پایان نامه - مقاله - تحقیق

مخازن هوایی ذخیره مایعات، نه تنها برای ذخیره آب، بلکه برای ذخیره مواد شیمیایی و سمی، در اشکال مختلف بکار می­روند. با در نظر گرفتن کاربرد این سازه­ها در عمران و شهرسازی و شبکه­های صنعتی، اهمیت آن ها، قبل و بعد از وقوع زلزله مشخص می­گردد. اهمیت این سازه­ها از آنجاست که وظیفه مهمی چون آبرسانی، به عهده این مخازن می­باشد. همچنین در هنگام وقوع زلزله، اگر شکستی در مخازن ذخیره مواد شیمیایی و سمی رخ دهد، باعث ایجاد ضررهای محیطی و طبیعی می­گردد.
با توجه به پیچیدگی رفتار این سازه­ها، نیاز به بررسی­ها و مطالعات بیشتری در این نوع مخازن احساس می­شود. این پیچیدگی­ها، بیشتر مربوط به اندر کنش بین آب و سازه می­باشد.
تعدادی از این مخازن در زلزله سال 1990 منجیل (در شهر رشت و بندر انزلی) و در سال 2003 بم سقوط کرده یا خسارت دیده­اند. زمانی که مخزن ذخیره مایع به لرزش می­افتد، نیروهای هیدرودینامیکی در سطح تماس بین آب و دیوارهای سازه ایجاد می­شود؛ که مقدار این نیروها وابسته به شتابی است که مخزن از طرف زمین دریافت می­کند. در مخازن مرتفع علاوه بر این نیروها، جرم مخزن که در قسمت بالایی سازه نگهدارنده قرار دارد، لنگری به پای سازه نگهدارنده منتقل می­کند. زوال در مخازن مرتفع، عمدتاً به علت لنگر ایجاد شده در پای سازه نگهدارنده می­باشد. این لنگر باعث زوال موضعی یا کلی سیستم می­شود.

با داشتن مشخصات سازه­ی مخزن بتنی مرتفع، که در زلزله سال 1990 منجیل (در شهر رشت) و در سال 1990 منجیل به زوال رسیده است، آن را مدل می­کنیم. نیروهایی را که
 می­بایست به سازه اعمال کنیم، شامل نیروهای استاتیکی و نیروهای دینامیکی می­شود. نیروهای استاتیکی شامل وزن سازه و وزن آب داخل مخزن می­باشد. نیروهای دینامیکی، که منشا پیدایش آنها حرکت زمین است؛ شامل نیروهای ناشی از جرم سازه، جرم آب ثابت و جرم آب متحرک می­باشد.
اعمال نیروهای هیدرو دینامیکی به سازه، به دو روش کلی می­تواند صورت بگیرد:
1- بصورت استاتیکی (با استفاده از آیین­نامه­های مختلف)
2- بصورت دینامیکی
بعد از آنکه نیروها به سازه اعمال شد، نوبت به بررسی تنش­ها، نیروهای داخلی سازه و در نهایت تشخیص مکانیزم شکست سازه می­رسد.
شکست سازه به دو نوع صورت می پذیرد:
1- شکست خمشی: شکست خمشی معمولاً با تسلیم میلگرد همراه می­باشد. در این حالت، کاهندگی مقاومت در حلقه­های پسماند دیده نمی­شود، اما کاهندگی سختی ناشی از تسلیم میلگردها مشخص می­باشد. در شرایطی که دیوار تحت نیروی فشاری نیز قرار گیرد شکست خمشی، با خرد شدن بتن فشاری همراه است؛ در این حالت علاوه بر کاهش سختی کاهش مقاومت نیز به وجود می­آید.
2- شکست برشی: دیوارهائی که نسبت ابعاد (ارتفاع به طول) کمی دارند، دچار شکست برشی می­گردند، در این حالت دیوارها دچار ترک­های قطری می­شوند. مود شکست در این حالت به صورت ترد در پای دیوار رخ می­دهد.
با تشخیص نوع و چگونگی شکست، بحث بهسازی مخزن مطرح می­شود.
امروزه نگهداری و مرمت سازه­ها، به دلیل هزینه­های بالای ساخت آنها، اهمیت بسیار زیادی پیدا نموده است، به همین دلیل و به علت نیاز روز افزون مهندسین و متخصصین صنعت ساختمان به تقویت، ترمیم و بهسازی سازه­های بتنی، روش­های مختلف و متعددی برای این موضوع مطرح گشته است. از جمله روش­های مقاوم­سازی لرزه­ای سازه­های بتنی، استفاده از کامپوزیت­های FRP می­باشد. از جمله مزیت­های این مواد، سادگی اجرا در عین سرعت عمل بالا، وزن کم، مقاومت کششی بالای ورق­ها، مقاومت در برابر خوردگی، جذب ارتعاشات و افزایش مقاومت و استحکام سازه (خصوصاً در مقابل بارهای دینامیکی) می­باشد.
در قیاس با سایر روش­های مقاوم سازی، می­توان به عملکرد مناسب سازه­ای و تسهیلات اجرایی آن اشاره نمود.
در این تحقیق می‌خواهیم با مشخص کردن رفتار مخازن بتنی ذخیره آب، مرتفع با استفاده از نرم­افزار المان محدود، مکانیزم شکست این سازه­ها را تشخیص دهیم. سپس جهت مقاوم­سازی لرزه­ای این مخازن با استفاده از کامپوزیت FRP، آن را مدلسازی مجدد کرده و تحت بارهای دینامیکی مورد کنترل و بررسی قرار دهیم.
بر تحقیقات گذشته
ساخت مخازن مرتفع (بصورت کامپوزیت) برای اولین بار در اواخر دهه 1970 در کشور کانادا شروع شد. در اواخر دهه ی 1980 آمریکا شروع به ساختن این نوع مخازن کرد. مباحث مخازن ذخیره آب مرتفع، در ادامه­ی مباحث مطرح شده در ارتباط با مخازن ذخیره آب زمینی قرار دارند. ارتباط مستقیم بین آنها باعث می­شود پشینه­ی مربوط به مخازن زمینی، که خود بخش اعظمی از پیشینه مخازن مرتفع می­باشد، در ابتدا مورد بررسی قرار گیرد.
در مبحث مخازن، یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار در طراحی، نیروهای هیدرودینامیکی هستند. اولین تحقیق عمده برای بدست آوردن نیروهای ناشی از زمین لرزه در مخزن­های دایره­ای حاوی مایعات، توسط جیکوبسن (Jacobsen)، در سال 1949 [1]، انجام گرفت. وی تابع بسل (Bessel) را بکار گرفت، وی معادله لاپلاس را برای حرکت مایع حل کرد، سپس برای فشار و نیروهای هیدرودینامیکی که بر سیلندر صلب وارد می­شوند، بیانی بدست آورد.
همان­طور که ذکر شد، مخزن صلب در نظر گرفته شده است، بنابراین از انعطاف پذیری
دیواره­ها صرف­نظر شده است. هاوزنر (Housner)، در سال 1957 [2]، فشارهای هیدرودینامیکی را بر دیوارهای مخزن با روش تحلیلی محاسبه کرد. سپس وی در سال 1963 فشار آب را با فنر و جرم مدل کرد. ولتسس (Veletsos)، در سال 1974 [3]، جواب
 انعطاف­پذیر مخزن را در نظر گرفت؛ وی بیانی برای فشار تکان دادنی صلب در حد مقدماتی لرزش بدست آورد. وی در این کار فرض کردکه سیستم یک درجه آزادی است. فیشر (Fischer)، در سال 1979 [4]، فشارهای هیدرودینامیکی را با در نظر گرفتن انعطاف­پذیری دیوارهای مخزن تاثیر بسزایی در به وجود آمدن امواج سطحی ندارد. ولی دلیل خود را بر پایه کم تاثیر بودن درگیری مودهای امواج و سازه بیان کرد. هارون و هاوزنر
 (Haroun & Housner)، در سال 1981 [5]، مدل اصلی هاوزنر را با در نظر گرفتن رفتار انعطاف­پذیر مخزن در مورد مقدماتی، ارائه دادند. هارون (Haroun) در سال 1985 [6]، با مدل کردن فنر و جرم مجزا جهت در نظر گرفتن اثرات امواج در نیروهای هیدرودینامیکی، مدل کاملتری را ارائه داد؛ درا ین مدل انعطاف­پذیری و جرم سازه، با اضافه کردن فنر و رم دیگری در نظر گرفته می­شود. وی همچنین تحریک چرخشی را نیز در مدل خود مورد بررسی قرار داد. در تمام مدل­ها، تنها مود اول امواج در نظر گرفته شده بود. لازم به ذکر است که تنها مود اول پایه مدل سازی است و مودهای بعدی اهمیتی ندارد. ماهری و سورن (Maheri & Severn)، در سال 1988 [7]، تأثیر انعطاف­پذیری بر فشارهای هیدرودینامیکی را بررسی کردند، در این کار سعی بر آن شده است که بر پایه آزمایشات انجام شده، روشی پیشنهاد شود، که بتوان فشارهای هیدرودینامیکی را با در نظر گرفتن انعطاف­پذیری مخزن بدست آورد.
در آزمایش شک ناگهانی، شاهد اختلافات زیادی در مقادیر بدست آمده نسبت به مقادیر بدست آمده توسط روابط جیکوبسن هستیم، که نشان دهنده اثر انعطاف پذیری در پدید امدن نیروهای هیدرواستاتیکی است. ماهری و سورن (Maheri & Severn)، در سال 1991 [8]، روش جرم اضافه (added mass) را برای سازه­های انعطاف­پذیر بررسی کردند، این روش
سال­ها برای سازه­های صلب استفاده شده است. در بررسی آزمایشگاهی که ماهری و سورن در سال 1991 به انجام رسانیده­اند، تاثیر استفاده از این روش برای سازه­های انعطاف­پذیر، به صورت مقایسه­های با روش فشار- شتاب (pressure-acceleration) ارائه می­شود.

