محمد رشید سلیمی

شناخت و مدل‌سازی نیروی زمین‌لرزه و نحوه‌ی اعمال آن به سازه‌ها همواره مورد توجه محققان در طول سالیان بوده است. در برخی از آیین‌نامه‌های بارگذاری و همچنین استاندارد 2800، جهت معرفی زمین‌لرزه سطح طراحی از یک احتمال فراگذشت ثابت برای تمام دوره تناوب‌های سازه‌ای که تحت عنوان رویکرد خطر یکنواخت شناخته می‌شود، استفاده شده است. در رویکرد خطر یکنواخت، شاخص خطرپذیری با استفاده از پیشینه‌ی لرزه‌خیزی منطقه و با انجام محاسبات تحلیل خطر لرزه‌ای احتمالاتی محاسبه می‌شود. این شاخص‌ها برای تمامی سازه‌ها با مشخصات سازه‌ای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. بر اساس این تفکر، سازه‌های طراحی شده واقع در یک ناحیه با خطرپذیری یکسان، با وجود یکنواخت بودن خطر لرزه‌ای منطقه، ریسک خرابی یکسانی جاصل نمی‌دهند. از این رو، در چند سال اخیر، تفکرات نوین حاکم بر آیین‌نامه‌های بارگذاری معتبر بین‌المللی به سمت رویکردهای مبتنی بر ریسک هدف جهت معرفی زمین‌لرزه‌های سطح طراحی شده‌اند. در این رویکرد جدید اثرات سیستم‌های سازه‌ای مختلف نیز در روند محاسبات وارد شده و تحلیل خطر لرزه‌ای احتمالاتی در آن با هدف احتمال فروریزش ثابت برای تمامی سازه‌های منطقه با هر نوع مشخصات سازه‌ای مختلف انجام می‌گیرد. از این رو، به‌روزرسانی آیین‌نامه‌های بارگذاری لرزه‌ای جهت دستیابی به یک ریسک قابل قبول و طراحی بهینه سازه‌های مهندسی امری ضروری به نظر می‌رسد. در این راستا، در این پایان‌نامه سعی شده است با بکارگیری رویکرد تحلیل خطر احتمالاتی مبتنی بر ریسک برای یک ناحیه مطالعاتی مشخص شاخص خطرپذیری (به طور مثال شتاب طیفی) محاسبه گردد. ناحیه مورد مطالعه در این پایان‌نامه شهر تهران به عنوان پایتخت سیاسی، اقتصادی ایران و بزرگترین شهر پرجمعیت کشور که در مجاورت گسل‌های فعال قرار دارد، در نظر گرفته شده است. در روند محاسبات تحلیل خطر لرزه‌ای احتمالاتی مبتنی بر رویکرد ریسک یکنواخت، شناخت گسل‌های منطقه و تاثیر آن‌ها در تخمین زمین‌لرزه‌های آینده بسیار حائز اهمیت می‌باشد. بیشتر مطالعات انجام شده در زمینه ارزیابی خطر مبتنی بر ریسک هدف، از روش های کلاسیک که اثرات حوزه نزدیک گسل را در برآورد منحنی خطر منطقه لحاظ نمی‌کنند، بهره گرفته‌اند. این امر برای مناطق حوزه نزدیک بالاخص برای سازه‌های با دوره تناوب بالا به برآورد نیروی کمتری منتج می‌شود. بنابراین، در این پژوهش با توجه به قرار گرفتن شهر تهران در مجاورت گسل‌های فعال، اثرات حوزه نزدیک گسل در روند محاسبات ریسک یکنواخت لحاظ شده‌است. از دیگر مولفه‌های مهم در رویکرد ریسک یکنواخت، انتخاب مناسب پارامترهای ظرفیت فروریزش سازه‌های متفاوت در مناطق مختلف لرزه‌ای می‌باشد. در این پایان‌نامه شاخص خطرپذیری مبتنی بر ریسک هدف برای ساختمان‌های قرار گرفته در مناطق سطح ریسک I و II مطابق آیین‌نامه ASCE7-22 برای 5 دوره تناوب ارتعاشی مختلف و 3 انحراف‌معیار متفاوت برای توزیع لگ-نرمال ظرفیت فروریزش برآورد شده‌است. نتایج حاصل از این تحلیل‌ها نشان می‌دهد با افزایش عدم قطعیت ظرفیت فروریزش در هر دوره تناوب، ضریب تبدیل شتاب طیفی‌های مبتنی بر رویکرد خطر یکنواخت به رویکرد ریسک یکنواخت روند افزایش دارد. همچنین نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که تغییرات عدم قطعیت ظرفیت فروریزش با افزایش دوره تناوب روی میزان تغییرات شتاب طیفی طراحی مبتنی بر ریسک هدف، روند کاهشی دارد. در این تحقیق همچنین برای ساختمان‌های قرار گرفته در مناطق سطح ریسک III و IV برای دو دوره تناوب 2/0 و 1 ثانیه و انحراف معیارهای 6/0 و 8/0 پهنه‌بندی لرزه‌ای مبتنی بر ریسک هدف برای تهران برآورد شده‌است.

در این تحقیق روشی برای شبیه‌سازی زمین‌لرزه شبه پالس با استفاده از پیش‌بینی مشخصات آنی و پالس زمین‌لرزه پیشنهاد شده است. روش پیشنهادی بر اساس فرایند زمان فرکانس معرفی شده است که برای در نظر گرفتن مشخصات غیر ایستای زمین‌لرزه ضروری است. در این روش شبیه‌سازی از تبدیل هیلبرت و تبدیل موجک ایستا استفاده شده که ترکیب این دو، یعنی تبدیل هیلبرت بر پایه موجک، مشخصات غیر ایستای زمین‌لرزه را حفظ می‌کند. در ابتدا تبدیل موجک ایستا برای تجزیه زلزله دور از گسل به یک سری از زیرباندهای فرکانسی استفاده می‌شود و سپس فرکانس‌های آنی و دامنه‌های آنی با اعمال تبدیل هیلبرت روی هریک از زیرباندهای فرکانسی به دست می‌آیند. با ثابت نگه داشتن فرکانس‌های آنی و تشدید کردن دامنه‌های آنی زلزله دور از گسل، مشخصات آنی زمین‌لرزه‌های شبه پالس بدست می‌آید. با استفاده از روابط پیش‌بینی پالس و استفاده از مشخصات لرزه‌شناختی منطقه و گسل موردنظر و در نهایت با استفاده از تبدیلات معکوس هیلبرت و موجک فرآیند شبیه‌سازی زلزله شبه پالس تکمیل می‌شود. در این مطالعه از چند رکورد ثبت شده در زلزله نورثریج 1994 برای بررسی کارآمد بودن این روش شبیه‌سازی استفاده شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد روش پیشنهادی به خوبی مشخصات اصلی زلزله ثبت شده را در بر ‌می‌گیرد.

یکی از موضوعات مهم در مهندسی زلزله بر اساس عملکرد، برآورد دقیق آماره های پاسخ سیستم های غیرخطی تحت تحریک های لرزه ای شدید می باشد. در این مطالعه، اثرات حوزه نزدیک گسل مندرج در آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله (استاندارد 2800، ویرایش چهارم) روی پاسخ غیرخطی سیستم های یک درجه آزادی با رفتار هیسترزیس دوخطی بررسی می گردد. اثرات حوزه نزدیک در استاندارد 2800 تحت عنوان ضریب اصلاح طیفی "N" برای مناطق لرزه خیزی مختلف ارائه شده است. در این پژوهش ساختگاه سیستم های در نظر گرفته شده روی خاک های نوع دو و چهار و بر پهنه با لرزه خیزی خیلی زیاد فرض می گردد. جهت ارزیابی اثرات حوزه نزدیک روی پارامترهای معادل از روش خطی سازی آماری مرتبه سوم استفاده می شود. همچنین به منظور تخمین پاسخ سیستم های غیرخطی، روش های خطی سازی مرتبه دوم و سوم به کار برده شده اند. برای دستیابی به اهداف تحقیق، لازم است که تحریک ورودی به عنوان یک فرآیند تصادفی شبه مانا سازگار با طیف طراحی الاستیک هدف نمایش داده شود. در این راستا، از یک روش عددی موثر در حوزه فرکانس ارتعاشات تصادفی برای تعیین طیف توان سازگار با طیف پاسخ استفاده می شود. پس از محاسبه پارامترهای معادل مربوط به روش های خطی سازی، از تئوری ارتعاشات تصادفی (RVT) و تحلیل های تاریخچه زمانی (THA) خطی جهت محاسبه پاسخ سیستم های خطی معادل استفاده می گردد. به منظور اعتبارسنجی نتایج، مقادیر پاسخ به دست آمده از روش های خطی سازی معادل برای هر دو رویکرد THA) و (RVTبا نتایج تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی (NTHA) مقایسه می شوند. برای این منظور از 250 رکورد نامانای مصنوعی سازگار با