مدل‌سازی فیزیکی و عددی آسیب‌های ناشی از موج طوفان

جوامع ساحلی در سراسر جهان به دلیل انواع بلایای طبیعی، مانند طوفان های استوایی [28]، طوفان ها و امواج ناشی از طوفان [58]، [35]، [21] و سونامی [61]، [50] متحمل خسارات قابل توجهی شده اند. ]، [16]. خسارات اقتصادی آتی ناشی از چنین بلایایی احتمالاً به دلیل هجوم مداوم جمعیت به جوامع ساحلی، افزایش سطح آب دریاها ناشی از تغییرات آب و هوا و فرسایش سواحل افزایش خواهد یافت [44]، [46]. مرکز ملی طوفان (NHC) اداره ملی اقیانوسی و جوی (NOAA) شواهدی از افزایش خسارات اقتصادی در طول دوره 2012-2017 ارائه می‌کند [52]، که دوره چهار تا از مخرب‌ترین طوفان‌ها را در بر می‌گیرد (2012 طوفان سندی، طوفان 2017 هاروی، طوفان 2017 ماریا، طوفان 2017 ایرما) در تاریخ ایالات متحده. بنابراین، برای کاهش خسارات و خسارات وارده به زیرساخت‌های ساحلی،

آسیب به ساختمان‌های ساحلی در اثر امواج و موج طوفان به طور گسترده از طریق مطالعات شناسایی و مدل‌سازی هیدرودینامیکی موج طوفان طوفان و رخداد موجی مورد مطالعه قرار گرفته است. تومیچک و همکاران [64] اثرات امواج طوفان و امواج ناشی از طوفان را بر روی ساختمان‌های ساحلی مرتفع با چارچوب چوبی با پایه‌های شمع در شبه جزیره بولیوار، تگزاس، پس از طوفان آیک در سال 2008 بررسی کرد. کندی و همکاران با استفاده از داده‌های ارتفاع موج و سطح موج برآورد شده از طریق داده‌های آسیب‌دیدگی پس‌انداز و بررسی میدانی. [35] مشخصه‌های مهم ساختاری و پارامترهای موجی را که بر عملکرد کهن‌الگوهای ساختمان‌های مرتفع تأثیر می‌گذارند، شناسایی کردند. نتایج نشان داد که تخته فری (فاصله بین پایین ترین عضو ساختاری افقی، LHSM و تاج موج)، ارتفاع موج، سرعت موج، و دوران ساخت و ساز ساختمان مهمترین عوامل مؤثر بر افزایش عملکرد ساختمان تحت موج ترکیبی موج و طوفان بودند. علاوه بر این، نتایج در کندی و همکاران. [35] نشان داد که منحنی‌های آسیب عمق پیشنهاد شده در FEMA P-55 [24] برای V-Zone ساحلی، که عملکرد موج را در نظر نمی‌گیرد، قادر به پیش‌بینی کافی آسیب واقعی مشاهده‌شده برای قاب چوبی، ساحلی با شمع بالا نبود. کهن الگوهای ساختمان های مسکونی در طول طوفان آیک. این فقدان قابلیت پیش‌بینی منحنی‌های عمق آسیب به نیروهای بزرگ وارد شده در ساختمان‌ها توسط ترکیبی از سطوح موج کوچکتر و امواج بزرگ نسبت به نیروهای ناشی از سطوح موج بزرگ و امواج کوچکتر نسبت داده شد. [35] نشان داد که منحنی‌های آسیب عمق پیشنهاد شده در FEMA P-55 [24] برای V-Zone ساحلی، که عملکرد موج را در نظر نمی‌گیرد، قادر به پیش‌بینی کافی آسیب واقعی مشاهده‌شده برای قاب چوبی، ساحلی مرتفع با شمع نیست. کهن الگوهای ساختمان های مسکونی در طول طوفان آیک. این فقدان قابلیت پیش‌بینی منحنی‌های عمق آسیب به نیروهای بزرگ وارد شده در ساختمان‌ها توسط ترکیبی از سطوح موج‌های کوچکتر و امواج بزرگ نسبت به نیروهای ناشی از سطوح موج بزرگ و امواج کوچک‌تر نسبت داده می‌شود. [35] نشان داد که منحنی‌های آسیب عمق پیشنهاد شده در FEMA P-55 [24] برای V-Zone ساحلی، که عملکرد موج را در نظر نمی‌گیرد، قادر به پیش‌بینی کافی آسیب واقعی مشاهده‌شده برای قاب چوبی، ساحلی مرتفع با شمع نیست. کهن الگوهای ساختمان های مسکونی در طول طوفان آیک. این فقدان قابلیت پیش‌بینی منحنی‌های عمق آسیب به نیروهای بزرگ وارد شده در ساختمان‌ها توسط ترکیبی از سطوح موج‌های کوچکتر و امواج بزرگ نسبت به نیروهای ناشی از سطوح موج بزرگ و امواج کوچک‌تر نسبت داده می‌شود.

