. 28
فصل2: مبانی تحلیل خطر زلزله. 29
2-1- مقدمه. 29
-2-2 زلزله. 30
2-3- هدف گزارش. 30
2-4- محاسبه قدرت زمین لرزه. 30
-5-2 تفاوت Earthquake Risk و Earthquake Hazard. 31
2-6- مدل های چشمه های لرزه ای. 32
-7-2 گسل ها. 33
-8-2 تحلیل خطر زمین لرزه( Earthquake Hazard Analysis ) 35
تعریف تحلیل خطر لرزه ای: 35
سطوح خطر زلزله. 35
مطالعات لرزه زمین ساخت :. 36
برآورد پارامترهای لرزه خیزی :. 37
برآورد پارامترهای جنبش نیرومند زمین :. 37
خطرزائی. 39
فصل3: پهنه بندی لرزه ای. 41
3-1- پهنه بندی لرزه ای :. 41
3-2- بررسی عوامل موثر در وقوع زمین لغزش ها. 43
3-3- اولویت بندی عوامل موثر. 43
3-4- تهیه نقشه پراکنش زمین لغزش ها. 43
3-5- تهیه نقشه های عوامل موثر. 44
-6-3 روش های پهنه بندی لرزه ای. 44
-7-3 پهنه بندی لرزه ای به روش تعیینی (Deterministic Approach):  45
داده های قرن بیستم. 45
داده های تاریخی. 46
محاسبه بزرگای پتانسیل چشمه از طریق روابط ارائه شده که براساس طول موثر گسل می باشد.. 46
شناسائی چشمه های لرزه زا. 48
3-7-5- تعیین زمین لرزه کنترلی برای پارامترهای جنبش زمین. 49
انتخاب روابط كاهندگی برای پارامترهای جنبش زمین. 51
3-7-7- محاسبه پارامترهای طراحی جنبش زمین. 63
3-8- پهنه بندی لرزه ای به روش احتمالاتی (Probabilistic Approach):  64
3-8-1- شناسایی منابع لرزه ای و بررسی لرزه خیزی منطقه. 64
3-8-2- محاسبه رابطه بین فراوانی زلزله ها و بزرگای آنها ( توزیع بزرگا و محاسبه متوسط میزان رخ داد زمین لرزه ها)، محاسبه چگالی و توزیع احتمال. 65
3-8-3- انتخاب رابطه كاهندگی (تخمین حرکت زمین ). 65
3-8-4- محاسبه و بدست آوردن منحنی خطر لرزه ای سایت مورد نظر. 66
3-8-5- فرضیات در روش PSHA.. 66
نقشه های خطر زلزله. 68
-3-9 برآورد خطر زمینلرزه به روش احتمالاتی تصحیح شده. 69
3-10- تعیین سرچشمه های لرزه زا. 71
3-10-1- عدم قطعیت فاصله ای. 71
3-10-2- عدم قطعیت در اندازه. 73
3-11- تعیین پارامترهای لرزهخیزی. 74
3-11-1- انواع مختلف بزرگاهای زلزله. 74
3-11-2- یكنواخت سازی فهرست نامه زمین لرزه ها. 76
3-12- ضریب لرزه خیزی. 77
3-12-1- خط برازش گوتنبرگ – ریشتر. 77
روش تخمین بزرگترین احتمال (MLE) 77
روش Kijko . 78
3-12-4- تخمین β به روش کیجکو:( آهنگ لرزه خیزی). 79
3-12-5- تخمین (آهنگ رویداد سالیانه برای بزرگای سطحی). 81
تخمین )حداكثر بزرگای قابل انتظار از نظرآماری)  82
3-13- پارامتر های لرزه خیزی در چشمه های بالقوه زمینلرزه. 82
3-13-1- نرخ رویداد متوسط سالانه زمینلرزه ها در چشمه های بالقوه زمینلرزه. 83
تابع توزیع احتمال زمین لرزه ها. 83
محاسبه پارامتر لرزه خیزی v یا میزان متوسط رخ داد زمین لرزه  84
دوره بازگشت، احتمال سالیانه وقوع و عدم وقوع زلزله. 85
مفهوم ریسک وقوع زلزله. 85
3-14- تابع توزیع فضایی. 86
3-14-1- عوامل کنترل کننده موثر. 87
میزان اطمینان از چشمه بالقوه زمینلرزه تعیین شده. 87
جایگاه تکنونیکی چشمه بالقوه زمینلرزه. 87
عناصر ساختاری. 87
خصوصیات فعالیت لرزه ای. 88
فصل4: تحلیل خطر منطقه قم. 90
4-1- چکیده. 90
-2-4 مقدمه. 91
-3-4 هدف از اجراء :. 93
-4-4 توجیه ضرورت انجام طرح. 93
4-5- زمین ‌ریخت ‌شناختی. 94
4-6- چینه شناسی واحدهای سنگی منطقه مورد مطالعه. 96
4-7- وضعیت خطرپذیزی لرزه ای استان قم. 97
4-8- ساختارهای منطقه مورد مطالعه. 97
-9-4 گسلهای فعال اصلی منطقه. 98
4-10- مشخصات گسل های فعال منطقه:. 114
4-10-1- بررسی بزرگای زلزله. 116
4-10-2- تخمین ماكزیمم شتاب زمین. 118
4-11- پارامترهای اندازه گیری Parameters Scaling. 120
4-11-1- گزارش زمینلرزه های مهم رخ داده. 120
4-11-2- زمینلرزههای دستگاهی. 121

4-11-3- توزیع سطحی رومرکز زلزله. 121
4-11-4- چگونگی توزیع زمانی زمینلرزهها. 122
4-11-5- توزیع بزرگای زمینلرزهها. 123
محاسبه بزرگی و فراوانی زمینلرزه ها به روش گوتنبرگ – ریشتر. 124
4-11-7- محاسبه بزرگی و فراوانی زمینلرزه ها به روش کیجکو – سلول. 125
برآورد دوره بازگشت زمین به روش کیجکو. 126
محاسبه، دوره بازگشت، احتمال سالیانه وقوع و عدم وقوع زلزله  127
4-11-10- محاسبه دوره بازگشت بر اساس درصد خطر و عمر مفید سازه. 127
4-11-11- محاسبه دوره بازگشت زلزله در استان. 129
4-12- تحلیل خطر قم به روش احتمالاتی (PSHA) 130
نمودار مربوط به حداکثر شتاب زمین (PGA) 130
-13-4 بر آورد خطر زمینلرزه به روش احتمالاتی تصحیح شده. 132
4-13-1- مشخصات گسل های فعال منطقه. 132
4-13-2- بررسی بزرگای زلزله. 134
4-13-3- تخمین شدت زلزله براساس طول چشمه و ماكزیمم شتاب زمین  135
نقشه های مربوط به حداکثر شتاب زمین (PGA) 137
4-14- مقایسه نتایج. 138
4-15- احتمال وقوع زلزله بر حسب دوره بازگشت در استان. 140
-16-4 سرعت موج برشی. 141
-17-4 طبقه بندی زمین. 141
4-18- پهنه بندی خطر زمین لغزش محدوده قم به روش قضاوت مهندسی. 150
چكیده. 150
4-18-2- مقدمه. 150
خصوصیات عمومی منطقه مورد مطالعه از نظر وجود عوامل زمین لغزش  150
روش انجام مطالعات. 152
روش تهیه نقشه پهنه بندی خطر زمین لغزش. 153
-19-4 تعیین طیف پاسخ شتاب زمین لرزه در ساختگاه. 157
4-19-1- چكیده. 157
4-19-2- طیف پاسخ. 157
طیف پاسخ شتاب جنبش زمین به روش احتمالاتی. 157
فصل5: نتیجه گیری. 160
5-1- مقدمه. 160
5-2- نتیجه گیری. 160
5-3- پیشنهادات. 162
منابع و مآخذ. 1623
پیوست. 1626
چکیده انگلیسی. 230
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست اشکال
شکل 1: نمای جانبی زمین. 17
شکل 2: نوع حرکت گسل ها. 18
شکل 3: ایالتهای لرزه زمینساختی ایران. 21
شکل 4: الف: حل صفحة گسل زمینلرزه های شرق ترکیه، قفقاز و شمال ایران   22
شکل 5: سازوكار كانونی زمینلرزه های شمال ایران. 23
شکل 6: نقشة گسلهای فعال سازوكار كانونی زمینلرزه ها و نواحی بیشینه تخریب زمینلرز ههای مخرب زاگرس. 25
شکل 7: گسلها و ساختارهای عمدة زون فرورانش مکران. 27
شکل 8: مدل های چشمه های لرزه ای در یک ایالت لرزه زمین ساخت. 32
شکل 9: ارتباط گسل فعال و ناشناخته. 34
شکل 10: تقسیم بندی گسل به قطعات كوچکتر. 35
شکل 11: توصیف منحنی خطر زلزله. 39
شکل 12: مراحل اساسی برآورد خطر زمینلرزه به روش تعینی. 47
شکل 13: انواع فاصله های چشمه لرزه زا تا سایت مورد نظر. 48
شکل 14: مقایسه چندین رابطه تجربی برای بدست آوردن زمین لرزه كنترلی   50
شکل 15: مراحل اساسی برآورد خطر زمینلرزه به روش احتمالاتی مرسوم   67
شکل 16: مراحل اساسی برآورد خطر زمینلرزه به روش احتمالاتی اصلاح شده   70
شکل 17: مثالهایی از هندسه های زون منابع مختلف. 72
شکل 18: تغییرات فاصله منبع تا محل برای هندسه های مختلف زون منبع   73
شکل 19: اثر سرعت لغزش گسل و اندازه زلزله بر پریود تکرار. 74
شکل20: محدوده محل سکونت شهر قم. 92
شکل 21: نقشه زمین شناسی شهر قم. 95
شکل 22: نقشه زمین شناسی جنوب قم. 96
شکل 23: نقشه پهنه رومرکزی زلزله. 98
شکل 24: تصویر ماهواره‌ای گسل خضر. 101
شکل 25: نقشه گسلهای بومی استان به فاصله 30 کیلومتری مرکز شهر   103
شکل 26: نقشه گسل قم – زفره. 105
شکل 27: تصویر ماهواره ای گسل رباط کریم. 108
شکل 28: گسل های فعال منطقه در محدوده ی شعاع مورد مطالعه به طول 150 کیلومتر.. 114
شکل 29:اهمیت فاصله ی گسل ها از ساختگاه را نشان می دهد. 118
شکل 30: پراکندگی زلزله های اتفاق افتاده در محدوده 150 کیلومتری استان قم.. 122
شکل 31: موقعیت چشمه های تعیین شده در منطقه قم. 133
شکل 32: عمق سنگ بستر لرزه ای شهر قم.. 143
شکل 33: نوع شرایط خاک در سراسر شهر قم.. 144
شکل 34: نقشه پهنه بندی شتاب افقی برای دوره بازگشت50 سال برای کل ناحیه.. 145
شکل 35: نقشه پهنه بندی شتاب افقی برای دوره بازگشت 475 سال برای کل ناحیه.. 145
شکل 36: نقشه پهنه بندی شتاب افقی برای دوره بازگشت 50 سال برای شهر قم. 147
شکل 37: نقشه پهنه بندی شتاب افقی برای دوره بازگشت 475 سال برای شهر قم. 148
شکل 38: نقشه پهنه بندی شتاب افقی استان برای دوره بازگشت 475 سال   149
شکل 39: نقشه استعداد زمین لغزش منطقه مورد مطالعه. 154
شکل 40: نقشه همباران منطقه مطالعاتی. 155
شکل 41: نقشه پهنه بندی خطر زمین لغزش منطقه مورد مطالعه. 156
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
جدول 1: پارامتر های ایالت های لرزه زمینساختی ایران.. 21
جدول 2: تخمین شدت زلزله بر اساس طول گسل.. 50
جدول 3: تعیین ضرایب GC و GB با توجه به نوع خاک.. 54
جدول 4: ضرایب رابطه كاهندگی بور برای محاسبه بزرگترین مؤلفه شتاب افقی.. 54
جدول 5: ضرایب مدل های کاهندگی.. 58
جدول 6: ضرایب مدل های کاهندگی برای منطقه البرز.. 59
جدول 7: ضرایب مدل های کاهندگی برای منطقه زاگرس.. 60
جدول 8: ضرایب رابطه زارع.. 62
جدول 9: ضرایب رابطه نوروزی.. 63
جدول 10: رابطه تجربی بین و Ms بدست آمده برای گستره های البرز، ایران مرکزی و زاگرس. 76
جدول 11: برآورد پارامترهای زلزله خیزی براساس زمینلرزه های ثبت شده در ایالت لرزه زمین ساختی ایران مركزی1997. 82
جدول 12: مشخصات گسل ها در محدوده ی 150 کیلومتری قم.. 115
جدول 13: مقدار بزرگای گسل ها.. 117
جدول 14: ماكزیمم شتاب افقی گسل ها.. 119
جدول 15: زمینلرزه های مهم رخ داده تاریخی تا شعاع 150 کیلومتری منطقه مورد مطالعه. 121
جدول 16: برآورد بزرگا بر اساس دوره بازگشت و همچنین تعداد رویداد زمین لرزه در یک دوره 113 ساله. 125
جدول 17: برآورد دوره بازگشت بر اساس بزرگا.. 126
جدول 18: برآورد بزرگا بر اساس دوره بازگشت.. 126
جدول 19: دوره بازگشت بر اساس درصد خطر و عمر مفید سازه.. 128
جدول 20: آهنگ رویداد سالیانه بر اساس درصد خطر و عمر مفید سازه.. 128
جدول 21: احتمال رویداد یک زمین لرزه بر اثر جنبایی سرچشمه خطی.. 131
جدول 22: هندسه چشمه های بالقوه زمینلرزه تعین شده در گستره قم.. 134
جدول 23: مقدار طولی از چشمه های مورد نظر که در محدوده ی 150 کیلومتری قرار دارد و مساحت چشمه و همچنین نزدیک ترین فاصله ی چشمه از شهر قم. 135
جدول 24: مقدار بزرگای گسل ها.. 136
جدول 25: احتمال رویداد یک زمین لرزه بر اثر جنبایی سرچشمه خطی.. 137
جدول 26: نتایج احتمال های محاسبه شده برای شتابهای مورد نظر.. 139
جدول 27: احتمال وقوع زلزله بر مبنای دوره بازگشت و بزرگا.. 140
 
 

فصل1: کلیات و ساختار زمین

1-1- عوامل موثر در جنبش نیرومند زمین :