دو حالت طیف هدف جهت ارائه برآوردهای مطلوب از بیشینه پاسخ سیستم های هیسترزیس دوخطی استفاده می شود. رکوردهای مصنوعی با استفاده از روش های شبیه سازی در زمینه ارتعاشات تصادفی با در نظر گرفتن توابع پوش و چگالی طیف توان مشخص تولید شده اند. با توجه به نتایج این مطالعه، روش خطی سازی مرتبه دوم از دقت کافی در برآورد پاسخ سیستم های غیرخطی تحت تحریک های شدید برخوردار نمی باشد. در روش خطی سازی مرتبه دوم با افزایش دوره تناوب، شکل پذیری و درجه غیرخطی سیستم ها، اختلاف بین نتایج سیستم خطی معادل و نتایج NTHA افزایش می یابد. از سوی دیگر، مطابقت مطلوب نتایج خطی سازی مرتبه سوم با نتایج NTHA ، نشان دهنده کارایی بالای این روش در تخمین پاسخ سیستم های غیرخطی تحت تحریکات حوزه نزدیک گسل می باشد.

پیش بینی زمین لرزه بر حسب مکان، زمان و بزرگا در مناطق لرزهخیز به خاطر پیچیدگی و درک ناقص از مکانیزم پدید آمدن این رویداد طبیعی همواره یکی از دغدغههای جامعه مهندسی بوده است. با این حال، امکان تخمین لرزهخیزی مناطق مختلف با استفاده از مدلهای تعینی و احتمالاتی فراهم می باشد. در این راستا ،روشهای گوناگونی به منظور تحلیل خطرپذیری لرزهای که هدف از آن تعیین احتمال بلند مدت رویداد زمین لرزه می باشد ،توسعه یافتهاند. اساس کار بیشتر روش های توسعه یافته ،مبتنی بر روش کلاسیک تحلیل خطر ارائه شده توسط کرنل و مکگایر می باشد که در آن تخمین شاخص خطرپذیری وابستگی شدید به انتخاب روابط کاهندگی مناسب دارند .از آنجا که انتخاب روابط کاهندگی مناسب از منابع اصلی بروز عدم قطعیتها در تخمین خطرپذیری یک ناحیه می باشد ،بنابراین توسعه روش های مستقل از این روابط منجر به تخمین دقیق تر خطرپذیری خواهند شد .به این منظور، در این پایان نامه روشی مبتنی بر مدیریت موجودی جهت تعیین خطرپذیری برای یک ساختگاه فرضی ارائه شده است. در روش تحلیل خطر مبتنی بر مدیریت موجودی ،دادههای مربوط به رخدادهای زمین لرزه به وسیلهی علم مدیریت موجودی به گونهای طبقهبندی می شود که عدمقطعیت مربوط به مرحله انتخاب رابطهی کاهندگی حذف خواهد شد و از طرف دیگر ،امکان تعیین خطرپذیری نسبت به معیارهای مختلف شدت امکان پذیرخواهدشد. در روش تحلیل خطر بر اساس مدیریت موجودی در انتخاب معیارشدت آزادی عمل بیشتری نسبت به سایر روش های تحلیل خطر وجود دارد .اما باید یک پایگاه دادهی قابلقبولی از نگاشتهای منطقه وجود داشته باشد بهگونهای که مناسب معیارشدت موردنظر باشد .از دیگر مزیتهای روش تحلیل خطر براساس مدیریت موجودی ارائه نگاشت های متنوع متناظر با سطوح مختلف لرزهای می باشد .در این روش بر خلاف سایر روش های تحلیل خطر ،نگاشت های متناظر با سطوح مختلف لرزه ای با استفاده از رویکرد تفکیک خطر لرزه ای به صورت مستقیم و بدون وابسته به روش های انتخاب رکورد ،از پایگاه داده های طبقه بندی شده استخراج خواهند شد .نتایج تحلیل خطر بدست آمده برای ساختگاه فرضی نشان می دهد که منحنی های خطر ترسیم شده بر اساس دو روش تحلیل خطر کلاسیک و تحلیل خطر براساس مدیریت موجودی ،تطابق خوبی با همدیگر دارند.

