تعیین طول عمر باقیمانده (جلوگیری از بارگذاری اضافه)

تشخیص نوع تعمیر (تعمیر خودکار)

شکل ‏1‑1: تشكیلات سیستم مانیتورینگ سلامت سازه. [69]
در شكل(1-1) ساختار سیستم SHM به تصویر کشیده شد(بخش(1-2-3)). این سیستم مربوط به تابع مانیتورینگ سراسری سازه[6] می باشد. انواع پدیده های فیزیکی در بحث مانیتورینگ باید مطالعه شوند در ذیل ارائه شده اند.
الف) نوع پدیده فیزیكی مربوط به آسیب كه توسط حسگرها مانیتوره شده است.
ب) نوع پدیده فیزیكی كه بوسیله حسگرها برای تولید، دریافت، ارسال و ذخیره سازی سیگنال(معمولا الكتریكی) در زیر سیستم ها استفاده می شود. چند نوع حسگر مشابه كه داده ها را همزمان برای یك سیستم ارسال می كنند، یك شبكه حسگری[7] را تشکیل داده كه در نهایت داده های آنها با دیگر حسگرها ادغام شده و حسگرهای دیگر نیز با استفاده از سیستم مانیتورینگ وظیفه نظارت بر شرایط محیطی را انجام می دهند. سیگنال های تحویل داده شده بوسیله زیر سیستم یكپارچه مانیتورینگ ثبت شده و توسط كنترلر استفاده می شوند. در نهایت کلیه این عوامل منجر به ایجاد یك سیستم تشخیص عیب کامل سازه ای می شوند. [6,14,15]

1-2 آشنایی با انواع آسیب

هدف اصلی این پروژه ارائه روش هایی نوین برای کشف آسیب های سازه ای می باشد. در ابتدا مفاهیم پایه ای آسیب ارائه می شود.

1-2-1 مفاهیم پایه ای آسیب

نزدیک به سه دهه است که تلاش های فراوانی برای کشف آسیب صورت گرفته است. در ده سال گذشته با ورود سیستم های مانیتورینگ سلامت سازه ای رشد چشمگیری در تکنولوژی کشف آسیب صورت گرفته است. تاکنون تعریف های گوناگونی از آسیب ارائه شده است. در این جا سعی بر این است که ساده ترین و جامع ترین تعریف آسیب ارائه شود. آسیب تغییر در خواص هندسی یا خواص ماده شامل تغییر در شرایط مرزی، اتصالات و… می باشد که تاثیر نامطلوبی بر عملکرد سازه می گذارد. به بیان دیگر آسیب، تغییر در عملکرد مطلوب سازه می باشد. مفهوم آسیب زمانی که با شرایط حالت سالم(بدون آسیب) مقایسه شود، معنا پیدا می کند. بدلیل اینکه این پروژه بر روی آسیب های مکانیکی و سازه ای تمرکز دارد، آسیب به تغییر در خواص هندسی و خواص ماده محدود می شود.[15]
شروع همه آسیب ها از سطح ماده است. البته ذکر این نکته ضروری است که آسیب لزوما به معنای از دست رفتن عملکرد کل سیستم نمی باشد اما اگر آسیب در مراحل اولیه کشف نشود، عملکرد کل سیستم کوتاه شده و در نهایت سیستم بین می رود(شکست کل سازه). امروزه تلاش پیشرفته ترین تکنولوژی های کشف آسیب این است که آسیب را در همان مراحل اولیه شناسایی کنند. در ادامه انواع آسیب و دلایل بروز آنها شرح داده می شود.

1-2-2 عوامل وقوع آسیب در صنایع هوافضا و عمران

1. خوردگی[8]: بیشتر در سازه های فلزی و بتنی رخ می دهد.

1. ارتعاشات: در سازه بال هواپیما و پل ها.

1. ضربه: این آسیب در سازه های کامپوزیتی چشمگیر است.

1. فرود دشوار[9]: در سازه های هوایی رایج است.

1. بارگذاری بیش از حد[10]: بیشتر در سازه های هوایی، عمرانی و دریایی رایج است.

2. 

1. تصادف[11].

1. سقوط[12].

1. تورق[13]: در سازه های کامپوزیتی رواج دارد.

1-2-3 طبقه بندی آسیب های سازه ای

1. کلاس1: آسیب هایی ناچیز[14]: آسیب سطحی و ناچیز بوده تا حدی که می توان از آن صرفنظر کرد. آسیب هایی مانند فرورفتگی[15] روی سطح خارجی سازه هواپیما از این دست می باشند. این نوع آسیب ها اگر در هواپیما رخ دهند، هواپیما می تواند به پرواز خود ادامه دهد(اصطلاحا نیاز نیست هواپیما گراند شود).

1. کلاس2: آسیب های قابل تعمیر[16]: این نوع آسیب ها در انواع سازه رایج بوده و در صورتی که به سرعت کشف شوند، مشکل ساز نبوده ولی اگر به آنها بی توجهی شود، پییشرفت کرده و سبب از کار افتادن آن ناحیه(قطعه) می شوند. آسیب هایی از قبیل سوراخ[17] و ترک[18] از این قبیل می باشند. در صورت بروز این آسیبها در صنایع هوایی از پرواز هواپیما جلوگیری شده(اصطلاحا هواپیما گراند می شود) و بعد از رفع آسیب و تایید واحد کنترل کیفیت[19] هواپیما صلاحیت پرواز را پیدا می کند.

1. کلاس3: تعویض: قطعه آسیب دیده از رده خارج است[20] و قابل تعمیر نبوده و باید تعویض شود.

انواع آسیب سازه ای:

• خوردگی.

