دانشکده مهندسی

گروه عمران

 پایان نامه برای دریافت درجه دکتری در رشته مهندسی عمران گرايش سازه

عنوان:

طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد سازه‌های بتنی مقاوم در برابر زلزله

 

استاد راهنما:

دکتر فریدون رضایی- دانشیار دانشگاه بوعلی سینا

اساتید ممتحن خارجی:

پروفسور علی خیرالدین- استاد تمام دانشگاه سمنان

دکتر رضا آقایاری- دانشیار دانشگاه رازی کرمانشاه

 

استاد ممتحن داخلی:

دکتر محمد شوشتری- استادیار دانشگاه بوعلی‌سینا

 

نگارش:

حمید مرتضایی

 

مکان:

آمفی تئاتر دانشکده مهندسی

زمان:

سه‌شنبه 04/11/1396- ساعت 11:30

 

 

Bu-Ali Sina University

 Faculty of Engineering

Department of  Civil Engineering…

Thesis Submitted for Doctor of Philosophy in Civil Engineering

Title:

 

Performance-based plastic design of earthquake-resistant reinforced concrete structures

 

Supervisor:

Freydoon Rezaie (Ph.D)

Doctoral Committee:
D.r Ali khairodin- Professor
D.r Reza Aghayari- Associate Professor
D.r Mohammad Shooshtari- Assistant Professor

 

By:

Hamid Mortezaie

 

January, 24, 2018

 

 

 

 

چكيده:

