نوع فایل: word
تعداد صفحات: 140 صفحه
چکیده:
در این پایان نامه به منظور اندازه گیری بهتر پاسخ سازه ای ایجاد شده توسط زمین لرزه ای با یک شدت مشخص، موضوع انتخاب رکورد برای تحلیل های دینامیکی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور روش انتخاب رکورد برای انطباق بر مقادیر اپسیلون معین با روش انتخاب رکورد بر اساس ضوابط آئین نامه 2800 زلزله ایران مورد بررسی قرار گرفت.
در نتیجه 3 مدل سازه ای با تعداد طبقات 4، 8 و 16 انتخاب و طراحی شدند. همچنین برای هر یک از مدل ها دو سطح لرزه ای 2 درصد و 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه انتخاب گردید. پس از انتخاب رکوردها بر اساس این 3 روش، پاسخ سازه ها با استفاده از تحلیلهای تاریخچه زمانی غیرخطی مورد ارزیابی قرار گرفت. بر اساس نتایج بررسی ها روش استفاده شده برای انتخاب رکورد، تأثیر زیادی بر نتایج تخمین پاسخ سازه ای دارد. همچنین از لحاظ پراکندگی پاسخ و خطا، رکوردهای انتخاب شده بر اساس اپسیلون دارای پراکندگی به مراتب کمتری نسبت به انتخاب بر اساس روش آئین نامه 2800 می باشند.
کلمات کلیدی: رکورد زلزله، تحلیل تاریخچه زمانی، پارامتر اپسیلون، پاسخ سازه ای.
مقدمه:
مهندسي زلزله به دلايل متعددي تحت تغييرات اساسي قرار گرفته است. گسترش دانش و آگاهيها درباره وقوع زلزله و حركات زمين و پاسخ سازه از اين دلايل ميباشد. خسارتهاي مالي بيش از حد انتظار در زلزلههاي اخير آمريكا و ژاپن نيز از دلايل ديگر اين تغييرات ميباشد. شايد مهمترين این دلايل ضعف های عمده موجود در آيين نامههاي زلزله متداول کنونی باشد نياز جامعه به آگاهي در مورد چگونگي بدست آوردن نيازهاي لرزه اي و ظرفيتهاي مورد نياز احتمالي براي ساخت سیستم های سازه ای جدید به خصوص برای سازه های بلند مرتبه همواره همراه با تقریب هایی می باشد که باعث ایجاد خطاها و مشکلات عمده ای در فرآیند طراحی، ساخت و بهره برداری از این سازه ها ميشود. در این میان روشهاي كنوني آيين نامهاي حدودا از 40 سال پیش بر پایه تحقيقات وسيع انجام گرفته در زمينههاي مهندسي زلزله شناسي و زمين شناسي، ديناميك سازه و مقاومت مصالح ارائه شده اند و در طی 25 سال گذشته، پيشرفت هاي زيادي در هر يك از اين زمينهها انجام گرفته است.
در مهندسي زلزله ثابت شده است كه اقتصاديترين راه حل ممكن، پذيرفتن وقوع خرابي در طول زلزله است. با اين حال، اين كار مستلزم پيش بيني خسارتهای احتمالی سازه توسط مهندس طراح جهت تصميم گيري نهایی آگاهانه است. جهت اتخاذ چنين تصميماتي نياز به فاصله گيري از روش هاي تجربي و قراردادي و حركت به سوي يك روش طراحي و ارزيابي كه رفتار واقعي سازه را تحت بارهاي وارد بر سازه نشان دهد وجود دارد. اين حركت به سوي روش هاي متحول شده طراحي كه بر دقت بيشتر در طراحي و پيش بيني تأكيد دارند، اغلب نيازمند تكنولوژيهاي پيشرفته هستند.
همانگونه كه ميدانيم روشهاي تحلیل دینامیکی كنوني براساس رفتار خطي سازهها استوار ميباشند. بدين معني كه در اثر نيروهاي زلزله تنشها در هيچ نقطهاي از سازه از تنش تسليم تجاوز نكند و تغيير شكلها و تغيير مكانها طوري محدود شوند كه هندسه ساختمان از حد معيني تجاوز نكند. اما طرح ساختمانها براساس فرضيات مزبور براي زلزلههاي بزرگ كه احتمال ميرود در طول عمر مفيد ساختمان فقط يك بار رخ دهد، اقتصادي نميباشد.