• ترک.

• تورق.

• حفره.

• سوراخ.

• ناپیوستگی اتصالات[21].

• انحراف از موقعیت.

• شل شدگی یا تزلزل اتصالات.

• خروج از مرکزیت.

• تغییر خواص ماده.

سیستم مانیتورینگ سلامت سازه توانایی کشف آسیب در مراحل اولیه و جلوگیری از رشد آسیب(جلوگیری از بارگذاری اضافی در ناحیه آسیب دیده)، ترمیم خودکار آسیب(با استفاده از مواد و حسگرهای هوشمند)، جلوگیری از تجمع آسیب و نمایان کردن عمر باقیمانده ناحیه یا قطعه آسیب دیده را دارد(شکل(1-1)).[14]

1-2-4 الگوریتم کشف آسیب توسط سیستم مانتیتورینگ سلامت

1. تشخیص آسیب.

1. ثبت زمان وقوع آسیب.

1. تعیین محل آسیب.

1. تعیین شدت آسیب(بررسی کیفیت آسیب).

1. اعمال اجرایی(نظیر نوع اخطار).

1. تعیین طول عمر باقیمانده قطعه آسیب دیده و کل سازه.

1. تشخیص نوع تعمیر

شناسایی و تشخیص آسیب بوسیله تجمیع چهار مرحله زیر انجام می شود.

1. مانیتورینگ شرایط(CM)[22]: مشابه تکنولوژی مانیتورینگ سلامت سازه است ولی بیشتر در تعیین مکان آسیب استفاده می شود.

• 6-1-2. آنالیز غیر خطی تاریخچه ی زمانی …………. 52

• 6-1-3. مشخصات مفصل های پلاستیک …………………. 53

• 6-2. پارامترهای انتخاب شتاب نگاشت……………… 53

• 6-2-1. مشخصات زمین شناسی، تكتونیكی و لرزه‎ای اصفهان. 54

• 6-2-2. انتخاب شتاب نگاشت……………………… 55

• 6-2-3. مقیاس كردن شتاب نگاشت‎ها………………… 59

عنوان

صفحه

• 6-2-4. طیف طرح استاندارد……………………… 60

• 6-3. بررسی زمان تناوب و شکل مدی گنبدها………… 60

• 6-3-2.گنبدهای گروه 1 ………………………… 60

• 6-3-2.گنبدهای گروه 2 ………………………… 61

• 6-3-3.گنبدهای گروه 3…………………………. 63

• 6-3-4.گنبدهای گروه 4…………………………. 64

6-4. مد مؤثر………………………………… 65
6-4-1. گنبدهای گروه 1………………………… 65
6-4-2. گنبدهای گروه 2………………………… 68
6-4-3. گنبدهای گروه 3………………………… 71
6-4-4. گنبدهای گروه 4………………………… 73
6-5. ناپایداری در گنبدها……………………… 76
6-5-1. بررسی ناپایداری در سازه های فضاكار به روش الاستیک و الاستوپلاستیک……………………………………………. 76
6-5-2. تغییرمکان های جانبی گنبدها………………. 78
6- 6. بررسی رفتار وزنی گنبدها………………….. 82
6-7. نتیجه گیری………………………………. 85
فصل هفتم : بررسی رفتار گنبدهای تک لایه ی دیامتیک فرازش یافته تحت بارباد

• 7-1.کلیات……………………………………. 87

• 7-2. تعاریف………………………………….. 87

• 7-3. روش های محاسبه ی بارهای باد………………… 88

• 7-4. تعیین فشار باد……………………………. 89

7-4-1. فشار متناظر با سرعت مبنا، q…………….. 89
7-4-2. ضریب بادگیری، C_e………………………. 89
7-4-3. ضریب تندباد، C_g………………………… 91
7-4-4. ضریب فشار بیرونی، C_p……………………. 91

• 7-5. فشار خالص ناشی از باد………………………. 91

• 7-6. نیروی ناشی از باد بر اجزای گنبد…………… 91

• 7-7. بارگذاری گنبدهای مورد مطالعه……………… 91

7-7-1. گنبدهای گروه 1 (گنبدهای بدون فرازش) ……. 91
7-7-2. گنبدهای گروه 2 و3 و4 (گنبدهای فرازش یافته).. 92

• 7-8. بررسی رفتار وزنی گنبدها تحت بارگذاری باد….. .99

 

عنوان

صفحه

• 7-9. نتیجه گیری………………………………. 101

فصل هشتم : نتیجه گیری

• 8-1. کلیات…………………………………… ..103

8-2. نتایج…………………………………… 104
8-3. پیشنهادات………………………………. 104
مراجع……………………………………….. 105
پیوست1………………………………………. 109

