SUPERVISOR
Farhad Behnamfar
فرهاد بهنام فر (استاد راهنما)
STUDENT
Yusef Mesr Habiby
یوسف مصرحبیبی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Collapse Analysis of Torsional Moment Frame Structures Against Earthquake
Collapse Analysis of Torsional Moment Frame Structures Against Earthquake Yusef Mesr Habiby yusefdepp@yahoo.com Date of Submission: 2020/09/16 Department of Civil Engineering Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Degree: M.Sc. Language: Farsi Supervisor: Dr. Farhad Behnamfar, Farhad@cc.iut.ac.ir In the present study, the effect of torsion on the collapse behavior of steel moment frame structures is investigated. For this purpose, 4, 7 and 10-story steel buildings with two types of soil, C and D, which are irregular in plan, were designed by common softwares and it was observed that the eccentricity values in previous studies were higher than possible in the reality and the maximum eccentricity in single moment frame systems, if the members are optimally designed considering the torsion, is usually less than 10%. Then, the structures designed with logic eccentricity values were nonlinearly modeled and their collapse behavior under 11 consistent earthquake records was evaluated by incremental dynamic analysis (IDA) and spectral acceleration against the maximum floor drift curves were calculated for each earthquakes. Nonlinear modeling of members is done in OpenSees software and for this purpose, beams are modeled with nonlinear hinge elements concentrated on both ends and elastic element between the two hinges and columns with BWH fiber element model. The advantage of this type of modeling is the involvement of the phenomenon of deterioration in beams and the interaction of two-axis bending and axial force in columns in the analysis. Finally, assuming the distribution of the log-norm, the fragility curve of each structure was plotted for different eccentricity values. Using the results of analyzes, the torsional irregularity effects on the safety margin of collapse and the fragility curve of the structures were studied. It was observed that this phenomenon can reduce the safety in the performance of the collapse of the structures. With increasing torsion in buildings, the collapse fragility curve retreats and, as a result, the acceleration of the collapse as the probability of 50% decreases. In addition, as the torsion of the structure increases, its marginal safety margin decreases. It should be noted that most of the changes occurred at the 15% eccentricity and there are no drastic changes at the lower eccentricities, so that the maximum reduction of the CMR values compared to the non-torsional one, for eccentricities of 5%, 10% and 15%, are 11.1%, 22.8% and 45.6%, respectively, which all occur in the 10-story building on soil C. The slope rate of this declining of safety margin is more remarkable in taller structures and the most reduction values in 4, 7 and 10-story building are 8.7%, 23.7% and 45.6%, respectively. The results obtained in both types of C and D structures are similar and in the maximum eccentricity and the 10-story structure, the most critical behavioral state always occurs. The difference is that as the soil under structure becomes weaker, the sections of members become heavier and the fragility curves are placed in front. It seems that as the stiffness of the structure decreases, the torsional effect increases. In the worst case, the safety margin of 10-story building suffering from 15% eccentricity ratio on the type C soil decreases up to 45.6% compared to the non-torsional state, while the reduction value in the same structure on soil D is 25.1%. Note that the eccentricity of all floors of each structure was assumed to be same. Therefore, the significant effect of torsion on 7 and 10 story structures is somewhat exaggerated because the possibility of simultaneous occurrence of the same eccenticity in all floors is low. It should be noted that in this study, soil-structure interaction have been neglected. Keywords Collapse analysis, Torsional structure, Incremental dynamic analysis, Fragility curve, Steel moment frame, Probabilistic.
