منحنی های شکنندگی یا Fragility Curve در مهندسی عمران

منحنی های شکنندگی

منحنی های شکنندگی …………………………………………………………………………………………….

2-1 منحنی های شکنندگی لرزه­اي……………………………………………………………………………………………..

2-1-1 منحنی های شکنندگی تجربی………………………………………………………………………………………..

2-1-2 منحنی های شکنندگی بر اساس قضاوت مهندسی……………………………………………………………..

2-1-3 منحنی شکنندگی تحلیلی………………………………………………………………………………………..

2-1-4 منحنی شکنندگی ترکیبی……………………………………………………………………………………………….

2-2 توابع شکنندگی………………………………………………………………………………………………………………..

2-3 حالات خرابی در دستورالعمل HAZUS…………………………………………………………………………..

2-4 دستورالعمل HAZUS……………………………………………………………………………………………………

2-4-1 طبقه­بندی ساختمان­ها در HAZUS……………………………………………………………………………..

2-4-2 منحنی شکست در HAZUS………………………………………………………………………………………

2-5 پیشینه­ی تحقیق………………………………………………………………………………………………………………..

2-5-1 پژوهش جوزف کارلو مارانو و همکاران…………………………………………………………………………

2-5-2 مطالعات روییزگارسیا و همکاران…………………………………………………………………………………..

2-5-3 مطالعات شکنندگی در تایوان برای زلزله­ی چی­چی………………………………………………………….

2-5-4 مطالعات میشاییل تانتالا و جورج دوداتیس………………………………………………………………………

2-5-5 مطالعات اربریک و ال­ناشی…………………………………………………………………………………………..

2-5-6 سایر مطالعات……………………………………………………………………………………………………………..

منابع

منحنی های شکنندگی لرزه­ای

منحنی های شکنندگی، احتمال خرابی متناظر با یک حالت خرابی معین را در چندین سطح از جنبش­ هاي لرزه ­اي زمین بیان می­کند. در واقع منحنی شکنندگی، نسبت بین شدت زمین ­لرزه و سطح خرابی لرزه­ اي محتمل را توصیف می­کند. جهت تعیین دقیق چنین نسبتی انتخاب صحیح شدت زلزله در منطقه­ ی  سازه­ي تحت بررسی مهم می­باشد. از شاخص ­هایی که شدت زلزله را بطور مناسب جهت تحلیل شکنندگی معرفی می­نمایند می­توان از بیشینه شتاب زمین PGA، بیشینه سرعت زمین PGV، بیشینه تغییر مکان زمین  PGDنام برد. این منحنی ­ها را می­توان از تحلیل رگرسیون منطقی اطلاعات خرابی واقعی یا شبیه­ سازي شده و یا روش­هاي حل عددي بدست آورد.

با توجه به اینکه آسیب ­پذیری لرزه ­ای زمانی رخ می­دهد که احتمال فراگذشت سازه از سطح خرابی تعریف شده وجود داشته باشد، گسیختگی زمانی رخ می­دهد که سازه­ی موجود نتواند شرایط لازم برای سطح عملکرد تعریف شده را ارضا کند.

استفاده از منحنی شکست برای ارزیابی رفتار سازه­ ها و خطر ناشی از زلزله، در دو دهه ی اخیر به طور گسترده ­ای توسط جامعه­ی علمی مورد استفاده قرار گرفته است. روش منحنی شکست یک امتیاز مهم دارد و آن امتیاز، این است که آسیب ­پذیری سازه و مؤلفه­های آن را با یک روش ساده نشان می­دهد و اجازه می­دهد که سطح خرابی مورد انتظار برای شدت زلزله­ی معین را تخمین بزنیم ( مارانو ،2009)^[1].

روش­ های مختلفی برای تهیه­ی منحنی شکست وجود دارد که مهم­ ترین آنها به شرح زیر است:

• روش تجربی^[2] یا آزمایشگاهی
• روش قضاوت مهندسی^[3]
• روش تحلیلی^[4]
• روش ترکیبی ^[5]که توضیحات مربوط به هر روش در ادامه آمده است.

منحنی های شکنندگی تجربی

منحنی های شکنندگی بر اساس مشاهدات اطلاعات مربوط به آسیب ­های سازه ­ای به دست آمده از زلزله­ های گذشته به دست می­آید. این منحنی­ها انواع مختلف سازه را مشخص نمی کنند. یعنی تأثیر پارامتر های مکانیکی ساختمان، عملکرد ساختمان ( استاتیکی یا دینامیکی )، تغییرات ورودی (حوزه ی فرکانسی ) و … در نظر گرفته نمی شود. بنابراین این روش برای تعیین سطح خرابی یک سیستم خاص مناسب نمی­باشد.