فهرست شكل ها

عنوان

صفحه

شکل 1- 1 نمونه هایی از شبکه های تخت تک لایه………. .3
شکل 1- 2 نمونه هایی از شبکه های تخت دو لایه………. .4
شکل 1- 3 نمونه هایی از چلیک ……………………. .4
شکل 1- 4 نمونه هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد لملا، گنبد اشودلر و گنبد دنده ای………………………………….. .5
شکل 1- 5 نمونه هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد پیازی، گنبد اسکالپ و گنبد دیامتیک………………………………. .5
شکل 1- 6 گنبد دیامتیک تک لایه ی فرازش یافته………. ..7
شکل3- 1 نمونه ای از یک عبارت فرمکسی…………….. 15
شکل3- 2 تاشه ی گنبد و یک مقطع عمودی از آن………. 16
شکل3- 3 مؤلفه های برماره ی کروی برای تاشه پردازی گنبد 17
شکل3- 4 نمونه ای از گنبد دیامتیک……………….. 17
شکل3- 5 ساختار قاچ گنبدها. (a) گنبد دیامتیک بدون مشکل تراکم اعضا در رأس و (b) گنبد لملا با داشتن مشکل تراکم اعضا در رأس 18
شکل3- 6 گنبدهای دنده ای (ردیف بالا) و اشودلر (ردیف پایین) که اعضای مجاور رأس آنها مورد قطع کلی و یا هرس قرار گرفته اند. 18
شکل3- 7 خطوط شبکه در برماره ی دیامتیک…………… 19
شکل3- 8 کاربرد توابع فرمکسی در تاشه پردازی گنبدهای دیامتیک 20
شکل3- 9 چند نمونه از توابع فرمکسی مورد استفاده در تاشه پردازی گنبدهای دیامتیک……………………………………… 20
شکل3- 10 کاربرد توابع فرمکسی در تاشه پردازی گنبدهای دیامتیک با بافت لانه زنبوری و تاشه ی ایجاد شده توسط آنها ……….. 21
شکل3- 11 نمونه ای از بافت مثلی در گنبد دیامتیک (به وجود آمدن خطوط مرزی در نواحی مرزی قاچ ها) …………………….. 22
شکل3- 12 نمونه هایی از انواع فرازش در شبکه های تخت.. 23
شکل3- 13 مراحل ابتدایی فرازش کروی……………… 23
شکل3- 14 تابع استفاده شده در فرازش چلیک گونه……. 24
شکل3- 15 مراحل اولیه ی فرازش چلیک گونه…………… 24
شکل4- 1 نسبت های هندسی در گنبدها……………….. 26
شکل4- 2 گنبدهای دیامتیک تک لایه بدون ایجاد فرازش با نسبت های خیز به دهانه به ترتیب از چپ 1/0 و2/0 و3/0 و 4/0 و 5/0…. 26
شکل4- 3 تاشه های مربوط به گنبدهای گروه 2……….. 27
شکل4- 4 تاشه های مربوط به گنبدهای گروه 3………. 28

عنوان

صفحه

شکل4- 5 تاشه های مربوط به گنبدهای گروه4………… 30
شکل 5- 1 ضریب C_Sبرای سقف های گنبدی و دندانه ای شکل در بارگذاری متقارن و نامتقارن ………………………………… 34
شکل 5- 2 مقادیر بارگذاری بار برف بصورت متقارن و نامتقارن درآیین نامه ی AISC 7-05برای زوایای کمتر از^°30 در قوس ها 35
شکل 5- 3 مقادیر بارگذاری بار برف بصورت متقارن و نامتقارن درآیین نامه ی AISC 7-05برای زوایای بین^°30 تا^°70 در قوس ها 35
شکل 5- 4 مقادیر بارگذاری بار برف بصورت متقارن و نامتقارن درآیین نامه ی AISC 7-05برای زوایای بیشتر از^°70 در قوس ها 36
شکل 5- 5 نمودارهای مربوط به تعیین ضریب C_s…….. 37
شکل 5- 6 جدول مربوط به تعیین ضریب C_e…………… 37
شکل 5- 7 جدول مربوط به تعیین ضریب C_t…………… 37
شکل 5- 8 جدول مربوط به تعیین ضریب I……………. 38
شکل 5- 9 تعیین زاویه ی α درگنبد SS.DD.003 …………. 39
شکل 5- 10 بارگذاری بار برف برای گنبدSS.DD.003 بر اساس آیین نامه ی سازهای فضاکار ایران………………………………… 40
شکل 5- 11 بارگذاری بار برف برای گنبدSS.DD.003 بر اساس آیین نامه ی AISC 7-05. ……………………………………………. 41
شکل 5- 12 نمونه ای از گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری متقارن 42
شکل 5- 13 نمونه ای از گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری متقارن 43
شکل 5- 14 نمونه ای از گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری متقارن 43
شکل 5- 15 نمونه ای از گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری متقارن 44
شکل 5- 16 نمونه ای از گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری نامتقارن 44
شکل 5- 17 نمونه ای از گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری نامتقارن 45
شکل 5- 18 نمونه ای از گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری نامتقارن 45
شکل 5- 19 نمونه ای از گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری نامتقارن 46
شکل 5- 20 رفتار وزنی گنبدهای گروه 1……………. 48
شکل 5- 21 تغییرات وزنی گنبدها در نسبت های خیز به دهانه ی مختلف 48
شکل 5- 22 رفتار وزنی گنبد های گروه 2……………. 49
شکل 5- 23 رفتار وزنی گنبدهای گروه 3……………. 49
شکل 5- 24 رفتار وزنی گنبدهای گروه 4 …………… 50
شکل 5- 25 رفتار وزنی گروه های مختلف گنبدها تحت بارگذاری بار برف 51
شکل 6- 1 منحنی نیرو-تغییرشکل (دوران)…………… 53
شکل 6- 2 گسل های شناخته شده تا شعاع 100 كیلومتری اصفهان. 54

