دانلود پایان نامه ارشد : بررسی و مقایسه عددی ظرفیت باربری گروه شمع­های مخروطی

دانشگاه شیراز 

دانشکده مهندسی

 پایان نامه­ ی کارشناسی ارشد در رشته­ ی مهندسی عمران گرایش خاک و پی

 مطالعه و مقایسه عددی ظرفیت باربری گروه شمع­های مخروطی و استوانه­ای به روش اجزای محدود سه بعدی

 استاد راهنما

دکتر نادر هاتف

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(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 می باشد)


چکیده
 در این پژوهش ظرفیت باربری گروه شمع‌های مخروطی و گروه شمع‌های استوانه‌ای با حجم یکسان محاسبه شده و مورد مقایسه قرار می‌گیرند. با در نظر داشتن کم بودن مطالعه‌های عددی و مدلسازی‌ها توسط نرم افزار برای شمع‌های مخروطی نسبت به آزمایش‌های آزمایشگاهی در این زمینه، در این پژوهش مدلسازی گروه شمع‌ها توسط نرم‌افزار سه بعدی2012  PLAXIS  با بهره گیری از روش اجزای محدود انجام شده می باشد. همچنین با در نظر داشتن اهمیت شمع‌ها در گروه نسبت به شمع‌های تکی، در این پژوهش هدف اصلی مطالعه جزئی رفتار گروه‌ شمع‌های مخروطی و مقایسه آن با گروه شمع‌های استوانه‌ای هم حجم می باشد. بدین مقصود نمودارهای بار-  نشست هر گروه شمع تحت یک بار دلخواه بدست آمده که با بهره گیری از این نمودار و با تکنیک‌های موجود ظرفیت باربری کل گروه شمع محاسبه شده می باشد. سپس مدل گروه شمع را برای دومین بار تحت باری برابر با ظرفیت باربری خودش قرار داده تا بتوان مشخصات گروه شمع مانند وضعیت تنش موجود در اطراف بلوک گروه شمع‌ها، نشست گروه شمع ها، راندمان گروه شمع ها و … را تعیین نمود و در نهایت مقایسه‌ای را برای هر دو گروه شمع مخروطی و استوانه‌ای هم حجم متناظر انجام داد. برای محاسبه‌ی راندمان گروه هر شمع، شمع تکی از آن گروه جداگانه مدلسازی شده و مانند قبل مورد بارگذاری قرار گرفته می باشد تا ظرفیت باربری کل شمع تکی از هر گروه نیز بدست آید. مدلسازی‌ها در خاک ماسه‌ای و با شمع‌هایی از جنس بتن در مقیاس واقعی انجام شده‏اند. پارامترهایی که در این مدلسازی‌ها متغیر بوده تا تأثیر تغییرات آن‌ها واضح‌تر گردد، عبارتند از : زاویه مخروط شدگی، زاویه اصطکاک داخلی خاک ماسه‌ای، زاویه اتساع و ضریب فشار جانبی خاک .