روش غالب طراحی سازه‌ها تحت بارهای لرزه‌ای در اغلب کشورها، حتی اگر مشخص باشد که سازه تحت زلزله‌های شدید تغییرشکل‌های بزرگی را در محدودۀ غیرالاستیک تجربه می‌کند، بصورت الاستیک انجام شده و رفتار غیرخطی سازه به صورت غیرمستقیم در نظرگرفته می‌شود. مطالعات بیشماری نشان می‌دهد که این روند طراحی در جلوگیری از مکانیزم‌های گسیختگی مناسب نمی‌باشد. به طور کلی نقاط ضعف این روند طراحی شامل: رفتار‌غیرالاستیکِ‌کنترل نشده، تسلیم شدید، کمانش، گسیختگی و ناپایداری‌های موضعی اعضای سازه‌ای است که می‌تواند بطورگسترده و غیر یکنواخت در سازه رخ داده و در نهایت به یک پاسخ غیر قابل پیش‌بینی و نامطلوب و به دنبال آن گسیختگی کلی سازه منجر شود. توسعه روش‌های طراحی موجود برای حصول به عملکرد لرزه‌ای مورد انتظار و قابل پیش بینی در سطوح خطر متفاوت سبب شکل‌گیری روش طراحی لرزه‌ای بر اساس عملکرد (PBSD) شد. اما در این روش از روابط احتمالاتی پیچیده و انجام طراحی با روندی بسیار تکرار شونده و وقت‌گیر استفاده شده بود. به دنبال احساس به نیاز روش طراحی مستقیمی در چارچوب روش PBSD، برای دستیابی به سازه‌هایی که پاسخ مطلوب مورد انتظار را داشته باشند، روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد (PBPD) مد نظر قرار گرفت. در این روش بر خلاف روش‌های جاری در آیین‌ نامه‌های طراحی نیروی برش پایۀ طراحی برای یک سطح خطر انتخاب شده با برابر قراردادن کار مورد نیاز برای رساندن سازه به مقدار جابجایی جانبی هدف به صورت یکنواخت، با انرژی مورد نیاز در سازۀ یک درجه آزادی معادل به دست می‌آید. در این روش سازه‌ای تولید خواهد شد که بر اساس حالت‌های حدی کارایی نظیر جابجایی جانبی هدف و مکانیزم تسلیم  مطلوب رفتار خواهد کرد. با وجود تمامی مزایا و محسنات روش طراحی PBPD نکته‌ای که تاکنون به آن توجه نشده است، در نظر گیری خاک به عنوان بستر اصلی انتقال ارتعاشات لرزه‌ای به سازه است. بسیاری از آیین نامه‌های طراحی ساختمانی پیشنهاد می‌کنند که از اثرات اندرکنش خاک و سازه (SSI) می‌توان چشم‌پوشی نمود و بستر سازه را به صورت گیردار در نظر گرفت. در حالی که تحقیقاتی که بر روی اثرات نادیده گرفتن SSI انجام شده، نشان داده‌اند که وجود خاک در زیر فونداسیون منجر به ایجاد درجات آزادی جانبی و چرخشی در فونداسیون می‌شود و می‌تواند تقاضای شکل‌پذیری را به شکل محسوسی افزایش دهد. این تغییرات با توجه به نوع خاک و سیستم سازه‌ای، می‌تواند منجر به افزایش یا کاهش رفتار غیرخطی در سازه، تغییر در رفتار کلی سیستم خاک و سازه و در نتیجه تغییر در پاسخ سیستم شامل افزایش جابجایی جانبی و جابجایی نسبی درون طبقه‌ای تحت بار زلزله شود و در نهایت منجر به مخدوش شدن و از میان رفتن معیارهای کارایی شود که از سازه انتظار می‌رود. در این تحقیق با دخیل نمودن خاک به عنوان بستر اصلی انتقال ارتعاشات به سازه، تلاش شده است تا روش طراحی PBPD را از یک روش طراحی صرفاً به منظور طراحی سازه خارج نمود و آن را به یک روش طراحی برای سیستم خاک- فونداسیون و سازه توسعه و بسط داد. در روش اصلاح شدۀ طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد (MPBPD)، با بهره‌گیری از روابط موجود و به منظور حفظ سادگی روش طراحی PBPD، دو پارامتر مهم و اثرگذار در روش طراحی PBPD، اصلاح شده‌اند. این دو پارامتر شامل: اصلاح پریود ارتعاش سازه به دلیل اثر SSI و دیگری اصلاح جابجایی نسبی هدف سازه می‌باشد، که پارامتری کلیدی در بررسی کارایی سازه می باشد. در نهایت نیروی برش پایۀ طراحی در روش PBPD به دلیل اثر SSI با توجه به روابط اصلاحی ارائه شده، تصحیح شده است. با انجام اصلاحات عنوان شده، به منظور درک بهتر این روش، سازه‌هایی با تعداد طبقات متفاوت، شامل قاب‌های فضاییِ خمشیِ 4، 8، 12 و 20 طبقه باز طراحی شده‌اند و با نتایج طراحی روش بدون اثر SSI و روش طراحی بر اساس ظرفیت مقایسه شده‌اند. به منظور ارزیابی رفتار و صحت سنجی روش طراحی MPBPD، یک سازۀ 20 طبقه بتنی با روش ارائه شده و روش متعارف PBPD طراحی و تحت تحلیل تاریخچه زمانی تحت 22 رکورد زلزله حوزه دور قرار گرفته است. در این تحقیق از مدل مخروطی خاک برای مدل سازی خاک و فونداسیون استفاده شده است. با ساخت و بهره گیری از یک مدل سه بعدی دقیق المان محدود از سازه بلند مرتبۀ بیست طبقه در نرم افزار OpenSees سعی شده است تا رفتار واقعی‌تری از سازه در نظر گرفته شود. نتایج حاصل از شش پارامتر مرتبط، با پاسخ حداکثر سازه، کارایی و توانایی روش ارائه شده را به منظور در نظرگیری اثر اندرکنش خاک و سازه، نسبت به روش متعارف PBPD نشان می‌دهد. نتایج حاکی از کارایی و مزیت برتر روش توسعه داده شده، نسبت به روش رایج طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد در شش پاسخ سازه دارد. اوج عملکرد مطلوب سازه، به کنترل خسارات سازه‌ای مربوط می‌شود، به طوری که خسارات سازه‌ای در سازه طراحی شده به روش MPBPD به شکل مطلوب‌تری در مقایسه با سازه طراحی شده به روش PBPD در ارتفاع سازه توزیع شده و میانگین ماکزیمم انرژی پلاستیک موضعی تلف شده در سازه حدود 10 درصد کاهش پیدا می‌کند. همزمان با توسعه روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد، استفاده از سیستم‌های کنترل لرزه‌ای غیرفعال نیز به منظور کنترل هر چه بهتر سیستم خاک- سازه مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور از دو مدل خطی و غیرخطی خاک استفاده شده است. هشت نوع پاسخ حداکثر لرزه‌ای سازه شامل: جابجایی جانبی، شتاب نسبی، تغییرمکان نسبی میان طبقه‌ای، انرژی پلاستیک تلف شده، نیروی برش طبقات، تعداد مفاصل پلاستیک، انرژی پلاستیک موضعی تلف شده و چرخش مفاصل پلاستیک کمک شایانی به درک صحیح رفتار واقعی سازه می‌نمایند.  نتایج حاکی از آن است که با تجهیز سازه به میراگر جرمی تنظیم شده و بررسی سیستم خاک-سازه آنچنان که مشخص است می‌توان کارایی سیستم را در برخی از پاسخ‌های مورد بررسی تا 17 درصد افزایش داد.