عنوان

صفحه

• شکل 6- 3 زلزله‎های رخ داده تا شعاع 200 كیلومتری شهر اصفهان 55

• شکل 6- 4 بزرگای زمین لرزه‎ها نسبت به سال وقوع در گستره ی شهر اصفهان 55

شکل 6- 5 مؤلفه های افقی و قائم (به ترتیب از بالا) زلزله San Fernando 56
شکل 6- 6 مؤلفه های افقی و قائم (به ترتیب از بالا) زلزله Whittier Narrows 57
شکل 6- 7 مؤلفه های افقی و قائم (به ترتیب از بالا) زلزله Northridge 57
شکل 6- 8 طیف ترکیبی پاسخ مؤلفه های افقی زلزله Northridge 58
شکل 6- 9 طیف ترکیبی پاسخ مؤلفه های افقی زلزله San Fernando 58
شکل 6- 10 طیف ترکیبی پاسخ مؤلفه های افقی زلزله Whittier Narrows 59
شکل 6- 11 طیف طرح استاندارد…………………… 60
شکل 6- 12 مد اول مدل های گنبدی گروه 1…………… 61
شکل 6- 13 مد اول مدل های گنبدی گروه 2…………. 62
شکل 6- 14 مد اول مدل های گنبدی گروه 3…………….. 63
شکل 6- 15 مد اول مدل های گنبدی گروه 4…………… 64
شکل 6- 16 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.001……….. 66
شکل 6- 17 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.002……….. 66
شکل 6- 18 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.003……….. 67
شکل 6- 19 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.004……….. 67
شکل 6- 20 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.005……….. 68
شکل 6- 21 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.001……….. 68
شکل 6- 22 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.002……….. 69
شکل 6- 23 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.003……….. 69
شکل 6- 24 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.004……….. 70
شکل 6- 25 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.005……….. 70
شکل 6- 26 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.001……….. 71
شکل 6- 27 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.002……….. 71
شکل 6- 28 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.003……….. 72
شکل 6- 29 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.004……….. 72
شکل 6- 30 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.005……….. 73
شکل 6- 31 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.001………. 73
شکل 6- 32 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.002………. 74
شکل 6- 33 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.003………. 74

عنوان

صفحه

شکل 6- 34 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.004………. 75
شکل 6- 35 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.005………. 75
شکل 6- 36 مودهای ناپایداری در سازه های فضاکار……. 76
شکل 6- 37 فروجهش محلی و کلی در سازه های گنبدی…… 77
شکل 6- 38 محل قرارگیری نقاط در ارتفاع گنبدها قبل از ایجاد فرازش 78
شکل 6- 39 محل قرارگیری نقاط در ارتفاع گنبدهای فرازش یافته 79
شکل 6- 40 تغییرمکان های گنبدهای گروه 1…………. 79
شکل 6- 41 تغییرمکان های گنبدهای گروه 2…………. 80
شکل 6- 42 تغییرمکان های گنبدهای گروه 3…………. 81
شکل 6- 43 تغییرمکان های گنبدهای گروه 4………… 81
شکل 6- 44 تغییرات وزن گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری های مختلف 82
شکل 6- 45 تغییرات وزن گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری های مختلف 83
شکل 6- 46 تغییرات وزن گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری های مختلف 84
شکل 6- 47 تغییرات وزن گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری های مختلف 85
شکل 6- 48 رفتار گروه های مختلف گنبدها تحت بارگذاری زلزله 86
شکل 7- 1. مقادیر C_p، ضریب فشار خارجی و گنبد دیامتیک تک لایه تحت کنش های ناشی از باد…………………………… 90
شکل 7- 2 نمونه ای از سطح مؤثر باد در نقاط مختلف…. 91
شکل 7- 3 نقاط مختلف بارگذاری گنبدهای گروه 1……. 92
شکل 7- 4 گنبدهای گروه 2………………………. 93
شکل 7- 5 گنبدهای گروه 3………………………. 93
شکل 7- 6 گنبدهای گروه 4………………………. 93
شکل 7- 7 حداکثر ضریب خارجی C_pC_gدر دیوار های تک…… 93
شکل 7- 8 حداکثر ضریب خارجی C_pC_gدر سقف های با شیب کمتر از^°7 94
شکل 7- 9 حداکثر ضریب خارجی C_pC_gدر سقف های با شیب^°7 و بیشتر از^°7 95
شکل 7- 10 حداکثر ضریب خارجی C_pC_gدر سقف های پله ای…. 95
شکل 7- 11 حداکثر ضریب خارجی C_pC_gدر سقف های دندانه ای. 96
شکل 7- 12 حداکثر ضریب خارجی C_pC_gدر گنبدهای فرازش یافته 97
شکل 7- 13 مشخصه های مکانی گنبد PP.DD.03…………… 98
شکل 7- 14 رفتار وزنی گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری های مختلف 99
شکل 7- 15 رفتار وزنی گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری های مختلف 100
شکل 7- 16 رفتار وزنی گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری های مختلف 100

عنوان

صفحه

شکل 7- 17 رفتار وزنی گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری های مختلف 101
شکل 7- 18 رفتار گروه های مختلف گنبدها تحت بارگذاری باد 102







فهرست جداول

عنوان

صفحه

جدول4- 1 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای گروه 1… 27
جدول4- 2 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای پایه و فرازش ایجاد شده در گنبدهای گروه 2………………………………. 28
جدول4- 3 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای پایه و فرازش ایجاد شده در گنبدهای گروه 3………………………………. 29
جدول4- 4 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای پایه و فرازش ایجاد شده در گنبدهای گروه 4………………………………. 29

• جدول4-5 مقاطع و مشخصات هندسی پروفیل های استفاده شده در گنبدها 30

• جدول 6-1 مشخصات زلزله‎های انتخاب شده……………. 56

• جدول 6-2 تناوب پایه ی گنبدهای گروه 1……………. 61

جدول 6-3 تناوب پایه ی گنبدهای گروه 2……………. 62

• جدول 6-4 تناوب پایه ی گنبدهای گروه 3…………… 64

• جدول 6-5 تناوب پایه ی گنبدهای گروه 4…………… 65

 

