نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

تحلیل عملکرد لرزه‌ای قاب‌های خمشی فولادی با استفاده از میراگرهای ویسکوز: رویکردی ترکیبی با تحلیل دینامیکی افزاینده (IDA)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
دانشیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد ارومیه، ارومیه، ایران
چکیده
زمینه و هدف: کنترل تغییرمکان‌های جانبی و جلوگیری از پدیدۀ فروپاشی در سازه‌های بلند، همواره یک چالش مهندسی بوده است. این پژوهش با هدف ارزیابی جامع و مقایسه‌ای رفتار لرزه‌ای این قاب‌ها در دو حالت سازۀ بدون میراگر و سازۀ مجهز به میراگرهای ویسکوز انجام شده است. ضرورت این مطالعه در ارائۀ درکی واقع‌نما از کارایی سیستم‌های اتلاف انرژی فعال در بهبود شاخص‌های عملکردی سازه تحت زلزله‌های شدید نهفته است.
روش پژوهش: در این مطالعه، دو سازۀ فولادی سه‌بعدی ۱۲ و 16 طبقه با پیکربندی‌های مختلف هندسی در نرم‌افزار SAP2000-V19 مدل‌سازی شدند. تمامی مدل‌ها بر اساس ضوابط استاندارد ۲۸۰۰ (ویرایش چهارم) برای پهنه با خطر لرزه‌خیزی بسیار زیاد و خاک نوع ۳ طراحی شده‌اند. برای دستیابی به ارزیابی دقیق، در مجموع ۱۶ مدل سازه‌ای (شامل ۸ مدل بدون میراگر و ۸ مدل مجهز به میراگر ویسکوز) تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی (Pushover) و تحلیل دینامیکی فزاینده (IDA) قرار گرفتند. در تحلیل IDA، سازه‌ها تحت مجموعه‌ای از رکوردهای زلزلۀ مقیاس‌بندی‌شده تا مرحلۀ آستانۀ فروپاشی مورد سنجش قرار گرفتند.
یافته‌ها: نتایج حاصل نشان داد که پارامترهای هندسی، تأثیر به‌سزایی بر پاسخ لرزه‌ای دارند؛ به‌گونه‌ای که تغییر مقاطع ستون، منجربه افزایش معنادار دریفت طبقات و ارتقای سطح آسیب‌پذیری سازه می‌شود. همچنین افزایش تعداد و طول دهانه‌ها در راستای Y، سختی جانبی را بهبود بخشیده و موجب کاهش تغییرمکان جانبی مطلق سازه می‌شود. یافته‌های کلیدی حاصل از IDA و Pushover هم‌سو بوده و تأیید می‌کنند که استفاده از میراگرهای ویسکوز منجربه کاهش قابل‌توجه پراکندگی نتایج تحلیل دینامیکی و افزایش ظرفیت جذب انرژی می‌شود. میراگرها توانسته‌اند تغییرمکان‌های مطلق و نسبی را در تمامی سطوح شدت زلزله، از سطح بهره‌برداری تا فروپاشی، به شکل مؤثری تعدیل نمایند.
نتیجه‌گیری: تحلیل‌های انجام‌شده به وضوح نشان می‌دهد که میراگرهای ویسکوز با افزایش آستانۀ شتاب قابل‌تحمل سازه، منحنی‌های ظرفیت را به سطوح ایمن‌تری جابه‌جا می‌کنند. این سیستم‌ها نه‌تنها پایداری سازه را در برابر فروپاشی بهبود می‌بخشند، بلکه با کاهش پاسخ‌های لرزه‌ای، موجب کاهش هزینه‌های تعمیرات احتمالی پس از زلزله می‌شوند. از منظر کاربرد مهندسی، بهینه‌سازی توأم پارامترهای هندسی مقاطع و استفاده از میراگرهای ویسکوز به‌عنوان یک راهکار کارآمد برای ارتقای تاب‌آوری لرزه‌ای در ساختمان‌های بلندمرتبۀ فولادی توصیه می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Seismic Performance Assessment of Steel Moment Frames Using Viscous Dampers: A Hybrid Approach with Incremental Dynamic Analysis (IDA)

نویسنده English

Ashkan KhodaBandehLou
Associate Professor, Department of Civil Engineering, Urmia Branch, Islamic Azad University, Urmia, Iran
چکیده English

Background: Controlling lateral displacements and preventing collapse in high-rise structures has always been a major engineering challenge. This study was conducted with the aim of providing a comprehensive and comparative evaluation of the seismic behavior of such frames in two conditions: structures without dampers and structures equipped with viscous dampers. The significance of this research lies in offering a realistic understanding of the effectiveness of energy dissipation systems in improving the structural performance indices under severe earthquake excitations.
Methods: In this study, two three-dimensional steel structures with 12 and 16 stories and different geometric configurations were modeled in SAP2000-V19. All models were designed in accordance with the provisions of the fourth edition of Iranian Standard 2800 for a site located in a very high seismic hazard zone and classified as Soil Type III. To achieve an accurate assessment, a total of 16 structural models, including 8 models without dampers and 8 models equipped with viscous dampers, were subjected to nonlinear static (pushover) analysis and Incremental Dynamic Analysis (IDA). In the IDA procedure, the structures were evaluated under a set of scaled earthquake ground motion records up to the collapse threshold.
Results: The results indicated that geometric parameters have a significant influence on the seismic response. In particular, changes in column sections led to a meaningful increase in interstory drift and consequently intensified the structural vulnerability level. Moreover, increasing the number and length of spans in the Y direction improved the lateral stiffness and reduced the absolute lateral displacement of the structures. The key findings obtained from both IDA and pushover analyses were consistent and confirmed that the use of viscous dampers significantly reduces the dispersion of dynamic analysis results and enhances the energy dissipation capacity of the structures. The dampers were able to effectively mitigate both absolute and relative displacements at all earthquake intensity levels, from the serviceability state to collapse.
Conclusion: The conducted analyses clearly demonstrate that viscous dampers, by increasing the acceleration threshold that the structure can withstand, shift the capacity curves toward safer performance levels. These systems not only improve the structural stability against collapse, but also reduce post-earthquake repair costs by decreasing seismic demands. From an engineering application perspective, the simultaneous optimization of geometric section parameters and the use of viscous dampers is recommended as an efficient strategy for enhancing seismic resilience in high-rise steel buildings.