آسیب پذیری سازه های مسکونی پس از طوفان سندی 2012 توسط محققان مختلف مورد بررسی قرار گرفت [73]، [31]، [30]، [65]. مشاهدات کلی در این مطالعات شامل خرابی گسترده ساختمان های فونداسیون بسته و آسیب قابل توجه به دیوارهای خارجی به دلیل بارهای موج و ضربه آوار می باشد. همچنین مشاهده شده است که عملکرد ساختمان در یک آرایه ساختمانی در یک جامعه به شدت تحت تأثیر فاصله ساختمان ها از ساحل، ارتفاع از سطح زمین، قدمت ساختمان، و محافظ جریان و کانال کشی به دلیل وجود ساختمان های مجاور است [73] ، [31]. Hatzikyriakou و Lin [30] تأثیر عمل موج بر آسیب پذیری سازه ها را با استفاده از مدل های هیدرودینامیکی مختلف برای شبیه سازی سیل طوفان داخلی در Ortley Beach، نیوجرسی، در طول طوفان سندی 2012 بررسی کردند. نتایج نشان داد که ویژگی‌های خطر مانند ارتفاع موج و سرعت جریان، پیش‌بینی‌کننده‌های غالب آسیب سازه‌ای هستند، که با مشاهدات Tomiczek و همکاران همخوانی دارد. [65]. با استفاده از بررسی‌های آسیب در مقیاس محلی و منطقه‌ای و مدل‌سازی هیدرودینامیکی طوفان سندی، تومیچک و همکاران. [65] یک روش طبقه‌بندی آسیب و عملکردهای شکنندگی برای ساختمان‌های مسکونی موجود در ساحل نیوجرسی ایجاد کرد. مدل‌های شکنندگی توسعه‌یافته در این مطالعه بیشتر نشان داد که محافظ ساختمان یک پیش‌بینی‌کننده حیاتی آسیب است. [65] یک روش طبقه‌بندی آسیب و عملکردهای شکنندگی برای ساختمان‌های مسکونی موجود در ساحل نیوجرسی ایجاد کرد. مدل‌های شکنندگی توسعه‌یافته در این مطالعه بیشتر نشان داد که محافظ ساختمان یک پیش‌بینی‌کننده حیاتی آسیب است. [65] یک روش طبقه‌بندی آسیب و عملکردهای شکنندگی برای ساختمان‌های مسکونی موجود در ساحل نیوجرسی ایجاد کرد. مدل‌های شکنندگی توسعه‌یافته در این مطالعه بیشتر نشان داد که محافظ ساختمان یک پیش‌بینی‌کننده حیاتی آسیب است.

علاوه بر مطالعات تجربی، بررسی‌های تجربی و عددی پاسخ ساختمان‌های مرتفع تحت بارگذاری موج در جامعه پژوهشی مورد توجه قرار گرفته است (به عنوان مثال، فشارها و نیروها بر یک ساختمان جدا شده: [53]، [66]، [3]، [57]). اثر محافظ جریان و کانال کشی: [71]، [47]؛ تاثیر زباله: [62]، [63] با این حال، تنها تعداد بسیار محدودی از مطالعات بر ارزیابی عملکرد خاص ساختمان ساختمان های اسکلت چوبی یا آنها متمرکز شده اند. اجزای تحت بارگذاری موج و موج، مانند آنهایی که از موج طوفان طوفان و امواج یا امواج سونامی سرچشمه می گیرند (به عنوان مثال، آزمایش فیزیکی و مدل سازی عددی: [77]، [74]، [70]، [68]، [18]؛ فیزیکی تست: [39]، [23].

