–6

1-2-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی8
1-3- تحلیل پوش آور مرسوم9
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی9
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی10
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور12
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم 13
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی15
1-4- پوش آور مودی15
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی 15
1-6- نتیجه گیری16
فصل دوم « بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
2-1- مقدمه18
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار20
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار20
2-3-1- روشهای آمریکایی22
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن22
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ24
2-3-2- روشهای اروپایی27
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری27
2-3-2-2- روش انرژی29
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار30
2-4-1- شکل پذیری30
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه30
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری30
2-4-2- مقاومت افزون32
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون33
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون35
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها36
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون37
2-4-3- درجه نامعینی38
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای 39
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف42
2-4-3-3- آثار درجه نامعینی بر پاسخ لرزه ای سازه ها44
2-5- محاسبه ضریب رفتار توسط آنالیز تاریخچه زمانی44
2-5-1- معیار های عملکرد در آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی45
2-5-1-1- معیار تغییر مکان نسبی بین طبقات46
2-5-1-2- معیار پایداری46
2-6-روش بررسی ضریب رفتار با روند fema p695 47
2-7- نتیجه گیری56
فصل سوم « مدلسازی مسئله »
3-1-مقدمه58
3-2-فرضیات58
3-3-تحلیل استاتیکی خطی59
3-4-تحلیل پوش آور64
3-5-تحلیل دینامیکی غیر خطی(incremental dynamic analysis)68
فصل چهارم « ارزیابی ضرایب رفتار قاب ها »
4-1-مشخصات دینامیکی مدل ها74
4-2- ضریب بیش مقاومت74
4-3-محاسبه ظرفیت خرابی بوسیله آنالیز IDA76
4-4- بررسی خرابی83
فصل پنجم « نتیجه گیری »
5-1 نتیجه گیری85
منابع87

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسز42
جدول2-2- نسبت دقت برای نیاز طراحی48
جدول2-3- نسبت دقت برای آزمایش مصالح49
جدول2-4 جهت محاسبه SSF53
جدول2-554
جدول2-655
جدول 3-1 مشخصات مصالح59
جدول 3-2 انواع قاب ها60
جدول 3-3 نتایج تحلیل استاتیکی خطی62
جدول3-4 خروجی پوش آور68
جدول 3-5 انواع شتاب نگاشت و ضریب نرمال سازی شتاب نگاشت ها69
جدول4-174
جدول4-275
جدول4-3 خروجی پوش آور75
جدول4-476
جدول 4-577
جدول4-678
جدول4-778
جدول 4-8 خروجی IDA79
جدول 4-980
جدول 4-1081
جدول 4-1181
جدول 4-1281
جدول4-13 نهایی82

فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور11
شکل 1-2 منحنی پوش آور14
شکل 2-1 نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف25
شکل 2-2 مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد28
شکل 2-3 طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت 32
شکل 2-4 حالت های کلی ناپایداری.47
شکل2-5نمودار پوش آور50
شکل 2-6 نمودار IDA52
شکل 3-1 مقدار و نحوه بار گذاری بار مرده برای مدل پنج سقف با پنج دهانه60
شکل 3-2 ابعاد تیر و ستون مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-3 مقدار آرماتور طولی برای مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-4 منحنی رفتار فولاد مورد استفاده65
شکل 3-5 نمودار پوش اور مدل پنج دهانه پنج سقف67
شکل 3-6 نمودار IDA پنج دهانه سه سقف72
شکل 4-1 نمودار IDA پنج دهانه پنج سقف76
شکل 4-2 نمودار ADI سه دهانه سه سقف77
شکل 4-3 پوش اور نمودار مدل 3x380
شکل 4-4نمودار جابجایی نسبی طبقات83
چکیده
در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل نیاز است که ضریب رفتار با استفاده از روش های معتبر مورد نقد قرار گیرد. بدین منظور در این پایان نامه بر آن شدیم که با استفاده از روند آیین نامه FEMA p695 این ضریب را برای قاب های متداول ایران مورد بحث قرار دهیم.که روال انجام آن مختصرا به شرح زیر است. ما از نه قاب بتن آرمه با تنوع یک و سه و پنج طبقه و تعداد دهانه یک و سه و پنج دهانه استفاده کردیم که طراحی مدلهای سازه ای متنوع از یک سیستم سازه ای با توجه به آیین نامه های طراحی و بارگذاری مربوط، تشخیص میزان اطمینان از رفتار لرزه ای سیستم سازه ای مورد نظر، انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی برای محاسبه ضریب اضافه مقاومت سازه ها و ضریب شکل پذیری بر مبنای پریود، محاسبه نسبت مرز خرابی بوسیله آنالیز دینامیکی غیر خطی و مقایسه این نسبت با نسبتهای پیشنهادی آیین نامه با توجه به اصلاحات شکل طیفی و غیره. به این منظور از نرم افزار های ETABS, Seismostruct استفاده می شود.و در پایان به بررسی خرابی یک نمونه از مدل ها می پردازیم.و از جداول و نمودارها نتایج لازم استخراج می نماییم.
کلید واژه ها : ضریب رفتار ،ضریب اضافه مقاومت ،FEMA p695 ،قاب های خمشی بتن آرمه
فصل اول
« بررسی آنالیز استاتیکی غیر خطی »
در حال حاضر به نظر می رسد بهترین روش انجام آنالیزهای لرزه ای، آنالیز دینامیکی غیرخطی باشد ولی به دلیل پیچیدگی و زمان بر بودن آن محققین را بر آن داشته است تا طیف وسیعی از مطالعات در مورد آنالیز های استاتیکی غیرخطی موسوم به پوش آور مرسوم داشته باشند.با توسعه کاربرد تحلیل پوش آور در سالهای اخیر روشهای پوش آور پیشرفته متعددی برای لحاظ کردن اثر مود های بالاتر و همچنین اثر تغییرات مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء پیشنهاد شده است. روشهای پیشنهادی عموماً برای لحاظ کردن اثرات مود های بالاتر از چندین تحلیل پوش آور با الگوی بارهای متناسب با اشکال مودی سازه استفاده می نماید و نتایج حاصل از این تحلیل ها با یکدیگر ترکیب می شوند. در این فصل فرایند توسعه روشهای پوش آور به طور کامل شرح داده می شود و در انتها آخرین نتایج به دست آمده توسط محققین ارائه می گردد.
1-1- مقدمه
در سالهای گذشته آنالیز ارتجاعی، بیشترین کاربرد را جهت تحلیل و بررسی رفتار سازه ها در مقابل زلزله داشته است، اما عملکرد سازه ها در زلزله ها نشان داده است که صرفاً تحلیلهای ارتجاعی برای این منظور کافی نیستند. آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی، دقیق ترین روش جهت بررسی رفتار سازه ها هنگام زلزله است، اما این روش بسیار وقت گیر و پیچیده است. در این شیوه برای آنالیز سازه نیاز به مجموعه ای از شتابنگاشتهای مختلف می باشد تا بتوان بر اساس نتایج بدست آمده از آنالیزهای انجام شده تصمیم مقتضی گرفت، ضمن اینکه تصمیم گیری در مورد نتایج بدست آمده نیاز به دانش و تخصص کافی در این زمینه دارد.
در پی مشکلات عنوان شده پژوهشگران پیوسته به دنبال روشی بوده اند که بتواند با سرعت بالاتری سازه ها را در ناﺣﯿﮥ غیر خطی تحلیل کند. در این راستا ایدﮤ تحلیل استاتیکی فزایندﮤ غیر خطی در سال 1975 توسط محققین مطرح گردید و گامهای اولیه در این زمینه برداشته شد.
در روش مذکور، موسوم به آنالیز پوش آور متداول، سازه تحت الگوی بارگذاری ثابت تا تغییر مکان معینی موسوم به تغییر مکان هدف جلو برده می شود، مگر اینکه فروریزش سازه زودتر از رسیدن به تغییر مکان هدف رخ دهد. بعد از انجام آنالیز قادر به استخراج نتایجی از قبیل منحنی ظرفیت سازه، تغییر مکان نسبی طبقات، نیروهای داخلی اعضاء و دیگر پاسخهای لرزه ای سازه خواهیم بود .
لازم به ذکر است در طی سالهای اخیر تحلیل پوش آور به عنوان یک فرایند کاربردی نقش موثری در جهت پیشرفت و توسعه آنالیز های لرزه ای بر مبنای عملکرد داشته است و به طور گسترده ای در آیین نامه ها و دستوالعمل های بهسازی لرزه ای سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است. در طی فرایند تحقیقات به عمل آمده در مورد روشهای پوش آور از سوی محققین و در جهت رفع معایب پوش آور مرسوم که قادر نمی باشد اثر مودهای بالاتر و اثر تغییر مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء در نظر بگیرد روشهای پوش‌آور جدیدی براساس مفاهیم ترکیب مودال سازه ارائه گردیده است. در سال 2002 روش MPAتوسط چوپرا وگوئل پیشنهاد شد. در این روش چندین تحلیل پوش‌آور با الگوی بار متناسب با اشکال مودی الاستیک چند مود اول انجام گرفته سپس پاسخ لرزه‌ای سازه از ترکیب پاسخ‌های حاصل از هر مود با استفاده از روش ترکیب مجموع مربعات (SRSS) بدست می‌آمد. از آنجایی که در مودهای بالاتر افزایش جابجایی بام متناسب با افزایش جابجایی سایر طبقات نمی‌باشد و حتی در برخی موارد با افزایش برش پایه طبقه بام در جهت عکس حرکت می‌کند لذا استفاده از جابجایی بام به عنوان نقطه کنترل تغییر مکان در مودهای بالاتر با ابهاماتی روبه‌رو بوده است. در سال 2004 چوپرا وگوئل برای رفع این نقیصه روش MMPA ارائه کردند. در تمام این تحلیل‌ها به علت آنکه الگوی بارگذاری ثابت است و باتوجه به کاهش سختی در طی تحلیل الگوی بار بهنگام نمی شود همچنان این آنالیز ها ازنتایج خوبی برخوردار نبود.
پس از چوپرا وگوئل با انجام مطالعات‌و بررسی‌ها در جهت رفع نواقص روش های قبلی، روشهایی ابداع شد که در هرمرحله با کاهش سختی ناشی از تسلیم اعضاء بارگذاری بهنگام می شود و در سالهای اخیر توسط آنتونیو و پینهو جدیدترین روشهای پوش‌آور تطبیقی APA که به صورت یک مدل تحلیل فیبری (Fiber)تحت عنوان روشهای FAPوDAPتوسعه یافته است. در ادامه پس از مروری بر آنالیز های لرزه ای مورد استفاده در آئین نامه ها به شرح کامل آنالیز استاتیکی غیر خطی خواهیم پرداخت.
1-2- مروری بر روشهای تحلیل لرزهای سازه ها
به منظور بررسی رفتار سازه در مقابل زلزله و همچنین طراحی لرزه‌ای، نیاز به تحلیل لرزه‌ای میباشد. انتخاب نوع تحلیل بستگی به عواملی همچون دقت مورد انتظار و توصیه آیین نامهها دارد. آنالیز لرزه‌ای سازهها به چهار روش استاتیکی و دینامیکیِ خطی و غیرخطی انجام می‌شود که در ادامه به آنها پرداخته خواهد شد.
1-2-1- تحلیل استاتیکی معادل
این روش از متداولترین شیوه‌های تحلیل لرزه‌ای است که در تمام آیین نامه‌های زلزله دنیا با اختلافاتی جزئی نسبت به یکدیگر از آن استفاده شده است. روش کار بدین گونه است که برش پایه طرح که درصدی از وزن سازه است و توسط ضریبی به نام ضریب زلزله بدست می آید، بر اساس یک الگوی بارگذاری مشخص در امتداد قائم سازه توزیع و به آن وارد میگردد. پس از این مرحله با استفاده از ترکیبات بارگذاری توصیه شده توسط آیین نامهها، تحلیل سازه با فرضیات و تئوری های حاکم بر رفتار ارتجاعی و خطی، انجام می گیرد و نیروهای داخلی اعضا استخراج و سپس طراحی صورت می پذیرد.
الگوی بارگذاری در آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله (استاندارد 2800 ایران) به شکل مثلثی و برگرفته از شکل مود اول الاستیک سازه است. در استاندارد 2800 ایران، نیروی برشی پایه ، مطابق رابطه زیر در ارتفاع ساختمان توزیع می گردد:
(1-1)
در رابطه (1-1):
: نیروی جانبی در تراز طبقهام، : ارتفاع طبقهام از تر از پایه،: ارتفاع طبقهام از تراز پایه، : وزن موثر طبقهام، : وزن موثر طبقهام و نیروی جانبی اضافی در تراز سقف که بوسیله رابطه زیر تعیین می شود:
(1-2)
نیروی نباید بیشتر از در نظر گرفته شود و چنانچه برابر یا کوچکتر از ثانیه باشد، می توان آن را برابر صفر اختیار نمود.
1-2-2- تحلیل دینامیکی خطی
از دیگر روشهای تحلیل لرزه‌ای سازهها که به طور کاربردی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، تحلیل دینامیکی خطی است که به دو روش طیفی و تاریخچه زمانی صورت می‌پذیرد.
1-2-2-1- تحلیل دینامیکی طیفی یا تحلیل مودال
در این روش نیز مانند تحلیل استاتیکی معادل، رفتار اعضای سازه در طی تحلیل سازه ارتجاعی فرض می‌گردد. مشخصات دینامیکی سازه که در طی تحلیل از آن استفاده می‌گردد، مانند زمان تناوب مود‌ها و اشکال مودی، بر رفتار ارتجاعی استوار است. در این روش ابتدا مشخصات دینامیکی سازه در هر مود محاسبه می‌گردد (که امروزه این کار بوسیله نرم‌افزارهای تخصصی انجام می گیرد)، سپس شتاب پاسخ هر مود با توجه به زمان تناوب آن بر اساس طیف پاسخ زلزله مورد نظر یا طیف طرح آیین نامه محاسبه و به دنبال آن هر گونه پاسخ لرزه‌ای سازه در آن مود مانند برش پایه، نیروی طبقات، تغییرمکان نسبی طبقات، نیروی اعضا و ... طبق مشخصات دینامیکی آن مود بدست خواهد آمد. پس از آن با استفاده از روشهای آماری معتبر مانند جذر مجموع مربعات(SRSS) یا ترکیب مربعی کامل(CQC) پاسخ مودها با یکدیگر ترکیب و به این ترتیب پاسخ کلی حاصل می‌گردد.
1-2-2-2- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی
فرضیات این تحلیل نیز مانند تحلیل طیفی خطی بر اساس رفتار ارتجاعی اعضا و سازه استوار است. شیوه تحلیل بدین گونه است که پی سازه تحت اثر شتابنگاشت زلزله مورد نظر با به کارگیری روابط دینامیک سازه تحلیل می‌شود و پاسخهای سازه در هر گام زمانی ثبت می گردد و مجموعهای موسوم به تاریخچه پاسخ حاصل می گردد. در نهایت مهندس طراح بر اساس تاریخچه های پاسخ سازه در مقابل شتابنگاشتها و اتکا بر دانش و قضاوت مهندسی، در مورد چگونگی کاربرد پاسخ ها جهت طراحی سازه تصمیم خواهد گرفت.
خصوصیات شتابنگاشتهای انتخاب شده جهت تحلیل به شرح زیر است.
الف- حداقل باید سه زوج شتاب نگاشت انتخاب گردد که در این صورت حداکثر بازتاب در هر لحظه زمانی از این سه زوج به عنوان بازتاب نهایی تلقی می‌گردد. از هفت زوج شتابنگاشت نیز جهت تحلیل می‌توان استفاده کرد که در این حالت، بازتاب نهایی مورد نظر، میانگین بازتاب‌های بدست آمده خواهد بود.
ب- ساختگاههای شتابنگاشتها باید به لحاظ ویژگیهای زمین شناسی، تکتونیکی، لرزه شناسی و خصوصیات لایه‌های خاک با زمین محل ساختمان، تا حد امکان مشابهت داشته باشند.
ج- مدت زمان حرکت شدید زمین در شتابنگاشتها، حداقل برابر با 10 ثانیه یا سه برابر زمان تناوب اصلی سازه، هرکدام که بیشتر است باشد .
1-2-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی
در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی رفتار سازه در حوزه غیرارتجاعی تحت شتابنگاشت زلزله مورد نظر بررسی می‌گردد. جهت حصول نتایج مطلوب لازم است مشخصات غیرخطی اجزا از قبیل مقاومت، سختی، میزان شکل‌پذیری و همچنین رفتار چرخه‌ای کامل آنها که در نرم افزار مدلسازی می‌گردد، با مشخصات رفتار واقعی آنها مطابقت داشته باشد. این مشخصات معمولاً بوسیله مدلهای ساخته شده در آزمایشگاهها تعیین می شوند . محاسبه تحلیلی پاسخ دینامیکی سازهها در حوزه غیرخطی، حتی اگر تغییرات زمانی تابع تحریک، تابع سادهای باشد، معمولاً امکان پذیر نیست، در نتیجه روش اصلی برای تحلیل سیستم های غیرخطی، روشهای عددی است که از آن جمله می توان به دو روش تفاضل مرکزی و روش نیومارک اشاره نمود. امروزه این کار به عهده رایانه هاست و اساس تحلیل در آنها به روشهای عددی استوار است. در این روش در هر گام زمانی از تحلیل، سختی سازه اصلاح می گردد و پاسخ سازه در آن گام بر اساس سختی اصلاح شده محاسبه می گردد که ثبت پاسخ ها در گامهای زمانی مربوطه منجر به تهیه تاریخچه پاسخ واقعی سازه خواهد شد .
لازم بذکر است که تحلیل سازه به روش تاریخچه زمانی غیرخطی تا حدودی مشکل و وقت گیر است، ضمن اینکه مدلسازی اعضای آن و از طرف دیگر بررسی نتایج تحلیل نیاز به تخصص کافی در این زمینه دارد. این روش معمولاً جهت کارهای تحقیقاتی و تحلیل سازههای خاص و حساس بکار می رود.
بکارگیری روشهای دینامیکی در تحلیل لرزه‌ای کلیه سازه ها مناسب و اختیاری است، اما بر اساس استاندارد 2800 ایران برای ساختمانهای منظم با ارتفاع بیش از 50 متر از تراز پایه و ساختمانهای نامنظم بیش از 5 طبقه و یا ارتفاع بیش از 18 متر اجباری است.
با توجه به مسائل فوق و مشکل بودن این روش از تحلیل لرزه‌ای، محققین بدنبال روشی بوده اند که ضمن دارا بودن سرعت و دقت لازم در تحلیل، عملاً از سادگی نیز برخوردار باشد. حاصل تحقیقات، ارائه روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوشآور) در چند دهه گذشته و روند تکاملی آن در سالهای اخیر بوده است. در ادامه به این موضوع پرداخته می‌شود.
1-3- تحلیل پوش آور مرسوم
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی
درسالهای اخیرتحلیل استاتیکی غیرخطی درمقایسه با تحلیل های دینامیکی غیرخطی موردتوجه بیشتری قرارگرفته است.علت این مسأله توانایی تحلیل های استاتیکی غیرخطی درمحاسبه پارامترهای سازهای بدون نیازبه مدلسازی و محاسبات پیچیده خاص تحلیل های دینامیکی غیرخطی است .
توضیح اینکه هرچند از روش های دینامیکی غیرخطی به دلیل درنظرگرفتن توأم اثرات دینامیکی نیرو و رفتارغیرخطی اعضابه عنوان کاملترین روش یاد می شود،امابه دلیل مشکلاتی ازقبیل پیچیدگی،پرهزینه بودن وهمچنین حساسیت زیاد نتایج آن به دقت مدل وفرضیات حرکت زمین،که عدم توجه به آنها باعث کاهش شدید دقت نتایج خواهدشد،باعث می شود به سختی بتوان از این روش برای مسائل کاربردی ومهندسی استفاده کرد.
عامل مهم دیگر یکه باعث تمایل بیشتر به استفاده ازروش تحلیل استاتیک غیرخطی شده است، توانایی این روش دردنبال کردن گام به گام رفتارسازه درطول عملکردغیرارتجاعی آن وتعقیب مکانیزم شکست دراعضاءمی باشد،که این مسأله درتحلیل دینامیکی غیرخطی به سادگی میسرنمیشود. البته باید توجه داشت که دربکارگیری این روش های ساده شده بایدعدم قطعیتهاراموردتوجه قرارداد تا بتوان روش مذکوررابه عنوان ابزاری در روش های طراحی براساس عملکردگنجاند.
این روش به نحو مناسبی در سالهای اخیر مورد توجه مهندسین و محققین قرار گرفته و به عنوان ابزاری مناسب جهت تحلیل و تخمین نیاز لرزه‌ای سازه ها در محدوده غیر خطی مورد استفاده قرار گرفته است. روش مذکور جای خود را در بین روشهای آنالیز غیر خطی به خوبی باز نموده تا جائیکه در سالهای گذشته آیین نامه ها مباحث آنرا در سرفصل های خود جای داده اند، تاکنون گزارشها و دستورالعمل های متعددی از جمله سری آیین نامه های FEMA، ATC و همچنین دستورالعمل بهسازی لرزه ای ایران در این زمینه منتشر شده اند .
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی
اساس کلی روش مذکور موسوم به آنالیز پوش آور مرسوم بدینگونه است که یک بار جانبی مطابق با الگوی بارگذاری ثابت و مشخصی به صورت فزاینده و گام به گام تا رسیدن به یک تغییر مکان از پیش تعیین شده به نام تغییر مکان هدف و یا فرو ریزش و خرابی نهایی سازه به آن اعمال می‌شود. سپس در آن تغییر مکان نیازهای لرزه‌ای سازه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در شکل (1-1) مراحل اعمال بار جانبی به سازه و تغییر شکل آن از حالت ارتجاعی تا فروریزش نشان داده شده است .

