26245

توسعه منحني‌هاي شكنندگي براي ديوار‌هاي مركزگراي گهواره‌اي چندگانه تحت اثر زلزله حوزه نزديك

Ph.D.

مهندسي عمران

1400

1400/12/18

وحيد بروجرديان

عمران

سيستم‌هاي مركزگرا با تأمين دو خصوصيت رفتاري شامل مكانيزم نيروي بازگردانندگي و مكانيزم جذب انرژي، براي تحمل بارهاي جانبي در نظر گرفته مي‌شوند. هدف اين دو مكانيزم در سازه، ايجاد منحني‌هاي پرچمي شكل نيرو-جابجايي تحت بارهاي جانبي رفت و برگشتي است. ديوارهاي گهواره‌اي يكي از سيستم‌هاي متداول مركزگرا مي‌باشند كه در آن‌ها هر دو مكانيزم نيروي بازگردانندگي و جذب انرژي در سيستم تأمين مي‌گردد. مكانيزم نيروي بازگردانندگي در سيستم با استفاده از پيش‌تنيده كردن كابل‌هاي متصل ديوار به فونداسيون و يا بلوك‌هاي گهواره‌اي به يكديگر تأمين مي‌گردد. كابل‌ها همواره با ايجاد نيروي بازگردانندگي و ايجاد بازشوندگي در سيستم با چرخش ديوار نسبت به فونداسيون و يا بلوك‌هاي ديوار نسبت به يكديگر بر نيروي جانبي غلبه مي‌كنند. فيوزهاي جذب انرژي در سيستم‌هاي گهواره‌اي در موقعيت‌هاي مختلف هسته‌ي گهواره‌اي مي‌توانند استفاده گردند. معمولاً اين ابزار اتلاف‌گر انرژي در محل‌هاي بازشوندگي و يا در پيرامون ديوار در محل چرخش ديوار استفاده مي‌گردد. معمولاً در ديوارهاي پايه-گهواره‌اي بلند، اثرات مودها‌ي بالاتر باعث ايجاد تلاش‌هاي خمشي و برشي اضافي در ميانه ارتفاع مي‌شود. براي كاهش اثرات مودهاي بالاتر در اين تحقيق ديوارها گهواره‌اي دوگانه و ديوارهاي گهواره‌اي چندگانه پيشنهادشده است. به‌طوركلي بررسي‌هاي لرزه‌اي سازه‌ها در سه بخش شامل؛ (1) ديوارهاي پايه-گهواره‌اي، (2) ديوارها دوگهواره‌اي و (3) ديوارهاي گهواره‌اي چندگانه انجام‌شده است. به اين منظور، سازههاي 4، 8، 12، 16 و 20 طبقه مورد ارزيابي لرزه‌اي در سه نوع سازه موردنظر پرداخته شد. در هر سه نوع سازه تحليل لرزه‌اي با مقياس‌سازي ركوردها به طيف آيين‌نامه انجام‌شده است. هم‌چنين تحليل احتمالاتي دو نوع سازه اول انجام‌شده است. مدلها در نرم‌افزار OpenSees و به‌صورت دوبعدي تحت تحليل‌هاي تاريخچه-زماني با استفاده از سه مجموعه شتاب‌نگاشت شامل 22 شتابنگاشت دور از گسل (FF)، 14 شتابنگاشت نزديك گسل داراي پالس (NF- pulse) و 14 شتابنگاشت نزديك گسل بدون پالس(NF-no pulse) پرداخته ‌شد. در بخش اول سازه‌هاي پايه-گهواره‌اي در دو بخش تحت ركوردهاي مقياس شده و تحليل احتمالاتي موردبررسي قرارگرفته شد. به‌طوركلي تلاش‌هاي خمشي و برشي ايجادشده ناشي از اثرات مودهاي بالاتر در ديوارهاي گهواره‌اي، با افزايش ارتفاع، افزايش مي‌يابد. به‌طوري‌كه لنگرهاي خمشي ايجادشده ناشي از شتابنگاشتهاي FF و NF-no pulse و برش ايجادشده ناشي از شتابنگاشتهاي FF و NF- pulse چشم‌گيرتر بوده است. افزايش لنگر خمشي در طبقات مياني ديوار سازه 20 طبقه نسبت به پاي ديوار در سطح عملكرد آستانه فروريزش (CP)، تحت ركوردهاي FF و NF-No Pulse به ترتيب برابر با 46 و 39 درصد است. مقادير جابجايي نسبي پسماند در طبقات سازه‌ها، مقدار اندكي داشته و قابل صرف‌نظر است. مقادير حداكثر جابجايي نسبي پسماند در طبقات سازه‌ها در سطح عملكرد CP براي سازه و 20 طبقه برابر با 0.0011 است. هم‌چنين نسبت تنش در كابل‌هاي پيش‌تنيده تحت ركوردهاي NF- Pulse نسبت به ساير ركوردها بيشتر است. براي دوگانه كردن ديوارهاي گهواره‌اي از ايجاد مقطع گهواره‌اي دوم در يك‌چهارم (R2-M1)، نصف (R2-M2) و سه‌چهارم (R2-M3) ارتفاع بهره‌مند شده است. بخش دوم داراي دو قسمت است كه در قسمت اول به تحليل تحت ركوردهاي مقياس شده پرداخته‌شده است. نتايج نشان مي‌دهد ديوارR2-M3 در كاهش اثرات مودهاي بالاتر مؤثر نبوده است. استفاده از R2-M2 در ساختمان‌هاي بلندمرتبه تحت ركوردهاي دور و نزديك گسل بدون پالس مي‌تواند مؤثر باشد به‌طوري‌كه به ترتيب خمش‌هاي ايجادشده را حداكثر 41 و 41 درصد و برش‌هاي ايجادشده را حداكثر 25 و 18 درصد كاهش دهد. مقاطع دوگهواره‌اي جهت كاهش اثرات مودهاي بالا در زلزله‌هاي نزديك گسل داراي پالس آن‌چنان مؤثر نيست. در قسمت دوم به تحليل احتمالاتي پرداخته‌شده است. در اين قسمت منحني‌هاي شكنندگي سازه‌هاي مختلف ترسيم شد. نتايج نشان مي‌دهد كه به‌طوركلي استفاده از R2-M2 در ديوارهاي تحت ركوردهاي FF و NF-No Pulse و R2-M1 تحت ركوردهاي NF-Pulse مؤثر است. در بخش سوم براي بررسي رفتار ديوار گهواره‌اي چندگانه از دو قسمت شامل بررسي ديوارهاي گهواره‌اي دوگانه و چهارگانه پرداخته شد. در هر دو نوع سازه، مقياس سازي ركوردهاي لرزه‌اي بر طيف آيين‌نامه انجام‌شده است. در قسمت اول، بر اساس مساحت كابل پيشتنيده مورداستفاده در ديوار، سه نوع ديوار گهواره‌اي دوگانه در نظر گرفته شد و رفتار لرزهاي آن با رفتار ديوار پايه-گيردار و پايه-گهواره‌اي مقايسه شد. نتايج نشان داد، به‌طوركلي شاخص مطلوبيت ديوارهاي گهواره‌اي دوگانه بيشتر از ساير سيستمهاي موردمطالعه در اين تحقيق است. علاوه براين، كاهش مساحت كابل در بلوك تحتاني ديوارهاي گهواره‌اي دوگانه (R2-S1) در كاهش اثرات مودهاي بالا بسيار مؤثر است. در قسمت دوم، پنج نوع ديوار گهواره‌اي چهارگانه و يك نوع ديوار دوگانه در نظر گرفته‌شده و با ديوار پايه-گيردار و پايه-گهواره‌اي مقايسه شده است. نتايج نشان داد، اثرات مودهاي بالاتر با افزايش ارتفاع سازه‌هاي گهواره‌اي افزايش مي‌يابد. ركوردهاي NF-No Pulse و FF نسبت به NF-Pulse اثرات مودهاي بالاتر را در سيستم‌هاي گهواره‌اي ايجاد مي‌كنند. ديوارهاي گهواره‌اي چهارگانه با كاهش مساحت كابل در بلوك اول (R4-S1) در كاهش اثرات مودهاي بالاتر تحت NF-Pulse و NF-No Pulse بسيار مؤثر است و به ترتيب داراي حداكثر ضرايب مطلوبيت برابر 67 و 65 درصد است. هم‌چنين ديوار گهواره‌اي چهارگانه با كاهش مساحت كابل در بلوك سوم (R4-S3) تحت ركوردهاي FF مؤثر بوده و حداكثر ضريب مطلوبيت برابر 65 درصد است. جابجايي نسبي پسماند بام ديوارهاي گهواره‌اي بسيار ناچيز است به‌طوري‌كه حداكثر آن در سازه 8 طبقه تحت ركورد NF-Pulse برابر با 0.0008 است.