واژه‌های کلیدی: شمع مخروطی، اجزای محدود، ظرفیت باربری، مدلسازی سه بعدی، انتگرال‌گیری عددی
فهرست مطالب
  عنوان                                                                                                              صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………….. 2
1-2- هندسه متعارف بعضی شمع­های درجا …………………………………………………………………. 3
1-3- چگونگی قرارگیری شمع‌ها در خاک …………………………………………………………………………… 5
1-4- گروه شمع‌ها …………………………………………………………………………………………. 6
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته
2-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………… 10
2-2- مطالعات آزمایشگاهی انجام شده بر روی شمع‌های مخروطی …………………………….. 10
2-3- مدل‌سازی‌های انجام شده برای شمع‌های مخروطی ……………………………………………. 17
2-4- روش‌های تحلیلی برای شمع‌های باریک شونده …………………………………………………… 19
2-5- سایر مطالعات …………………………………………………………………………………. 21
فصل سوم: روش پژوهش
3-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………. 23
3-2- مدل‌های شمع تکی ………………………………………………………………………………………………… 23
3-3- مشخصات خاک‌های مورد بهره گیری ………………………………………………………………………… 28
3-4- ابعاد Borehole (کلاستر) …………………………………………………………………………………… 30
عنوان                                                                                                              صفحه
3-5- مش‌بندی کلاستر ……………………………………………………………………………………………………. 31
3-6- مدل گروه شمع‌ها …………………………………………………………………………………………………… 32
3-7- چگونگی‌ی واکاوی مد‌ل‌ها و بدست آوردن نتایج …………………………………………………………… 35
3-8- چگونگی مدلسازی در برنامه PLAXIS سه بعدی2012 ………………………………………. 37
فصل چهارم: تفسیر نتایج
4-1- مقدمه …………………………………………………………………………………….. 43
4-2- نتایج مدل‌سازی‌ها ………………………………………………………………………… 44
4-3- روش‌های محاسبه‌ی ظرفیت باربری در این پژوهش با بهره گیری از نمودارهای نیرو-
نشست ……………………………………………………………………………………………… 45   
4-3-1- روش مماس بر منحنی “US Army Corps of Engineers” …… 45
4-3-2- روش “Davisson 1967” …………………………………………………………………… 46
4-4- نتایج شمع تکی در ماسه و رس ……………………………………………………………………. 47
4-4-1- تفسیر نتایج شمع تکی در ماسه و رس ……………………………………………………. 49
4-5- نتایج گروه شمع‌ها در ماسه و رس ……………………………………………………………………….. 50
4-5-1- تفسیر نتایج گروه شمع‌ها در ماسه و رس ……………………………………………….. 52
4-6- مقایسه نمودارها و واریوگرام ها ……………………………………………………………………………… 56
4-7- مقایسه ظرفیت باربری گروه شمع‌ها در ماسه و رس …………………………………………… 59
4-8- ارائه ارتباط‌ای برای کارآمدی گروه شمع‌های مخروطی و استوانه‌ای …………………… 64
4-8-1- مقایسه معادله‌ی بدست آمده برای بازدهی گروه شمع‌ها با دیگر معادلات
ارائه شده ……………………………………………………………………………………………… 70
4-9- بازدهی اصطکاکی و اتکایی شمع‌ها …………………………………………………….. 72
4-10- مقایسه‌ی فاکتور نشست در گروه شمع‌های استوانه‌ای و مخروطی در ماسه ….. 74
4-11- مطالعه وضعیت تنش ها روی صفحات بلوک گروه …………………………….. 76
4-11-1- وضعیت  تنش‌های برشی روی صفحات دیواره بلوک گروه شمع‌ها …….. 76
عنوان                                                                                                              صفحه
4-11-2- وضعیت تنش در صفحات انتهایی بلوک گروه شمع‌ها بدون در نظر گرفتن
سطح انتهایی خود شمع‌ها ……………………………………………………………………….. 78
4-11-3- نقاط پلاستیک و الاستیک ……………………………………………………………………… 79
فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات
5-1- نتیجه‌گیری …………………………………………………………………………… 83
5-2- پیشنهادات ……………………………………………………………………………………….. 85
پیوست ………………………………………………………………………………………………………… 86
منابع و مراجع ……………………………………………………………………………………… 111
مقدمه
 شمع‌ها اعضای سازه‌ای از چوب، بتن، فولاد و یا مصالح دیگر هستند که برای انتقال بارهای سطحی به سطوح پایین‌تر در خاک مورد بهره گیری قرار می‌گیرند. این انتقال توسط توزیع بار در طول بدنه شمع یا انتقال مستقیم بار به لایه پایین‌تر از طریق نوک شمع صورت می‌گیرد که حالت اول را شمع اصطکاکی و حالت دوم را شمع اتکایی گویند. معمولاَ همه‌ی شمع‌ها بار را به صورت ترکیبی از اصطکاک بدنه و مقاومت نوک انتقال می‌دهند مگر مورد هایی که مثلاَ شمع در یک خاک خیلی نرم نفوذ کرده تا به یک بستر سخت برسد. شمع‌ها معمولاً برای اهداف زیر بهره گیری می شوند:
1- انتقال بار سازه‌های عظیم به درون لایه‌های زیرین. (بارهای عمودی و جانبی)
2- مقاومت پیش روی نیروی کششی رو به بالا یا واژگونی به عنوان مثال برای پی‌های یکنواخت در زیر سطح آب یا برای نگه‌داشتن پایه‌های پل پیش روی واژگونی ناشی از بارهای جانبی نظیر باد.