به منظور تخمین ظرفیت ساختمان­ها، استفاده از روش های استاتیکی بجای روش دینامیکی افزاینده بسیار راحت تر و کم هزینه تر خواهد بود. روش دینامیکی افزاینده هر چند جواب های دقیق تر و نزدیک تری به رفتار واقعی سازه می دهد، پر هزینه بودن و زمان مند بودن میل به استفاده از روش های استاتیکی را برای تخمین ظرفیت افزایش داده است. در روش های تحلیل استاتیکی غیر خطی، مبنای روش بر این اساس است که رفتار سازه توسط مود اول کنترل می­شود و نیز شکل سازه پس از تسلیم ثابت باقی می­ماند که هر دو این فرض ها تقریبی می­باشند، روش MPA (ترکیب مودها)، با استفاده از تئوری دینامیک سازه ها، اثر مودهای بالاتر را در نظر می­گیرد. تحقیقات گذشته حاکی از این است که این روش در قیاس با روش های دیگر از جمله روش های FEMA-440، نتایج بهتری ارایه می دهد. از دیگر روش های تحلیل استاتیکی غیر خطی، روش جابجایی – محور(DPA) است که اساس آن بر فرض بارگذاری توسط جابجایی استوار است. این روش نیز بدلیل استفاده از مود های بالاتر در ناحیه پس از تسلیم همپوشانی خوبی با روش دینامیکی افزاینده دارد.
هدف از این پژوهش ارزیابی دقت روش MPA و DPA در تخمین ظرفیت لرزه ای سازه های منظم و مقایسه نتایج با مقادیر حاصل از تحلیل دینامیکی افزاینده غیر خطی می باشد. برای این منظور تعدادی قاب بتنی منظم ، مورد تحلیل استاتیکی غیر خطی معادل(MPA)  و (DPA) و تحلیل دینامیکی افزاینده قرار گرفتند. در طی انجام این تحلیل ها، پاسخ های کلی و موضعی سازه ها حاصل از تحلیل های استاتیکی غیر خطی معادل و تحلیل دینامیکی افزاینده باهم مقایسه می­شوند. پاسخ ها شامل جابجایی بام، جابجایی نسبی طبقات، برش پایه، محل تشکیل مفصل پلاستیک و شاخص آسیب قاب می باشند. پس از انجام تحلیل ها، دسته بندی و ارایه نتایج آماری برای پارامتر های مختلف پاسخ سازه ها، کنترل تطابق یا عدم تطابق پاسخ تحلیل ها و تحلیل نتایج از جمله کارهایی است که برای رسیدن به نتیجه گیری انجام شده است. با توجه به پاسخ های هر یک از روش ها، می توان به این نتیجه رسید که روش مودال در پاسخ های جابجایی دقت و همبستگی بالاتری دارند حال آنکه روش جابجایی – محور در پاسخ های نیرو نتایج مطلوب تری دارد. هر دو روش در تعیین میزان خرابی و آسیب قاب با خطاهای قابل ملاحظه ای همراه است.
عنوان                                          صفحه
 فصل اول.. 1
نگاهی کلی به روش های آنالیز غیر خطی و بر تحقیقات انجام شده 2
1-1-پیشگفتار 2
1-2-نگاه کلی به روشهای تحلیل غیر خطی سازه ها 4
1-2-1: مدل سازی.. 6
1-2-2:مشخصات زمین لرزه 8
1-2-3: گزینه های تحلیل غیر الاستیک… 8
1-2-3-1: تحلیل دینامیکی غیر خطی.. 9
1-2-3-2: تحلیل دینامیکی مدل ساده شده به چند درجه آزادی معادل (MDOF) 10
1-2-3-3: تحلیل دینامیکی با مدل ساده شده به یک درجه آزادی معادل (SDOF) 10
1-2-3-4: تحلیل استاتیکی غیرخطی معادل(ENSP) 11
1-2-4: تاریخچه روش های استاتیکی غیر خطی و دینامیکی افزاینده 12
1-2-4-1:تحقیقات انجام شده بر روی روش مودال.. 13
1-2-4-2: تحقیقات انجام شده بر روی روش جا بجایی- محور 18
1-2-4-3:تحقیقات انجام شده بر روی روش آنالیز دینامیکی افزاینده 23
1-2-4-4:تحقیقات انجام شده بر روی آنالیز ظرفیت… 34
1-2-4-5: روش طیف ظرفیت (Capacity Spectrum Method) 39
1-2-4-6: روش ضرایب… 40
1-2-4-7: روش N2. 40
1-2-4-8: شکل توزیع بار جانبی در ارتفاع ساختمان.. 41
1-2-5: بررسی کلی آیین نامه های مختلف… 44
1-2-5-1: آیین نامه FEMA356 [10] 44
1-2-5-2: آیین نامه Eurocode 8 [12] 45
1-2-5-3: آیین نامه ATC 40 [4] 45
1-2-5-4: آیین نامه BSL 2000 [29] 45
1-3: بیان مسأله و هدف تحقیق.. 46
1-4: روند دستیابی به هدف تحقیق.. 47
1- 5 : خلاصه فصل.. 49
فصل دوم. 51
تحلیل استاتیكی غیرخطی معادل ودینامیکی افزاینده 52
2-1: پیشگفتار 52
2-2: شرح روش تحلیل استاتیكی غیرخطی معادل.. 53
2-3: روش ترکیب مودها و مبانی تئوری مسئله[15] 57
2-3-1: مبانی تئوری مسئله. 57
2-3-2: خلاصه روش تحلیل ترکیب مودها 58
2-4:روش بارافزون بر اساس جا بجایی.. 60
2-4-1:خلاصه روش جابجایی-محور 61
2-6:  IDA و آنالیز استاتیکی غیرخطی.. 69
2-7:روش انجام آنالیز های ظرفیت… 71
2-8 : خلاصه فصل.. 76
فصل سوم. 77
مشخصات قاب های انتخاب شده برای تحلیلهای غیرخطی.. 78
3-1: پیشگفتار 78
3-2: رفتار قابهای خمشی.. 78
3-3: مفصل پلاستیک در قاب های خمشی.. 80
3-4: معرفی قابها 81
3-4-1: سیستمهای باربر. 81
3-4-2: مشخصات فیزیکی و مکانیکی مصالح.. 81
3-5: بارگذاری.. 82
3-6: معرفی قاب ها 83
4-6-1: ابعاد قاب ها و درصد آرماتور استفاده شده در آن ها 83
3-7: معرفی زمین لرزه های انتخاب شده، مقیاس کردن آنها و طیف فرکانس شتابنگاشتها 84
3-7-1: تاریخچه زمانی شتاب و شتابنگاشتها 84
3-8: نرم افزار مناسب جهت تحلیل غیر خطیِ قاب های بتن آرمه. 83
3-8-1:آشنایی با نرم افزار OpenSees : 83