شکل (1-1): مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور
در این روش رفتار یک سیستم چند درجه آزاد از طریق یک سیستم یک درجه آزاد معادل مورد مطالعه قرار می گیرد. سیستم یک درجه آزاد معادل نماینده یک سیستم چند درجه آزادی در یک مود مشخص است که دارای خصوصیات مشابهی از جمله پریود و رفتار خطی و یا غیر خطی اجزاء می‌باشد. این مفهوم در مهندسی زلزله جایگاه و کاربرد ویژه ای دارد که می توان به تهیه طیف پاسخ زلزله بوسیله آن اشاره نمود.
ارتباط اصلی بین این دو سیستم در آنالیز استاتیکی غیر خطی بوسیله ضریب مشارکت مودی، مود اصلی سیستم چند درجه آزاد، ایجاد می گردد. این ضریب از رابطه (1-3) قابل محاسبه است.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

(1-3)
که و به ترتیب بردار شکل مود اصلی و بردار جرم سیستم چند درجه آزاد می‌باشند.
حال با داشتن ضریب انتقال و نتایج تحلیل پوش آور سیستم چند درجه آزاد و بکارگیری رابطه (1-4) مشخصه های نیرو- تغییر شکل سیستم یک درجه آزاد تعیین می‌گردند.
(1-4)
در روابط فوقو به ترتیب تغییر مکان (بام) و برش پایه نظیر آن در سیستم چند درجه آزادی می باشند.
بدین ترتیب منحنی ظرفیت سیستم یک درجه آزاد معادل قابل ترسیم است.
اگر چه این روش از تئوری قوی برخوردار نیست اما مطالعات پژوهشگران نشان داده است که اگر مود اصلی در رفتار سازه حاکم باشد در نظر گرفتن ضریب انتقال به صورت ثابت در مقابل تغییرات کوچک تا متوسط بردار شکل هنوز می تواند تخمین خوبی جهت تبدیل سیستم چند درجه آزاد به یک درجه آزاد باشد.
حداکثر تغییر مکان سیستم یک درجه آزاد معادل، که در معرض حرکات زمین ناشی از زلزله قرار گرفته است را می توان بوسیله طیف های ارتجاعی، غیر ارتجاعی و یا آنالیز تاریخچه زمانی بدست آورد. پس از تعیین تغییر مکان در سیستم یک درجه آزاد، حداکثر تغییر مکان سیستم چند درجه آزاد با استفاده از رابطه (1-4) تخمین زده خواهد شد.
لازم به توضیح است که تخمین و محاسبه تغییر مکان حداکثر یک سیستم یک درجه آزاد در مقابل حرکات زمین، موسوم به تغییر مکان هدف از طریق طیف پاسخ و یا آنالیز تاریخچه زمانی گستردهای همچون تحلیل طیف ظرفیت را در بر می‌گیرد.
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور
با توجه به اینکه این روش از تحلیل، رفتار سازه را در حالت غیر ارتجاعی نیز بررسی می کند بسیاری از خصوصیات رفتاری سازه که در روشهای خطی قابل دستیابی و مشاهده نیست و از نظر پنهان می‌ماند را هر چند همراه خطا و دارای تقریب، نمایان می کند با چنین اطلاعاتی دقت و میزان صحت تصمیم گیری مهندس و یا محقق جهت اقدامات بعدی افزایش می یابد از جمله موارد کلی استفاده از نتایج تحلیل پوش آور می توان به تهیه منحنی ظرفیت سازه (برش پایه در مقابل تغییر مکان بام) در مقابل بار جانبی اعمال شده تخمین تغییر مکان نسبی طبقات، برآورد میزان چرخش مفاصل پلاستیک ایجاد شده، تخمین تغییر مکان جانبی سازه و هرگونه پاسخ سازه نسبت به حرکات زمین و بار جانبی که جهت بررسی رفتار لرزه ای سازه بدان نیاز داریم اشاره نمود.
نتایج قابل مشاهده و دریافت از آنالیز استاتیکی غیر خطی که توسط کراوینکلر و سنویراتنا (1988) ارائه شده به قرار زیر است .
1- برآورد نیروهای واقعی در اعضای ترد و غیر شکل پذیر از قبیل نیروی محوری در ستونها و لنگر ایجاد شده در اتصالات تیر به ستون و برش در اعضای کوتاه که رفتار برشی در آنها حاکم است.
2- تخمین تغییر شکل مورد نیاز اجزاء سازه که جهت اتلاف انرژی ناشی از زلزله باید در ناحیه غیر ارتجاعی تحمل نمایند.
3- اثرات کاهش مقاومت اجزای خاص بر پایداری سازه.
4- تعیین محل های بحرانی در سازه مانند مکانهایی که دچار تغییر شکل های زیاد می شوند.
5- تعیین نامنظمی های در پلان یا ارتفاع که باعث تغییر در مشخصات دینامیکی سازه در ناحیه غیر ارتجاعی می گردند.
6- تخمین تغییر مکانهای داخلی طبقات با در نظر گیری ناپیوستگی سختی و مقاومت (مانند طبقه نرم) و جلوگیری از این نوع خرابی ها در سازه.
7- ترتیب جاری شدن و شکست اعضاء و بررسی پیشرفت منحنی ظرفیت سازه.
8- بررسی کفایت مسیر بار با در نظر گیری تمام اجزاء سازه ای و غیر سازه ای سیستم به عبارت دیگر بررسی کفایت مسیر انتقال بار جانبی با توجه به ترکیب هندسی موجود سازه.
9- پارامترهای رفتار لرزه ای سازه (مثل شکل پذیری، ضریب رفتار، ...)
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم
منحنی ظرفیت سازه به عنوان نموداری که محورافقی آن تغییرمکان افقی نقطه کنترل سازه می باشدومحورقائم آن برش پایه اعمالی بهسازهاست،ازتحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی حاصل میشود. نمونهای از منحنی ظرفیت سازه در شکل (1-2) نشان داده شده است.تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی سازهبا استفاده از نرمافزارهایینظیر ETABS،SAP2000 و .. .به راحتی قابل انجام است.
نامهای انجام یک تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی به صورت زیرفهرست میشود.

