نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

تحلیل شکنندگی و ظرفیت فروریزش قاب‌های خمشی ویژه فولادی مجهز به جداساز هسته سربی با رویکرد طراحی مبتنی بر عملکرد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی سازه، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
چکیده
زمینۀ پژوهش: محدودیت‌های طراحی لرزه‌ای مبتنی بر نیرو در کنترل تغییرشکل و فروریزش سازه، به‌ویژه تحت زلزله‌های شدید، ضرورت استفاده از رویکردهای نوین را افزایش داده است. قاب‌های خمشی ویژۀ فولادی، باوجود شکل‌پذیری مناسب، در این شرایط با دریفت بین‌طبقه‌ای زیاد و دوران غیرخطی مفاصل پلاستیک مواجه می‌شوند. جداسازهای هسته سربی (LRB) می‌توانند با کاهش تقاضای لرزه‌ای، ایمنی سازه را بهبود بخشند. این پژوهش اثربخشی جداسازهای هسته سربی را در ارتقای رفتار لرزه‌ای و ظرفیت فروریزش قاب‌های خمشی ویژۀ فولادی، در چارچوب طراحی مبتنی بر عملکرد، بررسی می‌کند.
روش پژوهش: قاب‌های خمشی ویژۀ فولادی ۳، ۶ و ۹ طبقه در دو حالت جداسازی‌شده و پایه ثابت، با رویکرد مبتنی بر عملکرد، طراحی و ارزیابی شدند. پاسخ سازه در سطوح عملکرد قابلیت استفادۀ بی‌وقفه، ایمنی جانی و پیش‌گیری از فروریزش، با استفاده از تحلیل‌های استاتیکی و تاریخچه زمانی غیرخطی بررسی شد. تحلیل دینامیکی افزاینده با رکوردهای منتخب حرکات زمین، مقیاس‌شده و منطبق با طیف طرح استاندارد ۲۸۰۰ در سطوح زلزلۀ طرح و حداکثر، انجام گرفت. دریفت طبقات، دوران پلاستیک تیرها و ستون‌ها، شکنندگی لرزه‌ای، احتمال فروریزش، نسبت حاشیۀ فروریزش (CMR) و نسبت حاشیۀ فروریزش اصلاح‌شده (ACMR) مطابق معیارهای FEMA P695، ملاک‌های اصلی ارزیابی بودند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد استفاده از جداسازهای LRB، تقاضای دریفت طبقات و چرخش پلاستیک تیرها و ستون‌ها را در هر سه سطح عملکردی مذکور به‌طور محسوسی کاهش می‌دهد. قاب‌های جداسازی‌شده در مقایسه با نمونه‌های پایه ثابت، شکنندگی لرزه‌ای و احتمال فروریزش کم‌تری نشان دادند. افزایش مقادیر CMR و ACMR در تمامی مدل‌های جداسازی‌شدۀ ۳، ۶ و ۹ طبقه، بیانگر بهبود ظرفیت فروریزش سازه است. اثرات مثبت جداسازی در قاب‌های کوتاه‌مرتبه با دوره تناوب کوتاه، بارزتر بود؛ بااین‌حال در سازه‌های بلندتر نیز بهبود قابل‌توجهی مشاهده شد. سیستم‌های جداسازی‌شده، به‌ویژه تحت زلزله‌های شدید و زمین‌لرزه‌های نزدیک گسل، پاسخ لرزه‌ای یکنواخت‌تر و پراکندگی کم‌تری را در رکوردها نشان دادند.
نتیجه‌گیری: جداسازی با استفاده از جداسازهای LRB راهکاری مؤثر و قابل‌اعتماد برای بهبود عملکرد لرزه‌ای قاب‌های خمشی ویژۀ فولادی است. این سیستم با کاهش تقاضای تغییرشکل و دوران پلاستیک، کاهش شکنندگی و احتمال فروریزش و افزایش ظرفیت فروریزش، می‌تواند ایمنی و تاب‌آوری قاب‌های فولادی را در چارچوب طراحی لرزه‌ای مبتنی بر عملکرد به‌طور چشم‌گیری ارتقا دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Fragility and Collapse Capacity Analysis of Steel Special Moment Frames Equipped with Lead Rubber Bearings Using a Performance-Based Design Approach

