اندرکنش بین خاک و سازه (SSI) به معنای تعامل بین خاک (زمین) و سازه ای است که بر روی آن ساخته شده است. در در جه اول ،تبادل تنش متقابل است ،که بر اساس آن حرکت ساختار زمین تحت تأثیر نوع خاک و نوع سازه است. این امر در مناطق دارای فعالیت لرزه ای کاربرد دارد. ترکیب مختلف خاک و سازه می تواند حرکت/ آسیب بعدی را افزایش یا کاهش دهد. ساختمانی که بر روی زمین سفت قرار می گیرد و نه بر روی زمین تغییر شکل پذیر ، آسیب های بیشتری را متحمل می شود. دومین اثر متقابل که با خواص مکانیکی خاک مرتبط است ، فرو رفتن فونداسیون ها است که در اثر یک رویداد لرزه ای تشدید یافته است. به این پدیده روانگرایی خاک می گویند.
اکثر سازه های مهندسی عمران شامل عناصر سازه ای هستند که مستقیماً با زمین در تماس اند. هنگامی که نیروهای خارجی مانند زلزله به این سیستم ها وارد می شود ، جابجایی های سازه و جابجایی های خاک از یکدیگر مستقل نیستند. فرآیندی که در آن واکنش خاک بر حرکت سازه تأثیر می گذارد و حرکت سازه بر پاسخ خاک تأثیر می گذارد ، به عنوان اندرکنش خاک و سازه (SSI) نامیده می شود.
روشهای معمول طراحی سازه از اثرات SSI صرف نظر می کنند. صرف نظر از SSI برای سازه های سبک در خاک نسبتاً سفت مانند ساختمانهای کم ارتفاع و دیوارهای حایل ساده و محکم منطقی است. با این حال SSI تاثیر به سزایی بر سازه های سنگین احداث شده برخاکهای نرم و نسبتاً نرم دارد ، برای مثال نیروگاههای هسته ای ، ساختمانهای بلند مرتبه و بزرگراههای مرتفع بر روی خاک نرم
خسارات وارده در زلزله های اخیر ، مانند زلزله کوبه 1995 ، نشان داده است که رفتار لرزه ای یک سازه نه تنها از واکنش روبنا ، بلکه از واکنش فونداسیون و زمین نیز متاثر است. از این رو ، آیتم های طراحی لرزه ای مدرن ، مانند مشخصات استاندارد سازه های بتنی: تأیید عملکرد لرزه ای JSCE 2005 تصریح می کند که تجزیه و تحلیل پاسخ باید با در نظر گرفتن یک کل سیستم سازه ای شامل روبنا ، فونداسیون و زمین انجام شود.
به طور مرسوم اعتقاد بر این است که SSI یک اثر کاملاً مفید است و می توان از آن صرف نظرکرد. مقررات SSI از آیتم های طراحی لرزه ای اختیاری است و به طراحان این امکان را می دهد که با در نظر گرفتن اثر متقابل خاک و سازه (SSI) برشی طراحی ساختمان را کاهش دهند. فرض اصلی این مقررات این است که سیستم ساختار خاک را می توان با یک مدل ثابت معادل، با دوره طولانی تر و معمولاً نسبت میرایی بزرگتر جایگزین کرد. اکثر آیتم های طراحی، از فرآیند های طراحی بسیار ساده استفاده می کنند ، که تا یک دوره معین به شتاب ثابت می رسند و پس از آن هماهنگ با دوره کاهش می یابد. در نظر گرفتن تعامل خاک و سازه باعث انعطاف پذیری بیشتر سازه و در نتیجه افزایش دوره طبیعی سازه در مقایسه با ساختار محکم متصل می شود.
اثرات مخرب
با استفاده از تجزیه و تحلیل های عددی دقیق ، Mylonakis و Gazetas نشان داده اند که افزایش دوره طبیعی سازه به دلیل SSI همیشه مفید نیست. رسوبات خاک نرم می تواند دوره امواج لرزه ای را به طور قابل توجهی طولانی کند و افزایش دوره طبیعی سازه ممکن است منجر به ارتعاش زمین شود. علاوه بر این ، تحقیقات نشان داد که تقاضای شکل پذیری می تواند با افزایش دوره طبیعی سازه به دلیل اثر SSI به میزان قابل توجهی افزایش یابد. تغییر شکل و شکست دائمی خاک ممکن است واکنش لرزه ای سازه را تشدید کند.