شکل(1-2): منحنی پوش آور[10].
1- ایجادیک مدل ریاضی از سازه.
2-اعمال بارجانبی به سازه،پس ازتعیین الگوی بارگذاری جانبی.
3-افزایش بارجانبی اعمالی به سازه تاجاییکه بعضی ازاعضای سازه به حدتسلیم برسند.
4-ثبت برش پایه اعمالی درآن مرحله وتعیین تغییرمکان نقطه کنترل برای کنترل رفتار و استفاده درمراحل بعد،ثبت نیروهای سایراعضا نیزلازم است.
5-بازسازی مدل با فرض سختی جانبی صفر برای اعضای جاری شده سازه.
6-افزایش بارجانبی بهسازه تاجاییکه عضوهای دیگری ازسازه جاری شوند.
7-ثبت برش پایه وتغییرمکان نقطه کنترل.
8- روند 3 تا 7 تاجائی تکرارمیشوندتا اینکه سازه یا براثرعواملی مانند ناپایدار شود و یا اینکه به تغییر مکان مشخص ازپیش تعیین شدهای برسد.
9-رسم برش پایه بدست آمده درمراحل مختلف درمقابل تغییرمکان نقطه کنترل سازه.
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی
در آنالیز استاتیکی فزاینده غیر خطی سه مطلب اساسی باید مورد توجه قرار گیرد که عبارتند از مشخصات غیر خطی اجزاء، الگوی بارگذاری جانبی و تعیین تغییر مکان هدف. عدم شناخت کافی نسبت به موارد مذکور باعث ایجاد خطا در نتایج و تشدید آن در مراحل بعدی خواهد شد .
استفاده از الگوی بارگذاری متناسب با واقعیت، مدلسازی دقیق رفتار غیر خطی اجزاء سازه و تعیین تغییر مکان هدف صحیح، منجر به کسب نتایج با دقت بیشتر و تخمین مناسب نیازهای لرزه ای در آنالیز سازه خواهد شد. در ادامه به آنها پرداخته می شود.
1-4- پوش آور مودی
استفاده از روشهای تحلیل استاتیکی غیرخطی درتخمین عملکردسازههادرهنگام زلزله بسیار مورد توجه متخصصین قرارگرفته است. از فرضیات این روش این است که، رفتارسازه توسط موداول کنترل می گردد وشکل این مود درتمامی مدت تحلیل ثابت می ماند،که هر دوی این فرضیات غلط می باشند.امانتایج نشان دهندهتقریب مناسب اینروش می باشد. درجهت بهبود هرچه بیشترروش تحلیل استاتیکی فرایندهغیرخطی، روش تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی مودی(MPA) باتوجه به اصول دینامیک سازههاارائه شده است که امکان در نظرگیری تمامی مودهای مؤثردرپاسخ سازه رابه کاربرمی دهد.
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی
با محاسبه سختی لحظه ای اعضاء و در نتیجه ماتریس سختی کل در هر گام از آنالیز در هنگام اعمال بار جانبی به سازه، شاهد کاهش سختی سازه خواهیم بود. این موضوع نه تنها باعث تغییر پاسخ سازه به حرکات زمین می گردد، بلکه همچنین باعث تغییر توزیع نیروهای اینرسی در ارتفاع سازه خواهد شد. برای تحقق این فرضیات باید از آنالیز پوش آور تطبیقی استفاده گردد و همچنین در هرگام با توجه به کاهش سختی المانهای سازه باید الگوی بارگذاری اصطلاحاً به هنگام گردد. همانطور که در قسمت نواقص و معایب آنالیز پوش آور متداول بیان گردید، تغییرات فوق در خلال آنالیز منظور نمی گردد و الگوی بارگذاری با یک توزیع ثابت به سازه وارد می شود و این یک منبع خطای مهم در ارزیابی لرزه ای سازه محسوب می گردد. اساس روش پوش آور تطبیقی به دو گونه انجام می شود؛ پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو و مبتنی بر جابجایی.
1-6- نتیجه گیری
در این فصل با توجه به نتایج مشاهده شده توسط روش های تحلیل پوش آور به هنگام شونده و مقایسه روش پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو با نتایج آنالیز دینامیکی غیر خطی و پوش آورهای متداول، طبق نتایج بدست آمده از این روش در سازه های کوتاه به علت تاثیر کمتر اثر مود های بالاتر می توان گفت نتایج این آنالیز معتبر است ولی مطابق با بررسی های که توسط پاپینکولار و النشای در سال 2006 انجام داده اند و ثابت نمودند به دلیل اینکه در روش FAP به علت استفاده از قوانین ترکیب مودال درجه دوم مثل SRSS تغیر علامت نیرو های مودال در طبقات مختلف مود های بالا تر از بین رفته و علامت مولفه های بردار الگوی بار اعمالی در تمام طبقات یکسان است، می توان گفت نتایج تحلیلیFAP در سازه های بلند که اثر مود های بالاتر تاثیر گذاری بیشتری دارند، نه تنها بهبودی در نتایج حاصل نکرده است، بلکه نتایج به سمت مسیر گمراه کننده پیش می رود. در مقابل، نتایج بدست آمده از آنالیز پوش آور تطبیقی بر اساس جابجایی در سازه های بلند دارای نتایج قابل قبول تری نسبت به آنالیز مبتنی بر نیرو و پوش آورهای دیگر می باشد.
فصل دوم
« بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
آیین نامه های طراحی لرزه ای، نیرو های لرزه ای برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست میآورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ارتجاعی و اتلاف انرژی بر اثر رفتار هیسترتیک ، میرائی و اثر مقاومت افزون سازه، این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نماید. در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل محققین روش های تئوریکی جهت محاسبه ضریب رفنار ارائه نموده اند که در این فصل به طور کامل تشریح گردیده است.
2-1- مقدمه
به طور کلی می توان گفت طراحی سازه ها بر اساس آنالیز های لرزه ای بر این مبناء است که رفتار ساختمان در مقابل نیرو های ناشی از زلزله های کوچک، بدون خسارت در محدوده ارتجاعی باقی بماند و در هنگام وقوع زلزله های شدید که رفتار سازه وارد ناحیه غیر خطی می شود ضمن حفظ پایداری کلی خود، خسارتهای سازه ای و غیر سازه ای را تحمل کند، به همین منظور طراحی لرزه ای سازه در هنگام ورود به ناحیه غیر خطی مستلزم آنالیز های غیر خطی می باشد.
می توان گفت یک تحلیل دینامیکی غیر خطی بیانگر رفتار صحیح و واقعی سازه به هنگام وقوع زلزله می باشد امّا با توجه به پیچیده بودن و پر هزینه بودن آنالیز های غیر خطی و زمان بر بودن این نوع تحلیل ها، روشهای تحلیلی بر مبناء آنالیز در محدوده رفتار خطی سازه با نیروی کاهش یافته زلزله صورت می گیرد.
از طرفی تحلیل و طراحی سازه ها صرفا بر اساس رفتار ارتجاعی اعضاء و عدم توجه به رفتار غیر خطی در هنگام وقوع زلزله باعث ایجاد شدن طرحی غیر اقتصادی که شامل مقاطع سنگین برای طرح خواهد بود می شود.
از اینرو آیین نامه های لرزه ای، نیرو های برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست می آورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ازتجاعی و اتلاف انرژی بز اثر رفتار هیسترتیک، میرایی و اثر مقاومت افزون سازه این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نمایند.
با توجه به اینکه ضرائب رفتار تعین شده توسط آیین نامه های لرزه ای بر پایه مشاهدات عملکردی سیستم های سازه ای مختلف در زلزله های اتفاق افتاده و بر اساس قضاوت مهندسی استوار است در جهت رفع نگرانی پژوهشگران بابت فقدان ضرائب رفتار معقول و مبتنی بر مطالعات تحقیقاتی و پشتوانه محاسباتی در سالهای اخیر آیین نامه ها لرزه ای بر این اساس مدون گردیده اند که رفتار های هیستر تیک، شکل پذیری، مقاومت افزون، میرایی و ظرفیت سازه در هنگام استهلاک انرژی را جهت محاسبه ضریب رفتار در نظر بگیرند.
در این فصل به طور کلی تمام اجزاء ضریب رفتار شرح داده می شود.
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار
در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد. به همین دلیل مقادیر عددی ضرائب رفتار به کار برده در آیین نامه ها مختلف متفاوت می باشد به طوری که می توان گفت محدوده عددی ضریب رفتار برای سازه های بتن مسلح با سیستم قاب خمشی در آیین نامه های اروپایی مانند EC8 بین عدد های 5/1 تا 5 است در صورتیکه برای همین نوع سیستم سازه ای در آیین نامه های آمریکایی مقادیر ضریب رفتار تا عدد 8 هم بیان گردیده است، از اینرو می توان گفت سازه هایی که مطابق آیین نامه های EC8 طراحی شده اند دارای طراحی های سنگین تری نسبت به طراحی های که مطابق آیین نامه های آمریکایی انجام گرفته است می باشند. اگر به طور خاص آیین نامه طراحی لرزه ای ایران را مورد مطالعه قرار دهیم، می توان گفت به دلیل آنکه ضرائب رفتار تعین شده بر مبناء قضاوت مهندسی است دارای کاستی هایی به شرح زیر می باشد:
1- برای سیستم های سازه ای، از یک نوع با ارتفاع ها و زمان تناوب ارتعاش متفاوت از ضرائب رفتار یکسانی استفاده میشود.
2- در R تاثیر شکل پذیری و مقاومت افزون و درجه نامعینی به صراحت نیامده است.
3- اثر لرزه خیزی منطقه در Rلحاظ نشده است.
4- اثر شرائط خاک در R لحاظ نشده است.
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار
همانطور که از پیش ذکر شد روشهای سنتی چگونگی محاسبه ضریب رفتار برای سیستم های سازه ای بر اساس قضاوت مهندسی انجام می شده است، در طی سالهای اخیر روشهای علمی قابل اعتماد و جدیدی توسط تحقیقات نیومارک ارائه گردیده است.
می توان گفت جدید ترین رابطه های ارائه شده برای ضریب رفتار رابطه ای است که سه عامل شکل پذیری، مقاومت افزون و در جه نامعینی را در بر دارد. دو عامل شکل شکل پذیری و مقاومت افزون برای کشور های مختلف می تواند متفاوت می باشد، زیرا به متغیر های کیفی و کمی متعددی مانند فرهنگ ساخت و ساز و روشهای اجرائی، ناحیه لرزه خیزی و آیین نامه بارگذاری و طراحی بستگی دارد.
از اوائل دهه 1980 در انجمن فن آوری کاربردی (ATC) در طی پژوهشهای فریمن و یوانگ تلاش محققین به سمت تجزیه ضریب رفتار به عوامل تشکیل دهنده آن سوق پیدا نمود.
قابل توجه است که عامل نامعینی ابتدا در آیین نامه های ATC-19 و ATC-40 و سپس در آیین نامه UBC-1997 مطرح گردید.
در سال 1995 محققین برای محاسبه ضریب رفتار رابطه (2-1) را پیش نهاد نمودند.
(2-1)
که در رابطه فوق ضریب کاهش نیرو ناشی از مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو ناشی از شکل پذیری و کاهش نیرو ناشی از نامعینی یا به عبارت دیگر ضریب درجه نامعینی سازه می باشد.
به طور کلی تقسیم بندی که در مورد روشهای محاسبه ضریب رفتار می توان گفت به صورت زیر می باشد:
1- روش های آمریکایی
2- روشهای اروپایی
در طی مطالعات پزوهشگران گذشته روشهای آمریکایی نسبت به روشها اروپایی از ابتکار عمل ساده تری برخوردار بوده اند، به همین جهت در این رساله برای به دست آوردن نتایج ضریب رفتار صرفا" از روش های آمریکایی استفاده گردیده است.
2-3-1- روشهای آمریکایی
از بین روشهای آمریکایی دو روش طیف ظرفیت فریمن و روش یوانگ معتبر تر می باشند از اینرو در ادامه به صورت جزئی به شرح کامل این دو روش می پردازیم.
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن
در سال 1990 فریمن یک روش تحلیلی جهت محاسبه ضریب رفتار تحت تاثیر پارامتر هایی مطابق با رابطه زیر ارائه نموده است.
(2-2)
به طور کلی هر کدام از پارامتر های رابطه فوق به عوامی زیر وابسته می باشد.
1- سیستم سازه ای
2- آرایش قابها
3- ترکیب بار ها
4- درجه نامعینی
5- میرایی سازه
6- ویژیگی های رفتار غیر خطی سازه
7- خصوصیات مصالح
8- نسبت ابعاد ساختمان
9- چگونگی مکانیزم خرابی و عوامل دیگر.
با توجه به گستردگی دامنه تاثیر گذاری عوامل مختلف بر پارمتر های اجزاء ضریب رفتار به ندرت می توان گفت که دو سازه ضریب رفتار یکسانی خواهند داشت.
در ادامه تحقیقات از بین عوامل تاثیر گذار بر ضریب رفتار یک سازه دو عامل ظرفیت سازه و نیرو های ناشی از زلزه را می توان از عوامل اصلی نام برد، که فریمن تمام عوامل فوق را به دو عامل اصلی ظرفیت افزایش یافته سازه و احتیاجات لرزه ای بسط داده است.
در این روش ظرفیت افزایش یافته به اصطلاح مقاومت افزون نام دارد و با نمایش داده می شود. ضریب مقاومت افزون را می توان از یک تحلیل استاتیکی غیر خطی با رسم منحنی ظرفیت سازه (برش پایه- تغیر مکان نقطه بام) از نسبت ضریب برش تسلیم کلی سازه به ضریب برش پایه متناظر با تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه به دست آورد. عوامل موثری که در محاسبه این ضریب نقش دارند به شرح زیر می باشند.
1- ضرائب بار و ضرائب کاهش مقاومت مصالح
2- طراحی دست بالای اعضاء
3- سختی کرنشی
4- نامعینی سازه
5- شکل پذیری سازه
احتیاجات لرزه ای یا به عبارت دیگر ضریب کاهش نیرو در اثر شکل پذیری که با نمایش داده می شود، می توان گفت از رفتار غیر خطی سازه که منجر به میرایی و استهلاک انرژی می شود، به وجود آمده است. فریمن جهت محاسبه ضریب کاهش نیرو روش زیر را ارائه گردیده است:
در هنگام وقوع زلزله هر چه رفتار سازه از حد ارتجاعی فراتر رود سختی آن کاهش یافته و میرایی افزایش می یابد، در واقع در هنگام زلزله با ایجاد مفاصل پلاستیک در اعضاء سازه، سازه شکل پذیر تر می شود و به تبع افزایش شکل پذیری زمان پریود ارتعاشی سازه و همچنین میرایی سازه افزایش پیدا خواهد کرد و در نتیجه ی تمام این فرایند ها، کاهش نیرو های وارد بر سازه را خواهیم داشت.
در صورتیکه زمان پریود اولیه سازه که می تواند زمان پریود محاسباتی یا زمان پریود به دست آمده از آیین نامه باشد را بنامیم و زمان پریود ناشی از تغیر سختی که سازه وارد مرحله غیر خطی شده است را بنامیم، مقدار از نسبت مقدار نیروی مورد نیاز برای سازه با طیف ظرفیت 5% میرایی با زمان پریود ارتعاش اولیه به مقدار نیروی مورد نیاز در میرایی غیر خطی 20% سازه به دست خواهد آمد.
طبق مطالب فوق توسط روش فریمن ضریب رفتار از رابطه (2-3) محاسبه خواهد شد.
(2-3)
که در رابطه فوق ضریب مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو می باشد.
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ
در سال 1991 توسط محقق آمریکایی یوانگ با استفاده از نمودار منحنی ظرفیت سازه برای محاسبه ضریب رفتار رابطه ای به صورت زیر معرفی نمود.
(2-4)
که در رابطه (2-4) کاهش نیرو در اثر شکل پذیری سازه که تسبت به و ضریب مقاومت افزون می باشد، در ادمه پارامتر های معرفی شده را به طور کامل تشریح می نماییم.
می توان با در نظر گرفتن رفتار کلی یک سازه متعارف طبق شکل(2-1) مقدار مقاومت ارتجاعی مورد نیاز، در صورتیکه سازه کلا" در محدوده ارتجاعی باقی بماند پارامتر تعریف کنیم.

