فهرست مطالب
مجله مهندسی عمران شریف
سال سیام شماره 2 (تابستان 1393)
- تاریخ انتشار: 1393/06/17
- تعداد عناوین: 14
-
-
صفحات 3-10در روابط تئوریک موجود، مدول عکس العمل افقی بستر شمع، که با استفاده از یک سری فنرهای کشسان خطی و غیرخطی مستقل تعیین می شود، مستقل از قطر شمع و یا تابعی خطی از آن در نظر گرفته می شود. اما در واقع، رفتار واقعی شمع به ویژه با سر آزاد، به دلیل بروز رفتار خمیری در خاک، از روابط به مراتب پیچیده تری پیروی می کند. در این پژوهش، اثر میزان قطر شمع در مدول عکس العمل افقی بستر شمع با استفاده از روش تفاضل محدود غیرخطی مورد بررسی قرار گرفته است. در تحلیل های انجام شده نیز اثرات ناهمگنی و بار محوری بررسی شده است، که انجام این امر در روابط تئوریک موجود ممکن نیست. نتایج حاصله، بیانگر افزایش مقدار مدول و کاهش ضریب عکس العمل بستر با افزایش قطر و تاثیرات قابل ملاحظه ی ناهمگنی و بار محوری در این روند هستند.
کلیدواژگان: شمع تک، مدول عکس العمل افقی شمع، ضریب عکس العمل افقی شمع، قطر شمع، ناهمگنی، بار محوری -
صفحات 11-21بیشتر روش های موجود برای تخمین نشست شالوده های سطحی مستقر بر روی خاک های غیرچسبنده براساس همبستگی های میان نتایج آزمایش های برجا، همچون نفوذ استاندارد با مدول یانگ هستند. نشست پیش بینی شده براساس نتایج این گونه آزمایش ها، پراکنده و اغلب غیر واقع بینانه است. در این نوشتار سعی شده است با ارائه ی یک رویکرد جدید، تخمین نشست شالوده های سطحی بر روی خاک های غیرچسبنده مورد توجه قرار گیرد، که در آن از مدل رفتاری کشسانی غیرخطی و مشخصات دینامیکی خاک ها استفاده شده است. نتایج این روش با مقادیر نشست حاصل از آزمون های بارگذاری بر روی صفحه با ابعاد مختلف مقایسه شده است. این روش در مقایسه با روش های مبتنی بر همبستگی نتایج آزمایش های برجا، نتایجی واقع بینانه و نزدیک تر به مقادیر اندازه گیری شده از خود نشان می دهد. علاوه بر آن، سرعت عمل این روش و هزینه ی نسبتا کم آن، مزیت دیگری است که آن را نسبت به سایر روش های متداول، متمایز ساخته است.
کلیدواژگان: نشست آنی، شالوده های سطحی، خاک های دانه یی، سرعت موج برشی، سختی بیشینه -
صفحات 23-29
در روند ارزیابی رفتار یک سیستم سازه یی، عدم قطعیت های موجود می تواند سبب رفتار یک سازه در واقعیت متفاوت از رفتاری باشد که در مدل ریاضی تعیینی از سازه برای آن متصور هستیم. از این رو لازم است در ارزیابی عملکرد سازه، عدم قطعیت های موثر در پاسخ سازه ی شناسایی و احتمال وقوع خرابی در سیستم با توجه به عملکرد موردنظر محاسبه شود. در این مطالعه تاثیر سیستم کنترل ارتعاش جرم میراگر تنظیم شده)T M D(پانویس{t u n e d m a s s d a m p e r} در کاهش احتمال وقوع خرابی در سازه ی قاب خمشی فولادی بررسی شده است. مقاومت و سختی المان های سازه یی و بارگذاری زلزله به صورت احتمالاتی در مدل ریاضی اعمال شده است. نتایج مطالعه نشان می دهد که برای زلزله های دور از گسل با دوره ی تناوب میانگین پایین احتمال وقوع خرابی در سازه با T M D کمتر از سازه ی اصلی است و تاثیر استفاده از T M D با مشخصات مختلف در طبقات مختلف سازه متفاوت است.
کلیدواژگان: احتمال وقوع خرابی، جرم میراگر تنظیم شده، مدل احتمالاتی، قاب خمشی فولادی -
صفحات 31-45یک سیستم جداگر لرزه یی انطباقی می تواند سختی و میرایی متغیری از خود ارائه دهد. مهم ترین فایده ی این رفتار، پاسخگویی مناسب این سیستم ها در برابر عملکردهای مختلف و سطوح خطر متفاوت است. جداگر اصطکاکی پاندولی سه گانه، که یکی از انواع جداگرهای لرزه یی اصطکاکی چندقوسی است، در زمره ی این سیستم های لرزه یی انطباق پذیر است. ساختار داخلی این سیستم ها با توجه به سطوح مقعر چندگانه و اینکه لغزش بر روی کدام یک از سطوح اتفاق بیفتد، مشخص می شود. لغزش بر روی این سطوح با توجه به مقادیر جابه جایی، بین سطوح تعویض می شود و سختی و میرایی موردنظر حاصل می شود. بنابراین لزوم بهینه سازی پارامترهای موثر در طراحی این گونه سیستم ها، با توجه به عملکرد موردنظر، امری شایان توجه خواهد بود. در این پژوهش با استفاده از روش الگوریتم های ژنتیک، پارامترهای موثر طراحی برای محدودکردن بیشینه ی پاسخ های سازه بهینه شده اند و محدوده یی مناسب برای آن ها ارائه شده است.
