فایل ساده سازي روش تحليل آسیب پذيري ساختمان هاي متداول فولادی به كمك روش طراحي براساس عملكرد

جزئیات و دریافت

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

فهرست مطالب

فصل اول : کلیات 
    1
1-1 روش های متداول  ارزیابی آسیب¬پذیری سازه¬ها    2
   1-1-1 روش طیف ظرفیت     3
   1-1-2 روش¬های مکانیکی    4
   1-1-3 روش¬های تغییرمکانی     5
   1-1-4 روش ضرایب تغییر مکان    7
1-2 روش¬های ساده شده در ارزیابی آسیب¬پذیری سازه¬ها    8
   1-2-1 کلیات     8
   1-2-2 تحلیل مکانیزم جانبی ساده شده (SLaMA)     8
1-3 تحقیقات انجام شده در این پایان¬نامه    9
فصل دوم : روش هاي متداول برآورد خسارت 
    11
2-1 تاريخچه ارزيابي آسيب پذيري لرزه¬اي ساختمان ها     11
2- 2  ارزيابي آسيب پذيري ساختمان ها به روش كيفي     12
2-3  ارزيابي آسيب پذيري ساختمان ها به روش كمي     14
   2-3-1   شاخص هاي آسيب پذيري محلي سازه     15
   2-3-2  شاخص هاي تجمعي براساس تغييرشكل     15
   2-3-3  شاخص هاي آسيب پذيري بر مبناي خستگي     17
   2-3-4  شاخص¬هاي آسيب¬پذيري تجمعي بر مبناي انرژي     18
   2-3-5  شاخص هاي آسيب پذيري مركب     18
2-4 اصول و مفاهیم کلی روش طراحی بر اساس عملکرد    22
2-5 روش های مختلف طراحی براساس عملکرد     24
2-6  تعیین ظرفیت در سازه     25
   2-6-1 تحلیل استاتیکی غیرخطی    26
2-7 تعیین تقاضا در سازه    27
2-8 روش ارزیابی عملکرد N2      27
2-9 دستورالعمل ارزیابي ¬لرزه¬ای ساختمان¬ها در نیوزلند (دستور العمل NZSEE )    31
   2-9-1  اهداف عملکردی     31
   2-9-2  معیارهای عملکردی     32
   2-9-3  حالت حدی نهایی، معیاری برای عملکرد قابل قبول     33
فصل سوم جزئیات روش¬های تحلیل آسیب¬پذیری سازه¬های فولادی
    34
3-1 روش تحلیل آسیب¬پذیری در FEMA356    34
   3-1-1 سطوح عملکرد    34
   3-1-2 سطوح خطر زلزله    36
3-2 تحلیل استاتیکی غیرخطی در FEMA 356     37
   3-2-1  توزیع بار جانبی    38
   3-2-2 مدل رفتار دو خطی نیرو– تغییرمکان سازه    39
   3-2-3 زمان تناوب اصلی موثر    40
3-3 پيشنهادات مطرح شده درFEMA440 براي اصلاح روش‌های تحليل استاتيکي غيرخطي    43
   3-3-1 بردار بار منفرد    44
   3-3-2 محدوديت بر روي مقاومت به دليل کاهش مقاومت ناشي از اثرات P-Δ در يک سيکل    45
   3-3-3 حداکثر نسبت تغيير مکان (ضريب C1)    48
   3-3-4 اصلاح براي در نظر گرفتن کاهش سختي و مقاومت سيکلي(ضريب C2)    48
  3-4 تحلیل دینامیکی افزاینده (IDA)     50
   3-4-1 جزییات مربوط به انجام آنالیز    51
   3-4-1-1  معیار فروریزش در سازه    51
3-5 دستورالعمل ارزیابی لرزه¬ایی ساختمان¬ها در نیوزلند (دستورالعمل NZSEE )    54
   3-5-1 طیف پاسخ شتاب    56