هدف از این پژوهش، توسعه منحنی شکست سازه ها بر مبنای قابلیت اطمینان، با به کارگیری رویکردهای احتمالاتی در برآورد پاسخ های غیرخطی تحت تحریکات تصادفی می باشد. به منظور ارزیابی احتمال خرابی سازه ها، رویکرد احتمال اندیشانه تحریکات شبیه سازی شده ی زمین با روش های ارتعاشات تصادفی ترکیب می گردد. فرمول بندی احتمال خرابی سازه ها با استفاده از تئوری ارتعاشات تصادفی و بر اساس اطلاعات محتوای فرکانسی تحریکات ورودی، نقش مهمی در ارزیابی سازه ها برای مناطقی که با کمبود رکوردهای ثبت شده مواجه هستند، ایفا می کند. در این مطالعه اثر محتوای فرکانسی زمین لرزه ها بر روی احتمال خرابی سازه ها برای سطوح مختلف رفتار غیرخطی سیستم های یک درجه آزادی، مورد بررسی قرار گرفته است. رکوردهای تولیدی براساس نتایج تحلیل خطر احتمالاتی برای یک منطقه ی فرضی شبیه سازی شده اند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که سناریو مودال ارائه شده توسط تحلیل ریسک ممکن است با نتایج به دست آمده از تفکیک خطر لرزه ای متفاوت باشد. همچنین در این مطالعه، بر اساس مفاهیم تفکیک خطر لرزه ای و قابلیت اطمینان سازه ها، رویکرد تفکیک خطر نیاز لرزه ای سازه ها (DPSDA) توسعه داده شده است. خروجی DPSDA اطلاعاتی درباره ی رخدادهای مسبب در ارتباط با سطح عملکرد سازه ها را برای مهندسین فراهم می کند. نتایج DPSDAبرای سه حالت سناریوی مودال، بدترین سناریو و وزن دهی سناریوها بر اساس نتایج تفکیک خطر لرزه ای، محاسبه شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که احتمال فراگذشت سالیانه ی نیاز لرزه ای، متاثر از انتخاب سناریو می باشد. اما شکل کلی نتایج تفکیک خطر نیاز لرزه ای سازه ها در هر سه حالت در نظر گرفته شده، تقریباً یکسان می باشد.

در مهندسی سازه همواره با مسائلی که دربرگیرنده متغیرها و فرآیندهای تصادفی و غیرقابل پیش بینی می باشند، روبه رو هستیم. در این موارد تحلیل احتمالاتی به عنوان یک رویکرد منطقی در رویارویی با این مسائل می باشد. هدف این پایان نامه ارزیابی احتمالاتی پاسخ غیرخطی لرزه ای سیستم های SDOF با در نظر گرفتن رفتار دوخطی تابع سختی می باشد. پاسخ غیرخطی با استفاده از معادلات فوکر-پلانک مانا بدست می آید. معادلات فوکر-پلانک مانا برای سیستم های تحت تحریک نویز سفید گوسین جهت ارزیابی احتمالاتی پاسخ دینامیکی کاربرد دارد. عدم قطعیتهای موجود در بارهای محیطی، خصوصیات مصالح یا رواداری های ساخت و ساز ه می توانند بر روی پراکندگی پاسخ تاثیر بگذارند. در این مطالعه به ارزیابی اثر این عدم قطعیت ها بر روی پاسخ سازه های SDOF پرداخته شده است که این کار با استفاده از تحلیل حساسیت صورت گرفته است. روش های مختلفی جهت تحلیل حساسیت توسعه داده شده است که در این کار از روش تحلیل حساسیت بر مبنای تجزیه واریانس ها که از نوع تحلیل حساسیت کلی بشمار می رود، استفاده شده است. در تحلیل حساسیت بر مبنای واریانس از روش شبیه سازی مونت کارلو جهت ارزیابی پراکندگی پارامترها و تعیین شاخص حساسیت استفاده شده است. نتایج تحلیل حساسیت نشان می دهد که اثر عدم قطعیت پارامترهای تحریک ورودی دارای بیشترین اثر و عدم قطعیت پارمترهای مدل در پراکندگی پاسخ غیرخطی اثر قابل ملاحظه ای دارد.