بصورت كلی عوامل موثر در جنبش نیرومند زمین در اثر رویداد زمین لرزه را می توان در دو بخش مورد بررسی قرار داد، این دو بخش شامل ویژگی های چشمه لرزه زا، و شرایط ژئوتكنیک لرزه ای ساختگاه سازه ها می باشد. بنابراین هریک از بخش ها و نقش آنها در جنبش نیرومند زمین باید مورد بررسی قرار گیرد تا ویژگی های جنبش نیرومند زمین در شالوده سازه ها و بهینه كردن معیارهای طراحی سازه ها در برابر زمین لرزه تخمین و در محاسبات مورد استفاده قرار گیرد .{1}
 
 
 
 

1-1-1- ویژگیهای چشمه های لرزه زا :

رویداد زمین لرزه ها در بخش پوسته زمین ناشی از نیروهای زمین ساختی است كه برپایه تئوری زمین ساخت ورقه ای از سال ١٩٦٠ مطرح گردید در این تئوری بیان می شود كه سنگ كره از تعداد زیادی بلوكها بصورت ورقه تشكیل شده است كه این ورقه ها نسبت به یكدیگر در حال حركت می باشند. مرز این بلوكها همواره با رویداد زمین لرزه های بزرگ روبرو است. معتبرترین تشریح برای علت ایجاد حركت ورقه ها برپایه تعادل ترمودینامیک مواد تشكیل دهنده زمین استوار است. بخش فوقانی گوشته در تماس با پوسته سرد می باشد، درحالیكه بخش تحتانی در تماس با هسته داغ زمین است. بدیهی است كه بایستی یک گرادیان دما در گوشته برقرار باشد.
شکل 1: نمای جانبی زمین
تئوری زمین ساخت ورقه ای حركت نسبی ورقه ها را با توجه به سه نوع مرز (ورق های فرورانشی، گسترش جانبی و گسترش انتقالی)، به سادگی توصیف و تعیین می نماید. در دیگر موارد نیز ممكن است در اثر گسترش، لبه ورقه ها شكسته و سبب تشكیل ورقه كوچك تر یا خرد ورقه محصور بین ورقه های بزرگتر شود. حركت بین دو بخش از پوسته سبب انقطاع جدید یا پیشروی خطوط شكست موجود در ساختار زمین شناسی پوسته می شود كه به آن گسل می گویند. گسل ها بسته به نوع حركتشان به سه گروه اصلی دسته بندی می شوند که عبارتند از: گسلهای شیب لغز، امتداد لغز و یا تركیبی از آنها می باشد.
شکل 2: نوع حرکت گسل ها
تئوری بازگشت الاستیک بیان می كند كه وقوع زمین لرزه ها موجب آزادی تنش در امتداد بخشی از گسل می شود و تا زمانی كه تنش ها فرصت كافی برای ذخیره شدن مجدد را داشته باشند گسیختگی بعدی و یا به عبارت دیگر زمین لرزه بعدی اتفاق خواهد افتاد. از آنجائیكه زمین لرزه ها موجب رهاسازی انرژی جمع شده برروی گسل می شوند، وقوع آنها در محدوده ای كه فعالیت لرزه ای برای مدتی كم و یا اصلا اتفاق نیفتاده است محتمل تر است . با شناسایی حركات گسل در طی لرز ه خیزی گذشته و در امتداد آن می توان به نبود فعالیت لرزه ای در پاره ای از مكانهای آن پی برد.
با مطالعات لرزه زمین ساخت می توان از شكستگی ساختارهای زمین شناسی و هندسه آنها پیرامون ساختگاه سازه ها مطلع شد و نهایتا می توان مدل لرزه زمین ساختی یا درعمق برش لرزه زمین ساختی از آنها تهیه نمود و مخاطرات احتمالی گسلش زمین و یا رویداد احتمالی زمین لرزه برروی آنها را برای تخمین رویداد زمین لرزه های آتی و چگونگی ویژگیهای آنها پیش بینی نمود.
هندسه گسلها، زون خرد شده، نوع و سازوكار آنها می تواند در برآورد پتانسیل حداكثر زمین لرزه محتمل برروی آنها ما را كمك نماید و این امر در مطالعات زمین ساخت و لرزه زمین ساخت صورت می پذیرد. سن گسلها از عوامل مهم در رویداد زمین لرزه برروی آنهاست بطوریكه گسل های جوان از اهمیت بیشتری برخوردار هستند و مطالعات نو زمین ساخت می تواند كمك زیادی در كلاس بندی گسل ها از دیدگاه فعالیت لرزه ای داشته باشند.
معمولا روابط تجربی در پیوند با هندسه گسل، حداكثر توان لرزه زایی و میزان بیشینه جابجایی برروی آن وجود دارد كه تا حدودی در تخمین رویدادهای زمین لرزه ای آتی منطقه می تواند موثر واقع شود . بزرگای ز مینلرزه رابطه مستقیم با انرژی آزاد شده توسط زمین لرزه دارد.
یكی از ویژگیهای چشمه لرزه زا ژرفای كانونی زمین لرزه ها می باشد. تحقیقات و پژوهشهای زیادی برروی ژرفای كانونی زمین لرزه ها انجام شده است. بصورت كلی ژرفای زمین لرزه ایی كه در پیوند با حركت فرورانش ایجاد می شود نسبتا عمیق و ژرف می باشد كه تا عمق ٨٠٠ كیلومتری سطح زمین نیز گزارش شده است، ولی ژرفای كانونی زمین لرزه ایی كه در پیوند با گسترش جانبی اقیانوسی مشاهده شده كم عمق بوده و ژرفای آنها كمتر از ٢٠ كیلومتر می باشد و ژرفای كانونی زمین لرزه هایی كه با گسترش انتقالی در پوسته قاره ای مشاهده شده اند دارای ژرفای كمتر از پوسته زمین می باشند یعنی كمتر از ٦٠ كیلومتر . رویداد زمین لرزه های ایران بسیار سطحی بوده است و به جز منطقه مكران، تقریبا در تمام ایران كمتر از ٢٠ كیلومتر برآورد شده است و به همین دلیل لایه لرزه زا درفلات ایران را می توان بین ژرفای ١٠ تا ٢٠ كیلومتر درنظر گرفت.

1-1-2- ویژگیهای شرایط ژئوتكنیک لرزه ای ساختگاهی برجنبش نیرومند زمین :

شرایط ژئوتكنیک لرزه ای ساختگاهی بركلیه پارامترهای مهم جنبش نیرومند زمین نظیر دامنه، محتوی فركانسی و مدت دوام لرزش اثر قابل ملاحظه ای می گذارد. میزان تاثیر، تابع هندسه، خواص مصالح لایه های زیر سطحی، توپوگرافی ساختگاه و ویژگیهای امواج لرزه ای كه از چشمه لرزه زا تولید و از لایه های سنگی مختلف عبور نموده تا به پی سنگ ساختگاه وارد شود، میباشد.
طبیعت اثرات ژئوتكنیک لرزه ای ساختگاهی بر تقویت جنبش نیرومند زمین را می توان با بهره گیری از روش های مختلف مانند تحلیل ساده تئوری پاسخ زمین، اندازه گیریهای جنبش واقعی سطحی و زیرسطحی در همان ساختگاه و اندازه گیری جنبش نیرومند سطح زمین در ساختگاه هایی با شرایط متفاوت از ساختگاه موردنظر تشریح نمود.
اثرات هندسی سنگ بستر برروی جنبش نیرومند زمین تاثیر پذیر می باشد. گرچه بی قاعدگیهای توپوگرافی سنگ بستر موجب پراكنده ساختن امواج زمینلرزه شده و الگوهای پیچیده ای از تقویت یا كاهیدگی جنبش نیرومند زمین را ایجاد می كنند لیكن به هرحال جنبش نیرومند زمین در بالای ارتفاعات معمولا تقویت و تشدید می شوند.

1-2- ساختار تکتونیکی صفحات و لرزه خیزی منطقه

1-2-1- تکتونیک صفحات

اساس تئوری تکتونیک صفحات این است که تقریبا 12 صفحه اصلی سازنده لایه 70 تا 150 کیلومتری خارجی زمین هستند که به عنوان پوسته یا لیتو سفر شناخته می شوند. علاوه بر این می دانیم که این صفحات حرکت آرامی دارند و نیروی محرک آنها به طور کامل شناخته نمی شود. فرض می شود که موادی که زیر پوسته واقع شده اند و به عنوان آستنوسفر شناخته شده اند بدلیل اختلاف دمایی که در عمقشان وجود دارد حرکت می کنند. حرکت نسبی لایه های مجاور منجر به تغییر شکل و کرنش سنگ ها می شود، سنگ تغییر شکل یافته در نهایت شکسته و جایجا می شود که منجر به ایجاد زمین لرزه می شود. این گونه لرزه ها، لرزه های تکنونیکی هستند که می تواند در مرز صفحات یا داخل صفحات اتفاق افتد. {5}

1-2-2- ایالتهای لرزه زمینساختی ایران

ایالت لرزه زمینساختی، پهنه ای است كه تحت رژیمهای ژئودینامیكی كن ونی، دارای جایگاه تكتونیكی همانند و الگوی لرز هخیزی یكسان باشد (یی ١و همكاران، ١٩٩٥ ). با توجه به این مفهوم، میرزایی و همکاران (١٩٩٨) ایران را به پنج ایالت لرزه زمینساختی عمدة : ١- البرز – آذربایجان ٢- كپه داغ ٣- زاگرس ٤- ایران مركزی و شرق ایران و ٥- مكران، تقسیم کرده اند كه خصوصیات عمده آنها به اختصار به صورت زیر است. {5}
شکل 3: ایالتهای لرزه زمینساختی ایران(میرزایی 1977) {5}
 
جدول 1: پارامتر های ایالت های لرزه زمینساختی ایران{5}

فصل اول – مقدمه و کلیات تحقیق.. 1
1-1- مقدمه. 2
1-2- بیان مسأله. 2
1-3- اهداف تحقیق. 4
1-4- تعریف. 5
1-5- فرضیات تحقیق. 6
1-6- نوآوری‌های تحقیق. 6
1-7- ساختار پایان‌نامه. 6
 
فصل دوم – ادبیات و پیشینه تحقیق. 8
2-1- مقدمه. 9
2-2- روش های تحلیلی. 9
2-2- 1-تحلیل مدل سد-مخزن بدون در نظر گرفتن اثر اندر کنش  10
2-2- 1-1-بررسی روش وسترگارد. 12
2-2-2- حل چوپرا. 13
2-2-3- اثر اندرکنش سد و مخزن. 14
2-3-روش‌های عددی. 14
2-3-1- روش اویلری-لاگرانژی. 15
2-3-2- روش لاگرانژی- لاگرانژی. 15
2-3-3- ارزیابی روش‌های اویلری و لاگرانژی در مدل‌سازی مخزن  16
2-4- توسعه و کاربرد پیش تنیدگی. 18
2-4-1- اصول پیش‌تنیدگی. 19
2-4-1- 1-روش پیش کشیدگی. 20
2-4-1-2- روش پس کشیدگی. 20
2-4-2- توسعه روش پس کشیدگی. 20
2-4-2-1- سیستم چسبنده. 21
2-4-2-2- سیستم غیر چسبیده. 22
2-5- پس تنیدگی در سدها. 23
2-5-1- مقدمه. 23
2-5-2- مواد پس تنیدگی. 24
2-5-3- فواصل کابل‌ها. 25
2-5-4- صرفه‌جویی در حجم بتن. 26
2-5-5- تعیین مقدار نیروی پس تنیدگی در كابل‌ها. 26
2-5-6- پس تنیدگی در سدهای بتنی وزنی. 29
2-5-7- بررسی پس تنیدگی در سدهای بتنی وزنی توسط محققین  36
 
فصل سوم – روش تحقیق. 40
3-1- مقدمه. 41
3-2- روش‌های عددی برای تحلیل دینامیکی. 42
3-2- 1- ارزیابی روش‌های تحلیل دینامیکی. 43
3-2-2- مدل‌سازی زلزله جهت انجام تحلیل دینامیكی در نرم‌افزار Ansys…….. 44
3-2-2- 1-روش نیومارک. 45
3-3-مدل‌سازی سیستم سازه و سیال به روش اجزای محدود مبتنی بر نرم‌افزار Ansys 47
3-3-1- مقدمه. 47
3-3-2- مدل‌سازی محیط مخزن به روش اجزای محدود. 48
3-3-2-1- المان‌های سیال متکی بر تغییر مکان. 49
3-3- 2-2-Fluid80. 50
3-3-3- مدل‌سازی سازه سد به روش اجزای محدود. 52
3-3-3-1- المان Solid65. 52
3-3-3-2- رفتار المان Solid65 در حالت کلی. 54
3-3-3-3- رفتار خطی بتن. 55
3-3- 4- مدل‌سازی کابل‌ها با المان Link10. 55
3-3-5- مدل‌سازی صفحه سر کابل با المان Shell181. 56
3-3-6- مدل‌سازی اندرکنش مخزن و سازه به روش اجزای محدود  57
3-3-6-1– مدل سازی اندرکنش مخزن و سیال به روش لاگرانژی  58
3-3-7- مدل‌سازی اندرکنش سد و کابل‌های پس تنیدگی. 58
3-4- مدل‌سازی اثر نیروی پس تنیدگی در Ansys 58
3-5- تعیین سطح مقطع کابل. 59
 
فصل چهارم – تحلیل عددی و ارائه نتایج. 61
4-1- مقدمه. 62
4-2- شتاب نگاشت‌ها. 62
4-3- کنترل صحت مدل‌سازی. 64
4-3-1- روش مدل‌سازی…….. 65
4-3-2- تغییر مکان هیدروستاتیک در مخزن. 65
4-3-3- فشار هیدروستاتیک در مخزن. 67
4-3-4- بررسی تأثیر عرض کف در تحلیل استاتیکی. 67
4-3-4-1- سیستم سد-پی. 68
4-3-4-2- سیستم سد-پی-مخزن-کابل. 69
4-3-5- ارتعاش سد هارمونیک. 70
4-3-6- آنالیز سد Pine Flat…….. 71
4-3-6-1- مشخصات هندسی و فرضیات در نظر گرفته شده برای سد Pine Flat 72
4-3-6- 2- آنالیز مودال و تعیین ضرایب میرایی سیستم سد-پی-مخزن  72
4-3-6-3- آنالیز دینامیکی سد Pine Flat 73
4-4- نتایج تحلیل دینامیکی مدل سد پس‌تنیده تحت اثر زلزله  75
4-4-1- اثر پس‌تنیدگی بر تغییر مکان افقی تاج سد به روش اعمال نیروی ترکیبی…….. 75
4-4-2- اثر پس‌تنیدگی بر تغییر مکان افقی تاج سد به روش اعمال دما  81
4-4-3- اثر میزان حجم مخزن بر تغییر مکان افقی تاج سد. 88
4-4- 4- بررسی تاثیر پس‌تنیدگی بر تنش کششی و تغییر مکان در سد  90
4-5- فاصله مناسب کابل‌ها در سد پس‌تنیده. 97
1-روش استفاه از چند کابل در تعیین فاصله مناسب. 97

