DETERMINATION OF SOIL-STRUCTURE INTERACTION EFFECTS FOR A MODEL TEST STRUCTURE USING PARAMETRIC SYSTEM IDENTIFICATION PROCEDURES

Abstract
Earthquake recordings from a model test structure located at Garner Valley California are used to evaluate inertial soil-structure interaction (SSI) effects. The test structure consists of steel columns and bracings 4.06 m in height supporting a 4m x 4m x 0.4m reinforced concrete roof slab. The structure rests on a 4m x 4m x 0.5m reinforced concrete foundation with no embedment. Surficial soil conditions consist of organic soil overlying silty sand alluvium with an average shear wave velocity in the upper 15 m of 200m/s. Seismic monitoring is performed with uni-axial (horizontal) accelerometers on the roof and foundation as well as vertical sensors at the corners of the foundation. Parametric system identification procedures are implemented to evaluate fundamental-mode vibration frequencies for a fixed- and flexible-base condition, from which SSI effects can be inferred. Data is available for the structure with and without bracing from two earthquakes. The lengthening of the fixed-base period due to SSI is a period lengthening of 12% and 74% for the braced and unbraced structure, respectively. The corresponding foundation damping levels for these two cases are about 1% and 5%. The different levels of period lengthening and foundation damping for the two structural configurations reflect the strong increase of inertial SSI effects with the ratio of structure-to-soil stiffness, which is naturally greater for the fixed- base configuration. The observed levels of SSI are reasonably well predicted by available theoretical models.

