23386

ارائه ي پارامترهاي طراحي لرزه اي سازه هاي مجهز به جداگر لرزه اي اصطكاكي پاندولي پنج گانه

Ph.D.

مهندسي عمران - مهندسي زلزله

1393

1399/11/12

دكتر غلامرضا قدرتي اميري

مهندسي عمران

جداگر لرزه اي؛ يك سيستم محافظ لرزه اي شناخته شده است كه به منظور حفاظت از سازه ها در برابر زلزله و كاهش خسارات ناشي از آسيب ديدن سيستم هاي سازه اي، اجزاي غير سازه اي، و محتواي درون ساختمان ها طي زلزله استفاده مي شود. عملكرد لرزه اي بسيار خوب سازه هاي داراي جداگر لرزه اي؛ بوسيله ي مدل سازي هاي تحليلي و تحت زلزله هاي واقعي اثبات گرديده است. ايده ي اصلي اين روش بر اساس جداكردن (ايزوله كردن) سازه اصلي از زمين توسط تجهيزاتي منعطف به نام جداگر استوار است كه در نتيجه آن؛ انرژي مكانيكي منتقل شده از امواج لرزه اي با فركانس بالا به سازه جداسازي شده كاسته مي شود. كاهش انرژي انتقال يافته سبب كاهش پاسخ ها از جمله تغيير شكل هاي نسبي و مطلق، سرعت و شتاب، و در نتيجه آسيب وارده به سازه جداسازي شده مي شود. در بين انواع جداگرها، جداگرهاي لغزشي قوسي (جداگرهاي اصطكاكي پاندولي) از مزيت هايي ارزشمند، خصوصاً جهت مقاوم سازي لرزه اي ساختمان هاي موجود برخوردارند، كه از جمله اين مزايا مي توان به : ظرفيت باربري و جابه جايي بالا به همراه ابعاد فشرده و جمع وجور، عدم وابستگي زمان تناوب (پريود) نوسان سيستم به جرم روسازه، و كاستن اثرات پيچش در ساختمان هاي نامتقارن اشاره كرد. با اين وجود، برخلاف گسترش استفاده از اين نوع جداگرها در جهان در دهه هاي اخير، شناسايي و درك كاملي از عملكرد و محدوديت هاي جداگرهاي لغزشي قوسي هنوز به طور كامل بدست نيامده است. از جمله بخش هاي مبهم رفتار اين جداگرها عبارتند از: خصوصيات مصالح اصطكاكي سطوح لغزش، رفتار واقعي جداگر تحت زلزله هاي حقيقي به جاي تست هاي آزمايشگاهي، و عدم در دسترس بودن روش اجزاء محدود براي تحليل سازه اي كه قادر به ارائه رفتار واقعي جداگرها در شرايط خاص، به عنوان نمونه: ايجاد پديده اصطكاك جداشده و رفتار جداگر تحت تحريك هاي بلند مدت با سرعت بالا و افزايش دماي ايجاد شده در سطوح لغزش ناشي از اين تحريك ها مي باشد. در اين چارچوب، هدف از اين پژوهش توسعه ابزارهايي جديد جهت تحليل و ارائه طرح مقاوم سازي لرزه اي ساختمان ها (به خصوص ساختمان هاي با محتواي فناورانه بالا) توسط نوع جديد سيستم جداگر لغزشي؛ يعني جداگر اصطكاكي پاندولي پنج گانه (كه جداگري لغزشي كروي با شش سطح لغزش، پنج پاندول مؤثر، و نُه رژيم عملكردي است و قادر به ارائه يك رفتار پيچيده چند مرحله اي سازگار و بهينه توسط تغيير در سختي و ميرايي خود متناسب با مقدار جابه جايي حركت پايه) مي باشد. اساس اين پژوهش عبارت است از: (1) ارائه يك مطالعه عددي اجزاء محدود توسط نرم افزار آباكوس به منظور ارزيابي رفتار دقيق حرارتي- مكانيكي اين نوع جداگر و اجزاي آن و بررسي تأثير افزايش دماي سطوح لغزش و سرعت بارگذاري بر سختي و قابليت استهلاك انرژي اين نوع جداگر، (2) توسعه و صحت سنجي مدل هاي تحليلي اين نوع جداگر و سازه ي جداسازي شده، (3) كُد نويسي دقيق رفتار اين جداگر بر اساس مطالعات رفتاري تحليلي بدست آمده آن در مراحل قبل جهت توسعه المان سه بُعدي اين جداگر در نرم افزار اُپنسيس به منظور استفاده در مدل سازي سازه اي جهت تحقيق و بررسي عددي پاسخ سيستم جداگر و سازه جداسازي شده، (4) ارزيابي عددي و صحت سنجي المان سه بُعدي توسعه يافته جداگر و همچنين ارزيابي عملكرد لرزه اي جداگر تحت انواع مختلف حركات لرزه اي از جمله: بارگذاري هاي هارمونيكي شبه استاتيكي، ديناميكي و تحركات زلزله حقيقي دوجهته و سه جهته، و درنهايت (5) ارائه ي روندي ساده شده و قدم به قدم جهت تحليل و طراحي سازه هاي جداسازي شده با اين نوع جداگر تحت تحركات زلزله ي نزديك گسل به منظور استفاده در جامعه مهندسي.