4-5-2- روش استفاده از یک کابل در تعیین فاصله مناسب…….  102
 
فصل پنجم – نتیجه گیری. 110
5- 1- مقدمه. 111
5-2- نتایج…….. 111
5-3- پیشنهادات……. 113
 
منابع:. 114

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
عنوان                                                                                                          صفحه
جدول 4-1- مشخصات مصالح سد بتنی وزنی پس‌تنیده در تحلیل خطی  64
جدول 4-2- پریود و فرکانس ارتعاش آزاد سیستم سد-پی-مخزن  73
جدول 4-3- میزان نیروی پس‌تنیدگی وارد شده به کابل و صفحه (MN)  75
جدول 4-4- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Taft 80
جدول 4-5- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Elcentro 80
جدول 4-6- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Taft 86
جدول 4-7- پاسخ افقی تاج سد تحت شیب‌های پایین‌دست مختلف در زلزله Elcentro. 86
جدول 4-8- نتایج تغییر مکان افقی تاج سد پس‌تنیده به روش ترکیبی(cm)  87
جدول 4-9- نتایج تغییر مکان افقی تاج سد پس‌تنیده به روش اعمال دما(cm). 87
جدول 4-10- پاسخ افقی تاج سد تحت ارتفاع‌های مختلف مخزن در زلزله Taft 89
جدول 4-11-پاسخ افقی تاج سد تحت ارتفاع‌های مختلف مخزن در زلزله Elcentro 89
جدول 4-12- میزان نیروی پس‌تنیدگی وارد شده به کابل و صفحه  90
جدول 4-13- حداکثر تنش کششی (kPa) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 95
جدول 4-14- حداکثر تغییر مکان افقی تاج سد (cm) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 95
جدول 4-15- حداکثر تنش کششی (kPa) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro 96
جدول4-16- حداکثر تغییر مکان افقی تاج سد (cm) تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 96
جدول 4-17- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 55/0 و 6/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 103
جدول 4-18- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 65/0 و 7/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 104
جدول 4-19- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 55/0 و 6/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 105
جدول 4-20- حداکثر تنش کششی در شیب‌های پایین دست 65/0 و 7/0 تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro . 106
جدول 4-21- درصد کاهش تنش کششی و تغییر مکان افقی در شیب‌های پایین دست مختلف تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 107
جدول 4-22- درصد کاهش تنش کششی و تغییر مکان افقی در شیب‌های پایین دست مختلف تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 108
 
 
 
فهرست اشکال
عنوان                                                                                                           صفحه
شکل 1-1- مدل سد-پی-مخزن-کابل سد بتنی وزنی پس‌تنیده. 5
شکل 2-1- مدل سد و مخزن مورد استفاده وسترگارد. 11
شکل 2-2- تغییرات فشار سهموی وسترگارد. 12
شکل 2-3- کابل‌های پس‌تنیدگی. 25
شکل 2-4- سد بتنی وزنی پس‌تنیده. 27
شکل 2-5- سدهای مقاوم‌سازی شده. 31
شکل 2-6- سدهای مورد مطالعه. 33
شکل 2-7- رشته‌های کابل مورد استفاده در سد منجیل جهت پس‌تنیده کردن. 33
شکل 2-8- نصب کابل‌های پس‌تنیده بر روی سد Ink. 35
شکل 2-9- مقطع سد بهسازی شده Ink. 36
شکل 3-1- رابطه فشار و کرنش حجمی در آب. 49
شکل 3-2- مشخصات هندسی المان Fluid80. 51
شکل 3-3- المان بتن Solid 65. 52
شکل 3-4- هندسه ترک و تنش‌ها. 53
شکل 3-5- المان Link10. 56
شکل 3-6- المان Shell181. 57
شکل 3-7- نمودار تنش-کرنش فولاد پر مقاومت. 60
شکل 4-1- به ترتیب شتاب نگاشت مؤلفه افقی زلزله Taft ؛ شتاب نگاشت مؤلفه قائم زلزله Taft ؛ شتاب نگاشت مؤلفه افقی زلزله Elcentro ؛ شتاب نگاشت مؤلفه قائم زلزله Elcentro. 63
شکل 4-2- مدل اجزای محدود سیستم سد-پی-مخزن. 66
شکل 4-3- مقایسه نتایج تغییر مکان تئوری و نرم‌افزار Ansys سیال مخزن در سیستم سد-پی-مخزن. 66
شکل 4-4- مقایسه فشار هیدرودینامیکی مخزن و Ansys سیال مخزن در سیستم سد-پی-مخزن. 67
شکل 4-5- مقایسه تنش قائم کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی با عرض کف 50 متر. 68
شکل 4-6- مقایسه تنش قائم کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی با عرض کف 70 متر. 69
شکل 4-7- مقایسه تنش قائم در کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی-مخزن-کابل با عرض کف سد 50 متر. 69
شکل4-8- مقایسه تنش قائم در کف سد در حالت تئوری و نرم‌افزار Ansys در سیستم سد-پی-مخزن-کابل با عرض کف سد 70 متر. 70
شکل4-9- پاسخ فشار در المان پاشنه سد صلب تحت مؤلفه افقی شتاب هارمونیک. 71
شکل4-10- مقطع هندسی مدل سد Pine Flat 72
شکل4-11- مدل اجزای محدود سیستم سد-پی-مخزن Pine Flat 74
شکل4-12- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat با در نظر گرفتن پی انعطاف‌پذیر تحت شتاب نگاشت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 74
شکل4-13- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 78/0 m= . 76
شکل 4-14- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 7/0 m=. 77
شکل 4-15- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 65/0 m=. 78
شکل4-16- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 6/0 m=. 79
شکل4-17- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 65/0 m=. 82
شکل4-18- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 7/0 m=. 83
شکل4-19- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 65/0 m=. 84
شکل4-20- پاسخ تغییر مکان افقی تاج سد Pine Flat به ترتیب تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Taft و تحت اثر مؤلفه‌های افقی و قائم زلزله‌ Elcentro در شیب 6/0 m=. 85
شکل4-21- مقایسه میانگین تغییر مکان افقی تاج سد در شیب‌های پایین‌دست مختلف به دو روش ترکیبی و اعمال دما. 88
7/0m=. 91
m=. 92
شکل 4-24- به ترتیب تنش قاتم در پاشنه سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft و تغییر مکان افقی تاج سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft در 6/0m=. 93
شکل 4-25- به ترتیب تنش قاتم در پاشنه سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft و تغییر مکان افقی تاج سد تحت اثر مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft در 55/0m=. 94
شکل 4-26- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 7/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله  Taft 98
شکل 4-27- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 65/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 98
شکل 4-28- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 6/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله  Taft 99
شکل 4-29- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 55/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Taft 99
شکل 4-30- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 7/0 m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 100
شکل 4-31- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 65/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 100
شکل 4-32- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 6/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 101
شکل 4-33- حداکثر تنش کششی پاشنه، در طول سد با 55/0m= تحت مؤلفه افقی و قائم زلزله Elcentro. 101
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل اول–مقدمه و کلیات تحقیق
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1-1- مقدمه
از آنجا که آب مایه‌ی حیات در زندگی بشر می‌باشد، جهت ذخیره‌سازی برای استفاده بهینه از آن روش‌های مختلفی بكار گرفته می‌شود كه ساخت سد از جمله مهم‌ترین ابزار جهت ذخیره آن بشمار می‌رود. سدها در جوامع صنعتی بناهای مهمی محسوب می‌شوند چرا که علاوه بر ذخیره آب، مصرف شرب و کشاورزی، جهت تولید انرژی نیز از آن می‌توان استفاده کرد.
در ابتدای صنعت سدسازی، سد‌ها كوچك بوده که با پیشرفت علم و تكنولوژی‌، سدها بزرگ و حجم مخزن پشت سد نیز افزایش یافته است بنابراین تخریب سدهای بزرگ در زمان زلزله می‌تواند موجب خسارات عظیمی به مناطق پایین‌دست سد شود لذا با پیشرفت علوم مهندسی در تحلیل سازه سد، سعی بر ساخت سدهایی با ابعاد بهینه، اقتصادی و ایمن شده است. از طرفی بالا رفتن عمر سدها می ­تواند موجب کاهش عملکرد مناسب آنها گردد ضمن اینکه با بالا رفتن استانداردهای ایمنی، داشتن برنامه‌های مختلف و وسیع نوسازی و مقاوم‌سازی ضرورت ارزیابی ایمنی این سازه­ها اجتناب ناپذیر می­گردد.
1-2- بیان مسئله
سدهای بتنی وزنی به دلیل ساختمان ساده، سهولت در ساخت، ایمنی، در هر ارتفاع دلخواه و در شرایط مختلف طبیعی از جمله در شرایط سخت زمستانی به طور وسیعی در دنیا مورد توجه قرار گرفته‌اند. سدهای بتنی وزنی در محل‌هایی که دارای پی مستحکم باشند، احداث می‌شوند. در سدهای بتنی وزنی عمده پایداری سد ناشی از وزن سد بوده و ممکن است درصدی از وزن آب نیز به منظور افزایش پایداری کمک گرفته شود. نام سدهای وزنی از كلمه Gravity به معنی ثقل و سنگینی گرفته شده است كه دلیل آن نیز مقاومت و پایداری این نوع سدها در برابر نیروهای اصلی مؤثر، یعنی فشار افقی آب در اثر وزن سازه می‌باشد.
امروزه با توجه به پیشرفت علوم در طراحی سازه سد و به دلیل نیاز به افزایش ارتفاع در برخی از سدها یا عدم مقاومت كافی برخی سدهای بتنی وزنی در برابر نیروهای مختلف از جمله نیروی زلزله و نیروی زیر فشار لزوم مقاوم‌سازی این سازه‌ها اجتناب‌ناپذیر می‌باشد. همچنین بسیاری از سدهای قدیمی موجود براساس ضوابط قدیمی تحلیل و طراحی گردیده‌اند که با توجه به محدودیت‌های تغییر ضوابط آیین‌نامه، ضرورت بازنگری در سدهای بتنی موجود اجتناب‌ناپذیر می‌باشد که در این میان ممکن است بعضی سدها ضوابط آیین‌نامه را اقنا ننموده و نیاز به ترمیم و یا بهسازی داشته باشند. این ترمیم و یا بهسازی می‌تواند با بهره گرفتن از کابل پس‌تنیده صورت بگیرد. تكنیک پس تنیدگی یكی از راهكارهای مقاوم‌سازی جهت كاهش زیرفشار و حذف تنش‌های كششی در سدها می‌باشد که در این‌صورت لزوم تعیین فاصله بهینه بین کابل‌های پس‌تنیده اجتناب‌ناپذیر می‌باشد.
روش‌های گوناگونی جهت تحلیل این سازه ارائه شده که به طور عمده این روش‌ها را می­توان به دو دسته تحلیلی و عددی تقسیم کرد.
در روش تحلیلی اساس حل بر روابط منطقی و دقیق می‌باشد، به‌طوری‌که با تعیین معادله حاکم بر رفتار سد و مخزن، این معادله را می‌توان با روابط ریاضی به طور مستقیم حل نمود. این روش اولین بار در سال 1933 میلادی توسط وسترگارد [40] مطرح شد که با ارائه روش جرم افزوده نگاه جدیدی از درک هیدرودینامیکی وارد برسد ارائه نمود.
پس از وسترگارد ، چوپرا [14] و محققین دیگر روش‌های مختلفی را جهت حل تحلیلی معادلات حاکم بر سد و مخزن ارائه نمودند، که به آن پرداخته می‌شود.
حل دقیق وسترگارد و حتی محققین بعد از آن همراه با فرض‌های ساده شونده‌ای بود، که در صورت عدم در نظر گرفتن آنها و اعمال شرایط حقیقی به ویژه در هنگام اعمال نیروی زلزله، مسئله را بسیار پیچیده و غیرقابل حل می‌نمود. با توجه به پیچیدگی روش حل تحلیلی تحت شرایط حقیقی و یا پیشرفت تکنولوژی ، محققین روش‌های عددی را جهت حل این مسئله مورد مطالعه قرار دادند. این روش‌ها با حجم عملیاتی بالا متکی بر سرعت کامپیوترها در انجام حل تکراری یک الگوریتم مشخص می‌باشند.
تحلیل سدها به روش عددی با توجه به وجود سیال به‌عنوان محیط مخزن، برخلاف سازه‌های معمول دارای پیچیدگی‌های خاصی است. روش‌های مختلفی جهت مدل ریاضی سیال ارائه شده است که می‌توان این روش‌ها را به سه گروه عمده تقسیم نمود: روش اول جرم افزوده است که در این روش سیال به‌صورت یک جرم اضافی به بدنه سد اضافه شده و همراه با سد ارتعاش می‌کند. روش دوم ، روش اویلری است که در این روش به بررسی تاریخچه زمانی متغیر یک نقطه پرداخته می‌شود. روش سوم، روش لاگرانژی است که به بررسی متغیر مشخص در نقاط دلخواه می‌پردازد.
1-3- اهداف تحقیق
هدف از این تحقیق تحلیل سدهای بتنی وزنی پس‌تنیده و بدون پس‌تنیدگی و تعیین فاصله مناسب کابل‌های پس‌تنیده با توجه به شیب پایین‌دست می‌باشد. بر این اساس با توجه به شیب پایین‌دست سد فاصله و اندازه کابل‌ها را تغییر داده تا به ازای آن حجم بتن‌ریزی و نیز طول کابل مصرفی به حداقل مقدار خود برسد.
در این تحقیق پاسخ سیستم سد-پی-مخزن در حالت پس تنیده و بدون پس‌تنیدگی با مدل‌سازی به روش اجزا محدود براساس فرمول‌بندی لاگرانژی-لاگرانژ ی سیستم سد-پی-مخزن و نیز مدل‌سازی کابل تحت اثر زلزله مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور از نرم افزار Ansys که دارای قابلیت مدل‌سازی و گرافیكی بالائی می‌باشد جهت تحلیل دینامیکی سیستم مورد بررسی با فرض رفتار خطی مصالح استفاده و نتایج حاصل از تحلیل دینامیكی خطی سیستم در حالات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.
1-4- تعریف
در این تحقیق به جهت شناخت سیستم سد-پی-مخزن-کابل، نامگذاری بخش های یک سد بتنی وزنی مطابق شکل 1-1 می باشد.
شکل1- 1- مدل سد-پی-مخزن-کابل سد بتنی وزنی پس‌تنیده
1-5- فرضیات
فرضیات مورد استفاده در این تحقیق به شرح ذیل می باشند:

• رفتار مصالح سد و مخزن اعم از بتن، آب و كابل ایزوتروپ، همگن و خطی می‌باشد.
• تغییر شکل‌ها کوچک می باشد.
• اثر زلزله بر كل سیستم سد و مخزن به‌صورت یكنواخت می‌باشد.