فصل اول
کلیات

• . مقدمه

علم مهندسی سازه که بر مبنای تحلیل و طراحی، به ساخت انواع سازه ها براساس ملزومات خود می پردازد همواره در پی توسعه و گسترش حیطه ی کاری خود بوده و هست که پیشرفت روز افزون طراحی و ساخت انواع سازه ها گواهی آشکار بر این موضوع می باشد و همچنین پر واضح است که در اغلب موارد در هر ساخت و سازی استفاده از حداقل مصالح و نیز افزایش سرعت و کاهش هزینه های اجرا مهمترین مسئله ای است که کارفرمایان و طراحان با آن مواجه هستند که با افزایش ابعاد و اهمیت سازه بررسی این پارامترها از اهمیت ویژه ای برخوردار می شوند. در نتیجه مطالعه ی کلیه ی پارامترهای مؤثر بر این موضوع که اصطلاحاً به آن بهینه یابی گفته می شود از اهمیت و جایگاه ویژه ای برخوردار است. مرحله ی اول از هر عمل بهینه کردن، طرح یک ایده ی اولیه می باشد. یافتن یک ایده ی بهینه سازی مستلزم مطالعه و بررسی شرایط حاکم بر مسئله و یافتن راهکارهایی جهت رسیدن به اهداف بهینه سازی می باشد. استفاده از سازه های فضاکار[1] از نوع تخت به جای استفاده از ستون های میانی بسیار قوی در پوشش دهانه های بزرگ یک ایده ی بهینه سازی جهت کاهش هزینه ها بوده است. در مرحله ی بعد تبدیل این شبکه ها[2] به انواع چلیک ها[3] و مجدداً تبدیل چلیک ها به انواع گنبدها[4] از دیگر ایده های بهینه سازی در این زمینه بوده است. در این تحقیق در راستای ادامه ی این روند بهینه سازی از عمل فرازش در گنبدها استفاده شده است.

• . معرفی سازه های فضاکار

به سازه ای كه اصولاً رفتار سه بعدی داشته باشد، به طوری كه به هیچ ترتیبی نتوان رفتار كلی آن را با استفاده از یك یا چند مجموعه ی مستقل دو بعدی تقریب زد، سازه ی فضا كار گفته می شود. این تعریف یك تعریف كلی است اما در عمل این واژه به گروه خاصی از سازه ها كه شامل انواع شبكه ها، چلیك ها، گنبدها، برج ها[6]و… اتلاق می شود. سازه های فضاکار عمدتاً دارای فرم بدیع مستوی یا منحنی در فضا بوده و با واحدهای حتی المقدور یکسان در الگویی تکرار شونده احداث می شوند [1]. از مهمترین ویژگی های این سازه ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دهانه: سیستم سازه ی فضاكار قادر به پوشاندن دهانه های بزرگ با حداقل مواد مصرفی می باشد )فولاد مصرفی در سازه ی فضاكار دو سوم سازه های متداول دیگر می باشد(.

• سرعت نصب: به علت پیش ساخته بودن قطعات، سرعت عملیات مونتاژ و نصب بسیار بالا و اقتصادی می باشد.

• وزن كم و قابلیت جابجایی: سازه ی فضاكار دارای وزن كم بوده و قابلیت جابجایی با دست را دارا می باشد.

• انعطاف پذیری در طراحی: سازه ی فضاكار قابلیت افزایش و كاهش سطح را دارا بوده و امكان جابجایی ستون ها بدون اینكه خطری برای سازه ی فضاكار ایجاد گردد میسر می باشد.

• مقاومت در برابر نیروهای دینامیكی: سازه ی فضاكار مقاومت بالاتری در برابر بارهای دینامیكی همچون زلزله، انفجار و بار باد در مقایسه با سازه های متداول دیگر از خود نشان می دهد.

• ظاهر زیبا: سازه ی فضاكار از نظر نمای ظاهری بسیار زیبا بوده و نیازی به استفاده از سقف كاذب در این سازه نیست.

• ایمنی سازه: سختی زیاد سازه تغییر شكل سازه را پایین می آورد.

• جدایی ناپذیر بودن فرم سازه از معماری.

• ایجاد فصل مشترکی برای بهره گیری معماران پیشرو از قابلیت های مهندسان سازه مسلح به دانش نوین.

• امکان احداث سازه ها با کاربرد چند منظوره.

• اجزا و زیرمجموعه های ساده اغلب در خور پیش سازی و تولید انبوه می باشند و در ابعاد و اشکال استاندارد اختیار می گردند.

• با استفاده ازقابلیت باربری در سه بعد، امکانکاهش وزنفراهم می آید. از این رو سازه های فضاکار مشبک، اسکلتی معمولاً سبک و صلب می باشند.

• سازه های فضاکار قابلیت ها و امکانات عمده ای را در اختیار مهندسان و معماران برای تلفیق اصول زیباشناختی و نوآوری ها با جنبه های رفتاری، عملکردی، کاربری و سرویس دهی سازه قرار می دهند.

• اتصالات تیپ و کاملاً یکسان در این سازه ها به نوبه ی خود کمک شایانی به افزایش سرعت نصب و اجرا می کند.

• . انواع سازه های فضاکار

1-3-1. سازه یفضاكار تخت یک لایه
شبکه ی تک لایه از مجموعه ای از اعضایی تشکیل شده که محورهایشان در یک صفحه قرار دارند و به صورت صلب به هم متصل شده اند. نمونه هایی از این شبکه ها در شکل 1-1 نشان داده شده است.
شکل 1- 1 نمونه هایی از شبکه های تخت تک لایه[2]

1-3-2. سازه یفضاكار تخت دو لایه
شبکه ی دولایه از زیر مجموعه های ذیل تشکیل شده است:

• یک لایه ی بالایی با اعضای متصل به هم.