3-8-2 :امكانات نرم افزار OpenSees: 84
المان تیر ستون غیر خطی (Nonlinear Beam Column) 86
المان تیر با مفصل (Beam With Hinges Element) 86
مقطع Fiber (Fiber Section) 86
3-9 : خلاصه فصل.. 87
فصل چهارم. 88
ارائه نتایج حاصل از آنالیز های مودال و جابجایی-محور و مقایسه با نتایج انالیز دینامیکی افزاینده 89
4-1: پیشگفتار 89
4-2: روند انجام تحلیل‌ها و بدست آوردن نتایج.. 89
4-2-1: طریقه محاسبه جابجایی هدف در روش ترکیب مودها 90
4-3: بررسی نتایج جابجایی  بام. 93
4-3-1: ضریب همبستگی نتایج.. 96
4-3-2: تعریف خطاها 98
4-4:بررسی نتایج نسبت جابجایی نسبی حداکثر. 100
4-5: بررسی نتایج برش پایه: 105
4-6 : محل تشکیل مفصل های پلاستیک… 110
4-7 : شاخص آسیب قاب… 113
4-8 : خلاصه فصل.. 119
فصل پنجم.. 121
نوآوری تحقیق،خلاصه و نتیجه گیری.. 122
5-1: پیشگفتار 122
5-2 : نوآوری تحقیق.. 122
5-3: خلاصه مطالب… 123
5-4 : نتیجه گیری.. 128
فهرست منابع و مآخذ. 131
پیشگفتار
 به منظور طراحی ساختمان ها و یا ارزیابی لرزه ای ساختمان ها و سازه های موجود در برابر بار زمین­لرزه، بطور عمده از تحلیل غیر خطی برای تخمین رفتار سازه در اثر اعمال نیروی زمین لرزه احتمالی در آینده استفاده می­شود. در تحلیل های غیرخطی، دو مساله اصلی؛ نحوه مدل کردن سازه و طریقه اعمال بار زمین لرزه به مدل سازه، ازاهمیت زیادی برخوردار هستند. با توجه به شرایط و اهمیت سازه و نیز هدفی که از تحلیل وجود دارد، مهندسان محاسب، با این مسایل مواجه می باشند.
تحلیل های غیر خطی با توجه به ویژگی مواد سازنده اعضای سازه و نیز طریقه اعمال بار زمین لرزه به دو دسته دینامیکی و استاتیکی و از جهت درجات آزادی مدل سازه به مدل با درجات آزادی زیاد، چند درجه آزادی و یک درجه آزادی تقسیم می شوند. بسیار روشن است، چنانچه مدلی داشته باشیم که خصوصیات غیرخطی اعضای آن در نظر گرفته شده باشد و بار زمین لرزه بدون تغییر و بصورت دینامیکی اعمال شود و نیز در مدل کردن سازه بیشترین درجات آزادی ممکن در نظر گرفته شود، نتایج تحلیل بیشترین دقت را خواهند داشت و هر چه در فرضیات تحلیل، ساده سازی شود، نتایج دقت کمتری خواهند داشت. اما پاره ای مشکلات وجود دارد که طراحان را وادار می کند، کمتر از روش های دینامیکی غیرخطی برای تحلیل استفاده کنند. پیچیدگی، وقت­گیر بودن و هزینه بالای این نوع تحلیل و علاوه بر آن مشکلاتی که در توجیه و تفسیر نتایج حاصله ممکن است ظاهر شود، کاربرد این نوع تحلیل را به پروژه‌های تحقیقاتی و موارد خاص محدود می­کند.
بنابراین روش های طراحی سازه های مقاوم در برابر بار زمین لرزه در سال های اخیر در حال تغییر و بازبینی بوده اند و محققان در سالهای اخیر در تلاش بوده اند، روش جایگزینی بیابند که، مطمئن، با دقت کافی و در عین حال ساده باشد. عمده فعالیت ها در جهت روش های تحلیل استاتیکی غیر خطی بوده است و تاکنون روش های متنوعی ارایه شده اند که قادرند، پاسخ های سازه را بخوبی تخمین بزنند. از جمله این روش ها می توان به روش های تحلیل استاتیکی غیر خطی که در آیین نامه های نوین مثل FEMA ATC ، معرفی شده اند، اشاره کرد. و یا روشهایی که توسط محققانی همانند، Elnashai [1]، Aschhei [2] وغیره ارایه شده اند. البته هر کدام از این روش ها دارای نقاط قوت و ضعف هایی می­باشند. با این وجود، تحقیقات در این زمینه بطور گسترده ای در حال انجام می باشد.
از زمینه های پژوهشی مرتبط با تحلیل غیرخطی، مسایلی است که در ارتباط با تحلیل سازه های نامنظم می­باشد. تحقیقات نشان داده است که اغلب روش های تحلیل استاتیکی غیر خطی در تخمین نتایج سازه های منظم، دقت کافی نداشته اند. بنابراین بررسی روش­های جدید در ارتباط با سازه های منظم، می تواند به عنوان یکی از مسیر های پژوهشی قرار گیرد.
مطالعات گذشته نشان می دهد، روش ترکیب مودها (Modal Pushover Analysis) چوپرا[3] که از روش های اخیر تحلیل استاتیکی غیر خطی است، برای قاب های منظم نتایج بسیار خوبی ارایه می کند. بدین ترتیب، هدف از این تحقیق را بررسی این روش در پیش بینی پاسخ های قاب های خمشی نامنظم قرار دادیم.
در این متن سعی شده است، مطالب مرتبط با مسیر تحقیق به نحو مناسبی گنجانده شود. به این منظور در ادامه همین فصل، کلیاتی در ارتباط با تحلیل غیرخطی سازه ها و انواع آن بیان می شود.
 در فصل بعدی، بر تحقیقات گذشته در مورد تحلیل استاتیکی غیر خطی و تحلیل سازه های منظم خواهیم داشت. در فصل سوم، کلیات تحلیل استاتیکی غیر­خطی و انواع روش های آن مورد بررسی قرار می گیرد. برای آشنایی با مدل های مورد مطالعه و نیز خصوصیات زمین لرزه های انتخاب شده، آنها را در فصل چهارم آورده ایم.
 
1-2-نگاه کلی به روشهای تحلیل غیر خطی سازه ها
نگرش طراحی در دو دهه اخیر از طراحی بر اساس مقاومت بدلیل مشکلاتی که در این نوع طراحی وجود دارد به سمت طراحی بر مبنای عملکرد(Performance based Design(PBD))، در حال تغییر است، در حال حاضر از این روش بیشتر در بهسازی و بازسازی ساختمان ها و سازه های موجود بهره گرفته می شود.
از جمله مشکلات روش طراحی بر اساس مقاومت می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استفاده از ضرایب کاهش نیرو و یا ضرایب شکل­پذیری در طراحی سازه­ها منجر به میزان ریسک یا خطرپذیری غیریکنواخت در آن­ها می­شود. از این روی شکل­پذیری مشخصه ضعیفی جهت نشان دادن پتانسیل آسیب­دیدگی خواهد بود. به عبارت روشن­تر اگر دو ساختمان متفاوت، بر اساس آیین­نامه­ای واحد و با ضرایب کاهش نیرو و یا ضرایب شکل­پذیری یکسان طراحی شوند، ممکن است تحت اثر زمین لرزه­ای معین، سطوح آسیب دیدگی غیر مشابهی در آنها به وجود آید.
• در اکثر ساختمان­ها ( به خصوص در ساختمان­های بلند ) محدودیت­های تغییر مکان نسبی طبقات، بر طرح لرزه­ای حاکم خواهند بود. این موضوع علاوه بر مسأله عدم قطعیت در تعیین تغییرمکان­های نهایی، بر پیچیدگی طراحی نیز خواهد افزود چرا که فرآیند طراحی را به یک روند تکرار شونده تبدیل می­نماید.
• مسأله آسیب دیدگی برای اعضای سازه­ای و غیر سازه­ای وابسته به کرنش و تغییر مکان­های نسبی است. واضح است که در طراحی بر اساس نیرو، هیچ رابطه­ای بین مقاومت موجود و آسیب­دیدگی متناظر با آن وجود ندارد.