کلیدواژگان: جداگر اصطکاکی پاندولی سه گانه، حوزه ی نزدیک، طرح لرزه یی، الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی -
صفحات 47-60در این نوشتار، تاثیر نحوه ی قرارگیری مهاربندها در رفتار قاب های فولادی دوبعدی با استفاده از حل مثال های عددی بررسی شده است. سه قاب خمشی فولادی دوبعدی با شکل بندی و حالات بارگذاری مختلف، توسط یک تحلیل غیرارتجاعی مرتبه ی دوم، تحلیل و نمودار نیرو تغییرمکان جانبی هر حالت رسم شده است. سپس با رگرسیون گیری خطی از این نمودارها ضریب سختی جانبی جدیدی تعریف شده است که چکیده یی از رفتار سازه است. روش مورد مطالعه با استفاده از نرم افزار «A N S Y S» می تواند ضریب بار نهایی قاب «وگل» را با خطای بیشینه ی 3٫0٪ نسبت به روش های تحلیل ناحیه ی خمیری «وگل» و تحلیل مفصل خمیری «کیم و همکاران» برآورد کند. همچنین با حدود هشتاد تحلیل انجام شده در این پژوهش مشخص شد که آرایش مهاربندها در سازه می تواند تا چندین برابر مقاومت نهایی، تغییرمکان نهایی و سختی جانبی سازه را افزایش و یا کاهش دهد.
کلیدواژگان: مهاربند، غیرخطی هندسی، غیرخطی مواد، اثرهای مرتبه ی دوم، اثرات غیرارتجاعی، A N S Y S -
صفحات 61-67پی های پوسته یی از جمله پی هایی هستند که با توجه به ساختار و شکل شان در مقایسه با انواع مسطح دارای ضخامت های کمتر و مقاومت بیشتری هستند. این کاهش ضخامت به صرفه جویی در مصالح و کاهش هزینه ها منجر می شود. علاوه بر این، شکل خاص آنها باعث افزایش باربری خاک می شود و خصوصیات رفتاری به شکل چشم گیری بهبود پیدا می کند. در این پژوهش با مدل سازی، رفتار تعدادی پی پوسته یی مخروطی بتن مسلح با ابعاد کاربردی با روش اجزاء محدود و نرم افزار A B A Q U S مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحلیل، که به صورت غیرخطی مصالح است، بتن، خاک و فولادها کاملا مدل شده اند. نتایج عددی نشان می دهند که پی پوسته یی مخروطی در مقایسه با نوع مسطح آن، دارای مقاومت بیشتری است. با افزایش ارتفاع پی مخروطی، مقاومت افزایش می یابد و در ارتفاعی بهینه، بیشترین مقاومت را خواهد داشت.
کلیدواژگان: پی پوسته یی مخروطی، روش اجزاء محدود، بتن مسلح، اندرکنش خاک و سازه -
صفحات 69-75تخصیص ریسک معمولا در اسناد مناقصه و توسط کارفرما انجام می شود. کارفرمایان معمولا بدون درنظرگرفتن شرایط عوامل حاضر در قرارداد، مسئولیت اکثر ریسک ها را به پیمانکار واگذار می کنند که این عمل، تاثیرات منفی در هزینه های طرفین قرارداد می گذارد. این پژوهش با ارائه ی مدلی بر مبنای نظریه ی چانه زنی، رفتار بازیکنان در مرحله ی مذاکره برای تخصیص کمی ریسک، که شبیه به رفتار بازیکنان در یک بازی است، را مدل سازی می کند و تخصیص ریسک منصفانه بین کارفرما و پیمانکار را انجام می دهد. برای رسیدن به این منظور، ابتدا پیامدهای هزینه یی کارفرما و پیمانکار در درصدهای مختلف تخصیص ریسک تعیین می شود. سپس با درنظرگرفتن بازه ی مشترک موجود بین درصدهای تخصیص ریسک قابل قبول برای کارفرما و پیمانکار، چانه زنی بر سر میزان منفعت به وجودآمده انجام می شود. برای ارائه ی قابلیت های مدل پیشنهادی، تخصیص کمی ریسک در یک پروژه ی خط لوله و برای ریسک تورم انجام شده است.
کلیدواژگان: تخصیص کمی ریسک، منطق فازی، نظریه ی بازی ها، نظریه ی چانه زنی -
تثبیت ماسه ی سیلتی مسئله دار با استفاده از میکروسیلیس و آهک جهت کاهش میزان تورم و افزایش توان باربریصفحات 77-85ماسه ی سیلتی سولفاته، خاک تشکیل دهنده ی مناطق وسیعی از کویر مرکزی ایران است، که مقاومت فشاری ناچیز و پتانسیل تورم زیاد ناشی از وجود سولفات گچ دارد. راه سازی در این مناطق مستلزم تثبیت خاک بستر و لایه های روسازی است. در این پژوهش، با افزودن درصدهای مختلف میکروسیلیس و آهک و انجام آزمایش های مقاومت فشاری محدودنشده، نسبت باربری کالیفرنیا)C B R(پانویس{C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o} و تورم تثبیت این خاک مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج آزمایش ها نشان می دهند که با مقادیر بسیار کم میکروسیلیس و آهک، مقاومت نمونه ها به طور چشمگیری افزایش و پتانسیل تورم کاهش می یابد. عدد C B R نمونه ی تثبیت شده با 1٪ میکروسیلیس و 1٪ آهک حدود 80 به دست آمد که برای عملیات راه سازی بسیار مناسب است. عکس برداری میکروسکوپ الکترونی هم نشان دهنده ی نقش اصلی میکروسیلیس در تشکیل ریزساختارهای کریستالی و در نتیجه، افزایش قابل توجه مقاومت نمونه های تثبیت نشده ی خاک است.