• یک لایه ی پایینی با اعضای متصل به هم .

• اعضای جان که لایه ی بالایی و پایینی را به هم متصل می کنند.

شبکه های دولایه اغلب در حالت افقی طرح و اجرا می شوند ولی می توان آنها را با هر درجه ی تمایلی نسبت به سطح افقی نیز طرح و اجرا نمود. نمونه هایی از شبکه های تخت دولایه در شکل 1-2 نشان داده شده است.
شکل 1- 2 نمونه هایی از شبکه های تخت دو لایه[2]

همچنین از دیگر شبکه ها می توان به شبکه های چند لایه اشاره کرد. شبکه های چندلایه دارای بیش از دولایه می باشند. این شبکه ها از نظر ساختاری مانند شبکه های دولایه می باشند و لایه های این شبکه ها نیز توسط اعضای جان به یکدیگر متصل شده اند. همچنین ممکن است شبکه ای در قسمت هایی دارای دولایه بوده و در قسمت های دیگر از بیش از دولایه تشکیل شده باشد.

1-3-3. سازه یفضاكار چلیک
به شبكه ای یک یا چند لایه كه در یك جهت دارای انحنا باشد، چلیك اتلاق می شود. این سازه برای پوشش سطوح مستطیلی دالان مانند استفاده شده و بعضاً فاقد ستون می باشد و روی لبه های چلیك كه به تكیه گاه متصل است، قرار می گیرد. برخی از نمونه های چلیك در شكل 1-3 نشان داده شده است.

شکل 1- 3 نمونه هایی از چلیک [2]

1-3-4. سازه یفضاكار گنبد
گنبد شبکه ای یک یا چند لایه است كه در چند جهت دارای انحنا می باشد. سطح یك گنبد می تواند بخشی از یك سطح منفرد كروی یا سهموی بوده یا وصله ای از چندین سطح متفاوت باشد. برخی از انواع گنبدهای معمول یك لایه شامل گنبدهای لملا[9]، اشودلر[10] و دنده ای[11] در شكل 1-4 و گنبدهای پیازی[12]، اسکالپ[13] و دیامتیک[14] در شکل 1-5 نشان داده شده است. در این تحقیق از گنبدها ی دیامتیک تک لایه استفاده شده است.
شکل 1- 4 نمونه هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد لملا ، گنبد اشودلر و گنبد دنده ای [2]
شکل 1- 5 نمونه هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد پیازی ، گنبد اسکالپ و گنبد دیامتیک [2]

• . اتصالات در گنبدها

سازه های فضاکار از نظر نوع ساختار و اتصالات به دسته های زیادی تقسیم می شوند که در زیر به برخی از آنها اشاره شده است:

• سیستم انگلیسیSpace Deck

• سیستم آلمانیMero Deck

• سیستم لوزی شکلDiamond Deck

قاب­های منظم سه طبقه و سه دهانه بتن­آرمه تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون در محیط نرم­افزار OpenSees، نشان داده شده است که در بعضی موارد زوال طبقه یا کل قاب (مود زوال سیستمی سازه) می­تواند حاکم باشد. به این صورت که قبل از زوال یکی از مفصل­های پلاستیک، ظرفیت کل قاب یا یکی از طبقات آن به میزان قابل توجهی افت کرده و کاربری خود را از دست می­دهد. علاوه بر این تأثیر پارامترهای مختلف طراحی، ظرفیتی و رفتاری قاب مانند درصد میلگردهای طولی و عرضی مقاطع، نسبت برش پایه قاب به وزن کل آن در لحظه زوال (Plastic g-Factor)، g-Factor کاربردی، شکل­پذیری نهایی، دوره تناوب مود اول و متوسط شاخص­های آسیب مقاطع بر مودهای زوال قاب­ها مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت مؤثرترین معیارهایی که بدون نیاز به انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون طراح را قادر به شناسایی امکان وقوع مود زوال سیستمی سازه می­نماید به صورت پارامتر g-Factor کاربردی و نیز ترکیب نسبت درصد میلگرد طولی به میلگرد عرضی ستون و دوره تناوب مود اول سازه تشخیص داده شد. معیارهایی که از طریق انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون محاسبه و در تفکیک قاب­های با مود زوال مفصل پلاستیک از سایر قاب­ها مؤثر هستند نیز به صورت پارامتر Plastic g-Factor و ترکیب پارامتر g-Factor کاربردی و متوسط شاخص­های آسیب مقاطع معرفی شده­اند.

کلید واژه­ها: قاب­های دوبعدی بتن­آرمه، تحلیل استاتیکی غیرخطی بار­افزون، مود زوال قاب­های بتن­آرمه، مود زوال سیستمی سازه، شاخص آسیب، نرم­افزار OpenSees



فهرست مطالب


عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه 1
1-1- پیش­گفتار.. 2
1-2- طراحی لرزه­ای.. 3
1-3- مهندسی لرزه­ای بر مبنای سطح عملکرد.. 4
1-3-1- چارچوب کلی طراحی لرزه­ای بر مبنای سطح عملکرد.. 7
1-3-2- شکل­پذیری (Ductility).. 10
1-3-3- شاخص آسیب.. 11
1-4- سیستم باربر لرزه­ای.. 14
1-5- روش­های مختلف تحلیل غیر ارتجاعی.. 15
1-5-1- تحلیل دینامیکی غیرخطی.. 16
1-5-2- تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون.. 17
1-5-2-1- توصیف تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون.. 17
1-5-2-2- برخی از روش­های تحلیل استاتیکی غیرخطی.. 19
1-5-2-3- شکل توزیع بار جانبی در ارتفاع ساختمان.. 21
1-6- معیارهای زوال (Failure Criteria).. 25
1-7- بیان مسئله و هدف تحقیق.. 26
1-8- روند دستیابی به هدف تحقیق.. 26
1-9- خلاصه.. 28

