پایان نامه ارشد :آنالیز اندرکنش دینامیکی خاک و سازه تحت اثر بار زلزله با استفاده از روش المان محدود

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : عمران

گرایش : مکانیک خاک و پی

عنوان : آنالیز اندرکنش دینامیکی خاک و سازه تحت اثر بار زلزله با استفاده از روش المان محدود

دانشکده فنی و مهندسی

گروه مهندسی عمران

 پایان نامه‌ی کارشناسی ارشد رشته‌ی مهندسی عمران گرایش مکانیک خاک و پی

آنالیز اندرکنش دینامیکی خاک و سازه تحت اثر بار زلزله با استفاده از روش المان محدود با مرز مقیاس شده

 استاد راهنما:

دکتر محمدحسین بازیار

استاد مشاور:

دکتر نادر هاتف

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
آنالیز اندرکنش دینامیکی خاک و سازه تحت اثر بار زلزله با استفاده از روش المان محدود با مرز مقیاس شدهچکیده: آنالیز اندرکنش دینامیکی خاک و سازه (به علت اثر متقابل سازه و خاک نگهدارنده آن بر یکدیگر)، در طراحی سازه تحت بار لرزه­ای نقشی اساسی دارد. سیستم خاک-سازه می­تواند تحت بارهای دینامیکی و استاتیکی قرار بگیرد. در حالت بارگذاری استاتیکی می­توان محیط نامحدود خاک را محدود کرد، به طوری که مرزها را به اندازه کافی دور از سازه در نظر گرفت. اما در حالت بارگذاری دینامیکی این روش نمی­تواند مورد استفاده قرار بگیرد، چون مرزها به جای اینکه اجازه دهند امواج دریافتی از منبع انتشار امواج به سمت بی­نهایت عبور کنند، آنها را به سمت سازه و خاک منعکس می­کنند (برگشت می­دهند) و این انعکاس بر روی رفتار و واکنش سیستم خاک-سازه تأثیر می­گذارد. بنابراین برای آنالیز این اندرکنش خاک-سازه، خاک به قسمت خاک محدود منظم که می­تواند رفتار غیر خطی خاک را مدل کند و قسمت نامحدود منظم که تا بی­نهایت ادامه دارد، تقسیم می­شود. قسمت محدود خاک می­تواند به وسیله روش المان محدود مدل شود. در یک محیط نامحدود، یک قاعده مهم در دینامیک امواج وجود دارد: امواجی که به سمت بی­نهایت حرکت می­کنند، به سمت حوزه برگشت داده نمی­شوند. شرایط مرزی باید توانایی مدل کردن حرکت موج را در واقعیت داشته باشد.یک شرط مرزی با درجه بالا برای مدل کردن انتشار موج در حوزه نا­محدود تحت بار لرزه­های توسعه داده شده است. این شرط مرزی برای امواج اسکالر و برداری با هندسه دلخواه و مواد غیر همگن قابل کاربرد است. فرمولاسیون بر حسب حل شکاف ممتد در تجزیه ماتریس سختی دینامیکی برای حوزه نا­محدود به کار می­رود. ماتریس ضرائب روش شکاف ممتد به صورت بازگشتی از معادله روش المان محدود با مرز مقیاس شده بر حسب سختی دینامیکی بدست آمده است که می­تواند به صورت یکپارچه با المان محدود ترکیب شود. روش­های استاندارد در دینامیک سازه­ها به صورت مستقیم برای بدست آوردن پاسخ در حوزه­های زمان و فرکانس قابل کاربرد می­باشد. مثال­های عددی و تحلیلی نرخ بالای همگرایی و بازده این شرط مرزی با درجه بالا را نشان می­دهد. در این پایان نامه برای اولین بار آنالیز اندرکنش دینامیکی خاک و سازه تحت بارهای لرزه­ای با استفاده از حل شکاف ممتد و آنالیز مودال (با استفاده از توابع پایه کاهش یافته) توسعه یافته است.
فهرست مطالب عنوان                             صفحهفصل اول: مقدمه1-1- تعریف مسئله...................................... 11-2- مفهوم اندرکنش خاک و سازه............................................. 41-3- روش­های تحلیل اندرکنش خاک و سازه............................ 61-3-1- روش زیرسازه...................................... 61-3-2- روش مستقیم..................................................................... 91-4- خلاصه­ای از روش­های موجود برای مدل کردن حوزه نامحدود.......................... 121-4-1- روش­های کلی......................................... 121-4-1-1- روش المان مرزی....................................... 131-4-1-2- روش لایه باریک........................................... 131-4-1-3- شرایط مرزی غیر انعکاسی دقیق............................. 131-4-1-4- روش المان محدود با مرز مقیاس شده...................................... 141-4-2- روش­های محلی......................................... 141-4-2-1- شرایط مرزی انتقالی................................ 151-4-2-2- المان­های نامحدود........................................ 