پیشرفت روز افزون علم مهندسی زلزله و تجربیات زلزله های مختلف گواه بر پیچیده بودن رفتار سازه ها در برابر لرزشهای زلزله هستند. و به تبع آن، گویای آن هستند که عواملی که در طراحی و ساخت موفق یک سازه دخالت دارند ، متعددند. برای تحلیل دینامیکی سازه ها لازم است که خصوصیات دینامیکی آن مانند پریدهای طبیعی ارتعاشی، شکل مد، جذب انرژی و حد تسلیم سازه در دسترس باشد. عمده پارامترهای مطلوب و مورد نظر عبارتند از پریدهای طبیعی ارتعاش تمام مدهای مهم و شکل مدهای متناظر با آن و مقدار جذب انرژی یا میرایی متناظر با هر مد. در میان روشهای مختلف آزمایشات دینامیکی بر روی سازه ها، روش ارتعاش محیطی روشی مناسب و عملی برای تعیین خصوصیات دینامیکی سازه ها می باشد. ارتعاشاتی ناشی از عوامل طبیعی همچون لرزه های بسیارخفیف زمین، باد و ترافیک باعث می شوند که سازه در مدهای مختلف به ارتعاش در آید. با اندازه گیری پاسخ سازه در برابر این ارتعاشات و تحلیل آنها می توان خصوصیات دینامیکی سازه را بدون نیاز به لرزاننده های بزرگ و قوی بدست آورد. در این پایان نامه سعی شده تا روشهای مختلف شناسایی سیستم با بکارگیری رکوردهای ارتعاش محیطی ساختمانها مورد بررسی قرار گیرد و قابلیت آنها در تعیین پارامترهای دینامیکی مورد ارزیابی قرار گیرد. هدف اصلی این پایان نامه معرفی و بررسی روشهای شناسایی پارامترهای مودال (فرکانسهای طبیعی، نسبتهای میرایی و شکلهای مدی) ساختمانها با استفاده از رکوردهای ارتعاش محیطی آنها بوده است. در این راستا روشهای چهار طیفی، مک وری، جستار قله و زیر فضای تصادفی مورد توجه قرار گرفته اند. روش چهار طیفی بر مبنای استفاده از طیف چگالی توان نگاشت ثبت شده در نقاط مختلف سازه استوار است. در این روش جهت شناسایی مدهای ارتعاشی و اشکال مدی از طیف چگالی توان متقاطع، طیف ارتباط و طیف فاز متقاطع، بین نقاط مختلف سازه و نقطه مرجع و جهت تعیین میرایی های مدی از روش پهنای باند نیم توان استفاده می شود. در روش مک وری رفتار سازه دو بعدی و خطی با میرایی متناسب فرض می شود. در این روش با داشتن شتابنگاشت پایه و شتابنگاشت طبقه هم جهت با آن، می توان پارامترهای مدی حاکم در پاسخ سازه را شناسایی نمود. این روش بر اساس کمینه سازی معیار عدم انطباق تبدیل فوریه شتاب مطلق مدل محاسباتی با تبدیل فوریه شتاب اندازه گیری شده در نقاط مختلف ساختمان استوار است که با استفاده از آن برای هر مد، پنج پارامتر شناسایی می گردد که این پارامترها شامل فرکانس مدی، ضریب میرایی مدی، ضریب مشارکت مدی مربوط به آن طبقه، تفاضل سرعت مدی انتهای رکورد از ابتدای رکورد و تفاضل تغییر مکان مدی انتهای رکورد از ابتدای رکورد می باشند. در روش جستار قله برای تعیین فرکانسهای طبیعی سیستم از نمودار چگالی طیفی توان PSD استفاده می شود. و برای در نظر گرفتن اثر تمامی حسگرهایی که بر روی سازه قرار دارند و ارتعاشات سازه را ثبت می کنند از قله های نمودار میانگین نرمال شده چگالی های طیفی توانی ANPSD استفاده می شود. همچنین جهت جداکردن فرکانسهای طبیعی سازه از سایر فرکانسها از تابع همبستگی و زاویه فاز استفاده می شود. در این روش برای تعیین شکل مد و میرایی از تابع پاسخ فرکانسی در فرکانسهای طبیعی سازه و روش پهنای باند نیم توان استفاده می شود. روش زیر فضای تصادفی روشی کامل در حوزه زمان و بسیار دقیق می باشد. که بر مبنای روشهای پیشرفته ریاضی استوار است و قادر به شناسایی فرکانسها و میرایی های سازه با دقت بالا می باشد. سازه های مورد آزمایش در این تحقیق عبارت بودند از الف) ساختمان مرکزی بانک صادرات ایران (برج سپهر): این ساختمان با بیش از ۵۳۰۰۰ مترمربع زیر بنا در ۳۲ طبقه و به ارتفاع ۱۰۰/۵ متر، در حال حاضر یکی از بلندترین برجهای در حال استفاده ایران می باشد. ب) بلوک شرقی ساختمان پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله: این ساختمان با اسکلت فلزی، دارای ۶ طبقه بانضمام دو طبقه زیر زمین و یک نیم طبقه به اسم اطاقک هواساز است که ارتفاع بلند ترین نقطه آن از سطح زمین ۲۶/۱۸ متر و از روی پی ۳۴/۱۸ متر می باشد. ج) سازه چهار طبقه با مقیاس½ با اتصالات خورجینی: مدل مزبور، به ارتفاع ۶ متر و دارای پلان مستطیلی به ابعاد ۲/۴×۳/۷ متر می¬باشد. پلان ساختمان در جهت عرضی دارای دو دهانه ۱/۲۰ متری و در جهت طولی دارای دو دهانه ۱/۸۵ متری است. همچنین هر طبقه از مدل دارای ارتفاع ۱/۵ متر می باشد. با استفاده از روشهای شناسایی مذکور پارامترهای دینامیکی (فرکانسهای ارتعاشی، میرایی مدی و اشکال مدی) ساختمانهای مشروحه برای یازده مد اول ارتعاشی برج سپهر، چهار مد اول ارتعاشی راستای شرقی- غربی (جهت اتصالات خورجینی) مدل ½ و پارامترهای مربوط به شش مد ارتعاشی بلوک شرقی ساختمان پژوهشگاه بدست آمد. شایان ذکر است برای سازه مدل ½ علاوه بر روشهای مذکور از آزمایش ضربه و مدل کامپیوتری نیز جهت تعیین پارامترهای دینامیکی بهره برده ایم. نتایج شناسایی بدست آمده از روشهای فوق الذکر نشان داد که فرکانسهای حاصله اختلاف ناچیزی با یکدیگر داشتند. اما میرایی های بدست آمده از روشهای مختلف با یکدیگر بسیار متفاوت بودند. و در روش مک وری در پاره ای از موارد به میرایی منفی نیز منجر گردید. علت اختلاف زیاد میرایی های بدست آمده از روشهای مختلف می تواند ناشی از مکانیزم پیچیده میرایی باشد که علی رغم پیچیدگی زیاد آن در دینامیک سازه ها برای سادگی کار، میرایی از نوع ویسکوز و متناسب با سرعت در نظر گرفته می شود. همچنین در روش مک وری، با فرض ورودی مشخص که همان ارتعاشات پای ساختمان در نظر گرفته می شود، پارامترهای مدی شناسایی می شود در حالی که در مورد ارتعاشات محیطی این مسئله ممکن است کاملا صادق نباشد.
ارزیابی روشهای مختلف شناسایی سیستم با بکارگیری رکوردهای ارتعاش محیطی ساختمانها/حسان مسعود
/توسط Arash Eslamiپیشرفت روز افزون علم مهندسی زلزله و تجربیات زلزله های مختلف گواه بر پیچیده بودن رفتار سازه ها در برابر لرزشهای زلزله هستند. و به تبع آن، گویای آن هستند که عواملی که در طراحی و ساخت موفق یک سازه دخالت دارند ، متعددند. برای تحلیل دینامیکی سازه ها لازم است که خصوصیات دینامیکی آن مانند پریدهای طبیعی ارتعاشی، شکل مد، جذب انرژی و حد تسلیم سازه در دسترس باشد. عمده پارامترهای مطلوب و مورد نظر عبارتند از پریدهای طبیعی ارتعاش تمام مدهای مهم و شکل مدهای متناظر با آن و مقدار جذب انرژی یا میرایی متناظر با هر مد. در میان روشهای مختلف آزمایشات دینامیکی بر روی سازه ها، روش ارتعاش محیطی روشی مناسب و عملی برای تعیین خصوصیات دینامیکی سازه ها می باشد. ارتعاشاتی ناشی از عوامل طبیعی همچون لرزه های بسیارخفیف زمین، باد و ترافیک باعث می شوند که سازه در مدهای مختلف به ارتعاش در آید. با اندازه گیری پاسخ سازه در برابر این ارتعاشات و تحلیل آنها می توان خصوصیات دینامیکی سازه را بدون نیاز به لرزاننده های بزرگ و قوی بدست آورد. در این پایان نامه سعی شده تا روشهای مختلف شناسایی سیستم با بکارگیری رکوردهای ارتعاش محیطی ساختمانها مورد بررسی قرار گیرد و قابلیت آنها در تعیین پارامترهای دینامیکی مورد ارزیابی قرار گیرد. هدف اصلی این پایان نامه معرفی و بررسی روشهای شناسایی پارامترهای مودال (فرکانسهای طبیعی، نسبتهای میرایی و شکلهای مدی) ساختمانها با استفاده از رکوردهای ارتعاش محیطی آنها بوده است. در این راستا روشهای چهار طیفی، مک وری، جستار قله و زیر فضای تصادفی مورد توجه قرار گرفته اند. روش چهار طیفی بر مبنای استفاده از طیف چگالی توان نگاشت ثبت شده در نقاط مختلف سازه استوار است. در این روش جهت شناسایی مدهای ارتعاشی و اشکال مدی از طیف چگالی توان متقاطع، طیف ارتباط و طیف فاز