1-6- نوآوری‌های تحقیق

• ارائه یک مدل نرم‌افزاری ترکیبی از سد بتنی وزنی به همراه کابل‌های پس‌تنیده با صفحه فولادی.
• مدل‌سازی پس‌تنیدگی با روش اعمال دما.
• تحلیل مدل سه بعدی سد بتنی وزنی با عرض نسبتاً واقعی.
• ارائه حدود فاصله مناسب کابل‌های پس‌تنیدگی برای بهسازی و مقاوم‌سازی سدهای بتنی وزنی پس‌تنیده.

1-7- ساختار كلی پایان‌نامه:
این پایان‌نامه در پنج فصل تهیه گردیده است كه به طور خلاصه به شرح زیر می‌باشند:

• در فصل اول مقدمه‌ای بر لزوم انجام و کلیاتی از کارهای انجام شده، ارائه می‌شود.
• در فصل دوم با در نظر گرفتن شرایط مسئله، معادلات حاکم بر مسئله معرفی و سپس خلاصه‌ای از مطالعات و کارهای انجام شده توسط سایر محققین ارائه می‌شود.
• در فصل سوم فرمول‌بندی ریاضی سیستم سد-پی- مخزن با احتساب اندرکنش و روش‌های حل دستگاه معادلات دینامیکی با بهره گرفتن از روش اجزای محدود معرفی و نیز چگونگی محاسبه کابل‌های پس‌تنیدگی و مدل‌سازی آن در روش اجزا محدود در تحلیل استاتیکی و دینامیکی ارائه می‌گردد.
• در فصل چهارم ابتدا صحت مدل‌سازی کامپیوتری مورد بررسی قرار گرفته و سپس نتایج تحلیل سیستم سد-پی-مخزن در حالت پس‌تنیده با قرارگیری کابل‌ها در نقاط مختلف و تغییر شیب پایین‌دست سد بررسی می‌گردد.
• در فصل پنجم نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌هایی برای ادامه کار ارائه می‌گردد.

 
 
 
 
 
فصل دوم – ادبیات موضوع و پیشینه تحقیق
 
 
 
 
 
2-1- مقدمه
با توجه به اهمیت سازه سد و آسیب پذیر بودن این سازه لزوم مقاومت این سازه در برابر نیروهای اعمالی امری اجتناب ناپذیر است. سدها می بایست در برابر نیروهای اعمالی به آن از جمله نیروهای استاتیکی نظیر زیرفشار، فشار مخزن، و تنش‌های وارده ناشی از بارهای ثقلی و نیروهای دینامیکی نظیر زلزله و سیلاب و … مقاومت کافی داشته باشند. مدل سیستم سد-پی-مخزن با در نظر گرفتن نیروهای وارده همواره توسط محققین زیادی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. به‌طوریکه در ابتدا با روش‌های تحلیلی و در نظر گرفتن فرضیات ساده شونده زیاد و سپس با روش های عددی مبادرت به حل مدل سد نمودند. در این فصل در ابتدا نگاهی گذرا به روش های تحلیلی و عددی در حل سیستم سد-پی-مخزن خواهیم داشت. سپس تعریف و تاریخچه و کاربرد روش پس‌تنیدگی در مقاوم‌سازی و بهسازی سدها ارائه می‌گردد و نتایج محققین در این زمینه بیان می‌شود.
2-2- روش‌های تحلیلی
روش‌های تحلیلی اولین روش‌هایی بودند كه محققین برای حل مسئله تحلیل سد و مخزن تحت اثر زلزله بكار بردند. در این نوع روش‌ها، در ابتدا طبق فرضیات مصالح، معادلات حاكم و شرایط مرزی مسئله بیان و سپس مستقیماً معادلات دیفرانسیل مربوطه حل می‌شود.
 
به دلیل پیچیدگی زیاد حل این‌گونه معادلات، برای مسائل با شكل هندسی و یا شرایط مرزی پیچیده، این روش قابل‌استفاده نیست ولی برای مسائل ساده پاسخ‌هایی توسط محققین مختلف به‌دست آمده است.
جواب‌های حاصل از این روش‌ها، به دلیل سهولت در استفاده برای تحلیل تقریبی سدها و طراحی اولیه آنها، ابزاری بسیار مناسب و كاربردی می‌باشند. در ادامه خلاصه‌ای از این روش‌ها ارائه خواهد شد.
2-2-1- تحلیل مدل سد-مخزن بدون در نظر گرفتن اثر اندر کنش
اولین راه ‌حل جهت تحلیل سد تحت اثر زلزله توسط وسترگارد ]40[ در سال 1933 میلادی مطرح گردید. فرضیاتی كه وسترگارد، با توجه به شکل 2-1 در نظر گرفت به شرح زیر می‌باشد:

• رفتار سیستم دو بعدی است.
• سد صلب می‌باشد.
• كف مخزن افقی و صلب می‌باشد.
• طول مخزن در جهت بالادست تا بی‌نهایت ادامه دارد.
• سیال غیر چرخشی می‌باشد.
• دانسیته آب ثابت است.
• شتاب زمین افقی و هارمونیک برابر می‌باشد كه در آن:

ضریب زلزله و g شتاب ثقل زمین و T زمان تناوب تحریک می‌باشند.

• تغییر شكل‌ها كوچك در نظر گرفته شده است.
• آب تراكم پذیر خطی است.

10-اثر امواج سطحی در نظر گرفته نمی‌شود.
 
 
 
 
شكل 2-1- مدل سد و مخزن مورد استفاده وسترگارد
از طرفی معادله حاکم بر محیط مخزن را می‌توان بصورت رابطه 2-1 بیان نمود که معادله موج در محیط دو بعدی می‌باشد ]40[.
(2-1)
که در رابطه فوق P فشار هیدرودینامیک و C سرعت انتشار امواج در‌آب می‌باشد.
وسترگارد براساس فرضیات خود شرایط مرزی زیر را برای معادله فوق اعمال نمود:
در y=0

Abstract
 
Nowdays, due to the growing constructions in subjects like huge structures , large bridges , railway and monorails etc and the importance of factors such as time and cost ,engineers in such         projects emphasis on zero phase to reduce these factors.
In initial studies of each civil projects one of the important things to determine is subsidence consolidation .otherwise neglecting or inadequate accuracy of the results will cause damage to the project.
This index is determined with the consolidation test. with regard to the nature and the methods of this test , reaching to the favorite result will consume a lot of time and cost to itself. Therefore, in this thesis, by the use of strong and effective methods like ANFIS and NEURAL NETWORK which gives accurate laboratory results and by the use of matlab software tries to obtain a model based on effective parameters to determine the index so that it can be compared with laboratory parameters and other reasercher’s formulas in consolidation parameters.Based on the results of the model it was observed that the error is less than the previous relationships and it better conforms with the actual results and moreover it may consume less time to achieve acceptable results.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست
عنوان                                                                               شماره صفحه
 
فصل اول: كلیات.. 1
1- مقدمه. 2
1-1- تعریف مساله و هدف از پژوهش.. 2
1-2- پدیده تحکیم 2
1-3- منطق فازی.. 3
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته. 6
2-1- مقدمه. 7
2-2- شناسایی پارامترهای موثر در نشست تحکیمی خاک.. 7
2-3- مروری بر تاریخچه تحقیقاتی نظریه مجموعه‌های فازی و زمینه‌های آن در مهندسی عمران. 9
2-3-1- اولین زمینه‌های فکری.. 9
2-3-2- دهه 60: ظهور فازی.. 9
2-3-3- دهه 70: تثبیت مفاهیم بنیادی و ظهور اولین کاربردها 10
2-3-4- دهه 90 و سالهای آغازین قرن 21: چالشها کماکان باقیست.. 11
2-3-4- فازی در ایران: 11
2-3-5- نظریه فازی در مهندسی عمران. 12
فصل سوم: تحکیم 13
3- 1 مقدمه. 14
3-2 اصول پایه تحکیم 14
3-2-1 مفاهیم کلی تحکیم یک بعدی.. 14
3-2-2 نظریه تحکیم یک بعدی.. 15
3-2-2-1 محاسبه نشست تحکیم یک بعدی: 16
3-2-2-2 حل معادله تحکیم 18
3-2-2-3 آزمایش تحکیم 19
3-2-2-3-1 آزمایش تحکیم با سرعت تغییر شکل نسبی ثابت.. 20
3-2-2-3-2 آزمایش تحکیم با شیب ثابت.. 21
3-2-2-4 خصوصیات تراکم پذیری.. 23
3-2-2-4-1 اندازه گیری غیر مستقیم شاخص تراکم: 24
3-2-3 نشست تحکیم 25
3-2-4 درجه تحکیم 26
3-2-5 محاسبه ضریب تحکیم با بهره گرفتن از نتایج آزمونها آزمایشگاهی. 27
3-2-5-1 روش لگاریتم زمان. 27
3-2-5-2 روش ریشه دوم زمان. 28
3-2-5-3 روش شیب بیشینه سو. 29
3-2-5-4 روش محاسباتی سیوارام و سوامی. 30
3-2-6 تاثیر دست خوردگی نمونه بر روی منحنی : 30
3-2-7 تحکیم ثانویه. 31
3-2-7-1 تاثیر تحکیم ثانویه بر روی فشار پیش تحکیمی. 33
3-2-8 تحکیم به کمک زهکش‌های ماسه‌ای.. 34
فصل چهارم: منطق فازی و کاربرد آن در مهندسی عمران. 37
4-1- مقدمه. 38
4-2- مجموعه‌های فازی.. 40
4-2-1- تعاریف و مفاهیم اولیه مجموعه‌های فازی.. 40
4-2-2- چند مفهوم مقدماتی. 41
4-2-3- نماد گذاری.. 41
4-2-4- عملگرهای مجموعه ای.. 41
4-3- اصل توسعه و روابط فازی.. 45
4-3-1- اصل توسعه. 45
4-3-2- حاصل ضرب کارتزین فازی.. 46
4-3-3- اصل توسعه بر روی فضای حاصل ضرب کارتزین. 46
4-3-4- رابطه فازی.. 47
4-3-5- ترکیب روابط فازی.. 47
4-3-6- اعدادی فازی.. 47
4-3-7- اعداد فازی L-R.. 48
4-4- منطق فازی.. 50
4-4-1- استدلال فازی.. 50
4-4-2- متغیرهای زبانی. 50
4-4-3- قیود زبانی. 51
4-4-4- قواعد اگر- آنگاه 52
4-4-5- گزاره فازی.. 52
4-4-6- شیوه استدلال فازی.. 53
4-4-7- روش ممدانی. 55
4-4-8 روش استدلال فازی با بهره گرفتن از توابع خطی. 59
4-4-9- استدلال فازی ساده شده 62

4-5- کاربردهای فازی در مهندسی عمران. 62
4-5-1- سیستم‌های فازی.. 62
4-5-2- پایگاه قواعد 63
4-6-3- ویژگی‌های مجموعه قواعد 64
4-5-4- موتور استنتاج فازی.. 64
4-5-5- فازی ساز. 65
4-5-6- غیر فازی ساز: 66
4-5-7- کنترل فازی.. 67
فصل پنجم: آشنایی با مفاهیم شبکه عصبی. 69
5-1 سلول عصبی مصنوعی. 70
5-2 توابع تحریک… 70
5-3 شبکه‌های عصبی چند لایه. 72
5-4 شبکه‌های بازگشتی. 73
5-5 آموزش شبکه. 74
5-6 هدف از آموزش شبکه. 74
5-7 آموزش نظارت شده 74
5-8 آموزش غیر نظارت شده 75
5-9 روش‌های تربیت و آموزش آماری.. 76
5-10 خودسازمانی. 77
5-11 الگوریتم انتشار برگشتی. 78
5-12 ساختار شبکه در الگوریتم انتشار برگشتی. 79
5-13 نگرشی کلی بر آموزش شبکه. 80
5-14 تشخیص تصویر. 80
5-15 حرکت به پیش.. 82
5-16 برگشت به عقب ـ تنظیم وزن‌های لایه خروجی. 82
5-17 تنظیم وزن‌های لایه پنهان. 83
5-18 سلول عصبی بایاس در شبکه. 84
5-19 اندازه حرکت.. 84
5-20 الگوریتم‌های پیشرفته. 85
5-21 کاربردها و اخطارهای انتشار برگشتی. 86
5-22 اندازه گام 87
5-23 ناپایداری موقتی. 87
5-24 مبنای ریاضی الگوریتم انتشار برگشتی. 87
5-26 نحوة ارائه زوج‌های آموزشی به شبکه. 91
5-27 سنجش میزان یادگیری و عملکرد شبکه. 91
5-28 جذر میانگین مربع خطاها 92
5-29 استفاده از دستورات MATLAB.. 93
فصل ششم: برآورد ضریب فشردگی تحکیم به وسیله پارامترهای فیزیکی خاک.. 95
6-1- مقدمه. 96
6-2- شناسایی پارامترهای موثر در نشست تحکیمی خاک.. 97
6-3 بانک اطلاعات مورد استفاده 98
6-4 تحلیل اطلاعات با بهره گرفتن از روش برازش خطی. 99
6-5- نتیجه گیری.. 102
فصل هفتم: مدل سازی ضریب فشردگی با بهره گرفتن از شبکه‌های عصبی-فازی (ANFIS) 104
7-1 آشنایی با مدلسازی توسط ANFIS. 105
7-2 مدلسازی ضریب فشردگی با بهره گرفتن از شبکه عصبی-فازی (ANFIS) 107
7-3 چگونگی مدلسازی وتحلیل مدل و بررسی نتایج. 109
فصل هشتم: نتیجه گیری، پیشنهادات، محدودیت‌ها 120
8-1 نتیجه گیری.. 121
8-2- محدودیت‌ها: 121
8-3- پیشنهاد برای ادامه مطالعه: 122
Reference: 123
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول ها
جدول                                          صفحه
جدول 2-1 : فرمولهای تجربی برای تعیین . 8
جدول 3-1 طبقه بندی خاکها بر اساس تراکم پذیری ثانویه 33
جدول 4-1 جدول قاعدگی برای رانندگی 59
جدول 6-2 : مشخصات کلی داده‌های اولیه 98
جدول 6-3 : نتایج برازش خطی گام به گام 100
جدول 7-1 : نتایج آزمایشگاهی موجود برای ضریب فشردگی 107
 