تعیین اثرات اندرکنش خاک و سازه برای ساختار آزمون مدل با استفاده از روش شناسایی سیستم پارامتریک
چکیده :
ثبت زلزله از یک ساختار آزمون مدل واقع در دره گارنر کالیفرنیا برای ارزیابی داخلی اثرات اندرکنش خاک- سازه (SSI) استفاده می شود. ساختار آزمون متشکل از ستون های فولادی و بادبند 4.06 متر در ارتفاع از بتن دال سقف مسلح 4m× 4m×0.4m حمایت می کند. این سازه 4m× 4m×0.5m بر فونداسیون های بتنی مسلح با هیچ جایگزینی استوار نمی باشد. شرایط سطحی خاک شامل خاک پوشاننده آبرفت شن و ماسه بافتی با سرعت موج برشی متوسط بالاتر از 15 متر تا 200m/s می باشد. نظارت لرزه ای با شتاب سنج ( افقی) تک محوره بر روی سقف و فونداسیون و همچنین سنسورهای عمودی در گوشه فونداسیون انجام شده است. روش شناسایی سیستم پارامتری برای ارزیابی فرکانس های ارتعاش اساس- حالت برای شرایط پایه انعطاف پذیر و ثابت اجرا شده، که اثرات SSI را می توان استنتاج نمود. اطلاعات موجود برای ساختار با و بدون استحکام از دو زمین لرزه است. طولانی شدن دوره پایه ثابت به دلیل SSI ، به ترتیب طول دوره 12 ٪ و 74٪ برای ساختار محکم و تضعیف شده، می باشد. سطوح فونداسیون نوسانات برای این دو مورد در حدود 1 ٪ و 5٪ متناظر می باشد. سطوح مختلف طول دوره و نوسانات فونداسیون برای دو شکل ساختاری منعکس کننده افزایش قوی اثرات SSI حرکتی با نسبت سفتی سازه به خاک می باشد که به طور طبیعی برای پیکربندی پایه ثابت، بیشتر است. سطوح مشاهده از SSI به خوبی با مدل های نظری موجود پیش بینی شده اند.
مقدمه
اثرات هر دو اندرکنش خاک- سازه داخلی و حرکتی ( SSI) می تواند به واکنش یک ساختار ایستا در یک محیط سازگار زمین شناسی کمک می کند. اندرکنش حرکتی اساسا مقدار و دامنه حرکت فرکانس فونداسیون را نسبت به حرکات زمینه آزاد تحت تاثیر قرار می دهد (به عنوان مثال ، ولتسوس و پراساد ، 1989). اندرکنش ساکن اساسا به چرخش و جابجایی فونداسیون، و همچنین اتلاف انرژی مربوط می شود، و هنگامی رخ می دهد که برش و گشتاور پایه برای فونداسیون های سازه ارتعاشی استفاده شود. در برخی موارد، این چرخش و جابه جایی فونداسیون می تواند نشان دهنده بخش قابل توجهی از انعطاف پذیری کل سیستم سازه- فونداسیون خاک باشد. به طور مشابه، تابش و نوسانات هیسترتیک مرتبط با فعالیت فونداسیون به عنوان یک منبع موج به محیط زمین شناسی اطراف آن می تواند به طور قابل توجهی به سیستم کلی نوسانات کمک کند. این اثر متقابل اینرسی می تواند به طور مختصر با تاثیر خود بر روی فرکانس های ارتعاش معین و نسبت نوسانات بیان شود. این پارامترها به عنوان "پایه انعطاف پذیر" برای یک ساختار در یک پایگاه سازگار و به نام "پایه ثابت" برای حالت ساختگی از یک ساختار ایستا بر روی یک پایه سفت و سخت نامیده می شوند.
مدل های نظری برای سال های بسیاری در پیش بینی اثرات اینرسی SSI در دوره و نسبت نوسانات یک درجه آزادی نوسان ساز وجود داشته است (به عنوان مثال، بیلاک ، 1975؛ ولتسوس و نایر ، 1975). مطالعات قبلی به اعتبار این مطالعات با استفاده از داده های شتابنگاری از ساختار آماده (به عنوان مثال، استوارت و همکاران، a,b 1999) و داده های مجبور به ارتعاش (به عنوان مثال ، لوکو و باروس ، 2004) تلاش کرده اند. ما این کار را با اثرات SSI بررسی شده در دوره پایه اساسی و نسبت نوسانات یک ساختار آزمون مدل خوب توسعه داده ایم. این کار قبلی در جهات مختلف گسترش یافته است: (1) تصویب سنسور و کیفیت سیستم اکتساب داده ها ارزیابی دقیق تر اثرات SSI را بیشتر از امکان پذیری قبلی اجازه می دهد. (2) ساختار آزمون پیکر بندی مجدد شده است به طوری که اثرات SSI برای سطوح مختلف سختی ساختاری، اما شرایط فونداسیون و خاک ثابت، می تواند مورد بررسی قرار گیرد (3) اثرات SSI می توانند برای سه منابع ارتعاش از جمله محیط،تکان دهنده نصب شده ، و زلزله مورد بررسی قرار گیرند.
ساختار آزمون در سال 2004 ساخته شده و در دره گارنر کالیفرنیا واقع شده است. این توسط سایت NEES در UCSB عمل و اداره شده است (نیگبور و همکاران، 2004 ؛ استیدل و همکاران ، 2004؛ http://nees.ucsb.edu ) .
این مقاله با نگاهی کلی از محل و ساختار آغاز می شود. روش های شناسایی این سیستم برای ارزیابی پارامترهای معین برای شرایط مختلف ثبات پایه استفاده شده و سپس همراه با این نتایج ارائه شده اند. این نتایج سپس به منظور بررسی اثرات SSI تفسیر شده اند، که با پیش بینی یک مدل نظری پیش بینی شده اند.
شرح موقعیت و ساختار : ساختار آزمون در یک حوضه رسوبی تعیین محل شده که به عنوان بخشی از آرایش افتراقی دره گارنر (GVDA ) استفاده شده است. دره گارنر کالیفرنیا، در یک منطقه لرزه خیزی بالا است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، شرایط خاک شامل مواد آلی در شن و ماسه بافتی بالا به عمق 18 متر گسترش یافته، که پس از انتقال به تجزیه گرانیت تشکیل شده است. سنگ بستر بلوری نسبتا دست نخورده در عمق 88 متر ایجاد می شود. بستر آب های زیر زمین در فصول بارانی و قطرات حدود 3 متر در فصول خشک است. آزمون ژئوفیزیک ( ثبت تعلیق و SASW ) برای اندازه گیری سرعت موج P- و S- انجام شده است. تجزیه و تحلیل SASW سرعت موج برشی نزدیک به سطح Vs = 207 m/s ، نشان می دهد. ساختار آزمون به طور خاص به منظور تسهیل آزمایش های SSI ساخته شده بود و از این رو است که به عنوان اندرکنش خاک- فونداسیون- سازه ( SFSI ) ساختار آزمون اشاره شده است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، این ساختار متشکل از قاب فولادی ساده حمایت از دال سقف 40 سانتی متر ضخامت می باشد. این فونداسیون متشکل از یک دال بتن مسلح غیر تعبیه 50 سانتی متر ضخامت می باشد. ارتفاع این سازه از پایه فونداسیون تا بالای دال سقف 4.56 متر است. ابعاد طرح فونداسیون و دال سقف 4m x 4m می باشد. پیکر بندی مجدد بادبند برای تغییر ویژگی های ارتعاش آن می تواند در درون سازه قرار داده شود.