   3-5-2 روش مبتنی بر تغییر مکان    57
   3-5-3 روش مبتنی بر نیرو    60
    3-5-4 تشریح روش ارزیابی لرزه¬ایی ساختمان¬ها    62
   3-5-4-1 مقاومت¬هاي خمشی و برشي محتمل     62
   3-5-4-2 مكانيزم¬های غيرارتجاعي قاب و ظرفيت نيروي جانبي ناشي از زلزله     52
   3-5-4-2-1  روش تحلیل مکانیزم¬های جانبی ساده شده (SLaMA)     65
   3-5-4-2-2  استفاده از تحلیل پوش آور    74
   3-5-5 تعيين زمان تناوب سازه     75
   3-5-6 تعیین ضریب مقیاس طیف غیرالاستیک در روش نیرویی    76
   3-5-7 تقاضاي تغييرمكان سازه در روش ارزیابی لرز¬ه¬ایی تغییر مکانی    77
فصل چهارم : مدل سازی و تحلیل آسیب-پذیری سازه ها
    80
4-1 مشخصات سازه¬های طراحی شده     80
4-2 معرفی نرم افزارOpenSees    81
   4-2-1 مزیت¬های نرم¬افزار OPENSEES       86
   4-2-2 تقسيم بندي مدل¬ها در OpenSees      87
   4-2-3  روش هاي تحليل موجود در OpenSees    88
   4-2-4 بخش هاي مختلف مدل سازي در OpenSees     88
4-3  ارزیابی لرزه¬ای قاب 3 طبقه    89
   4-3-1 ارزیابی لرزه¬ای قاب 3 طبقه به روش آیین نامه نیوزلند    91
   4-3-1-1 محاسبه ظرفیت سازه به روش SLaMA     91
   4-3-1-2 محاسبه تقاضا به روش ارزیابی تغییرمکانی قاب 3 طبقه    91
   4-3-1-3 محاسبه تقاضا قاب 3 طبقه به روش نیرویی    98
   4-3-2 روش ارزیابی عملکرد FEMA 356  قاب 3 طبقه    100
   4-3-3 تحلیل دینامیکی غیرخطی      101
     4-3-3-1 انتخاب شتاب¬نگاشت¬ها     103
   4-3-4 تحلیل دینامیکی افزاینده(IDA)    107
4-4 ارزیابی لرزه¬ایی قاب 5 طبقه    111
   4-4-1 ارزیابی لرزه¬ای قاب 5 طبقه به روش آیین نامه نیوزلند    111
   4-4-1-1 محاسبه ظرفیت قاب 5 طبقه به روش SLaMA     111
   4-4-1-2 برآورد تقاضا قاب 5 طبقه به روش تغییرمکانی    117
   4-4-1-3 محاسبه تقاضا قاب 5 طبقه به روش نیرویی    118
   4-4-2 روش ارزیابی عملکرد FEMA 356  قاب 5 طبقه    119
   4-4-3 تحلیل دینامیکی غیرخطی قاب 5 طبقه    121
   4-4-4 تحلیل دینامیکی افزاینده(IDA) قاب 5 طبقه    122
4-5 ارزیابی لرزه¬ایی قاب 8 طبقه    127
   4-5-1 ارزیابی لرزه¬ای قاب 8 طبقه به روش آیین نامه نیوزلند    127
     4-5-1-1 محاسبه ظرفیت قاب 8 طبقه به روش SLaMA     127
     4-5-1-2 برآورد تقاضا قاب 8 طبقه به روش تغییرمکانی    131
     4-5-1-3 محاسبه تقاضا قاب 8 طبقه به روش نیرویی    133
   4-5-2 روش ارزیابی عملکرد FEMA 356  قاب 8 طبقه    134
   4-5-3 تحلیل دینامیکی غیرخطی قاب 8 طبقه    135
   4-5-4 تحلیل دینامیکی افزاینده(IDA) قاب 8 طبقه
    137
فصل پنجم نتایج و پیشنهادات
    141
5-1 نتایج      141
5-2 پیشنهادات برای ادامه کار    146
پيوست    147
مراجع    155

