دفاعیه دکتری (مهندسی عمران - مهندسی سازه) تحلیل احتمالاتی ظرفیت لرزه ای قاب های بتن مسلح پس از آتش سوزی
| تاریخ ارسال: 1404/6/29 |
دانشجو: آقای مرتضی کمالوند
استاد راهنما: دکتر علی معصومی
زمان: ۲۹ شهریور ماه ۱۴۰۴ ساعت: ۰۹:۳۰
مکان: دانشکده فنی و مهندسی کلاس ۲۰۳
استاد راهنما: دکتر علی معصومی
زمان: ۲۹ شهریور ماه ۱۴۰۴ ساعت: ۰۹:۳۰
مکان: دانشکده فنی و مهندسی کلاس ۲۰۳
چکیده:
آتشسوزی از جمله خطرات عمدهای است که میتواند بهشدت عملکرد سازهای ساختمانهای بتنآرمه را در طول بهرهبرداری و حتی پس از پایان رویداد آتش تحتتأثیر قرار دهد. علیرغم مقاومت ذاتی بتن در برابر حرارت و پایداری اولیه آن در شرایط آتش، مطالعات تجربی و عددی نشان دادهاند که این پایداری ظاهری لزوماً به معنای حفظ عملکرد ثقلی و لرزهای سازه نیست. کاهش مقاومت مصالح، کاهش شکلپذیری و بروز آسیبهای برگشتناپذیر، منجر به افت محسوس ظرفیت باربری سازههای خسارتدیده از آتش میشود. این موضوع در مناطق با خطر بالای زلزله، که سازهها نیازمند عملکرد مناسب لرزهای هستند، از اهمیت ویژهای برخوردار است. چراکه نادیده گرفتن آثار آتشسوزی در ارزیابیهای پس از حادثه، میتواند منجر به تصمیمگیریهای نادرست در خصوص بهرهبرداری مجدد یا مقاومسازی شده و ریسک بالایی را در زلزلههای بعدی ایجاد کند. پژوهشهای پیشین عمدتاً به ارزیابی جداگانه اثر حرارت یا زلزله پرداختهاند و در موارد اندک نیز مدلسازی پسا-آتشسوزی به صورت ساده و بدون لحاظ اثرات واقعی خنکسازی و آسیبهای تجمعی مصالح انجام شده است. همچنین، در اکثر مطالعات، عدم قطعیتهای موجود در خصوص خواص مصالح، شرایط بارگذاری، و ویژگیهای حرارتی نادیده گرفته شدهاند. از اینرو، ضرورت توسعه یک چارچوب جامع و دقیق برای مدلسازی پیوسته و واقعگرایانه اثرات حرارتی و لرزهای بر رفتار سازههای بتنآرمه احساس میشود؛ چارچوبی که بتواند از طریق ترکیب روشهای عددی و آماری، تصویر بهتری از عملکرد واقعی سازه پس از آتش ارائه دهد.
در این تحقیق، با هدف پر کردن خلأهای پژوهشی موجود، از رویکردی ترکیبی شامل مدلسازی اجزای محدود (FEM) و تحلیل احتمالاتی استفاده شد. روش تحقیق به نحوی طراحی شده که شبیهسازی دقیق فرآیند حرارتی-مکانیکی را فراهم ساخته و همزمان، با بهرهگیری از روش مونتکارلو، تأثیر عدمقطعیتهای موجود بر پاسخ لرزهای سازه را نیز تحلیل میکند. بدین منظور، سه رویکرد عددی مختلف توسعه یافت: در رویکرد A۱، تنها مرحله گرمایش مدلسازی شده و اثر بیشینه دمای هر گره بهصورت مستقل در تحلیل مکانیکی لحاظ گردید. در رویکرد A۲، سیکل کامل گرمایش و سرمایش در تحلیل حرارتی در نظر گرفته شده و حداکثر دماهای گرهای توسط اسکریپتهای پایتون برآورد و از طریق سابروتین FORTRAN-UTEMPT به مدل مکانیکی منتقل شد. اما در رویکرد A۳، از تحلیل ترمو-مکانیکی جفتشده استفاده شده است که طی آن دمای گرهها بهصورت تابعی از زمان و مکان در تحلیل مکانیکی اعمال شده و آسیبهای غیرقابل بازگشت مصالح از طریق توسعه سابروتین FORTRAN-UFIELD شبیهسازی گردید.