شکل (2-1): نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف
به طور کلی می توان گفت طراحی صحیح سازه منجر به شکل پذیر تر شدن سازه خواهد شد، در این وضعیت سازه می تواند به حداکثر مقاومت خود که با پارامتر معرفی می شود، برسد. در نتیجه می توان گفت هرچه از مقاومت حداکثر اعضاء در هنگام آنالیز های لرزه ای استفاده شود طرحی بهینه تر حادث می شود.
در شکل(2-1) حداکثر تغیر شکل نسبی ایجاد شده در طبقه می باشد که می توان گفت محاسبه مقدار با مقاومت حد خمیری سازه یا مقاومت نهایی به هنگام ایجاد مکانیزم گسیختگی متناظر بوده و احتیاج به تحلیل غیر خطی دارد به همین علت برای مقدار به صورت مستقیم رابطه ای مشخص نگردیده است از اینرو جهت مقاصد طراحی در برخی از آیین نامه ها مقدار را به مقدار کاهش می دهند.
نمایشگر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در کل سازه می باشد و مقدار آن ترازی است که در آن پاسخ کلی سازه به گونه قابل توجهی از محدوده ارتجاعی سازه خارج شده است.
اختلاف مقدار نیرو های و را اصطلاحا مقاومت افزون () تعریف می نمایند، طبق رابطه (2-5).
(2-5)
لازم به ذکر است به علّت اینکه در بعضی از آیین نامه های طراحی بتنی یا فولادی از روشهای بار مجاز استفاده می نمایند، از اینرو آیین نامه های طراحی لرزه ای مانند آیین نامه های 2800 ایران، UBC-1994 و SEAOC-1988 مقدار را به کاهش می دهد. نسبت ضریب رفتار به دست آمده در آیین نامه های UBC-1994 و SEAOC-1988 (که با نمایش داده می شود) و 2800 ایران (که با R نمایش داده می شود) به ضریب رفتار به دست آمده در مقررات UBC-1997 یا NEHRP-2000 حدودا" عددی بین 4/1 تا 5/1 می باشد.
مزیت استفاده روش فوق این است که طراح، تنها یک تحلیل ارتجاعی انجام میدهد و سپس با استفاده از آیین نامه های جاری، ابعاد المانهای سازه ای را تعین مینماید.
طی تحقیقات به عمل آمده به علّت استفاده ازبه جای دو مشکل ایجاد می شود که عبارتند از:
1- محاسب قادر نخواهد بود مقاومت سازه را تعیین کند، لذا در صورتی که مقدار مقاومتی که به صورت ضمنی در آیین نامه های زلزله برای مقدار ضریب کاهش فرض شده است (مقاومت افزون) تامین نشود، رفتار سازه در زلزله های شدید رضایت بخش نخواهد بود.
2- مقادیر تغیر مکانهای غیر ارتجاعی را نمی توان باتحلیل ارتجاعی خطی محاسبه نمود که آیین نامه ها معمولا" از ضرائب تشدید تغیر مکانهای ارتجاعی () استفاده می نمایند.
محاسبه رابطه (2-4) در بعضی از آیین نامه ها مثل UBC-1997 ، IBC-2000 ، NEHRP-2000 مطابق با تنش های در حالت حد نهایی است ولی مطابق بعضی از آئین نامه هایی چون 2800 ایران، UBC-1988 یا UBC-1994 و.... باید ضریبی به نام Y برای طراحی بر اساس تنش های مجاز در رابطه (2-4) ضرب شود.
ضریب Y بر اساس برخورد آیین نامه های مصالح با تنش های طراحی (بار مجاز یا بار نهایی) تعین می شود و مقدار آن نسبت نیرو در هنگام تشکیل اولین مفصل پلاستیک () به نیروی پایه سازه دز هنگام ایجاد تنش های مجاز () می باشد.
(2-6)
طبق نتایج به دست آمده ضریب Y در محدوده 1.4تا 1.5 می باشد و برای مثال نتایج آیین نامه AISC-ASD1989 مطابق رابطه (2-7) برابر با1.44 می باشد.
(2-7)
در رابطه (2-7): Z مدول خمیری و S مدول ارتجاعی می باشد و اضافه تنش مجاز به هنگام اثر نیرو های زلزله است. می توان گفت مقدار 4/1 برای در نظر گرفتن ضریب بار مرده در آیین نامه بتن ACI-318 مشابه ضریب Y در رابطه (2-7) می باشد.
طبق پارامتر های تعریف شده فوق رابطه (2-8) برای محاسبه ضریب رفتار توسط روش یوانگ معرفی گردیده است.
(2-8)
2-3-2- روشهای اروپایی
در سالهای اخیر، پژوهشگران اروپایی نیز همگام با محققان آمریکایی به تحقیق در مورد برآورد ضرایب رفتار سازهها پرداخته اند. عمدتاً روشهایی که توسط اروپاییها مورد استفاده قرار گرفته به دو گروه تقسیم می شود: روشهای متکی بر تئوری شکل پذیری و روشهای انرژی. در ادامه این روشها به اختصار معرفی می شوند.
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری
این روش که بر مبنای تئوری شکل پذیری استوار است اولین بار توسط کاسنزا و همکاران در سال 1986 معرفی شده است. در این روش، ضریب رفتار () با توجه به شکل (2-2)، از رابطه (2-9) بدست می آید:
(2-9)
در رابطه (2-9): : ضریب ارتجاعی بحرانی برای بارهای قائم و : پارامتر وابسته به زمان تناوب ارتعاش سازه است و از رابطه (2-10) بدست می آید:
(2-10)
با توجه به دو رابطه اخیر میتوان را از رابطه (2-11) بدست آورد:
(2-11)
جهت تکمیل روش فوق، در سال 1996، مازولانی با استفاده از نتایج حاصل از پاسخ سیستمهای یک درجه آزاد، رابطه (2-12) را برای پیشنهاد کرده است.
(2-12)
از این رو برای زمانهای تناوب بزرگتر از ثانیه، دارای مقدار ثابت و برای یک تابع خطی از زمان تناوب است.

شکل (2-2): مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد [25]
2-3-2-2- روش انرژی
روش انرژی بر این فرض استوار است که حداکثر انرژی جنبشی ناشی از یک زلزله شدید با حداکثر انرژی که یک سازه قادر است جذب نماید، برابر است. معادله تعادل انرژی در یک سازه بصورت رابطه (2-13) است.
(2-13)
در رابطه (2-13): : حداکثر انرژی جنبشی قابل جذب و استهلاک در سازه، : انرژی ذخیره شده در سازه در مرحله تغییر شکل ارتجاعی، : انرژی ذخیره شده طی تغییر شکلهای غیرارتجاعی در سازه و کار انجام شده توسط نیروهای قائم در کل روند تغییر شکل سازه می باشد.
اگر طیف پاسخ شتاب زمین، در زلزله طراحی و انرژی جنبشی ناشی از آن نامیده شود، معمولاً می توان با اعمال یک ضریب آن را به شدیدترین زلزله طراحی، مرتبط کرد. با توجه به این موضوع، انرژی جنبشی ناشی از این زلزله مخرب که با استفاده از حداکثر شبه سرعت برآورده شده از طیف مشخص می گردد، توسط رابطه (2-14) به مرتبط می شود:
(2-14)
در نتیجه بنابر اصل تعادل انرژی ها، لازم است رابطه (2-15) برقرار باشد:
(2-15)
روشهای تحلیلی مفصل و پیچیده ای برای حل معادله فوق و استخراج ضرایب رفتار از آن وجود دارد که معروفترین آنها توسط کومو و لانی ارائه شده است. در اینجا به دلیل پیچیده و وقت گیر بودن این روشها از ذکر جزئیات آنها پرهیز می شود.
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار
2-4-1- شکل پذیری
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه
در صورتیکه منحنی رفتار کلی سازه را اصطلاحا" به صورت منحنی الاستیک – پلاستیک (دو خطی) ایده آل نمائیم، طبق رابطه (2-16) ضریب شکل پذیری کلی سازه که با نمایش داده میشود محاسبه میشود:
(2-16)
بهتر است مقدار ضریب شکل پذیری کلی سازه ، که نماینگر ظرفیت استهلاک انرژی اجزا یا کل سازه است، از روشهای آزمایشگاهی تعیین نمود. رفتار کلی سازه که در شکل (2-1) نشان داده شده است، تنها مربوط به سیستم هایی است که می توانند انرژی را با یک رفتار پایدار مستهلک کنند، مانند قابهای مقاوم خمشی شکل پذیر ویژه، و برای سیستم های دیگر که کاهش شدید سختی و مقاومت دارند، تعریف تغییر مکان تسلیم و تغییر مکان حداکثر در رابطه (2-16) می تواند نادرست باشد. می توان گفت تعیین ضریب QUOTEμs به خصوص برای سازه های بلندتر از یک طبقه کار پیچیده ای است. برای محاسبه این ضریب غالباً از تغییر مکان نسبی طبقه به عنوان معیار تغییر مکان استفاده می‎شود (شکل 2-1).
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری
سازه ها توسط رفتار شکل پذیر مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را با رفتار هیسترتیک مستهلک می‎کنند، که مقدار این استهلاک انرژی، بستگی به مقدار شکل پذیری کلی سازه دارد. مقدار شکل پذیری کلی سازه نباید از شکل پذیری المانهای سازه فراتر رود. بدین منظور، هنگام طراحی لازم است حداقل مقاومت لازم سازه که شکل پذیری کلی آن را به حد شکل پذیری مشخص شده از قبل، محدود می‎کند، مشخص شود .
همان گونه که در قسمتهای قبل، توضیح داده شد، ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری (QUOTERμ ) طبق رابطه (2-17)، با نسبت مقاومت ارتجاعی مورد نیاز به مقاومت غیر ارتجاعی مورد نیاز تعریف می شود.
(2-17)
که در این رابطهQUOTEFy مقاومت جانبی مورد نیاز، برای جلوگیری از تسلیم سیستم بر اثر یک زلزله مشخص و مقاومت جانبی تسلیم مورد نیاز برای محدود کردن ضریب شکل پذیری کلی سازه به مقداری کمتر و یا برابر با ضریب شکل پذیری کلی از پیش تعیین شده (هدف یا QUOTEμi) وقتی که سیستم در معرض همان زلزله قرار گیرد، می باشد. به طور کلی، در سازه هایی که در هنگام وقوع زلزله رفتار غیر ارتجاعی دارند، تغییر شکلهای غیر ارتجاعی با کاهش مقاومت جانبی تسلیم سازه (یا با افزایش ضریب )، افزایش مییابند.
برای یک زلزله مشخص و یک ضریب معین، مشکل اساسی محاسبه حداقل ظرفیت مقاومت جانبی است که باید در سازه به منظور جلوگیری از به وجود آمدن نیازهای شکل پذیری بزرگتر از QUOTEμi، تأمین گردد. در نتیجه محاسبه برای هر زمان تناوب و هر شکل پذیری هدف، شامل عملیاتی تکراری است. بدین صورت که، مقاومت جانبی تسلیم () برای سیستم در نظرگرفته و سیستم تحلیل می‎شود، این ‎کار، تا زمانی ادامه می یابد که ضریب شکل پذیری کلی محاسبه شده ()با یک تولرانس مشخص، برابر ضریب شکل پذیری کلی هدف گردد و آنگاه مقاومت جانبی متناظر با این ضریب شکل پذیری، QUOTE μ=μiنامیده می‎شود.
برای تعیین ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری، روش کار بدین صورت است که مقاومت جانبی ارتجاعی QUOTE μ=μi و غیر ارتجاعی QUOTEμ=که برای یک سیستم با زمان تناوب مشخص به دست آمده، این مقادیر به وزن سیستم، نرمال می‎شوند. این نیرو ها برای زمانهای تناوب مختلف سازه به دست می آید و با توجه به آن، طیف خطی و طیف غیر خطی با ضریب شکل پذیری محاسبه می‎شود. از از تقسیم طیف خطی به طیف غیر خطی، مقدار ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری برای آن زلزله بخصوص و ضریب شکل پذیری هدف، به دست می آید (شکل 2-3 )

