توسعه منحنی های شکنندگی برای ارزیابی لرزه ای سازه های فولادی

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

چکیده:
امروزه ارزیابی عملکرد سازه¬ ها در برابر زلزله، به یکی از بحث ¬هاي رایج در بین محققین تبدیل شده¬است. یکی از ابزار هاي کلیدي در ارزیابی آسیب ¬پذیری لرزه¬اي سازه¬ ها، توابع شکنندگی است که احتمال فراگذشت آسیب سازه از یک سطح آسیب مشخص را براي چندین سطح خطر از جنبش¬هاي لرزه¬اي زمین بیان می¬نماید. هدف از این مطالعه، تعیین منحنی شکنندگی آسیب¬پذیری لرزه¬ای سیستم ساختمانی فولادی طراحی شده بر اساس آیین¬ نامه¬ی طراحی ایران بر روی خاک نوع III در منطقه¬ای با خطر لرزه¬ای زیاد می¬باشد. مدل¬ های مورد نظر، ساختمان ¬های فولادی 5، 8 و12 طبقه¬ی با سیستم قاب مقاوم خمشی ویژه می¬باشند. مدل سازی این ساختمان ¬ها در نرم افزار opensees انجام شده و تحلیل دینامیکی غیرخطی افزایشی (IDA) برروی مدل¬ ها انجام گرفته¬است. در این بررسی، تغییر مکان جانبی نسبی سازه¬ ها به عنوان معیار آسیب در نظر گرفته شده است. حدود تعیین شده برای تغییر مکان جانبی نسبی در دستورالعمل HAZUS برای تعیین حالات خرابی مورد استفاده قرار گرفته¬ است که این حالات خرابی عبارتند از: حالت خرابی کم، متوسط، گسترده و کلی.
منحنی شکست سازه¬ ها بر اساس مقادیر تغییر مکان جانبی نسبی و ضرایب موجود در دستور العمل HAZUS تهیه شده¬اند. نتایج بدست آمده نشان می¬دهند که با افزایش تعداد طبقات ، شکنندگی افزایش می¬یابد
در سازه های مدل شده در حالات خرابی کم و متوسط منحنی های شکست مدل های 5 و 8 طبقه بسیار به هم نزدیک هستند و منحنی شکست مدل 12 طبقه فاصله¬ی نسبتاً قابل توجهی با منحنی شکست دو مدل دیگر دارد. 
 

فهرست مطالب
عنوان                                                                                                                              صفحه
فصل اول: کلیات تحقیق..........................................................................................................................1
1-1 مقدمه...............................................................................................................................................2
1-2 شرح مسئله......................................................................................................................................3
1-3 اهداف و ضرورت تحقیق................................................................................................................4
1-4 روش اجراي طرح و مدل¬های مورد بررسی....................................................................................5
1-5 ساختار پایان-نامه..............................................................................................................................5
فصل دوم: منحنی های شکنندگی...........................................................................................................6
2-1 منحنی¬هاي شکنندگی لرزه-اي...........................................................................................................7
2-1-1  منحنی¬های شکنندگی تجربی.....................................................................................................8
2-1-2 منحنی¬های شکنندگی بر اساس قضاوت مهندسی.......................................................................9
2-1-3 منحنی¬های شکنندگی تحلیلی.....................................................................................................9
2-1-4 منحنی شکنندگی ترکیبی.............................................................................................................12
2-2 توابع شکنندگی................................................................................................................................12
2-3 حالات خرابی در دستورالعمل HAZUS......................................................................................13
2-4 دستورالعمل HAZUS..................................................................................................................13
2-4-1 طبقه¬بندی ساختمان¬ها در HAZUS.........................................................................................15
2-4-2 منحنی شکست در HAZUS...................................................................................................16
2-5 پیشینه¬ی تحقیق................................................................................................................................18
2-5-1 پژوهش جوزف کارلو مارانو و همکاران....................................................................................20
2-5-2 مطالعات روییزگارسیا و همکاران...............................................................................................26
2-5-3 مطالعات شکنندگی در تایوان برای زلزله¬ی چی-چی...................................................................28
2-5-4 مطالعات میشاییل تانتالا و جورج دوداتیس.................................................................................29
2-5-5 مطالعات اربریک و ال-ناشی........................................................................................................32
2-5-6 سایر مطالعات.............................................................................................................................34
فصل سوم: قاب هاي مقاوم خمشي فولادي............................................................................................47
 3-1 مقدمه.............................................................................................................................................48
3-2 قاب هاي خمشي كاملاً صلب و نيمه صلب....................................................................................50
3-2-1 قاب هاي خمشي كاملاً صلب....................................................................................................50
3-2-2 قاب هاي خمشي نيمه صلب......................................................................................................50
3-4 انواع قاب های مقاوم خمشی MRF.............................................................................................50
3-4-1 قاب های خمشی ويژه...............................................................................................................51
3-5 شکل پذيری....................................................................................................................................58
3-5-1 انتخاب عضوی از قاب خمشی به عنوان عضو شکل پذير..........................................................59
3-6 مقايسه مکانيزم های خرابی در قاب خمشی فولادی.......................................................................60
فصل چهارم: مطالعات عددی..................................................................................................................62
4-1 مقدمه...............................................................................................................................................63
4-2 پارامترهای قاب های مورد تحلیل...................................................................................................64
4-3 انتخاب رکوردهای زلزله..................................................................................................................65
4-4 معرفی اجمالی نرم افزار OpenSees............................................................................................66
4-4-1 ویژگی های نرم افزار OpenSees............................................................................................67
4-5 شاخص آسیب و سطوح آسیب.......................................................................................................67
4-6 بررسي روش تحليل ديناميكي افزايشي (IDA).............................................................................68
4-6-1 تحليل ديناميكي افزايشي (IDA)...............................................................................................68
4-6-2 وروديها و خروجيهاي تحليل ديناميكي غير خطي افزايشي........................................................70
4-6-3 تحليل ديناميكي افزايشي تك ركورده.........................................................................................72
4-6-4 تحليل ديناميكي افزايشي چند ركورده.........................................................................................74
4-6-5 منحني تحليل ديناميكي افزايشي (IDA)...................................................................................75
4-6-6 دسته منحنيIDA.......................................................................................................................75
4-6-7 انتخاب IM  و روش صحيح مقياس كردن................................................................................77
4-6-8  روش هاي مختلف بدست آوردن رابطه IM در مقابل EDP..................................................79
4-6-9 استفاده از نتايج IDA و بدست آوردن مقدارG_EDP/IM(y/im).........................................................79
4-7 تحلیل مدل......................................................................................................................................80
4-8  کلیات تحلیل نیاز لرزه¬اي احتمالاتی..............................................................................................80
4-9 مدل¬هاي نیاز لرزه¬اي احتمالاتی........................................................................................................81
4-10 تحلیل شکنندگی لرزه¬ای مدل-ها....................................................................................................85
4-10-1 مقدمه........................................................................................................................................85
4-10-2  روش تحقیق............................................................................................................................87
4-10-3 منحنی هاي شکنندگی مربوط به سازه ی مورد مطالعه.............................................................87
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات.....................................................................................................93
5-1 نتیجه گیری......................................................................................................................................94
5-2 پیشنهادها.........................................................................................................................................95
منابع........................................................................................................................................................97
ضمیمه.....................................................................................................................................................104

فصل اول
کلیات تحقیق

1-1 مقدمه
انسان از آغاز خلقت همواره با موضوع بلاياي طبيعي مواجه بوده و تلاش نموده¬ است تا اين حوادث و سوانح طبيعت را مديريت و كنترل نمايد و زندگي خود را از اين خطرات، ايمن و محفوظ دارد. از ميان بلاياي طبيعي، زلزله از ويژگي¬هاي خاصي برخوردار بوده و در قرن گذشته با توجه به عوامل زير اهميت بيشتري به مديريت بحران زلزله داده شده است:
    افزايش تعداد  شهر ها در نقاط مختلف كه بسياري در مناطق فعال لرزه¬ خيز واقعند.
    گسترش و توسعه شهرها به گونه¬اي كه گسل¬هاي زيادي در داخل شهرها قرار گرفته¬اند.
    افزايش تراكم جمعيت شهرها كه باعث افزايش تعداد قربانيان زلزله گرديده است.
    افزايش كمي و كيفي تأسيسات و امكانات مختلف شهري، كه باعث افزايش سرمایه¬گذاري انسان در شهرها و گسترش خسارات مالي ناشي از زلزله شده ¬است.
    پيشرفت دانش لرزه ¬شناسي و مهندسي زلزله، كه بشر را قادر به ثبت اطلاعات زلزله ¬هاي گذشته و تجزيه و تحليل هر چه دقيق¬تر آنها نموده است.