برای طراحی سازه ها، ارزیابی و نیز بهسازی سازه های موجود بر مبنای روش PBD، بیشترین کاربرد را روشهای تحلیل غیر خطی دارند[5،4]. هدف از این تحلیل پیش بینی پاسخ سازه تحت لرزش زمین لرزه ای است که در آینده رخ خواهد داد. این مساله اهمیت و ارزش زیادی در طراحی بر اساس عملکرد، به عنوان روشی برای طراحی و ارزیابی زمین لرزه ای پیدا کرده است. در روش PBD از پیش بینی عملکرد سازه در زمین لرزه برای تصمیم گیری درمورد ایمنی آن در زمین لرزه استفاده می­کند. برای این هدف، PBD، مشخصات عملکردی اولیه را بصورت آسیب های پیش بینی شده در اعضای سازه ای و غیر سازه ای بیان می کند. آسیب های سازه ای دلیل بر رفتار غیر الاستیک هستند، پس شیوه های تحلیل و طراحی سنتی که از روش های الاستیک خطی استفاده می کنند تنها قادر به پیش بینی ضمنی رفتار سازه هستند، از طرف دیگر هدف روش های تحلیل غیر خطی سازه های تحت اثر نیروهای ناشی از زمین­لرزه تخمین مستقیم مقدار تغییر شکل های غیر الاستیک است. روند معمولی تحلیل غیر الاستیک شبیه شیوه های خطی رایج است که مدل سازه در معرض تعدادی زمین لرزه قرار می گیرد، شکل (1-1).
شکل1-1: روش تحلیل غیر خطی برای تخمین نیروها وتغییر شکل های غیر الاستیک [4]
 نتایج تحلیل، تخمین پاسخ های تقاضای مهندسی  (Engineering Demand)از مدل سازه‌ای است که این نتایج متعاقباً در قیاس با معیار های قابل قبول برای تعیین عملکرد سازه استفاده می شوند. پارامتر های تقاضای مهندسی شامل تغییر مکان هدف (roof displacement) جابجایی نسبی طبقه، برش طبقه، نیرو و تغییر شکل اعضای می­شود. چندین روش تحلیل غیر­الاستیک مبنای وجود دارند که بر اساس نوع مدل سازه و اهمیت آن روش تحلیل تعیین می­شوند. در ادامه مشخصات تحلیل غیر الاستیک و روش های متنوع آن بیان می شود.
1-2-1: مدل سازی
اولین مساله در تحلیل غیر خطی نحوه مدل کردن آن می باشد. مدل کردن سازه در تحلیل غیر الاستیک شبیه مدل کردن در تحلیل الاستیک خطی اجزای محدود است، تفاوت اولیه در مشخصات همه یا تعدادی از اعضای مدل، شامل مشخصات تغییر شکل و نیرویی پس از مرحله الاستیک علاوه بر ویژگی های الاستیک می باشد که می باید مشخص شده باشد. بطور معمول تقریب هایی وجود دارد که از نتایج آزمایشات اعضای خاص یا تحلیل های تئوری بدست آمده است. در بیشتر مواقع استفاده از پارامترهای مربوط به مشخصات ژئوتکنیکی و شالوده نیز در مدل از اهمیت برخوردار است.
شکل 1-2: جزییات شماتیک از مدل غیر الاستیک سه بعدی سازه [1]
 در جزییات مدل ها به ناچار تقریب ها و عدم قطعیت هایی اعمال می شوند. و نیز برای نتایج بدست آمده یک تخمین حد وسط و یا میانگینی زده می شود که بستگی زیادی به برداشت و تفسیر مهندسی دارد. در بعضی اوقات مهندسان مدل سازه 3 بعدی را با یک مدل چند درجه آزادی، معادل می کنند. این امر می تواند با یکسان فرض کردن ویژگی ها انجام شود که مدل“Fishbone” نامیده می شود، شکل (1-3-a). در بعضی موارد مدل بازهم ساده تر می­شود، که مدل میله ای“stick”نامیده می شود، برای مثال در صورتی که لنگر چرخشی در امتداد اعضای خمشی مثل دیوار برشی طره و یا قاب مهار بندی شده، نادیده گرفته شود، از مدل میله ای تیر خمشی شکل (1-3-b) استفاده شده است. و یا نیز زمانی که فقط رفتار و مکانیسم های برشی طبقه در نظر گرفته شود ( تیر قوی و ستون ضعیف)، تیر برشی، شکل (1-3-c)می تواند به عنوان مدل مناسبی به کارگرفته شود.

 شمع‌ها اعضای سازه‌ای از چوب، بتن، فولاد و یا مصالح دیگر هستند كه برای انتقال بارهای سطحی به سطوح پایین‌تر در خاك مورد استفاده قرار می‌گیرند. این انتقال توسط توزیع بار در طول بدنه شمع یا انتقال مستقیم بار به لایه پایین‌تر از طریق نوك شمع صورت می‌گیرد كه حالت اول را شمع اصطكاكی و حالت دوم را شمع اتكایی گویند. معمولاَ همه‌ی شمع‌ها بار را به صورت تركیبی از اصطكاك بدنه و مقاومت نوك انتقال می‌دهند مگر مواردی كه مثلاَ شمع در یك خاك خیلی نرم نفوذ كرده تا به یك بستر سخت برسد. شمع‌ها معمولاً برای اهداف زیر استفاده می‌شوند:
1- انتقال بار سازه‌های عظیم به درون لایه‌های زیرین. (بارهای عمودی و جانبی)
2- مقاومت در مقابل نیروی كششی رو به بالا یا واژگونی به عنوان مثال برای پی‌های یكنواخت در زیر سطح آب یا برای نگه‌داشتن پایه‌های پل در مقابل واژگونی ناشی از بارهای جانبی نظیر باد.
3- تراكم لایه‌های نرم و غیرچسبنده توسط تركیبی از جابه‌جایی‌ها توسط حجم شمع و حركت شمع به شیوه‌ی لرزشی . این نوع شمع‌ها ممكن است بعداً بیرون كشیده شوند.
4- كنترل نشست، هنگامی كه پی نواری یا گسترده روی خاكی كه در زیر آن لایه‌ای با قابلیت تراكم زیاد قرار دارد.
5- سخت‌تر كردن خاك در زیر پی برای كنترل دامنه ارتعاش و فركانس طبیعی سیستم.
6- به عنوان ضریب اطمینانی بیشتر برای پایه‌ها یا تكیه‌گاه‌های پل.
7- در سازه‌های فراساحلی برای انتقال بارها در بالای سطح آب به خاك زیرین. گاهی اوقات برای كنترل حركات زمینی (برای مثال زمین لغزش‌ها). شمع‌ها تحت بارهای عمودی و جانبی ممكن است گسیخته شوند. همچنین در اعضای طویل ممكن است گسیختگی كمانشی رخ دهد.
یك پی به صورت شمع بسیار هزینه‌برتر از پی نواری و تقریباً هزینه‌برتر از یك پی گسترده است. در هر مورد طراحی پی‌ها مطالعات در مورد

 مشخصات خاك محل بسیار حائز اهمیت است. زیرا براساس این مطالعات باید با دقت تصمیم‌گیری شود كه آیا نیاز به شمع است و اگر هست آیا به تعداد بیشتری یا طول شمع بیشتری نیاز است.

ظرفیت باربری شمع به معنای حداكثر بار وارده به شمع می‌باشد، كه شمع تحت اثر آن به میزان قابل قبولی نشست كند. در نظر گرفتن ظرفیت باربری به میزان بیشتر از مقدار واقعی، چه بسا موجب وارد آمدن خسارت سنگین به سازه‌ها و یا زوال كلی آن­ها شده است. از طرف دیگر در نظر گرفتن آن به میزان كمتر از مقدار واقعی، باعث بزرگ شدن بیش از حد ابعاد شمع شده و آن را غیراقتصادی می‌سازد. ظرفیت باربری نه تنها به مشخصات مكانیكی خاك و شرایط محیطی بستگی دارد، بلكه تابعی از شكل، ابعاد، جنس و نحوه اجرای آن می‌باشد. به دست آوردن یك رابطه كلی برای محاسبه ظرفیت باربری شمع‌ها حتی با در نظر گرفتن تعداد محدودی از عوامل مؤثر در آن، منجر به معادلات دیفرانسیل بسیار پیچیده‌ای می‌شود كه حل آن­ها در حالت كلی مقدور نبوده و تنها در برخی حالات محدود میسر می‌باشد. اگرچه كه امروزه روشهای تحلیلی سودمندی مانند روش اجزای محدود باعث شده تا گرایش به سمت روش‌های تحلیل عددی افزایش یابد. البته باید توجه داشت كه نتایج حاصل از مدلسازی‌های اجزای محدود و یا روش‌های مشابه باید حتماً با نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی شوند تا قابل استفاده باشند.
 1-2- هندسه متعارف برخی شمع‌های درجا
یك شمع درجا با حفر یك سوراخ در زمین و پركردن آن با بتن شكل می‌گیرد. این سوراخ ممكن است به صورت صندوقچه حفر شده و یا به وسیله راندن یك پوسته یا لوله جداری در زمین ایجاد شود. لوله جداری می‌تواند توسط یك محور فولادی در زمین رانده شود؛ به طوریكه محور فولادی در هنگام بالا آمدن، لوله جداری را رها می‌كند.
شكل (1-1) برخی از شمع‌های درجا كه استفاده از آن‌ها رایج است را نشان می‌دهد. باید توجه داشت كه این شمع‌ها به طور كلی سه نوع می‌باشند. (1) پوسته‌ای یا جداره‌ای (2) فاقد پوسته و (3) پایه ستونی.
شکل 1-1- هندسه برخی شمع­های درجا [1]
در شكل (1) موارد (a) و (b) شمع‌های بدون پوسته هستند. موارد (b) و © شمع‌های پایه ستونی هستند كه حداكثر تا 35 متر طول دارند. شمع‌های © تا (h) از نوع پوسته‌ای هستند كه در بین آن‌ها (f) و (g) شمع‌های مخروطی و (h) شمع مخروطی پله‌ای می‌باشد.
شمع‌های با مقطع متغیر شمع‌هایی هستند كه مقاطع عرضی در قسمت سرشمع نسبت به نوك بزرگتری دارند. یكی از انواع شمع‌های با مقطع متغیر شمع با مقطع دایروی متغیر می‌باشد كه از لحاظ شكل ظاهری به شكل مخروط بوده و به شمع مخروطی شهرت دارد (شكل 1- موارد f و g). شمع‌های به شكل مخروط یك مزیت اساسی نسبت به شمع‌های استوانه‌ای دارند و آن این است كه در حالت اصطكاك به طرف پایین، نیروی محوری شمع از قسمت سرشمع به سمت نوك شمع كم می‌شود پس از لحاظ مقطع برای انتقال بار سازه‌ای به خاك هر چه به سمت پایین شمع می‌رویم به مقاطع كوچكتری نیاز می‌باشد كه این موضوع را در شمع‌های مخروطی مشاهده می‌كنیم. این امر باعث صرفه‌جویی در حجم مصالح و توزیع صحیح مصالح در شمع می‌شود. همچنین برای شمع‌های تحت بار جانبی هنگامی كه بار جانبی به قسمت سرشمع اعمال می‌شود، از سر شمع به نوك شمع به دلیل انتقال بار به خاك از مقدار نیروی افقی در بدنه سازه‌ای شمع كاسته می‌شود كه این امر با شكل و حجم مصالح و اندازه مقاطع شمع مخروطی كه روندی كاهنده در طول شمع دارد مطابقت دارد و در كل می‌توان گفت كه شمع‌های مخروطی نسبت به شمع‌های استوانه‌ای دارای یك توزیع مناسب‌تر مصالح برای انتقال انواع بارگذاری‌ها می‌باشند. برای آنكه یك شالوده به عنوان شمع تعریف شود لازم است كه نسبت عمق به عرض متوسط یا شعاع حداقل برابر 6 باشد. طبق این تعریف حداكثر زاویه‌ای كه برای یك شمع مخروطی می‌توان در نظر گرفت 9/46◦ درجه می‌باشد. بیشتر روابطی كه تاكنون برای شمع‌ها انتشار یافته‌اند مربوط به شمع‌های استوانه‌ای یا منشوری می‌باشند، در حالی كه برای شمع‌های مخروطی رابطه تئوری مشخصی ارائه نشده است كه بتواند رفتار آن­ها در خاك را مشخص كند. با این حال در سه دهه اخیر یك افزایش در علاقه مندی به مطالعه، برای بررسی رفتار شمع‌های مخروطی دیده شده است.
1-3- نحوه قرارگیری شمع‌ها در خاك
شمع‌ها از طریق چندین روش در خاك قرار می‌گیرند:
1- راندن شمع در خاك توسط ضربات ثابت متوالی در بالای شمع با استفاده از چكش شمع. این روش صدا و لرزش‌های محلی قابل توجهی ایجاد می‌كند كه ممكن است توسط آیین‌نامه‌های محلی یا سازمان‌های محیط زیستی مجاز نباشد و همچنین ممكن است به سازه‌های اطراف خسارت وارد كند.
2- راندن شمع در خاك توسط دستگاه لرزش متصل به سرشمع. این روش معمولاً بی‌سروصدا است. این روش برای راندن در خاك‌های با چسبندگی كم كاربردی‌تر است.
3- جك كردن شمع. این تكنیك برای شمع‌های كوتاه و سخت كاربردی‌تر می‌باشد.
4- حفر كردن یك سوراخ و قراردادن شمع درون آن یا به صورت رایج‌تر، پركردن حفره با بتن.
 1-4- گروه شمع‌ها
گروه شمع‌ها با بارگذاری عمودی
وقتی كه تعدادی شمع در كنار هم جمع می‌شوند، معقول است كه انتظار داشت كه فشارهای ایجاد شده در خاك ناشی از اصطكاك جانبی و یا مقاومت اتكائی همانطور كه در شكل زیر نشان داده شده روی هم بیافتند. (شكل2-1)
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 كافی بزرگ شود خاك در برش گسیخته خواهد شد و یا نشست‌های اضافی خواهیم داشت. شدت تنش در نواحی تنشی روی هم افتاده  به طور واضحی با افزایش در فواصل شمع‌ها (S) كاهش خواهد یافت. اگرچه كه فواصل زیاد اغلب غیرعملی هستند. زیرا معمولاً كلاهك گروه شمع برای تكیه‌گاه ستون‌های سازه و همچنین پخش كردن بار روی چندین شمع بر روی سر تمام شمع‌ها به صورت یكپارچه ساخته می‌شود و همین عامل می‌تواند باعث محدود شدن فاصله‌ی شمع‌ها از هم شود. (شكل 1-3)
شکل 1-3- الگوهای متعارف گروه شمع­ها-(a) برای دال­های بتنی تکی(b) برای دیوارهای بتنی[1]
با توجه به كم بودن بررسی‌های عددی و مدلسازی‌ها توسط نرم‌افزار برای شمع‌های مخروطی و به خصوص برای گروه شمع‌های مخروطی نسبت به آزمایش‌های آزمایشگاهی در این زمینه، در این تحقیق هدف مدلسازی گروه شمع‌های مخروطی و استوانه‌ای با استفاده از نرم‌افزار سه بعدی “PLAXIS” و در نهایت مقایسه و بررسی نتایج حاصل از مدلسازی‌ها با استفاده از نمودارهای بار- نشست می‌باشد. بنابراین مشخصه‌هایی از گروه شمع‌ها یعنی زاویه مخروط شدگی، زاویه اصطكاك داخلی خاك ماسه‌ای، ضریب فشار جانبی خاك و زاویه اتساع خاك در گروه را تغییر می‌دهیم و مدل‌ها را با هم مقایسه می‌كنیم. باید توجه داشت كه 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 یكدیگر نیز در گروه شمع‌ها بهینه انتخاب شده و ثابت می‌ماند. مدلسازی‌ها برای گروه شمع‌های 4 تایی انجام می‌شوند. پس از بدست آوردن نمودارهای نیرو- نشست برای هر گروه شمع ظرفیت باربری كل هر گروه با استفاده از چندین تكنیك متفاوت و مرسوم اندازه‌گیری شده و گروه شمع دوباره تحت همان نیرو مورد آنالیز قرار می‌گیرد. سپس نتایج حاصل از آنالیز ثانوی را برداشت كرده و با استفاده از یك سری داده‌های مربوط به تنش مؤثر قائم و بردن آن­ها به نرم‌افزار تجاری “surfer 2009” یك انتگرال‌گیری عددی روی سطح كف شمع‌ها انجام می‌دهیم تا مقدار ظرفیت باربری اتكائی و اصطكاكی شمع‌ها را نیز در اختیار داشته باشیم. بدین صورت 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.