151-4-2-3- لایه­های جاذب.................................... 161-5- اهداف و خلاصه فصول پایان نامه ............................ 17فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده2-1- مقدمه................................................................. 192-2-2- روش­های کلی (فراگیر)....................................... 202-2-1- روش المان مرزی................................................ 202-2-2- روش لایه باریک................................................... 232-2-3- شرایط مرزی غیر انعکاسی دقیق....................................... 252-2-4- روش المان محدود با مرز مقیاس شده.................................. 272-3- روش­های محلی (موضعی)................................. 322-3-1- شرایط مرزی انتقالی.......................................................... 322-3-2- المان­های نامحدود................................................ 362-3-3- لایه­های جاذب................................... 372-4- نتایج............................................................ 39فصل سوم: فرمولاسیون روش المان محدود با مرز مقیاس شده مربوط به دامنه نامحدود در حوزه فرکانس و زمان 3-1- معرفی مختصات محلی (ξ, η ,ζ).................................................403-2- معادلات اساسی الاستودینامیک همگن در مختصات دکارتی............. 423-3- معادلات المان محدود با مرز مقیاس شده در حوزه فرکانس................................ 443-3-1- انتقال هندسه محیط از مختصات دکارتی به مختصات جدید................................. 443-3-2- تعیین معادلات حاکمه الاستودینامیک در مختصات جدید............................ 453-3-3- توابع تغییرمکان گره­ای در جهت شعاعی................................................. 493-4- استفاده از روش باقی­مانده وزنی......................................................... 513-5- ماتریس سختی دینامیکی................................................ 533-6- حل معادله المان محدود با مرز مقیاس شده در سختی دینامیکی برای حوزه نامحدود................... 553-7- معادله المان محدود با مرز مقیاس شده در حوزه زمان...................................... 583-7-1- معادله المان محدود با مرز مقیاس شده در پاسخ ضربه واحد شتاب................................ 583-7-2- تقسیم­بندی زمان................................................................................ 603-7-3- اولین گام زمانی................................................................... 613-7-4- بازه زمانی .................. 623-8- ماتریس سختی استاتیکی حوزه نامحدود.......................... 633-9- خلاصه روش سری کاهش­یافته توابع پایه در حوزه زمان..................................................... 643-10- خلاصه روش سری کاهش­یافته توابع پایه در حوزه فرکانس............................................. 653-11- نتایج....................................................................... 66فصل چهارم: فرمولاسیون روش المان محدود با مرز مقیاس شده مربوط به دامنه محدود در حوزه فرکانس و زمان مقدمه4-1- مقدمه........................................................................ 684-2- معادله حرکت دامنه محدود در حوزه فرکانس و زمان........................................ 694-3- ماتریس سختی استاتیکی حوزه محدود................................... 704-4- ماتریس جرم............................................................ 724-5- ماتریس میرایی...................................................... 734-6- نتایج........................................................................ 74فصل پنجم: ترکیب معادلات حاصل از روش (SBFEM) برایحوزه محدود و نامحدود جهت لحاظ کردن اندرکنش خاک و سازه5-1- مقدمه.................................................................... 755-2- ترکیب معادلات حاصل از دامنه محدود و نامحدود تحت بارهای خارجی جهت لحاظ کردن اندرکنش خاک و سازه در حوزه زمان            775-2-1- آنالیز دینامیکی اندرکنش خاک و سازه تحت بارهای خارجی در حوزه زمان با استفاده از (SBFEM)..... 775-2-1-1- با در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی انعطاف­پذیر)....................................................................................... 