نویسندگان English

Reza Noor Dokht 1
Changiz Gheyratmand 2
1 Master's Student in Structural Engineering, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده English

Background: Conventional force-based seismic design may not adequately control structural damage, excessive deformation, and collapse, particularly under severe earthquakes. Despite their adequate ductility, steel special moment-resisting frames may experience considerable interstory drift and plastic-hinge rotations during ground motions. Therefore, the use of seismic isolation systems, such as Lead Rubber Bearings (LRBs), can be an effective approach for improving structural performance and reducing collapse vulnerability. This study investigates the effectiveness of LRB isolators in enhancing the seismic behavior and collapse capacity of steel special moment-resisting frames.
Methods: Three, six, and nine-story steel special moment-resisting frames were designed and evaluated in isolated and fixed-base configurations using a performance-based seismic design framework. Nonlinear static and nonlinear time-history analyses were conducted to assess the structural response at the Immediate Occupancy (IO), Life Safety (LS), and Collapse Prevention (CP) performance levels. Incremental Dynamic Analysis (IDA) was performed using selected ground-motion records, which were scaled and matched with the Standard 2800 design spectrum at the design-earthquake and maximum-considered-earthquake levels. Interstory drift, beam and column plastic-hinge rotations, seismic fragility, collapse probability, Collapse Margin Ratio (CMR), and Adjusted Collapse Margin Ratio (ACMR) were used as the main evaluation criteria. The collapse assessment was conducted in accordance with FEMA P695 criteria.
Results: The results demonstrate that the use of LRB isolators reduces interstory drift demands and beam and column plastic-hinge rotations at three performance levels. Isolated frames exhibited lower seismic fragility and collapse probability than their corresponding fixed-base frames. The CMR and ACMR values increased for the three-, six-, and nine-story isolated frames, indicating an enhanced collapse capacity. The beneficial effects of seismic isolation were pronounced in the low-rise, short-period frame; nevertheless, improvements were also observed in the taller frames. The isolated systems showed more uniform seismic responses and lower record-to-record dispersion, particularly under severe and near-fault ground motions.
Conclusion: LRB isolation is an effective and reliable strategy for improving the seismic performance of steel special moment-resisting frames. By reducing deformation and plastic-rotation demands, decreasing fragility and collapse probability, and increasing collapse capacity, LRBs can significantly enhance the safety and resilience of steel frames within a performance-based seismic design framework.