وقتی سازه ای تحت تاثیر زلزله قرار می گیرد ، با فونداسیون و خاک در تعامل است و بنابراین حرکت زمین را تغییر می دهد. تعامل خاک و سازه را می توان به طور گسترده به دو پدیده تقسیم کرد:
الف) اندرکنش سینماتیکی و ب) اندرکنش اینرسی.
به دلیل سختی نسبتا زیاد شالوده در مقایسه با خاک زیر آن، شالوده قادر نخواهد بود تا در تمام نقاط،
همگام با خاک زیر خود حرکت کند.از این رو می توان گفت که تحریک ناشی از زلزله که به ساره وارد می شود به نوعی برابر میانگین حرکات خاک زیر شالوده است که اصطلاحا به آن اندرکنش سینماتیکی می گویند.
اندرکنش اینرسی ناشی از وجود جرم سازه است که می تواند عاملی برای ایجاد انعطاف پذیری و استهلاک انرژی درکل مجموعه شود. به دلیل پیچیدگی های موجود در اندرکنش سینماتیکی غالبا تنها اثرات اندرکنش اینرسی را مورد بررسی قرار می دهند.البته باید گفت این ساده سازی خطای زیادی ایجاد نکرده و قابل قبول است.
از دید تخصصی ترحرکت زمین لرزه باعث جابجایی خاک می شود که به حرکت آزاد میدان معروف است. با این حال ، فونداسیون تعبیه شده در خاک حرکت میدان آزاد را دنبال نخواهد کرد. این ناتوانی فونداسیون برای مطابقت با حرکت میدان آزاد باعث اندرکنش سینماتیکی می شود. از طرف دیگر ، جرم روبنا نیروی اینرسی را به خاک منتقل می کند و باعث تغییر شکل بیشتر در خاک می شود که به آن اندرکنش اینرسی می گویند.
در سطح پایین لرزش زمین ، اثر سینماتیکی غالب تر است که باعث طولانی شدن دوره و افزایش میرایی می شود. با این حال ، با شروع لرزش قوی تر ، تخریب مدول خاک در نزدیکی میدان و محدوده شمع خاک باعث کاهش میرایی تابش می شود و تعامل اینرسی غالب می شود که باعث جابجایی بیش از حد و فشارهای خمشی متمرکز در نزدیکی سطح زمین می شود و منجر به آسیب شمع در نزدیکی سطح زمین می شود.
مشاهدات ناشی از زلزله های اخیر نشان داده است که واکنش فونداسیون و خاک می تواند تأثیر کلی سازه را تحت تأثیر قرار دهد. موارد متعددی از آسیب های شدید ناشی از SSI در زلزله های گذشته وجود دارد. یاشینسکی آسیب تعدادی از سازه های پل با شمع را به دلیل تأثیر SSI در زلزله لوما پریتا در سانفرانسیسکو در سال 1989 ذکر می کند. تجزیه و تحلیل عددی گسترده ای که توسط Mylonakis و Gazetas انجام شده است SSI را به عنوان یکی از دلایل سقوط بزرگراه هانشین در زلزله کوبه 1995 برشمردند.
برای مثال ، فرض کنید دو ساختمان دارای سختی یکسانی هستند. آنها روی دو نوع خاک متفاوت احداث شده اند: اولی، سفت و صخره ای – دومی ، شنی و تغییر شکل پذیر. اگر ساختمان در معرض زمین لرزه مشابه قرار گیرد ، اولی خسارت بیشتری را متحمل می شود.
روش های کاهش مشکلات ناشی از اندرکنش خاک و سازه
روشهایی که بیشتر برای کاهش مشکل تعامل بین زمین و ساختار استفاده می شود شامل استفاده از سیستم های جداسازی قبلا دیده شده و برخی از تکنیک های مهاربندی زمین است که بیشتر از همه در انواع با کیفیت پایین (دسته D و E) اتخاذ شده است. متداول ترین تکنیک ها تکنیک تزریق جت و تکنیک شمع کاری است. روش تزریق جت شامل تزریق مقداری بتن مایع در زیرخاک با استفاده از مته می باشد. هنگامی که این بتن سفت می شود ، نوعی ستون ایجاد می کند که خاک اطراف را یکپارچه می کند. این فرآیند در تمام قسمتهای سازه تکرار می شود. تکنیک شمع کاری شامل استفاده از شمع هایی است که پس از وارد شدن در زمین ، پایه و ساختمان را با حرکت دادن بارها یا وزنه ها به لایه های خاک عمیق تر و در نتیجه فشرده تر و مقاوم در برابر حرکت ، از پایه و ساختمان بالا پشتیبانی می کنند.