775-2-1-2- بدون در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی صلب)............................................................................................. 805-2- 2- آنالیز دینامیکی اندرکنش خاک و سازه تحت بارهای خارجی در حوزه زمان با استفاده از (SBFEM) و استفاده از سری کاهش­یافته توابع پایه       815-2-2-1- با در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی انعطاف­پذیر)....................................................................................... 815-2-2-2- بدون در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی صلب)............................................................................................. 835-3- ترکیب معادلات حاصل از دامنه محدود و نامحدود تحت بارهای لرزه­ای جهت لحاظ کردن اندرکنش خاک و سازه در حوزه زمان 845-3-1- آنالیز دینامیکی اندرکنش خاک و سازه تحت بارهای لرزه­ای در حوزه زمان با استفاده از (SBFEM)....... 845-3-1-1- با در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی انعطاف­پذیر)....................................................................................... 845-3-1-2- بدون در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی صلب)............................................................................................. 865-3- 2- آنالیز دینامیکی اندرکنش خاک و سازه تحت بارهای لرزه­ای در حوزه زمان با استفاده از (SBFEM) و استفاده از سری کاهش­یافته توابع پایه        885-3-2-1- با در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی انعطاف­پذیر)....................................................................................... 885-3-2-2- بدون در نظر گرفتن اثز اندرکنش خاک و سازه (پی صلب)............................................................................................. 895-4- ترکیب معادلات حاصل از دامنه حوزه محدود و نامحدود تحت بارگزاری دینامیکی (بارهای خارجی و لرزه­ای) جهت لحاظ کردن اندرکنش خاک و سازه در حوزه فرکانس...................................................... 905-5- نتایج........................................................... 92فصل ششم: روش شکاف ممتد6-1- روش­های تجزیه ماتریس سختی دینامیکی حوزه نا­محدود.................... 1036-1-1- تقریب سختی دینامیکی توسط سری پده......................................................... 1046-1-2- تجزیه سختی دینامیکی با استفاده از روش شکاف ممتد........................................... 1056-1-2-1- ساخت شرط مرزی انتقالی با مرتبه بالا............................................................ 1106-1-2-2- ترکیب معادله حرکت حوزه محدود و معادله مربوط به حوزه نامحدود حاصل از روش شکاف ممتد تحت بار خارجی دینامیکی          1126-1-2-3- ترکیب معادله حرکت حوزه محدود و معادله مربوط به حوزه نامحدود حاصل از روش شکاف ممتد تحت بار لرزه­ای           1146-1-2-4- استفاده از روش شکاف ممتد و اعمال روش سری کاهش یافته توابع پایه برای آنالیز سیستم تحت بار خارجی دینامیکی    1166-1-2-5- استفاده از روش شکاف ممتد و اعمال روش سری کاهش یافته توابع پایه برای آنالیز سیستم تحت بار لرزه­ای     1186-2- نتایج............................................................ 120فصل هفتم: مثال­های عددی7-1- مقدمه............................................. 1317-2- دیوار برشی به همراه بازشو...................................................................................................... 1337-2-1- سازه در حالت پی صلب تحت بار خارجی دینامیکی............................................................ 1347-2-2- سازه در حالت پی منعطف تحت بار خارجی دینامیکی...................................... 1367-2-3- سازه در حالت پی صلب تحت بار لرزه­ای.......................................................... 1397-2-4- سازه در حالت پی منعطف تحت بار لرزه­ای....................................................... 1417-3- دیوار برشی با ابعاد و مواد با خصوصیات متفاوت.................................................. 