1400/12/23

Development of Fragility Curves for Self-Centering Multiple Rocking Walls Subjected to Effect of Near-Field Earthquakes

3/9/2023 12:00:00 AM

Self-centering systems have been developed to sustain lateral loads with the following behavioral characteristics: 1) providing restoring force mechanism, and 2) providing Energy Dissipation (ED) mechanism. These two mechanisms result in a flag shaped force-drift curve under cyclic lateral loads. Among the self-centering systems, the rocking reinforced concrete wall has recently attracted a lot of attention. Rocking walls, as one of the common SC systems, composed of both restoring force and ED mechanisms. The restoring force mechanism in the system is provided by Post-Tensioning (PT) the cables between the wall and the foundation or the rocking blocks, and after the lateral force overcomes the restoring force, the gap opening in this system is always provided by rotating the wall relative to the foundation or the wall blocks relative to each other. ED fuses in rocking systems, including plain bar, butterfly-shaped fuse, and viscous damper, which are usually used in gap openings or around the wall in the rotation of the wall, can be employed in different rocking core. In high rise base-rocking walls, the higher mode effects created additional moment and shear demands in the middle of the height. In this study, bi-rocking walls and multiple rocking walls have been proposed to reduce the higher mode effects. The seismic studies of structures in three parts include; (1) base-rocking walls, (2) bi-rocking walls, and (3) multiple rocking walls. For this purpose, 4, 8, 12, 16 and 20 stories structures were evaluated seismically in three types of structures. In all three types of structures, seismic analysis was performed by scaling the ground motions to the spectrum of ASCE 7 code. Furthermore, probabilistic analysis of the first two types of structures has also been performed. The nonlinear time-history analyses were conducted in two directions using OpenSees software under three sets of seismic records including 22 Far-Field ground motions and 28 Near-Field ground motions that half of which are Pulse-like. In the first part, the base-rocking walls are examined. The moment and shear demand created by the effects of higher modes on the base-rocking walls increase with increasing height. The moment demands created by FF and NF-no pulse seismic recordes and the shear created by FF and NF-pulse seismic recordes were more significant. The increased moment of wall of a 20-story structure subjected to FF and NF-no Pulse ground motions at the level of CP performance is 46 and 39 percent, respectively. According to the results of the analyses, the residual inter-story drift values in self-centering rocking walls are negligible. In this respect, the maximum amount of residual inter-story drifts in the 20-story structure under far-field ground motions was about 0.0011 in CP performance level. Finally, the NF-Pulse ground motions created more stress ratio than other seismic records in prestressed tendons. To determine the appropriate location of rocking section in bi-rocking walls, one-quarter (R2-M1), one-half (R2-M2), and three-quarter (R2-M3) models were examined. The second part has two parts, which in the first part are analyzed under scaled records. The obtained results revealed that R2-M3 model is not efficient in reducing the effects of higher modes. However, R2-M2 model in high-rise buildings under FF and NF-no-pulse records could be effective in decreasing the moment by a maximum of nearly 41% and the shears by a maximum of 25% and 18%, respectively. Furthermore, the results showed that bi-rocking walls could not be effective in reducing the influence of higher modes under NF-pulse ground motions. Generally, the residual drifts were negligible in all the rocking systems under study. In the second part, probabilistic analysis was performed. To assess the seismic vulnerability of the models, a probabilistic approach based on the concept of fragility curves is utilized. To determine the optimum design, a utility coefficient is defined as the average of shear and moment reduction coefficients. The results showed that R2-M2 walls are effective under FF and NF-No pulse records, while R2-M1 walls show their best performance under NF-Pulse records. In the third part, two sections introduced to study the behavior of multiple rocking walls. These sections included double and quad rocking walls. In both sections, seismic records have been scaled to design spectrum of ASCE7. In the first section, based on the area of prestressing cables, three types of double-rocking walls are considered and compared with the base-rocking and the fixed base walls. The results showed that generally, the double-rocking walls provides higher desirability coefficients than the other considered systems. Furthermore, the double-rocking walls by reducing the cable area in the bottom block (R2-H1) are more effective in reducing the effects of higher modes. In the second section, the results showed that the effects of higher modes (shear and moment demand) increase with the increase in the height of the rocking structures. Furthermore, NFnP and FF records produced higher mode effects in rocking systems as compared to NFP records. The results suggested that the quad-rocking walls with the reduced tendon area in the first block (R4-S1) are highly effective in reducing the effects of higher modes in NFP and NFnP records. They showed maximum utility coefficients of 67% and 65%, respectively. Also, quad-rocking walls with the reduced tendon area in the third block (R4-S3) were more effective under FF records and their maximum utility coefficient was 65%. The residual roof drift of rocking walls was so negligible that its maximum value in the 8-story structure under NFP records was 0.0008.

ديوار پايه-گهواره‌اي , ديوار دوگهواره‌اي , ديوار گهواره‌اي چندگانه , اثر مودهاي بالاتر , جابجايي پسماند , فيوز تعويض‌پذير

Base-rocking wall , bi-rocking wall , multiple rocking wall , higher mode effect , residual displacement , Interchangeable fuse

Esmaeil Mohammadi Dehcheshmeh

Dr. Vahid Broujerdian