فصل اول

کلیات

مقدمه 

آنچه از یک زمین¬لرزه برجای می¬ماند تنها خساراتی است که به اشکال مختلف خود را نشان می¬دهد و لذا مطالعه خسارات ، بهترین روشی است که به وسیله آن می¬توان تأثیر زمین¬لرزه بر جامعه را از جهات گوناگون مورد بررسی قرار داد. مثلاً آثار فرهنگی و اجتماعی به جا-مانده از یک زلزله می¬تواند مبنایی برای مطالعه آثار زلزله یا بحران¬های مشابه در منطقه دیگری باشد و یا تخریب و آسیب وارده به مراکز امداد رسانی و اطلاع¬رسانی و ... می¬تواند در تصمیم¬گیری در مورد چنین حوادثی در مناطق دیگر بسیار مفید واقع شود. 
در تعداد زیادی از سازه¬ها علائمی از خرابی دیده شده به طوری که عملاً برخی از آنها كارايي خود را از دست داده-ند. از این رو نحوه ارزیابی مقاومت این¬گونه سازه¬ها یکی از مهم¬ترین مسائلی است که مهندسین سازه باید بدان بیاندیشند. 
سه مرحله اصلی برای ارزیابی و ترمیم یک سازه عبارتند از: 
کنترل و بررسی سازه، تشخیص نوع آسیب دیدگی و طراحی شیوه ترمیم. 
در اولين مرحله از ارزيابي يك سازه، يعني در مرحله كنترل، از آزموني با جزئيات مشخص به منظور تعيين وضعيت كيفي سازه استفاده مي¬شود كه شامل بررسي كليه اطلاعات موجود در سازه، بازديد سازه جهت تعيين نقاط ضعف و انجام آزمايش هاي مفيد فیزیکی و شیمیایی است. 
در مرحله دوم كه مرحله تشخيص است، رفتار فعلي و آتي سازه مورد بررسي قرار مي¬گيرد. در این مرحله اگر تشخیص داده شود که سازه از خطري رنج مي برد، نخست به تشخيص عوامل اصلي بروز اين خطر پرداخته و سپس سعي مي¬گردد رفتار آتي سازه تحت اين عوامل و عواقب حاصل از آنها پيش بيني گردند. 
سومين مرحله به طراحي شيوه ترميم سازه مورد بررسي اختصاص دارد. در اين مرحله، مهندسين نيازهاي مقاومتي اضافي سازه مذكور را تعيين كرده و با ارائه راهكارهايي ضمن اين¬كه الزامات مربوط به ايمني سازه را ارضاء مي¬كند، بايد عملي و در عين حال اقتصادي نيز باشد تا بتواند كارفرمايان را توجيه نمايد. 
 
1-1 روش های متداول  ارزیابی آسیب¬پذیری سازه-ها

هدف از ارزیابی عملکردی سازه¬ها تعیین سطح عملکرد سازه نسبت به آیین¬نامه موجود می¬باشد. برای بسیاری از ساختمان¬های موجود لزومی بر استفاده از روش¬های طولانی و با جزئیات بالا نیست بلکه هدف اصلی بر بکار بردن عملکرد لرزه¬ای ساختمان¬های موجود در ارزیابی آسیب¬پذیری آنها می¬باشد. 
در یک روش ارزیابی عملکردی از ساختمان¬های موجود بایستی مراحل زیر را طی نمود: 
الف) مدلسازی لرزه¬ای از منطقه مورد نظر.
ب) مدلسازی سازه که بایستی فرضیات بیشماری را به عنوان خصوصیات اعضای سازه¬ای و شرایط مرزی درنظر گرفت تا بتوان به نتایج مورد انتظار از پاسخ لرزه¬ای دست یافت. 
پ) انتخاب برنامه و فرآیند تحلیلی که بتوان پاسخ طبیعی سازه را از جمله تغییرمکان¬ها، لنگرهای خمشی و نیروهای برشی و محوری را تعیین کرد. 
ت) مدلسازی ظرفیت اعضای سازه¬ای. این مرحله با آنچه که در طراحی ساختمان¬های جدید مورد استفاده قرار می¬گیرد، کاملاً متفاوت است. در ساختمان¬های جدید هدف رسیدن به ظرفیت       شکل¬پذیری درنظر گرفته شده در آیین¬نامه¬های طراحی است در حالی که در ساختمان¬های موجود بررسی توانایی اعضای سازه¬ای در تغییرشکل¬های پلاستیکی مطرح است که این خود وابسته به جزئیات موجود در این اعضا می¬باشد. 
ث) مقایسه تقاضا و ظرفیت بدست¬آمده از مراحل قبل می-باشد.

1-1-1 روش طیف ظرفیت 

روش طيف ظرفيت كه در  به آن اشاره شده¬است، در تحليل HAZUS براي ارزيابي خسارت زلزله به كار رفته¬است [1]. نقطه عملكرد سازه تحت يك زمين¬لرزه از تقاطع طيف شتاب - تغييرمكان تحت حركت زمين و منحني طيف ظرفيت (منحني پوش¬آور تبديل شده به منحني¬هاي شتاب طيفي در برابر تغييرمكان طيفي) كه نشان¬دهنده تغييرمكان افقي سازه تحت بار جانبي فزاينده¬است، بدست مي¬آيد (شكل 1-1). در HAZUS منحني¬هاي ظرفيت را با استفاده از تحليل پوش¬آور غيرخطي سازه¬هاي الگو در ايالات متحده تعيين كرده¬اند (با ايجاد خاصيت تغييرپذيري در منحني¬هاي تعيين شده توسط تركيبي از اطلاعات عملكردي، اطلاعات منطقه زمين¬لرزه، نظرات كارشناسانه و قضاوت مهندسي) در حاليكه تحليل¬هاي پوش¬آور منطبق با ساختمان¬هايي با خصوصيات سازه¬اي متفاوت توسط روزتو (Rossetto) و النشای (Elnashai) انجام شده¬است. روش تعيين ظرفيت غيرخطي سازه-هاي بتن¬آرمه تفاوت زيادي با كارهاي محاسباتي مي¬تواند داشته باشد و در نتيجه روش¬هاي ساده شده به كار رفته در تعيين ظرفيت ترجيح داده مي¬شوند. يك روش ساده¬شده می-تواند با شرايط مختلف ساخت نيز منطبق شود، بنابراين تحليل آسيب¬پذيري مدل به راحتي براي يك منطقه يا كشور قابل انجام خواهد بود. 

شكل 1-1 : روش طيف ظرفيت به كار رفته شده در HAZUS [1]

جیووینزی [2] يك روش مكانيكي براي تحليل خطر قاب¬هاي بتن¬آرمه كه از منحني¬هاي ظرفيت دوخطه استفاده مي¬كنند، معرفي كرد كه با استفاده از روابط و پارامترهاي موجود در آئين¬نامه¬هاي طراحي لرزه¬اي نتيجه گرفته شده¬است. ضريب برش پايه (كه مي¬تواند با شتاب طيفي حد تسليم ارتباط داشته باشد) تابع عواملي مانند ناحيه لرزه¬اي، شرايط خاك، پاسخ ديناميكي ساختمان، نوع سازه و اهميت سازه است كه همه آنها مي¬توانند از آئين¬نامه بدست آيند. تغييرمكان طيفي تسليم تابع شتاب طيفي تسليم و زمان تناوب نوسان در هنگام تسليم است كه دومي با استفاده از روابط ساده¬اي كه در آئين¬نامه¬هاي طراحي لرزه¬اي موجود است بدست مي¬آيد كه معمولاً آن را برحسب ارتفاع ساختمان ارائه مي¬دهند. تغييرمكان طيفي نهايي خود تابع تغييرمكان تسليم و ظرفيت شكل¬پذيري ساختمان است كه براي ساختمان¬هاي بتن¬آرمه¬اي كه با ملاحظات لرزه-اي طراحي نشده¬اند برابر 5/2 فرض مي¬شود؛ در غير اينصورت اين نسبت (تغييرمكان نهايي به تغييرمكان حد تسليم) با استفاده از ضريب رفتار تعيين شده در آئين نامه تعيين مي¬شود. استفاده از آئين¬نامه¬هاي طراحي در تعيين منحني¬هاي پوش¬آور ساده¬شده ساختمان، روش بسيار مؤثري براي سنجش آسيب¬پذيري ساختمان¬هاي طراحي شده با آئين¬نامه¬هاي مختلف مي¬باشد. در هر¬حال تعاريف آئين¬نامه-اي زمان¬تناوب تسليم و ظرفيت برش پايه سازه¬هاي بتن¬آرمه مي¬تواند اختلاف زيادي با خصوصيات واقعي حال حاضر ساختمان داشته باشد [3]. 