 

واژه­های کلیدی: طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد، اندرکنش خاک و سازه، تحلیل غیرخطی سازه‌ها، سازه‌های بتنی، کنترل سازه‌ها

 

 

The dominant method of designing structures under seismic loads in most countries, even if it is known that the structure undergoing intense earthquakes experiences large deformations in the non-elastic boundary, is carried out elastically and the nonlinear behavior of the structure is indirectly considered. Numerous studies show that this design process is not suitable for preventing breakdown mechanisms. In general, the design weaknesses of this design process include non-steady-state control, severe submission, buckling, rupture, and local instability of the structural members that can occur widely and non-uniformly in the structure and eventually result in an unpredictable and undesirable response followed by the overall rupture of the structure. Development existing design methods to achieve expected and predictable seismic performance at risk levels leads to formation of performance based seismic design method (PBSD). But in this method of complicated contingency relationships and design with a very repetitive and time-consuming process was used. Following the need for a direct design method within the framework of the PBSD method, the PBPD design method was considered to achieve the structures that have the expected desired response. In this method, contrary to the current methods in the design guidelines of base shear force design for a chosen level of risk equating the work required to deliver the structure to the lateral target displacement uniformly, with the energy required in a single-degree-of-freedom (SDOF). In this method, a structure will be produced that will behave based on performance limit cases such as lateral target displacement and the desired yielding mechanism. Despite all the advantages and implications of the design method of PBPD, the point that has so far not been taken into account is considering the soil as the main base for the transfer of seismic vibrations to the structure. Many construction design codes suggest that the SSI effects can be ignored and the structure base can be considered fixed. While research on the effects of neglecting SSI has shown that the presence of soil under the foundation leads to the establishment of lateral and rotational degrees of freedom in the foundation and can significantly increase the demand for ductility  which, in turn, can lead to an increase or decrease of nonlinear behavior in the structure system, and a change in the overall behavior of the soil and structure system, and consequently a change in the system response, including increased lateral displacement and inter-story drift under earthquake loading, and ultimately leads to faulting and eliminating performance criteria expected from the structure. In this research, with the involvement of soil as the main base of vibration transmission to the structure, the design of the PBPD was deployed from a design method solely for the design of the structure for the soil-foundation and the structure system.  In the proposed modified method, based on the existing relationships and in order to maintain the simplicity of the PBPD design method, two important parameters have been modified in the PBPD design method. These two parameters include the modification of the vibration period of the structure due to the effect of SSI and the lateral target displacement modification, which is a key parameter in the evaluation of the structural performance. Efforts have been made to refine the modifications to maintain the simplicity and robustness of the PBPD equations. Finally, design base shear force of the PBPD method has been corrected due to the SSI effect regarding the modified relationships. By making the modifications, in order to better understand this method, structures with a number of different floors, including the 4, 8, 12, and 20 spatial space moment frames, are designed and compared with the results of designing the method without the effect of SSI and design method based on the capacity.  In order to evaluate the behavior and verification of the MPBPD design method, a twenty-floor concrete structure with modified method (MPBPD) and conventional PBPD was designed and analyzed in accordance with the time history of the 22 far-field quake records. In this study, cone model is employed for modeling soil and foundation. With constructing and exploiting a detailed three-dimensional finite element model of a twenty-story high-rise structure in the OpenSees software, it is attempted to consider a more realistic behavior of the structure. The results of six related parameters with the maximum response of the structure demonstrate the efficiency and performance of the MPBPD method for the purpose of considering the SSI effect, compared to the conventional method of PBPD. The best of the desired performance of the structure is related to the control of damages. So that, the structural damages, of the structure designed in MPBPD method compared to the structure designed by PBPD method, is distributed more desirable at the structural height and the mean of the maximum local dissipated plastic energy in the structure is reduced about 10%. Simultaneously with the development of the plastic design method based on performance, the use of inactive seismic control systems has also been studied in order to better control the structure of the soil- structure system. For this purpose, two linear and nonlinear models of soil have been used. Eight main objective functions that are related to the performance of the structure, containing: lateral displacement, acceleration, inter-story drift, plastic energy dissipation, shear force, number of plastic hinges, local plastic energy and rotation of plastic hinges help to better understand of the real behavior of the structure. The results indicate that  with the structure equipped with TMD and the study of the system of soil-structure, as it is known, we can increase the system efficiency to 17% in some of the responses.