کلیدواژه‌ها English

Lead Rubber Bearing (LRB)
Seismic Fragility
Collapse Margin Ratio (CMR/ACMR)
Incremental Dynamic Analysis (IDA)
Steel Special Moment Frame (SMF)
[1] Nguyen, H.D., Lee, Y.J., LaFave, J.M., and Shin, M. (2023), "Seismic Fragility Analysis of Steel Moment Frames Using Machine Learning Models", Engineering Applications of Artificial Intelligence, 126, p.106976.
[2] Kelly, J.M. (1993), "Earthquake-Resistant Design with Rubber", 7, London: Springer-Verlag.
[3] ASCE/SEI. (2023). Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings (ASCE/SEI 41-23). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
[4] Federal Emergency Management Agency (2009), Quantification of Building Seismic Performance Factors (FEMA P-695), Federal Emergency Management Agency.
[5] Federal Emergency Management Agency (2000), Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings (FEMA 356), Federal Emergency Management Agency, Washington, DC.
[6] Naeim, F., and Kelly, J.M. (1999), "Design of Seismic Isolated Structures: From Theory to Practice", John Wiley & Sons, New York, pp.85-110.
[7] Buckle, I.G., Constantinou, M.C., Dargush, G., and Ryan, K. (2014), "Seismic Isolation of Buildings: Design and Practice", MCEER, University at Buffalo, NY.
[8] Warn, G.P., and Whittaker, A.S. (2008), "A Study of the Coupling of the Translational and Torsional Responses of Base-Isolated Buildings", Earthquake Spectra, 24(3), pp.741-764.
[9] Constantinou, M.C., Kalpakidis, I., Filiatrault, A., and Eckerst, R. (2007), "LRB Isolators: Experimental and Analytical Studies", MCEER Report, Buffalo, NY.
[10] Whittaker, A., Constantinou, M.C., and Tsopelas, P. (1998), "Seismic Isolation of Buildings", Journal of Structural Engineering, 124(11), pp.1289-1300.
[11] Ryan, K.L., Dao, N.D., and Sato, E. (2013), "Influence of Seismic Isolation and Supplemental Damping on Floor Acceleration Demands in Building Structures", Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 42(5), pp.637-654.
[12] Hall, J.F., Heaton, T.H., Halling, M.W., and Wald, D.J. (1995), "Near-Source Ground Motion and Its Effects on Flexible Buildings", Earthquake Spectra, 11(4), pp.569-605.
[13] Jangid, R.S., and Kelly, J.M. (2001), "Base Isolation for Near-Fault Motions", Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 30(5), pp.691-707.
[14] Mazzoni, S., McKenna, F., Scott, M.H., and Fenves, G.L. (2006), "OpenSees Command Language Manual", Pacific Earthquake Engineering Research Center.
[15] Kalkan, E., and Kunnath, S.K. (2006), "Assessment of Current Nonlinear Static Procedures for Seismic Evaluation of Buildings", Engineering Structures, 28(3), pp.305-316.
[16] Liel, A.B., Haselton, C.B., Deierlein, G.G., and Baker, J.W. (2009), "Incorporating Modeling Uncertainties in the Assessment of Seismic Collapse Risk of Buildings", Structural Safety, 31(2), pp.197-211.
[17] Chopra, A.K. (2020), "Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering", 5th Edition, Pearson, Boston, pp.500-550.
[18] Baker, J.W. (2015), "Efficient Seismic Fragility Analysis of Structures Using Statistical Learning", Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 44(1), pp.117-133.
[19] Kim, Y.M. (2006), "The Vibration Performance Experiment of Tuned Liquid Damper and Tuned Liquid Column Damper", Journal of Mechanical Science & Technology, 20(6), pp.795–805.
[20] Road, Housing and Urban Development Research Center (2014), "Iranian Code of Practice for Seismic Resistant Design of Buildings (Standard No. 2800), 4th Edition. (in Persian)
[21] OpenSees (2024), OpenSees (Version 3.6.0) [Computer software], PEER, Berkeley, CA.
[22] Mansouri, I., Ghodrati Amiri, G., Hu, J.W., Khoshkalam, M., Soori, S., and Shahbazi, S. (2017), "Seismic Fragility Estimates of LRB Base-Isolated Frames Using Performance-Based Design", Shock & Vibration, 2017, p.5184790.
[23] Shi, Y., Xiong, L., Qin, H., Han, J., and Sun, Z. (2022), "Seismic Fragility Analysis of LRB-Isolated Bridges Considering Regional Temperature Uncertainty Using BP Neural Networks", Structures, 42, pp.566–578.
[24] Soong, T. T., and Dargush, G.F. (1997), "Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering", John Wiley & Sons.
[25] Zeng, X., Yu, Y., Zhang, L., Liu, Q., and Wu, H. (2014), "A New Energy-Absorbing Device for Motion Suppression in Deep-Sea Floating Platforms", Energies, 8(1), pp.111–132.
[26] Deierlein, G.G., Liel, A.B., and Haselton, C.B. (2007), "Assessing Building System Collapse Performance and Associated Requirements for Seismic Design", SEAOC Convention Proceedings.
[27] Fragiadakis, M., Lagaros, N.D., and Papadrakakis, M. (2006), "Performance-Based Earthquake Engineering Using Structural Optimization Tools", International Journal of Reliability & Safety, 1(1–2), pp.59–76.
[28] Hardyniec, A. and Charney, F. (2015), "A New Efficient Method for Determining the Collapse Margin Ratio Using Parallel Computing", Computers & Structures, 148, pp.15–25.
[29] Haselton, C.B., Liel, A.B., Deierlein, G.G., Dean, B.S., and Chou, J.H. (2011), "Seismic Collapse Safety of Reinforced Concrete Buildings: I. Assessment of Ductile Moment Frames", Journal of Structural Engineering, 137(4), pp.481–491.
[30] Federal Emergency Management Agency (FEMA). (2000). Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings (FEMA 356). Washington, DC: Federal Emergency Management Agency.

  • تاریخ دریافت 13 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 31 مرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 31 مرداد 1405
  • تاریخ اولین انتشار 31 مرداد 1405
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1405