اثرات متقابل خاک و سازه بر عملکرد لرزه ای قاب های مقاوم خمشی بتن مسلح

Soil-structure interaction effects on the seismic performances of reinforced concrete moment resisting frames

چکیده

1- مقدمه

2- تجزیه و تحلیل

3- مدلسازی عددی در نرم افزار اوپن سیز

4- نتایج

5- نتیجه گیری

چکیده

این مقاله تأثیر اثرات اندرکنش خاک و سازه (SSI) بر عملکرد لرزه ای قاب های مقاوم خمشی (MRFs) بتن آرمه (RC) 2D را بررسی می کند. این بررسی را با استفاده از تجزیه و تحلیل های دینامیک غیر خطی انجام داده ایم. هدف این پژوهش با استفاده از مطالعه ای پارامتری پیگیری می شود که در آن از (1) ویژگی های خاک، (2) روش مدلسازی اثرات SSI و (3) سطح طراحی لرزه ای سازه ها، استفاده شده است. آیین نامه ی اتحادیه ی اروپا کد شماره 8 (Eurocode 8) طبقه بندی های خاک را مطرح می کند. این طبقه بندی ها را مبنایی برای تعریف ویژگی های مکانیکی خاک قرار می دهیم. در رابطه با مدلسازی SSI، هر دو رویکرد زیر سازه ها و رویکرد مستقیم را درنظر گرفته ایم. در نهایت، سازه های دارای 4 و 8 طبقه را بررسی کردیم. این سازه ها تنها برای بارهای عمودی و یا بر اساس قوانین ایتالیا برای ساخت و سازها طراحی شده بودند(NTC-08). قاب های مقاوم خمشی بتن آرمه (RC-MRFs) موجود در خاک های نرم را بررسی کردیم، چرا که اثرات SSI بر عملکرد لرزه ای را بیشتر از حد انتظار می دانستیم. این پژوهش نشان می دهد که SSI بر تقاضای لرزه ای اثر می گذارد. این اثرگذاری برحسب حداکثر برش پایه و حداکثر نسبت رانش بین طبقات با اهمیت های متفاوت است که به رویکرد مدلسازی وابسته می باشد.

1- مقدمه

در این مقاله، نتایج مطالعه ای پارامتری را با هدف بررسی اثرات اندرکنش خاک و سازه (SSI) بر عملکرد لرزه ای قاب های مقاوم خمشی بتن آرمه (RC) نشان داده ایم. تجزیه و تحلیل های دینامیک غیرخطی به شکل های متفاوتی انجام شده است که عبارتند از:
(1) ویژگی های خاک
(2) روش مدلسازی اثرات اندرکنش خاک و سازه
(3) سطح طراحی لرزه ای سازه ها. در مورد خاک
در خصوص خاک، به طبقه بندی های گوناگون مطرح شده در Eurocode 8 (منبع 1) اشاره کردیم، در حالی که در رابطه با روش مدلسازی اثرات SSI، هر دو رویکرد «مستقیم» و «زیرسازه ها» را درنظر گرفتیم. در نهایت، سازه های دارای 4 و 8 طبقه را بررسی کردیم که تنها برای بارهای عمودی و یا طبق مقررات حال حاضر در ایتالیا برای ساخت و ساز (منبع 2) طراحی شده اند. پیش از ارائه ی نتایج تجزیه و تحلیل، سازه های مرجع، همچنین سوابق منتخب و ویژگی های مکانیکی ته نشینی خاک مفروض برای تجزیه و تحلیل عددی را بیان می کنیم. علاوه بر این، توضیحاتی در مورد مدل های عددی اجرا شده در نرم افزار اوپن سیز را ارائه می دهیم.