ايران از نظر لرزه ¬خيزي در منطقه¬ي فعال جهان قرار دارد و به گواهي اطلاعات حاصل از مستندات علمي و مشاهدات قرن بيستم از خطر پذيرترين مناطق جهان در اثر زمين ¬لرزه¬ هاي پرقدرت محسوب می¬شود. در سال¬ هاي اخير به طور متوسط هر پنج سال يك زمين¬ لرزه با صدمات جاني و مالي بسيار بالا در نقطه اي از كشور رخ داده است و در حال حاضر ايران در صدر كشور هايي است  كه وقوع زلزله در آن با تلفات جاني بالا همراه است. 
گرچه جلوگيري كامل از خسارات ناشي از زلزله¬ هاي شديد بسيار دشوار و حتی غیر ممکن است، ليكن با افزايش سطح اطلاعات در رابطه با لرزه¬ خيزي كشور و مطالعه دقيق وضعيت آسيب¬ پذيري ساختمان -ها،  تأسیسات زیربنایی و شریان¬ های حیاتی و ايمن ¬سازي و مقاوم¬ سازي صحيح و اصولي آنها، مي توان تا حد مطلوب تلفات و خسارات ناشي از زلزله¬ هاي آتي را كاهش داد.
امروزه یکی از راه ¬های بررسی آسیب ¬پذیری ساختمان ¬های موجود، استفاده از منحنی ¬های شکنندگی  می¬ باشد که این منحنی ¬ها می توانند کاربرد های فراوانی قبل و بعد از زلزله داشته باشند.
1-2 شرح مسئله
    خطر لرزه ¬اي بیانگر پتانسیل خسارت ایجاد شده در سازه ناشی از وقوع زلزله است. خسارت یا شکست در سیستم سازه اي، بصورت عدم حفظ عملکرد مطلوب آن در هنگام وقوع زلزله تعریف می¬شود ( Nielson ، 2005 ). 
به منظور تحلیل شکست از دیدگاه مهندسی در یک سیستم سازه-ای، بایستی آستانه¬ ی رخداد شکست با استفاده از پارامتر های ریاضی به صورت کمی بیان شود. یکی از پارامتر هاي مهم در برآورد خسارت سازه¬ اي بزرگی و شدت زمین¬ لرزه می¬باشد. از جمله پارامتر هایی که در تحلیل شکنندگی  بعنوان معیار بزرگی و شدت جنبش¬ هاي لرزه¬ اي زمین در نظر گرفته می¬شود، می¬توان از بیشینه شتاب زمین (PGA)، بیشینه سرعت زمین (PGV)، بیشینه تغییر مکان زمین (PGD)، شتاب طیفی (Sa)، سرعت طیفی (Sv)، تغییر مکان طیفی (Sd) و شدت مرکالی نام برد( شهسوار، 1381).
در برآورد خطر لرزه ¬اي سازه پارامتر هایی نظیر شکل پذیري تغییر مکانی، شکل پذیري انحنایی، تغییر مکان مطلق عضو، انرژي هیسترتیک جذب شده توسط المان و .... براي تعیین حالات خسارت مورد استفاده قرار می¬گیرد. در تحلیل آسیب پذیري یک سیستم، به دنبال جمع ¬آوري و پردازش داده¬ هاي پاسخ سازه تحت اعمال جنبش شدید زمین هستیم. به منظور پردازش آماري رفتار سازه¬ هاي مختلف، با استفاده از تئوري احتمالات می توان ارتباط بین شدت زلزله و آسیب پذیري سازه ¬ها را در قالبی آماري مورد بررسی قرارداد. بررسی این ارتباط از دو دیدگاه حائز اهمیت است:
    با در دست داشتن ارتباط آماري بین شدت زلزله و گسترده آسیب سازه¬ ها می توان پیامد هاي رخداد زلزله¬ هاي آینده را پیش ¬بینی نمود.
    با شناخت بیشتر نقص¬ هاي موجود در طراحی سازه¬ ها، امکان بهبود بیشتر آیین¬نامه¬ هاي لرزه¬ اي فراهم شده و در نهایت باعث افزایش ایمنی سازه¬ ها می¬گردد (Nielson، 2005).
یکی از ابزارهاي کلیدي در ارزیابی خطر¬پذیری لرزه اي  که امروزه استفاده از آن رواج یافته است، منحنی شکنندگی است. منحنی شکنندگی، احتمال فراگذشت آسیب سازه از یک سطح آسیب مشخص را براي چندین سطح خطر از جنبش هاي لرزه اي زمین بیان می¬کند. این منحنی کاربردهاي فراوانی قبل و بعد از وقوع زلزله دارد، بطوریکه ضمن ارزیابی آسیب پذیری لرزه¬اي در مواردي دیگر از جمله تعیین اولویت¬ ها در مقاوم¬ سازي سازه¬ ها و همچنین برنامه ¬ریزي مدیریت بحران مورد استفاده قرار می¬گیرد.
1-3 اهداف و ضرورت تحقیق
امروزه ارزیابی عملکرد ساختمان ¬ها در برابر زلزله، به یکی از بحث¬ های رایج در بین محققین تبدیل شده است. با توجه به اینکه در طراحی تعداد زیادی از ساختمان¬ های موجود اثرات تخریبی زمین ¬لرزه در نظر گرفته نشده است و یا اینکه دانش طراحی لرزه ¬ای در حین ساخت آنها ناکافی بوده است، بروز خسارات وسیع در سازه¬ های موجود بر اثر وقوع یک زمین¬لرزه¬ی نسبتاً شدید دور از انتظار نخواهد بود  ( رهگذر و همکاران، 1387 ).
همان¬ طور که بیان شد منحنی شکست تابعی است که تجاوز خرابی سازه را از یک معیار تعیین شده، در مقابل افزایش شدت زمین¬ لرزه تعیین می کند و از این رو یکی از راه¬ های بررسی میزان خرابی سازه¬ها است.
با توجه به اینکه کشور ما یکی از مناطق لرزه¬ خیز است، و نیز با توجه به اینکه اکثر سازه¬ های موجود با ضوابط لرزه¬ ای ساخته نشده¬اند، آسیب ¬پذیری لرزه¬ ای سازه¬ های موجود، به ویژه تیپی از سازه¬ها که بیشتر مورد استفاده قرار می¬گیرند، لازم و ضروری به نظر می¬رسد.

1-4 روش اجراي طرح و مدل¬ های مورد بررسی 
در این پژوهش سعی خواهیم کرد آسیب¬ پذیری لرزه¬ ای یکی از تیپ¬ های ساختمانی رایج در سطح کشور، یعنی سازه ¬های فولادی دارای سیستم قاب خمشی ویژه با تعداد طبقات تعداد طبقات 5، 8 و 12 را بررسی کنیم و برای این سازه¬ها منحنی شکنندگی تولید خواهیم کرد. 
   برای رسیدن به اهداف این پایان¬نامه، مدل¬ها بصورت دو¬بعدي درنرم¬افزار opensees مدل سازی شده و تحت اثر 10 رکورد زلزله که هر یک از این رکوردها از مقدار 0.1g تا 1.5g مقیاس شده-اند، تحت تحلیل دینامیکی غیرخطی افزایشی قرار می¬گیرند. سپس مقادیر نیاز و ظرفیت در مؤلفه¬ هاي سازه مقایسه و  مؤلفه Drift  در ارائه شکنندگی در تعیین آسیب ¬پذیري بررسی خواهد شد و سپس با اعمال تکنیک¬هاي آماري لازم بر روي داده¬ ها، منحنی¬ هاي شکنندگی برای هریک از مدل ¬ها تولید خواهد شد.
1-5 ساختار پایان¬نامه
پایان ¬نامه¬ی حاضر در 5 فصل تهیه شده است. در فصل اول اطلاعاتی کلی در خصوص پایان ¬نامه، اهداف آن و روش تحقیق ارائه شده است. در فصل دوم در مورد انواع منحنی شکست و روش¬ های تهیه¬ی آن و نیز در مورد اطلاعات و داده¬ های مورد نیاز برای تهیه¬ی منحنی شکست توضیحاتی ارائه شده است. دستور العمل HAZUS نیز به صورت مختصر دراین فصل معرفی شده است. و همچنین مروری بر تعدادی از  پژوهش¬های انجام شده در زمینه¬ی منحنی شکست برای سازه¬ ها در این فصل انجام شده است. در فصل سوم مطالعاتی در مورد قاب های مقاوم خمشی فولادی انجام شده است.