در یک آزمایش آزمایشگاهی بر روی رفتار جداشدگی دیوار تحت بارگذاری موج، Yeh et al. [74] استحکام نهایی اتصالات میخکوب شده در دیوارهای شکسته گل میخ چوبی را که معمولاً در فضای بین طبقه اول و زمین ساختمان های مسکونی مرتفع در مناطق ساحلی استفاده می شود، ارزیابی کرد. علاوه بر این، رفتار و حالت‌های شکست دیوارهای شکسته در مقیاس کامل تحت اقدامات موجی به صورت تحلیلی و از طریق آزمایش هیدرودینامیکی مخرب تحت امواج شکست‌ناپذیر، شکسته و شکسته ارزیابی شد. نتایج این مطالعه نشان داد که دیوارهای جدا شده به احتمال زیاد در اتصالات پایه دیوار شکست می‌خورند. ویلسون و همکاران [70] اثرات امواج سونامی را بر روی 1 بررسی کرد: 6 مقیاس ساختمان مسکونی دو طبقه با قاب چوبی درجه یک با استفاده از دو پیکربندی ساختمان نسبت به جهت موج (موازی و عمود بر جریان) و شرایط موج. نیروهای بالابرنده در آزمایش برای هر دو شرایط سیلابی و غیرسیل زده تحت ارتفاع موج منفرد از 0.1 متر تا 0.6 متر اندازه گیری شد. توزیع نیرو در ساختار به دلیل تغییر در سختی اجزا متفاوت است. علاوه بر این، شرایط بارگذاری پیش‌بینی نشده در سازه به دلیل وجود ویژگی‌های معماری مانند لبه‌های بیرونی بالای گاراژ و همچنین گوشه‌های ورودی مجدد مشاهده شد. ون دی لینت و همکاران [68] در ویلسون و همکاران، آزمایش‌های فشار آور را بر روی مدل‌های اسمی یکسان در مقیاس 1:6 انجام دادند. [70] برای تعیین رابطه برش پایه جانبی در مقابل تغییر شکل جانبی این مدل های مقیاس شده. نتایج آزمایشی برش پایه در مقابل تغییر شکل برای توسعه یک مدل عددی ساختمان در نرم افزار SAPWood [54] استفاده شد. سپس مدل SAPWood با نتایج آزمایش هیدرودینامیکی ویلسون و همکاران استفاده شد. [70] در کالیبراسیون یک معادله نیروی ساده شده برخورد سوراخ سونامی پیشنهاد شده در کد ساختمانی شهر و شهرستان هونولولو [15] برای ارتفاع موج بین 0.2 متر و 0.6 متر.

در مجموعه جداگانه ای از مطالعات که شامل آزمایش فیزیکی بود، لینتون و همکاران. [39] پاسخ ساختاری (نیروی افقی، انحراف و فشار) دیوارهای چوبی با قاب سبک در مقیاس کامل را برای پیکربندی‌های قاب دیوار چوبی انعطاف‌پذیر و سفت تحت بارگذاری موجی سونامی‌مانند بررسی کرد. نتایج نشان داد که دیوارهای انعطاف‌پذیر در مقایسه با دیوارهای سخت‌تر، تحت شرایط بارگذاری مشابه، نیروهای اوج کمتری را تحمل می‌کنند و دیوارهای سفت قادر به مقاومت در برابر نیروهای موج بزرگ قبل از شکست بودند. برای غلبه بر محدودیت انجام آزمایش هیدرودینامیکی سازه‌های ساختمانی در مقیاس کامل در حوضه موج به دلیل محدودیت‌های فیزیکی تاسیسات تجربی، لینتون و همکاران. [38] آزمایش سازه‌ای خارج از آب دیوارهای برشی را در هر دو جهت داخل صفحه و خارج از صفحه و سیستم ساختمان با اسکلت چوبی در مقیاس کامل تحت بارهای جانبی متفاوت انجام داد تا سهم اجزای جداگانه در پاسخ سیستم را درک کند. تحت بارگیری سونامی نتایج نشان داد که سختی و ظرفیت نهایی دیوارهای برشی تابعی از ارتفاع موج است که با پاسخ فشاری ساختمان‌ها که در توسعه تابع شکنندگی سونامی از طریق مدل‌سازی عددی در Alam و همکاران مشاهده می‌شود، مطابقت دارد. [2]. علاوه بر این، در لینتون و همکاران. [38]، ظرفیت نهایی دیوارهای منفرد بالاتر از ظرفیت سیستم تمام سازه بود و دیوار خارج از صفحه اساساً به عنوان یک سیستم دال یک طرفه در جهت عمود بر ضربه موج رفتار می کرد.

در زمان نگارش این مقاله، هیچ آزمایشی در ادبیات یافت نشد که بر ویژگی‌های ارتعاش و شتاب‌های مدل‌های فیزیکی ساختمان‌های چوبی با قاب سبک مرتفع که در معرض بارگذاری موج و موج ناشی از طوفان متمرکز باشد، یافت نشد. در مقابل، ادبیات گسترده ای در مورد ارزیابی ارتعاش و عملکرد لرزه ای ساختمان های چوبی وجود دارد (به عنوان مثال، [25]، [26]، [27]، [76]، [22]، [69]، [56]، [45]، [59]، [55]، [67]، [48]، [49]، [10]، [4]، از جمله تأثیر عناصر دیوار غیر ساختاری در ارزیابی ارتعاش و به‌روزرسانی مدل‌سازی المان محدود [4]، [48].