ساختار آزمون SFSI با شتاب سنج سه محوری و تک محوره و سنسورهای فشار، استفاده شده است. این ساختار در داخل GVDA گسترده تر تعین محل شده اند، که متشکل از شتاب سنج سه محور آزاد در سراسر دره گارنر واقع شده است.آرایش سوراخ در حال حاضر در نزدیکی سازه است. سیگنال های سنسور دیجیتالی با وضوح 24 بیت و نرخ نمونه از 200 نمونه در ثانیه ثبت شده است. چند زمین لرزه با بزرگی بیشتر و یا کمتر از 5 ثبت شده است. در این مقاله ما دو زمین لرزه با ML=3.5 و Mw=4.9 را در نظر می گیریم. متاسفانه، داده های زمینه آزاد برای این رویدادها موجود نیستند. پایه سازه شتاب اوج برای این دو رویداد به ترتیب g 0.008 و g 0.05 بود. Ml = 3.5 رویداد برای شناسایی سیستم بدون استحکام استفاده شده و ML = 4.9 رویداد برای شناسایی سیستم با استحکام استفاده می شود.

شناسایی سیستم
ثبت حرکت زمین و آزمایش های ارتعاش اجباری ممکن است در روش های شناسایی سیستم به منظور برآورد پارامترهای لرزش معین از سیستم خاک - سازه استفاده شود. شناسایی سیستم فرآیندی است که خواص یک سیستم ناشناخته بر اساس ورودی های اندازه گیری شده به سیستم و خروجی از سیستم می باشد. هنگامی که جفت های ورودی و خروجی های مختلف مورد استفاده قرار گیرد، سیستم خود را تغییر می دهد. با اشاره به شکل 3، ثبت پایه سازه را می توان به عنوان مجموعه ای از حرکت زمین زمینه آزاد (ug) و حرکت زمینه آزاد / فونداسیون نسبی (uf) مشاهده نمود. این حرکت در پشت بام سازه به عنوان یک نتیجه از چرخش پایه ( QH ) و تغییر شکل از سازه خود (u) تغییر یافته است. از این رو، اگر Ug به عنوان حرکت ورودی و سقف گرفته شده است به عنوان خروجی گرفته شده، سیستم مداخله سهمی از حرکت انتقالی های پایه، چرخش پایه، و تغییر شکل سازه و به عنوان وضعیت پایه های انعطاف پذیر نامیده می شود. به طور مشابه، اگر مجموع حرکت انتقالی پایه و qH به عنوان ورودی و حرکت انتقالی سقف به عنوان خروجی در نظر گرفته شود، سیستم مداخله ساختاری تنها، و خواص شناخته شده به عنوان پایه ثابت نامیده می شوند. این مورد شبه انعطاف پذیر یک مورد مداخله است که حرکت انتقالی پایه را نادیده می گیرد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. مشتقات رسمی از جفت ورودی و خروجی بالا توسط استوارت و فنوس (1998) ارائه شده است.

