formula
عناوین پایان نامه‌های دکترا
رشته مهندسی عمران – مهندسی زلزله (گرایش سازه)
دوره اول سال تحصیلی ۷۶-۱۳۷۵

نقدعلی حسین زاده
مطالعه تجربی اثرات اندرکنش خاک- سازه در پاسخ لرزه ای ساختمانهای منفرد مجاور هم روی میزلرزان

گزارشهای متعدد خسارات لرزه ای سازه‌ها از یک سو و نتایج تحقیقات تجربی- تحلیلی از سوی دیگر نشان می دهند که اثرات اندرکنش خاک- سازه می تواند عامل موثری در آسیب‌پذیری لرزه ای سازه‌ها باشد. نمونه بارز این اثرات در زلزله ۱۹۸۵ مکزیک نمایان شد. در این زلزله، علاوه بر اثرات ساختگاهی، وجود لایه خاک نرم روی بستر سنگی باعث اندرکنش شدید خاک- سازه گردید به طوری که ساختمانهای با پریود ارتعاشی حدود ۲ ثانیه به شدت خسارت دیده و یا منهدم شدند. به عقیده بسیای از محققین، این زلزله نقش و اهمیت اندرکنش خاک- سازه را بیش از پیش نشان داد. بعد از وقع این زلزله بود که تحقیقات گسترده ای در این خصوص به عمل آمده و اثرات اندرکنش خاک- سازه در ضوابط آئین نامه ای طرح لرزه ای منعکس گردید.
ضوابط پیشنهادی آئین نامه‌ها از روشهای تحلیلی ساده شده برای پیش‌بینی اثرات اندرکنش خاک- سازه بهره می گیرند. به عنوان مثال در آئین نامه‌های ATC و NEHRP تمام اثرات اندرکنش خاک- سازه در دو پارامتر اصلی خلاصه می شود. پارامتر اول میزان افزایش پریود طبیعی سازه با پایه انعطاف پذیر نسبت به سازه با پایه گیردار(formula) می باشد. پارامتر دوم نیز به میزان تأثیر ضریب میرایی خاک- پی (β۰) در افزایش ضریب میرایی سازه مربوط می شود. روابط مربوط به این دو پارامتر برای سازه ای تکدرجه با پی صلب سطحی یا مدفون و متکی بر محیط نیمه بینهایت ویسکوالاستیک ارائه شده اند.
اگرچه در طول سه دهه اخیر تحقیقات گسترده ای برای تعیین مشخصات مهندسی اثرات اندرکنش خاک- سازه به عمل آمده است اما اطلاعات تجربی موجود برای کالیبراسیون ضوابط پیشنهادی آئین نامه‌ها کافی نیست. در واقع، بخش عمده تحقیقات در این زمینه به روشهای تحلیلی و یا مدلسازیهای عددی نظیر روشهای عناصر محدود(FEM)، عناصر مرزی(BEM) و یا مدلهای پارامتر متمرکز اختصاص یافته است. ناکافی بودن اطلاعات تجربی موجود از یک سو و ضوابط ساده شده آئین نامه‌ها از سوی دیگر لزوم تحقیقات بیشتر در این زمینه به ویژه به صورت تجربی و آزمایشگاهی را آشکار می سازد. در این میان، اندرکنش سازه‌های مجاور هم در یک محیط شهری نیز مورد توجه محققین می باشد.
هدف از انجام این تحقیق بررسی اثرات اندرکنش خاک- سازه در دو حالت ۱) سازه منفرد و ۲) سازه‌های مجاور هم در واکنش دینامیکی و آسیب‌پذیری سازه‌ها می باشد. مطالعات در دو بخش تجربی و تحلیلی انجام گرفته است. در بخش مطالعات تجربی، مدلهای مقیاس شده خاک- سازه با ضریب مقیاس ۱۰۰/۱ روی میز لرزان پژوهشگاه بین‌المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله تحت آزمایشهای دینامیکی قرارگرفته اند. مدلهای سازه ای شامل مدلهای ۵،۱۰، ۱۵ ۲۰ طبقه می باشند که به عنوان نماینده ساختمانهای متعارف در یک محیط شهری طراحی و ساخته شده اند. پی این مدلهای سازه ای یکپارچه، صلب و مشابه بوده و نوع سیستم سازه ای نیز قاب خمشی می باشند.

دو مدل خاک مقیاس شده برای مطالعات اندرکنش خاک- سازه به عنوان نماینده زمینهای نوع II وIII مطابق طبقه بندی آئین نامه ۲۸۰۰ زلزله ایران(ویرایش دوم) طراحی و ساخته شده اند. ظرف مخصوصی برای مدل خاک طراحی شده است که علاوه بر نگهداری و سهولت نصب آن روی میزلرزان، قابلیت عملکرد مطلوب خاک را به عنوان یک محیط ارتجاعی نیمه بینهایت تأمین می کند.
مجموعه سیستم خاک – سازه متشکل از مدلهای مذکور تحت آزمایشهای دینامیکی روی میز لرزان قرارگرفته اند. شتابنگاشتهای مربوط به زلزله‌های ۱۹۴۰ السنترو آمریکا و ۱۹۸۱ طبس ایران به عنوان سیگنالهای ورودی میز لرزان انتخاب شده اند. برنامه آزمایشهای دینامیکی حالتهای مختلف اندرکنش سازه‌های منفرد و سازه‌های مجاور هم با آرایشها و فواصل متعد را شامل می شود. بعلاوه، اندرکنش کنیماتیکی پی های منفرد و مجاور هم و همین طور پاسخ سطح آزاد خاک نیز مورد بررسی قرارگرفته است.

در بخش مطالعات تحلیلی، نتایج آزمایشهای تجربی با مدلسازیهای عددی (برنامه FLUSH) مورد مقایسه و ارزیابی قرارگرفته است. مطالعات این بخش شامل: تحلیل پاسخ سطح آزاد خاک، تحلیل سیستم خاک- سازه منفرد و تحلیل اندرکنش سازه‌های مجاور هم می باشد. توده خاک با عناصر محدود ۴ گرهی و سازه فوقانی با عناصر تیر- ستون مدلسازی شده اند. اثرات سه بعدی و رفتار غیرخطی خاک به روش تقریبی در محاسبات عددی منظور شده است. همچنین مرزهای ویسکوز برای تأمین میرایی تشعشعی امواج در محیط نیمه بینهایت خاک در نظر گرفته شده اند.

در خاتمه، مهمترین یافته‌های حاصل از مطالعات تجربی- تحلیلی جمع بندی شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که اثرات اندرکنش کنیماتیکی در مدل های سازه ای مورد مطالعه اهمیت چندانی ندارد، در حالی که اندرکنش اینرسی نقش اصلی را در پاسخ سیستمهای خاک- سازه ایفا می کند. در سازه‌های کوتاه تر از ۵ طبقه، حرکات افقی و گهواره ای پی های عوامل اصلی تغییر مشخصات دینامیکی سازه (پریود و میرایی) می باشند. لیکن در سازه‌های بلندتر از ۱۰ طبقه حرکات گهواره‌های پی ها نقش مهمی در اندرکنش خاک- سازه به عهده می گیرد. به طوری که در سازه‌های ۲۰ طبقه بیش از ۹۰% تغییر پریود سازه از مد گهواره ای پی ناشی می شود. در خصوص اندرکنش سازه‌های مجاور هم، نتایج مطالعات تجربی- تحلیلی آثار قابل توجهی در تغییر فرکانسهای ارتعاشی آنها نشان نمی دهد. لیکن دامنه پاسخ لرزه ای آنها در مد اصلی بویژه در خاکهای نرم قابل توجه می باشد. قسمت عمده این آثار در ساختمانهای با فواصل کمتر از دو برابر عرض پی مشاهده می شود. بعلاوه، بیشترین آثار اندرکنش متقابل سازه‌ها به ساختمانهای مشابه مربوط می شود.

مسعود محمودآبادی
شناسایی پارامترهای مدی ساختمانهای مجهز به دستگاههای شتابنگار با فرض رفتار خطی و میرایی نامتناسب برای آنها با لحاظ کردن اثرات مولفه‌های مختلف زلزله

توجه به محدودیتهای موجود در انجام آزمایشات دینامیکی و با عنایت به این موضوع که وقوع زلزله‌های متوسط و شدید در حقیقت آزمایش دینامیکی واقعی طیف وسیعی از سازه‌هایی محسوب می گردند که تحت تأثیر آن زلزله قرارگرفته اند, لذا امروزه توجه خاصی به تجهیز ساختمانها و دیگر مستحدثات مهم بشری در مناطق زلزله خیز به دستگاههای ثبت شتاب گردیده است بطوریکه در ایالات متحده امریکا در پهنه‌های لرزه ای ۳ و ۴, کلیه ساختمانهای بالای ۶ طبقه که سطح زیربنای هر طبقه آن بالغ بر۶۰۰۰۰ فوت مربع باشد و نیز کلیه ساختمانهای بالای ۱۰ طبقه باید حداقل در آنها ۳ دستگاه شتابنگار نصب گردد. در ایران نیز ساختمانها و سدهای مهم کشور به دستگاههای ثبت شتاب مجهز گردیده اند که در زلزله ۸ خرداد بلده بسیاری از این دستگاهها بکار افتادند و رکوردهای ساختمانهای مزبور را ثبت نمودند. با عنایت به این نیاز, در این پایان‌نامه سعی شده است روشی ارائه گردد که با استفاده از آن بتوان بطور سیستماتیک پارامترهای مدی سازه‌ها را با فرض رفتار خطی برای آنها با استفاده از شتابنگاشتهای ثبت شده در آنها شناسایی نمود.
در این پایان‌نامه, از میان روشهای موجود شناسایی سیستم, روش شناسایی پارامترهای مدی سازه‌های دو بعدی با رفتار خطی و با فرض میرایی متناسب در حوزه فرکانس که توسط مک وری ابداع گردیده بود جهت شروع کار انتخاب گردید و برای سازه‌های سه بعدی که تحت تأثیر زلزله ۶ مولفه ای قرارگرفته اند و رفتار خطی با میرایی نامتناسب دارند بسط داده شد. روش شناسایی مذکور قادر است در حالت چند ورودی- یک خروجی کار کند و حداکثر مولفه‌های ورودی زلزله که شامل ۶ مولفه می باشد را می تواند در امر شناسایی پارامترهای مدی دخالت دهد. جهت ارزیابی روش, ابتدا پاسخ یک مدل دو درجه آزاد با میرایی نامتناسب که توسط یک زلزله تک مولفه ای تحریک شده بود بکار گرفته شد تا روش مزبور در حالت خاص یک ورودی- یک خروجی مورد ارزیابی قرارگیرد. در این مورد, ابتدا فرض گردید که شتاب شبیه سازی شده در یک جهت خاص از مدل تنها ناشی از مولفه شتاب زلزله در همان جهت شبیه سازی شده(اندازه گیری شده) از مدل است و ب این فرض پارامترهای مدی شامل فرکانسها, ضرایب میرایی و ضرایب مشارکت مدی مدل شناسایی گردید. آنگاه سایر مولفه‌های زلزله بتدریج در امر شناسایی پارامترهای مدی دخالت داده شد و پارامترهای مدی مجدداً شناسایی گردید. این شیوه تا بدانجا تکرارگردید تا تمامی ۶ مولفه زلزله در امر شناسایی پارامترهای مدی وارد گردید. نتایج شناسایی ها نشان داد که دخالت دادن اثرات مولفه‌های مختلف زلزله می تواند تأثیر بسزایی خصوصاً در شناسایی دقیقتر میرایی و نیز ضرایب مشارکت مدی داشته باشد و همچنین میزان خطای همپایه شده که معیاری از میزان سازگاری بین مدل فرضی و سیستم واقعی است با دخالت دادن اثرات مولفه‌های مختلف زلزله کاهش قابل توجه ای می یابد. علاوه بر این نشان داده شد که وارد کردن اثرات میرایی نامتناسب درامر شناسایی, می تواند دقت شناسایی پارامترهای مدی را افزایش داده و نیز میزان خطای همپایه شده را کاهش دهد. بعد از بررسی مدلهای عددی مذکور, رکوردهای پاسخ لرزه ای یک ساختمان ده طبقه بتنی متقارن در جریان زلزله نورث ریج, مورد تجزیه و تحلیل قرارگرفت و نشان داده شد که وارد کردن اثر مولفه پیچشی زلزله نقش قابل توجه ای درشناسایی دقیقتر پارامتر میرایی دارد.
با توجه به ثبت پاسخ لرزه ای ساختمانهای مهم چندی در زلزله ۸ خرداد ۱۳۸۳ می توان روش شناسایی پارامترهای مدی مطرح گردیده در این پایان‌نامه را درمورد این ساختمانها نیز بکارگرفت و بدین ترتیب گامی عملی در جهت کالیبره کردن روابط آئین نامه ۲۸۰۰ ایران درمورد تعیین پریود اصلی ارتعاشی سازه‌های مختلف برداشت.