1-1-2 روش¬های مکانیکی

کوزنزا [4] يك روش مكانيكي براي تحليل ساختمان¬هاي بتن-آرمه معرفي مي¬كند كه مبتني بر تشکیل مكانيزم¬هاي خرابي در سازه مي¬باشد. در اين روش ساختمان به صورت يك مدل سه بعدي كلي مدل می¬شود و تيرها و ستون¬ها براساس آئين-نامه زمان ساخت پروژه طراحي مي¬گردند. براي هر عضو، رفتار لنگر- چرخش در نقاط لنگر تسليم، مقدار انحناي تسليم و مقدار انحناي حالت نهايي بدست مي¬آيد. مقدار برش پايه نهايي   هر ساختمان مدلسازي شده با استفاده از يك تحليل غيرخطي بدست مي¬آيد؛ فرض می¬شود كه ظرفيت ساختمان با پيشرفت مكانيزم پلاستيك¬شدگي از پيش تعيين شده مطابقت دارد (شكل1-2) و نيروهاي لرزه¬اي مي¬توانند توسط يك توزيع خطي در ارتفاع ساختمان تعيين شوند. 

شكل 1-2 : مكانيزم هاي خرابي [4] 

تغييرمكان نهايي بام   به صورت تابعي از چرخش نهايي   اعضاي سازه تعيين مي¬شود در حالي كه رفتار لرزه¬اي كل ساختمان توسط ضريب خرابي   (برش پايه   تقسيم بر وزن كل       لرزه¬اي ) و تعييرمكان نسبي متناظر،  (تغييرمكان بام تقسيم بر ارتفاع ساختمان) مشخص مي¬گردد. پاسخ لرزه¬اي براساس مكانيزم¬هاي   ارزيابي مي¬شود كه در آن   تعداد طبقات را نشان مي¬دهد؛ ظرفيت لرزه¬اي، متناظر با کمترین مقدار ضريب خرابي تمامي مكانيزم¬هاي مورد ملاحظه و دريفت¬هاي وابسته به آن مي-باشد. ظرفيت لرزه¬اي حال حاضر ساختمان متفاوت با موقعيت¬هاي مختلف سازه¬اي، هندسي و خصوصيات مصالح است. بنابراين تعدادي از مدل¬هاي ساختماني براساس توزيع احتمالاتي پارامترهاي سازه¬اي ايجاد مي¬شوند. تكنيك مدلسازي مونت¬کارلو (Monte Carlo) براي تعيين منحني¬هاي ظرفيت احتمالي به كار مي¬رود كه احتمال داشتن ظرفيتي كمتر از مقدار حدي تعيين شده را بيان مي¬كند. 
از معايب مهم اين روش اين است كه فقط حالت حدي خرابي درنظر گرفته مي¬شود و هيچ اشاره¬اي نمي¬كند كه ظرفيت سازه چگونه با احتمال تقاضاي بيش از حالت حدي داده¬شده مرتبط خواهد شد. پيشرفت¬هاي اخير بعضي از اين كمبودها را جبران نموده است و روشي در يك چهارچوب ارزيابي خطر ارائه شده¬است [5]. 