شکل (2-3): طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت
یافتن رابطه بین وQUOTERμو μs برای سیستم های یک درجه آزادی موضوع پژوهشهای فراوانی در سالهای اخیر بوده است. از جمله کسانی که در این مورد تحقیق کرده اند، عبارتند از: کراوینکلرو نصر، میراندو و برترو، نیومارک و هال، لای و بیگز، ریدل و نیومارک، القادمسی و محرز، ریدل، هیدالگو و کروز، آریاس و هیدالگو، تسو و نائوموسکی، ویدیک، فایفر و فیشینگر، فیشینگر و فایفر، تسنیمی و محمودی، لی، هان و اوه، ال سلیمانی و روست، پنگ و همکاران و نهایتاً تاکدا و همکاران.
2-4-2- مقاومت افزون
هنگامی که یکی از اعضای سازه به حد تسلیم رسیده و اصطلاحاً در آن لولای خمیری تشکیل شود، مقاومت سازه از دیدگاه طراحی در حالت بهره برداری به پایان می رسد، ولی در حالت طراحی انهدام، پدیده فوق به عنوان پایان مقاومت سازه به حساب نمی آید، زیرا عضو مورد نظر همچنان می تواند با تغییر شکل غیر ارتجاعی، انرژی ورودی را جذب کند تا به مرحله گسیختگی و انهدام برسد. با تشکیل لولاهای خمیری، به تدریج سختی سازه با کاهش درجه نامعینی استاتیکی کاهش می یابد، و لی سازه همچنان پایدار است و قادر خواهد بود در مقابل نیروهای خارجی از خود مقاومت نشان دهد. وقتی که نیروی خارجی باز هم افزایش یابد، روند تشکیل لولاهای خمیری نیز ادامه یافته و لولاهای بیشتری در سازه پدید می آید تا جایی که سازه از نظر استاتیکی ناپایدار شده و دیگر توان تحمل بار جانبی اضافی را نداشته باشد.
مقاومتی که سازه بعد از تشکیل اولین لولای خمیری تا مرحله مکانیزم (ناپایداری) از خود بروز می دهد، مقاوت افزون نامیده می شود، در طراحی لرزه ای سازه ها مقاومت ارتجاعی مورد نیاز سازه را متناسب با مقاومت افزون آنها کاهش می دهند. برای این منظور، مقدار ضریب رفتار سازه ها متناسب با مقاومت افزون افزایش داده می شود تا مقاومت مورد نیاز کاهش یافته، محاسبه گردد.
سالهاست که پژوهشگران اهمیت مقاومت افزون را در جلوگیری از خراب شدن برخی سازه ها به هنگام رخداد زلزله های شدید شناخته اند. برای مثال، در زلزله سال 1985 مکزیک، وجود مقاومت افزون عامل بسیار مؤثری در جلوگیری از خرابی برخی ساختمانها بوده است. همچنین زلزله سال 1369 (ه.ش) رودبار و منجیل بسیاری از ساختمانهای 7-8 طبقه در شهر رشت که دارای اتصالات خُرجینی و شکل پذیری ناچیز بودند، بر اثر وجود مقاومت افزون (که عمدتاً به دلیل وجود عناصر غیر سازه ای، پارتیشن ها و نما ایجاد شده بود) از فرو ریختن کامل جان سالم به در بردند.
در مطالعات انجام شده بر روی میز لرزان برای ساختمانهای چند طبقه بتن مسلح و فولادی به وسیله پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در برکلی در سالهای 1984 تا 1989 نیز بر اهمیت ضریب مقاومت افزون تأکید شده است.
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون
مقاومت افزون یک سازه در واقع مقدار مقاومتی است که بر اثر عوامل مختلف در سازه ذخیره شده و انهدام سازه را به تأخیر می اندازد. ذیلاً به پاره ای از عوامل مؤثر در مقاومت افزون اشاره می شود.
1- بیشتر بودن مقاومت واقعی مصالح از مقاومت اسمی آنها
2- بزرگتر بودن ابعاد اعضا و مقادیر میلگرد از مقادیر مورد نیاز در طراحی
3- استفاده از مدلهای ریاضی ساده شده و محافظه کارانه در تحلیل ها
4- ترکیب های مختلف بار
5- مقاومت اعضای غیر سازه ای(نظیر دیوارهای میانقاب) و اعضای سازه ای (نظیر دالها) که در برآورده ظرفیت مقاومت جانبی به حساب نمی آیند.
6- افزایش مقاومت ناشی از محصور شدگی بتن
7- رعایت حداقل الزامات آیین نامه های طراحی در مورد محدود کردن تغییر مکانهای جانبی، تغییر شکلهای اعضاء، ابعاد مقاطع، عناصر تسلیح و فاصله خاموتها
8- استفاده از روش معادل استاتیکی در تحلیل لرزه ای سازه ها
9- باز توزیع نیروهای داخلی در محدوده غیر ارتجاعی بر اثر نامعینی سازه
10- صرف نظر از اثر بعد سوم در تحلیل های دو بعدی
11- افزایش مقاومت اعضای بتنی بر اثر سرعت بارگذاری (اثر نرخ کرنش)
12- نوع سیستم سازه ای
13- هندسه سازه و آرایش پلان
14- ارتفاع سازه (زمان تناوب ارتعاش)
15- آیین نامه طراحی
16- لرزه خیزی منطقه (نسبت بارهای جانبی به بارهای قائم)
17- ملاحظات معماری
18- سطح فرهنگ و تکنولوژی ساخت
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون
به دست آوردن مقادیر مقاومت افزون با در نظر گرفتن سهم تمام عوامل یاد شده، بسیار پیچیده بوده و نمی تواند در طراحی سازه ای، قابل اعتماد باشد. از این رو لازم است پاره ای از عوامل کیفی ثابت در نظر گرفته شود و عوامل کمی نیز دسته بندی شده و به عوامل مهم تر توجه گردد، سهم سایر عوامل نیز در ظرفیت سازه لحاظ شود.
برای تعیین مقدار ضریب مقاومت افزون می توان علاوه بر روشهای آزمایشگاهی، از روشهای تحلیلی نیز استفاده نمود. بدین منظور می توان از روشهای تحلیل استاتیکی غیر خطی(مانند روش تحلیل پوش آور، یا روش طیف ظرفیت)، استفاده کرد.
برای تعیین مقاومت افزون یک سازه، به این صورت عمل می شود که نیروهای ثقلی بر سازه اعمال شده و مقدار نیروی جانبی سازه با یک الگوی خاص (مثلاً الگوی مثلثی آیین نامه) به طور یکنواخت افزایش داده می شود و مقادیر برش پایه و تغییر مکان بام به طور مداوم ثبت می گردد. این عمل تا آنجا که اولین عضو سازه، جاری شده و در آن لولای خمیری به وجود آید، ادامه می یابد. افزایش نیرو بعد از این مرحله باعث باز توزیع نیروها در بقیه اعضا شده و سازه قادر به تحمل نیروی جانبی بیشتر می شود. نیروی جانبی مجدداً افزایش داده می شود تا در بقیه اعضا نیز لولای خمیری تشکیل شود و در صورتی تحلیل متوقف می گردد که سازه ناپایدار (مکانیزم) شود یا شکل پذیری محلی یکی از اعضا از حد مجاز تجاوز نماید(عضو گسیخته شود)، یا معیارهای تعریف شده دیگری حاکم گردد. در این حالت، از تقسیم حداکثر نیروی جانبی تحمل شده توسط سازه به نیروی حد جاری شدن اولین عضو در سازه (تشکیل اولین لولای خمیری)، ضریب مقاومت افزون به دست می آید (شکل 2-1 ).
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها
مقررات NEHRP مربوط به سالهای 1997 و 2000، در یکی از ترکیبهای بار ویژه خود از ضریب مقاومت افزون استفاده میکند. در این مورد قید شده است که هرگاه در این مقررات تصریح شود که نیروهای طراحی لرزهای در اجزای سازه به آثار مقاومت افزون سازه حساس هستند، باید ترکیب بار به شرح رابطه های (2-18) و (2-19) به ترتیب برای حالتهایی که این آثار افزاینده یا کاهنده آثار، مورد استفاده قرار گیرد.
(2-18)
(2-19)
در رابطه های (2-18) و (2-19):
: اثر نیروهای افقی و قائم زلزله،: شتاب طیفی طراحی در زمانهای تناوب کوتاه که از مقررات NEHRP محاسبه میشود،: اثر بارهای مرده،: اثر نیروهای افقی زلزله و: ضریب مقاومت افزون سیستم است. همچنین جمله در رابطههای فوق، لازم نیست که از حداکثر نیروی به وجود آمده در عضو تحت تحلیل خمیری یا پاسخ غیر خطی، بیشتر باشد. ضمناً استفاده از این ترکیبات بار ویژه برای طراحی اجزای سازهای در گروه لرزهای A، لازم نمیباشد.
آیین نامه UBC-1997، در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را وارد کرده است. این ترکیب بار که در هر یک از جهت های افقی بارگذاری لرزهای باید اعمال شود، بصورت رابطه (2-20) است :
(2-20)
در رابطه (2-32): برابر حداکثر نیروی زلزله برآورد شده که در سازه به وجود خواهد آمد، ضریب افزایش نیروی زلزله ناشی از اثر مقاومت افزون و بار زلزله به واسطه برش پایه V است.
پآیین نامه IBC-2000 نیز در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را به صورت رابطه (2-33) وارد کرده است:
(2-33)
در رابطه فوق تعریف و مانند تعریف فوق برای آیین نامه UBC بوده، : اثر نیروهای افقی زلزله، : شتاب طیفی طراحی و: اثر بارهای مرده است.
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون
فریمن،ضرایب تقریبی مقاومت افزون را برای قابهای خمشی بتن مسلح چهار و هفت طبقه به ترتیب برابر با 8/2 و 8/4 برآورد کرده بودند.
یوانگ و معروف در سال 1993، دو ساختمانی را که زلزله سال 1989 لوما پریتا تجربه کرده بودند، مورد تحلیل قرار دادند: یک ساختمان 13 طبقه با قاب فولادی و یک ساختمان 6 طبقه بتن مسلح با قابهای خمشی پیرامونی. ضرایب مقاومت افزون برای این دو ساختمان پس از اعمال اصلاحات به منظور منعکس کردن اثر طراحی بر اساس مقاومت، به ترتیب 4 و 9/1 گزارش شد.
هوانگ و شینوزوکا در سال 1994، یک ساختمان بتن مسلح چهار طبقه با قاب خمشی میانی را که در ناحیه لرزه خیزی 2 آیین نامه UBC قرار داشت، مورد مطالعه قرار دادند. برش پایه طراحی برای این ساختمان W0.09 بود. حداکثر مقاومت جانبی ساختمان W0.62 محاسبه شد که در صورت عدم محدودیت برای آسیب سیستم، ضریب مقاومت افزون 2/2 به دست آمده بود. (اگر سطح عملکرد در طراحی «بدون آسیب» انتخاب شده بود، ضریب مقاومت افزون تقریباً 6/1 می شد).
برترو و تیلمو در سال 1999 اثر نامعینی و باز توزیع نیرو های داخلی را در طراحی مقاوم لرزه ای مورد مطالعه قرار دادند، نتیجه این مطالعات آن شد که باز توزیع نیرو های داخلی می تواند اثرات مفیدی بر پاسخ سازه در هنگام وقوع زلزه داشته باشد و مسئله مقاومت افزون کاملا وابسته به شکل پذیری می باشد.
با مقایسه مقادیر به دست آمده توسط پژوهشگران مختلف برای سازه های متفاوت چنین به نظر می رسد که پراکندگی در مقادیر گزارش شده برای ضریب مقاومت افزون قابل توجه و برای استفاده در طراحی حرفه ای زیاد است. بدیهی است که برای توسعه ضرایب مقاومت افزون با قابلیت اعتماد کافی که بتواند در آیین نامه های طراحی لرزه ای به کار رود، به مطالعات ویژه در مورد هر یک از سیستم های سازه ای با شرایط مختلف، نیاز است.
2-4-3- درجه نامعینی
نامعینی سیستم های سازه ای مفهوم مهمی است که از دیرباز مورد توجه مهندسان بوده است. پس از مشاهده تخریب تعداد زیادی از سیستم های سازه ای با درجات نامعینی کم، در زلزله های 1994 نورتریج و 1995 کوبه، موضوع نامعینی سازه ای، به شکل جدی تری مطرح شد. تاکنون تعریفها و تفسیرهای متفاوتی از نامعینی سازه ای، که وابسته به عدم قطعیت نیز و ظرفیت سازه هاست، ارائه شده است. از این رو، استفاده از مفاهیم عدم قطعیت، مبنای یکی از روشهای مطالعه نا معینی سیستم های سازه ای تحت بارهای لرزه ای است.
در سال 1978، کرنل برای در نظرگرفتن عدم قطعیت در سیستم های سازه ای، ضریبی بنام ضریب نامعینی پیشنهاد کرد. این ضریب به عنوان احتمال شرطی گسیختگی سیستم معرفی و اولین گسیختگی را که ممکن بود در هر یک از اعضای سازه های سکوی دریایی رخ دهد، مشخص می‎کرد.
هنداوی و فرانگوپل در سال 1994، یک ضریب نامعینی احتمالاتی را پیشنهاد کردند. ضریب پیشنهادی این پژوهشگران به صورت نسبت احتمال تسلیم اولین عضو منهای احتمال انهدام، به احتمال انهدام سیستم تعریف می‎شد.
برترو پدر و پسر در سال 1999 برای اندازه اندگیزی نامعینی سازه‎های قابی تحت اثر حرکتهای زمین ناشی از زلزله، از مهفوم «درجه نامعینی» استفاده کردند. درجه نامعینی که این پژوهشگران مورد استفاده قرار دادند به عنوان تعداد نواحی بحرانی یا لولاهای خمیری در سیستم سازه‎ای تعریف می ‎شود که مقدار قابل توجهی از انرژی هیسترتیک خمیری را قبل از انهدام سازه مستهلک می‎نمایند. در پژوهش های شده، اثرهای مقاومت افزون، ضرائب تغییرات نیاز و ظرفیت و دیگر عوامل، بررسی شده و چنین نتیجه گیری شده است، که جدا کردن نامعینی از عوامل دیگر دشوار است.
در ATC-19 و ATC-34 به منظورکمّی کردن قابلیت اعتماد سیستم های قاب لرزه ای، ضرایبی به عنوان ضرایب نامعینی پیشنهاد شده است.
آیین نامه ساختمانی متحدالشکل (UBC)و مقررات NEHRP، از سال 1997 یک ضریب QUOTEρ با عنوان ضریب قابلیت اعتماد / نامعینی معرفی کرده اند که در نیروی جانبی زلزله برای طراحی ضرب می شود. در آیین نامه ساختمانی بین المللی (IBC) سال 2000 نیز چنین ضریبی آورده شده است. در پی این بررسی ها گفته شده است که برای رسیدن به ضریب نامعینی کمی و قابل قبول که بتواند در ارزیابی سازه ها و نیز طراحی مورد استفاده قرار گیرد، به تحقیقات و تجربیات گسترده ای نیاز است.
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای
نتایج نخستین پژوهشی که در رابطه با استفاده از مفهوم قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای و ارتباط آن با درجه نا معینی این سیستم ها انجام شد، طی پروژه - ریسرچای در سال 1974، توسط موسز(موسی) منتشر گردید. گر چه مبنای این تحقیقات و یافته های آن بر اساس بارگذاری لرزه ای بررسی کرده اند از نتایج کارهای موسز استفاده شده و دستاوردهای این محقق برای بارگذاری لرزه ای نیز تعمیم یافته است.
برای یک طراحی ایمن، موضوع قابلیت اعتماد، غالباً متوجه عضوهایی نظیر تیرها و ستونها می باشد.ضرایب اطمینان طراحی که به این ترتیب به دست می آیند، این تضمین را می دهند که احتمال خرابی عضو در برش، خمش، و نیروی محوری کوچک باشد. این در حالی است که این اجزا عموماً بخشی از یک سیستم سازه ای را تشکیل می دهند و اندر کنش بین عضو و سیستم سازه ای از قابلیت اغتماد یک عضو سازه ای بیشتر است یا کمتر؟ پاسخ به این سؤال به عواملی مانند، درجات نامعینی استاتیکی، شکل پذیری، خصوصیات مودهای خرابی و پیکربندی سیستم سازه ای وابسته است.
تا کنون از دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای، که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی سازه ای می توانند مفید باشند، استفاده شده است. در ادامه دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی مفید باشند، مطرح خواهد شد. یک سیستم سازه ای ممکن است دارای اعضای موازی، سِری یا ترکیبی از این دو باشد. در سیستم های سری با خرابی هر عضو،کل سیستم دچار خرابی می گردد و بدین لحاظ به آن، سیستم ضعیف ترین اتصال گفته می شود. سازه های معین استاتیکی مثالهایی از این نوع سیستم ها هستند.
در سیستمهای موازی پس از خرابی عضوی خاص، توزیع مجدد نیرو در اعضای انجام می پذیرد و این عمل آنقدر ادامه می یابد تا سیستم دچار انهدام شود. بدین لحاظ به سیستم موازی، سیستم ایمن- زوال نیز گفته می شود. این سیستم در تحلیل انهدام سازه های نامعین استاتیکی که خرابی در آنها هنگامی رخ می دهدکه چندین عضو به ظرفیت مقاومت خود برسند، مورد استفاده قرار می گیرد.
اینکه چندین عضو به ظرفیت مقاومتی خود برسند، حاکی از آن است که سیستم به نوعی دارای مقاومت همبسته است، این موضوع را نشان می دهند که متغیرهای تصادفی مقاومت، به گونه ای به یکدیگر مرتبط اند که اگر مقاومت یک عضو، مثلاً بیشتر از مقدار میانگین خود، بیشتر باشند. این همبستگی ممکن است بر اثر وجود منابع مشترک مصالح، تشابه روش ساخت، روشهای کنترل و بازرسی، و شاید تعبیر یکنواختی مقاومتها توسط طراح پدید آید. فرض استقلال مقاومتها به مفهوم عدم همبستگی بین آنهاست.
در سیستم های موازی، استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه کاهش عدم قطعیت مقاومت کلی افزایش می‎دهد. خلاف این موضوع برای سیستم های سری صادق است. در سیستم های سرس استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه افزایش احتمال آنکه با خرابی یک عضو خاص، کل سیستم خراب شود، کاهش می دهد.
مدلهای موازی و سری، تنها الگوهای ایده آل هستند و اکثر سازه ها ترکیبی از این مدلها می باشند. برای مثال، در یک ساختمان چند طبقه، هرستون واقع در یک طبقه ساختمان چند طبقه، هر ستون واقع در یک طبقه در برابر بار جانبی، مانند قسمتی از یک سیستم موازی عمل می‎کند، در حالی که هر طبقه ساختمان قسمتی از یک سیستم سری را تشکیل می‎دهد.
هنگامی که عدم قطعیت در بارگذاری مطرح باشد، مقایسه مدلها تا حدی مخدوش می شود. یعنی چنانچه عدم قطعیت در بار خارجی (مثلاً بیان شده بر حسب ضریب تغیرات بار، VR خیلی بیشتر از عدم قطعیت در مقاومت (VR) باشد)، احتمال خرابی توسط VL کنترل می‎شود و رفتار سیستم خواه سری باشد یا موازی و خواه همبسته باشد یا مستقل، تأثیر کمی بر روی احتمال خرابی خواهد داشت. به عنوان مثال، اگر گرد بادی که احتمال وقوع آن خیلی کم است بر ساختمانی که برای بارهای معمولی باد طرح شده است اثر کند، سازه صرف نظر از نوع پیکر بندیش خراب خواهد شد. در حالت متداول تر بارگذاری که در آن، طراح به طور ویژه استراتژی حفاظتی در برابر بارهای نهایی از قبیل طوفان یا زلزله را مد نظر قرار داده باشد، پیکر بندی سازه و نوع سیستم در ارزیابی قابلیت اعتماد مؤثر خواهد بود. از دیگر نکاتی که روی اندر کنش عضو و سیستم سازه اثر می‎گذارد، رفتار عضو پس از رسیدن به ظرفیت اسمی اوست. یک عضو شکل پذیر، تراز نیروی خود را در صورت ادامه تغیر مکان، کاهش می‎یابد. از این رو، در اکثر سازه هایی که اعضای ترد دارند، رفتار سازه صرف نظر از هندسه پیکربندی، همانند سیستم های سری می‎باشد. به عبارت دیگر، خرابی هر عضو باعث خرابی سیستم خواهد شد. تنها سازه های با درجه نامعینی استاتیکی بالا که دارای ضریب اطمینان اسمی بزرگی نیز باشند، به اندازه کافی طرفیت مقاومتی ذخیره خواهند داشت تا پس از خرابی عضوی ترد بتوانند توزیع مجدد نیرو کرده و به انتقال بار ادامه دهند.
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف
همانگونه که در جدول (2-2) اشاره شد، موسز ضریب کاهش مقاومت میانگین را متناسب با عکس جذر تعداد شرطهای مقاومتی مستقل (لوله های خمیری در یک سیستم با امکان حرکت جانبی) برای قابهای نامعین مقاوم، پیشنهاد کرده بود. در 19-ATC، فرض شده است که برای تأمین نامعینی کافی در هر یک از جهت های اصلی سازه یک ساختمان، حداقل چهار ردیف قابهای لرزه ای قائم که از نظر مقاومت و تغییر شکل سازگار باشند، لازم است. از این رو، با در نظر گرفتن هر یک از ردیفهای قاب لرزه ای قائم به عنوان یک شرط مقاومتی در حرکت جانبی، مقادیر جدول(2-2) به دست خواهد آمد. این آیین نامه، ضریب نامعینی را به عنوان بخشی از فرمولاسیون ضریب رفتار پیشنهادی خود قلمداد کرده و آن را در ردیف ضریب کاهش ناشی از شکل پذیری و ضریب مقاومت افزوم قرار داده است.
جدول (2-1): مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسزتعداد ردیفهای قاب لرزه بر ضریب نامعینی ATC-19 ضریب محاسباتی از پیشنهاد موسز
2 71/0 707/0
3 86/0 866/0
4 00/1 00/1
در مورد نامعینی سازه ها ذکر این نکته ضروری است که اگر طراحی سازه ای برای نیروهای وارد بر آن به صورت کاملاً بهینه صورت گرفته باشد، ممکن است لولاهای خمیری به صورت متوالی تشکیل نشده و تعداد زیادی از لولاها همزمان تشکیل گردند، در چنین حالتی درجات نامعینی شازه به یکباره کاهش قابل ملاحظه ای یافته و از اعتماد به پایداری آن کاسته می‎شود. در تفسیر مقرراتNEHRP سال 2000 نیز قید شده است که عدم تشکیل لولاهای خمیری به صورت متوالی و مناسب در سازه هایی که بهینه سازی می‎شوند، موجب می‎گردد که مقادیر، پارامترهای طراحی برای تأمین عملکرد مناسب در این سازه ها کافی نباشد. گرچه روشهای برخورد با نامعینی سازه ها متفاوت است، ولی نکته قابل توجه درتمام روشها گستردگی دامنه تغییرات ضریب درجه نامعینی سازه ها است. بدین معنی که، در یک نوع سیستم سازه ای بدون تغییر در مصالح و اجرای آن، تنها عامل نامعینی می تواند اعتماد به پایداری سازه در برابر بارهای جانبی ناشی از زلزله، و به تبع آن ضریب رفتار سازه را به شدت تحت تأثیر قرار دهد.
این مسئله هشداری است برای سازه هایی که با وجود نامعینی کم، با استفاده ا زضرایب رفتار توصیه شده در آیین نامه، طراحی و اجرا می‎شوند.
در سه آیین نامه NEHRP، UBC،IBC، اثر نامعینی به طور غیر مستقیم وارد شده است، زیرا در صورتی که تعداد اعضای مقاوم در برابر زلزله(اعضایی که برش طبقه بین آنها توزیع می‎شود) زیاد بوده و اختلاف ظرفیت باربری آنها کم باشد، ضمن اینکه برش طبقه بین تعداد بیشتری از اعضا تقسیم می‎شود، نسبت برش عضو به طبقه نیز کاهش می‎یابد. در این صورت، مقدار ضریب قابلیت اعتماد/ نامعینی کاهش خواهد یافت، در حالی که اگر تعداد اعضای مقاوم در برابر زلزله، کم بوده یا ظرفیت باربری آنها اختلاف زیادی با هم داشته باشد، سهم تعدادی از اعضا(که مقاومت بیشتری دارند) از برش طبقه زیاد شده و متناسب با آن مقدار ضریب قابلیت اعتماد یا نامعینی افزایش خواهد یافت. از این رو، طرح به گونه ای غیر مستقیم وادار می‎شود تا از تعداد اعضای مقاوم بیشتر و یکنواخت تری در سازه و بویژه در دو سوم پایانی ارتفاع سازه استفاده کند. در آیین نامه ها، ضریب نامعینی، در ترکیبات بارگذاری لرزه ای دخالت داده شده است. مبنای این ضریب، تقسیم برش طبقه به صورت نسبتاً یکنواخت بین تعداد زیادی از اعضای بابر است. این تعداد به مساحت طبقه بستگی دارد و با افزایش مساحت، طراح ملزم می‎شود از اعضای باربر بیشتری برای مقابله با بارهای جانبی زلزله استفاده کند، یا درغیر این صورت، جریمه آن را که تحمل ضرایب بزرگتری در ترکیبات بار است، بپذیرد. در روش موسز، تنها یک ضریب برای کاهش مقاومت متناسب با جذر تعداد شرطهای مقاومتی یا لولاهای خمیری دریک سیستم نامعین پیشنهاد شده است.