منحنی های شکنندگی تجربی، اغلب همراه با کمبود داده می­باشند و فقط قابل استفاده در مناطق محدود هستند ولی از آنجایی که منحنی های شکنندگی تجربی برگرفته از مشاهدات خسارت­ هاي ناشی از زلزله­هاي واقعی روي سازه هستند، نقش اجتناب ­ناپذیري در مطالعه روي منحنی ­هاي شکنندگی ایفا  می­کنند. منحنی هاي شکنندگی تجربی در صورت تعیین براساس داده­ هاي خرابی به تعداد کافی       می­توانند به عنوان معیار در برآورد صحت منحنی های شکنندگی تحلیلی و آن دسته از منحنی ­هاي آزمایشگاهی که فقط تحت شرایط آزمایشگاهی ایجاد می­شوند، مورد استفاده قرار داده شوند ( نیلسن، 2005 ).

منحنی های شکنندگی تجربی دارای محدودیت ­های زیر می­باشند:

• محدودیت اول این است که دست ­یابی به تعداد کافی از یک سازه­ی خاص که در یک سطح خرابی قرار می­گیرند، بسیار سخت و حتی غیر ممکن است. این محدودیت، موردي است که رسیدن به نتایج آماري دقیق را مشکل می­کند( شینوزوکا ، 1998 ). از این رو باید تعداد کافی از سازه ­هایی که تحت یک حالت خرابی واقع می­شوند در دسترس باشند. بنابراین اعتبار این نوع منحنی­ هاي شکنندگی کاهش می­یابد.
• محدودیت دوم وابستگی نتایج به ثبت شدت ­هاي زمین­ لرزه می­باشد ( باسوز و کیرمدجان، 1999 )
• محدودیت سوم، مغایرت نظرات بازرسین در اختصاص سطوح خرابی است ( باسوز و کیرمدجان، 1999 ).

از این رو عدم قطعیت­ هاي زیادي در منحنی های شکنندگی تجربی وجود دارد و استفاده از این روش در مناطقی که تجربه­ی تعداد زلزله­های کافی را نداشته باشند قابل قبول نیست.

منحنی های شکنندگی بر اساس قضاوت مهندسی

   این منحنی­ ها بر اساس قضاوت و تجربه ی متخصصین مربوطه، در مورد سازه­ی مورد مطالعه تهیه می شوند و عدم قطعیت زیادی دارند. یکی از مهم­ ترین عدم قطعیت ­ها ناشی از قضاوت مهندسی است که به تجربیات و تعداد متخصصین وابسته است و دیگری به تعداد تیپ ­های سازه­ های مورد بررسی بستگی دارد. این عدم قطعیت­ ها تأثیر زیادی در پاسخ­ ها دارند، اما امکان کمی کردن آنها وجود ندارد    ( نیلسن، 2005 ).

منحنی های شکنندگی تحلیلی

هنگامی که اطلاعات خرابی واقعی کافی درباره­ی مدل مورد مطالعه و داده ­های زمین­لرزه در دسترس نباشند، منحنی­ های شکنندگی تحلیلی جهت ارزیابی عملکرد سازه­ ها مورد استفاده قرار می­گیرند         ( نیلسن، 2005).

منحنی شکست تحلیلی با استفاده از شبیه ­سازی عددی یا تحلیل تصادفی سازه­ های قرار گرفته در معرض رکورد های مصنوعی به دست می­آید. با این روش می­توان آسیب ­پذیری انواع مختلف سازه­ ها را بدون داشتن تجربه­ی زمین ­لرزه­ی زیاد ارزیابی کرد ( یامازاکی،  2003).

طبقه­ بندی ساختمان ­ها در HAZUS

   تقسیم ­بندی کلی سازه­ها از نظر کاربری در دستورالعمل HAZUS شامل سازه­های مسکونی، تجاری، صنعتی، کشاورزی، مذهبی، دولتی و آموزشی و… می­باشد. علاوه براین انواع سازه­ها از لحاظ سیستم ساختمانی نیز طبقه­بندی شده­اند. اطلاعات مورد نیاز برای تحلیل و ارزیابی احتمال وقوع خرابی در اثر زلزله با طبقه­بندی و نوع سازه­ها ارتباط دارد. در واقع هدف اصلی از تقسیم­بندی انواع مختلف سازه­ها این است که ساختمان­هایی که ویژگی­های مشابهی دارند و احتمالاً در اثر زلزله نیز دچار خرابی مشابهی   می­شوند در یک طبقه قرار بگیرند.

