson, K. T., and Weaver, T. J., (2003), Static and dynamic late load behavior of pile group based on full-scale testing, 13 International Conference on Offshore and Polar Drilling, International Society for Offshore and Polar Engineering, paper 2003-SAK-02, 8pp .
4- Rollins, K. M., Olsen, R. J., Egbert, J. J., Jenson, D. K., Olsen, K. G., and Garrett, B. H., (2006), Pile spacing effects on lateral pile group behavior: Load tests, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. October, pp. 1262-1271.
5- Ruesta, P. F., and Townsend, F. C., (1997), Evaluation of laterally lo9aded pile group at Roosevelt bridge, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 123, No. 12, pp. 1153-1161.
6- Rollins, K. M., Lane, J. D., Gerber, T. M., (2005), Measured and computed lateral response of a group in sand, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. January, pp. 103-114.
7- McVay, M., Bloomquist, D., Vanderlands, D., and Clauson, J., (1994), Centrifge modeling of laterally loaded pile groups in sand, Geotechnical Testing Jouanal, ASTM, GTJODJ, Vol. 17, No.2,pp. 129-137.
8- Brown, D. A., Morrison, C., and Reese, L. C. (1988), Lateral load behavior of pile group in sand, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 11, pp. 1261-1276.
9- Ilyas, T., Leung, C. F., Chow, Y. K., and Budi, S. S., (2004), Centrifuge model study of laterally loaded pile groups in clay, Journal of Geotechnical and Geoenvironment6al Engineering, ASCF, Vol. 130, No. 3, pp. 274-283.
10- Comodromos, E. M., Angnostopoulos, C. T., and Georgiadis, M. K., (2003), Numerical assessment of axial pile group response based on load test, Journal of Computers and Geotechnics, Vol. 30, pp. 505-515.
11- Karthigeyan, S., Ramakrishna, V. V.G.S.T., and Rajagopal, K., (2005), Influence of vertical load the lateral response of piles in sand, Journal of Computers and Geotecnics, Vol. 33, pp. 121-131.
12- Itasca Consulting Group Inc. FLAC3D: fast lagrangian analysis of continua. Minneapolis: User’s manual; 2000.
ماهنامه ي فني - تخصصي دانش نما، شماره ي پياپي 173-172.
/ج