علاوه بر این، ادبیات گسترده ای در مورد استفاده از روش های تنها خروجی تجزیه دامنه فرکانس افزایش یافته (EFDD) و شناسایی زیرفضای تصادفی (SSI) در شناسایی سیستم (SID) پارامترهای دینامیکی سیستم های ساختاری وجود دارد (به عنوان مثال، [45]، [48]). ]، [49]) و همچنین برای پشتیبانی از به روز رسانی مدل المان محدود خطی و غیرخطی (FE) (به عنوان مثال، [7]، [6]، [48]). هر دو روش EFDD و SSI فقط خروجی نیز در این مطالعه استفاده می‌شوند و خواننده به Moaveni و همکاران هدایت می‌شود. [45] برای اطلاعات بیشتر در مورد این روش ها.

هدف مطالعه حاضر توسعه روش‌ها و داده‌های آزمایش معیار منحصر به فرد در مدل‌های فیزیکی ساختمان‌های مسکونی است که در معرض موج طوفان و بارگذاری موج ناشی از طوفان قرار دارند. کار ارائه شده در این مطالعه مبتنی بر یک آزمایش هیدرودینامیکی مخرب است که بر روی یک مدل فیزیکی در مقیاس 1:6 (که از این به بعد به عنوان نمونه آزمایشی نامیده می‌شود) یک ساختمان مسکونی با دیوار برشی چوبی با قاب سبک انجام شده است. آزمایش در حوضه موج جهت دار (DWB) در دانشگاه ایالتی اورگان (OSU) تحت موج طوفان و جریان زمینی موجی انجام شد [23]. خوانندگان به دانکن و همکاران هدایت می شوند. [23] برای مروری بر برنامه آزمایشی که شامل توسعه مدل فیزیکی، تخمین فشار و نیروها بر روی نمونه بود، و همچنین ارزیابی پیشرونده آسیب تحت افزایش بار هیدرودینامیکی از طریق همبستگی اسکن لیزری داده‌های ابر نقطه جمع‌آوری شده با آسیب به عناصر غیرسازه‌ای و ساختاری. این مقاله بر روی خصوصیات ساختاری (فرکانس، میرایی، و شکل‌های حالت) و ارزیابی پیشرفت آسیب مدل فیزیکی تمرکز دارد تا به مهندسان سازه و ساحلی و مدل‌سازان عددی اجازه دهد تا نتایج آزمایش را تکرار کنند و اثرات موج و موج طوفان بر سازه‌های مرتفع را درک کنند.

هدف کلی این مقاله ارائه روش‌های تجربی و عددی است که می‌تواند در توصیف واکنش شتاب و آسیب سازه‌های آزمایش‌شده برای فروپاشی در هنگام قرار گرفتن در معرض موج طوفان و امواج، به‌ویژه در محیط آزمایشگاهی استفاده شود. برای دستیابی به این هدف، بخش 2.1 مقاله جزئیات مدل فیزیکی نمونه آزمایشی را که تحت بارگذاری موج و موج در DWB در OSU قرار گرفت، ارائه می‌کند. بخش 2.2 روش های آزمایشی مورد استفاده در برنامه آزمایش را شرح می دهد، از جمله آزمایش تغییر شکل بار جانبی شبه استاتیکی دیوارهای آزمایشی مقیاس شده، آزمایش خصوصیات ساختاری دینامیکی خارج از آب، و آزمایش هیدرودینامیکی درون آب. بخش 2.3 روش‌های عددی مورد استفاده را شرح می‌دهد، از جمله شناسایی سیستم (SID)، مدل‌سازی عددی حجم محدود آزمایش هیدرودینامیک، روش‌های به‌روزرسانی مدل المان محدود (FE) برای توصیف تکامل خواص دینامیکی نمونه آزمایش و توسعه مدلی که اثرات تجمع آسیب در نمونه آزمایشی را به دلیل افزایش عمق موج و ارتفاع موج شبیه‌سازی می‌کند، مورد نیاز است. بخش 3 نتایج و بحث از مدل سازی تجربی و عددی انجام شده را ارائه می دهد، در نهایت، بخش 4 یافته های اصلی، محدودیت های مطالعه و موضوعاتی را برای تحقیقات آتی ارائه می دهد. شبیه‌سازی ترکیبی حجم محدود CFD آزمایش هیدرودینامیکی و مدل‌سازی FE چند فازی نمونه آزمایشی اتخاذ شده در این مطالعه را می‌توان برای توسعه موج طوفان و توابع شکنندگی موج در ساختمان‌های مسکونی چوبی با قاب نور مرتفع ساحلی گسترش داد که می‌تواند به کاهش کمک کند. برنامه ریزی برای افزایش تاب آوری جامعه ساحلی در برابر بلایای طوفان [1]،