26043

ارزيابي و توسعه عملكرد لرزه اي سيستم نوآورانه ديوارهاي برشي و دوگانه تركيبي با استفاده از اجزاي كامپوزيت فولاد و بتن آرمه

دكتري تخصصي

عمران

1400-1401

1400/11/16

دكتر محسنعلي شايانفر - دكتر محمد على برخوردارى

عمران

سيستم نوآورانه تركيبي ديوار برشي دوگانه يكي از پيشرفته‌ترين سيستم‌هاي سازه‌اي اقتصادي مي‌باشد كه تاكنون پيشنهاد شده است. اين سيستم شامل يك ديوار برشي بتني به‌وسيله تيرهاي پيوند فولادي قابل تعويض به دو ستون مرزي متصل مي باشد. هدف اصلي طراحي اين سيستم، تحمل بارهاي جانبي با حداقل آسيب يا حتي بدون آسيب به اجزاي غيرقابل تعويض (يعني ديوار بتن آرمه و ستون هاي فولادي) است؛ در حالي كه پيوندهاي فولادي كوپله تنها اعضايي هستند كه مي توانند آسيب جدي ببينند. اين سيستم عملكرد ضعيفي در ساختمان‌هاي كم ارتفاع دارد، همچنين تحقيقات و ارزيابي‌هاي دقيقي از رفتار اين سيستم تاكنون انجام نشده است. در قسمت اول اين تحقيق، هدف اين است كه كارآمدترين سيستم‌هاي نوآرانه ديوار برشي تركيبي كه در ادبيات موضوع نيز توصيه شده، با ديوار برشي معمولي معادل مقايسه شود. علاوه بر اين، توصيه‌هاي جديدي جهت بهينه‌سازي عملكرد سيستم نوآورانه ديوار برشي تركيبي توسط يازده اصلاح بر روي پيوندها و ديوار داخلي ارائه شده است. در جهت رسيدن به ارزيابي با قابليت اعتماد بالا، يك روش مدلسازي پيشرفته همراه با آناليزهاي ديناميكي غيرخطي و شكنندگي مورد استفاده قرار گرفت. يك مدل المان محدود جديد نيز براي پيوند كامپوزيت با عملكرد برشي با استفاده از نرم افزار اپنسيس پيشنهاد شد. روش‌هاي پيشنهادي جديد عملكرد بسيار خوبي را بهخصوص در ساختمان‌هاي كم ارتفاع نشان مي‌دهند. هدف قسمت دوم اين مطالعه، آسان كردن فرآيند طراحي سيستم نوآورانه ديوار برشي تركيبي است. به اين منظور، گروهي از 120 سيستم نوآورانه ديوار برشي تركيبي تحت 100 ركورد زلزله حوزه دور انتخاب شده‌اند. چهار صد و بيست هزار تحليل تاريخچه زماني غير خطي مبتني بر روش تحليل ديناميكي افزايشي جهت ايجاد يك بانك دادهها از پاسخهاي سازهاي انجام شده است. سپس تحليل‌هاى رگرسيون غيرخطي براي سيستم‌هاي طراحي شده و طراحي نشده بكار رفته است و روابط كاربردي براي تخمين مستقيمي پاسخهاي ذيل فرمول بندي گرديد: دوره تناوب‌هاي اصلي سازه ، جابجاييهاي تسليم ، جابجاييهاي جانبي متناظر با لحظه تسليم فولاد ديوار داخلي، جابجاييهاي جانبي براي بيشينه جابجايي نسبي طبقات پيشفرض و جابجايي نسبي طبقه اول پيشفرض؛ شكل‌پذيري براي بيشينه جابجايي نسبي طبقات پيشفرض و جابجايي نسبي طبقه اول پيشفرض ، و بيشينه دوران پيوندهاي پيشفرض ؛ بيشينه دوران پيوندها در همه طبقات، جابجايي نسبي باقيمانده ، الگوي توزيع نسبي برش طبقات در راستاي ارتفاع براي شكل‌پذيري مشخص ؛ ضريب رفتار مربوط به حالت تسليم ديوار داخلي ؛ رابطه ضريب رفتار و شكل‌پذيري كلي سازه ؛ علاوه بر اين، سطوح اسيب ديوار داخلي سيستم نوآورانه ديوار برشي تركيبي نيز تهيه شده است. همچنين تاثيرات تعداد طبقات ، نسبت كوپله ، نسبت فولاد در ستونهاي مرزي ديوار داخلي ، وضعيت يكنواختي توزيع پيوندهاي برشي و طول پيوندها نيز مورد بررسي قرار گرفت . نتايج نشان مي‌دهد كه تعداد طبقات و وضعيت يكنواختي توزيع پيوندها در راستاي ارتفاع، بيشترين تاثير را بر اغلب مقادير پاسخ ها دارند. مقدار ضريب رفتار موجود براي ساختمان‌هاي كم ارتفاع، تقريبا قابل قبول است، اما در ساختمان‌هاي با ارتفاع متوسط و بلند، به شدت دست پايين گرفته شده است. قانون جابجايي مساوي آيين نامه اروپايي مقدار شكل پذيري را بيش از حد برآورد مي‌كند. رابطه پيشنهادي مربوط به ضريب رفتار و شكل‌پذيري دقت بالاتري را از رابطه آيين‌نامه اروپايي نشان مي‌دهد. يك مقايسه اقتصادي بين سيستم نوآورانه ديوار برشي تركيبي و سيستم ديوارهاي دوگانه با تير كوپله فولادي داراي پيوند قابل تعويض انجام شده است. مشاهده شد كه سيستم نوآورانه ديوار برشي تركيبي، سود اقتصادي بهتري را نشان مي‌دهد. در ادامه، يك روش جديد طراحي مبتني بر عملكرد (نيرو-جابجايي تركيبي) پيشنهاد شده و با روش طراحي موجود مقايسه شده است. نتايج حاكي از آن است كه روش طراحي پيشنهادي از روش طراحي موجود دقيق‌تر و كم‌هزينه‌تر است. با افزايش ارتفاع، اين روش طراحي، خيلي دقيق‌تر و اقتصادي‌تر خواهد بود. به طور كلي، اين مطالعه تمام خلاء هاي تحقيقاتي را در مورد اصول سيستم نوآورانه ديوار برشي تركيبي پر مي‌كند و دستورالعمل‌هاي مهمي را براي طراحان ارائه مي‌كند كه مي‌تواند كمك‌هاي بزرگي را براي استفاده از اين راه حل سازه‌اي فراهم كند.