3- تراکم لایه‌های نرم و غیرچسبنده توسط ترکیبی از جابه‌جایی‌ها توسط حجم شمع و حرکت شمع به شیوه‌ی لرزشی . این نوع شمع‌ها ممکن می باشد بعداً بیرون کشیده شوند.
4- کنترل نشست، هنگامی که پی نواری یا گسترده روی خاکی که در زیر آن لایه‌ای با قابلیت تراکم زیاد قرار دارد.
5- سخت‌تر کردن خاک در زیر پی برای کنترل دامنه ارتعاش و فرکانس طبیعی سیستم.
6- به عنوان ضریب اطمینانی بیشتر برای پایه‌ها یا تکیه‌گاه‌های پل.
7- در سازه‌های فراساحلی برای انتقال بارها در بالای سطح آب به خاک زیرین. گاهی اوقات برای کنترل حرکات زمینی (برای مثال زمین لغزش‌ها). شمع‌ها تحت بارهای عمودی و جانبی ممکن می باشد گسیخته شوند. همچنین در اعضای طویل ممکن می باشد گسیختگی کمانشی رخ دهد.
یک پی به صورت شمع بسیار هزینه‌برتر از پی نواری و تقریباً هزینه‌برتر از یک پی گسترده می باشد. در هر مورد طراحی پی‌ها مطالعات در مورد مشخصات خاک محل بسیار مهم می باشد. زیرا براساس این مطالعات بایستی با دقت تصمیم‌گیری گردد که آیا نیاز به شمع می باشد و اگر هست آیا به تعداد بیشتری یا طول شمع بیشتری نیاز می باشد.
ظرفیت باربری شمع به معنای حداکثر بار وارده به شمع می‌باشد، که شمع تحت اثر آن به اندازه قابل قبولی نشست کند. در نظر گرفتن ظرفیت باربری به اندازه بیشتر از مقدار واقعی، چه بسا موجب وارد آمدن خسارت سنگین به سازه‌ها و یا زوال کلی آن­ها شده می باشد. از طرف دیگر در نظر گرفتن آن به اندازه کمتر از مقدار واقعی، باعث بزرگ شدن بیش از حد ابعاد شمع شده و آن را غیراقتصادی می‌سازد. ظرفیت باربری نه تنها به مشخصات مکانیکی خاک و شرایط محیطی بستگی دارد، بلکه تابعی از شکل، ابعاد، جنس و چگونگی اجرای آن می‌باشد. به دست آوردن یک ارتباط کلی برای محاسبه ظرفیت باربری شمع‌ها حتی با در نظر گرفتن تعداد محدودی از عوامل مؤثر در آن، منجر به معادلات دیفرانسیل بسیار پیچیده‌ای می گردد که حل آن­ها در حالت کلی مقدور نبوده و تنها در بعضی حالات محدود میسر می‌باشد. اگرچه که امروزه روشهای تحلیلی سودمندی مانند روش اجزای محدود باعث شده تا گرایش به سمت روش‌های تحلیل عددی افزایش یابد. البته بایستی توجه داشت که نتایج حاصل از مدلسازی‌های اجزای محدود و یا روش‌های مشابه بایستی حتماً با نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی شوند تا قابل بهره گیری باشند.
 1-2- هندسه متعارف بعضی شمع‌های درجا
یک شمع درجا با حفر یک سوراخ در زمین و پرکردن آن با بتن شکل می‌گیرد. این سوراخ ممکن می باشد به صورت صندوقچه حفر شده و یا به وسیله راندن یک پوسته یا لوله جداری در زمین ایجاد گردد. لوله جداری می‌تواند توسط یک محور فولادی در زمین رانده گردد؛ به طوریکه محور فولادی در هنگام بالا آمدن، لوله جداری را رها می کند.
شکل (1-1) بعضی از شمع‌های درجا که بهره گیری از آن‌ها رایج می باشد را نشان می‌دهد. بایستی توجه داشت که این شمع‌ها به گونه کلی سه نوع می‌باشند. (1) پوسته‌ای یا جداره‌ای (2) فاقد پوسته و (3) پایه ستونی.