کلیدواژه‌ها English

Steel Moment Frame
Viscous Damper
Modal Strain Energy
Nonlinear Static Analysis
IDA Analysis
[1] Andersen, J., Arnold, C. (2009), “Design of Earthquake-Resistant Structures”, Translated by A. Sharifi and R. Tehran University Publishing Center, pp.39. (in Persian)
[2] Ministry of Roads and Urban Development, Technical Deputy, Infrastructure and Production Affairs, Executive Engineering System Affairs, Consultants and Contractors, Road, Housing and Urban Development Research Center, Research Deputy, General Buildings and Facilities Implementation Organization, (2018), Guideline for the Use of Dampers in Design and Retrofitting of Buildings (766), pp.113-115. (in Persian)
[3] Shariati, A., Kamgar, R., and Rahgozar, R. (2020), “Optimum layout of nonlinear fluid viscous damper for improvement the responses of tall buildings”, International Journal of Optimization in Civil Engineering, 10(3), pp.411-431.
[4] Huergo, I.F., Hernández-Barrios, H., and Patlán, C.M. (2020), “A continuous-discrete approach for pre-design of flexible-base tall buildings with fluid viscous dampers”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 131, pp.106042.
[5] Milanchian, R., and Hosseini, M. (2019), “Study of vertical seismic isolation technique with nonlinear viscous dampers for lateral response reduction”, Journal of Building Engineering, 23, pp.144-154.
[6] De Domenico, D., and Ricciardi, G. (2018), “Improved stochastic linearization technique for structures with nonlinear viscous dampers”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 113, pp.415-419.
[7] Akehashi, H., and Takewaki, I. (2020), “Comparative investigation on optimal viscous damper placement for elastic-plastic MDOF structures: transfer function amplitude or double impulse”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 130, pp.105987.
[8] Bargi, K. (2015), “Principles of Earthquake Engineering”, University of Tehran Press, pp. 416-417. (in Persian)
[9] Babaei, M., and Moradi, M. (2019), “Multi-objective optimization of semi-active structural control using viscous dampers by means of the imperialist competitive algorithm”, Journal of Construction and Steel Research, 18(25), pp.45-46. (in Persian)
[10] Ministry of Roads and Urban Development, (2013), “Iranian National Building Regulations, Part 10: Design and Construction of Steel Structures”, 4th edition, pp.220. (in Persian)
[11] Hashemi, M.R., Vahdani, R., Gerami, M., and Kheyrodin, A. (2020), “Viscous damper placement optimization in concrete structures using colliding bodies algorithm and story damage index”, International Journal of Optimization in Civil Engineering, 10(1), pp.57-70.
[12] Sudheer kumar, K., and Vinod,Y. (2019), “Seismic  Response  Analysis  of  Rc  Framed Structure Using Dampers”, International Journal of  Recent Technology and  Engineering, 7(6c2), pp.377. 
[13] Zolekar, MissShital, Sagade, Prof, .A.V. (2019), “Effect of Viscous Dampers on Response Reduction Factor for Rc Frame Using Response Spectrum Analysis”, International Research Journal of Engineering and Technology, 6(7), pp.3597- 3598.
[14] Hu, G., Wang, Y., Huang, W., Li, B., and Luo, B. (2020), “Seismic mitigation performance of structures with viscous dampers under near-fault pulse-type earthquakes”, Engineering Structures, 203, pp.109878.
[15] Kookalani, S., and Shen, D. (2020), “Effect of Fluid Viscous Damper parameters on the seismic performance”, Journal of Civil Engineering and Materials Application, 4(3), pp.141-153.
[16] Shen, H., Zhang, R., Weng, D., Ge, Q., Wang, C., and Islam, M.M. (2020), “Design method of structural retrofitting using viscous dampers based on elastic–plastic response reduction curve”, Engineering Structures, 208, pp.109917.
[17] Standard 2800 (2015), “Iranian Code of Practice for Seismic Resistant Design of Buildings (4th edition)”, Road, Housing and Urban Development Research Center. (in Persian)[18] lakshmishireenbanu, S., Ushasri, P. (2019), “Study of Seismic Energy Dissipation and Effect in Multistory RC Building with and without Fluid Viscous Dampers.”,International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, 8(7), pp.2482-2485.
[19] Jiao, X., Zhao, Y., and Ma, W. (2018), “Nonlinear dynamic characteristics of a micro-vibration fluid viscous damper”, Nonlinear Dynamics, 92(3), pp.1167-1184.
[20] Moradpour, S., and Dehestani, M. (2019), “Optimal DDBD procedure for designing steel structures with nonlinear fluid viscous dampers”, In Structures, 22, pp.154-174.
[21] Ministry of Roads and Urban Development, (2020), “Iranian National Building Regulations, Part 9: Design and Construction of Reinforced Concrete Buildings”, 5th edition, pp.350-351. (in Persian)
[22] Vice Presidency for Technical Affairs, Office of Technical Affairs, Criteria Development and Earthquake Risk Reduction, (2013), Guidelines for Seismic Retrofit of Existing Buildings (Publication 360). (in Persian)
[23] Ministry of Roads and Urban Development, (2019), “Iranian National Building Regulations, Part 6: Loads on Buildings”, 4th edition. (in Persian)
 [24] FEMA P-695, (2009), Quantification of building seismic performance factors, Washington (DC): Federal Emergency Management Agency.

  • تاریخ دریافت 28 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 20 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 25 دی 1404
  • تاریخ اولین انتشار 15 فروردین 1405
  • تاریخ انتشار 15 فروردین 1405