 
 
فهرست شکل ها
شکل                                           صفحه
شکل 1 – نمایش یک سیستم فازی 4
شکل 2-1 تعیین ضریت فشردگی 7
شکل 3-1 تغییر فشار آب حفره‌ای و تنش موثر ناشی از اعمال سربار 16
شکل 3-2 محاسبه تحکیم یک بعدی 17
شکل3-3 محاسبه . 18
شکل 3-4 دستگاه تحکیم(ادومتر) 20
شکل 5-3 نمودار شماتیک دستگاه آزمایش تحکیم با سرعت تغییر شکل نسبی کنترل شده 21
شکل 3-6 نمودار شماتیک آزمایش تحکیم با شیب ثابت 22
شکل3-7 مراحل مختلف در آزمایش با شیب کنترل شده 22
شکل 3-8 نشست تحکیم 26
شکل 3-9 روش لگاریتم زمان برای محاسبه . 28
شکل 3-10 روش ریشه دوم زمان برای محاسبه . 29
شکل 3-11 روش شیب بیشینه سو برای محاسبه . 30
شکل 3-12 تاثیر دست خوردگی نمونه بر منحنی ….. 31
شکل 3-13 ضریب تحکیم ثانویه برای خاکهای طبیعی رسوبی 1973 G.Mesri 32
شکل 3-14 تاثیر نسبت افزایش بار یکسان، بر روی ضخامت نمونه 33
شکل 3-15 تاریخچه زمین شناسی 34
شکل 3-17 شالوده انعطاف پذیر(الف) و صلب (ب) واقع بر خاک رس 35
شکل 4-1 مکمل فازی 42
شکل 4-2 اجتماع فازی 43
شکل 4-3 اشتراک فازی 44
شکل 4-4 اعداد مثلثی 49
شکل 4-5 اعداد نرمال 49
شکل 4-6 اعداد سهموی 50
شکل 4-8 توابع عضویت برای رانندگی 58
شکل 4-9 مجموعه‌های فازی برای بخش نتیجه 61
شکل 4-10 ساختار اصلی سیستمهای فازی با فازی ساز و غیر فازی ساز 63
شکل 5-1: شبکه یا یک نود 70
شکل 5-2 : تابع سیگموید 71
شکل 5-3 : تشخیص تصویر 81
شکل 5-4 : سلول عصبی بایاس در شبکه 84
شبکه5-5 : MLP با یک نود 93
شکل 5-6 : شبکه پرسپترون چند لایه MLP با یک لایه مخفی. 94
شکل 6-1: میزان پراکندگی در داده‌های اولیه برای رابطه (9) 100
شکل 6-2 : مناسبترین توابع درجه دو و درجه 3 برای تعیین Cc از روی 101
شکل 6-3 : آزمایش رابطه 6-13 و مقایسه با روابط دیگر محققین 103
شکل 7-1 توابع عضویت ورودی PL 111
شکل 7-2 توابع عضویت ورودی LL 111
شکل 7-3 توابع عضویت ورودی 112
شکل 7-4 : مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل ANFIS (داده‌های آموزش) 112
شکل 7-5 : مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل ANFIS (داده‌های تست) 113
شکل 7-6 : مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل شبکه عصبی (داده‌های آموزش) 118
شکل 7-7 : مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل شبکه عصبی (داده‌های تست) 118
 
 
 
 
 
 
 
فصل اول:
كلیات
 


 
 
 
1- مقدمه
1-1- تعریف مساله و هدف از پژوهش
راه حل مستقیم برای تعیین پارامترهای نشست تحکیمی خاک، استفاده از آزمایش تحکیم است. مطابق استاندارد انجام آزمایش تحکیم نیاز به صرف حدود یک هفته وقت دارد. دشواری انجام آزمایش تحکیم و بالاخص زمان طولانی و هزینه بالای آن سبب بروز محدودیت‌های فراوان در کیفیت و کمیت آزمایش به ویژه در پروژه‌های حجیم و وقت گیر شده است. در اکثر این پروژه ها به منظور جلو گیری از نیاز به زمان طولانی و همچنین کاهش هزینه‌های انجام مطالعات ژئوتکنیک اغلب تعداد آزمایش ها کاهش داده می‌شود و در نتیجه اطلاعات پیوسته و جامع از خاکها بخصوص در مواردی که تنوع لایه بندی زیاد است، بدست نمی‌آید. این امر سبب می‌شود طراحان بدون داشتن اطلاعات کافی، اقدام به ساده سازی پارامترهای طراحی می‌نمایند که معمولا به صورت دست بالا است و از جهت دیگر سبب افزایش هزینه‌های اجرا می‌شود. بنابراین لازم است معیارهایی مشخص گردند تا بتوان از طریق آنها به دانشی جامع و با خطای قابل قبول پارامترهای تحکیم را تخمین زد. این کار علاوه بر اینکه سبب کاهش حجم آزمایشات و صرفه جویی در زمان و هزینه می‌شود از طرف دیگر می‌تواند اطلاعات پیوسته‌ای از ساختگاه مورد نظر را فراهم سازد و دانش طراحان را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. با توجه به این موارد محققین مختلفی سعی کردند تا با بهره گرفتن از داده‌های آزمایشگاهی فرمول‌های تجربی جهت تعیین پارامترهای تحکیم خاک ارائه دهند. بدین طریق می‌توان بدون انجام آزمایش تحکیم اقدام به تخمین نتایج حاصل از آن نمود. در این پژوهش پس از بررسی روابط ارائه شده توسط سایر محققین جهت تخمین نشست تحکیمی، با بهره گرفتن از اطلاعات تفصیلی بدست آمده از چهارده پروژه بزرگ ایران و با بهره گرفتن از شبکه‌های عصبی- فازی (ANFIS) مدلی با دقت بالا جهت تعیین نشست تحکیمی خاک ارائه می‌شود.
 
1-2- پدیده تحکیم
فشردگی یا تراکم خاک در اثر تاثیر سربار (وزن سازه) باعث نشست سازه واقع بر روی آن می‌شود که به این پدیده نشست خاک می‌گویند. که در حالت کلی نشست خاک به دو گروه زیر تقسیم می‌شوند:
الف) نشست آنی (Immediate Settlement) که ناشی از تغییر شکل الاستیک خاک خشک و یا خاکهای مرطوب و اشباع بدون تغییری در میزان آب می‌باشد و در تمام خاکها مورد توجه است.
ب) نشست تحکیمی (Consolidation Settlement) که ناشی از تغییر حجم خاک اشباع به علت رانده شدن آبهای موجود در حفرات است و در خاکهای ریز دانه مانند رس مورد توجه قرار می‌گیرد.
وقتی خاک اشباع تحت بارگذاری قرار می‌گیرد، در آغاز تمام بار گذاری توسط آب حفره‌ای تحمل می‌شود و به آن افزایش فشار آب حفره‌ای می‌گویند. در صورتی که زهکشی انجام شود، به مزور زمان حجم خاک کاهش می‌یابد که به آن تحکیم گفته می‌شود و باعث نشست می‌گردد. از طرفی ممکن است خاک در اثر جذب آب حفره‌ای یا فشار آب حفره‌ای منفی افزایش حجم دهد که به آن تورم می‌گویند.
نرخ تغییر حجم تحت بار گذاری به نفوذ پذیری نمونه بستگی دارد، از این رو آزمایش تحکیم معمولا در خاک‌های با نفوذ پذیری کم (مانند رس) انجام می‌گیرد. هدف از انجام آزمایش تحکیم، تعیین پارامترهای موثر در پیش بینی شدت نشست و میزان آن در سازه‌های متکی بر خاک‌های رسی است. آزمایش تحکیم در واقع آزمایش جهت بر آورد پارامترهای تحکیم یک بعدی ترزاقی است که از حل همزمان دو معادله تعادل و پیوستگی به صورت تک بعدی حاصل شده است.
نمونه گیری از خاک با حفظ شرایط واقعی کار بسیار مشکلی است. تفاوت قابل توجه در میزان رطوبت، حد روانی و شاخص پلاستیسیته و فشار همه جانبه نمونه‌های تهیه شده از اعماق مختلف و حتی از یک عمق خاص، بیانگر تفاوت و رفتار در نمونه‌های تهیه شده از یک نوع خاک می‌شود و این مسئله علاوه بر افزایش هزینه انجام آزمایشات سبب پیچیدگی و وارد نمودن قضاوت مهندسی در پروژه‌های مهندسی ژئوتکنیک می‌گردد. داده‌های آزمایشگاهی زیادی موجود هستند که در پروژه‌های معینی به کار رفته و عملا بعد از مدتی فراموش شده اند. این اطلاعات قدیمی می‌توانند بعنوان یک بانک اطلاعاتی مفید در ارزیابی پارامترهای ژئوتکنیکی بکار گرفته شوند[1].
 
1-3- منطق فازی
در دهه 1960، پروفسور لطفی زاده در دانشگاه برکلی کالیفرنیا، مقاله‌ای را با این مضمون که ابهامات یک وضعیت نامعلوم ولی متفاوت از پدیده‌های تصادفی هستند، ارائه داد. برای مثال نمی‌توان مردم را به دو گروه خوب و بد تقسیم کرد. یا دسته بندی پارامترهایی چون دما، فشار، اندازه و… در دو گروه صفر و یک ممکن نیست. برای توصیف چنین پارامتنرهایی درجه‌ای به آنها تعلق می‌گیرد که این درجه ها بر اساس چندین فاکتور مانند موقعیت، آزمایش و .. است. این ایده اساس مجموعه‌های فازی نسبت به منطق کلاسیک است. در مجموعه کلاسیک یک شئ به مجموعه تعلق دارد یا ندارد ولی در مجموعه فازی درجه‌هایی از تعلق به یک مجموعه معرفی می‌شوند. یک مجموعه فازی تابع تعلقی دارد که در درجه‌های مختلفی از تعلق برای عناصر مشخص در آن تعریف می‌شود. تابع تعلق به صورت مقادیر گسسته یا به وسیله منحنی‌هایی تعریف می‌گردد. روش های متعددی برای توصیف یک مجموعه فازی موجود دارد [2].
پروسه فازی سازی (fuzzification) مجموعه‌ای کلاسیک را به یک مجموعه تقریب زننده که فازی است تبدیل می‌کند [3]. از آنجاییکه هر عضو و درجه تعلق آن مستقل از عضو دیگر و درجه تعلق مربوط به آن است، پروسه خطی است و اصل جمع آثار در آن صدق می‌کند، یعنی هر عضو به تنهایی فازی می‌گردد [4].
منطق فازی بر اساس مفهوم مجموعه‌های فازی است و هر مقدار درستی در بازه را می‌پذیرد. از مفاهیم مجموعه‌های فازی در جبر فازی استفاده می‌شود.
به منظور طراحی یک سیستم کنترل منطق فازی باید قادر به توصیف عملیات زبانی باشد. به بیان دیگر مراحل زیر باید انجام شود[4]:

• مشخص نمودن ورودی ها و خروجی ها با بهره گرفتن از متغیرهای زبانی
• نسبت دادن توابع تعلق به متغیرها
• ایجاد قواعد پایه (اساسی)
• غیر فازی سازی (Defuzzification)

متغیرهای زبانی، توابع تعلق و قواعد پایه از تجربیات یک اپراتور ماهر بدست می‌آیند. قواعد پایه زیاد، معمولا منجر به عملکرد بهتری می‌شوند. سیستم‌های فازی “سیستم‌های مبتنی بر دانش یا قواعد” هستند. قلب یک سیستم فازی یک پایگاه دانش بوده که از قواعد اگر – آنگاه فازی تشکیل شده است. منظور از سیستم فازی در مهندسی سیستم فازی با فازی ساز (Fuzzifier) و غیر فازی ساز (Defuzzifier) است، شکل (1) [5].
 
شکل 1 – نمایش یک سیستم فازی
در یک سیستم غیر فازی، تنها یک قاعده در یک زمان خاص وجود دارد ولی در سیستم فازی ممکن است در همان زمان خاص بیش از یک قاعده ولی با قوتهای متفاوت وجود داشته باشد. این قواعد با قوتهای متفاوت منجر به عملیات کلاسیک در خلال پروسه غیر فازی سازی می‌شوند [2]. پروسه‌های غیر فازی سازی در سیستم‌های کنترل فازی استاندارد نیستند. از چندین روش برای این کار می‌توان استفاده کرد. مانند:

• عملیات max-min(and-ro)
• روش مرکز ثقل (center of gravity) یا COG

و روش های متنوع دیگر.
اساسا اگر چه سیستم‌های فازی پدیده‌های غیر قطعی و نامشخص را توصیف می‌کنند، با این حال خود تئوری فازی یک تئوری دقیق می‌باشد. دو توجیه برای تئوری سیستم‌های فازی وجود دارد:

• پیچیدگی بیش از حد دنیای واقعی که منجر به توصیفی تقریبی یا فازی برای مدل کردن یک سیستم می‌شود.
• نیاز به فرضیه‌ای برای فرموله کردن دانش بشری به شکلی سیستماتیک و قرار دادن آن در سیستم‌های مهندسی توجیه دوم وجود تئوری سیستم‌های فازی را به عنوان یک شاخه مستقل در علوم مهندسی توجیه می‌کند[5].

