تحليل اندركنش خاك-سازه با استفاده از روش اجزا محدود طيفي و طراحي سازه با استفاده از مدل BIM

Soil-structure interaction analysis using finite element method,spectral and structural design using BIM models.

چكيده در تحليل وطراحي سازه ها با تكيه گاه گيردار معمولا از اثر اندركنش بين پي وخاك وعدم صلبيت كامل پاي ستون صرف نظر مي شود . اين عمل هنگام طراحي سازه هاي مهم ، مهندسان را نسبت به قابليت اعتماد سيستم هنگام زلزله دچار ابهام مي كند ؛ چرا كه لايه خاك به عنوان يك واسط بين سازه وبستر سنگي مي تواند از يك طرف باعث تغيير در نيروهاي پديد آمده در سازه و از طرف ديگر به عنوان تكيه گاه باعث تغيير در ماهيت نيروهاي وارده شود . لذا اهميت مطالعه براي شناخت اثرات ناشي از اندركنش خاك وسازه هنگام زلزله ، غيرقابل انكار است . در اين مطالعه در راستاي رسيدن به اين هدف شش سازه بتني چهار ،12 ، 20 ، 28 ، 36 و 44 طبقه بر روي سه نوع خاك نرم ، متوسط و سخت مورد بررسي قرار گرفته و مدل ها به صورت سه بعدي توسط نرم افزار Abaqus ، با استفاده از روش اجزاي محدود طيفي ، آناليز شده اند . روش اجزا محدود طيفي در واقع تركيبي از روش اجزا محدود ،سختي ديناميكي و تحليل طيفي است و مزيت هاي هر سه را يكجا دارد . بنابراين در اين رساله سعي بر آن شده تا با استفاده از توانمندي‏هاي روش‏هاي طيفي در حوزه‏ي فركانس و زمان، از اين روش‏ها در تحليل سازه‏ها تحت اثر بار متحرك و بررسي انتشار موج استفاده گردد. اگرچه از مطرح شدن روش اجزاء محدود طيفي در حوزه‏ي فركانس بيش از دو دهه مي‏گذرد، اما در بسياري موارد احتياج به توسعه و بررسي بيشتري دارد. نتايج بدست آمده براي تغيير مكان طبقات و نيروي محوري ستون ها نشان مي دهد اثرات اندركنش خاك-سازه در خاك هاي سخت قابل چشم پوشي است وبراي ساختمانهاي واقع بر خاك هاي نرم به وي‍ژه ساختمانهاي بلند غير قابل اغماض مي باشد . همچنين سازه ها با استفاده از نرم افزار Autodesk Revit مهمترين پلاتفرم وابزار BIM ، طراحي شده اند . وقابليت تبادل اطلاعات مدل BIM با ديگر نرم افزار هاي عمومي طراحي سازه نظير Etabs ، Safe Sap,بررسي شد . نتايج بدست آمده نشان مي دهد BIM يك حركت از ساختار طراحي به سبك آنالوگ ، به سمت ديجيتال است كه اساس مدلسازي ، بر داده هاي اصلي استوار بوده و به صورت اطلاعاتي از پروژه ايجاد مي شود . طراحي سازه در روش سنتي تا حد زيادي متكي بر نقشه هاي دوبعدي بود .مدل سازي اطلاعات ساختمان باعث گسترده تر شدن اين روش يعني افزايش سه بعد فضايي اوليه (عرض ، ارتفاع ، وعمق ) ، زمان بعنوان بعد چهارم (D4) و هزينه بعنوان بعد پنجم (D4) وغيره شد . با استفاده از امكانات آناليز انرژي در نرم افزارهاي تحت BIM در مصرف انرژي ساختمان ها صرفه جويي مي شود ؛ بنابراين BIM چيزي بيش از هندسه را پوشش مي دهد . كما اينكه روابط فضايي ، تجزيه وتحليل نور ، اطلاعات جغرافيايي و مقدار و خواص اجزاي ساختمان نيز جزيي از آن به حساب مي آيد.مهمترين اثرات اندركنش خاك-سازه به صورت افزايش پريود مد اول ونسبت ميرايي سازه مشاهده مي شود لذا هدف از مطالعه اندركنش خاك-سازه ، كاهش اثرات ناشي از آن در تحليل سازه مي باشد وهمچنين هدف از ارائه BIM در طراحي سازه ، كاهش هزينه و صرفه جويي در انرژي مي باشد . كلمات كليدي : اندركنش خاك وسازه، اجزاي محدود طيفي ، مدل اطلاعات ساختمان

Abstract: In analysis and design of structures with fixed supports often the interaction between foundation and soil and lack of complete rigidity of the column base are neglected. This causes confusion for the engineers with respect to the system reliability during the earthquake especially when designing important structures. Because the soil layer as the medium between structure and rock bed could cause change in the forces created in the structure and on the other hand as a support causes change in the nature of the exerted forces. Thus the importance of studying effects due to interaction between soil and structure during the earthquake could not be denied. In this research to achieve this goal a total number of six concrete structures with 4, 12, 20, 28, 36 and 44 stories are investigated which resting upon three soil types namely soft, intermediate and stiff soils. The models are analyzed in 3D form using Abaqus software and applying the spectral finite element method. The spectral finite element method is a combination of the finite element method, dynamic stiffness and spectral analysis and possesses the advantages of all the three. Therefore in this thesis attempt is made that using the capabilities of the spectral methods in the domain of frequency and time, these methods be applied for the structures analysis under the moving load and for investigation of the wave propagation. Although it is more than two decades since introduction of the spectral finite element method in the frequency domain but it needs more development and examination in many aspects. The obtained results for displacements of the stories and also the columns axial loads exhibit that the effects of soil-structure interaction in stiff soils could be overlooked but for the buildings located on the soft soils especially the tall buildings it could not be neglected. Also the structures are designed utilizing the Autodesk Revit software which is the most important platform and tool for BIM. Furthermore, the capability of BIM model in linking data between other general software for structural design including Etabs, Safe and Sap was investigated. The obtained results show that BIM is a movement from the design by analog style toward the digital one. Here the basis of modeling is laid upon the main data which are created as information about the project. Design of a structure in the traditional method was to a large extent dependent on the 2D drawings. The Building Information Modeling causes extension of this method i.e. it increases upon the three primary spatial dimensions (width, height and depth), with time as the fourth dimension (D4) and cost as the fifth dimension (D4) etc. Using the capability of energy analysis in the software working under BIM, one could make saving in the energy consumption in buildings. Thus BIM covers something more than just the geometry. Although the spatial relationships, light analysis, geographical information and the amount and properties of the building components are among its constituent elements. The main effects of soil-structure interaction are seen in the form of increased first mode period and the structure damping ratio. Therefore the goal of studying soil-structure interaction is to reduce the effects associated with it in the structure analysis. Also the aim of BIM application in the structure design is reduction in the cost and saving in the energy. Keywords: Soil and structure interaction, Spectral finite element , Building Information Model.