1400/11/20

Assessment and Development of Seismic Performance and Design of Innovative Composite Steel-Concrete Hybrid Coupled Shear Wall System

2/5/2022 12:00:00 AM

The Innovative hybrid coupled shear wall system (Inn-HCW) is one of the most advanced economical structural systems which has already been conducted. It constitutes of RC shear wall connected to two side steel columns by mean of replaceable coupling steel links. The main design objective of this system is to withstand lateral loads with minimized or even no damage of non-replaceable components (i.e. RC wall and steel columns), while the replaceable coupling steel links could undergo severe damage. This system still highly lacks investigations and detailed estimation as well as being of low efficiency in low-rise buildings. In the first part of this research, the emphasis is upon the estimation of the most efficient current Inn-HCW systems which have been recommended in literature so far, to be thoroughly calibrated against equivalent conventional RC wall system. Furthermore, new recommendations are presented in intention of optimizing the performance of Inn-HCW system to efficiently achieve the design objective through eleven multi-type modifications: links arrangement, internal wall structure and combined systems. The study implements an advanced modelling procedure and nonlinear dynamic analyses with fragility assessment to obtain a highly reliable evaluation. A new finite element model was also proposed for shear critical composite link using Opensees platform. The newly proposed methods reveal excellent efficiency, especially in low-rise buildings. In the second part, the objective is to facilitate the design process of innovative steel and concrete hybrid coupled wall system. To this end, a group of 120 innovative hybrid coupled wall systems subjected to a set of 100 far-field ground motions are selected. 420,000 of nonlinear dynamic time histories on the basis of incremental dynamic analysis (IDA) are carried out in order to generate a databank of specified response quantities. Subsequently, nonlinear regression analyses are conducted for both designed and undesigned structures in order to derive simple formulae which offer a direct estimation of: fundamental periods of vibration, yield displacements, lateral displacements at steel first yielding in inner wall, lateral displacements with respect to a predefined IDR,max and IDR1,max (maximum first storey drift); ductility demands for a target IDR,max, IDR1,max , and maximum rotation in links; maximum links’ rotations along the building height, residual drift, and relative distribution of storey shear for a target ductility; behaviour factor q associated with steel first yielding of internal wall, and behaviour factor q relation as being a function of roof ductility μr. Moreover, damage limit states of the inner concrete wall are also formulated. The effect of the following parameters: number of storeys, coupling ratio, steel area ratio of boundary elements, uniformity status of shear links, and length of links is thoroughly investigated. The results indicate that storeys number and uniformity status parameters have the largest influence on most of response quantities. The current q behaviour factor value is approximately suitable for low-rise buildings, but it is highly underestimated in medium and high rise buildings. Furthermore, the equal-displacement rule of Eurocode8 clearly overestimates the roof ductility. The new proposed q-μr relation indicates better suitability than the Eurocode8 rule. An economical estimation of Inn-HCW system in comparison with the recent advanced hybrid coupled wall system is also carried out. The results indicate that the Inn-HCW system shows better economic gains. After all, a new hybrid force/displacement performance-based design method for Inn-HCW system is proposed and estimated against the current design method. The results reveal that the proposed design method seems to be more efficient and economic than the current one. This efficiency and economic ability dramatically raises when building height increases. Overall, this study bridges all the gaps about the innovative hybrid coupled wall system methodology and provides the designers with substantial guidelines which are considered as a great contribution to promote the diffusion of this structural solution.

سازههاى تركيبى فولاد و بتن , بهينه سازي عملكرد , آناليز شكنندگي , ضرايب رفتار , روش طراحي نيرو-جابجايي تركيبي

Steel and concrete hybrid structures , Performance optimizing , Fragility analysis , Behaviour factors , Hybrid force/displacement design method