کلیدواژگان: ماسه ی سیلتی، تثبیت خاک، میکروسیلیس، آهک، C B R، مقاومت فشاری محدودنشده، پتانسیل تورم -
صفحات 87-96بسیاری از آیین نامه های مدرن امروزی طیف یکنواخت خطر (UH S) را به عنوان طیف هدف برای انتخاب شتاب نگاشت های موردنیاز در تحلیل دینامیکی سازه ها توصیه می کنند. با تاکید بر محافظه کارانه بودن استفاده از U H S برای منظور پیش گفته، اخیرا طیف میانگین شرطی(CM S) به عنوان جایگزینی برای U H S پیشنهاد شده است. طیف C M S براساس رخداد سطح مشخصی از خطر در شتاب طیفی در دوره ی تناوب اصلی سازه، طیف پاسخ مورد انتظار سایر دوره های تناوب را در قالب یک چارچوب احتمالاتی شرطی به دست می دهد. در این نوشتار، به منظور بهبود C M S موجود که بر پایه ی «برازش متعارف» است، یک تحلیل «برازش قوت یافته» پیشنهاد شده است؛ تا بدین ترتیب از تاثیر داده های پرت، که ممکن است منجر به بروز اریبی معنادار شود، کاسته شود. نتیجه ی به کارگیری راهبرد مذکور، منجر به شکل گیری طیف نوینی موسوم به «طیف میانگین شرطی قوت یافته» شده است.
کلیدواژگان: طیف میانگین شرطی، طیف یکنواخت خطر، برازش قوت یافته مدل همبستگی، زمین لرزه، خطر -
صفحات 97-106
مدل سازی عددی رفتار خاک ها روشی برای کاهش هزینه های آزمون های آزمایشگاهی مطرح است. با توجه به کاربرد زیاد پارامترهای مقاومتی حاصل از آزمایش سه محوری، نیاز به مدل سازی عددی این آزمایش و پیش بینی پارامترهای مذکور احساس می شود. در این نوشتار، به پیش بینی رفتار خاک های ماسه یی مخلوط با خاک ریزدانه تحت آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی نشده پرداخته شده است. خاک مورد مطالعه ترکیبی از ماسه ی فیروزکوه با درصدهای مختلف رس است. منحنی تنش کرنش خاک در این آزمایش ها با استفاده از یک مدل اجزاء محدود شبیه سازی شده است. با توجه به نتایج آزمایشگاهی، قسمت خطی نمودار تنش کرنش مدل شده و پارامترهای موردنیاز از روش معکوس به دست آمده است. براساس نتایج شبیه سازی، پارامترهای مقاومتی محاسبه شده و نمودارهای تنش انحرافی کرنش محوری، فشار آب حفره یی کرنش محوری و مسیر تنش پیش بینی شده است. نتایج حاصل از مدل سازی های انجام شده با این پارامترها نزدیک به نتایج آزمایشگاهی هستند.
کلیدواژگان: آزمایش سه محوری تحکیم یافته، زهکشی نشده، مدل سازی عددی، خاک ماسه یی مخلوط با ریزدانه -
صفحات 107-116در این نوشتار، تشریح و مقایسه ی عملکرد دو روش انتگرال گیری روش های ضمنی، یعنی روش C P P M)نزدیک ترین نقطه ی تصویرشده(و روش C P M)صفحات کاهشی(، مورد واکاوی قرار گرفته است. به منظور عددی سازی، مدل خمیری منظری دافالیاس)1997−2004(به کار گرفته شده است. بر اساس نتایج این پژوهش، روش C P P M از پایداری قدرتمندی برای انتگرال گیری روابط مورد نظر در شرایط تغییرشکل های بزرگ و به طور خاص، پدیده ی روان گرایی، بهره می برد. در مقابل روش C P M از دقت بالاتر، زمان محاسباتی کمتر و از سادگی غیر قابل انکاری سود می برد. نهایتا، این پژوهش قصد دارد با ارائه ی هم زمان مزایا و معایب هر یک از روش های مذکور و در محدوده ی مشخص، پژوهشگران را در انتخاب الگوریتم مناسب برای انتگرال گیری از روابط مدل های رفتاری با توجه به شرایط خاص پژوهش مورد نظر یاری کند.
کلیدواژگان: نزدیک ترین نقطه ی تصویرشده، صفحات کاهشی، انتگرال گیری صریح، انتگرال گیری ضمنی، مدل رفتاری -
صفحات 117-123شروع{چکیده} آب شستگی اطراف تکیه گاه پل ها یکی از عوامل اصلی شکست پل هاست و شکست پل ها خود ممکن است منجر به تلفات مالی و حتی جانی شود. به همین دلیل پیش بینی عمق آب شستگی قبل از طراحی پل برای پیشگیری از شکست آن امری ضروری است. در این نوشتار، با استفاده از نرم افزار D3F L O W-، که یک نرم افزار قوی در مدل سازی جریان و انتقال رسوب است، آب شستگی اطراف تکیه گاه پل با دیواره ی قائم شبیه سازی شده است. از این نرم افزار برای حل معادلات سه بعدی ناویر استوکس به روش حجم محدود استفاده شده است. مدل آشفتگی R N G برای مدل سازی میدان جریان در اطراف تکیه گاه، محلی که گردابه های نعل اسبی تشکیل شده و جریان آشفته غالب است، به کار برده شده است. مدل مورد استفاده، مقدار عمق میانگین جریان و مقدار بیشینه ی عمق آب شستگی و محل وقوع آن را با دقت خوبی در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی پیش بینی می کند؛ به طوری که بیشینه ی عمق آب شستگی پیش بینی شده در شبیه سازی فقط 7٪ با مقدار مدل آزمایشگاهی تفاوت دارد.
کلیدواژگان: آب شستگی، تکیه گاه پل، D3F L O W، دینامیک سیالات محاسباتی -
صفحات 125-132قرارگیری ایران در یکی از لرزه خیزترین حوزه های جهان، ضرورت بهسازی ساختمان های موجود و درحال ساخت را آشکار می سازد، به نحوی که با رعایت صرفه ی اقتصادی، زمانی، و... ایمنی سازه تامین شود. یکی از راهکارهای موجود، استفاده از مستهلک کننده های انرژی از نوع اصطکاکی است. F B P یک نوع میراگر اصطکاکی جدید با سطوح لغزش لنت ترمز است. در ساختمان های فولادی ایران، که عمدتا از نوع کوتاه تا متوسط اند، بنا به نوع عملکرد سازه و میراگر، F B P پیشنهادی مناسب است. در این نوشتار، با مقایسه ی نتایج تحلیل های دینامیکی غیرخطی مدل های نرم افزاری سه قاب فولادی با شرایط متفاوت، اثر نحوه ی توزیع میراگر در ارتفاع قاب و تاثیر میراگر در عملکرد سازه ی بهسازی شده مطالعه شده است. نتایج نشان می دهند که استفاده از میراگر با توزیع نسبتی در کاهش انرژی، تغییرمکانٓها، برش طبقات، تعداد مفاصل و... موثرتر از توزیع یکنواخت است. به طور کلی، به منظور بهبود عملکرد کلی قاب، توزیع نسبتی بر سایر اشکال توزیع موجود و مرسوم ارجحیت دارد.
کلیدواژگان: میراگر اصطکاکی، F B P، S B C، بهسازی، ساختمان فولادی، مهاربندی شورون -
صفحات 133-141دیوارهای برشی همبسته با تیرهای همبند فولادی، مقاومت و سختی بیشتری نسبت به سیستم های همبسته ی بتنی دارند. با توجه به اهمیت تیرهای همبند در پاسخ لرزه یی این سازه ها، ارزیابی رفتار چرخه یی آنها ضروری است. در این نوشتار، به منظور ارتقای عملکرد سازه یی دیوارهای همبسته، یک تیر همبند فولادی جدید با استفاده از سخت کننده ی قطری به جای سخت کننده ی قائم پیشنهاد شده است. پس از صحت سنجی مدل اجزاء محدود، مطالعه ی پارامتریک بر روی حدود 30 مدل با درنظرگرفتن دو پارامتر نسبت عمق به ضخامت جان و زاویه ی سخت کننده انجام شده است. نتایج نشان می دهند که استفاده از سخت کننده ی قطری در تیرهای همبند، ظرفیت برشی، سختی و جذب انرژی سیستم را در مقایسه با سخت کننده ی قائم افزایش می دهد، که نتیجه ی آن رسیدن به مقطع با ارتفاع کمتر و کاهش مشکلات مربوط به محدودیت ارتفاعی در سیستم های همبسته خواهد بود. همچنین برای دستیابی به بهترین عملکرد سیستم، استفاده از زاویه ی 30 درجه توصیه می شود.
کلیدواژگان: تیر همبند فولادی، دیوار برشی، سخت کننده ی قطری، بارگذاری چرخه یی، پاسخ لرزه یی
-
Pages 3-10The modulus of horizontal sub-grade reaction is one of two important stiffness parameters. This modulus defines the relationship between the soil reaction, p, and the pile deflection, y. Thus, knowing the exact amount of horizontal sub-grade reaction will lead to a more accurate pile design. In the theory of a sub-grade modulus, soil stiffness is defined by a series of independent elastic springs, while, in reality, they are interrelated in a complex fashion. Also, in cases where plastic soil behavior will most likely be initiated at the ground surface, especially for pile heads, the effect of pile diameter on the sub-grade modulus will be more important. Furthermore, in the classical sub-grade problem of Vesic, a flexible beam supported on an elastic half-space, the effect of heterogeneity has not been taken into account. Thus, in this study, the real behavior of a sub-grade modulus with pile diameter, the effect of heterogeneity and the existence of axial loads on the variation of sub-grade reaction, are investigated using a traditional computer code, namely FLAC (accounted for the Fast Lagrangian Analysis of Continua). The validation of the modeling procedure is carried out using a laterally loaded pile case, in which, the behavior of a driven pile was experimentally studied on over-consolidated clay in Houston. To take the heterogeneity effect into account, the elasticity modulus of the soil was considered to be a linear function of depth. The results obtained by numerical modeling were compared to the traditional Vesic and Bowel equations. As results, in spite of Terzaghi, Vesic and Bowel methods, it is obtained that the horizontal modulus of sub-grade reaction increases with the pile diameter. Also, a higher heterogeneity factor leads to a higher rate of increase in the value of sub-grade reaction. In the case of larger pile diameters, this increase in the sub-grade reaction value will be more reasonable. In addition, in homogenous clays, axial loads have no significant effect on the value of the sub-grade reaction. Nevertheless, in heterogeneous clays, this modulus increases with the degree of heterogeneity.Keywords: Single pile, pile's horizontal sub, grade reaction modulus, pile's horizontal sub, grade reaction coefficient, pile diameter, heterogeneity, axial load
-
Pages 11-21In the design of shallow foundations, permissible settlement is often the controlling design criterion. Numerous methods have been developed over the years to estimate the elastic settlement of footings over cohesionless soils. The conventional methods utilize correlations between measured settlements and some parameters from reasonably simple field tests. These include, in particular, standard penetration tests (SPT) and cone penetration tests (CPT). Often, the mentioned correlations overpredict settlements. In-situ direct estimation of the maximum or small-strain stiffness ($G_max$ or $E_max$) of soil is more effective and reliable than those derived from resistance-based correlation or laboratory testing. In addition to a geophysical refraction seismic