matn asli

استفاده از اطلاعات و نتایج این گزارش نهایی بدون ذکر مرجع مجاز نیست.

معاونت پژوهش و فن آوری
به نام خدا
منشور اخلاق پژوهش
با یاری از خداوند سبحان و اعتقاد به این که عالم محضر خداست و همواره ناظر بر اعمال انسان و به منظور پاس داشت مقام بلند دانش و پژوهش و نظر به اهمیت جایگاه دانشگاه در اعتلای فرهنگ و تمدن بشری، ما دانشجویان و اعضاء هیات علمی واحدهای دانشگاه آزاد اسلامی متعهد می‌گردیم اصول زیر را در انجام فعالیت های پژوهشی مد نظر قرار داده و از آن تخطی نکنیم:
1- اصل حقیقت جویی: تلاش در راستای پی جویی حقیقت و وفاداری به آن و دوری از هرگونه پنهان سازی حقیقت.
2- اصل رعایت حقوق: التزام به رعایت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهیدگان (انسان، حیوان و نبات) و سایر صاحبان حق
3- اصل مالکیت مادی و معنوی: تعهد به رعایت کامل حقوق مادی و معنوی دانشگاه و کلیه همکاران پژوهش
4- اصل منافع ملی: تعهد به رعایت مصالح ملی و در نظر داشتن پیشبرد و توسعه کشور در کلیه مراحل پژوهش
5- اصل رعایت انصاف و امانت: تعهد به اجتناب از هرگونه جانب داری غیر علمی و حفاظت از اموال، تجهیزات و منابع در اختیار
6- اصل رازداری: تعهد به صیانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد، سازمان‌ها و کشور و کلیه افراد و نهادهای مرتبط با تحقیق
7- اصل احترام: تعهد به رعایت حریم‌ها و حرمت‌ها در انجام تحقیقات و رعایت جانب نقد و خودداری از هرگونه حرمت شکنی
8- اصل ترویج : تعهد به رواج دانش و اشاعه نتایج تحقیقات و انتقال آن به همکاران علمی و دانشجویان به غیر از مواردی که منع قانونی دارد.
9- اصل برائت: التزام به برائت جویی از هرگونه رفتار غیرحرفه‌ای و اعلام موضع نسبت به کسانی که حوزه علم و پژوهش را به شائبه‌های غیرعلمی می‌آلایند.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده1
فصل اول « بررسی آنالیز استاتیکی غیر خطی »
1-1- مقدمه3
1-2- مروری بر روشهای تحلیل لرزهای سازه ها5
1-2-1- تحلیل استاتیکی معادل5
1-2-2- تحلیل دینامیکی خطی6
1-2-2-1- تحلیل دینامیکی طیفی یا تحلیل مودال7
1-2-2-2- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی7
1-2-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی8
1-3- تحلیل پوش آور مرسوم9
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی9
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی10
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور12
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم 13
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی15
1-4- پوش آور مودی15
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی 15
1-6- نتیجه گیری16
فصل دوم « بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
2-1- مقدمه18
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار20
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار20
2-3-1- روشهای آمریکایی22
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن22
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ24
2-3-2- روشهای اروپایی27
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری27
2-3-2-2- روش انرژی29
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار30
2-4-1- شکل پذیری30
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه30
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری30
2-4-2- مقاومت افزون32
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون33
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون35
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها36
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون37
2-4-3- درجه نامعینی38
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای 39
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف42
2-4-3-3- آثار درجه نامعینی بر پاسخ لرزه ای سازه ها44
2-5- محاسبه ضریب رفتار توسط آنالیز تاریخچه زمانی44
2-5-1- معیار های عملکرد در آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی45
2-5-1-1- معیار تغییر مکان نسبی بین طبقات46
2-5-1-2- معیار پایداری46
2-6-روش بررسی ضریب رفتار با روند fema p695 47
2-7- نتیجه گیری56
فصل سوم « مدلسازی مسئله »
3-1-مقدمه58
3-2-فرضیات58
3-3-تحلیل استاتیکی خطی59
3-4-تحلیل پوش آور64
3-5-تحلیل دینامیکی غیر خطی(incremental dynamic analysis)68
فصل چهارم « ارزیابی ضرایب رفتار قاب ها »
4-1-مشخصات دینامیکی مدل ها74
4-2- ضریب بیش مقاومت74
4-3-محاسبه ظرفیت خرابی بوسیله آنالیز IDA76
4-4- بررسی خرابی83
فصل پنجم « نتیجه گیری »
5-1 نتیجه گیری85
منابع87