مدلهای عددی توسعهیافته پس از صحتسنجی مرحلهبهمرحله با نتایج آزمایشگاهی، برای تحلیل رفتار طی آتشسوزی تیرها تا لحظه شکست، رفتار ستونها حین آتشسوزی و در فاز سرمایش و قابها و اتصالات بتنآرمه پس از رویداد آتشسوزی مورد استفاده قرار گرفتند. این صحتسنجیها شامل ارزیابی مقاومت نهایی، زمان شکست، توزیع دما، تغییر مکانها، انرژی جذب شده در بارگذاری سیکلی و مودهای خرابی در شرایط مختلف بارگذاری حرارتی-مکانیکی بود. در ادامه، با هدف شناسایی پارامترهای کلیدی، تحلیل حساسیت به روش تغییر یکمتغیر در هر بار (OAT) انجام شد. سپس با وارد کردن عدمقطعیتهای مربوط به خواص مصالح، ابعاد مقطع، و شرایط بار ثقلی به مدل، تحلیلهای مونتکارلو برای ارزیابی آماری پاسخهای لرزهای قاب در شرایط پس از آتش اجرا شد. این تحلیلها نشان داد که در بسیاری از شرایط، کاهش شکلپذیری، سختی و مقاومت اعضا باعث افزایش احتمال خرابی لرزهای میشود.
نتایج حاصل از این تحقیق بیانگر آن است که سادهسازی در مدلسازی حرارتی (عدم لحاظ سرمایش) میتواند به تخمینهای غیرواقعی از ظرفیت لرزهای باقیمانده منجر شود. همچنین مشخص شد که رفتار سازه در فاز سرمایش، بهویژه در اعضایی مانند ستونها که تحت بارگذاری ثقلی بالا قرار دارند، به شدت غیرخطی و وابسته به توزیع حرارت در عمق مقطع است. مدلسازی دقیق آسیبهای برگشتناپذیر مصالح در این فاز نقش تعیینکنندهای در دقت پیشبینی عملکرد دارد. در نهایت، نتایج آماری حاصل از تحلیلهای مونتکارلو این امکان را فراهم ساختند که دامنه تغییرات پاسخ لرزهای قابهای آسیبدیده از آتش مشخص شده و ظرفیت باقیمانده قاب بتنآرمه تحت زلزلههای آتی بهصورت کمی مورد ارزیابی قرار گیرد. این دادهها میتوانند مبنای توسعه پایگاه دادههای قابل استفاده در مدلهای سادهتر و نیز الگوریتمهای یادگیری ماشین قرار گیرند. بهطور کلی، این تحقیق با ارائه یک چارچوب تحلیلی نوین، گامی مؤثر در جهت درک بهتر اثرات پیچیده و ترکیبی آتشسوزی و زلزله بر سازههای بتنآرمه برداشته و افق جدیدی را در تحلیلهای عملکردی، ارزیابی ریسک و تصمیمگیری مقاومسازی پس از حریق فراهم کرده است.
کلید واژهها: قابهای بتنآرمه، عملکرد لرزهای باقیمانده، رفتار پس از آتشسوزی، خسارات برگشتناپذیر مصالح، تحلیل حساسیت، ارزیابی احتمالاتی، تحلیل قابلیت اعتماد، روش مونت کارلو
آتشسوزی از جمله خطرات عمدهای است که میتواند بهشدت عملکرد سازهای ساختمانهای بتنآرمه را در طول بهرهبرداری و حتی پس از پایان رویداد آتش تحتتأثیر قرار دهد. علیرغم مقاومت ذاتی بتن در برابر حرارت و پایداری اولیه آن در شرایط آتش، مطالعات تجربی و عددی نشان دادهاند که این پایداری ظاهری لزوماً به معنای حفظ عملکرد ثقلی و لرزهای سازه نیست. کاهش مقاومت مصالح، کاهش شکلپذیری و بروز آسیبهای برگشتناپذیر، منجر به افت محسوس ظرفیت باربری سازههای خسارتدیده از آتش میشود. این موضوع در مناطق با خطر بالای زلزله، که سازهها نیازمند عملکرد مناسب لرزهای هستند، از اهمیت ویژهای برخوردار است. چراکه نادیده گرفتن آثار آتشسوزی در ارزیابیهای پس از حادثه، میتواند منجر به تصمیمگیریهای نادرست در خصوص بهرهبرداری مجدد یا مقاومسازی شده و ریسک بالایی را در زلزلههای بعدی ایجاد کند. پژوهشهای پیشین عمدتاً به ارزیابی جداگانه اثر حرارت یا زلزله پرداختهاند و در موارد اندک نیز مدلسازی پسا-آتشسوزی به صورت ساده و بدون لحاظ اثرات واقعی خنکسازی و آسیبهای تجمعی مصالح انجام شده است. همچنین، در اکثر مطالعات، عدم قطعیتهای موجود در خصوص خواص مصالح، شرایط بارگذاری، و ویژگیهای حرارتی نادیده گرفته شدهاند. از اینرو، ضرورت توسعه یک چارچوب جامع و دقیق برای مدلسازی پیوسته و واقعگرایانه اثرات حرارتی و لرزهای بر رفتار سازههای بتنآرمه احساس میشود؛ چارچوبی که بتواند از طریق ترکیب روشهای عددی و آماری، تصویر بهتری از عملکرد واقعی سازه پس از آتش ارائه دهد.