هنگامي كه سازهاي تحت تأثير زلزله شديدي قرار ميگيرد تنشها در آن از حد تسليم تجاوز ميكند، تا جايي كه ميتوان گفت زلزلهاي با شدت متوسط در ساختماني كه براساس آئيننامههاي متداول طرح شدهاست، تنشهايي فراتر از تنشهاي مجاز ايجاد خواهد كرد. بنابراين ميتوان انتظار داشت ساختمانهايي كه براساس روشهای تحلیل متداول آئيننامه ای طرح شدهاند حتي در زلزلههايي با شدت متوسط نيز دچار صدمه شوند. از اينرو ضرورت استفاده از روشهاي تحليلي غيرخطي دینامیکی براي پيشبيني عملكرد ساختمانها در مقابل زلزله احساس ميشود. در روشهاي غيرخطي نيروهاي داخلي اعضاء به واسطه رفتار غيرخطي آنها برآورده ميگردد. به همين جهت نتايج نسبت به روشهاي تحليل خطي داراي دقت بيشتري است.
از اینرو امروزه دیگر در طراحی لرزه ای سازه های مدرن که عموماً دارای شکلی پیچیده بوده و تحت بارهای عظیمی قرار دارند، استفاده از روشهای معمول قدیم مانند تحلیلهای استاتیکی معادل و تحلیلهای طیفی مودال، مرسوم نیست. از سوی دیگر به دلیل پیشرفت روشهای محاسباتی و ضوابط آئین نامه های طراحی موجود، روشهای تاریخچه زمانی غیرخطی به عنوان یک ابزار عملی مورد استفاده قرار می گیرند. دستورالعمل-های ارزیابی لرزه ای مدرنی همچونFEMA-356 شامل ضوابط دقیق و پیچیده ای در مورد انجام تحلیل های غیرخطی برای انواع مختلف سازه ها است.
تحليل ديناميکي غيرخطي دقيق ترين و کامل ترين روش تحليل غيرخطي براي تعيين نيازهاي لرزه اي سازه ها مي باشد. اگرچه بين محققان توافق زيادي وجود دارد كه تحليل ديناميكي تاريخچه زماني غيرخطی بيشترين پتانسيل را براي ارزيابي دقيق عملكرد سازههاي طراحي شده دارد، ولي با توجه به اينكه اين روش هنوز به اندازه كافي براي كاربرد در طراحيهاي عمومي تكامل نيافته است و همچنين در تحليل ديناميكي تاريخچه زماني غيرالاستيك مدلسازي و محاسبات بسيار پيچيده و وقت گير است و براي بسياري از سازههاي معمول با توزيع جرم و سختي يكنواخت در پلان و ارتفاع، استفاده از اين روش معقول نميباشد بدین ترتیب روشهاي تقريبي و ساده تر آئین نامه ای که كاربرد عملي بيشتري دارند، به علت عملي تر و همچنین سريع تر بودن در اجرا، توجه هر دو گروه مهندسين تجربي و مهندسین زلزله را جلب کرده اند.
بکارگیری این روش مستلزم انتخاب و بکارگیری تعداد مناسب رکوردهای لرزه ای و داشتن ابزار محاسباتی مناسب برای آنالیز سازه ها می باشد. روش تحليل تاريخچه زماني غيرخطي نيازمند اطلاعات تاريخچه زماني دقیق حرکات زمين و همچنین تعیین رفتار غیرخطی دقیق اعضاي سازه می باشد که به راحتي قابل پيش بيني نيست. این روش بعلت محدودیت های زمانی و امکاناتی طراحان اصولاً مقرون به صرفه نمی-باشد. لذا بررسی روش های ساده و در عین حال کارآمدتر برای تحلیل سازه ها همواره یک مساله اساسی بوده است.