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسز42
جدول2-2- نسبت دقت برای نیاز طراحی48
جدول2-3- نسبت دقت برای آزمایش مصالح49
جدول2-4 جهت محاسبه SSF53
جدول2-554
جدول2-655
جدول 3-1 مشخصات مصالح59
جدول 3-2 انواع قاب ها60
جدول 3-3 نتایج تحلیل استاتیکی خطی62
جدول3-4 خروجی پوش آور68
جدول 3-5 انواع شتاب نگاشت و ضریب نرمال سازی شتاب نگاشت ها69
جدول4-174
جدول4-275
جدول4-3 خروجی پوش آور75
جدول4-476
جدول 4-577
جدول4-678
جدول4-778
جدول 4-8 خروجی IDA79
جدول 4-980
جدول 4-1081
جدول 4-1181
جدول 4-1281
جدول4-13 نهایی82

فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور11
شکل 1-2 منحنی پوش آور14
شکل 2-1 نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف25
شکل 2-2 مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد28
شکل 2-3 طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت 32
شکل 2-4 حالت های کلی ناپایداری.47
شکل2-5نمودار پوش آور50
شکل 2-6 نمودار IDA52
شکل 3-1 مقدار و نحوه بار گذاری بار مرده برای مدل پنج سقف با پنج دهانه60
شکل 3-2 ابعاد تیر و ستون مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-3 مقدار آرماتور طولی برای مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-4 منحنی رفتار فولاد مورد استفاده65
شکل 3-5 نمودار پوش اور مدل پنج دهانه پنج سقف67
شکل 3-6 نمودار IDA پنج دهانه سه سقف72
شکل 4-1 نمودار IDA پنج دهانه پنج سقف76
شکل 4-2 نمودار ADI سه دهانه سه سقف77
شکل 4-3 پوش اور نمودار مدل 3x380
شکل 4-4نمودار جابجایی نسبی طبقات83
چکیده
در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل نیاز است که ضریب رفتار با استفاده از روش های معتبر مورد نقد قرار گیرد. بدین منظور در این پایان نامه بر آن شدیم که با استفاده از روند آیین نامه FEMA p695 این ضریب را برای قاب های متداول ایران مورد بحث قرار دهیم.که روال انجام آن مختصرا به شرح زیر است. ما از نه قاب بتن آرمه با تنوع یک و سه و پنج طبقه و تعداد دهانه یک و سه و پنج دهانه استفاده کردیم که طراحی مدلهای سازه ای متنوع از یک سیستم سازه ای با توجه به آیین نامه های طراحی و بارگذاری مربوط، تشخیص میزان اطمینان از رفتار لرزه ای سیستم سازه ای مورد نظر، انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی برای محاسبه ضریب اضافه مقاومت سازه ها و ضریب شکل پذیری بر مبنای پریود، محاسبه نسبت مرز خرابی بوسیله آنالیز دینامیکی غیر خطی و مقایسه این نسبت با نسبتهای پیشنهادی آیین نامه با توجه به اصلاحات شکل طیفی و غیره. به این منظور از نرم افزار های ETABS, Seismostruct استفاده می شود.و در پایان به بررسی خرابی یک نمونه از مدل ها می پردازیم.و از جداول و نمودارها نتایج لازم استخراج می نماییم.
کلید واژه ها : ضریب رفتار ،ضریب اضافه مقاومت ،FEMA p695 ،قاب های خمشی بتن آرمه
فصل اول
« بررسی آنالیز استاتیکی غیر خطی »
در حال حاضر به نظر می رسد بهترین روش انجام آنالیزهای لرزه ای، آنالیز دینامیکی غیرخطی باشد ولی به دلیل پیچیدگی و زمان بر بودن آن محققین را بر آن داشته است تا طیف وسیعی از مطالعات در مورد آنالیز های استاتیکی غیرخطی موسوم به پوش آور مرسوم داشته باشند.با توسعه کاربرد تحلیل پوش آور در سالهای اخیر روشهای پوش آور پیشرفته متعددی برای لحاظ کردن اثر مود های بالاتر و همچنین اثر تغییرات مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء پیشنهاد شده است. روشهای پیشنهادی عموماً برای لحاظ کردن اثرات مود های بالاتر از چندین تحلیل پوش آور با الگوی بارهای متناسب با اشکال مودی سازه استفاده می نماید و نتایج حاصل از این تحلیل ها با یکدیگر ترکیب می شوند. در این فصل فرایند توسعه روشهای پوش آور به طور کامل شرح داده می شود و در انتها آخرین نتایج به دست آمده توسط محققین ارائه می گردد.
1-1- مقدمه
در سالهای گذشته آنالیز ارتجاعی، بیشترین کاربرد را جهت تحلیل و بررسی رفتار سازه ها در مقابل زلزله داشته است، اما عملکرد سازه ها در زلزله ها نشان داده است که صرفاً تحلیلهای ارتجاعی برای این منظور کافی نیستند. آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی، دقیق ترین روش جهت بررسی رفتار سازه ها هنگام زلزله است، اما این روش بسیار وقت گیر و پیچیده است. در این شیوه برای آنالیز سازه نیاز به مجموعه ای از شتابنگاشتهای مختلف می باشد تا بتوان بر اساس نتایج بدست آمده از آنالیزهای انجام شده تصمیم مقتضی گرفت، ضمن اینکه تصمیم گیری در مورد نتایج بدست آمده نیاز به دانش و تخصص کافی در این زمینه دارد.
در پی مشکلات عنوان شده پژوهشگران پیوسته به دنبال روشی بوده اند که بتواند با سرعت بالاتری سازه ها را در ناﺣﯿﮥ غیر خطی تحلیل کند. در این راستا ایدﮤ تحلیل استاتیکی فزایندﮤ غیر خطی در سال 1975 توسط محققین مطرح گردید و گامهای اولیه در این زمینه برداشته شد.
در روش مذکور، موسوم به آنالیز پوش آور متداول، سازه تحت الگوی بارگذاری ثابت تا تغییر مکان معینی موسوم به تغییر مکان هدف جلو برده می شود، مگر اینکه فروریزش سازه زودتر از رسیدن به تغییر مکان هدف رخ دهد. بعد از انجام آنالیز قادر به استخراج نتایجی از قبیل منحنی ظرفیت سازه، تغییر مکان نسبی طبقات، نیروهای داخلی اعضاء و دیگر پاسخهای لرزه ای سازه خواهیم بود .
لازم به ذکر است در طی سالهای اخیر تحلیل پوش آور به عنوان یک فرایند کاربردی نقش موثری در جهت پیشرفت و توسعه آنالیز های لرزه ای بر مبنای عملکرد داشته است و به طور گسترده ای در آیین نامه ها و دستوالعمل های بهسازی لرزه ای سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است. در طی فرایند تحقیقات به عمل آمده در مورد روشهای پوش آور از سوی محققین و در جهت رفع معایب پوش آور مرسوم که قادر نمی باشد اثر مودهای بالاتر و اثر تغییر مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء در نظر بگیرد روشهای پوش‌آور جدیدی براساس مفاهیم ترکیب مودال سازه ارائه گردیده است. در سال 2002 روش MPAتوسط چوپرا وگوئل پیشنهاد شد. در این روش چندین تحلیل پوش‌آور با الگوی بار متناسب با اشکال مودی الاستیک چند مود اول انجام گرفته سپس پاسخ لرزه‌ای سازه از ترکیب پاسخ‌های حاصل از هر مود با استفاده از روش ترکیب مجموع مربعات (SRSS) بدست می‌آمد. از آنجایی که در مودهای بالاتر افزایش جابجایی بام متناسب با افزایش جابجایی سایر طبقات نمی‌باشد و حتی در برخی موارد با افزایش برش پایه طبقه بام در جهت عکس حرکت می‌کند لذا استفاده از جابجایی بام به عنوان نقطه کنترل تغییر مکان در مودهای بالاتر با ابهاماتی روبه‌رو بوده است. در سال 2004 چوپرا وگوئل برای رفع این نقیصه روش MMPA ارائه کردند. در تمام این تحلیل‌ها به علت آنکه الگوی بارگذاری ثابت است و باتوجه به کاهش سختی در طی تحلیل الگوی بار بهنگام نمی شود همچنان این آنالیز ها ازنتایج خوبی برخوردار نبود.
پس از چوپرا وگوئل با انجام مطالعات‌و بررسی‌ها در جهت رفع نواقص روش های قبلی، روشهایی ابداع شد که در هرمرحله با کاهش سختی ناشی از تسلیم اعضاء بارگذاری بهنگام می شود و در سالهای اخیر توسط آنتونیو و پینهو جدیدترین روشهای پوش‌آور تطبیقی APA که به صورت یک مدل تحلیل فیبری (Fiber)تحت عنوان روشهای FAPوDAPتوسعه یافته است. در ادامه پس از مروری بر آنالیز های لرزه ای مورد استفاده در آئین نامه ها به شرح کامل آنالیز استاتیکی غیر خطی خواهیم پرداخت.
1-2- مروری بر روشهای تحلیل لرزهای سازه ها
به منظور بررسی رفتار سازه در مقابل زلزله و همچنین طراحی لرزه‌ای، نیاز به تحلیل لرزه‌ای میباشد. انتخاب نوع تحلیل بستگی به عواملی همچون دقت مورد انتظار و توصیه آیین نامهها دارد. آنالیز لرزه‌ای سازهها به چهار روش استاتیکی و دینامیکیِ خطی و غیرخطی انجام می‌شود که در ادامه به آنها پرداخته خواهد شد.
1-2-1- تحلیل استاتیکی معادل
این روش از متداولترین شیوه‌های تحلیل لرزه‌ای است که در تمام آیین نامه‌های زلزله دنیا با اختلافاتی جزئی نسبت به یکدیگر از آن استفاده شده است. روش کار بدین گونه است که برش پایه طرح که درصدی از وزن سازه است و توسط ضریبی به نام ضریب زلزله بدست می آید، بر اساس یک الگوی بارگذاری مشخص در امتداد قائم سازه توزیع و به آن وارد میگردد. پس از این مرحله با استفاده از ترکیبات بارگذاری توصیه شده توسط آیین نامهها، تحلیل سازه با فرضیات و تئوری های حاکم بر رفتار ارتجاعی و خطی، انجام می گیرد و نیروهای داخلی اعضا استخراج و سپس طراحی صورت می پذیرد.
الگوی بارگذاری در آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله (استاندارد 2800 ایران) به شکل مثلثی و برگرفته از شکل مود اول الاستیک سازه است. در استاندارد 2800 ایران، نیروی برشی پایه ، مطابق رابطه زیر در ارتفاع ساختمان توزیع می گردد:
(1-1)
در رابطه (1-1):
: نیروی جانبی در تراز طبقهام، : ارتفاع طبقهام از تر از پایه،: ارتفاع طبقهام از تراز پایه، : وزن موثر طبقهام، : وزن موثر طبقهام و نیروی جانبی اضافی در تراز سقف که بوسیله رابطه زیر تعیین می شود:
(1-2)
نیروی نباید بیشتر از در نظر گرفته شود و چنانچه برابر یا کوچکتر از ثانیه باشد، می توان آن را برابر صفر اختیار نمود.
1-2-2- تحلیل دینامیکی خطی
از دیگر روشهای تحلیل لرزه‌ای سازهها که به طور کاربردی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، تحلیل دینامیکی خطی است که به دو روش طیفی و تاریخچه زمانی صورت می‌پذیرد.
1-2-2-1- تحلیل دینامیکی طیفی یا تحلیل مودال
در این روش نیز مانند تحلیل استاتیکی معادل، رفتار اعضای سازه در طی تحلیل سازه ارتجاعی فرض می‌گردد. مشخصات دینامیکی سازه که در طی تحلیل از آن استفاده می‌گردد، مانند زمان تناوب مود‌ها و اشکال مودی، بر رفتار ارتجاعی استوار است. در این روش ابتدا مشخصات دینامیکی سازه در هر مود محاسبه می‌گردد (که امروزه این کار بوسیله نرم‌افزارهای تخصصی انجام می گیرد)، سپس شتاب پاسخ هر مود با توجه به زمان تناوب آن بر اساس طیف پاسخ زلزله مورد نظر یا طیف طرح آیین نامه محاسبه و به دنبال آن هر گونه پاسخ لرزه‌ای سازه در آن مود مانند برش پایه، نیروی طبقات، تغییرمکان نسبی طبقات، نیروی اعضا و ... طبق مشخصات دینامیکی آن مود بدست خواهد آمد. پس از آن با استفاده از روشهای آماری معتبر مانند جذر مجموع مربعات(SRSS) یا ترکیب مربعی کامل(CQC) پاسخ مودها با یکدیگر ترکیب و به این ترتیب پاسخ کلی حاصل می‌گردد.
1-2-2-2- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی
فرضیات این تحلیل نیز مانند تحلیل طیفی خطی بر اساس رفتار ارتجاعی اعضا و سازه استوار است. شیوه تحلیل بدین گونه است که پی سازه تحت اثر شتابنگاشت زلزله مورد نظر با به کارگیری روابط دینامیک سازه تحلیل می‌شود و پاسخهای سازه در هر گام زمانی ثبت می گردد و مجموعهای موسوم به تاریخچه پاسخ حاصل می گردد. در نهایت مهندس طراح بر اساس تاریخچه های پاسخ سازه در مقابل شتابنگاشتها و اتکا بر دانش و قضاوت مهندسی، در مورد چگونگی کاربرد پاسخ ها جهت طراحی سازه تصمیم خواهد گرفت.
خصوصیات شتابنگاشتهای انتخاب شده جهت تحلیل به شرح زیر است.
الف- حداقل باید سه زوج شتاب نگاشت انتخاب گردد که در این صورت حداکثر بازتاب در هر لحظه زمانی از این سه زوج به عنوان بازتاب نهایی تلقی می‌گردد. از هفت زوج شتابنگاشت نیز جهت تحلیل می‌توان استفاده کرد که در این حالت، بازتاب نهایی مورد نظر، میانگین بازتاب‌های بدست آمده خواهد بود.
ب- ساختگاههای شتابنگاشتها باید به لحاظ ویژگیهای زمین شناسی، تکتونیکی، لرزه شناسی و خصوصیات لایه‌های خاک با زمین محل ساختمان، تا حد امکان مشابهت داشته باشند.
ج- مدت زمان حرکت شدید زمین در شتابنگاشتها، حداقل برابر با 10 ثانیه یا سه برابر زمان تناوب اصلی سازه، هرکدام که بیشتر است باشد .
1-2-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی
در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی رفتار سازه در حوزه غیرارتجاعی تحت شتابنگاشت زلزله مورد نظر بررسی می‌گردد. جهت حصول نتایج مطلوب لازم است مشخصات غیرخطی اجزا از قبیل مقاومت، سختی، میزان شکل‌پذیری و همچنین رفتار چرخه‌ای کامل آنها که در نرم افزار مدلسازی می‌گردد، با مشخصات رفتار واقعی آنها مطابقت داشته باشد. این مشخصات معمولاً بوسیله مدلهای ساخته شده در آزمایشگاهها تعیین می شوند . محاسبه تحلیلی پاسخ دینامیکی سازهها در حوزه غیرخطی، حتی اگر تغییرات زمانی تابع تحریک، تابع سادهای باشد، معمولاً امکان پذیر نیست، در نتیجه روش اصلی برای تحلیل سیستم های غیرخطی، روشهای عددی است که از آن جمله می توان به دو روش تفاضل مرکزی و روش نیومارک اشاره نمود. امروزه این کار به عهده رایانه هاست و اساس تحلیل در آنها به روشهای عددی استوار است. در این روش در هر گام زمانی از تحلیل، سختی سازه اصلاح می گردد و پاسخ سازه در آن گام بر اساس سختی اصلاح شده محاسبه می گردد که ثبت پاسخ ها در گامهای زمانی مربوطه منجر به تهیه تاریخچه پاسخ واقعی سازه خواهد شد .
لازم بذکر است که تحلیل سازه به روش تاریخچه زمانی غیرخطی تا حدودی مشکل و وقت گیر است، ضمن اینکه مدلسازی اعضای آن و از طرف دیگر بررسی نتایج تحلیل نیاز به تخصص کافی در این زمینه دارد. این روش معمولاً جهت کارهای تحقیقاتی و تحلیل سازههای خاص و حساس بکار می رود.
بکارگیری روشهای دینامیکی در تحلیل لرزه‌ای کلیه سازه ها مناسب و اختیاری است، اما بر اساس استاندارد 2800 ایران برای ساختمانهای منظم با ارتفاع بیش از 50 متر از تراز پایه و ساختمانهای نامنظم بیش از 5 طبقه و یا ارتفاع بیش از 18 متر اجباری است.
با توجه به مسائل فوق و مشکل بودن این روش از تحلیل لرزه‌ای، محققین بدنبال روشی بوده اند که ضمن دارا بودن سرعت و دقت لازم در تحلیل، عملاً از سادگی نیز برخوردار باشد. حاصل تحقیقات، ارائه روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوشآور) در چند دهه گذشته و روند تکاملی آن در سالهای اخیر بوده است. در ادامه به این موضوع پرداخته می‌شود.
1-3- تحلیل پوش آور مرسوم
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی
درسالهای اخیرتحلیل استاتیکی غیرخطی درمقایسه با تحلیل های دینامیکی غیرخطی موردتوجه بیشتری قرارگرفته است.علت این مسأله توانایی تحلیل های استاتیکی غیرخطی درمحاسبه پارامترهای سازهای بدون نیازبه مدلسازی و محاسبات پیچیده خاص تحلیل های دینامیکی غیرخطی است .
توضیح اینکه هرچند از روش های دینامیکی غیرخطی به دلیل درنظرگرفتن توأم اثرات دینامیکی نیرو و رفتارغیرخطی اعضابه عنوان کاملترین روش یاد می شود،امابه دلیل مشکلاتی ازقبیل پیچیدگی،پرهزینه بودن وهمچنین حساسیت زیاد نتایج آن به دقت مدل وفرضیات حرکت زمین،که عدم توجه به آنها باعث کاهش شدید دقت نتایج خواهدشد،باعث می شود به سختی بتوان از این روش برای مسائل کاربردی ومهندسی استفاده کرد.
عامل مهم دیگر یکه باعث تمایل بیشتر به استفاده ازروش تحلیل استاتیک غیرخطی شده است، توانایی این روش دردنبال کردن گام به گام رفتارسازه درطول عملکردغیرارتجاعی آن وتعقیب مکانیزم شکست دراعضاءمی باشد،که این مسأله درتحلیل دینامیکی غیرخطی به سادگی میسرنمیشود. البته باید توجه داشت که دربکارگیری این روش های ساده شده بایدعدم قطعیتهاراموردتوجه قرارداد تا بتوان روش مذکوررابه عنوان ابزاری در روش های طراحی براساس عملکردگنجاند.
این روش به نحو مناسبی در سالهای اخیر مورد توجه مهندسین و محققین قرار گرفته و به عنوان ابزاری مناسب جهت تحلیل و تخمین نیاز لرزه‌ای سازه ها در محدوده غیر خطی مورد استفاده قرار گرفته است. روش مذکور جای خود را در بین روشهای آنالیز غیر خطی به خوبی باز نموده تا جائیکه در سالهای گذشته آیین نامه ها مباحث آنرا در سرفصل های خود جای داده اند، تاکنون گزارشها و دستورالعمل های متعددی از جمله سری آیین نامه های FEMA، ATC و همچنین دستورالعمل بهسازی لرزه ای ایران در این زمینه منتشر شده اند .
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی
اساس کلی روش مذکور موسوم به آنالیز پوش آور مرسوم بدینگونه است که یک بار جانبی مطابق با الگوی بارگذاری ثابت و مشخصی به صورت فزاینده و گام به گام تا رسیدن به یک تغییر مکان از پیش تعیین شده به نام تغییر مکان هدف و یا فرو ریزش و خرابی نهایی سازه به آن اعمال می‌شود. سپس در آن تغییر مکان نیازهای لرزه‌ای سازه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در شکل (1-1) مراحل اعمال بار جانبی به سازه و تغییر شکل آن از حالت ارتجاعی تا فروریزش نشان داده شده است .