1400/02/02

Developing Seismic Design Parameters of Structures Isolated with Quintuple Friction Pendulum Isolator

2/1/2022 12:00:00 AM

Seismic mitigation design by means of base isolation has shown to be an efficient way for protecting the structures and their contents from earthquake induced damages. The excellent performance of isolated structures has been proved by analytical modeling and also under real earthquakes events. The main idea of this approach is to “decouple”, or “isolate”, a structure from the earthquake-induced ground motion using flexible devices, called isolators, so that the mechanical energy transmitted to the isolated structure from high frequency seismic wave is reduced. The reduction of the transmitted energy reduces response, including deformation and absolute movement, velocity and acceleration, and hence the damage, of the isolated structure. Among the current isolation systems, curved surface sliders (known in North America as the Friction Pendulum System) demonstrate favorable characteristics like high load-carrying and displacement capacity combined with compact dimensions, independency of vibration period from the mass of the superstructure, and the lack of torsional effects in case of asymmetric buildings, which make them the most practical device for seismic retrofitting of structures, yet, notwithstanding the large usage of these types of isolation devices in the last decades, a full understanding and precise modelling of their behavior has not been yet completely achieved. Ambiguous areas are: the properties of the sliding materials, the behavior of the isolator under real earthquakes rather than laboratory tests, and the unavailability of finite element formulations for structural analysis capable to represent the actual behavior of the isolators in particular conditions (e.g. at breakaway and during long duration high-velocity excitation and its consequent temperature rise in sliding surfaces). Within this framework, the scope of this research project is the development of new tools for the analysis and seismic retrofitting design of buildings (especially those with high technological content) by means of a new generation of Friction Pendulum Bearing system called as Quintuple Friction Pendulum Isolator (QFPI). The QFPI consists of six spherical sliding surfaces; five effective pendula; and nine stages (or regimes) of operation which allow for a more complex multi-stage adaptive behavior with different stiffness and damping; depending on the amplitude of displacement. The cornerstones of the study are: (1) the establishment of a FEM approach, using ABAQUS, for the assessment of the thermal-mechanical behavior of QFPI and the effect of its sliding surfaces velocity and temperature rise on stiffness and energy dissipation capability of this system; (2) the development and validation of analytical models for QFPI system and isolated structure; (3) accurate coding of this isolator behavior based on its analytical models, obtained in the previous steps, to develop its three-dimensional element in OpenSees software for use in structural modeling to numerically evaluate the response of the isolation system and the isolated structure; (4) numerical evaluation and validation of the developed isolator element, and also evaluation of this isolator seismic performance under various types of input loadings, including: harmonic quasi-static and dynamic excitations and bi-directional and tri-directional real earthquake events; and (5) proposal of a simplified "step by step" procedure for analysis and design of structures isolated with this isolator under near-fault earthquake excitations for use in the engineering community.

جداسازي لرزه اي , جداگر اصطكاكي پاندولي پنج گانه , مدل سازي اجزاء محدود , مدل هاي تحليلي , المان عددي سه بُعدي , روش تحليل ساده شده

Seismic isolation , Quintuple friction pendulum isolator , finite element modeling , analytical models , numerical 3D element , simplified analysis method