متقاطع، بین نقاط مختلف سازه و نقطه مرجع و جهت تعیین میرایی های مدی از روش پهنای باند نیم توان استفاده می شود. در روش مک وری رفتار سازه دو بعدی و خطی با میرایی متناسب فرض می شود. در این روش با داشتن شتابنگاشت پایه و شتابنگاشت طبقه هم جهت با آن، می توان پارامترهای مدی حاکم در پاسخ سازه را شناسایی نمود. این روش بر اساس کمینه سازی معیار عدم انطباق تبدیل فوریه شتاب مطلق مدل محاسباتی با تبدیل فوریه شتاب اندازه گیری شده در نقاط مختلف ساختمان استوار است که با استفاده از آن برای هر مد، پنج پارامتر شناسایی می گردد که این پارامترها شامل فرکانس مدی، ضریب میرایی مدی، ضریب مشارکت مدی مربوط به آن طبقه، تفاضل سرعت مدی انتهای رکورد از ابتدای رکورد و تفاضل تغییر مکان مدی انتهای رکورد از ابتدای رکورد می باشند. در روش جستار قله برای تعیین فرکانسهای طبیعی سیستم از نمودار چگالی طیفی توان PSD استفاده می شود. و برای در نظر گرفتن اثر تمامی حسگرهایی که بر روی سازه قرار دارند و ارتعاشات سازه را ثبت می کنند از قله های نمودار میانگین نرمال شده چگالی های طیفی توانی ANPSD استفاده می شود. همچنین جهت جداکردن فرکانسهای طبیعی سازه از سایر فرکانسها از تابع همبستگی و زاویه فاز استفاده می شود. در این روش برای تعیین شکل مد و میرایی از تابع پاسخ فرکانسی در فرکانسهای طبیعی سازه و روش پهنای باند نیم توان استفاده می شود. روش زیر فضای تصادفی روشی کامل در حوزه زمان و بسیار دقیق می باشد. که بر مبنای روشهای پیشرفته ریاضی استوار است و قادر به شناسایی فرکانسها و میرایی های سازه با دقت بالا می باشد. سازه های مورد آزمایش در این تحقیق عبارت بودند از الف) ساختمان مرکزی بانک صادرات ایران (برج سپهر): این ساختمان با بیش از ۵۳۰۰۰ مترمربع زیر بنا در ۳۲ طبقه و به ارتفاع ۱۰۰/۵ متر، در حال حاضر یکی از بلندترین برجهای در حال استفاده ایران می باشد. ب) بلوک شرقی ساختمان پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله: این ساختمان با اسکلت فلزی، دارای ۶ طبقه بانضمام دو طبقه زیر زمین و یک نیم طبقه به اسم اطاقک هواساز است که ارتفاع بلند ترین نقطه آن از سطح زمین ۲۶/۱۸ متر و از روی پی ۳۴/۱۸ متر می باشد. ج) سازه چهار طبقه با مقیاس½ با اتصالات خورجینی: مدل مزبور، به ارتفاع ۶ متر و دارای پلان مستطیلی به ابعاد ۲/۴×۳/۷ متر می¬باشد. پلان ساختمان در جهت عرضی دارای دو دهانه ۱/۲۰ متری و در جهت طولی دارای دو دهانه ۱/۸۵ متری است. همچنین هر طبقه از مدل دارای ارتفاع ۱/۵ متر می باشد. با استفاده از روشهای شناسایی مذکور پارامترهای دینامیکی (فرکانسهای ارتعاشی، میرایی مدی و اشکال مدی) ساختمانهای مشروحه برای یازده مد اول ارتعاشی برج سپهر، چهار مد اول ارتعاشی راستای شرقی- غربی (جهت اتصالات خورجینی) مدل ½ و پارامترهای مربوط به شش مد ارتعاشی بلوک شرقی ساختمان پژوهشگاه بدست آمد. شایان ذکر است برای سازه مدل ½ علاوه بر روشهای مذکور از آزمایش ضربه و مدل کامپیوتری نیز جهت تعیین پارامترهای دینامیکی بهره برده ایم. نتایج شناسایی بدست آمده از روشهای فوق الذکر نشان داد که فرکانسهای حاصله اختلاف ناچیزی با یکدیگر داشتند. اما میرایی های بدست آمده از روشهای مختلف با یکدیگر بسیار متفاوت بودند. و در روش مک وری در پاره ای از موارد به میرایی منفی نیز منجر گردید. علت اختلاف زیاد میرایی های بدست آمده از روشهای مختلف می تواند ناشی از مکانیزم پیچیده میرایی باشد که علی رغم پیچیدگی زیاد آن در دینامیک سازه ها برای سادگی کار، میرایی از نوع ویسکوز و متناسب با سرعت در نظر گرفته می شود. همچنین در روش مک وری، با فرض ورودی مشخص که همان ارتعاشات پای ساختمان در نظر گرفته می شود، پارامترهای مدی شناسایی می شود در حالی که در مورد ارتعاشات محیطی این مسئله ممکن است کاملا صادق نباشد.