آشنایی با نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL

DEEPSOIL (دیپ‌سویل) چیست و چه می‌کند

دیپ‌سویل نرم‌افزاری است که در زمینه‌ی تحلیل اثرات ساختگاه در رشته‌های مهندسی ژئوتکنیک و مهندسی زلزله کاربرد دارد. نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL برنامه‌ای یک‌بعدی است که برای تحلیل دینامیکی پاسخ سایت به روش‌های خطی، خطی معادل یا غیرخطی به‌کار می‌رود. این نرم‌افزار با گرفتن شتاب‌نگاشت‌های وارد شده و اعمال شرایط ساختگاهی، انواع خروجی‌های موردنیاز را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. ازجمله این خروجی‌ها می‌توان به تنش، کرنش برشی، جابه‌جایی نسبی و کل، شتاب، طیف پاسخ و فشار آب منفذی اشاره کرد. این خروجی‌ها در قالب فایل‌های متنی و به‌صورت Time History ذخیره می‌شوند. کار با این نرم‌افزار به‌حدی آسان است که کاربران آن برای استفاده، نیازی به دوره‌ی آموزشی خاصی ندارند. استفاده از فایل PDF راهنمای DEEPSOIL، جواب بیشتر مسائلی است که کاربران با آن‌ها مواجه خواهندشد.

این نرم‌افزار نخستین‌بار تحت هدایت پروفسور Youssef M.A. Hashash با همکاری شماری از دانشجویان در حال تحصیل و فارغ‌التحصیل دانشگاه ایلینویز از جمله David R Groholski، Chi-Chin Tsai، Duhee Park Joseph، Byungmin Kim، Michael Musgrove و David Turner طراحی و به‌طور رایگان در اختیار محققان قرار داده شد.

ویژگی‌های نرم‌افزار DEEPSOIL

از مهم‌ترین ویژگی‌های این نرم‌افزار می‌توان به تحلیل غیرخطی نیروکنترل و فرموله کردن میرایی مستقل از فرکانس ارتعاش اشاره کرد. دیپ‌سویل هم‌چنین می‌تواند تولید فشار آب منفذی و فرآیند اتلاف را شبیه‌سازی کند.
نرم‌افزارهای Shake، EERA، NERA و SeismoSignal هم ازجمله نرم‌افزارهایی هستند که هم‌چون DEEPSOIL، پاسخ زمین را تحلیل می‌کنند. اما امکانات تحلیلی بیشتر و گرافیک قوی‌تر دیپ‌سویل، دلیل تمایز آن از دیگر نرم‌افزارهای این دسته است.

شروع به کار با نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL

در سمت چپ بالای نرم‌افزار کاربران می‌توانند یکی از سه تب Analysis، Motions یا Profiles را انتخاب کنند. در تب Profiles پروفایل‌های ذخیره‌شده نمایش داده می‌شوند. کاربران به‌راحتی می‌توانند از طریق این تب پروفایل مدنظر خود را انتخاب و آنالیز را شروع کند یا یک فایل ذخیره‌شده‌ی آنالیز را بنا به نیازهای مدنظر خود تغییر دهند. در ادامه هر کدام از تب‌های Motions و Analysis را نیز به‌اختصار معرفی می‌کنیم.

 

 

تب Motions در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL

از تب Motions می‌توان برای مشاهده یا پردازش انواع شتاب‌نگاشت‌ها استفاده کرد. به این منظور کاربران کافی است شتاب‌نگاشت مدنظر خود را از لیست مربوطه انتخاب و روی دکمه‌ی View کلیک کنند. با این کار پنجره‌ی Motion Viewer باز خواهد شد و نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL از طریق آن نمودارهای مختلفی را برای ارزیابی شتاب، سرعت، جابه‌جایی، تاریخچه‌ی زمانی شدت آریاس، طیف پاسخ و طیف دامنه‌ی فوریه‌ی مرتبط با شتاب‌نگاشت انتخاب‌شده در اختیار کاربران قرار خواهد داد. شتاب‌نگاشت‌های مختلفی نظیر برخی از زلزله‌های بزرگ جهان نظیر زلزله‌ی Northridge، Kobe و… به‌صورت پیش‌فرض در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL تعبیه‌ شده‌اند.
اندازه‌ی نمودارهای ذکرشده می‌تواند با کلیک روی خط عمودی توسی‌رنگ و کشیدن این خط به سمت راست یا چپ تغییر پیدا کند. علاوه بر این، مقادیر مرتبط با نمودارها در جداولی ذخیره می‌شوند و کاربران با انتخاب تب‌های Time History Data یا Spectral Data در بالای پنجره‌ی Motion Viewer می‌توانند به آن‌ها دسترسی پیدا کنند. دو تصویر زیر به‌ترتیب نمایانگر نمودارها و جداول در Motion Viewer هستند.

