Skip to main content
SUPERVISOR
Farhad Behnamfar
فرهاد بهنام فر (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Hoseinirad
علی حسینی راد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Performance based design of structures based on seismic damage control for structures with special steel moment frame
Performance based design of structures based on seismic damage control for structures with special steel moment frame Ali Hoseini-Rad alihoseinirad1872@gmail.com Date of Submission: October, 20, 2020 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 Generally, seismic design of structures can be conducted through disparate methods including code-based method and performance-based ones. The performance-based design (PBD) methods are directly (e.g. damage controlled seismic design method (DCD)) or indirectly (e.g. displacement-based design (DBD)) pertinent to the damage concept. As for the seismic design of structures using the force-based design (FBD), well-known as a simple and time-saving method, the earthquake phenomena is taken into account equivalent to horizontal static load. Through the using of PBD methods (including DBD and DCD) and defining new levels of performance, a novel framework will be introduced within the field of structures’ seismic design. Considering the DBD method, a maximum drift with regard to structure’s level of performance is taken into account and then the structure would be substituted with a single degree of freedom system (SDOF). Afterwards, the structure will be designed using the base shear calculated with the equivalent stiffness and damping. More to DCD method, it is feasible to design the structure on the basis of global and local damage index, by which the structure’s damage level would not exceed the considered limit. Throughout this study, a new method named as damage controlled seismic design has been developed and elaborated in details. Through the usage of this method, in the first place, modified Park and Ang damage index, which is based upon the relation of deformation and energy, has been transformed into a drift-based damage index using regression and several analysis. Having an appropriate drift determined from the damage index, its base shear will be calculated in the considered level of performance. In this study, firstly the 4-8-12-storey structures respectively representing low-rise, medium-rise and relatively high-rise buildings within the zone of soil type D, are designed in ETABS software in accordance with ASCE 7-16 code. Thereafter these structures are modelled in OpenSees software by the exploitation of concentrated plasticity method to perform non-linear dynamic analysis. By the end of design process using disparate earthquake accelerogram and repeating non-linear dynamic analysis in OpenSees, it has been concluded that the damage index would remain within the considered level of performance. In addition, the proposed method provides a deep understanding of structure’s non-linear behavior in the course of earthquake. More to present study, a comparison has been drawn between DCD and FBD methods, by which it has been inferred that for DCD method, the base shear force in 4, 8 and 12 storey buildings are respectively 8.95%, 6.11% and 6.03% less than FBD method and provide softer structures with higher periods. It should be highlighted that these given values are pertinent to damage index of 0.4 and in case of lower damage index, the base shear force is increased and thereby the structure would be designed heavier. To make this distinction clearer, having the structures designed with 0.2 damage index, a comparison has been made between the damage index results of 0.2 and 0.4. The drawn comparison reveals that the base shear forces of damage index 0.2 for 4, 8 and 12 storey buildings are respectively 23.2%, 15.65% and 16.55% more than damage index 0.4. By an increase in the base shear force values, the structural elements and structure’s stiffness are enlarged and consequently the maximum inter-storey drift is diminished. Keywords : Damage controlled seismic design, Park and Ang damage index, Drift, non-linear dynamic analysis, steel moment-frame