5- نتیجه گیری

در این پژوهش، اثرات SSI بر تقاضای لرزه ای قاب های مقاوم خمشی بتن آرمه با استفاده از یک مطالعه ی پارامتری بررسی شد که در آن: (i) ویژگی های خاک، (ii) روش مدل سازی اثرات SSI و (iii) سطح طراحی لرزه ای سازه ها ارائه شده است. به طور خاص تر، تجزیه و تحلیل دینامیک غیر خطی را اجرا کردیم.
این پژوهش نشان می دهد که بر اساس رویکرد مدل سازی بکاررفته، کم و بیش SSI می تواند بر تخمین تقاضای لرزه ای با توجه به مدل پایه ی ثابت اثر بگذارد. اتخاذ یک مدل کامل تعدیل یافته ی FEM می تواند منجر به کاهش تخمین تقاضای لرزه ای، با توجه به مدل پایه ی ثابت، تا 50٪ از نظر حداکثر نسبت رانش بین طبقات و تا 20٪ بر حسب حداکثر برش پایه شود. مدل سازی ساده شده ی اثرات SSI با استفاده از مدل تیر بر روی بستر غیرخطی وینکلر (BNWF) ، می تواند بر ارزیابی تقاضای لرزه ای تنها در مورد ساختمان های 8 طبقه بنا شده بر روی خاک های بسیار نرم، تأثیر بگذارد، چراکه پاسخ جنبشی بر پاسخ لغزشی فونداسیون اثر می گذارد. به هر حال، کاهش با توجه به مدل پایه ی ثابت (تا 20٪ برحسب حداکثر برش پایه و حداکثر نسبت رانش بین طبقات) کمتر از کاهش پیش بینی شده بوسیله ی مدل کامل FEM است. تفاوت بین دو رویکرد مدل سازی به ویژگی های مختلف میرایی کلی مربوط می شود، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، که در آن شتاب یک نقطه در بالای سازه و طیف فوریه متناظر آن را برای داده ثبتی خاص ترسیم کرده ایم. مدل BNWF، به دلیل عدم وجود کوپلینگ بین حالت های عمودی و جانبی پاسخ فونداسیون و به دلیل عدم توجه به متغیر فرکانس امپدانس های فونداسیون، به ظاهر اتلاف انرژی ناشی از SSI را کم برآورد می کند.

Abstract

The paper investigates the influence of Soil-Structure-Interaction (SSI) effects on the seismic performances of 2D reinforced concrete (RC) moment resisting frames (MRFs), which were investigated by means of non-linear dynamic analyses. The goal was pursued by means of a parametric study in which (1) the soil properties, (2) the modelling technique of the SSI effects, (3) the seismic design level of the structures were varied. The soil classes suggested by Eurocode 8 were taken as reference to define the mechanical properties of soil. As concerns the SSI modelling, both a sub-structures approach and a direct approach were considered. Finally, structures of 4 and 8 floors designed for vertical loads only or according to the Italian regulations for constructions (NTC-08) were considered. RC-MRFs founded on soft soils were considered, because SSI effects on the seismic response are expected higher. The study shows that SSI affects the seismic demand in terms of maximum base shear and maximum inter-story drift ratio with different significance depending on the modelling approach.

1- Introduction

In this paper, the results of a parametric study performed with the aim to investigate the effects of the Soil-Structure Interaction (SSI) on the seismic performances of reinforced concrete (RC) moment resisting frames (MRFs) are shown. Nonlinear dynamic analyses were performed varying (i) the soil properties, (ii) the modelling technique of SSI effects, (iii) the seismic design level of the structures. As concerns the soil, the different classes suggested by Eurocode 8 [1] were referenced, while as concerns the modelling technique of SSI effects, both a “direct” approach and a “sub-structures” were considered. Finally, structures of 4 and 8 floors designed for vertical loads only or according to the current Italian regulations for constructions [2] were considered. Before showing the results of the analyses, the reference structures are introduced, as well as the selected records and the mechanical properties of the soil deposits assumed for the numerical analyses. Moreover, some explanations about the numerical models implemented in OpenSees are provided.