1-1-کلیات…………………………………………………………………………… 2
1-2- روانگرایی   ……………………………………………………………………… 3
1-3- روانگرایی جریانی………………………………………………………………………….. 3
1-4- تحرک سیکلی………………………………………………………………….. 4
1-4-1- انتشار جانبی…………………………………………………………………….. 5
1-4-2- روانگرایی سطحی……………………………………………………………. 6
1-5- روشهای مقابله در برابر پدیده روانگرایی……………………………………. 7
1-5-1- شرح عمومی روشهای مقابله در برابر پدیده روانگرایی………………………………. 8
1-5-1-1- روشهای تراکمی…………………………………………………………………………….. 11
1-5-1-1-1- شمع های ماسه ای متراکم…………………………………….. 11
1-5-1-1-2- روش ویبراسیون میله………………………………………………. 18
1-5-1-1-3- روش ویبراسیون شناور…………………………………………….. 20
1-5-1-1-4- روش تراکم دینامیکی………………………………………………. 21
1-5-1-1-5- روش کوبیدن لرزشی……………………………………………….. 23
1-5-1-2- روش صلب سازی و تثبیت خاک…………………………………………………. 24
1-5-1-3- روش تعویض و جای گذاری…………………………………………………………. 28
1-5-1-4- پایین انداختن تراز آب زیرزمینی…………………………………………………. 29
1-5-1-5- روش استهلاک فشار آب منفذی………………………………………………….. 30
1-5-1-6- روش محدود سازی کرنش برشی…………………………………………………. 31
1-6- مقایسه روشهای جلوگیری از رخداد روانگرایی………………………………………………………. 32
1-6-1- مقایسه از حیث دامنه کاربرد……………………………………………………………………….. 33
1-6-1-1- نوع خاک…………………………………………………………………………………………. 34
1-6-1-2- بررسی آمارهای رسمی موجود……………………………………………………… 37
عنوان                                                                                              صفحه
1-6-2-  مقایسه مکانیسم عملکرد روش های مقاوم سازی در برابر رخداد روانگرایی        40
1-6-3- مقایسه روش های مقاوم سازی از لحاظ آلودگی های زیست محیطی……… 43
 فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده
2-1- شمع های ماسه ای متراکم ……………………………………………………………………… 46
2-2- تاریخچه، روند طراحی و روشهای اجرا………………………………………………….. 46
2-3- روند طراحی شمع های ماسه ای متراکم………………………………………… 47
فصل سوم: روش انجام کار
3-1- آشنایی با نرم افزار PLAXIS  ………………………………………………………. 52
 3-1-1- زیر برنامه ورودی    ………………………………………………………………… 53
3-1-1-1- الگو های تحلیلی……………………………………………………………………………. 53
3-1-1-2- اجزاء……………………………………………………………………………………………….. 54
3-1-1-3- ویژگی های مصالح…………………………………………………………………………. 55
3-1-1-4- الگو های رفتاری خاک………………………………………………………………….. 56
3-1-1-5- شرایط مرزی…………………………………………………………………………………… 58
3-1-1-6- تولید شبکه اجزاء محدود………………………………………………………………. 59
3-1-1-7- شرایط اولیه……………………………………………………………………………………. 59
3-1-2- زیر برنامه محاسبات……………………………………………………………………. 59
3-1-2-1- تحلیل پلاستیک…………………………………………………………………………….. 60
3-1-2-2- تحلیل تحکیم…………………………………………………………………………………. 61
3–1-2-3- تحلیل پایداری……………………………………………………………………………… 61

3-1-2-4- تحلیل دینامیکی…………………………………………………………………………….. 62
3-1-3- زیر برنامه خروجی…………………………………………………………………………. 62
3-1-4- زیر برنامه منحنی ها……………………………………………………………………………………… 63
3-2- نحوه مدل سازی…………………………………………………………………………….. 63
3-2-1- هندسه مدل………………………………………………………………………………………………….. 65
3-2-2- مشخصات فنی خاک…………………………………………………………………………………….. 67
3-2-3- تحلیل مدل………………………………………………………………………………………… 67
عنوان                                                                                              صفحه
3-3 تئوری بسط حفره در توده خاک نامحدود……………………………………………………………… 69
3-3-1- Vesic (1972)……………………………………………………………………………………………. 70
3-3-2- Ramesh , Gupta (2002)………………………………………………………………….. 73
3-3-2-1- کرنش های پلاستیک در ناحیه پلاستیک اطراف یک حفره
استوانه ای…………………………………………………………………………………………….. 74
3-3-3- H. Vaziri and X. Wang(1992)…………………………………………………….. 76
3-3-4- R. Salgado, J. K. Mitchell, M. Jamilkowski(1997)……… 78
فصل چهارم: نتایج، بحث و پیشنهادات 
4-1- نتایج بدست آمده و بحث …………………………………………………………….. 81
4-1-1- نتایج در دانسیته نسبی 40%…………………………………………………………. 81
4-1-1-1- نرخ جایگذاری 05/0 (05/0as=)………………………………………………….. 82
4-1-1-2- نرخ جایگذاری 1/0 (1/0as=)………………………………………………………. 85
4-1-1-3- نرخ جایگذاری 15/0 و 02/0( 2/0 و 15/0as=)……………………….. 88
4-1-2- نتایج در دانسیته نسبی 50%………………………………………………….. 91
4-1-2-1- نرخ جایگذاری 05/0 (05/0as=)…………………………………………………. 92
4-1-2-3- نرخ جایگذاری 1/0 (1/0as=)………………………………………………………. 94
4-1-2-3- نرخ جایگذاری 15/0 (15/0as=)…………………………………………………. 95
4-1-2-4- نرخ جایگذاری 2/0 (2/0as=)………………………………………………………. 97
4-1-3- نتایج در دانسیته نسبی 60%…………………………………………………… 98
4-1-3-1- نرخ جایگذاری 05/0 (05/0=as)…………………………………………………. 100
4-1-3-2- نرخ جایگذاری 1/0 (1/0as=)………………………………………………………. 101
4-1-3-3- نرخ جایگذاری 15/0 (15/0as=)…………………………………………………. 103
4-1-3-4- نرخ جایگذاری 2/0 (2/0as=)………………………………………………………. 104
4-2- نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………………….. 107
منابع…………………………………………………………………………………………………………….. 109
کلیات
 با توجه به روند افزایش جمعیت و سیر صعودی ساخت سازه های مسكونی و اداری سنگین در مناطق مختلف، همچنین به دلیل بروز خسارات جانی و مالی زیاد ناشی از رخداد زلزله در مناطق با خاك های روانگرا،  مقاوم سازی خاك های روانگرا در برابر این پدیده  از اهمیت خاصی برخوردار است.
از روش های مقاوم سازی خاک در مقایل رخداد روانگرایی، استفاده از شمع‌های ماسه‌ای متراکم می باشد. این روش علاوه بر افزایش مقاومت خاک های ماسه ای سست در برابر پدیده روانگرایی، در بهبود خواص مقاومتی و نیز پایدار سازی و افزایش ظرفیت باربری دیگر انواع خاک های رسی، شنی و سیلتی کاربرد وسیعی خواهد داشت.
هدف از پژوهش فوق، با استفاده از تئوری بسط حفره و مد نظر قرار دادن اثر نرم شدگی خاک به جهت  مدل سازی رفتار دقیق خاک حین تغییر شکل های زیاد، همچنین ساده سازی روابط موجود به مقاصد طراحی، تعیین شعاع تاثیر شمع‌های ماسه‌ای متراکم و در نهایت ارائه مقایسه ای با روش طراحی تجربی معمول می‌باشد. همان‌گونه كه در بخش‌های آتی به استحضار خواهد رسید، در واقع در پژوهش فوق، با در نظر گرفتن مشخصه‌های رفتاری خاك های ماسه‌ای روانگرا و شمع‌های ماسه‌ای متراكم، بطور دقیق‌تر، اهدافی همچون اقتصادی‌تر شدن و افزایش بازدهی سیستم فوق نسبت به حالت كنونی مدنظر قرار می گیرد.
 در این فصل ابتدا بطور مختصر به تعریف مفاهیم مربوط به رخداد روانگرایی می­پردازیم، سپس به شرح روشهای مقاوم سازی خاک در مقابل رخداد روانگرایی و بررسی تفضیلی نقاط ضعف و قوت آنها پرداخته و با یکدیگر مقایسه می نماییم.
 1-2)روانگرایی
 در فرهنگ لغت مهندسی خاک و پی به معنای حالتی است که در آن، خاکهای ماسه­ای، بر اثر افزایش فشار آب حفره­ای، تنشهای موثر و متعاقباً مقاومت برشی خود را از دست می­دهند‍‍‍[1]. این کلمه اولین بار توسط آقایان Kubo، Mogami (1953) ابداع گردید[2].
پدیده روانگرایی ناشی از روند کاهش تنشهای موثر بر اثر تمایل به تراکم در خاکهای اشباع غیر چسبنده در شرایط زهکشی نشده را می­توان به دو گروه اصلی روانگرایی جریانی[2] و تحرک سیکلی[3] طبقه­بندی نمود.
پدیده روانگرایی جریانی بندرت رخ می­­دهد، اما زمانی که رخ می­دهد، خسارات بسیار زیادی را بهمراه خواهد داشت و آثار مخربتری دارد. در عوض، پدیده روانگرایی بصورت تحرک سیکلی در دامنه گسترده­تری از شرایط نوع ساختگاه و خاک رخ می­دهد و اثرات آن نیز از کم اهمیت تا خسارات زیاد طبقه­بندی می­شود.
1-3)روانگرایی جریانی
این حالت روانگرایی که مهمترین اثرات را میان کلیه پدیده­های مربوط به روانگرایی بهمراه دارد، در اثر افزایش تنش برشی استاتیکی در برابر مقاومت برشی خاک و تنها در خاکهای سست، با مقاومت پسماند پایین  رخ می­دهد[3]. گسیختگی ناشی از روانگرایی جریانی، معمولاً با سرعت گسترش بالا و فواصل طولانی که مصالح روان شده اغلب حرکت می­نمایند مشخص می­گردد. بعنوان مثال در شکل(1-1)، مدفون شدن یک روستا پس از رخداد این نوع روانگرایی را مشاهده می نمایید.
شکل (1-1): روستای Yungay (الف)، قبل و (ب)، بعد ازمدفون شدن زیر زمین لغزه ناشی از زلزله عظیم Peruvian (1970)[2].
1-4)تحرک سیکلی
تحرک سیکلی بر عکس روانگرایی جریانی، زمانی رخ می­دهد که تنش برشی استاتیکی، کمتر از مقاومت خاک روان شده باشد و تحت اثر یک تحریک زلزله، در یک لحظه بر اثر افزایش فشار آب حفره­ای از مقاومت خاک تجاوز ­نماید. این تغییر شکلها در حین رخداد زلزله هم در اثر تنشهای سیکلی و هم در اثر تنشهای استاتیکی ایجاد شده و شامل دو حالت مجزای، انتشار جانبی[4] و روانگرایی سطحی[5] می­باشد.
1-4-1) انتشار جانبی
این تغییر شکلها در زمینهای با شیب ملایم و یا در سطوح بدون اتکای جانبی، مثل دیواره­های ساحلی رودخانه­ها و یا در نواحی ساحلی دریاها رخ می­دهد. حالت فوق علاوه بر خاکهای ماسه­ای سست می­تواند در خاکهای ماسه­ای متراکم نیز رخ دهد[3]. تغییر شکلهای رخداده می- توانند باعث آسیب­رسانی به سازه­های حیاتی و بخشهای مهم گردند. در اشکال( 1-2 و 1-3) آسیبهای وارده بر یک پل و خط لوله­ی مدفون را مشاهده می­نمایید.
شکل (1-2): پل Million Dollar بعد از زلزله آلاسکا (1964)]4[.
شکل (1-3): آسیب های وارد بر خط لوله ناشی از انتشار جانبی خاک]5[.
1-4-2) روانگرایی سطحی
گسیختگی های مربوط به این روانگرایی در اثر جریان رو به بالای آب که به هنگام استهلاک اضافه فشار منفذی در حین زلزله بوجود می­آید رخ می­دهند و برای رسیدن به تعادل هیدرولیکی، این گسیختگی ممکن است پس از اتمام لرزشهای زمین رخ دهد. از نشانه­های این نوع روانگرایی می­توان انحراف مفرط از حالت قائم را نام برد (شکل1- 4 ).
شکل (1-4): انحراف مفرط از حالت قائم پل ریلی Rio Bananito در زلزله کاستاریکا (1991)]4[.
1-5)روش های مقابله در برابر رخداد روانگرایی
   روش های مقابله در برابر پدیده روانگرایی، با توجه به نحوه عملکرد به دو دسته کلی زیر تقسیم می شوند:
1.روش های جلوگیری از رخداد روانگرایی (روش های جلوگیری از افزایش فشار آب حفره ای).