اندازه گیری عمومی اثرات SSI می تواند با مقایسه پارامترهای پایه ثابت و انعطاف پذیر به دست آمده باشد. یکی از اثرات مهم اندرکنش خاک- سازه افزایش دوره سیستم با توجه به مورد پایه ثابت می باشد. این پدیده دوره طولانی نامیده می شود. یکی دیگر از اثرات مهم SSI معرفی نوسانات فونداسیون است، که شامل سهم نوسانات تابش و نوسانات مواد هیسترتیک می باشد. این توسط یک عامل نوسانات فونداسیون ( BF ) بیان شده است که به شرح زیر اظهار شده است ( بایلاک ، 1975؛ ولتوس و نایر ، 1975 ):

که در آن _ b = نوسانات پایه انعطاف پذیر ، b = نوسانات پایه ثابت ، _ T = دوره های پایه انعطاف پذیر و T = دوره پایه ثابت.
ما از یک روش شناسایی سیستم پارامتریک توصیف شده با جزئیات توسط استوارت و فنوس ( 1998) برای بررسی فرکانس های حالت فونداسیون و نسبت های نوسانات استفاده کرده ایم. در این روش، این سیستم در نظر گرفته شده است که شامل یک سازه با چند درجه آزادی با حجم فشرده شده می باشد. روش ورودی به خروجی نقشه ها از طریق یک سطح تابع انتقال در حوزه لاپلاس (روش پارامتریک) تعریف شده است. این سطح به عنوان یک تابع از هر دو فرکانس و نوسانات تعریف شده است. هماهنگی با این سطح ارزیابی شده، به طوری که برای خطای تجمعی به حداقل رسیده بین خروجی مدل و خروجی ثبت شده است. حداکثر این سطح، فرکانس های معین و نسبت های نوسانات را تعریف می کند.
شناسایی سیستم پارامتری به دو پارامتر مشخص شده توسط کاربر ؛ تاخیر زمانی بین ورودی و خروجی سیگنال ها و تعداد حالت های مورد نیاز برای گرفتن واکنش از سیستم نیاز دارد. این در شکل 4 برای یک جفت ورودی خروجی خاص (سازه بدون استحکام، جفت های ورودی و خروجی شبه انعطاف پذیر) نشان داده شده است. حداقل خطا در یک تاخیر زمان 2 رخ می دهد. این خطا برای تعدادی از حالت های اساسی برای تعدادی از حالت های کوچکتر از 4 تغییر معنی داری نداشت.

با استفاده از فاصله زمانی فوق و تعداد حالت، سطح تابع انتقال شناسایی شده است همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. محل هایی از نقاط بالا ("قطب") و نقاط پایین ("صفر") به دست آمده است که فرکانس های معین و نسبت نوسانات را تعریف کرده است. شکل 6 یک تکه از توابع انتقال پارامتریک بر روی محور فرکانس را به عنوان یک تابع انتقال تعریف شده از طیف توان هموار شده تابع چگالی از ورودی و خروجی مقایسه نموده (پاندیت، 1991، استوارت و فنوس، 1998). توجه داشته باشید که فرکانس های بزرگ به طور منطقی تطبیق شده اند. این دامنه نباید به عنوان تابع انتقال وابسته به روش هموار کردن (استوارت و همکاران، 1999)، استفاده شود. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده، بررسی دیگری شامل مقایسه سری زمان خروجی از مدل پارامتری برای داده ها، که یک بازی منطقی را نشان می دهد.

نتیجه این تجزیه و تحلیل این است که فرکانس شبه انعطاف پذیر اولین حالت و نسبت نوسانات به عنوان 6.25 هرتز و 1.1٪ برآورد شده است. تکرار این تجزیه و تحلیل برای جفت پایه ثابت ورودی و خروجی و برای ساختار آماده بازده نتایج در جدول 1 ارائه شده است. کاهش فرکانس و افزایش میرایی از شبه پارامتر انعطاف پذیر و باز نسبت به پارامتر ثابت، پایه نشان می دهد اثر SSI داخلی برای این ساختار.

جهت خرید فایل تماس بگیرید 
09375520909 - شبستری
shabestari716@gmail.com