1-1-3 روش¬های تغییرمکانی 

روش¬هاي متداولی براي تعيين رفتار غيرخطي ساختمان¬هاي بتن¬آرمه مطرح شده¬است كه در آن¬ها به جای آنکه از نتایج حاصل از منحني¬هاي پوش¬آور بهره گرفته شود از ظرفيت تغييرمكان غيرخطي و زمان¬تناوب سيستم يك درجه آزادي معادل، بدون اينكه ظرفيت برش پايه سازه به طور صريح محاسبه گردد، استفاده می¬شود [6]. روش ارائه شده توسط کِلوی (Calvi) بر مبنای روش طراحي براساس تغييرمكان مستقيم است که پریستلی آن را بیان کرد، كه در آن يك سازه چند درجه آزادي (MDOF) به صورت يك سيستم يك درجه آزادي (SDOF) مدل مي¬شود و الگوهای مختلف تغييرمكان سازه مختلف مطابق با مكانيزم¬هاي خرابي آن در حالات حدي داده¬شده و با استفاده از خصوصيات مصالح و هندسی سازه-های محدود در یک ساختمان نمونه بدست می¬آیند. اين روش خصوصاً براي ارزيابي خسارت ساختمان¬ها مناسب مي¬باشد، چرا که علاوه بر اصلاح مستقیم خصوصیات موجود ساختمان، به لحاظ محاسباتی مناسب¬تر می¬باشد 
روش ارائه شده توسط کِلوی بلافاصله به وسیله پینهو (Pinho) و کراولی (Crowley) توسعه يافت كه منجر شد روش ارزيابي خسارت ناشي از زلزله براساس تغييرمكان (DBELA) را مطرح کنند. در روش DBELA ظرفيت تغييرمكان سازه براساس كرنش¬هاي مقطع در بتن و فولاد، در سه حالت حدی مرحله تسلیم، خرابي شديد و فروریزش بدست می¬آید. ظرفيت تغييرمكان برای مکانیزم¬های خرابی شکست ستون (طبقه نرم) و شکست تير (خرابي تعميم يافته) درنظر گرفته می¬شود.     تقسيم¬بندی ساختمان موجود به مكانيزم-هاي مختلف براساس زمان ساخت بوده و بیانگر وجود يك طبقه همكف ضعيف مي¬باشد. بسياري از ساختمان¬ها قبل از آنکه روش طراحي لرزه¬اي (مانند طراحي ظرفيت) در آئين-نامه¬هاي لرزه¬اي کشورها لحاظ گردد، ساخته شده¬اند و در صورت وجود يك طبقه همكف ضعيف در آن¬ها (در مقايسه با طبقات بالاتر) به عنوان ساختمانی با مكانيزم طبقه نرم (مکانیزم خرابی ستون) درنظر گرفته می¬شوند. 
در روش DBELA ، ظرفيت تغييرمكان سازه¬اي اعضاي بتن¬آرمه براساس مكانيزم تشکیل شده در سازه بدست می¬آید. ابتدا با كرنش حد تسليم فولاد و شکل هندسی مقاطع تير و ستون در ساختمان نمونه، میزان انحناي حد تسليم به کمک روابط ارائه شده توسط پریستلی (Priestley) تعيين می¬گردد [Priestley,2003]. برای بدست آوردن رابطه¬ای برای چرخش انتهایی عضو در محل اتصال، مقادیر انحنای حد تسليم تيرها و ستون¬ها در یک سری ضرايب تجربي ضرب  مي¬شوند. چرخش عضو برابر با چرخش پايه در نظر گرفته مي¬شود و با ضرب در ارتفاع سيستم يك درجه آزادي معادل ظرفيت تغييرمكاني حد تسليم بدست می¬آید. ظرفيت تغييرمكان پس از تسليم عضو برابر است با مجموع تغييرمكان تسليم و تغييرمكان پلاستيك عضو که با ضرب مقادیر انحناي پلاستيك مقطع، طول مفصل پلاستيك و طول عضو جاري شده در يكديگر بدست مي¬آيد. روابط تغییرمکان ظرفیت سازه که تابع خصوصیات هندسی و مصالح عضو و ارتفاع ساختمان نمونه است، به صورت تابعی از زمان تناوب سازه تغییر داد که این رابطه خود با جایگزینی رابطه نسبت ارتفاع سازه به زمان تناوب حالت حدی مورد نظر آن بدست می¬آید. در نتیجه می¬توان در هر زمان تناوبی، مقایسه¬ای را بین تغییرمکان ظرفیت ساختمان و تغییرمکان تقاضای حاصل از طیف پاسخ انجام داد.