بکارگیری انرژی ورودی برای بهینه سازی ویژگی های هیسترتیک سازه ها(مطالعه موردی بر روی قابهای خمشی فولادی)

در روش طراحی بر اساس انرژی، هدف تامین ظرفیت اتلاف انرژی در سازه در برابر نیاز به مقدار انرژی لرزه ای ورودی است. در سالهای آغازین فلسفه طراحی بر اساس انرژی، انرژی ورودی عمدتا مستقل از ویژگی های سازه، از جمله توزیع سختی در ارتفاع فرض می شد. همچنین فرض می شد که در محدوده وسیعی از پریود، انرژی ورودی حتی مستقل از پریود بوده و مقدار طیفی آن ثابت می باشد. تمرکز این رساله، پژوهش بر روی اعتبار این فرض، و مطالعه بر روی امکاناتی است که با کنار گذاشتن آن، در طراحی بهینه سازه ها بدست می آید. ابتدا نشان داده شد که فرض ثابت بودن مقدار طیفی انرژی ورودی صرفا فرضی ساده کننده است، آنگاه امکان یافتن یک توزیع بهینه سختی برای کمینه کردن انرژی ورودی نشان داده شد. در مرحله بعد برای سازه های با رفتار برشی و در محدوده خطی، توزیع بهینه معرفی و نشان داده شد که برای سازه های میان مرتبه این توزیع را می توان سهموی و برای سازه های بلندتر، شکل منحنی زنگی در نظر گرفت. انرژی ورودی وقتی کمینه است که توزیع بهینه سختی موجب یکنواختی جابجایی های نسبی طبقات گردد. علی رغم بهینه بودن توزیع بدست آمده، اختلاف در انرژی ورودی حاصل قابل توجه ارزیابی نشد. برای آزمودن تاثیر عملی توزیع سختی بدست آمده، چهار قاب ساختمانی فولادی 5 ، 12، 16 و 20 طبقه و برای هر قاب سه توزیع یکنواخت، پله ای و بهینه طراحی و تحلیل غیر خطی شدند. نتایج حاصله نشان دادند که عملا تاثیر توزیع سختی در کاهش شاخص های انرژی اندک، اما در کاهش شاخص های خسارت چشمگیر می باشد. به این معنی که اگر تاثیر نوع توزیع سختی بر شاخصهای پایه همچون برش پایه، انرژی ورودی و انرژی هیسترتیک در حد 10 درصد باشد، تاثیر آن بر روی شاخصهای خسارت انگ-پارک یا خشائی-محرز بیش از 25 درصد خواهد بود. موضوع بعدی رساله بررسی تاثیر اقتصادی توزیع سختی است. مطابق بررسی بعمل آمده توزیع بهینه سختی موجب کاهش وزن اسکلت میشود اما درصد کاهش، بطور متوسط بیش از 6 درصد نخواهد بود. در این رساله بررسی جامعی نیز برروی انواع طیفهای پاسخ و ارتباط پریودهای غالب آنها با یکدیگر انجام گرفته است. ابتدا نشان داده شد که پریود غالب طیف های پاسخ جابجایی، شبه سرعت و شبه شتاب مستقل از نوع تحریک، جایگاه کاملا مشخصی نسبت به یکدیگر دارند؛ به این معنا که پریود غالب طیف پاسخ شبه شتاب همواره کوچکتر از دو طیف دیگر، و پریود غالب طیف جابجایی همواره بزرگتر از دو طیف دیگر می باشد. در مورد طیف پاسخ انرژی ورودی، با استفاده از نگره ارتعاشات تصادفی و دو فرض ساده کننده مانا و ارگودیک بودن فرایند زلزله، اثبات شد که ، اولا پریود غالب طیف انرژی ورودی بزرگتر از پریود غالب طیف شبه شتاب است و در ثانی قرار گیری آن بین پریودهای غالب شبه سرعت و شبه شتاب دارای احتمال بیشتری است. در بررس طیفهای انرژی ورودی در محدوده غیر خطی سازه ها مشاهده گردید که در یک ضریب شکل پذیری ثابت، انرژی ورودی و هیسترتیک با مربع شتاب اوج شتاب متناسب است. برای این مشاهده یک اثبات ریاضی ارایه شد.