عنوان صفحه
فصل دوم: تاریخچه تحقیقات گذشته 30
2-1- پیش­گفتار.. 31
2-2- شاخص آسیب.. 33
2-2-1- شاخص­های آسیب موضعی.. 33
2-2-2- شاخص­های آسیب کلی.. 36
2-2-3- بررسی مقایسه­ای چند شاخص آسیب.. 39
2-3- معرفی روابط مربوط به چند شاخص آسیب شناخته شده 42
2-3-1- شاخص آسیب پارک و انگ.. 42
2-3-2- شاخص آسیب شکل­پذیری برای مقاطع.. 43
2-3-3- شاخص آسیب شکل­پذیری برای قاب­ها.. 44
2-3-4- شاخص آسیب انرژی.. 45
2-3-5- شاخص آسیب خستگی Low-Cycle. 46
2-3-6- شاخص آسیب نرم­شدگی بیشینه.. 46
2-4- نحوه مدل­سازی رفتار سازه.. 47
زوال قاب­های بتن­آرمه.. 48
2-6- خلاصه.. 48
فصل سوم: نحوه مدل­سازی و انجام تحلیل غیرخطی 51
3-1- پیش­گفتار.. 52
3-2- معرفی نرم­افزار OpenSees. 52
3-3- معرفی و مدل­سازی قاب­های دو بعدی بتن­آرمه مورد مطالعه 54
3-3-1- مشخصات فیزیکی قاب­های دو بعدی انتخابی.. 54
3-3-2- نحوه بارگذاری قاب­ها.. 54
3-3-3- چگونگی مدل­سازی قاب­های دو بعدی بتن­آرمه در نرم­افزار OpenSees 55
3-4- چگونگی انجام تحلیل و پایش پاسخ­های موردنظر سازه 57
3-5- طراحی قاب­ها.. 57
3-6- محاسبه شاخص آسیب.. 71
3-6-1- شاخص آسیب انتخابی.. 71
3-6-2- محاسبه شاخص آسیب شکل­پذیری برای مقاطع بحرانی.. 72
عنوان صفحه
3-6-3- محاسبه شاخص آسیب شکل­پذیری برای قاب­ها.. 74
3-7- خلاصه.. 74
فصل چهارم: ارائه و بررسی نتایج تحلیل­های غیرخطی قاب­های مورد مطالعه 77
4-1- پیش­گفتار.. 78
4-2- روند انجام تحلیل غیرخطی قاب­ها و نتایج مربوط به آن 79
4-2-1- دسته­بندی قاب­ها بر اساس مود زوال آن­ها.. 79
4-2-2- توزیع مفصل­های پلاستیک در لحظه زوال قاب­ها.. 82
4-2-3- بررسی تغییرات پارامترهای تعریف شده بر اساس شاخص آسیب مقاطع در طول تحلیل.. 88
4-2-4- بررسی تأثیر پارامترهای مختلف طراحی، ظرفیتی و رفتاری در نوع زوال قاب­ها.. 98
4-3- خلاصه.. 114
فصل پنجم: خلاصه، نوآوری و نتیجه­گیری 116
5-1- خلاصه تحقیق.. 117
5-2- نوآوری تحقیق.. 119
5-3- نتیجه­گیری.. 119
فهرست منابع و مآخذ 121
پیوست یک: امكانات نرم­افزار OpenSees 125
پیوست دو: بررسی مدل­های مختلف ارائه شده برای مصالح 130
رفتار بتن محصور شده و محصور نشده.. 131
رفتار میلگردهای فولادی مسلح کننده.. 136
فهرست منابع و مآخذ پیوست دو.. 143

فهرست شکل­ها


عنوان صفحه

شکل 1- 1 نمودار جریانی فرآیند طراحی بر اساس سطح عملکرد.. 8
شکل 1- 2 نمودار تعیین نقاط لازم برای محاسبه شکل­پذیری.. 11
شکل 1- 3 نمودار جریانی روش تحلیل دینامیکی غیرخطی.. 16
شکل 1- 4 منحنی ظرفیت کلی (بارافزون) یک سازه.. 18
شکل 1- 5 روش طیف ظرفیت و نمودارهای ظرفیت و تقاضا نمونه.. 20
شکل 1- 6 منحنی نمونه طیف تقاضا برای شکل­پذیری­های ثابت در روش N2 21
شکل 1- 7 شکل­های توزیع بار جانبی در تحلیل بار فزآینده.. 25
شکل 2- 1 مقایسه نتایج ارزیابی آسیب با شاخص آسیب سه­بعدی، شاخص آسیب پارک و انگ، و شاخص آسیب جابجایی نسبی بین­طبقه­ای: (a) بارگذاری تک­محوره، 2D؛ (b) بارگذاری تک­محوره، 3D؛ و © بارگذاری دومحوره، 3D 40
شکل 3- 1 ایده­آل سازی منحنی لنگر– انحنا.. 73
شکل 3- 2 ایده­آل سازی منخنی ظرفیت قاب.. 74
شکل 4- 1 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال مفصل پلاستیک) 84
شکل 4- 2 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال طبقه).. 85
شکل 4- 3 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال قاب).. 86
شکل 4- 4 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال ترکیبی طبقه و مفصل پلاستیک).. 87