شکل 1-1- هندسه بعضی شمع­های درجا [1]
در شکل (1) موردها (a) و (b) شمع‌های بدون پوسته هستند. موردها (b) و (c) شمع‌های پایه ستونی هستند که حداکثر تا 35 متر طول دارند. شمع‌های (c) تا (h) از نوع پوسته‌ای هستند که در بین آن‌ها (f) و (g) شمع‌های مخروطی و (h) شمع مخروطی پله‌ای می‌باشد.
شمع‌های با مقطع متغیر شمع‌هایی هستند که مقاطع عرضی در قسمت سرشمع نسبت به نوک بزرگتری دارند. یکی از انواع شمع‌های با مقطع متغیر شمع با مقطع دایروی متغیر می‌باشد که از لحاظ شکل ظاهری به شکل مخروط بوده و به شمع مخروطی شهرت دارد (شکل 1- موردها f و g). شمع‌های به شکل مخروط یک مزیت اساسی نسبت به شمع‌های استوانه‌ای دارند و آن این می باشد که در حالت اصطکاک به طرف پایین، نیروی محوری شمع از قسمت سرشمع به سمت نوک شمع کم می گردد پس از لحاظ مقطع برای انتقال بار سازه‌ای به خاک هر چه به سمت پایین شمع می‌رویم به مقاطع کوچکتری نیاز می‌باشد که این موضوع را در شمع‌های مخروطی نظاره می‌کنیم. این امر باعث صرفه‌جویی در حجم مصالح و توزیع صحیح مصالح در شمع می گردد. همچنین برای شمع‌های تحت بار جانبی هنگامی که بار جانبی به قسمت سرشمع اعمال می گردد، از سر شمع به نوک شمع به دلیل انتقال بار به خاک از مقدار نیروی افقی در بدنه سازه‌ای شمع کاسته می گردد که این امر با شکل و حجم مصالح و اندازه مقاطع شمع مخروطی که روندی کاهنده در طول شمع دارد مطابقت دارد و در کل می‌توان گفت که شمع‌های مخروطی نسبت به شمع‌های استوانه‌ای دارای یک توزیع مناسب‌تر مصالح برای انتقال انواع بارگذاری‌ها می‌باشند. برای آنکه یک شالوده به عنوان شمع تعریف گردد لازم می باشد که نسبت عمق به عرض متوسط یا شعاع حداقل برابر 6 باشد. طبق این تعریف حداکثر زاویه‌ای که برای یک شمع مخروطی می‌توان در نظر گرفت 9/46^◦ درجه می‌باشد. بیشتر روابطی که تاکنون برای شمع‌ها انتشار یافته‌اند مربوط به شمع‌های استوانه‌ای یا منشوری می‌باشند، در حالی که برای شمع‌های مخروطی ارتباط تئوری مشخصی ارائه نشده می باشد که بتواند رفتار آن­ها در خاک را مشخص کند. با این حال در سه دهه اخیر یک افزایش در علاقه مندی به مطالعه، برای مطالعه رفتار شمع‌های مخروطی دیده شده می باشد.
1-3- چگونگی قرارگیری شمع‌ها در خاک
شمع‌ها از طریق چندین روش در خاک قرار می‌گیرند:
1- راندن شمع در خاک توسط ضربات ثابت متوالی در بالای شمع با بهره گیری از چکش شمع. این روش صدا و لرزش‌های محلی قابل توجهی ایجاد می کند که ممکن می باشد توسط آیین‌نامه‌های محلی یا سازمان‌های محیط زیستی مجاز نباشد و همچنین ممکن می باشد به سازه‌های اطراف خسارت وارد کند.
2- راندن شمع در خاک توسط دستگاه لرزش متصل به سرشمع. این روش معمولاً بی‌سروصدا می باشد. این روش برای راندن در خاک‌های با چسبندگی کم کاربردی‌تر می باشد.
3- جک کردن شمع. این تکنیک برای شمع‌های کوتاه و سخت کاربردی‌تر می‌باشد.
4- حفر کردن یک سوراخ و قراردادن شمع درون آن یا به صورت رایج‌تر، پرکردن حفره با بتن.