در تقسیم بندی سازه­ها، ارتفاع آنها نیز در نظر گرفته شده است تا از این طریق تفاوت پریود سازه­ها و سایر پارامترهای طراحی که با ارتفاع سازه مرتبط هستند، در ارزیابی خطرات لرزه­ای در نظر گرفته شود.

علاوه بر این موارد تقسیم بندی­های دیگری نیز برای سیستم حمل و نقل شامل سیستم­های بزرگراهی، راه­آهن، سیستم حمل و نقل اتوبوس، فرودگاه و بندرگاه درنظر گرفته شده است.

دستورالعمل HAZUS انواع سازه­ها را از لحاظ روش طراحی به 4 گروه طبقه بندی کرده است که شامل موارد زیر می­باشد:

• حالت طراحی High- code  طبق استانداردهای طراحی لرزه­ای.
• حالت طراحی Moderate-code طبق استاندارد­های طراحی لرزه­ای.
• حالت طراحی Low-code طبق استانداردهای طراحی لرزه­ای.
• حالت طراحی Pre-code که شامل ساختمان­هایی است که طبق ضوابط لرزه­ای طراحی نشده­اند.

منحنی شکست در HAZUS

یکی از روش­هایی که برای ارزیابی آسیب­پذیری لرزه­ای در HAZUS مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از منحنی های شکنندگی می­باشد. در منحنی شکنندگی، احتمال وقوع هریک از حالات خرابی معرفی شده در مقابل مقادیر مختلف PGA مورد بررسی قرار می­گیرد.

اطلاعات مورد نیاز برای تخمین خرابی سازه­ها با استفاده از منحنی های شکنندگی به شرح زیر می­باشد:

• نوع سیستم ساختمانی، ارتفاع ساختمان و نوع طراحی لرزه­ای.
• طیف پاسخ یا مقدار PGA در منطقه­ای که ساختمان در آن واقع شده است.

نهایتاً،منحنی های شکنندگی احتمال رسیدن یا فراگذشت سازه را از هریک از حالت­های خرابی را در مقادیر مختلف PGA نمایش می­دهد از این منحنی­ها می­توان برای تخمین خسارات فیزیکی، مالی و اجتماعی استفاده کرد. شکل 2-4 یک نمونه منحنی شکست بر حسب جابجایی طیفی در مقابل احتمال رسیدن یا فراگذشت از 4 حالت خرابی را ارائه می­دهد.

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات ، پیشینه تحقیق و مبانی نظری پایان نامه های مهندسی عمران کلیک کنید.

نمونه ای از منابع لاتین منحنی های شکنندگی

• Algan, B., 1982. Drift and Damage Considerations in Earthquake-Resistant Design of Reinforced Concrete Buildings, PhD thesis, Department of Civil Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign.
• Altug Erberik, M., Amr S. Elnashai, 2004. Fragility  analy sis of flat-slab structures. Journal of Engineering Structures ,pp. 937-948.
• Bakhshi & karimi.1385.Method of developing Fragility Curve a case Study for seismic Assement of Masonry Building in IRAN.
• Banon, H., Biggs, J. M., Irvine, M., 1981. Seismic Damage in Reinforced Concrete Frames. ASCE, Journal of Structural Engineering, Vol. 107, No. ST9, pp.1713-1729.
• Basoz ,    and  Kiremidjian,  Anne,  S.,  1996. Risk  Assessment  for  Highway Transportation Systems.  Report No.NCEER-118,  John A. Blume Earthquake  Engineering Center.
• Basoz, ,  Kiremidjian  ,  A.,  king,  S.A.,  and  law  ,  K.H.,  1999.    Statistical  analysis  of bridge  damage  data  from  the  1994  Northridge  , CA  ,  Earthquake  ,  earthquake spectra,vol.15,no.1.
• Bouc R. Forced vibration of mechanical systems with hysteresis. In: Proceedings of the 4th conf. on nonlinear oscillation. 1967.
• Y and V. Bertero. 2001. Improved shaking and damage parameters for post-earthquake applications. SMIP01 seminar Proceedings.
• Clough RW, Penzien J. Dynamics of structures. New York: McGraw-Hill, Inc.;1977.
• Deodatis, G., Shinozuka, M., Saxena,  , 2000. Effect of spatial  variability of Ground motion  on  bridge  fragility  curves. , 8th ASCE  Specialty conference on probabilistic Mechanics and structural reliability.
• Porter.M. 2003. The Economic Performance of Regions. Carfax Publishing.
• Earthquake loss  estimation  Hazus  – MH MR5. Technical & User’s Manual.
• FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY.2000. FEMA 356.
• ….
• ….