این پایان نامه شامل فصول زیر می‌باشد:
فصل اول مقدمه
فصل دوم مروری بر تحقیقات گذشته
فصل سوم تحکیم
فصل چهارم منطق فازی و کاربرد آن در مهندسی عمران
فصل پنجم برآورد ضریب فشردگی تحکیم به وسیله پارامترهای فیزیکی خاک
فصل ششم آشنایی با شبکه مفاهیم شبکه عصبی
فصل هفتم مدل سازی ضریب فشردگی با بهره گرفتن از شبکه‌های عصبی-فازی (ANFIS)
فصل هشتم نتیجه گیری و جمع بندی و پیشنهادات
 
 
 
 
 
 
 
فصل دوم:
مروری بر تحقیقات گذشته
 
 
 
 
 
 
2-1- مقدمه
نشست تحکیمی یکی از ملاحظات مهم طراحی در پروژه‌های عمرانی همچون سازه ها، راه ها و راه آهن می‌باشد. این پارامتر بوسیله آزمایش تحکیم تعیین می‌شود. آزمایش تحکیم یک آزمایش نسبتا وقت گیر و پر هزینه است که باید با دقت کافی انجام می‌شود.
در بسیاری از پروژه ها به خصوص در پروژ ه‌های خطی مانند راه آهن خوددارای از انجام آزمایش تحکیم به تعداد و دقت کافی سبب وارد آمدن خسارات قابل توجه به حجم راه می‌شود. با توجه به زمان و هزینه نسبتا زیاد آزمایش تحکیم، تخمین نشت تحکیمی با بهره گرفتن از پارامترهای موثری که بتوان زیاد آزمایش تحکیم، تخمین نشست تحکیمی با بهره گرفتن از پارامترهای موثری که بتوان آنها را با انجام آزمایشات ساده کم هزینه و با دقت قبول نمود همواره مورد توجه بسیاری از محققین ژئوتکنیک و راه سازی بوده است.
 
2-2- شناسایی پارامترهای موثر در نشست تحکیمی خاک
با انجام آزمایش تحکیم، ضریب فشردگی یا شاخص تراکم (Compression index) از شیب نمودار تخلخل (e) بر حسب لگاریتم تنش موثر ( ) برای خاکهای تحکیم عادی یافته تعیین می‌شود. شکل 1 نحوه تعیین ضریب فشردگی ( ) را نشان می‌دهد.
همانطور که در این شکل مشاهده می‌شود، به طور مستقیم از رابطه زیر قابل تعیین است:
(2-1)
 
شکل 2-1 تعیین ضریت فشردگی
به طور غیر مستقیم و از روی پارامترهای موثر، اولین بار ترزاقی و پک در سال 1997، رابطه تجربی زیر را به منظور تخمین ضریب فشردگی برای رسهای تحکیم عادی یافته در حالت دست نخورده پیشنهاد نمود[6]
(2-2)
که در آن LL، حد روانی (Liquid Limit) خاک رس است. همچنین ترزاقی و پک در رابطه‌ای مشابه، فرمول زیر را برای رس‌های دست نخورده (Remolded clays) ارائه دادند:
(2-3)
در هر دو رابطه (2) و (3)، LL به عنوان تنها پارامتر موثر در تعیین نشست تحکیمی معرفی شده است.
همچنین آزور و همکارانش با بهره گرفتن از رگرسیون تک متغیره خطی، برای مناطق مختلف روابط زیر را ارائه نمودند [7]:
(2-4)                        : برای رس برزیلی
(2-5)                              : برای رس شیکاگو
(2-6)                            : برای خاکهای آلی و نباتی
در این رابطه LL (حد روانی)، ( در صد تخلخل اولیه) و (رطوبت طبیعی خاک) به عنوان پارامترهای موثر در نظر گرفته شده هر یک از این پارامترها به طور جداگانه برای تخمین نشست استفاده شده اند.
نانسی و همکارانش با انجام مطالعه در خاکهای آتلانتیک شمالی، رابطه (2-7) را پیشنهاد دادند[8]
(2-7)
در این رابطه PI (نشانه خمیری) خاک، پارامتر تاثیر گذار بیان شده است. از آنجایی که :
(2-8)
با توجه به اینکه اثر LL در مطالعات قبلی در نظر گرفته شده بودن پس PL بعنوان پارامتر موثر دیگر توسط این محققین در نظر گرفته شده است.
به طور مشابه چندین رابطه دیگر و نیز محققین مختلف برای تخمین بر اساس پارامترهای معرفی شده پیشنهاد شده است. این روابط در جدول 2-1 درج شده است [9]، [10].
جدول 2-1 : فرمولهای تجربی برای تعیین

فهرست مطالب
چکیده ب
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………….ز
.
معادلات تعادل در محیط‏های ایزوتروپ جانبی 1
1-1-مقدمه 2
1-2-بیان مسأله و معادلات حاکم 5
1-3-توابع پتانسیل 9
1-4-شرایط مرزی 13
.
توابع گرین در حالت کلی……………………………………………………………………………………………………………………….25
2-1-مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………26
2-2-حالت … 27
2-3-تبدیل دستگاه مختصات قطبی به دستگاه مختصات دکارتی و انتقال محورها 30
..
ماتریس سختی شالوده صلب مستطیلی با بهره گرفتن از توابع گرین……………………………………………………………………..33
3-1-مقدمه 34
3-2- بیان مسأله ومعادلات حاکم در حالت شالوده صلب مستطیلی……………………………………………………………….34
3-2-1-توابع شکل مورد استفاده 38
3-2-1-1-توابع شکل المان های لبه ای 8 گره ای 39
3-2-1-2-توابع شکل المان های میانی 8 گره ای 41
3-2-1-3-توابع شکل المان های گوشه 8 گره ای 41
3-2-1-4-فلوچارت برنامه نویسی برای تحلیل مسأله 44

نتایج عددی 47

نتیجه‏گیری و پیشنهادات 77
5-1-مقدمه و نتیجه گیری 78
5-2-پیشنهادات 79
فهرست مراجع 80
 
فهرست شكل‌ها
شکل 1- 1- شكل شماتیک ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها 4
شکل 1- 2- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها 4
شکل 1- 3- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان و شالوده و توابع امپدانس معادل خاك 5
شکل 1- 4- نیم فضای لایه‏ای متشكل از لایه‏ها با رفتار ایزوتروپ جانبی 6
شکل 1- 5 – نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ ایزوتروپ جانبی لایه ای‏ تحت اثر نیروی دلخواه در سطح … …..13
شکل 1- 6-خواص هندسی لایه ام 17
شکل 2- 1- نیم فضای همگن با رفتار ایزوتروپ جانبی تحت نیروی متمرکز دلخواه استاتیکی 27
شکل 2- 2-تبدیل مختصات از دستگاه استوانه ای‏ به دستگاه مختصات دکارتی و انتقال محورها 30
شکل 3- 1– صفحه صلب تحت تغییر مکان صلب در امتداد 36
شکل 3- 2- صفحه صلب تحت تغییر مکان صلب در امتداد 36
شکل 3- 3- صفحه صلب تحت خمش 37
شکل 3- 4 -نحوه المان بندی تنش‏ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏در زیر پی صلب 38
شکل 3-5- توابع شکل المان‏های‏ لبه 8 گرهی 40
شکل 3-6- توابع شکل المان‏های‏ میانی 8 گرهی . 42
شکل 3- 7- توابع شکل المان‏های‏ گوشه 8 گرهی 43
شکل 3- 8 -تابع .. 44
شکل 4- 1- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول و عرض 53
شکل 4- 2- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع 54
شکل 4- 3- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول و عرض 55
شکل 4- 4- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     56
شکل 4- 5 – تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    …..57
شکل 4- 6- تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     58
شکل 4- 7- تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    59
شکل 4- 8- تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     60
شکل 4- 9- تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    61
شکل 4- 10- تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     62
شکل 4- 11- تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    63
شکل 4- 12 – تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     64
شکل 4-13- تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    65
شکل 4-14- تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع   66
شکل 4- 15 – تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض . 67
شکل 4- 16 – تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     68
شکل 4- 17- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 69
شکل 4- 18- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 70
شکل 4- 19- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 71
شکل 4- 20- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 72
شکل 4- 21- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 73
شکل 4- 22- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 74
شکل 4- 23- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 75
شکل 4- 24- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 76
 
فهرست جدول‌ها
جدول 4- 1- ضرایب ارتجاعی مصالح انتخاب شده 49
جدول 4- 2- نحوه قرارگیری مصالح مختلف برای تعیین جواب عددی 50
جدول 4- 3- سختی یک صفحه مربعی به طول و عرض در محیط های متفاوت 52

مقدمه

در این پایان ‌نامه ابتدا پاسخ محیط نیم‏‏‏‏‏ بینهایت لایه ای‏ با رفتار ایزوتروپ جانبی تحت اثر نیروی متمرکز سطحی دلخواه در حالت استاتیکی در محدوده‏‏‏‏ی‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ خطی- ارتجاعی به دست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آید. سپس ماتریس سختی پی صلب مستطیلی مستقر بر محیط مذکور در حالت استاتیکی تعیین می‌شود. برای‏ حل، ابتدا معادلات تعادل در فصل اول در دستگاه مختصات استوانه‌ای‏ برای‏ هر‏‏‏‏یک از لایه‏ها نوشته شده و سپس با بهره گرفتن از روابط تنش-كرنش و كرنش- تغییرمكان، معادلات برحسب تغییرمكان‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏نوشته می‌شوند. این معادلات به صورت دستگاه معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند. به منظور مجزاسازی آن‏ها، از دو تابع پتانسیل اسكالر در هر لایه استفاده ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏شود. معادلات حاکم بر توابع پتانسیل، معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی از مرتبه 4 و 2 ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند. برای‏ حل معادلات حاکم بر توابع پتانسیل در هر لایه با توجه به شرط منظم بودن از تبدیل انتگرالی هنكل نسبت به مختصه شعاعی و تبدیل فوریه بر حسب مختصه آزیموتی استفاده كرده و جواب در حالت كلی برای‏ كلیه لایه‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ تعمیم داده می‏شود.
در ادامه، شرایط مرزی در سطح آزاد نیم‏‏‏‏‏ فضا و شرایط پیوستگی بین لایه‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ نوشته شده و با بهره گرفتن از شرایط پیوستگی، معادلات ارتباطی بین ضرایب مجهول توابع پتانسیل لایه‏ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏که خود ناشی از انتگرال گیری می باشند، بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آیند. با برقراری رابطه بازگشتی بین ضرایب لایه‏ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏، کلیه ضرایب به جز ضرایب نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ تحتانی حذف شده و ضرایب نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ تحتانی به کمک شرایط مرزی در سطح آزاد تعیین ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏شوند و از آن بقیه ثابت‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ با بهره گرفتن از ارتباط بین لایه‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ (شرایط پیوستگی) بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آیند. سپس، با بهره گرفتن از روابط تنش- تابع پتانسیل و تغییر مكان- تابع پتانسیل، تنش‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و تغییرمکان‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ در فضای‏ هنكل به دست آمده و با كمك تبدیل معكوس هنكل و سری فوریه، تنش‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ و تغییر مكان‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ در فضای‏ واقعی به دست می‏آیند.
در فصل دوم با تغییر دستگاه مختصات از استوانه‌ای‏ به دکارتی، توابع گرین تغییر‌مکان و تنش در دستگاه مختصات دکارتی به‌دست آمده و با انتقال دستگاه مختصات از مبداء به‏‏‏‏ یک نقطه سطحی دلخواه، توابع تغییرمکان و تنش برای‏ بارگذاری خارج از مبداء مختصات بدست می‌آیند. بدین ترتیب توابع گرین برای‏ بار دلخواه تعیین می‌شوند. با بهره گرفتن از توابع گرین تغییرمکان و تنش، این توابع برای‏ نیروی موثر بر‏‏‏‏ یک سطح مربع مستطیل تعیین می‌شوند.
در فصل سوم با نوشتن معادلات به فرمت اجزاء محدود و استفاده از المانی جدید به نام المان گرادیانی پویا، تنش تماسی قائم و افقی در هر گره مربوط به شالوده چنان تعیین می‌شوند که شرط تغییرمکان صلب و‏‏‏‏ یا دوران صلب در هر نقطه از صفحه را ارضاء نماید. دستگاه معادلات حاکم بر تنش تماسی قائم و افقی به صورت عددی حل می‌شود. با بهره گرفتن از تنش‏های‏ تماسی نیروهای‏ کل تماسی و گشتاور خمشی کل در محل تماس شالوده و نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ لایه ای‏ به دست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آید. ماتریس تبدیل بردار تغییر مکان‏ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و دوران صلب به نیروهای‏ افقی، قائم و گشتاور خمشی را ماتریس سختی نیم‏‏‏‏‏ فضا برای‏ شالوده ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏نامیم. این ماتریس با برقراری ارتباط اخیرالذکر بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آید. ماتریس سختی ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏تواند جایگزین خاك زیر شالوده شده و به افزایش دقت در آنالیز سازه‏های‏ سنگین مستقر بر محیط‏های‏ ایزوتروپ جانبی لایه ای‏  کمک کند.