در چند دهه اخير پژوهش هاي در زمينه تحليل های غيرخطي سازهها صورت گرفته و يا در حال انجام ميباشد. هر چند حجم كارهاي به نتيجه رسيده بسيار چشمگير بوده است اما با وجود اين، به دليل پيچيدگي رفتار غيرخطي سازهها، هنوز كارهاي فراواني در پيش رو ميباشد.
نگاشتهاي ثبت شده بر روي زمين به ميزان قابل توجهي متاثر از مكانيزم پيدايش، ساختار زمين، شرايط محلي خاك و عوامل ديگر است. لزوم ثبت و نگهداري چنين نگاشتهايي به جهت كاربرد آنها در تحلیل سازه هايي است كه با توجه به شرايط ويژه آنها، نميتوان از آناليز استاتيكي جهت تحلیل و طراحی آنها بهره جست. اين شتابنگاشتها ابتدا توسط دستگاه شتابنگار ثبت شده، سپس طي يك فرآيند محاسباتي خطاهاي وارد شده در اندازه گیری، برداشت و ثبت آنها تصحيح شده و اصطلاحاً شتابنگاشت اصلاح شده بدست ميآيد.
شتابنگاشتهاي مناسب براي تحليل هر سازه، نگاشتهايي هستند كه داراي مشخصاتي متناسب با خصوصيات لرزه ای برآورد شده براي محل ساختگاه موردنظر باشند. لكن با توجه به تعداد و تنوع كم نگاشتهاي ثبت و پردازش شده، انتخاب نگاشتهاي متناسب با واقعيت براي طراحي، در برخي موارد دشوار و در مواردي حتي غیرممكن ميباشد. هدف اصلی این پایاننامه به دست آوردن چشم انداز روشنی از روشهای تحلیل تاریخچه زمانی و بررسی روشهای انتخاب و مقیاس سازی رکورد زلزله می باشد.
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه و کلیات
1-1- مقدمه
1-2- امواج لرزه ای
1-3- روشهاي تحليل ديناميكي
1-3-1- مقدمه
1-3-2- روش تحليل طيفي يا روش تحليل مودال
1-3-3- روش تحلیل دینامیکی در آییننامه 2800 ایران
1-3-4- روش تحليل ديناميكي تاريخچه زماني
1-3-5- روش تحليل ديناميكي تاريخچه زماني در آییننامه 2800 ایران
1-3-6- انتخاب و اصلاح شتابنگاشت در تحلیلهای تاریخچه زمانی
فصل دوم: مبانی نظری و پیشینه تحقیقاتی
2-1- مقدمه
2-2- طیف پاسخ زلزله
2-2-1- کلیات
2-2-2- عوامل موثر بر طیف پاسخ
2-2-3- متدولوژي برآورد طيف طراحي
2-2-4- تحلیل خطر تعینی
2-2-5- تحلیل خطر احتمالاتی
2-3- انتخاب رکورد بر اساس فاصله و بزرگی
2-4- متغیر اپسیلون (ε)
2-4-1- کلیات
2-4-2- چگونگی تأثیر متغیر اپسیلون بر پاسخ سازه ای
2-4-3- اپسیلون و خطر لرزه ای
2-4-4- شکل طیفی و متغیر اپسیلون
2-4-4- اهمیت متغیر اپسیلون در موضوع انتخاب رکورد
2-4-6- اهمیت متغیر اپسیلون مقیاس سازی رکوردهای لرزه ای
2-4-5- بررسی جایگزین های اپسیلون
فصل سوم: مواد و روشها
3-1- مشخصات مدلهاي مورد مطالعه
3-1-1- کلیات
3-1-2- مصالح مصرفی
3-1-3- بارگذاري
3-1-4- نتایج طراحی سازه ها
3-1-5- پریود سازهای مدلهای انتخاب شده
3-2- تحلیلهای احتمالاتي براي تحليل خطرپذيري لرزهای(PSHA)
3-2-1- کلیات
3-2-2- مشخصات ساختگاه مورد بررسی
3-2-3- دوره بازگشت بزرگي زمين لرزه ها در گستره طرح
3-2-4- رابطه کاهندگی
3-2-5- روش احتمالی برای تحلیل خطر زمینلرزه (PSHA)
3-2-5-1- طیف خطر یکنواخت
3-2-5-2- جداسازي خطر لرزه اي
3-3- مدلسازی غیرخطی
3-3-1- کلیات
3-3-2- المان تیر
3-3-3- المان ستون
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1- مقدمه
4-2- مجموعه اولیه رکوردها
4-3- روشهای انتخاب رکورد
4-3-1- انتخاب رکورد بر اساس اپسیلون مشخصه ساختگاه
4-3-2- مقیاس سازی رکوردهای انتخاب شده
4-3-2- انتخاب رکورد بر اساس ضوابط آئین نامه 2800
4-3-3- مقیاس سازی رکوردهای انتخاب شده
4-4- تحلیلهای سازه ای
4-5- نتایج کلی
4-6- پیشنهادات
فهرست شکل ها:
شکل1-1- کمربندهای لرزه خیز دنیا
شکل1-2- نحوه انتشار امواج حجمی
شکل1-3- نحوه انتشار امواج ریلی.