در این تحقیق، با هدف پر کردن خلأهای پژوهشی موجود، از رویکردی ترکیبی شامل مدلسازی اجزای محدود (FEM) و تحلیل احتمالاتی استفاده شد. روش تحقیق به نحوی طراحی شده که شبیهسازی دقیق فرآیند حرارتی-مکانیکی را فراهم ساخته و همزمان، با بهرهگیری از روش مونتکارلو، تأثیر عدمقطعیتهای موجود بر پاسخ لرزهای سازه را نیز تحلیل میکند. بدین منظور، سه رویکرد عددی مختلف توسعه یافت: در رویکرد A۱، تنها مرحله گرمایش مدلسازی شده و اثر بیشینه دمای هر گره بهصورت مستقل در تحلیل مکانیکی لحاظ گردید. در رویکرد A۲، سیکل کامل گرمایش و سرمایش در تحلیل حرارتی در نظر گرفته شده و حداکثر دماهای گرهای توسط اسکریپتهای پایتون برآورد و از طریق سابروتین FORTRAN-UTEMPT به مدل مکانیکی منتقل شد. اما در رویکرد A۳، از تحلیل ترمو-مکانیکی جفتشده استفاده شده است که طی آن دمای گرهها بهصورت تابعی از زمان و مکان در تحلیل مکانیکی اعمال شده و آسیبهای غیرقابل بازگشت مصالح از طریق توسعه سابروتین FORTRAN-UFIELD شبیهسازی گردید.
مدلهای عددی توسعهیافته پس از صحتسنجی مرحلهبهمرحله با نتایج آزمایشگاهی، برای تحلیل رفتار طی آتشسوزی تیرها تا لحظه شکست، رفتار ستونها حین آتشسوزی و در فاز سرمایش و قابها و اتصالات بتنآرمه پس از رویداد آتشسوزی مورد استفاده قرار گرفتند. این صحتسنجیها شامل ارزیابی مقاومت نهایی، زمان شکست، توزیع دما، تغییر مکانها، انرژی جذب شده در بارگذاری سیکلی و مودهای خرابی در شرایط مختلف بارگذاری حرارتی-مکانیکی بود. در ادامه، با هدف شناسایی پارامترهای کلیدی، تحلیل حساسیت به روش تغییر یکمتغیر در هر بار (OAT) انجام شد. سپس با وارد کردن عدمقطعیتهای مربوط به خواص مصالح، ابعاد مقطع، و شرایط بار ثقلی به مدل، تحلیلهای مونتکارلو برای ارزیابی آماری پاسخهای لرزهای قاب در شرایط پس از آتش اجرا شد. این تحلیلها نشان داد که در بسیاری از شرایط، کاهش شکلپذیری، سختی و مقاومت اعضا باعث افزایش احتمال خرابی لرزهای میشود.
نتایج حاصل از این تحقیق بیانگر آن است که سادهسازی در مدلسازی حرارتی (عدم لحاظ سرمایش) میتواند به تخمینهای غیرواقعی از ظرفیت لرزهای باقیمانده منجر شود. همچنین مشخص شد که رفتار سازه در فاز سرمایش، بهویژه در اعضایی مانند ستونها که تحت بارگذاری ثقلی بالا قرار دارند، به شدت غیرخطی و وابسته به توزیع حرارت در عمق مقطع است. مدلسازی دقیق آسیبهای برگشتناپذیر مصالح در این فاز نقش تعیینکنندهای در دقت پیشبینی عملکرد دارد. در نهایت، نتایج آماری حاصل از تحلیلهای مونتکارلو این امکان را فراهم ساختند که دامنه تغییرات پاسخ لرزهای قابهای آسیبدیده از آتش مشخص شده و ظرفیت باقیمانده قاب بتنآرمه تحت زلزلههای آتی بهصورت کمی مورد ارزیابی قرار گیرد. این دادهها میتوانند مبنای توسعه پایگاه دادههای قابل استفاده در مدلهای سادهتر و نیز الگوریتمهای یادگیری ماشین قرار گیرند. بهطور کلی، این تحقیق با ارائه یک چارچوب تحلیلی نوین، گامی مؤثر در جهت درک بهتر اثرات پیچیده و ترکیبی آتشسوزی و زلزله بر سازههای بتنآرمه برداشته و افق جدیدی را در تحلیلهای عملکردی، ارزیابی ریسک و تصمیمگیری مقاومسازی پس از حریق فراهم کرده است.
کلید واژهها: قابهای بتنآرمه، عملکرد لرزهای باقیمانده، رفتار پس از آتشسوزی، خسارات برگشتناپذیر مصالح، تحلیل حساسیت، ارزیابی احتمالاتی، تحلیل قابلیت اعتماد، روش مونت کارلو
مطالب مشابه
دفعات مشاهده: 32 بار |
دفعات چاپ: 15 بار |
دفعات ارسال به دیگران: 0 بار |
0 نظر