 

نمودارها در پنجره‌ی Motion Viewer

 

• نحوه‌ی Import کردن یک شتاب‌نگاشت جدید

برای تعریف پروفیل خاک با انتخاب گزینه‌ی Open Profile می‌توان آن را به نرم‌افزار معرفی کرد. در عین حال با کلیک روی دکمه‌ی Next در اولین گام آنالیز در پنجره‌ی Analysis Definition می‌توان پروفیل خاک را در گام دوم آنالیز به‌طور سفارشی نیز تعریف کرد. برای انتخاب شتاب‌نگاشت می‌توان از شتاب‌نگاشت‌های ذخیره‌شده در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL استفاده کرد یا با کلیک روی گزینه‎ی Add شتاب‌نگاشت جدیدی را به قبلی‌ها اضافه نمود. با انتخاب گزینه‌ی Add پنجره‌ی Add Input Motion باز می‌شود و کاربران از طریق گزینه‌ی Choose File در بخش Data Source به‌راحتی می‌توانند شتاب‌نگاشت دلخواه خود را به نرم‌افزار وارد کنند.

• فرمت‌های مختلف فایل‌های ورودی شتاب‌نگاشت

فرمت‌های مختلفی برای فایل‌های ورودی شتاب‌نگاشت در نظر گرفته شده که عبارتند از .AT2، .txt و .csv. فایل‌های با پسوند .csv فایل‌هایی هستند که جداگرشان ویرگول است. این فایل‌ها را به‌راحتی می‌توان در اکسل ایجاد و بعد در هنگام‌ ذخیره‌سازی آن‌ها را با فرمت .csv و یا .txt ذخیره کرد. در عین حال، می‌توان فایل‌های با پسوند .txt را در نوت‌پد ویندوز نیز به‌راحتی ایجاد کرد. برای این منظور اطلاعات شتاب‌نگاشت باید به‌طور مستقیم در نرم‌افزار نوت‌پد کپی شود و ذخیره گردد. از طریق فایل نوت‌پد امکان ایجاد فایل با پسوند .csv وجود ندارد.
فرمت AT2 نشان‌گر فایل‌های Peer Motion است. در صورتی که کاربران از سایت http://peer.berkeley.edu اطلاعات شتاب‌نگاشت مدنظر خود را به‌طور مستقیم دریافت کنند می‌توانند بدون تغییری فایل مدنظر را در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL وارد نمایند. در صورت ایمپورت این فایل‌ها برخی اصلاحات مربوط به خط مبنا ضرورتاً باید انجام شود تا جابه‌جایی پسماند صفر گردد. برای این کار کاربران می‌توانند روی گزینه‌ی Baseline Correction از تب Motion کلیک کنند. با انتخاب این گزینه روند اصلاح به‌طور خودکار انجام می‌پذیرد و کاربران در انتها تنها باید تغییرات صورت‌گرفته را ذخیره کنند. اصلاح خودکار خط مبنا در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL از جمله مزیت‌های این نرم‌افزار نسبت به دیگر نرم‌افزارهای مشابه نظیر Shake به‌شمار می‌رود.