مطالعات عددی در مورد مدل ¬ها و روش این پایان¬ نامه در فصل چهارم آمده است که در آن فرضیات و مراحل کامل روش¬ های مورد استفاده برای رسیدن به نتیجه¬ی مورد نظر ارائه شده¬اند. منحنی¬ های شکست تولید شده نیز در همین فصل نمایش داده شده-اند. نهایتاً فصل پنجم به نتیجه¬ گیری و ارائه¬ی پیشنهادات برای تحقیقات آتی اختصاص یافته است.

فصل دوم
منحنی های شکنندگی

2-1 منحنی¬هاي شکنندگی لرزه¬اي
    منحنی شکنندگی، احتمال خرابی متناظر با یک حالت خرابی معین را در چندین سطح از جنبش¬ هاي لرزه ¬اي زمین بیان می¬کند. در واقع منحنی شکنندگی، نسبت بین شدت زمین ¬لرزه و سطح خرابی لرزه¬ اي محتمل را توصیف می¬کند. جهت تعیین دقیق چنین نسبتی انتخاب صحیح شدت زلزله در منطقه¬ ی  سازه¬ي تحت بررسی مهم می¬باشد. از شاخص ¬هایی که شدت زلزله را بطور مناسب جهت تحلیل شکنندگی معرفی می¬نمایند می¬توان از بیشینه شتاب زمین PGA، بیشینه سرعت زمین PGV، بیشینه تغییر مکان زمین  PGDنام برد. این منحنی ¬ها را می¬توان از تحلیل رگرسیون منطقی اطلاعات خرابی واقعی یا شبیه¬ سازي شده و یا روش¬هاي حل عددي بدست آورد.
   با توجه به اینکه آسیب ¬پذیری لرزه ¬ای زمانی رخ می¬دهد که احتمال فراگذشت سازه از سطح خرابی تعریف شده وجود داشته باشد، گسیختگی زمانی رخ می¬دهد که سازه¬ی موجود نتواند شرایط لازم برای سطح عملکرد تعریف شده را ارضا کند.
      استفاده از منحنی شکست برای ارزیابی رفتار سازه¬ ها و خطر ناشی از زلزله، در دو دهه ی اخیر به طور گسترده ¬ای توسط جامعه¬ی علمی مورد استفاده قرار گرفته است. روش منحنی شکست یک امتیاز مهم دارد و آن امتیاز، این است که آسیب -پذیری سازه و مؤلفه¬های آن را با یک روش ساده نشان می¬دهد و اجازه می¬دهد که سطح خرابی مورد انتظار برای شدت زلزله¬ی معین را تخمین بزنیم ( مارانو ،2009) .
   روش¬ های مختلفی برای تهیه¬ی منحنی شکست وجود دارد که مهم¬ ترین آنها به شرح زیر است:
    روش تجربی  یا آزمایشگاهی
    روش قضاوت مهندسی 
    روش تحلیلی 
    روش ترکیبی  که توضیحات مربوط به هر روش در ادامه آمده است.
2-1-1  منحنی¬ های شکنندگی تجربی
   منحنی¬های شکنندگی بر اساس مشاهدات اطلاعات مربوط به آسیب ¬های سازه ¬ای به دست آمده از   زلزله¬ های گذشته به دست می-آید. این منحنی¬ها انواع مختلف سازه را مشخص نمی کنند. یعنی تأثیر پارامتر های مکانیکی ساختمان، عملکرد ساختمان ( استاتیکی یا دینامیکی )، تغییرات ورودی (حوزه ی فرکانسی ) و ... در نظر گرفته نمی شود. بنابراین این روش برای تعیین سطح خرابی یک سیستم خاص مناسب نمی¬باشد.
   منحنی¬هاي شکنندگی تجربی، اغلب همراه با کمبود داده می¬باشند و فقط قابل استفاده در مناطق محدود هستند ولی از آنجایی که منحنی -هاي شکنندگی تجربی برگرفته از مشاهدات خسارت¬ هاي ناشی از زلزله-هاي واقعی روي سازه هستند، نقش اجتناب ¬ناپذیري در مطالعه روي منحنی ¬هاي شکنندگی ایفا  می¬کنند. منحنی هاي شکنندگی تجربی در صورت تعیین براساس داده¬ هاي خرابی به تعداد کافی       می-توانند به عنوان معیار در برآورد صحت منحنی¬ هاي شکنندگی تحلیلی و آن دسته از منحنی ¬هاي آزمایشگاهی که فقط تحت شرایط آزمایشگاهی ایجاد می¬شوند، مورد استفاده قرار داده شوند ( نیلسن، 2005 ).