5- Conclusions

In this study, SSI effects on the seismic demand of reinforced concrete moment resisting frames were investigated by means of a parametric study in which: (i) the soil properties, (ii) the modelling technique of SSI effects and (iii) the seismic design level of the structures were varied. In particular, nonlinear dynamic analyses were performed.
The study shows that, based on the modelling approach adopted, SSI can affect more or less the estimation of the seismic demand with respect to a fixed-base model. The adoption of a refined complete FEM model can lead to reductions in the estimation of the seismic demand, with respect to a fixed-base model, up to 50% in terms of maximum inter-story drift ratio and up to 20% in terms maximum base shear. A simplified modelling of SSI effects by means of a Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) model can affect the evaluation of the seismic demand only in case of 8 floors buildings founded on very soft soils, whereas rocking response tends to prevail over sliding response of the foundation. Anyway, the reductions with respect to a fixed-base model (up to 20% in terms of both maximum base shear and maximum inter-story drift ratio) are lower than those predicted by a complete FEM model. The difference between the two modelling approaches is related to the different characterization of the overall damping, as shown in Fig.4, in which the acceleration of a point on the top of the structure, and the corresponding Fourier spectrum, is plotted for a specific record. The BNWF model, because of the lack of coupling between vertical and lateral modes of foundation response and because of its incapability to take into account the frequency variability of foundation impedances, seems to under-estimate the energy dissipation due to SSI.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

اثرات متقابل خاک و سازه بر عملکرد لرزه ای قاب های مقاوم خمشی بتن مسلح

Soil-structure interaction effects on the seismic performances of reinforced concrete moment resisting frames

تجزیه و تحلیل حساسیت برای تقویت اثربخشی IDA در تحلیل شکنندگی قاب های بتن مسلح 3D

A Sensitivity Analysis For Enhancing Ida Efficiency In Fragility Analysis Of 3d Reinforced Concrete Frames

چکیده

1) مقدمه

2) تحلیل دینامیکی افزایشی (IDA)

2-1 شیوه IDA

3) منحنی‌های شکنندگی تحلیلی:

4) انتخاب زلزله‌های ثبت شده

5) مدل‌سازی سازه‌

6) تعیین حالات حدی:

7) نتایج و تشریح مطالب

7-1 منحنی شکنندگی سازه‌های مدل‌شده براساس ۲۰۰ زلزله ثبت‌شده واقعی

7-2 ارتباط تعداد مراحل IDA با دقت منحنی‌های شکنندگی

7-3 ارتباط تعداد زلزله ثبت‌شده با دقت منحنی‌های شکنندگی

8) نتیجه‌گیری

چکیده

با توجه به عدم قطعیت‌های متعددی که روی پاسخ‌های سازه‌ای قاب‌های بتن مسلح (RC) موثرند، به لحاظ منطقی، باید از ابزار آنالیز حساسیت نظیر منحنی شکنندگی استفاده شود. برای ترسیم منحنی شکنندگی تحلیلی، روش تحلیل دینامیکی افزایشی (IDA) به عنوان یکی از روش‌های آنالیز لرزه‌ای کاربرد گسترده‌ای داشته است. برای استفاده از این روش در ترسیم منحنی‌های شکنندگی قاب‌های بتن مسلح، باید بدانیم که برای ارزیابی درست آنالیز ریسک زلزله چه تعداد زلزله ثبت‌شده کافی است. مسئله دیگر این است که بدانیم تشکیل تابع شکنندگی با برازش دقیق چند مرحله دارد؟ در این راستا، دو قاب بتن مسلح سه‌بعدی با نام 3STRCF و 5STRCF به صورت غیرخطی مدل و ۲۰۰ زلزله ثبت‌شده واقعی دومولفه‌ای برای IDA لحاظ شد. نتایج نشان می‌دهند که دستکم ۱۱ مرحله IDA برای کاهش خطای تابع شکنندگی تا کمتر از ۵٪ و ۱۰ مرحله IDA برای خطای کمتر از ۱۰٪ لازم است. بعلاوه، انتخاب ۱۰۰ زلزله ثبت‌شده برای ترسیم قطعی یک منحنی شکنندگی دقیق کاملاً کفایت می‌کند. نتیجه این شد که دستکم ۲۵ زلزله ثبت‌شده برای کاهش خطای منحنی شکنندگی به کمتر از ۵٪ و ۱۵ زلزله ثبت‌شده برای کاهش خطا به کمتر از ۱۰٪ لازم است. نزدیکی تغییر خطای منحنی شکنندگی دو مدل و در همه حالات حدی نشان می‌دهد که می‌توان این نتایج را به سایر قاب‌های بتن مسلح نیز تعمیم داد.