 

 

• مشاهده‌ی اطلاعات شتاب‌نگاشت در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL

بعد از ایمپورت شتاب‌نگاشت اطلاعات آن در کادر مربوطه در پنجره‌ی Add Input Motion نمایان می‌شود. معمولاً در خط اول تعداد کل ریکوردهای شتاب‌نگاشت مشخص می‌شود. هر خط یک ریکورد محسوب می‌شود که دیتای اول زمان و دیتای دوم شتاب‌نگاشت را نشان می‌دهد. در فایل‌های .txt این دیتاها با هشت کاراکتر فاصله و در فایل‌های .csv این دیتاها با کاما از همدیگر جدا می‌شوند. عدد دوم در خط اول گام زمان را به ما نشان می‌دهد. به اندازه‌ی این گام در هر خط نسبت به خط قبلی به دیتای زمان اضافه می‌شود. پس به‌طور معمول اطلاعات کلی شتاب‌نگاشت در اولین خط ارائه و خود شتاب‌نگاشت از خط دوم آغاز می‌شود. هرچند این جزئیات بسته به فایل مورد استفاده می‌تواند تغییر کند.

• نمایش تک‌ستونی و دوستونی اطلاعات شتاب‌نگاشت

بعد از ایمپورت شتاب‌نگاشت، کاربران باید در پنجره‌ی باز شده یکی از دو گزینه‌ی Acceleration Values Only یا Time and Acceleration Values را انتخاب کنند. در حالت اول فقط شتاب و در حالت دوم هم شتاب و هم زمان نمایش داده می‌شوند. نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL به‌طور پیش‌فرض گزینه‌ی Acceleration Values Only را انتخاب می‌کند و کاربران در صورت نیاز می‌توانند آن را تغییر دهند. با انتخاب گزینه‌ی Time and Acceleration values فیلد Time Column نیز فعال خواهد شد. در این فیلد کاربران می‌توانند یکی از دو عدد ۱ یا ۲ را انتخاب کنند. با انتخاب عدد ۱ ستون اول و با انتخاب عدد ۲ ستون دوم به زمان اختصاص خواهد یافت.

 

 

• First Line و Last Line در شتاب‌نگاشت

در بخش First Line در این پنجره نیز باید عدد مربوط به اولین سطر شتاب‌نگاشت وارد شود. همان‌طور که دیدیم معمولاً دومین سطر از دیتاها نخستین سطر مربوط به شتاب‌نگاشت است، به همین خاطر عموماً باید در این فیلد عدد ۲ وارد شود. طبعاً در صورتی که شتاب‌نگاشت از خطوط دیگری آغاز شود باید عدد مربوط به آن خطوط در نرم‌افزار وارد گردد. معمولاً به‌طور پیش‌فرض روبه‌روی First Line عدد ۱ درج شده و این مقدار باید توسط کاربر تغییر پیدا کند. تعداد کل خطوط نیز توسط نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL خوانده و در کادر Last Line نمایش داده می‌شود.

• تعیین واحد شتاب

در بخش Acceleration Unit می‌توان واحد شتاب را تعیین کرد. این واحد به‌طور پیش‌فرض توسط نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL شتاب گرانش زمین در نظر گرفته می‌شود. کاربران می‌توانند در صورت نیاز و بسته به واحد شتاب‌نگاشت واردشده واحدهای متر بر مجذور ثانیه یا فیت بر مجذور ثانیه را هم لحاظ نمایند. در نهایت با کلیک روی گزینه‌ی Convert نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL این شتاب‌نگاشت را به لیست Motions اضافه می‌کند. همچنین، کاربران باید در کادر مربوط به Time Step مقدار در نظر گرفته‌شده برای گام زمان را نیز وارد کنند. در صورتی که کادر مربوط به گام زمان خالی بماند امکان Convert شتاب‌نگاشت وجود نخواهد داشت.

• مشاهده‌ی شتاب‌نگاشت اضافه‌شده

پس از کلیک روی گزینه‌ی Convert و اضافه شدن شتاب‌نگاشت به لیست Motions، با باز شدن پنجره‌ی جدیدی در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL از کاربر پرسیده می‌شود که آیا قصد مشاهده‌ی شتاب‌نگاشت واردشده را دارد یا نه. در صورت انتخاب گزینه‌ی Yes شتاب‌نگاشت بلافاصله نمایش داده می‌شود و در صورت انتخاب No این اتفاق نمی‌افتد. در عین حال، کاربران در هر زمان دلخواه می‌توانند با انتخاب شتاب‌نگاشت مدنظر از لیست تعبیه‌شده در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL در بخش Motions و کلیک روی گزینه‌ی View آن را به‌راحتی مشاهده نمایند.‌

 

 

تب Analysis در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL

تعیین نوع آنالیز اولین گام در فرآیند آنالیز در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL به‌شمار می‌رود. به این منظور کاربران باید نوع آنالیز را از پنجره‌ی Analysis Definition انتخاب نمایند. این پنجره از بخش‌های مختلفی نظیر Define Analysis، Pore Pressure Generation، Initial Shear Stiffness Definition، Units، Solid Model و… تشکیل شده است. تنظیمات مربوط به اتلاف و تولید فشار آب منفذی تنها در صورت انتخاب آنالیز غیرخطی فعال خواهند شد.
نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL تحلیل‌ها را در سه حالت حالت خطی، معادل خطی و غیرخطی انجام دهد. در تحلیل غیرخطی تعریف برخی پارامترهای جدید برای متریال مربوط به لایه‌های خاک ضروری است. این پارامترها برخی ثوابت و تنش‌ها و کرنش‌های مرجع برای هر لایه را دربرمی‌گیرند. در ادامه نوبت به رسم نمودارهای مربوطه نظیر نمودار میرایی، نمودار مدول برشی به مدول برشی ماکسیمم و… می‌رسد و برای اطمینان از نتایج حاصل همپوشانی‌ با نمودارهای استاندارد نیز صورت می‌پذیرد.

 

 

به‌طور کلی، مدل‌سازی در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL از شش مرحله تشکیل شده است. کاربران می‌توانند از تب Analysis این شش مرحله را ببینند. با اتمام هر مرحله رنگ آن مرحله در این تب به سبز تغییر پیدا می‌کند. از آن‌جا که تب Analysis ارتباط مستقیمی با بحث مدل‌سازی در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL دارد، در ادامه به‌طور گام‌به‌گام روش مدل‌سازی در این نرم‌افزار را شرح می‌دهیم.

• گام اول: انتخاب نوع تحلیل

در بخش Analysis در اولین گام نوع تحلیل معلوم می‌شود. تحلیل می‌تواند تحلیل حوزه‌ی فرکانس یا تحلیل دامنه‌ی زمانی و نیز خطی یا غیرخطی باشد. در این بخش کاربر باید با توجه به اطلاعاتی که در اختیار دارد یکی از دو حالت سرعت موج برشی یا مدول برشی را نیز انتخاب نماید و در نهایت واحد مورد استفاده را نیز مشخص کند. مشخصات کلی مدل در این بخش و از طریق پنجره‌ی Analysis Definition صورت می‌پذیرد.

 

 

• گام دوم، قسمت a: تعریف پروفیل خاک و خواص مدل

در گام دوم مدل‌سازی در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL باید خصوصیات کلی هر یک از لایه‌های خاک تعیین شود. به این منظور می‌توان با کلیک روی گزینه‌ی Material properties و باز شدن پنجره‌ی جدید به تنظیم میرایی و سختی نرمالیزه‌‌شده پرداخت. مقادیر مربوط به هر یک از این پارامتر در بخش‌های تعبیه‌شده در سمت چپ صفحه وارد می‌شود. با کلیک روی گزینه‌ی Plot در سمت راست صفحه نمودارهای مربوط به این مقادیر رسم می‌گردد. کاربران می‌توانند با کلیک روی گزینه‌ی Save Material اطلاعات تغییریافته را برای استفاده‌های بعدی ذخیره نمایند. بعد از اعمال تمام تغییرات مدنظر کاربران باید روی گزینه‌ی Apply کلیک کنند. با این کار پنجره‌ی جدیدی باز می‌شود و در آن اطلاعات مربوط به هر لایه از خاک در اختیار کاربر قرار می‌گیرد. هر کدام از اطلاعات پدیدارشده بر اساس فرمول‌های وابسته به خصوصیات لایه‌ی مدنظر توسط نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL محاسبه شده‌اند.