شکل1-4- نحوه انتشار اموج لاو.
شکل1-5- ترتیب رسیدن امواج لرزه ای به ایستگاه لرزه نگاری.
شکل 2-1- مراحل تحلیل خطر تعینی
شکل 2-2- مراحل تحلیل خطر احتمالاتی
شکل2-3- نمایش مقیاس سازی دو رکورد با ε مثبت و منفی نسبت به Sa(T1=0.8)، اثرات قله و گودی ( C. Allin Cornel و J.W. Baker (2005) )
شکل2-4- (الف) طیف پاسخ 20 رکورد با مقادیر بزرگ و میانگین هندسی آنها که بر اساس مقیاس سازی شده اند (ب) طیف پاسخ 20 رکورد با مقادیر کوچک و میانگین هندسی آنها که بر اساس مقیاس سازی شده اند.
53
شکل2-2- (a) مقادیر طیفی مورد انتظار برای 3 زلزله (b) مقادیر طیفی مورد انتظار برای 3 زلزله که برای مقادیر یکسان Sa(0.8s) مقیاس سازی شده اند.
شكل3-1- نتایج طراحی دینامیکی سازه 4 طبقه
شكل 3-2- نتایج طراحی دینامیکی سازه 8 طبقه
شكل3-3- نتایج طراحی دینامیکی سازه 16 طبقه
شکل3-4- اشکال مودی مربوط به مود اول سازه های تحت بررسی
شکل3-5- نقشه زمین ساخت ساختگاه شهر تبریز در گستره 100 کیلومتری
شکل3-6- داده های دستگاهی مورد استفاده در گستره شهر تبریز
شکل 3-7- احتمال وقوع زلزلههاي با بزرگی هاي مختلف در 50 سال
شکل 3-8- فرکانس متوسط تجاوز ساليانه ( ) برای زمین لرزه با بزرگی هاي مختلف
79
شکل 3-9- دوره بازگشت زمينلرزههاي با بزرگی های مختلف
شکل 3-10- تغييرات كاهندگي میزان متوسط شرطی شتاب حداکثر زمين بر حسب بزرگيهاي مختلف
شکل 3-11- تغييرات كاهندگي میزان شتاب حداکثر زمين به اضافه انحراف معیار بر حسب بزرگيهاي مختلف
شکل 3-12- چشمه های لرزه ای مدلسازی شده در نرم افزار Ez-Frisk
شکل 3-13- طیف شتاب میانگین، شتاب میانگین منهای انحراف معیار، شتاب میانگین به اضافه انحراف معیار لرزه ای با احتمال تجاوز 2 درصد در50 سال عمر مفید سازه
شکل 3-14- طیف شتاب میانگین، شتاب میانگین منهای انحراف معیار، شتاب میانگین به اضافه انحراف معیار لرزه ای با احتمال تجاوز 10 درصد در50 سال عمر مفید سازه
شکل 3-15- مقادیر شتاب طیفی مورد استفاده برای تحلیل های جداسازی لرزه ای
شکل 3-16- نتایج تحلیل های جداسازی لرزه ای، سازه 4 طبقه، سطح خطر 2% در 50 سال
شکل 3-17- نتایج تحلیل های جداسازی لرزه ای، سازه 4 طبقه، سطح خطر 10% در 50 سال
شکل 3-18- نتایج تحلیل های جداسازی لرزه ای، سازه 8 طبقه، سطح خطر 2% در 50 سال
شکل 3-19- نتایج تحلیل های جداسازی لرزه ای، سازه 8 طبقه، سطح خطر 10% در 50 سال
شکل 3-20- نتایج تحلیل های جداسازی لرزه ای، سازه 16 طبقه، سطح خطر 2% در 50 سال
شکل 3-21- نتایج تحلیل های جداسازی لرزه ای، سازه 16 طبقه، سطح خطر 10% در 50 سال
شکل3-22- منحني ساده شده کلي رفتار بار- تغيير شکل
شکل 3-23- مدل دوران وتر
شکل 3-24- پیاده سازی مدل دوران وتر
شکل 2-25- منحنی رفتاری کلی مورد استفاده در PERFORM
شکل 4-1- رکوردهای انتخاب شده بر اساس اپسیلون مشخصه ساختگاه برای مدل 4 طبقه در سطح خطر لرزه-ای 2 درصد در 50 سال عمر مفید سازه.
شکل 4-2- رکوردهای انتخاب شده بر اساس اپسیلون مشخصه ساختگاه برای مدل 4 طبقه در سطح خطر لرزه-ای 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه .
شکل 4-3- رکوردهای انتخاب شده بر اساس اپسیلون مشخصه ساختگاه برای مدل 8 طبقه در سطح خطر لرزه-ای 2 درصد در 50 سال عمر مفید سازه .
شکل 4-4- رکوردهای انتخاب شده بر اساس اپسیلون مشخصه ساختگاه برای مدل 8 طبقه در سطح خطر لرزه-ای 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه .
شکل 4-5- رکوردهای انتخاب شده بر اساس اپسیلون مشخصه ساختگاه برای مدل 16 طبقه در سطح خطر لرزه ای 2 درصد در 50 سال عمر مفید سازه .
شکل 4-6- رکوردهای انتخاب شده بر اساس اپسیلون مشخصه ساختگاه برای مدل 16 طبقه در سطح خطر لرزه-ای 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه.
شکل4-7- متوسط طیف های پاسخ رکوردهای با مقادیر مثبت و منفی برای رکوردهای انتخاب شده 3 مدل سازه-ای در سطح 2 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
شکل4-8- متوسط طیف های پاسخ رکوردهای با مقادیر مثبت و منفی برای رکوردهای انتخاب شده 3 مدل سازه-ای در سطح 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
شکل4-9- پروفیل حداکثر تغییرمکان نسبی بین طبقه ای برای مدل سازه ای 4 طبقه در سطح لرزه ای 2 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
شکل4-10- پروفیل حداکثر تغییرمکان نسبی بین طبقه ای برای مدل سازه ای 4 طبقه در سطح لرزه ای 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
شکل4-11- پروفیل حداکثر تغییرمکان نسبی بین طبقه ای برای مدل سازه ای 8 طبقه در سطح لرزه ای 2 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
شکل4-12- پروفیل حداکثر تغییرمکان نسبی بین طبقه ای برای مدل سازه ای 8 طبقه در سطح لرزه ای 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
شکل4-13- پروفیل حداکثر تغییرمکان نسبی بین طبقه ای برای مدل سازه ای 16 طبقه در سطح لرزه ای 2 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
شکل4-14- پروفیل حداکثر تغییرمکان نسبی بین طبقه ای برای مدل سازه ای 16 طبقه در سطح لرزه ای 10 درصد در 50 سال عمر مفید سازه
فهرست جداول:
جدول 3-1 مشخصات مصالح مصرفی در مدلهای سازهای
جدول 3-2- پریود های ارتعاشی مود اول سازه های انتخاب شده
جدول 3-3- مشخصات چشمه های زمین لرزه موجود در گستره موثر بر ساختگاه تبریز
جدول 3-4- نتایج بدست آمده از روش Kijko
جدول 3-5- نتایج تحلیل های جداسازی لرزه ای سازه های تحت بررسی
جدول 3-6-پارامترهاي مدلسازي مفاصل پلاستيك و معيارهاي پذيرش تير و ستون فولادي
جدول 4-1- ضرایب مقیاس برای رکوردهای انتخاب شده بر اساس پارامتر اپسیلون
جدول 4-2- زلزله های انتخاب شده بر اساس مقادیر مشخصه بزرگی و فاصله
جدول 4-3- ضرایب مقیاس سازی گروه های رکورد های روش دوم ، سطح خطر 2 درصد در 50 سال
جدول 4-4- ضرایب مقیاس سازی گروه های رکورد های روش دوم ، سطح خطر 10 درصد در 50 سال
جدول 4-5- ضرایب مقیاس برای رکوردهای روش سوم
منابع و مأخذ:
1. Abrahamson NA, Silva WJ. Empirical response spectral attenuation relations for shallow crustal earthquakes. Seismological Research Letters; 68, pp:94–126, 1997.
2. American Society of Civil Engineers. ASCE Standard: minimum design loads for buildings and other structures.SEI/ASCE 7-02, American Society of Civil Engineers, Reston, VA, 2002.
3. Baker JW, Cornell CA. A vector-valued ground motion intensity measure consisting of spectral acceleration and epsilon. Earthquake Engineering and Structural Dynamics; 34, pp: 1193–1217, 2005.
4. Baker JW, Cornell CA. Choice of a vector of ground motion intensity measures for seismic demand hazard analysis. 13th World Conference on Earthquake Engineering.. Vancouver, Canada, 15p, 2004.
5. Baker JW, Cornell CA. Spectral shape, epsilon and record selection. Earthquake Engineering and Structural Dynamics; 35, pp: 1077–1095, 2006.
6. Bazzurro P, Cornell CA. Vector-valued probabilistic seismic hazard analysis. 7th U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Earthquake Engineering Research Institute, Boston, MA; 10p, 2002.
7. Baker JW, Measuring bias in structural response caused by ground motion scaling. Earthquake Engineering and Structural Dynamics; 34, 8p, 2007.
8. Berberian, M., Natural hazards and the first earthquake catalogue of Iran, Volume 1: Historical hazards in Iran prior to 1900, IIEES, International Institute of Earthquake Engineering and Seismology, Tehran, 669pp, 1994.
9. Campbell, K.W. and Bozorgnia, Y. “Updated near-source ground-motion (attenuation) relations for the horizontal and vertical components of peak ground acceleration and acceleration response spectra”, Bulletin of the Seismological Society of America, 93, pp.314-331, 2003.
10. Chopra, A.K. Dynamic of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, 3rd Edition New Jersey: Prentice-Hall, 2007.
11. Iervolino I. and Cornell C.A., Record Selection for Nonlinear Seismic Analysis of Structures, Rose School University, M.Sc. Dissertation, 2004.
12. Gutenberg, B. and Richter, C.F., Frequency of earthquakes in California, Bulletin of the Seismological Society of America, 34, pp:185-188, 1944.
13. Bazzurro, P., and Cornell, C. A. Disaggregation of seismic hazard. Bulletin of the Seismological Society of America, 89(2), pp:501-520, 1999.
14. Kijko, A. and Sellevoll, M.A, “Estimation of earthquake hazard parameters from incomplete data files. Part II, Incorporation of magnitude heterogeneity”, Bulletin of the Seismological Society of America, 82, pp.120-134, 1992.
15. Kramer SL. Geotechnical Earthquake Engineering. Prentice-Hall Civil Engineering and Engineering Mechanics Series. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ; 653p, 1996.
16. Peer Strong Motion Database. http://peer.berkeley.edu/smcat
17. Reiter L. Earthquake Hazard Analysis: Issues and Insights. Columbia University Press: New York; 254p, 1990.
18. آئین نامه طرح ساختمان ها در برابر زلزله، شماره استاندارد 2800، ویرایش سوم، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، سال 1385
19. تابش پور، محمد رضا، تفسیر مفهومی کاربردی آئین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله ویرایش سوم، دوره 4 جلدی، انتشارات گنج هنر، سال 1385