فصل اول

معادلات تعادل
در محیط‏های‏ ایزوتروپ جانبی لایه ای

1-1- مقدمه

تحلیل استاتیکی و دینامیکی سازه‏های‏ سنگین مستقر بر زمین (شکل 1-1) نیاز به فهم چگونگی انتقال نیرو از سازه به خاک و جنبه‏های‏ مختلف آن را دارد، چه در غیر این صورت نتایج تحلیل سازه ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏تواند با دقت کم همراه باشد. در این موارد، همواره برای‏ داشتن طرح مطمئن نیاز به ساده سازی‌های‏ محافظه کارانه و در نتیجه غیراقتصادی می‌باشد. یکی از راه‌های‏ در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه، المان‌بندی محیط زمین زیر ساختمان به روش اجزاء ‌محدود (شکل 1-2) می‌باشد. تحلیل سازه به همراه محیط زیرین مطابق این روش اولاً بسیار پرهزینه بوده و ثانیاً به علت عدم توانایی المان‌بندی زمین تا بی‌نهایت ممکن است از دقت مناسب برخوردار نباشد. بسیاری از مصالح در طبیعت و نیز ساخته‏های‏ مصنوعی رفتار ایزوتروپ جانبی دارند. از آنجمله می توان به رفتار اعضای‏ مستقیماً برگرفته از تنه درختان، محیط خاكی زیر ساختمانها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و صفحات چند لایه نام برد .اهمیت بررسی پاسخ این مصالح از دیر باز مورد توجه بوده بطوری كه میشل در سال 1900 میلادی به بررسی یک نیم فضای ایزوتروپ جانبی تحت نیروهای سطحی دلخواه پرداخته است [19] . لخنیتسكی در سال 1940 محیط ایزوتروپ جانبی را در حالت متقارن محوری و بدون پیچش در نظر گرفته و معادلات درگیر حاكم بر مسئله را با معرفی یک تابع پتانسیل به صورت مجزا و قابل حل درآورده است [17] . نواكی تابع پتانسیل لخنیتسكی را مجدداًٌ به دست آورده و ادعا كرده است كه این جواب محدود به مسائل متقارن نیست [20] . هو محیط ایزوتروپ جانبی را در حالت كلی مورد توجه قرار داده و تابع پتانسیل لخنیسكی را برای‏ حالت کلی تکمیل کرده است [15]. این تابع هم اكنون در ادبیات مكانیک محیط پیوسته با رفتار ایزوتروپ جانبی به نام تابع لخنیسکی- هو- نواكی مشهور است. بررسی محیط با رفتار ایزوتروپ جانبی به وسیله دیگران همچون ونگ و ونگ [29] ، ایوبنکس و استرنبرگ [14] ، الیوت [7] و پن وچو [24] نیز در حالت استاتیکی بررسی شده است. این محیط در حالت دینامیکی توسط اسکندری قادی [8] ، رحیمیان و همکاران [25] و دیگران مورد توجه قرار گرفته است.
در واقعیت خواص محیط زیر شالوده بر حسب عمق ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏تواند تغییر کند. در نتیجه به منظور واقعی‌تر کردن تحلیل فوق‌الذکر، در این پایان نامه محیط ایزوتروپ جانبی به عنوان محیط مبنا در نظر گرفته شده و اجتماع لایه ای‏ محیط‏های‏ ایزوتروپ جانبی با خواص متفاوت تحت اثر تغییر مکان صلب صفحه مستطیلی مورد تحلیل قرار ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏گیرد. با این بررسی تنش‏های‏ تماسی بین شالوده مستطیلی و نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ لایه ای‏ ناشی از تغییر مکان‏‏‏‏ یا دوران صلب شالوده به دست آیند. تنش تماسی در لبه‏های‏ شالوده صلب رفتاری تکین از خود نشان ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏دهد و درک این مفهوم به طراحی سازه‏های‏ سنگین و آنالیز نشیمن آن بسیار کمک ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏کند. به علاوه، با تعیین نیروهای‏ تماسی کل بین شالوده و نیم‏‏‏‏‏ فضا بردار مجموع نیروها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و گشتاورهای‏ تماسی بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آیند. مجموعه تغییر مکان‏ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و دوران صلب شالوده نیز‏‏‏‏ یک بردار با همان بُعد بردار نیروها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ تشکیل ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏دهد. ماتریس تبدیل بردار تغییر مکان به بردار نیروها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ را ماتریس سختی و معکوس این ماتریس،‏‏‏‏ یعنی ماتریس تبدیل بردار نیروها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏به بردار تغییر مکان را ماتریس نر‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏نامند. درایه‏های‏ ماتریس سختی پارامترهای‏ متمرکز جایگزین محیط لایه ای‏ ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند. این پارامترها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ که همان سختی فنرهای‏ معرف محیط لایه ای‏ ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند (شکل 1- 3)، اثر محیط لایه ای‏ روی شالوده و در نتیجه سازه روی شالوده را مدلسازی ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏کنند. این پارامترها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ در متون مرتبط فنر وینکلر نیز نام دارند.
شکل 1- 1- شكل شماتیک ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها
 
شکل 1- 2- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها
 
شکل 1- 3- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان و شالوده و سختی معادل خاك
 
 
 
 
1-2- بیان مساله و معادلات حاکم
یک محیط نیمه متناهی ارتجاعی شامل لایه موازی با خصوصیات مصالح مختلف كه همگی دارای‏ رفتار ایزوتروپ جانبی می‌باشند در دستگاه مختصات استوانه‌ای چنان در نظر گرفته می‌شود که محور عمود بر صفحه ایزوتروپی تما‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏لایه‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏بوده و جهت مثبت محور به سمت داخل نیم فضا ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشد (شكل 1-4).
شکل 1- 4- نیم فضای لایه‏ای متشكل از لایه‏ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ با رفتار ایزوتروپ جانبی
در این‌صورت معادلات تعادل بر حسب تنش‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏برای یک لایه عمو‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏در غیاب نیروهای‏ حجمی ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏به صورت زیر نوشته می‌شوند[1] [17] :
(1-1)
که در آن با مؤلفه های‏ تانسور تنش[2] ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند.
رابطه کرنش- تنش در مصالح ایزوتروپ جانبی برای‏ یک لایه عمو‏می بصورت زیر است [17] :
(1-2)
که در آن داریم:
(1-3)
اگر معرف مدول یانگ در صفحه ایزوتروپی، مدول یانگ عمود بر صفحه ایزوتروپی، ضریب پواسون در صفحه ایزوتروپی (جمع شدگی در امتداد دلخواه در صفحه ایزوتروپی به علت کشش عمود بر امتداد قبلی در همین صفحه)، ضریب پواسون عمود بر صفحه ایزوتروپی (جمع شدگی عمود بر صفحه ایزوتروپی به علت کشش در این صفحه)، مدول برشی در صفحه ایزوتروپی و مدول برشی در صفحات عمود بر صفحه ایزوتروپی باشد، خواهیم داشت:
(1-4)
با بهره گرفتن از رابطه (1-2)، رابطه تنش- کرنش به صورت زیر درمی‌آید:
(1-5)
ضرایب با بر حسب به صورت زیر هستند:
(1-6)
که در آن:

ثبت زمان

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
شکل ‏1‑1: تشكیلات سیستم مانیتورینگ سلامت سازه. [69]
در شكل(1-1) ساختار سیستم SHM به تصویر کشیده شد(بخش(1-2-3)). این سیستم مربوط به تابع مانیتورینگ سراسری سازه[6] می‌باشد. انواع پدیده‌های فیزیکی در بحث مانیتورینگ باید مطالعه شوند در ذیل ارائه شده‌اند.
الف) نوع پدیده فیزیكی مربوط به آسیب كه توسط حسگرها مانیتوره شده است.
ب) نوع پدیده فیزیكی كه بوسیله حسگرها برای تولید، دریافت، ارسال و ذخیره‌سازی سیگنال(معمولا الكتریكی) در زیر سیستم‌ها استفاده می‌شود. چند نوع حسگر مشابه كه داده‌ها را همزمان برای یک سیستم ارسال می‌كنند، یک شبكه حسگری[7] را تشکیل داده كه در نهایت داده‌های آنها با دیگر حسگرها ادغام شده و حسگرهای دیگر نیز با بهره گرفتن از سیستم مانیتورینگ وظیفه نظارت بر شرایط محیطی را انجام می‌دهند. سیگنال‌های تحویل داده شده بوسیله زیر سیستم یكپارچه مانیتورینگ ثبت شده و توسط كنترلر استفاده می‌شوند. در نهایت کلیه این عوامل منجر به ایجاد یک سیستم تشخیص عیب کامل سازه‌ای می‌شوند. [6,14,15]

1-2       آشنایی با انواع آسیب‌

هدف اصلی این پروژه ارائه روش‌هایی نوین برای کشف آسیب‌های سازه‌ای می‌باشد. در ابتدا مفاهیم پایه‌ای آسیب ارائه می‌شود.

1-2-1     مفاهیم پایه‌ای آسیب

نزدیک به سه دهه است که تلاش‌های فراوانی برای کشف آسیب صورت گرفته است. در ده سال گذشته با ورود سیستم‌های مانیتورینگ سلامت سازه‌ای رشد چشمگیری در تکنولوژی کشف آسیب صورت گرفته است. تاکنون تعریف‌های گوناگونی از آسیب ارائه شده است. در این جا سعی بر این است که ساده‌ترین و جامع‌ترین تعریف آسیب ارائه شود. آسیب تغییر در خواص هندسی یا خواص ماده شامل تغییر در شرایط مرزی، اتصالات و… می‌باشد که تاثیر نامطلوبی بر عملکرد سازه می‌گذارد. به بیان دیگر آسیب، تغییر در عملکرد مطلوب سازه می‌باشد. مفهوم آسیب زمانی که با شرایط حالت سالم(بدون آسیب) مقایسه شود، معنا پیدا می‌کند. بدلیل اینکه این پروژه بر روی آسیب‌های مکانیکی و سازه‌ای تمرکز دارد، آسیب به تغییر در خواص هندسی و خواص ماده محدود می‌شود.[15]
شروع همه آسیب‌ها از سطح ماده است. البته ذکر این نکته ضروری است که آسیب لزوما به معنای از دست رفتن عملکرد کل سیستم نمی‌باشد اما اگر آسیب در مراحل اولیه کشف نشود، عملکرد کل سیستم کوتاه شده و در نهایت سیستم بین می‌رود(شکست کل سازه). امروزه تلاش پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌های کشف آسیب این است که آسیب را در همان مراحل اولیه شناسایی کنند. در ادامه انواع آسیب و دلایل بروز آنها شرح داده می‌شود.

1-2-2     عوامل وقوع آسیب در صنایع هوافضا و عمران

1. خوردگی[8]: بیشتر در سازه‌های فلزی و بتنی رخ می‌دهد.
2. ارتعاشات: در سازه بال هواپیما و پل‌ها.
3. ضربه: این آسیب در سازه‌های کامپوزیتی چشمگیر است.
4. فرود دشوار[9]: در سازه‌های هوایی رایج است.
5. بارگذاری بیش از حد[10]: بیشتر در سازه‌های هوایی، عمرانی و دریایی رایج است.
6. تصادف[11].
7. سقوط[12].
8. تورق[13]: در سازه‌های کامپوزیتی رواج دارد.

1-2-3     طبقه‌بندی آسیب‌های سازه‌ای

1. کلاس1: آسیب‌هایی ناچیز[14]: آسیب سطحی و ناچیز بوده تا حدی که می‌توان از آن صرفنظر کرد. آسیب‌هایی مانند فرورفتگی[15] روی سطح خارجی سازه هواپیما از این دست می‌باشند. این نوع آسیب‌ها اگر در هواپیما رخ دهند، هواپیما می‌تواند به پرواز خود ادامه دهد(اصطلاحا نیاز نیست هواپیما گراند شود).
2. کلاس2: آسیب‌های قابل تعمیر[16]: این نوع آسیب‌ها در انواع سازه‌ رایج بوده و در صورتی‌که به سرعت کشف شوند، مشکل ساز نبوده ولی اگر به آنها بی توجهی شود، پییشرفت کرده و سبب از کار افتادن آن ناحیه(قطعه) می‌شوند. آسیب‌هایی از قبیل سوراخ[17] و ترک[18] از این قبیل می‌باشند. در صورت بروز این آسیبها در صنایع هوایی از پرواز هواپیما جلوگیری شده(اصطلاحا هواپیما گراند می‌شود) و بعد از رفع آسیب و تایید واحد کنترل کیفیت[19] هواپیما صلاحیت پرواز را پیدا می‌کند.
3. کلاس3: تعویض: قطعه آسیب دیده از رده خارج است[20] و قابل تعمیر نبوده و باید تعویض شود.

انواع آسیب سازه‌ای:

• خوردگی.
• ترک.
• تورق.
• حفره.
• سوراخ.
• ناپیوستگی اتصالات[21].
• انحراف از موقعیت.
• شل شدگی یا تزلزل اتصالات.
• خروج از مرکزیت.
• تغییر خواص ماده.

سیستم مانیتورینگ سلامت سازه توانایی کشف آسیب در مراحل اولیه و جلوگیری از رشد آسیب(جلوگیری از بارگذاری اضافی در ناحیه آسیب دیده)،

 ترمیم خودکار آسیب(با بهره گرفتن از مواد و حسگرهای هوشمند)، جلوگیری از تجمع آسیب و نمایان کردن عمر باقیمانده ناحیه یا قطعه آسیب دیده را دارد(شکل(1-1)).[14]

1-2-4     الگوریتم‌ کشف آسیب توسط سیستم مانتیتورینگ سلامت

1. تشخیص آسیب.
2. ثبت زمان وقوع آسیب.
3. تعیین محل آسیب.
4. تعیین شدت آسیب(بررسی کیفیت آسیب).
5. اعمال اجرایی(نظیر نوع اخطار).
6. تعیین طول عمر باقیمانده قطعه آسیب دیده و کل سازه.
7. تشخیص نوع تعمیر

شناسایی و تشخیص آسیب بوسیله تجمیع چهار مرحله زیر انجام می‌شود.

1. مانیتورینگ شرایط(CM)[22]: مشابه تکنولوژی مانیتورینگ سلامت سازه است ولی بیشتر در تعیین مکان آسیب استفاده می‌شود.
2. روش ارزیابی غیر‌مخرب(NDE)[23]: بعد از اینکه آسیب وارد شد بصورت خارج از شبکه[24] و موضعی انجام می‌شود و از آن برای تعیین خسارت نیز استفاده می‌شود.[52]
3. کنترل فرایند آماری(SPC)[25]: متشکل از شبکه حسگری بوده که برای مانیتوره کردن تغییرات فرایند استفاده می‌شود.
4. پیش‌بینی آسیب(DP)[26]: برای پیش‌بینی عمر مفید باقیمانده آسیب استفاده شده و به سه فاکتور قبل نیز وابسته می‌باشد[48].

سیستم‌های مانیتورینگ دو نوع تكنیک بازرسی سراسری و محلی(در فصل بعد بطور کامل توصیف می‌شوند) را پیشنهاد می‌كنند. تكنیك‌های سراسری برای بازرسی‌ها و مناطق نسبتا بزرگ و بحرانی بوده و با هدف مكان‌یابی آسیب مورد استفاده قرار می‌گیرند.[57]
اپراتورهای هوایی می‌خواهند حداقل عملكردی مشابه سیستم‌های رایج و حتی بهتر از آن‌ ها داشته باشند. تكنیك‌های بازرسی محلی با هدف كشف آسیب‌های ویژه به طور طبیعی بر روی روش‌های جهانی بازرسی تمركز كرده‌اند.
تكنیك‌های دینامیكی به منظور اینكه از انتشار آسیب در صورت وقوع آن جلوگیری كنند، باید بطور مداوم فعال باشند. اپراتورهای هوایی فقط سیستم‌هایی از مانیتورینگ سلامت را كه حجم كار و زمان تعمیر و نگه‌داری را افزایش نمی‌دهند، اختیار می‌كنند[65].