• گام دوم، قسمت b: پروفیل استحکام ضمنی

پس از تعریف مدل در گام‌های قبلی و تعیین خصوصیات لایه‌های خاک نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL طرحی از استحکام ضمنی پروفیل خاک را نمایش می‌دهد. در این مرحله نمودارهای مقاومت برشی، مقاومت برشی نرمال و زاویه‌ی اصطکاک داخلی بعد از انجام محاسبات مربوطه توسط نرم‌افزار در اختیار کاربر قرار می‌گیرد. کاربران باید با دقت بسیاری هر کدام از نمودارها را بررسی کنند تا در صورت مشاهده‌ی مقاومت یا زاویه‌ی اصطکاک غیرمنطقی برای هر کدام از لایه‌های خاک منحنی کاهش مدول برشی و میرایی را برای آن لایه تغییر دهند تا در نهایت با چند نمودار منطقی مواجه باشند.

 

 

• گام دوم، قسمت c: تعریف مشخصات سنگ بستر

در گام بعد نوبت به تعیین مشخصات سنگ بستر فضای زیر پروفیل خاک می‌رسد. در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL دو حالت فضای نیمه‌صلب و فضای نیمه‌الاستیک برای انتخاب کاربران تعبیه شده است. معمولاً فضای نیمه‌الاستیک نسبت به نیمه‌صلب پرکاربردتر است و در صورت انتخاب آن باید سرعت موج برشی، وزن مخصوص و نسبت میرایی نیز به‌عنوان پارامترهای ورودی تعیین شوند. در صورت انتخاب فضای نیمه‌صلب نیازی به تعیین هیچ‌کدام از این پارامترهای ورودی وجود نخواهد داشت. به‌طور کلی نسبت میرایی در تحلیل دامنه‌ی زمانی بی‌تأثیر است و در تحلیل دامنه‌ی فرکانسی نیز تلثیر محدودی دارد.

 

 

• گام سوم: خروجی و انتخاب حرکت

در این مرحله کاربران می‌توانند نوع زلزله‌ و نیز لایه‌های مدنظر برای به‌دست آوردن نتایج آنالیز را انتخاب کنند. برای این کار کاربران تنها باید لایه‌های دلخواه و زلزله‌ی مدنظر خود را از سمت چپ صفحه علامت بزنند.

• گام چهارم و پنجم: آنالیز غیرخطی و کنترل آنالیز

از گام چهارم در آنالیز غیرخطی استفاده می‌شود. گام پنجم نیز در نرم‌افزار دیپ‌سویل – DEEPSOIL به‌منظور کنترل آنالیز به‌کار می‌رود. در گام پنجم در ابتدا تعداد تکرارها وارد می‌شود. سپس نرم‌افزار نسبت کرنش برشی موثر را محاسبه می‌کند. این نسبت در سمت چپ و بالای صفحه در کادر SSR نمایش داده می‌شود. کاربران می‌توانند از بخش Complex Shear Modulus Formulation یکی از سه حالت Frequency Independent، Frequency Dependent و Simplified را انتخاب کنند. پس از کلیک روی گزینه‌ی Analyze آنالیز انجام خواهد شد.

 

 

• گام ششم: خروجی نتایج

در گام ششم نتایج آنالیز به‌دست می‌آید. تمام نتایج در یک فایل اکسل ذخیره می‌شوند تا در آینده توسط کاربران قابل بازیابی باشند. نتایج آنالیز موارد زیر را شامل می‌شوند:

• Acceleration vs Time

• Strain vs Time

• Stress (shear/effective vertical) vs Time

• Response Spectra: PSA vs Period

• Fourier Amplitude Ratio (surface/input) vs Frequency

• PGA Profile: Max PGA vs Depth

• Strain Profile: Max Strain vs Depth

آخرین نسخه‌ی نرم‌افزار DEEPSOIL

فرآیند توسعه‌ی این نرم‌افزار در ابتدای تولید، با پشتیبانی مراکز تحقیقاتی مهندسی زلزله‌ی آمریکای مرکزی بوده‌است. اما اخیراً DEEPSOIL تحت نظارت دپارتمان مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه ایلینوی توسعه پیدا می‌کند. آخرین ویرایش این نرم‌افزار در سال ۲۰۱۸ تحت عنوان DEEPSOIL v7.0.15 منتشر شده‌است. در این نسخه مشکلاتی هم‌چون محاسبه‌ی دریفت و جابه‌جایی کل حل شده‌اند.