8) نتیجه‌گیری

هدف این تحقیق بررسی آنالیز حساسیت بود که مشخص شود چه ارتباطی بین «تعداد زلزله ثبت‌شده انتخابی» و «تعداد گام IDA» با دقت منحنی شکنندگی تحلیلی ترسیم‌شده برای قاب‌های بتن مسلح وجود دارد. برای این منظور، دو قاب بتن مسلح سه‌بعدی در نظر گرفته شد و برای این مدل‌ها تغییرات خطای منحنی شکنندگی بررسی گردید. در همه مراحل، منحنی شکنندگی براساس ۲۰۰ زلزله ثبت‌شده واقعی دومولفه‌ای ترسیم و ۳۰ گام IDA با دقت کافی در نظر گرفته شد، زیرا مبنای محاسبات خطا بود. این فرضیه با مروری بر مطالعات دیگر تأیید شد. اما، این نتایج از این مطالعه بدست آمد: (i) با درنظرگیری تعداد گام IDA کافی در فرآیند ترسیم منحنی شکنندگی برازشی نزدیک به یک برای تابع چندجمله‌ای با مجذور R بدست می‌آید. بدیهی است که قابلیت دسترسی به تابع چندجمله‌ای که منحنی‌های شکنندگی را به‌درستی نشان دهد زحمت محاسبات فرآیند انتگرال‌گیری توابع شکنندگی را به طرز چشمگیری می‌کاهد.

Abstract

Due to several uncertainties which affect structural responses of Reinforced concrete (RC) frames, it is sensibly required to apply a vulnerability analysis tool such as fragility curve. To construct an analytical fragility curve, the incremental dynamic analysis (IDA) method has been extensively used as an applicable seismic analysis tool. To employ the IDA method for constructing fragility curves of RC frames, it is important to know how many records will be adequate to assess seismic risk analysis properly? Another issue is to know how many IDA steps are required for developing an accurate fitted fragility function? For this purpose, two 3D RC frames called 3STRCF and 5STRCF have been nonlinearly modeled and 200 2-componets actual records have been considered for the IDA. The results reveal that at least 15 IDA steps are required to reduce fragility function error to less than 5% and 10 IDA steps are required to yield less than 10% error. In addition, it is revealed that a selection of 100 records is completely adequate to be certain to have an accurate fragility curve. It is concluded that at least 25 records are required to decrease fragility curve error to less than 5% and 15 records to have less than 10%. The closeness of fragility curve error variation for two models and in all limit states show that these results can be generalized to other RC frames.

8- CONCLUSION

The objective of this investigation is a sensitivity analysis that shows how “number of selected records” and “IDA steps” parameters can affect the developed analytical fragility curve precision for RC frames. For this purpose, 2 3D RC frames called as 3STRCF and 5STRCF have been considered and for these models, the fragility curve error variations have been investigated. In all stages, an analytical fragility curve is developed from 200 2- components actual EQ records and 30 IDA steps have been considered adequately accurate and is the basis of error calculations. This assumption has been approved by reviewing other studies. However the following conclusions have been extracted from this study: (i) Considering sufficient IDA steps in the development process of the fragility curve can lead to fitting an appropriate polynomial function with R-square close to 1. It is clear that availability of a polynomial function that properly represents fragility curves significantly reduces computational efforts in the integration process of the fragility functions.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تجزیه و تحلیل حساسیت برای تقویت اثربخشی IDA در تحلیل شکنندگی قاب های بتن مسلح 3D

A Sensitivity Analysis For Enhancing Ida Efficiency In Fragility Analysis Of 3d Reinforced Concrete Frames

تحلیل دینامیکی سد خاکی آسیب دیده توسط زلزله اقیانوس آرام در توکیو ژاپن

Dynamic analysis of earth dam damaged by the 2011 Off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

آنالیز دینامیکی سد خاکی آسیب دیده در زلزله توکیو

Dynamic analysis of earth dam damaged by the 2011 Off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.