عنوان صفحه
شکل 4- 5 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال ترکیبی قاب و مفصل پلاستیک).. 88
شکل 4- 6 بیشینه شاخص­های آسیب نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 91
شکل 4- 7 متوسط شاخص­های آسیب نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 91
شکل 4- 8 متوسط شاخص­های آسیب تیرها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 92
شکل 4- 9 متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 92
شکل 4- 10 نسبت متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها به متوسط شاخص­های آسیب تیرها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام.. 93
شکل 4- 11 متوسط شاخص­های آسیب طبقه اول نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 94
شکل 4- 12 متوسط شاخص­های آسیب طبقه دوم نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 94
شکل 4- 13 متوسط شاخص­های آسیب طبقه سوم نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 95
شکل 4- 14 بیشینه شاخص­های آسیب نسبت به متوسط شاخص­های آسیب 96
شکل 4- 15 متوسط شاخص­های آسیب طبقه سوم نسبت به متوسط کل شاخص­های آسیب مقاطع 96
شکل 4- 16 متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها نسبت به متوسط شاخص­های آسیب تیرها 97
شکل 4- 17 شاخص آسیب شکل­پذیری قاب­ها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام 97
شکل 4- 18 بیشینه شاخص آسیب نسبت به متوسط شاخص آسیب (در لحظه زوال) 103
شکل 4- 19 Plastic g-Factor (در لحظه زوال) نسبت به شکل­پذیری نهایی قاب 104
ستون 104
ستون.. 105
تیر.. 106
ستون نسبت به دوره تناوب مود اول.. 107
قاب.. 107
ستون.. 108
ستون.. 109
شکل 4- 27 شکل­پذیری نهایی نسبت به دوره تناوب مود اول.. 109
قاب نسبت به شکل­پذیری نهایی.. 110
شکل 4- 29 متوسط شاخص­های آسیب نسبت به g-Factor کاربردی.. 111
شکل 4- 30 متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها نسبت به شکل­پذیری نهایی 111
شکل 4- 31 متوسط شاخص­های آسیب نسبت به شکل­پذیری نهایی.. 112
شکل 4- 32 متوسط شاخص­های آسیب تیرها نسبت به متوسط شاخص آسیب ستون­ها 113
شکل پ2- 1 مدل مندر برای بتن.. 131
شکل پ2- 2 مدل هوشیکوما برای بتن.. 135
شکل پ2- 3 رفتار میلگرد مدفون در بتن.. 137
شکل پ2- 4 اثر لغزش پیوند (Bond Slip) در رفتار عنصر.. 140
عنوان صفحه
شکل پ2- 5 منحنیِ چرخه­ای فولاد.. 140


























فهرست جدول­ها


عنوان صفحه

جدول 1- 1 سطوح عملکرد سازه­ای در بعضی از دستورالعمل­های بهسازی لرزه­ای 6
جدول 1- 2 بعضی از شاخص­های آسیب متداول.. 13
جدول 2- 1 شاخص­های آسیب بر پایه مدل­های خطی معادل.. 37

جدول 3- 1 مشخصات فیزیکی مصالح در مدل­های مورد استفاده برای بتن و فولاد 56
جدول 3- 2 مشخصات قاب­های مدل شده.. 60
جدول 4- 1 تعداد قاب­های انتخابی به تفکیک مود زوال.. 82
جدول 4- 2 پارامترهای تعریف شده بر اساس شاخص آسیب مقاطع و فضاهای بررسی شده توسط آن­ها.. 89
جدول 4- 3 پارامترهای موردنظر برای تفکیک قاب­های با مود زوال مفصل پلاستیک و حدود آن­ها.. 99
جدول 4- 4 فضاهای بررسی شده برای تفکیک و میزان خطای آن­ها برای دسته­بندی قاب­ها.. 113

3-5-2- اضطراب و سیستم قلبی و عروقی………………………………………………………………………… ……..41

4-5-2- اضطراب و توانبخشی قلبی …………………………………………………………………….. … ……. ……..42

6-2- مرور تحقیقات انجام شده………………. … ………………………………………………………………… ……………43

1-6-2- تحقیقات انجام شده داخلی…………………………………………………………………….. … ……. ……..43

2-6-2- تحقیقات انجام شده خارجی……………………………………………………………………. ……… ……..44

3- فصل سوم : روش شناسی ………..……………………………………….….….…….48

1-3- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………49

2-3- جامعه آماری ، گروه نمونه و روش نمونه گیری …………………………………………………………………..49

3-3- ابزار گردآوری داده ها ………………………………………………………………………………………………………..50

4-3- روش تحقیق ……………………………………………………………………………………………………………………53

5-3-روش اماری ……………………………………………………………. …………………………………… ……. …………55

6-3-محدودیتهای حقیق ……………………………………………………………… ………………………………………….55

4- فصل چهارم : یافته های تحقیق …………………………………………….. .. …..56

1-4- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………….57

2-4- نتایج توصیفی تحقیق ……………………………………………………………………………………………………..57

3-4 – نتایج استنباطی تحقیق …………………………………………………………………………………………………….61

5- فصل پنجم : بحث و نتیجه گیری ……………………………………………………..67

1-5- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………….68

2-5- بحث و نتیجه گیری از یافته های تحقیق ……………………………………………………………………………….69

3-5- نتیجه گیری نهایی ……………………….. ………………………………………………………………………………..74

4-5- پیشنهادات ………………………………………………………………………………………………………………………..76