 

Keywords: performance based plastic design, soil-structure interaction, nonlinear analysis of structures, concrete structures, structural control.

 

 

 

رزومۀ علمی و شغلی

·      مشخصات فردي   

نام خانوادگي : مرتضايی              نام : حميد

محل و سال تولد : ملاير-1363                                وضعیت تأهل: مجرد

آدرس : ملایر-کوی پلیس- خیابان شهید مجید مریوند- روبه‌روی انبار آموزش و پرورش- پلاک 7618

تلفن همراه: 09188522537

·      سوابق تحصيلي

1.     ديپلم متوسطه رياضي و فيزيك سال 1382

2.     كارشناسي مهندسي عمران دانشگاه بو علی سينا سال 1388

3.     كارشناسي ارشد مهندسي سازه دانشگاه بو علی سينا سال 1391

عنوان پایان نامه :کنترل رفتارغيرخطی سازه های بتنی بااستفاده از ميراگرجرمی تنظيم شده     

 زير نظر اساتيد :

·      دکتر محمد شوشتری از دانشگاه بو علی سينا

·      پروفسور مراد ساچوغلو از دانشگاه اوتاوا (Ottawa University) ازکشور کانادا

4.     دکترای مهندسی عمران-سازه دانشگاه بو علی سینا سال 1396

عنوان رساله : طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد سازه‌های بتنی مقاوم در برابر زلزله     

زير نظر استاد :

·      دکتر فریدون رضایی از دانشگاه بو علی سينا

·      سایر مدارک علمی

1.        مدرک آزمون زبان MCHE با نمره 54.

2.        پروانه اشتغال پایۀ 2 نظام مهندسی استان همدان در رشته‌های محاسبات، نظارت و اجرا از سال 1391.

 

·         مقالات ISI

1.    Mortezaie, H., & Rezaie, F. (2018), "Effect of Soil in controlling the seismic response of three-dimensional PBPD high-rise concrete structures", structural engineering and mechanics, (in press) (Accepted for publication).

2.    Mortezaie, H., & Rezaie, F. (2018), "Seismic behavior and dissipated plastic energy of performance-based-designed high-rise concrete structures with considering soil–structure interaction effect", Civil Engineering Infrastructures Journal, (in press) (Accepted for publication).

3.    Mortezaie, H., & Rezaie, F. (2018), "Optimization and evaluation of three dimensional high-rise concrete structure equipped by TMD with considering the soil structure interaction effect", Journal of Vibroengineering (in press) (Accepted for publication).

4.     Rezaie, F., & Mortezaie, H. (2017). Considering the Soil Effects on Design Process of Performance-Based Plastic Design for Reinforced Concrete Structures. Civil Engineering Infrastructures Journal, 50(2), 411-425.

5.    Shooshtari, M., & Mortezaie, H. (2017). Effect of using linear multiple tuned mass dampers on concrete structures with hysteresis behavior. Journal of Vibroengineering, 19(2).

 

 

 

·         مقالات ارائه شده درکنفرانس‌های بین المللی

1.    Shooshtari, M., & Mortezaie, H. (2012). Performance Improvement of Tall Reinforced Concrete Structures with Multiple Tuned Mass Dampers (MTMD). In Proceedings of 15th World Conference on Earthquake Engineering (pp. 24-28).

2.     كمالوندي، فاطمه، محمد شوشتري، حميد مرتضايي، و مصطفي فتحي سپهوند، 1395، بهينه كردن پارامترهاي ميراگر جرمي تنظيم شونده با استفاده از الگوريتم ژنتيك، چهارمين كنگرۀ بين المللي عمران، معماري و توسعه شهري، تهران،  دبيرخانه دايمي كنفرانس، دانشگاه شهيد بهشتي، http://www.civilica.com/Paper-ICSAU04-ICSAU04_0538.html

 

·      سوابق شغلی

1.     مديرگروه طراحی هنر جاويد با زمينه فعاليت در طراحی سازه ها،طراحی معماری و معماری داخلی از سال 1386

2.     مدیرعامل شرکت مهندسی آبخوان غرب با رتبۀ 5 راه‌سازی و ابنیه (از سال 1389 تا انتهای دورۀ مدیریت در سال 1397)

3.     مدير دفتر فنی شرکت مهندسی آبخوان غرب در پروژه های زير:

·      ساخت جاده دسترسی به کارخانه سيمان نهاوند (سال 1386 تا، 1388)

·      ساخت جاده دسترسی به معدن کارخانه سيمان نهاوند سال (سال 1386 تا، 1388)

4.     تدریس دروس زیر در مقطع کارشناسی دانشگاه ملایر (از بهمن1391 تاکنون)

·         طراحی معماری

·         مهندسی زلزله

5.     تدریس دروس زیر در مقطع کارشناسی دانشگاه آزاد اسلامی واحد ملایر (خرداد1390 تاکنون)

·         مقاومت مصالح

·         بارگذاری

·         مهندسی زلزله

6.     تدریس دروس زیر در مقطع کارشناسی موسسۀ آموزش عالی عمران و توسعه (خرداد1394 تاکنون)

·         تکنولوژی بتن

·         فن‌آوری‌های نوین ساخت

7.     طراحی ، نظارت و ساخت ساختمان‌هایی با کاربری مسکونی، اداری و تجاری در شهرهای: همدان، ملایر و فیروزان

 

 

·      مهارت های نرم افزاری

 

·      دوره‌های آموزشی

 

 

·      جوایز تحصیلی و جشنواره‌ای

1.        عضو بنیاد نخبگان، استفاده از تسهیلات نظام وظیفه نخبگی (1396).

2.        عضو دفتر استعداد درخشان دانشگاه بوعلی‌سینا در مقطع دکتری (1396).