2. روش های کاهش خسارت وارده در رخداد روانگرایی ناشی از زلزله(روش های استهلاک اضافه فشار آب حفره ای).

 با توجه به اینکه برخی از روش های اصلاح خاک تا حدودی هر دو هدف فوق را بر آورده می سازند، لذا طبقه بندی مذکور در تمامی موارد صحیح نبوده و تا حدود زیادی ساده سازی شده است.
 1-5-1) شرح عمومی روش های مقابله در برابر رخداد روانگرایی
      جلوگیری از رخداد روانگرایی با افزایش مقاومت سیکلی زهکشی شده، همچنین با افزایش مقاومت در برابر تغییر فرم یا با استهلاک اضافه فشار آب منفذی قابل دستیابی می باشد. مقاومت در برابر روانگرایی را می توان  با فاکتور های ذیل افزایش داد که در ادامه به شرح آنها می پردازیم :

1. دانسیته بالا.
2. توزیع دانه بندی مناسب جهت عدم رخداد روانگرایی.
3. پایدار سازی اسکلت ذرات خاک.
4. پائین آوردن درصد اشباع خاک .

    همچنین امکان رخداد پدیده روانگرایی تحت شرایط تنش، تغییر فرم و فشار آب منفذی زائد ذیل تقریبا از  می رود:

5. استهلاک آنی اضافه فشار آب منفذی.
6. جلوگیری از انتشار اضافه فشار آب منفذی از لایه روانگرای احاطه کننده.
7. کاهش نرخ تنش برش بر فشار موثر سر بار با افزایش فشار موثر سر باره.
8. تغییر فرم برشی کمتر زمین در حین رخداد زلزله.

روش های مقاوم سازی خاک در برابر رخداد روانگرایی و اصول آنها را در جدول (1-1) مشاهد می نمائید.

آب سر منشاء تولید تلاش و تمدن است. خداوند در قرآن کریم هستی حیات هر چیزی را به آب وابسته دانسته است و تداوم حیات را در گرو وجود آب دانسته است. اهمیت آب شرب و آبیاری در کشاورزی مخصوصا در کشاورزی ایران بر کسی پوشیده نیست. اگر تمام مشکلات و مسائل مربوط به آب شرب و تولید کشاورزی را در در یک کفه ترازو و مشکلات و مسائل مربوط به آب را در طرف دیگر قرار دهیم مشکلات مربوط به آب سنگین تر خواهد بود. کشور ایران در بخش نیمه خشک کره زمین قرار دارد. پس خارج از ذهن نیست که آب از قدیم الایام ارزش بسیار والایی نسبت به دیگر مناطق داشته است. در گذشته با وجود مشکلات فراوان و نبود امکانات فنی برای دسترسی به آب‌های زیرزمینی، دست به حفر چاه و ایجاد قنات و غیره زدند.
بر خلاف نفت و کالاهای دیگر، آب را نمی توان در حجم زیاد از جایی به جای دیگر انتقال داد و لذا مصرف آن فقط به منابع محلی محدود است. البته شکی نیست که توسعه و اجرای طرح های آبی از نظر بالابردن استاندارد و سطح زندگی مردم الزامی است و اگر بخواهیم به مردم کمک شود باید توسعه برنامه‌های آبی صورت گیرد. اما این کار بدون تخلیه آب‌های زیر زمینی و خشک شدن رودخانه ها و یا از بین رفتن جنگلها به آسانی حاصل نخواهد شد.
1-2- ضرورت انجام تحقیق
آب یکی از بزرگترین چالش‌های قرن حاضر است که می تواند سر منشاء بسیاری از تحولات مثبت و منفی جهان قرار گیرد. 5/96 درصد از کل آب موجود در کره زمین در دریاها و اقیانوسها و 5/2 درصد از آن به عنوان آب تازه و شیرین می باشد. از آب‌های شیرین 97 درصد در یخچال‌های قطبی، 20 درصد در سفره‌های زیر زمینی و تنها 1 درصد در سطح زمین قرار دارد] 1[.
 5/2 درصد از کل آب های زمین شیرین است که حدود 6/68 درصد آن به صورت جامد در یخچالهای قطبی و قله کوه ها قرار دارد. 1/30

 درصد آن در زیرزمین قرار گرفته است. 006/0 درصد از کل آبهای شیرین در رودخانه ها جاری است و 003/0 درصد آن به عنوان آبهای بیولوژیکی در اندام حیوانات و گیاهان قرار گرفته است ]1[.