survey, there are several other techniques for measuring maximum stiffness at the site, such as the cross-hole, the down-hole, spectral analysis of surface wave (SASW) and the continuous surface wave method (CSW). In these methods, an electromechanical vibrator or impact source is used to generate surface waves. Then, geophones receive ground responses to measure up Rayleigh wave velocity and maximum stiffness. In this paper, a new method is provided in order to determine the settlement of a shallow foundation based on small-strain stiffness. The suggested relationship in this study will be the modified small-strain stiffness of the soil layer, according to the level of foundation pressure. The elastic settlement is obtained using the relationships of the elasticity theory, based on foundation width, stress field and modified stiffness. In order to validate the proposed method, the results of the survey of loading tests and seismic geophysical tests at several sites were evaluated and compared. Appropriate coincidence between the results of the loading test and the predicted settlement shows the accuracy of the proposed method in comparison to other methods, which were more accurate than the SPT or CPT based predictions. In general, predictions based on in situ parameters from seismic measurements are closer to the measured settlement under service loads.Keywords: Immediate settlement, shallow foundation, granular soils, shear wave velocity, maximum stiffness
-
Pages 23-29
T h e u n c e r t a i n t y i n h e r i t e d i n t h e b e h a v i o r o f a s t r u c t u r e c o u l d c a u s e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e r e s u l t s o f t h e a n a l y t i c a l m o d e l a n d t h e a c t u a l b e h a v i o r o f t h e s t r u c t u r e. T h e p r o b a b i l i s t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a t e r i a l, e r r o r s i n t h e c o n s t r u c t i o n, a n d t h e u n c e r t a i n t y o f t h e s e i s m i c l o a d s c o u l d a c c o u n t f o r m a j o r c a u s e s o f d i s c r e p a n c y b e t w e e n a n a l y t i c a l r e s u l t s a n d t h e a c t u a l r e s p o n s e o f t h e s t r u c t u r e. I n t h i s r e g a r d, i n e v i t a b l e u n c e r t a i n t i e s i n t h e b e h a v i o r o f t h e s y s t e m s h o u l d b e r e c o g n i z e d a n d t h e p r o b a b i l i t y o f t h e f a i l u r e o f t h e s t r u c t u r e s h o u l d b e c a l c u l a t e d f o r t h e d e s i r e d l e v e l o f p e r f o r m a n c e. T h e a v a i l a b i l i t y o f s o p h i s t i c a t e d c o m p u t a t i o n a l t o o l s p r o v i d e s t h e e n g i n e e r i n g s o c i e t y w i t h t h e o p p o r t u n i t y o f e s t i m a t i n g t h e p e r f o r m a n c e o f s t r u c t u r e s b y c o m p u t i n g t h e p r o b a b i l i t y o f o c c u r r e n c e f o r a s p e c i f i c s t a t e i n t h e s t r u c t u r e. S i m u l a t i o n t e c h n i q u e s, s u c h a s M o n t e C a r l o s i m u l a t i o n, a r e e f f i c i e n t a n d p r o m i s i n g c o m p u t a t i o n a l m e t h o d s i n t h e c o n t e x t o f r e l i a b i l i t y a n a l y s e s t o o b t a i n t h e r e q u i r e d k n o w l e d g e a b o u t t h e p r o b a b i l i s t i c b e h a v i o r o f s t r u c t u r a l s y s t e m s. I n t h i s p a p e r, t h e e f f e c t o f t h e t u n e d m a s s d a m p e r (T M D) o n t h e p e r f o r m a n c e o f s t e e l m o m e n t-r e s i s t i n g f r a m e s h a s b e e n s t u d i e d u s i n g t h e M o n t e C a r l o s i m u l a t i o n t e c h n i q u e. T h e f a i l u r e p r o b a b i l i t y f o r t h e s t o r i e s o f t h e s t r u c t u r e h a s b e e n c a l c u l a t e d, b a s e d o n t h e r e l a t i v e d i s p l a c e m e n t o f e a c h s t o r y. T h e c a p a c i t y a n d s t i f f n e s s o f t h e s t r u c t u r a l e l e m e n t s h a v e b e e n m o d e l e d t h r o u g h t h e p r o b a b i l i s t i c f i b e r-d i s c r e t i z e d s e c t i o n s f o r e a c h e l e m e n t. A l s o, t h e p r o b a b i l i s t i c e f f e c t o f s e i s m i c l o a d i n g h a s b e e n t a k e n i n t o a c c o u n t, b y g e n e r a t i n g r e c o r d s w i t h f u l l y s t o c h a s t i c c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e t i m e a n d f r e q u e n c y d o m a i n. T h e u n c e r t a i n t y i n t h e d a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c s a n d s e i s m i c m a s s o f t h e s t r u c t u r e i s a l s o c o n s i d e r e d. T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t f o r f a r-f i e l d e a r t h q u a k e s w i t h l o w m e a n p e r i o d, T M D c o u l d r e d u c e t h e f a i l u r e p r o b a b i l i t y o f t h e s t r u c t u r e, w i t h d i f f e r e n t e f f e c t s o n e a c h s t o r y. T h e m a x i m u m d e n s i t y o f r e l a t i v e d i s p l a c e m e n t h a s b e e n s h i f t e d t o w a r d s s m a l l v a l u e s, m a i n l y f o r h i g h e r s t o r i e s, b y u s i n g t h e T M D o n t h e r o o f s t o r y o f t h e s t r u c t u r e.
Keywords: Failure probability, tuned mass damper, probabilistic model, steel moment, resisting frame -
Pages 31-45Nowadays, basic isolation is an extensive technology that is applied in many countries, and the construction basics of their different types are well known. It seems that inventors have an inevitable interest in this concept and, so, they propose innovative base isolation systems each year. Many of these systems are not applicable, and may be, in some cases, perilous, but their numbers are vastly growing, year by year. In recent years, the damage to well designed structures, due to ground motion, has attracted the attention of engineers to near-field sources of motion and their effects on building performance. Triple Friction Pendulum Bearings (TFPBs), as an adaptive seismic isolator, with different stiffness and damping properties, can guarantee the seismic performance of an upper structure for long periods and amplitudes of near-field ground motion. TFPBs are made of multiple concave surfaces with different friction coefficients. The magnitude of displacement will cause a transition of sliding on surfaces, and produces appropriate damping and stiffness. Hence, optimization of effective design parameters for an objective performance is critical. First, the behavior of TFPBs is investigated to identify its dominant design parameters on the response of structures, such as story drift, roof acceleration and displacement of isolated levels. Then, a specific numerical optimization method, based on Genetic Algorithms, has been applied to determine the optimum value of these parameters to achieve the minimum response of the structure. In this process, near-field ground motion with different characteristics, such as a pulse period, at different hazard levels has been used. As the results of GA analysis shows, it was realized that the optimum design parameters have significantly different optimum intervals for different target responses. So, different response targets were combined linearly, to make a new fitness function. The partnership coefficients of each single objective function can be chosen by the desire of the designer. The superstructure was assumed to have rigid behavior, so, the vibration period of the structure adheres to the TFPB period. Thus, optimum design parameters can be used for different types of superstructure with the same behavior.Keywords: Triple friction pendulum, Near, field, Genetic Algorithm
-
Pages 47-60In this paper, some material and geometrical nonlinear effects, and methods of second order nonlinear advanced analysis are investigated. Numerical methods are used to investigate the effect of replacing concentric braces on steel frame performance. Three, six, ten and twenty story 2D frames with eight different arrays of braces and four loadings are analyzed. ANSYS finite element software was utilized to perform second order nonlinear analysis and Lateral Load-Displacement curves were drawn. Curves linear regression was calculated to define new lateral stiffness showing the frames performance. The method used in this investigation is plastic region second-order nonlinear analysis and is applied to structural system analysis, based on the modified finite element method. The plastic-elastic hinge model refers to the simplest analysis. By comparison, the plastic-elastic region model illustrates the most reformations. The plastic region analysis method models plastic development in the whole structure. This method is performed in two ways. The first one is lattice, using finite element, and the second is based on the Beam-Column theory. The second order nonlinear analysis used in this paper enumerated plastic region advanced analysis, and includes nonlinearity in geometry and material, like second order effects (P-$\pounds$ and P-$\Delta$), redistribution of internal loads, because of plastic region formation, lateral stiffness degradation, based on steel yielding, and shear deformations. To apply all the mentioned factors in the analysis, many methods and codes were suggested by other authors. For example, the AISC-LRFD code applies an effective length factor, enhancement factor and interaction design term of the mentioned factors in analysis and design. The reason is because of the low quality of computers when codes were originally established. Second order nonlinear advanced analysis could apply all the mentioned terms in the design procedure directly. This method assimilates analysis and design, so, designers do not need different codes. It is hoped that these methods will be used as a common structural analysis/design method by developing computers. Each analysis that could determine the strength and stability of structural systems and isolated members in such a way that does not need to control isolated members capacity and the definition of effective length coefficient is enumerated as advanced analysis. This method gives much information to designers about the behavior of structures exposed to external loads and environmental conditions. In this investigation, a BEAM element was utilized to model structures. Results show that applying the method used in ANSYS could determine the frame ultimate loading coefficient of ``Vogel Frame'' by 3 percent tolerance, compared to the plastic region analysis method and plastic hinge analysis. Performing about eighty analyses denoted that changing bracing arrays could increase or decrease ultimate strength, ultimate displacement and lateral stiffness multiple times. To increase the ultimate strength coefficient, the best option is using an X-brace frame. Furthermore, applying diagonal bracing in off side spans could decline the lateral displacement of the structure. Frames without a bracing system and with Chevron and eccentric bracing systems demonstrate the most nonlinearity.Keywords: Brace, nonlinear geometric, nonlinear material, second, order effects, inelastic effects, ANSYS
-
Pages 61-67Shell foundations are structures which derive their strength from geometry rather than mass. This quality enables them to obtain maximum structural integrity with a minimum consumption of construction materials. The use of shells in the field of foundation engineering has drawn considerable interest in different parts of the world. Shell foundations of different shapes have been investigated, on the structural and geotechnical side, at the elastic stage. Because closed-form solutions are extremely complex, especially at ultimate and nonlinear stages, the present investigation has resorted to numerical analysis by the finite element method, using the ABAQUS analysis package. The conical shell is the simplest form of shell that can be employed in foundation engineering, due to its singly curved surface. Reinforced concrete conical shell foundations have been taken up for these studies. There is close agreement between the analytical and test results, and to show that, the results of the test conducted on the elastic model of a conical shell footing by Kurian (2006) have been represented in this paper and compared with finite element results. The behavior of concrete, soil and bars has been studied in nonlinear form for these kinds of shell foundation. The Mohr-Coulomb plasticity model is used to model soils with the classical Mohr-Coulomb yield criterion. The concrete damaged plasticity model provided in ABAQUS is used for the analysis of concrete. The results presented reveal the general superiority of conical shell foundations. The increasing settlement rate of a shell foundation increases with increasing the load. This is because of the nonlinear behavior of soil and concrete and the decrease in stiffness of these materials. Maximum settlement is shown under the center of the shell foundation, beneath the load. The settlement of the edge of the shell is less than at the center of the shell. But, this difference is not so sensible, because of the high stiffness of shell foundations, and is about 9\% for the condition of this investigation. The resistance of the system is increased by increasing the angle of the cone wall. This increase has an optimum angle, which is about 40 degrees. There is about 90\% increase in bearing capacity for the optimum angle of the reinforced concrete cone shell foundation compared to its flat counterpart.Keywords: Conical shell foundation, finite element method, reinforced concrete, soil structure interaction
-
Pages 69-75Risk allocation is commonly defined by the owner through tender documents. The clients commonly transfer the responsibility of most of the risks to contractors. This one-sided attitude regarding risk allocation, however, probably has unfavorable effects on both client and contractor costs. This research presents a model based on the bargaining game theory, in which the behavior of contracting parties in quantitative risk allocation negotiation processes is modeled. Bargaining is a situation in which players have a common interest to cooperate, but have conflicts on how to cooperate exactly. The most important characteristics of the theory are that the results are determined under perfect information, by rational players, with positive discount rates, having a realistic bargaining protocol, immediate settlement, and a unique equilibrium with no time loss. In order to perform the quantitative risk allocation, the client and contractor costs (payoffs) are determined at different percentages of risk allocation. Having determined the client and contractor payoffs, the common interval between the player's acceptable risk allocation percentage is determined. The bargaining process isthen done between the client and contractor to share the benefits. The fuzzy inference system is used to determine the size of the player's discount factor, based on the values of different influencing factors. The size of the discount factor plays an important role in the final results, and in reaching an equitable agreement. The proposed approach models the realistic behavior of contracting parties in the riskallocation negotiation process, which is similar to the player's behavior in a game, and determines a desirable and equitable risk allocation strategy between the client and contractor. To evaluate the performance of the proposed method, it is employed in a pipelineproject, and a quantitative risk allocation is performed for the inflation risk, as one of the most important identified risks.Keywords: Quantitative risk allocation, fuzzy logic, game theory, bargaining game theory
-
Pages 77-85Silty sands contain sulfates, which are the main constituents of the central desert of Iran. Due to the presence of sulfates, a dilative behavior is observed. Also, the unconfined compressive strength of this kind of soil is negligible. These two mentioned reasons make it an unsuitable construction material for roads. In order to make it an applicable material in road construction, it should be effectively stabilized. In this study, to investigate the behavior of stabilized silty sands, two different additives, microsilis and lime, were added to the built samples in different percentages. Then, the unconfined compressive strength (UCS) test, California bearing ratio (CBR) and swelling test were conducted on the stabilized samples. Furthermore, to truly study and interpret the changes in the soil structure as a consequence of stabilization, the SEM technique, scanning electron microscope, was implemented. The results obtained from the experimental study show that adding microsilica microsilis and lime together to the sulfate silty sand was conducive to causing a considerable rise in the value of the CBR number. Moreover, the swelling potential of the samples was decreased by adding the additives, and actually decreased the swelling of the samples. Nevertheless, adding 1\% lime without any amount of microsilis considerably increased their swelling potential. In addition, the results conferred from the scanning electron microscope emphasized that by adding microsilica microsilis to the samples, crystalline textures will be made in the internal structure of the samples. As an important result, the mixture of 1\% microsilis-1\% lime was shown to be the optimum additive for usage in construction projects, and made the samples show unconfined compressive strength 12 times higher than the intact samples.Keywords: Silty sand, soil stabilization, microsilis, lime, CBR, unconfined compressive strength, swelling potential
-
Pages 87-96The assessment of structural seismic response is often done by selecting ground motion records that conform to the seismic hazard conditions of the objective site, and which can be obtained based on probabilistic seismic hazard analysis (PSHA). A common recordselection practice suggests selecting seven records that are compatible with the dominant earthquake scenario in a given site. The selected records are then scaled (if necessary) to match the design level of the uniform hazard spectrum (UHS). Many research results have shown that using the UHS leads to a significant bias in structural response assessment. The conditional mean spectrum (CMS) has been recently proposed as an alternative to the uniform hazard spectrum (UHS) for employment as a target spectrum in ground motion record selection. The CMS provides the expected response spectrum، conditional to the occurrence of a target spectral acceleration value in the period of interest. The correlation of $\varepsilon$ values in different periods is considered in CMS development, but conventional regression analysis has been applied to measure the degree of correlation of $\varepsilon$ values in different periods, and the influence of outlier data has not been studied. Outliers are sample values that cause surprises in relation to the majority of samples. The main objective of this paper is to reveal an important drawback in the procedure for calculation of CMS. The authors believe that the developed procedure for CMS leads to a spectral shaped anomaly that is not consistent enough with real ground motion. A robust regression analysis is proposed in this paper to improve the current CMS, which is based on a conventional regression analysis. Robust regression is an important tool for analyzing data that are contaminated with outliers. Robust regression analysis works by assigning a weight to each data point. Weighting is done ``automatically and iteratively using a process called'' iteratively reweighted least squares. The results show that the proposed robust CMS significantly differs from the conventional CMS, especially for higher periods of interest. The shape of the robust CMS represents rare ground motion in a more reliable manner, compared with conventional CMS.
-
Pages 97-106
Numerical modeling of soil behavior is known as a new method for predicting soil sample behavior under each test, to reduce test costs used in the laboratory. Triaxial testing is one of the most common soil mechanics tests to determine the shear strength parameters of soil. Due to the excessive use of triaxial test results, numerical modeling is necessary to predict the behavior of soil under triaxial testing. This paper presents a numerical model to predict the behavior of clayey sands under consolidated-undrained triaxial testing. It is important to predict the relationship between stress and strain to describe soil behavior. The stress-strain curve of clayey sand soils during consolidated-undrained triaxial testing has been simulated using a finite element model, based on the cam-clay constitutive model. A series of triaxial compression tests was carried out on Firoozkooh sand with a different percentage of clay (0-15 percent) and different relative densities. These tests were carried out under two different confinement pressures (100, 400 kPa); low and high. For the modeling of these tests, a back analysis method is selected. In this method, the results of triaxial tests under high confinement pressures are used as the base data, and, based on simulation results, the strength parameters are determined using back analysis. The cam-clay constitutive model has several parameters to predict soil behavior. These parameters are predicted using the back analysis method and, so, soil behavior is predicted. After this step, triaxial tests under low confinement pressures are simulated with suggested parameters, and the results are compared with the same experimental results. If there is no good agreement between results, the cycle of modeling is restarted. Finally, the numerical results are compared with experimental results, which showed good agreement. Moreover, the effect of clay on the behavior of sand is also investigated and discussed. As a result of modeling, the graphs of q-$\varepsilon$ (deviator stress-axial strain), u-$\varepsilon$ (pore water pressure-axial strain) and q-$p'$ (stress path) are obtained to predict the clayey sand behavior.
Keywords: numerical modeling, stress, strain, triaxial test (consolidated, undrained), clayey sand, back analysis -
Pages 107-116This study has introduced, described and compared the performance of two popular integration methods for implementing complicated equations of soil models. Generally speaking, all methods can be classified into two categories of Explicit and Implicit approaches. Two famous methods of the implicit approach, the Closest Point Projection Method (CPPM) and the Cutting Plane Method, (CPM), which are defined under the framework of the Return Mapping algorithm, are considered in this study. Both the Cutting Plane Method and the Closest Point Projection Method are employed in order to implement an advanced critical two-surface model, published by M.T. Manzari and Y.F. Dafalias, in 1997, for sand. Since the CPPM and CPM methods are implicit, it has a great advantage, as both sizes of steps remain stable. A common weakness of both methods can handle the complexity of numerical integration methods for other types of integration method (explicit) named. As a result, the current research confirms that, as complicated as the Closest Point Projection Method is, it remains strongly stable in order to integrate equations under conditions of large strain and displacement, such as the liquefaction phenomenon. On the other hand, compared with the Closest Point Projection Method, the Cutting Plane Method is not only more precise and accurate, but also much faster. Additionally, the Cutting Plane Method benefits from an undeniable simplicity against the Closest Point Projection Method. Somewhat importantly, this study aims, by presentation of both the strong and weak points of each method simultaneously, to aid researchers in selecting a reasonable method, with regard to special conditions and the limitations of each problem.Keywords: closest point projection, cutting plane, explicit integration, implicit integration, plasticity model. \
-
Pages 117-123Scour at bridge abutments is one of the most prevalent causes of bridge failure, which may result in traffic disturbance and even loss of life. Hence, predicting the depth of a scour hole before bridge design and construction to prevent failure is essential. In this paper, using a CFD model, scour at a vertical-wall bridge abutment was simulated. The model has been used to solve a three dimensional, transient, Navier-Stokes equation. A nonlinear RNG turbulence model was used for modeling of the flow field near the abutment, where horseshoe vortices are formed and turbulent flow is more dominant. The sediment scour model uses two concentration fields: suspended sediment and packed sediment. The suspended sediment advects and drifts with the fluid, due to the influence of the local pressure gradient. The packed sediment represents sediment that is bounded by neighboring sediment particles, and eroded when it becomes suspended sediment. Suspended sediment can become packed sediment if fluid conditions are such that the sediment drifts towards the packed bed more quickly than it is eroded away. According to the results, the horse shoe vortices developed upstream of the abutment, and wake vortices developed downstream of it, and negative velocities have been observed in laboratory results. Mesh sensitivity analysis has been done to find the best mesh for predicting flow and scour depth. The results showed that the larger mesh predicts scour depth better. However, if the mesh becomes very large, because of large errors in the developed flow depth, the scour depth may be predicted wrongly. The maximum scour depth in each three mesh analysis has been overestimated, but, due to the complexity of scour phenomena and the large number of parameter effects, its overestimation is acceptable. It was found that there is good quantitative and qualitative agreement between the experimental results and results of this study.Keywords: Scour, bridge abutment, CFD
-
Pages 125-132One of the most economical and fast ways in rehabilitation is the use of energy dissipaters in the format of additional dampers. The friction damper is acommon damper used in a wide range of applications, due to its dynamic behavior and manner of working. In this paper, we will discuss the effects of the use of a mounted friction damper at the junction of a chevron brace with a floor beam. For this purpose, two frames were designed, a bar frame and an equipped frame, which is of two types: same and story shear ratio distributed. The most important part of friction damper design is determination of optimum slip load. So, frames equipped with a damper in a domain of different slip loads were analyzed using Perform 3D. And the load with the least answer of the structure was chosen as the optimum slip load of the damper. After designing the damper, time history analyzed each of the bar frames and equipped frames. The results of the analyses of the two frames, including absolute displacement, story share, input, strain and dissipated energy, axial force of columns, hinges and inelastic performance levels, were compared. The results show that the use of a damper in the same distribution could reduce story displacement between 47.28 to 60.71 percent, and story shear ratio could reduce story displacement between 60.7 to 69.29 percent. Furthermore brace shear force in the same distribution reduces 28.7%, while, in shear ratio distribution, reduced 52.3%. All the absorbed energy is reduced and dissipated energy is increased. Altogether, the shares of input and strain energies in the bar frame in comparison with the equipped frame are reduced. Because of the nonlinear behavior transmission of structure members to the dampers, the number of hinges is reduced nearly to zero. In most cases, the equipped frames with safer indices show higher levels of performance.Keywords: steel frame, friction damper, FBP, chevron brace, optimum slip load, performance levels
-
Pages 133-141The coupling of individual wall piers via steel coupling beams has shown more lateral stiffness and strength than coupled shear wall systems with concrete beams. In order to obtain the desired behavior of these systems, the coupling beams must be sufficiently strong and stiff, yield before the wall piers, behave in a ductile manner, and exhibit significant energy absorbing characteristics. Therefore, the seismic response of coupled shear wall systems is strongly dependent on the hysteretic characteristics of coupling beams, and the evolution of the behavior of these beams is very important and necessary under cyclic loading. In this paper, in order to increase the structural performance of concrete coupled shear walls, a new and simple model of a steel coupling beam with a diagonal web stiffener is proposed, which can be used instead of conventional steel coupling beams with standard or vertical stiffeners, designed based on the Iranian code for steel structure design criteria. For validation of the coupled wall sub-assemblage model in this study, the finite element results were verified with experimental results using Abaqus 6.10.1 software. Then, a numerical study was done and the results were compared with the behavior of steel coupling beams with a standard stiffener. A collection of parametric studies on 30 models, with respect to two dimensionless parameters, under cyclic loading, was carried out. These two parameters were the web compactness ratio, i.e. ratio of height to the web thickness of the beam, and the horizontal diagonal stiffener angle. Analysis results show that a diagonal web stiffener is capable of increasing steel coupling beam performance, in terms of stiffness, strength, energy dissipation and, in some cases, rotation capacity, which lead to a decrease in the depth of the section. Furthermore, to achieve optimum performance, some different geometrical conditions for diagonal stiffeners were investigated and it was concluded that stiffeners should be installed at a 30-degree angle from the horizontal.Keywords: Steel coupling beam, shear wall, diagonal stiffener, cyclic loading, seismic response