همانطور که در توضیح روش های بهینه سازی آورده شد، یکی از راهکارهای بهینه سازی سازه ها در نظر گرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه در طراحی سازه است. در طراحی سازه به طور متداول تکیه گاه سازه صلب فرض میگردد. اما در حقیقت اینچنین نیست. معمولا پی به عنوان تکیه گاه سازه بر روی خاک قرار میگیرد. خاک نیز دارای خاصیت ارتجاعی است. بنابراین تکیه گاه سازه عملا انعطاف پذیر است. تفاوت در نظر گرفتن تکیه گاه صلب و انعطاف پذیر در مدلسازی سازه، در تعیین زمان تناوب اصلی سازه است. چنانچه تکیه گاه انعطاف پذیر مدل گردد، سازه زمان تناوب طبیعی بیشتری خواهد داشت. در نظر نگرفتن این مسئله در خاکهای نرم با زمان تناوب بالا ممکن است موجب طراحی نادرست سازه گردد. اما در خاکهای تیپ I,II,III معمولا افزایش زمان تناوب باعث کاهش برش پایه میگردد. در این نوشتار به طور مختصر به مبحث طراحی سازه با در نظر گرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه پرداخته شده است. برای در نظر گرفتن اثرات اندر کنش خاک و سازه بر روی خاک، می توان از مدلسازی در نرم افزارهای ABAQUS و ANSYS استفاده کرد. در این مقاله با توجه به رویکرد طراحی و بهینه سازی سازه در این رابطه توضیحی ارائه نمی گردد.
برای در نظر گرفتن اثر اندرکنش خاک و سازه، در طراحی سازه دو روش وجود دارد. روش صریح به معنی مدلسازی فنریت خاک و پی و سازه به صورت همزمان است، که میتواند مورد استفاده قرار گیرد. در روش دوم که جایگزینی برای روش اول است، تکیه گاه صلب فرض میگردد و برش پایه بر اساس روابطی کاهش مییابد. آیین نامههای معتبر در عین اینکه روش اول را مجاز دانستهاند، روش دوم را جهت استفاده مهندسین، بیشتر توضیح و تفسیر نمودهاند.
خوشبختانه ویرایش چهارم استاندارد 2800 در بند 3-3-11به طور صریح به چگونگی در نظر گرفتن پی انعطافپذیر اشاره کرده است. همچنین پیوست 5 این استاندارد مبسوطتر چگونگی در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه را در طراحی سازه توضیح داده است. اما متأسفانه پیوست مزبور ترجمه ناقصی از استاندارد و تفسیریه ATC3-06 مربوط به سال 1978 میلادی است.
در پیوست 5 استاندارد 2800 هم برای نیروی استاتیکی معادل و هم برای تحلیل مودال میزان کاهش برش پایه را آورده است. چنانچه روش استاتیکی معادل مدنظر باشد، این کاهش از رابطه زیر محاسبه می گردد:
~C در این رابطه ضریب زلزلهای است که بر اساس پریود مؤثر Te با در نظر گرفتن انعطاف پذیری پی محاسبه میگردد. برای اطلاع از سایر پارامترها به پیوست 5 استاندارد 2800 مراجعه گردد.
استاندارد 2800 برای برآورد Te به رابطه زیر اشاره کرده است:
Ky و Kθ به ترتیب سختی انتقال و دورانی پی هستند که متاسفانه در استاندارد 2800 روابط محاسبه آن برای پیهای نواری اشارهای نشده است. برای اطلاع از نحوه محاسبه Ky و Kθ به تفسیریه ATC3-06 و برای اطلاع از سایر پارامترها به پیوست 5 استاندارد 2800 مراجعه کنید. از لینک زیر تفسیریه مربوط به اندر کنش خاک وسازه ATC3-06 قابل دانلود است:
اما کد ASCE7-16 به طور مفصل به اندرکنش خاک و سازه پرداخته است. مطابق بند 1-2-19 این آیین نامه کاهش برش پایه در نیروی استاتیکی معادل برابر:
است.
با توجه به وجود نرمافزارهای کامپیوتری مانند ETABS2016 و امکان محاسبه Te برای به دست آوردن C~s با مدلسازی همزمان خاک، پی و سازه، در متن ASCE7 اشارهای به نحوه محاسبه Te نشده است. همچنین در تفسیریه ASCE7 برای توضیحات بیشتر مدلسازی اندرکنش خاک وسازه به NIST GCR 12-917-21 ارجاع شده است.
در انیمشن زیر شبیه سازی اندرکنش خاک و سازه تحت بار زلزله را می توانید مشاهده کنید.