در تحقیق حاضر تاثیر پیچش بر رفتار فروریزش ساختمانهای فولادی قاب خمشی مورد بررسی قرار میگیرد. بدین منظور ابتدا ساختمانهای فولادی 4، 7 و10 طبقه روی دو نوع خاک ساختگاه C و D که در پلان نامنظم هستند توسط نرم افزارهای رایج طراحی شده و مشاهده شد که مقادیر خروج از مرکزیت در مطالعات پیشین بیشتر از مقادیر ممکن در واقعیت در نظر گرفته شدهاست و حداکثر خروج از مرکزیت در سیستمهای قاب خمشی تنها، در صورت طراحی بهینه اعضا با احتساب پیچش، معمولا کمتر از %10 میباشد. سپس سازههای طراحی شده با مقادیر خروج از مرکزیت منطقی به صورت غیرخطی مدل شده و رفتار فروریزش آنها تحت 11 رکورد زلزله مناسب توسط تحلیل دینامیکی افزایشی (IDA) ارزیابی گردید و منحنی های شتاب طیفی در مقابل دریفت حداکثر طبقات در هر زلزله محاسبه شد. مدلسازی غیرخطی اعضا در نرم افزار OpenSees انجام شده و بدین منظور تیرها با المان مفصل غیرخطی متمرکز در دو انتها و الاستیک در میان دو مفصل و ستونها با المان فایبر BWH مدل شدهاند. مزیت این نوع مدلسازی، وارد کردن پدیده زوال در تیرها و اندرکنش خمش دو محوره و نیروی محوری در ستونها در تحلیل میباشد. در نهایت و با فرض توزیع لوگ-نرمال، منحنی شکنندگی هریک از سازه ها در برون محوریهای مختلف ترسیم گردید. با استفاده از نتایج تحلیلها، تاثیر نامنظمی پیچشی بر حاشیه ایمنی فروریزش و منحنی شکنندگی سازهها مطالعه شده و مشاهده شد که این پدیده میتواند باعث کاهش ایمنی در عملکرد فروریزش سازهها شود. با افزایش پیچش در ساختمانها، منحنی شکنندگی فروریزش عقبتر رفته و به تبع آن، شتاب فروریزش نظیر احتمال 50% کاهش مییابد. به علاوه، معمولا با افزایش پیچش سازه، حاشیه ایمنی فروریزش آن نیز کاهش مییابد. لازم به ذکر است که بیشترین تغییرات در خروج از مرکزیت 15% رخ داده و در خروج از مرکزیتهای کمتر تغییرات شدید نیست، به طوری که بیشترین کاهش حاشیه ایمنی نسبت به حالت بدون پیچش، به ازای خروج از مرکزیتهای %5، %10 و %15 به ترتیب %1/11، %8/22 و %6/45 میباشد که همگی در سازه 10 طبقه روی خاک C رخ میدهد. این شیب کاهش حاشیه ایمنی فروریزش در سازههای بلندتر شدیدتر بوده و بیشترین کاهش در سازه 4، 7 و10 طبقه به ترتیب %7/8 ، %7/23 و %6/45 میباشد. نتایج بدست آمده در هر دو نوع سازه روی خاک C و D برقرار بوده و در حداکثر خروج از مرکزیت و سازه 10 طبقه، همواره بحرانیترین حالت رفتاری رخ میدهد. با این تفاوت که با سستتر شدن خاک ساختگاه سازه، مقاطع اعضا سنگینتر شده و منحنیهای شکنندگی جلوتر قرار میگیرند. به علاوه به نظر میرسد هرچه سختی سازه کمتر باشد اثر پیچش نیز بیشتر خواهد بود. به طوری که در بدترین حالت، حاشیه ایمنی سازه 10 طبقه با خروج از مرکزیت 15% روی خاک سفتتر (C) تا %6/45 نسبت به حالت بدون پیچش کاهش یافته، این در حالی است که کاهش حاشیه ایمنی سازه مشابه روی خاک D، %1/25 میباشد. توجه شود که مقدار خروج از مرکزیت تمامی طبقات هر سازه یکسان فرض شدند. بنابراین تاثیر قابل توجه پیچش بر سازههای 7 و10 طبقه تا حدودی اغراق آمیز است چون احتمال وقوع همزمان خروج از مرکزیت یکسان در تمام طبقات اندک میباشد. لازم به ذکر است که در مطالعه حاضر از اثر اندرکنش خاک- سازه صرف نظر شده است. کلمات کلیدی تحلیل فروریزش، سازه پیچشی، تحلیل دینامیکی افزایشی، منحنی شکنندگی، قاب خمشی فولادی