آب آشامیدنی، آبی با کیفیت مناسب بدون اثرات منفی کوتاه‌مدت یا بلند‌ مدت است. در بسیاری از نقاط جهان، دسترسی راحت و ارزان به آب آشامیدنی وجود ندارد. در این مناطق بیشتر افراد از آبی استفاده می‌کنند که یا دارای میکروب و آلودگی است یا به سبب داشتن املاح و ذرات بیش از اندازه، در طولانی مدت برای بدن خطرآفرین هستند. وجود منابع آب آشامیدنی مطمئن، از نیازهای اولیه انسان و یکی از اهداف اولیة عرصه های بین‌المللی در دهه بین‌المللی “آب برای زندگی (2005-2015)”[1] می‌باشد ]2[.
همزمان با رشد جمعیت در جهان و رشد و توسعه صنایع مختلف، آلودگی آب آشامیدنی، تبدیل به یکی از اساسی‌ترین مشکلات جهان گردیده‌است. سازمان بهداشت جهانی (WHO) بیان می‌کند که وقتی منابع آب آشامیدنی، کم و میزان خدمات، نامناسب باشند، شهرها در معرض بیشترین تهدیدهای محیط زیستی قرار می‌گیرند (گزارش توسعه جهانی آب، 2003[2]( ]3[. وجود این مسئله باعث می‌شود نیاز به سیستم توزیع آب مطمئن و کافی در شهرها مورد توجه قرار گیرد. مسئله تامین آب شرب سالم، در آینده‌ای نه چندان دور یکی از اصلی ترین چالش‌های جهانیان خواهد شد.
بنابراین بین توان تامین آب و شدت تقاضا در جهان تفاوت عمده‌ای وجود دارد که بحران آفرین است. هنگامی که این عدم تعادل با مجموعه راهکارهای مدیریتی قابل مهار نباشد، چه در بعد محلی و چه در بعد ملی و جهانی، زبان مفاهمه در بخش آب به زبان مخاصمه تغییر خواهد کرد. طبق آخرین برآوردهای یونسکو و فائو از چرخه آب در کره زمین نشان می دهد که متوسط  بارندگی سالانه ایران 251 میلیمتر است که اختلاف قابل توجهی با متوسط  بارندگی هر یک از قاره ها دارد و تنها با بارندگی کشورهای نیمه خشک و صحرایی برخی از قاره ها قابل مقایسه است. همچنین خشکسالی های پیاپی در سالهای اخیر به مسئله کمبود آب و بحران آب قابل استفاده در بسیاری از نقاط ایران دامن زده است.
1-3- اهداف پایان نامه
رشد سریع صنعت و توسعه زیربنایی شهرها باعث گردیده كه طراحی و بهره‌برداری از شبكه‌های توزیع آب در ساختار مدیریت شهری، امری حیاتی تلقی گردد. شبكه توزیع آب به عنوان یك سازه زیربنایی هیدرولیكی، شامل مجموعه‌ای از لوله‌ها، ابزارهای هیدرولیكی (پمپ‌ها، شیرآلات و اتصالات خطوط لوله) ومخازن بوده و هدف آن تأمین آب سالم با فشار مناسب برای تقاضاهای مختلف شبکه می‌باشد. با توجه به هزینه‌های هنگفت اجرای شبكه‌های آبرسانی و نیز اهمیت تولید و توزیع آب، لازم است شبكه‌های توزیع آب مورد تحلیل و ارزیابی قرار گیرند.. طراحی و نگهداری یک شبکه توزیع آب شامل تعیین میزان تقاضای گره‌ها، طراحی بهینة شبکه توزیع آب، ابعاد بهینه اجزاء سیستم شامل لوله‌، پمپ‌، شیرآلات و غیره و بهره‌برداری بهینه شبکه می‌باشد. امکان وجود ترکیب‌های زیاد از جنس لوله‌ها، مسیر عبور لوله‌ها، قطر لوله‌ها، محل ایستگاه‌های پمپاژ و مخازن موجود، کار مهندسان و مدیران درگیر در طراحی شبکه های توزیع آب را دشوار می‌سازد. پارامترهای بهره‌برداری مانند مرز نواحی فشاری، تنظیمات شیرهای کنترلی و برنامه بهره‌برداری پمپ‌ها که بر کیفیت خدمات، هزینة کل و عمر آنها اثرگذار است نیز به این پیچیدگی اضافه می‌گردد.
هدف از بهینه‌یابی، اطمینان از عملکرد شبكه در شرایط بهینه است. در واقع هدف از بهینه‌یابی یافتن بهترین جواب قابل قبول، با توجه به محدودیتها و نیازهای مسأله و تعیین متغیرهای طراحی است که تابع هدف كمینه یا بیشینه باشد ]4[.
بهینه‌یابی در حل مسائل مهندسی و اقتصادی، محور اصلی تصمیم‌گیری می‌باشد. بهترین طرحهای ارائه شده توسط مهندسان طراح آنهایی هستند كه بتوانند با استفاده از روشهای بهینه‌یابی در صرف زمان و هزینه طراحی صرفه‌جویی نمایند. از آنجاییکه بسیاری از مسائل بهینه‌یابی در مهندسی، پیچیده‌تر و مشكلتر از آن هستند كه با روشهای سنتی بهینه‌یابی قابل حل باشند، لذا استفاده از روش‌های نوین بهینه‌یابی ضرورت می‌یابد.
1-4- ساختار پایان نامه
در این تحقیق شهرك بزین به عنوان مورد مطالعاتی انتخاب شد. شبكه آب منطقه در برنامه واترجمز به صورت مدل هیدرولیكی درآمده و پارامترهای هیدرولیكی آن در هر گره و لوله نشان داده شده اند که در صورت هر نوع تغییر قابل پیش بینی گردید. در ابتدا تابع بهینه تعریف شد. این تابع شامل پارامترهای بازی فشار گره ها، سرعت آب در لوله ها و اطمینان پذیری مطلوب بود. این تابع در سه حالت بهینه شده و نتایج گوناگون به دست آمد. اول پارامترهای هیدرولیكی شبكه با استفاده از این تابع بهینه شدند. در مرحله بعد، ده جانمایی متفاوت بر روی شبكه تعریف گردید و تابع هدف برای هر یك بهینه شد. در نهایت بهینه ترین جانمایی به دست آمد. در مرحله آخر اطمینان پذیری معلوم تغییر داده شد تا اثر اطمینان پذیری بر روی تابع هدف به دست آید.   
این پایان‌نامه و مطالعات مرتبط با آن در پنج فصل گردآوری شده است. در فصل اول، نگرانی‌های موجود و ضرورت انجام این مطالعه بیان گردیده است. در فصل دوم، بر تاریخچه آبرسانی در دنیا و ایران مطرح می‌شود. سپس تاریخچه بهینه‌یابی و انواع روش‌های آن مورد بررسی قرار گرفته و کاربرد آن در شبکه‌های آبرسانی شهری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. سپس به مفاهیم اطمینان‌پذیری پرداخته و دسترس‌پذیری شبکه توزیع آب شهری بررسی و بیان می‌گردد.
در فصل سوم این پایان‌نامه، مواد و روش‌ها، منطقه مطالعاتی انتخاب شده معرفی می‌گردد. سپس به ارائه و معرفی نرم‌افزارها و مدل‌های استفاده شده در این کار پرداخته می‌شود. منابع موجود آب و نحوه آبرسانی منطقه و وضعیت موجود آن ارائه می‌گردد. سپس درباره کالیبراسون و اندازه‌گیری و مقایسه واقعیتهای موجود با تئوری مطالبی بیان می‌شود. پس از آن به انواع بهینه‌یابی و روش‌های آن پرداخته شده و روش انتخاب شده، متغیرها، قیدها و پارامترهای شبکه برای این منطقه ارائه می‌گردد.
در فصل چهارم، نتایج و بحث پیرامون آن، کلیه نتایج به‌دست آمده وضعیت موجود، اعداد و ارقام، نتایج عملی یا به دست آمده از نرم افزارها بیان می گردد. سپس جانمایی موجود شبکه و حالت‌های ممکن آن بیان شده و مورد آزمایش قرار می‌گیرند. همچنین هزینه به عنوان یکی از قیود اصلی در فرمول‌بندی ها لحاظ گردیده و اثرات خود را در نتیجه به نمایش می‌گذارد. از طرفی شروط هیدرولیکی شبکه مورد در حالت های مختلف مورد توجه قرار گرفته و مقایسه می‌گردند. در نهایت نتیجه‌گیری شده و حالت بهینه شبکه انتخاب گردیده و معرفی می‌شود. در نهایت فصل پنجم که مشتمل بر نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی مبنی بر تحقیقات آینده است، پایان بخش این نوشتار است.