1457-3-1- سازه در حالت پی صلب تحت بار خارجی دینامیکی................................................. 1457-3-2- سازه در حالت پی منعطف تحت بار خارجی دینامیکی............................................. 1477-3-3- سازه در حالت پی صلب تحت بار لرزه­ای........................................................... 1507-3-4- سازه در حالت پی منعطف تحت بار لرزه­ای.............................................. 1527-4- سد کوینا در چین........................ 1567-4-1- سد در حالت پی صلب تحت بار خارجی دینامیکی................................................. 1567-4-2- سد در حالت پی منعطف تحت بار خارجی دینامیکی........................................... 1587-4-3- سد در حالت پی صلب تحت بار لرزه­ای...................................................... 1627-4-4- سد در حالت پی منعطف تحت بار لرزه­ای..................................................... 1647-5- ترکیب تونل و دیوار برشی..................................................................... 1687-5-1- تونل و قاب سازه­ای تحت بار خارجی دینامیکی........................................ 1697-5-2- تونل و قاب سازه­ای تحت بار لرزه­ای................................................. 172فصل هشتم: نتایج و پیشنهادات7-1- نتایج............................................................... 176منابع................................................................................. 1801-1-   تعریف مسئلهدر یک سیستم خاک - سازه واقع در یک محیط نیمه نامحدود، حجم خاک در برابر حجم سازه بسیار بیشتر می­باشد پس به طور کلی، سازه با خاک اطرافش اندرکنش دارد. بدین معنی که رفتار هریک بر دیگری اثر دارد. بنابراین آنالیز سازه به تنهایی مجاز نمی­باشد و در بسیاری از حالات مهم (به عنوان مثال، نوسانات لرزه­ای) که بارگذاری به خاک اطراف سازه وارد می­شود باید اثر خاک در نظر گرفته شود به این معنا که در هر صورت حوزه اطراف سازه باید مدل شود. از آنجاکه اندرکنش لرزه­ای خاک و سازه با ایمن سازی بسیاری از پروژه­های مهندسی (مانند نیروگاه­های هسته­ای) درجهت مقاومت در برابر زلزله ارتباط تنگاتنگ دارد، این اندرکنش یک موضوع بسیار مهم در مهندسی زلزله تلقی شده است. همچنین به علت تأثیر بازتاب انرژی از محیط نامحدود و حرکات غیر یکنواخت زمین روی پاسخ سازه، اهمیت اندرکنش دینامیکی خاک و سازه در رفتار سازه­های غول­پیکر در برابر زلزله قابل توجه می­باشد.همانطورکه در شکل 1- 1 می­بینیم، خاک یک محیط نیمه نامحدود است که به صورت حوزه نامحدود در نظر گرفته می­شود. خاک محدود و نامحدود توسط مرز مشترک خاک – سازه (شکل 1- 1) از یکدیگر جدا می­شوند. مرز مصنوعی (شکل 1- 1) در فاصله­ای به اندازه کافی دور از سازه، جایی که انتظار می­رود پاسخ حوزه مستهلک شود، معرفی و شرایط مرزی مناسب بر روی آن تعریف می­شود. بسته به دقت آنالیز، این مرز می­تواند دورتر و یا نزدیک­تر به سازه تعریف شود. گره­های موجود بر روی سازه با s و گره­های موجود بر روی مرز مشترک خاک و سازه با b نشان داده می­شود. بارگذاری دینامیکی می­تواند به صورت بار خارجی و یا بار لرزه­ای به سیستم وارد شود (شکل 1- 1شکل 1- 4: تعریف مسئله اندرکنش خاک و سازهسیستم خاک و سازه می­تواند تحت بارهای دینامیکی و استاتیکی قرار بگیرد. برای آنالیز پاسخ سازه تحت بارگذاری استاتیکی، همانطورکه گفته شد، یک مرز مصنوعی می­تواند در یک فاصله به اندازه کافی دور از سازه، جایی که انتظار می­رود پاسخ حوزه مستهلک شود، معرفی شود. این کار به یک محیط محدود برای خاک منجر می­شود که می­تواند مانند سازه مدل شود. کل سیستم المان­بندی شده، شامل خاک و سازه توسط روش­های المان محدود و یا تفاضل محدود مدل می­شود و با توسعه و پیشرفت نرم­افزارهای المان محدود می­توان به راحتی مسئله محدود را آنالیز کرد. اما در حالت بارگذاری دینامیکی این روش نمی­تواند مورد استفاده قرار بگیرد، چون مرزهای مصنوعی به جای اینکه اجازه دهند امواج دریافتی از منبع انتشار امواج به سمت بی­نهایت عبور کنند، آنها را به سمت سازه و خاک منعکس می­کنند (برگشت می­دهند) و این انعکاس بر روی رفتار و واکنش سیستم خاک و سازه تأثیر می­گذارد. در صورتی که خاک نامحدود بایستی نقش یک مکنده انرژی[1] را بازی کند. بنابراین برای آنالیز این اندرکنش خاک - سازه، خاک به دو قسمت خاک محدود غیر منظم که می­تواند رفتار غیر خطی خاک را مدل کند و خاک نامحدود منظم که تا بی­نهایت ادامه دارد و دارای رفتارخطی است، تقسیم می­شود. بنابراین همانطور که در شکل 1- 1 ملاحظه می­کنید می­توان خاک را به دو قسمت تقسیم کرد:
  • محدوده نزدیک به سازه، خاک نامنظم با رفتار غیرخطی با عنوان حوزه محدود
  • محدوده دور از سازه، خاک منظم و با رفتار خطی با عنوان حوزه نا­محدود
قسمت محدود خاک می­تواند به وسیله روش المان محدود مدل شود. در یک محیط نامحدود، یک قاعده مهم در دینامیک امواج وجود دارد: امواجی که به سمت بی­نهایت حرکت می­کنند، به سمت حوزه برگشت داده نمی­شوند. شرایط مرزی باید توانایی مدل کردن حرکت موج را در واقعیت داشته باشد. شرط به صفر رساندن جابجایی در بی­نهایت کافی نمی­باشد] [i][. شرط مرزی اعمال شده در بی­نهایت، باید توانایی انتقال انرژی را به صورت کامل از حوزه محدود به حوزه نا­محدود را داشته باشد و بتواند جلوی بازتابش امواجی که با مرز تماس پیدا می­کنند را به درون محیط بگیرد. به این شرط مرزی، شرط مرزی بازتابشی[2] می­گویند. چالشی­ترین قسمت در آنالیز اندرکنش دینامیکی خاک و سازه، بدست آوردن شرایط مرزی بازتابشی مناسب برای مسائل مهندسی با ابعاد بزرگ می­باشد. حوزه خاک نامحدود را می­توان طوری مدل کرد که دینامیک خاک را از دینامیک سازه کاملا̎ مجزا کند. برای درک بهتر موضوع، انتشار موج در یک حوزه نا­محدود یک بعدی به صورت زیر آورده شده است. در یک مدل واقعی، با اعمال نیروی دینامیکی (نیروی ضربه R) در ابتدای میله (نقطه A)، حرکت موج از ابتدای میله آغاز می­شود و تا بی­نهایت پیش رفته و میرا می­شود (شکل 1-2 (الف)). برای مدل کردن این حالت میله بریده شده ودر محل بریدگی مهار قرار داده می­شود. با شروع حرکت موج و برخورد آن به مهار موجود، موج برگشت داده می­شود. تا زمانی که موج برگشت داده شده به نقطه ابتدا (نقطه A) نرسیده است، رفتار نقطه A مشابه واقعیت است و از زمان رسیدن موج به آن نقطه، رفتار نقطه A به هم می­ریزد (شکل 1-2 (ب)). در خاک نا­محدود نیز رفتار چنین است. مدل باید به گونه­ای باشد که موج به سمت بی­نهایت هدایت شود و به سمت سازه باز نگردد.
(الف)(ب)
شکل 1- 5: انتشار موج در میله نا محدود (یک بعد): (الف) مدل واقعی (ب) انعکاس موج در اثر مهار بنابراین مشکل در مدل کردن اندرکنش دینامیکی خاک و سازه در نرم­افزارهای المان محدود می­باشد که به دلایلی که ذکر شد قابلیت آنالیز صحیح رفتار دینامیکی حوزه نامحدود را ندارند. ما بدنبال راهی هستیم تا بتوان مدلی نزدیک به واقعیت، برای آنالیز دینامیکی حوزه نامحدود تحت بار لرزه­ای را عنوان کرد و نیز به دنبال روشی هستیم که هرچه مطمئن­تر و سریع­تر با بازده و دقت زیاد ما را به هدف مورد نظر نزدیک کند.1-2-   مفهوم اندرکنش دینامیکی خاک وسازهبرای بیان اهمیت اندرکنش خاک و سازه، پاسخ دینامیکی سازه­ای که روی سنگ بنا شده را با همان سازه در حالتی که روی خاک بنا شده مقایسه شده است. در اینجا تنها موضوع به صورت کیفی بررسی می­شود. دو سازه به صورت کاملا̎ یکسان با بستر صلب (شامل پایه و دیواره­های اطراف) در شکل 1- 3 (الف) نشان داده شده است. لایه خاک در بالای سنگ قرار گرفته است. از آنجا که فاصله بین دو سازه کم است، می توان فرض کرد موجی که از کانون زلزله به دو سازه مستقر روی خاک و سنگ می­رسد، یکسان است. برای سادگی یک حرکت افقی که به صورت عمودی گسترش می­یابد، انتخاب شده است. این حرکات در به صورت بردار هایی با طول­هایی متناسب با شدت نوسانات زلزله آورده شده است. نقطه کنترل در سطح آزاد سنگ (نقطه A) انتخاب شده است. از یک دیدگاه عملی حرکت در سراسر سنگ (به عنوان مثال در نقطه B) یکسان خواهد بود ]1[.برای سازه روی سنگ، این حرکت افقی می-تواند مستقیما̎ به بستر سازه وارد شود. شتاب ورودی ناشی از نیروهای اینرسی افقی در ارتفاع سازه ثابت خواهد بود. در حین زلزله، یک لنگر واژگونی و یک برش عرضی در بستر ایجاد می­شود. از آنجا که سنگ بسیار سخت است، این دو بردار برآیند تنش هیچ تغییر شکل اضافی را در بستر ایجاد نمی­کند. بنابراین جابجایی­های افقی بستر با جابجایی نقطه کنترل برابر است. هیچ جابجایی ناشی از سنگ در بستر بوجود نیامده است. برای یک نقطه کنترل، پاسخ لرزه­ای سازه تنها به خصوصیات سازه بستگی دارد.تعداد صفحه : 215قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید