تحلیل دینامیکی غیرخطی سازه¬های نامتقارن در پلان متکی بر پی انعطاف¬پذیر با در نظر گرفتن رفتار الاستوپلاستیک خاک

STUDENT

DEGREE

YEAR

Due to the addition of torsional motions to lateral displacements, plan-asymmetric structures are more vulnerable to seismic excitations rather than corresponding symmetric buildings. Previous seismic hazards demonstrated that eccentric structures may suffer severe damages or collapse since plastic demand may concentrate in limited parts of the structure. Therefore an accurate design of this sort of structure elements requires realistic determination of torsional and lateral displacements. Among many proposed analytical procedures on plan-asymmetric structures, the Uncoupled Modal Response History Analysis (UMRHA) method seems to be the most efficient procedure. On the other hand, the seismic excitation experienced by structures is a function of the earthquake source, travel path effects, local site effects, and soil-structure interaction (SSI) effects. The result of the first three of these factors is a “free-field” ground motion. Structural response to the free-field motion is influenced by SSI. Consequently, an accurate assessment of inertial forces and displacements in structures can require a rational treatment of SSI effects. Recent major advances have been made in state-of-practice procedures for characterizing earthquake source, travel path, and local site effects. These advances have emerged largely as a result of strong motion data that has become available following recent earthquakes. The state-of-practice for engineering characterization of SSI effects for ordinary structures has not undergone recent similar advancement, since proposed procedures are time-consuming and need high storage requirements, or they endure from lack of accuracy. Thus, it seems necessary to propose a method to solve the soil-structure interaction problem requiring less time and storage efforts, and with reasonable accuracy. This dissertation studies the nonlinear seismic analysis of bi-eccentric multi-story under bi-directional ground excitation considering soil-structure interaction effects. To achieve this goal, three procedures were followed: 1- substructure method, incorporate UMRHA method with an innovative analytical tool called 5DOF modal stick; 2- substructure method, implementing finite element procedure; and, 3- direct method, implementing finite element procedure. The first two methods were employed for different combinations of force-deformation relationship in soil or structure including linear and nonlinear behavior for the superstructure, and linear, simplified nonlinear, and elasto-plastic constitutive models for soil medium. The third method which is the most complete and expensive procedure was implemented only for soil-structure system with nonlinear superstructure and elasto-plastic soil, as the reference procedure. The comparison between the results of these three methods shows that the proposed method in this article can reasonably estimate foundation and superstructure deformations with much less time and computational efforts.

سازه های نامتقارن در پلان نسبت به سازه های متقارن از حساسیت بیشتری نسبت به بارگذاری های لرزه ای برخوردار هستند، چراکه به هنگام تحریکات پایه لرزه ای، جابجایی های ناشی از پیچش طبقات به جابجایی های انتقالی اضافه می گردد. خرابی های ناشی از زلزله های پیش در ساختمان های با پلان نامنظم نشان داده اند که برای این دسته از ساختمان ها، سازه دچار رفتار نامطلوبی خواهد بود، زیرا تقاضای پلاستیک می تواند در قسمت های محدودی از سازه متمرکز شده و در نتیجه آن سازه ممکن است در همان لرزش های اولیه یک زلزله شدید دچار خرابی های شدید و حتی فروریزش گردد. لذا طراحی صحیح اعضای سازه ای اینگونه سازه ها وابستگی شدیدی به تعیین جابه جایی های انتقالی و پیچشی طبقات دارد. تا کنون تلاش های تحقیقاتی بسیار زیادی برای تعیین پاسخ ساختمان های نامنظم به هنگام وقوع زلزله صورت گرفته است. یکی از روش های بدست آوردن پاسخ لرزه ای این دسته از سازه ها، استفاده از روش تحلیل تاریخچه پاسخ مودی غیرهمبسته (UMRHA) می باشد. همچنین برای درک بهتر رفتار غیرخطی این دسته از سازه ها از ابزاری به نام عصای مودی استفاده می شود که می تواند پاسخ سازه را حتی در حالت رفتاری فراارتجاعی به خوبی نشان دهد. از سوی دیگر تحریکات لرزه ای تجربه شده توسط یک سازه را می توان به صورت تابعی از عوامل منبع تشکیل زلزله، اثرات ساختگاه ساختمان و اثرات اندرکنش سازه و خاک معرفی نمود. نتیجه نهایی دو عامل اول حرکت ارتعاش آزاد زمین بوده و پاسخ سازه به حرکت ارتعاش آزاد تحت تأثیر اندرکنش سازه و خاک خواهد بود. در نتیجه برای داشتن یک ارزیابی دقیق از نیروهای اینرسی و جابه جایی ها در سازه ، نیاز به یک بررسی دقیق و منطقی از اثرات اندرکنش سازه و خاک می باشد. در سال های اخیر پیشرفت های بزرگی در زمینه روش ها و شیوه های بررسی مشخصات و ویژگی های اثرات منابع زلزله، مسیر عبور و ساختگاه صورت پذیرفته است. این پیشرفت ها به طور چشم گیری نتیجه اطلاعات زلزله های قوی هستند که در زلزله های اخیر ثبت و ضبط شده اند. اما تلاش ها و بررسی های محققان برای مشخص کردن و پارامتریک ساختن اثرات اندرکنش خاک و سازه برای ساختمان ها به مانند حرکت ارتعاش آزاد زمین نبوده است. علت اصلی این مهم، این است که روش ها و روند ها مورد استفاده برای بررسی اندرکنش سازه و خاک یا بسیار وقت گیر و هزینه بر بوده و یا از دقت و قابلیت تعمیم کافی برخوردار نیستند. لذا معرفی روشی که بتواند با صرف هزینه و زمان اندک، مسأله سیستم سازه و خاک را با دقت مناسبی حل نماید، الزامی به نظر می رسد. در این پایان نامه تحلیل دینامیکی لرزه ای سازه های چند طبقه ای نامتقارن در پلان با خروج از مرکزیت دوجهته که تحت تحریکات لرزه ای دوجهته قرار دارد، با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش سازه و خاک، مورد بررسی قرار گرفته است. دست یابی به این هدف از طریق سه روش متفاوت صورت گرفته است: 1- تحلیل سیستم سازه و خاک به روش زیرسازه و با بهره گیری از روند UMRHA مجهز شده به ابزار تحلیلی نوین به نام عصای مودی پنج درجه آزادی، 2- تحلیل سیستم سازه و خاک با استفاده از روش اجزا محدود، و 3- تحلیل سیستم سازه و خاک با استفاده از روش دقیق مستقیم و با بهره گیری از مدل اجزا محدود. دو روش اول برای حالت های ترکیبی مختلف سازه خطی و غیرخطی و خاک خطی، غیرخطی ساده سازی شده، و الاستوپلاستیک مورد استفاده قرار گرفتند. روش سوم نیز به عنوان یکی از کامل ترین و پرهزینه ترین روش های تحلیلی مسأله اندرکنش سازه و خاک و به عنوان یک روش مرجع، تنها برای سیستم با سازه غیرخطی متکی بر خاک الاستوپلاستیک مورد استفاده قرار گرفته است. مقایسه های انجام شده بین نتایج بدست آمده از روش های فوق نشان دهنده این است که روش ارائه شده در این پایان نامه می تواند با صرف هزینه محاسباتی کمتر نسبت به دو روش دیگر، جابجایی های شالوده و سازه را با دقت قابل قبولی تخمین بزند.