 1-4- گروه شمع‌ها
گروه شمع‌ها با بارگذاری عمودی
وقتی که تعدادی شمع در کنار هم جمع می شوند، معقول می باشد که انتظار داشت که فشارهای ایجاد شده در خاک ناشی از اصطکاک جانبی و یا مقاومت اتکائی همانطور که در شکل زیر نشان داده شده روی هم بیافتند. (شکل2-1)
شکل 1-2- تنش­ها اطراف یک شمع اصطکاکی وتداخل محدوده تنش­ها دریک گروه[1]
شدت فشار اضافی، به بار شمع‌ها و فواصل آن­ها بستگی خواهد داشت و اگر تا حد کافی بزرگ گردد خاک در برش گسیخته خواهد گردید و یا نشست‌های اضافی خواهیم داشت. شدت تنش در نواحی تنشی روی هم افتاده  به گونه واضحی با افزایش در فواصل شمع‌ها (S) کاهش خواهد پیدا نمود. اگرچه که فواصل زیاد اغلب غیرعملی هستند. زیرا معمولاً کلاهک گروه شمع برای تکیه‌گاه ستون‌های سازه و همچنین پخش کردن بار روی چندین شمع بر روی سر تمام شمع‌ها به صورت یکپارچه ساخته می گردد و همین عامل می‌تواند باعث محدود شدن فاصله‌ی شمع‌ها از هم گردد. (شکل 1-3)
شکل 1-3- الگوهای متعارف گروه شمع­ها-(a) برای دال­های بتنی تکی(b) برای دیوارهای بتنی[1]
با در نظر داشتن کم بودن مطالعه‌های عددی و مدلسازی‌ها توسط نرم‌افزار برای شمع‌های مخروطی و به خصوص برای گروه شمع‌های مخروطی نسبت به آزمایش‌های آزمایشگاهی در این زمینه، در این پژوهش هدف مدلسازی گروه شمع‌های مخروطی و استوانه‌ای با بهره گیری از نرم‌افزار سه بعدی “PLAXIS” و در نهایت مقایسه و مطالعه نتایج حاصل از مدلسازی‌ها با بهره گیری از نمودارهای بار- نشست می‌باشد. پس مشخصه‌هایی از گروه شمع‌ها یعنی زاویه مخروط شدگی، زاویه اصطکاک داخلی خاک ماسه‌ای، ضریب فشار جانبی خاک و زاویه اتساع خاک در گروه را تغییر می‌دهیم و مدل‌ها را با هم مقایسه می‌کنیم. بایستی توجه داشت که برای شمع‌های مخروطی، زاویه مخروط شدگی را از صفر تا 1/6^° در چند مرحله افزایش می‌دهیم. در طول مراحل مدلسازی طول همه‌ی شمع‌ها ثابت می‌باشد و فاصله‌ی شمع‌ها از یکدیگر نیز در گروه شمع‌ها بهینه انتخاب شده و ثابت می‌ماند. مدلسازی‌ها برای گروه شمع‌های 4 تایی انجام می شوند. پس از بدست آوردن نمودارهای نیرو- نشست برای هر گروه شمع ظرفیت باربری کل هر گروه با بهره گیری از چندین تکنیک متفاوت و مرسوم اندازه‌گیری شده و گروه شمع دوباره تحت همان نیرو مورد واکاوی قرار می‌گیرد. سپس نتایج حاصل از واکاوی ثانوی را برداشت کرده و با بهره گیری از یک سری داده‌های مربوط به تنش مؤثر قائم و بردن آن­ها به نرم‌افزار تجاری “surfer 2009” یک انتگرال‌گیری عددی روی سطح کف شمع‌ها انجام می‌دهیم تا مقدار ظرفیت باربری اتکائی و اصطکاکی شمع‌ها را نیز در اختیار داشته باشیم. به این شکل مقایسات بهتری را برای هر گروه شمع خواهیم داشت.                                                                     
در فصل بعدی از پایان نامه مروری بر تحقیقات و مطالعات انجام شده و روش‌های محاسبه ظرفیت باربری شمع‌های مخروطی و استوانه‌ای خواهیم داشت.
تعداد صفحه :133
قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.