1-3       مقدمه ای بر مواد مرکب

1-3-1     مقدمه

در این بخش توضیحات مختصری درباب تکنولوژی مواد مرکب ارائه می‌شود. مواد مرکب بیانگر ترکیب حداقل دو ماده متفاوت در مقیاس ماکروسکوپی جهت حصول ماده جدید می‌باشند. با ظهور مواد مرکب, توسعه چشمگیری در صنایع هوایی، دریایی، عمرانی، پزشکی و… ایجاد شده است، بگونه‌ای که امروزه در بیشتر علوم مهندسی و پزشکی کاربرد فراوانی دارند[70].
رفتار مکانیکی مواد مرکب: مواد مرکب معمولا ناهمگن بوده و از طرف دیگر خصوصیات آنها ایزوتروپ نیز نمی‌باشد، به عبارت دیگر ارتوتروپ و یا در حالت کلی انیزوتروپ می‌باشند.

1-3-2     سازه‌های كامپوزیتی

تلاش برای بدست مواد ممتاز، فرایندهای ابتكاری و اصلاح ایمنی از مهمترین اهداف همه سازنده‌های هواپیما و سازه‌های عمرانی می‌باشد. هدف نهایی ارضا كردن نیازهای مشتری(خطوط هوایی و کاربران نهایی)، كمینه‌سازی هزینه‌ها و افزایش ایمنی در طول عمر سازه می‌باشد[60,70]. همچنین كامپوزیت‌ها اشكالات ذاتی نظیر آسیب‌پذیری ناشی از ضربه، تورق و دسترسی مشكل به اجزاء آن در طی عملیات تعمیر و نگه‌داری دارند. [14,60]
ایرباس A380 نمونه بارزی از تمركز این صنعت بر استفاده از تكنولوژی مواد مرکب و سیستم‌های جدید و می‌باشد. نوآوری در افزایش استفاده از الیاف كربن تقویت شده با پلاستیك‌ها(CFRP[27]) در ساخت سازه‌های اصلی و اولیه برای بخش پرفشار باكهلد و مركز جعبه بال و استفاده از الیاف لایه‌های آلومینیوم شیشه(GLARE) در بدنه تحت فشار, گوشه‌های از آن می‌باشد[2,51,67]. ایرباس380(A380F) با بهره‌گیری از مواد كامپوزیت 50 درصد بار بیشتر(نسبت به خانواده مشابه ایرباس) را جابجا می‌کند و مصرف سوخت بر تن آن نسبت به نزدیكترین رقیب خود، 18درصد كمتر می‌باشد(بیش از 25 درصد از سازه‌ایرباس380 از مواد كامپوزیت تشكیل شده است). [1,52]
B787 نیز از بهترین نمونه‌های هواپیماهای تجاری می‌باشد كه بیش از 50 درصد سازه آن از كامپوزیت تشكیل شده است. سازه اولیه شامل بدنه و بال آن نیز از مواد كامپوزیت ساخته شده است(شكل(1-2)) [7]. نتایج استفاده از مواد مرکب در این هواپیما، صرفه‌جویی در وزن، عملكرد ممتاز و صرفه‌جویی در زمان و هزینه تعمیر و نگه‌داری می‌باشد. سازندگان این وسیله تخمین زده‌اند كه در طی تنها 8 سال اول عمر هواپیما نزدیک به 8 میلیون دلار صرفه‌جویی شود.[7]
شکل ‏1‑2:مواد مورد استفاده در ساخت بوئینگ 787.[7]
 
دستیابی به عملکرد بالاتر، تولید ارزان‌تر، عمر طولانی‌تر و هواپیمایی مساعد با محیط، چالش بزرگی می‌باشد، كه صنعت برای روبرویی با آن و بهره‌گیری از مواد كامپوزیتی پیشرفته و فرایندهای ساخت ابتكاری ذاتی این راه را انتخاب كرده است. به هرحال باید متقاعد شد كه صرفه‌جویی در هزینه‌، وزن، زمان و تعمیر و نگه‌داری ناشی از مواد كامپوزیتی، هزینه‌های ایمنی و یكپارچه‌سازی حسگرها را جبران می‌كند. آسیب وارده اغلب در لایه‌های كامپوزیتی واقع شده که تكنیك‌های غیر‌مخرب برای كشف آسیب نیازهای متفاوت و پیچیده‌ای دارند. افزایش استفاده از مواد مركب در سازه‌های اصلی هواپیماها منجر به تعبیه سیستم‌های SHM به جای استفاده از روش‌های سنتی تست‌های غیر‌مخرب در طی زمان‌های تعمیر و نگه‌داری شده است.[65]
[1] Structural Health Monitoring
[2] Condition Based Maintenance
[3] Time Based Maintenance
 
[4] بعد از سپری شدن تعداد ساعات پروازی هر بخشی كه توسط سازنده معین می شود, نیاز به تعمیر یا تعویض پیدا می كند. كلیه كارها توسط سازنده مشخص شده است.
[5] NDE: Nondestructive Evaluation.
[6] Structural Integrity Monitoring
[7] Sensor Network
[8] Corrosion
[9] Hard Landing
[10] Excessive Load
[11] Collision
[12] Crash
[13]ِ Delaminate
[14] Negligible
[15] Dent
[16] Repairable
[17] Hole
[18] Crack
[19] QC: Qualification Control
[20] Scrap
[21]Debonding
[22] Condition Monitoring
[23] Non Destructure Evaluation
[24] Offline
[25] Statistical Process Control
[26] Damage Prognosis
[27] Carbon Fiber Reinforced Plastic
فهرست مطالب
1   مقدمه‌ای بر مانیتورینگ سلامت سازه 1
1-1   مقدمه 1
1-1-1    مفهوم مانیتورینگ سلامت سازه 1
1-1-2    مقدمه‌ای بر مانیتورینگ سلامت سازه 2
1-2   آشنایی با انواع آسیب‌ 4
1-2-1    مفاهیم پایه‌ای آسیب 4
1-2-2    عوامل وقوع آسیب در صنایع هوافضا و  عمران 5
1-2-3    طبقه‌بندی آسیب‌های  سازه‌ای 5
1-2-4    الگوریتم‌ کشف آسیب توسط سیستم مانتیتورینگ سلامت 7
1-3   مقدمه ای بر مواد مرکب 8
1-3-1    مقدمه 8
1-3-2    سازه‌های كامپوزیتی 8
1-4   انگیزه ایجاد مانیتورینگ سلامت سازه 10
1-4-1    ساختار سنتی تعمیر و نگه‌داری 11
1-4-2    تغییرات موثر در ساختار تعمیر و نگه‌داری 12
1-5   مانیتورینگ سلامت سازه‌ها و الهام از محیط زیست 14
1-6   مانیتورینگ سلامت سازه‌ها روشی برای ساخت مواد و سازه‌های هوشمند 17
1-6-1    مقدمه 17
1-7   تست‌های غیر‌مخرب 18
1-7-1    مقدمه 18
1-7-2    تكنیك‌های SHM ،NDE 20
1-8   تکنیک‌های مانیتورینگ سلامت سازه 21
1-8-1    انواع تکنیک‌های موجود 21
1-9   حسگرهای رایج در مانیتورینگ سلامت سازه‌ 23
1-9-1    مقدمه 23
1-9-2    تنوع حسگرها SHM بر اساس نوع سازه 24
1-9-3    انواع حسگرهای مانیتورینگ سلامت سازه‌ها 25
1-9-4    مانیتورینگ خلا نسبی 26
1-10   مدیریت سلامت 27
1-10-1   نیازمندی‌های كاربران نهایی 28
1-11   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 28
2   عملکرد مانیتورینگ سلامت سازه 30
2-1   مفاهیم پایه‌ای، نیازها و فواید 30
2-1-1    مقدمه 30
2-1-2    مفاهیم پایه ای 31
2-1-3    فواید و نیازهای مانیتورینگ 33
2-1-4    مانیتورینگ دائمی طول عمر 34
2-2   فرایندهای مانیتورینگ سلامت سازه 35
2-2-1    عملیات مركزی 35
2-3   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 39
3   حسگرهای فیبرنوری 40
3-1   مقدمه‌ای بر حسگرهای فیبرنوری 40
3-2   تكنولوژی حس فیبرنوری 43
3-2-1    حسگرهای تداخل‌سنج SOFO 44
3-2-2    حسگرهای تداخل‌سنجی فابری پروت 46
3-2-3    حسگرهای FBG 48
3-2-4    حسگرهای پراكندگی رامان و بریلویین توزیع شده 48
3-3   بسته‌بندی حسگر 50
3-4   كابل‌های سیستم حس توزیع شده 54
3-4-1    مقدمه 54
3-4-2    كابل حس درجه‌حرارت 55
3-4-3     نوار حس كرنش اسمارتیپ 56
3-4-4    حس درجه‌حرارت و كرنش تركیب شده: پروفایل هوشمند 58
3-5   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 58
4   حسگرهای تغییرشکل فیبرنوری, تفسیر و اندازه‌گیری 60
4-1   مولفه‌های کرنش و تکامل زمانی کرنش 60
4-1-1    مفاهیم پایه ای 60
4-1-2    کرنش سازه‌ای 64
4-1-3    کرنش حرارتی 67
4-1-4    خزش 68
4-1-5    افت حجمی 70
4-1-6    زمان و اندازه‌گیری مرجع 71
4-2   اندازه‌گیری و طول گیج حسگر 72
4-2-1    مقدمه 72
4-2-2    حسگر اندازه‌گیری تغییر شکل 73
4-2-3    مانیتورینگ سازه‌ای یکپارچه: مفاهیم پایه‌ای 75
4-2-4    حسگرهای اندازه‌گیری در مواد همگن, حداکثر طول گیج 77
4-2-5    حسگر اندازه‌گیری در مواد ناهمگن: حداقل طول گیج 92
4-2-6    معیار تعیین طول گیج حسگر 97
4-2-7    ارزیابی و اعتبارسنجی معیار تعیین طول گیج 99
4-3   تفسیر اندازه‌گیری کرنش 100
4-3-1    مقدمه 100
4-3-2    منابع خطا و کشف شرایط غیر معمول سازه‌ای 101
4-3-3    تعیین مولفه‌های کرنش و تنش برای اندازه‌گیری کرنش کل 106
4-4   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 111
5   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 114
5-1   نتیجه‌گیری 114
5-2   دستآوردها 116
5-3   پیشنهاداتی برای پروژه‌های آتی 116
فهرست مراجع………………………………………………………………………………………………….117
 
 
فهرست شکل‌ها
شکل ‏1‑1: تشكیلات سیستم مانیتورینگ سلامت سازه. 3
شکل ‏1‑2:مواد مورد استفاده در ساخت بوئینگ 787. 10
شکل ‏1‑3: مزایای سیستم SHM برای كاربران نهایی. 13
شکل ‏1‑4:طرح شماتیكی از پوست انسان كه نمایانگر تنوع حسگرها و عملگرها و سازه كاملا هوشمند آن می‌باشد 16
شکل ‏1‑5: مقایسه بین سیستم عصبی انسان و ساختار SHM. 16
شکل ‏1‑6 : سیر تکامل مواد.. 17
شکل ‏1‑7:  اجزای اصلی سیستم SHM. 20
شکل ‏1‑8: انواع حسگرهای مورد استفاده سیستم مانیتورینگ: مقایسه بین مهندسی هوافضا و مهندسی عمران 24
شکل ‏1‑9: حسگرهای مورد استفاده در ایرباس320. 26
شکل ‏1‑10: حسگرهای سطح CVM. 26
شکل ‏1‑11: سیستم مدیریت سلامت سازه هواپیما. 28
شکل ‏2‑1: مقایسه بین فرایند مانیتورینگ و سیستم رفع عیب بدن انسان. 33
شکل ‏2‑2: روش‌های جمع‌ آوری داده. 38
شکل ‏2‑3: روش‌های نگه‌داری داده و دستیابی به داده. 39
شکل ‏3‑1: طبقه‌بندی تكنولوژی‌های حس فیبرنوری. 44
شکل ‏3‑2: ستاپ سیستم حسگر تداخل‌سنج SOFO. 45
شکل ‏3‑3: واحد قرائت SOFO پرتابل و نصب پایدار. 46
شکل ‏3‑4: قواعد اصلی حسگرهای فابری پروت. 47
شکل ‏3‑5: تفكیک كننده برای تداخل های فابری پروت برای كانال‌های چندتایی و گره ها. 47
شکل ‏3‑6: حسگرهای چندگانه FBG. 48
شکل ‏3‑7: مولفه‌های پراكندگی نوری در فیبرهای نوری. 50
شکل ‏3‑8: بسته‌بندی حسگر برای نصب در محفظه بوسیله اتصال جوش. 51
شکل ‏3‑9: نمونه‌ای از مقطع عرضی نوار هوشمند. 52
شکل ‏3‑10: تداخل‌سنج SOFO. 53
شکل ‏3‑11: حسگر درجه‌حرارت FBG. 53
شکل ‏3‑12:شتاب‌سنج‌ تك محوره فیبرنوری در ترکیب با  FBG. 54
شکل ‏3‑13: حسگرهایی برای كرنش، فشار و درجه‌حرارت. 54
شکل ‏3‑14: طراحی كابل حس درجه‌حرارت نامتناهی  و متناهی. 56
شکل ‏3‑15: تصویر برش عرضی نوار حس هوشمند. 57
شکل ‏3‑16: مقطع عرضی پروفایل هوشمند و ساده 57
شکل ‏4‑1:مفهوم کرنش متوسط در جسم تغییرشکل یافته. 61
شکل ‏4‑2: مفهوم کرنش برشی متوسط در شکل تغییرشکل یافته. 62
شکل ‏4‑3: روابط تنش کرنش ترم کوتاه بین مواد الاستیک پلاستیک .الف)خطی.ب)غیرخطی. 64
شکل ‏4‑4: توزیع کرنش در سطح مقطع تیر. 65
شکل ‏4‑5: نمایش رایج‌ترین بارگذاری، متناظر با توزیع نیروهای عمودی 67
شکل ‏4‑6: شماتیکی از حسگر گیج بلند نصب شده در ماده 73
شکل ‏4‑7: مقایسه حسگرهای گیج کوتاه و بلند در المان بتن. 76
شکل ‏4‑8: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت کلی 79
شکل ‏4‑9: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت توزیع خطی یا ثابت کرنش 80
شکل ‏4‑10: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت کلی توزیع شکسته خطی کرنش 84
شکل ‏4‑11: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت کلی توزیع سهموی کرنش 87
شکل ‏4‑12: آنالیز خطای اندازه‌گیری در توزیع ناپیوسته کرنش و وجود انحراف در طول گیج حسگر 90
شکل ‏4‑13: موقعیت حسگرها در المان تحت کشش بتن آرمه‌ای 94
شکل ‏4‑14: معیار تعیین طول گیج حسگرهای فیبرنوری بر اساس نوع ماده سازنده و استراتژی مانیتورینگ 98