برای طراحی لرزه­ای سازه­ها روش­های متفاوتی وجود دارد. در میان این روش­ها می­توان به روش­­ آیین­نامه­ای و روش­های عملکردی، روش­هایی که به­طور مستقیم (مانند روش طراحی بر اساس کنترل خسارت) و یا غیرمستقیم (مانند روش طراحی بر اساس تغییرمکان) با مفهوم آسیب ارتباط دارند، اشاره نمود. در طراحی لرزه­ای سازه­ها در روش آیین­نامه­ای (نیرویی)، زمین­لرزه در قالب نیروهای افقی استاتیکی معادل‌سازی و مبنای طراحی قرار داده می­شود. دلیل استفاده از روش نیرویی، سادگی و سرعت در انجام محاسبات آن، می­باشد. روش­های طراحی لرزه­ای بر اساس عملکرد، با تعریف سطوح عملکردی، چارچوب جدید و کلی را در طراحی لرزه­ای سازه­ها معرفی می­کنند. ازجمله این روش­ها می­توان به روش­های طراحی بر اساس تغییرمکان و طراحی بر اساس کنترل خسارت اشاره نمود. در روش طراحی لرزه­ای بر اساس تغییر­مکان، یک تغییرمکان حداکثر با توجه به سطح عملکرد موردنیاز برای سازه در نظر گرفته می­شود و سازه با یک سیستم یک درجه آزاد با سختی و میرایی معادل­ جایگزین ­می­شود. حال با داشتن سختی و میرایی معادل نیروی برش پایه­ محاسبه‌شده و سازه طراحی می­گردد. در روش طراحی بر اساس کنترل خسارت، می­توان با انتخاب یک میزان خرابی در سطح کلی یا محلی، سازه را به نحوی طراحی نمود که میزان خرابی از حد در نظر گرفته‌شده تجاوز ننماید. در این تحقیق، از روشی جدید برای کنترل آسیب در سازه استفاده گردیده و جزییات آن ارائه‌شده است. در این روش ابتدا شاخص خسارت اصلاحی پارک و انگ که توسط کناس و همکاران (1992) به­دست آمده، و بر اساس نسبت تغییرشکل­ها و نسبت انرژی­ها می­باشد، به‌وسیله رگرسیون و آنالیزهای متعدد به شاخصی بر اساس دریفت تبدیل‌شده و بعد از محاسبه دریفت مناسبی که از شاخص خسارت به‌دست‌آمده ­است، برش پایه متناظر با آن در سطح عملکردی موردنظر تعیین می­گردد و سازه­ها با استفاده از نیروی برش پایه­ی جدید، طراحی می­شوند. به این منظور در ابتدا سازه­های 4، 8 و 12 طبقه، که می­توان آن­ها را به ترتیب نماینده­ی سازه­های کوتاه مرتبه، میان مرتبه و نسبتاً بلندمرتبه در نظر گرفت، در منطقه­ای با خاک نوع D و طبق استاندارد ASCE 7-16 با استفاده از نرم‌افزارETABS طراحی‌شده‌اند و سپس با استفاده از روش مفصل متمرکز در نرم­افزار OpenSees، به­منظور انجام تحلیل­های دینامیکی غیرخطی، مدل­سازی شده­اند. در پایان روند طراحی با استفاده از شتاب­نگاشت زلزله­های مختلف و انجام مجدد تحلیل­های دینامیکی غیرخطی با استفاده از نرم­افزار OpenSees بر روی سازه­های طراحی‌شده با استفاده از روش جدید، نشان داده خواهد شد که شاخص خرابی در محدوده عملکردی موردنظر باقی می­ماند. بعلاوه روش پیشنهادی درک مناسب­تری از رفتار غیرخطی سازه­ها تحت زلزله ارائه می­نماید. همچنین مقایسه­ای بین روش طراحی بر اساس کنترل خسارت و روش نیرویی صورت گرفت و نشان داده‌شده که در روش کنترل خسارت نیروی برش پایه برای سازه­های 4، 8 و 12 طبقه به ترتیب %95/8، %11/6 و %03/6 کمتر از روش نیرویی به دست آمد که این امر موجب افزایش زمان تناوب و نرم­تر شدن سازه می­گردد. شایان‌ذکر است که این نتایج مربوط به شاخص خرابی هدف 4/0 می­باشد و اگر شاخص خرابی هدف کمتر از 4/0 مدنظر باشد نیروی برش پایه افزایش یافته و سازه سنگین­تر می­شود. برای نشان دادن این موضوع نیز سازه­ها مجدداً با استفاده از شاخص خرابی هدف 2/0 طراحی گردیدند و مقایسه­ای بین نتایج در شاخص خرابی هدف 4/0 و 2/0 صورت گرفت. نیروی برش پایه­ی طراحی که برای شاخص خرابی هدف 2/0 محاسبه گردید، به ترتیب برای سازه­های مذکور، %2/23، %65/15و %55/16 بیشتر از نیروی برش پایه در شاخص خرابی هدف 4/0 به دست آمد. این افزایش نیروی برش پایه موجب افزایش ابعاد مقاطع، سخت­تر شدن سازه و در نتیجه کاهش حداکثر دریفت طبقات می­گردد. کلمات کلیدی طراحی بر اساس کنترل خسارت، شاخص خرابی پارک و انگ، دریفت، تحلیل دینامیکی غیرخطی، قاب خمشی فولادی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی