SUPERVISOR
Farhad Behnamfar,Payam Asadi
فرهاد بهنام فر (استاد راهنما) پیام اسدی (استاد راهنما)
STUDENT
Masoud Shirzadi deh kohneh
مسعود شیرزادی ده کهنه
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Effects of nonlinear soil-structure interaction on seismic vulnerability in torsionally coupled steel structures
. Nonlinear analysis is used to investigate the seismic vulnerability of structures under earthquake ground motion. Seismic vulnerability analysis for structures that do not have severe irregularities can also be done with static or dynamic linear analysis or static nonlinear analysis with the nonlinear dynamic analysis being preferable for more precision and reliability. In conventional studies of seismic performance evaluation, it is assumed that the structures rest on rigid foundations. This hypothesis is realistic if only the structure bears on a relatively rigid rock or a very hard soil. Although several studies have shown the effects of the elastic dynamic soil-structure interaction (SSI) on the response of elastic and inelastic structures, few studies have considered the effects of SSI and site effects on a structure resting on a soil medium having nonlinear behavior. Considering the SSI in structural analysis causes a change in the predicted behavior of structure and therefore in its performance during seismic excitation. There are several methods for modeling the effects of soil-structure interaction. These methods include analysis using the direct and substructure methods. In the direct method, structure and a significant volume of the underlying soil are analyzed in a general model. In the substructure method, the effect of soil behavior is modeled using springs and dampers. In this study, the effect of SSI on the response of steel structures with torsional irregularities in plan was investigated. In order to determine the seismic vulnerability of the structures, the soil-foundation system of the structures was modeled using the Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) approach. In this approach, a series of nonlinear springs are used to model the soil behavior under dynamic excitation. Simplicity and efficiency of this modeling approach have made it popular in the SSI problems. The studied buildings are 4, 8 and 12 stories in height resting on the soil type D according to ASCE07-16. The supposed structural system for buildings is a special moment resisting frame and the floor diaphragms have been considered to be rigid. The three-dimensional model of the nonlinear structural system was developed in the OpenSees software. Concentrated plastic hinges at the end of frame elements were used to model the nonlinear behavior of these elements. The nonlinear time history analysis of structures under 11 properly scaled earthquake ground motions, once was implemented for the fix-base and once for the flexible-base buildings with a mass eccentricity variable from zero to 30% of the plan dimension. Also the analysis were performed under the design basis earthquakes (DBE) and the maximum considered earthquakes (MCE) hazard levels. Results of the nonlinear time history analysis and comparison of the performance level of structural components show that taking SSI into account changes the performance level and increases the seismic damage in some of the structural components. Soil-structure interaction increases the relative displacement in the first floor of 4, 8 and 12 story buildings up to 14, 16 and 28% showing larger significance of SSI in taller buildings. Also, the effect of SSI on the ductility demands of stories, rotation of plastic hinges at the DBE and MCE hazard levels has been investigated. Keywords: Seismic vulnerability, soil structure interaction, Beam on Nonlinear Winkler Foundation, torsional irregularity .
. تحلیل غیرخطی برای بررسی آسیبپذیری لرزهای سازهها تحت شتابنگاشتهای ثبتشدهی زمین کاربرد دارد. تحلیل آسیبپذیری لرزهای برای سازههایی که دارای نامنظمی شدید نیستند، میتواند با روشهای استاتیکی یا دینامیکی خطی و یا استاتیکی غیرخطی نیز با دقت کافی انجام شود؛ اما تحلیل دینامیکی غیرخطی به دلیل دقت و اطمینان بیشتر ترجیح داده میشود. در مطالعات معمول ارزیابی عملکرد لرزهای، فرض میکنند سازهها در فونداسیون خود بهصورت گیردار عمل میکنند و تنها زمانی ممکن است این فرضیه واقعگرایانه باشد که سازه بر روی سنگ نسبتاً صلب یا خاک بسیار سخت قرارگرفته باشد. اگرچه مطالعات متعددی اثرات اندرکنش دینامیکی الاستیک خاک- سازه بر پاسخ سازههای الاستیک و غیر الاستیک را نشان دادهاند، اما مطالعات اندکی انجامشده است که اثرات اندرکنش خاک و سازه و اثرات ساختگاهی را برای سازه بر روی خاک با رفتار غیرخطی در نظر گرفته باشد. لحاظ نمودن اندرکنش خاک و سازه در آنالیز سازه نسبت به حالتی که خاک زیر سازه صلب در نظر گرفته میشود موجب تغییر در رفتار سازه و درنتیجه عملکرد آن هنگام تحریک لرزهای میشود و همچنین تقاضای لرزهای و ظرفیت لرزهای سازهها را تحت تأثیر قرار میدهد. روشهای مختلفی برای مدلسازی اندرکنش خاک و سازه وجود دارد. این روشها شامل آنالیز به دو روش مستقیم و زیرسازه میباشند. در روش مستقیم، سازه و حجم قابل توجهی از خاک زیر سازه در یک مدل کلی آنالیز میشوند و در روش زیرسازه با استفاده از فنرها و میراگرها اثر رفتار خاک زیر سازه مدلسازی میشود. در این مطالعه اثر اندرکنش خاک و سازه روی پاسخ سازههای فولادی دارای نامنظمی پیچشی در پلان بررسی میشود. برای این منظور از نوع خاصی از روش زیرسازه به نام تیر بر فونداسیون غیرخطی وینکلر برای مدلسازی اندرکنش خاک و سازه و تعیین آسیبپذیری ساختمان استفاده شده است. در این روش از یک سری فنرهای غیرخطی برای مدلسازی رفتار خاک تحت تحریکهای دینامیکی استفاده میشود. دلیل استفاده از این روش سادگی در مدلسازی و همچنین دقت مناسب در نتایج است. ساختمانهای موردمطالعه شامل سازههای فولادی 4، 8 و 12 طبقه و بر روی خاک نوع D مطابق با آئیننامهASCE07-16 میباشند. سیستم سازهای مفروض برای ساختمانها، قاب خمشی فولادی ویژه بوده و دیافراگم طبقات نیز صلب فرض شدهاند. بهمنظور بررسی رفتار غیرخطی سازههای منظم و نامنظم هندسی از روش مفصل متمرکز در محیط OpenSees استفاده میشود. تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی سازهها تحت 11 شتابنگاشت که بهصورت مناسبی مقیاس شدهاند، در دو حالت پایه صلب و پایه انعطافپذیر و برای خروج از مرکزیتهای صفر، 5، 10، 20 و 30 درصد بعد پلان در دو سطح خطر زلزله طراحی و حداکثر زلزله مورد انتظار انجام میشود. نتایج تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی بر روی این سازهها و مقایسه سطح عملکرد اجزا سازه نشان میدهد که در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه موجب تغییر سطح عملکرد و افزایش آسیب برخی از اجزای سازهای میشود. همچنین اندرکنش خاک و سازه موجب افزایش جابجایی نسبی طبقه اول سازه 4 طبقه تا میزان 14 درصد، سازه 8 طبقه تا میزان 16 درصد و سازه 12 طبقه تا میزان 28 درصد میشود که این نتیجه نشاندهنده اثر بیشتر اندرکنش روی سازههای بلند است. همچنین اثر اندرکنش خاک و سازه بر تقاضای شکلپذیری طبقات، چرخش مفاصل پلاستیک به تفکیک طبقات و قابها در دو سطح خطر زلزله طراحی و حداکثر زلزله مورد انتظار بررسی شده است. کلمات کلیدی آسیبپذیری لرزهای، اندرکنش خاک و سازه، فونداسیون غیرخطی وینکلر، نامنظمی پیچشی