شکل (1-1): مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور
در این روش رفتار یک سیستم چند درجه آزاد از طریق یک سیستم یک درجه آزاد معادل مورد مطالعه قرار می گیرد. سیستم یک درجه آزاد معادل نماینده یک سیستم چند درجه آزادی در یک مود مشخص است که دارای خصوصیات مشابهی از جمله پریود و رفتار خطی و یا غیر خطی اجزاء می‌باشد. این مفهوم در مهندسی زلزله جایگاه و کاربرد ویژه ای دارد که می توان به تهیه طیف پاسخ زلزله بوسیله آن اشاره نمود.
ارتباط اصلی بین این دو سیستم در آنالیز استاتیکی غیر خطی بوسیله ضریب مشارکت مودی، مود اصلی سیستم چند درجه آزاد، ایجاد می گردد. این ضریب از رابطه (1-3) قابل محاسبه است.
(1-3)
که و به ترتیب بردار شکل مود اصلی و بردار جرم سیستم چند درجه آزاد می‌باشند.
حال با داشتن ضریب انتقال و نتایج تحلیل پوش آور سیستم چند درجه آزاد و بکارگیری رابطه (1-4) مشخصه های نیرو- تغییر شکل سیستم یک درجه آزاد تعیین می‌گردند.
(1-4)
در روابط فوقو به ترتیب تغییر مکان (بام) و برش پایه نظیر آن در سیستم چند درجه آزادی می باشند.
بدین ترتیب منحنی ظرفیت سیستم یک درجه آزاد معادل قابل ترسیم است.
اگر چه این روش از تئوری قوی برخوردار نیست اما مطالعات پژوهشگران نشان داده است که اگر مود اصلی در رفتار سازه حاکم باشد در نظر گرفتن ضریب انتقال به صورت ثابت در مقابل تغییرات کوچک تا متوسط بردار شکل هنوز می تواند تخمین خوبی جهت تبدیل سیستم چند درجه آزاد به یک درجه آزاد باشد.
حداکثر تغییر مکان سیستم یک درجه آزاد معادل، که در معرض حرکات زمین ناشی از زلزله قرار گرفته است را می توان بوسیله طیف های ارتجاعی، غیر ارتجاعی و یا آنالیز تاریخچه زمانی بدست آورد. پس از تعیین تغییر مکان در سیستم یک درجه آزاد، حداکثر تغییر مکان سیستم چند درجه آزاد با استفاده از رابطه (1-4) تخمین زده خواهد شد.
لازم به توضیح است که تخمین و محاسبه تغییر مکان حداکثر یک سیستم یک درجه آزاد در مقابل حرکات زمین، موسوم به تغییر مکان هدف از طریق طیف پاسخ و یا آنالیز تاریخچه زمانی گستردهای همچون تحلیل طیف ظرفیت را در بر می‌گیرد.
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور
با توجه به اینکه این روش از تحلیل، رفتار سازه را در حالت غیر ارتجاعی نیز بررسی می کند بسیاری از خصوصیات رفتاری سازه که در روشهای خطی قابل دستیابی و مشاهده نیست و از نظر پنهان می‌ماند را هر چند همراه خطا و دارای تقریب، نمایان می کند با چنین اطلاعاتی دقت و میزان صحت تصمیم گیری مهندس و یا محقق جهت اقدامات بعدی افزایش می یابد از جمله موارد کلی استفاده از نتایج تحلیل پوش آور می توان به تهیه منحنی ظرفیت سازه (برش پایه در مقابل تغییر مکان بام) در مقابل بار جانبی اعمال شده تخمین تغییر مکان نسبی طبقات، برآورد میزان چرخش مفاصل پلاستیک ایجاد شده، تخمین تغییر مکان جانبی سازه و هرگونه پاسخ سازه نسبت به حرکات زمین و بار جانبی که جهت بررسی رفتار لرزه ای سازه بدان نیاز داریم اشاره نمود.
نتایج قابل مشاهده و دریافت از آنالیز استاتیکی غیر خطی که توسط کراوینکلر و سنویراتنا (1988) ارائه شده به قرار زیر است .
1- برآورد نیروهای واقعی در اعضای ترد و غیر شکل پذیر از قبیل نیروی محوری در ستونها و لنگر ایجاد شده در اتصالات تیر به ستون و برش در اعضای کوتاه که رفتار برشی در آنها حاکم است.
2- تخمین تغییر شکل مورد نیاز اجزاء سازه که جهت اتلاف انرژی ناشی از زلزله باید در ناحیه غیر ارتجاعی تحمل نمایند.
3- اثرات کاهش مقاومت اجزای خاص بر پایداری سازه.
4- تعیین محل های بحرانی در سازه مانند مکانهایی که دچار تغییر شکل های زیاد می شوند.
5- تعیین نامنظمی های در پلان یا ارتفاع که باعث تغییر در مشخصات دینامیکی سازه در ناحیه غیر ارتجاعی می گردند.
6- تخمین تغییر مکانهای داخلی طبقات با در نظر گیری ناپیوستگی سختی و مقاومت (مانند طبقه نرم) و جلوگیری از این نوع خرابی ها در سازه.
7- ترتیب جاری شدن و شکست اعضاء و بررسی پیشرفت منحنی ظرفیت سازه.
8- بررسی کفایت مسیر بار با در نظر گیری تمام اجزاء سازه ای و غیر سازه ای سیستم به عبارت دیگر بررسی کفایت مسیر انتقال بار جانبی با توجه به ترکیب هندسی موجود سازه.
9- پارامترهای رفتار لرزه ای سازه (مثل شکل پذیری، ضریب رفتار، ...)
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم
منحنی ظرفیت سازه به عنوان نموداری که محورافقی آن تغییرمکان افقی نقطه کنترل سازه می باشدومحورقائم آن برش پایه اعمالی بهسازهاست،ازتحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی حاصل میشود. نمونهای از منحنی ظرفیت سازه در شکل (1-2) نشان داده شده است.تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی سازهبا استفاده از نرمافزارهایینظیر ETABS،SAP2000 و .. .به راحتی قابل انجام است.
نامهای انجام یک تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی به صورت زیرفهرست میشود.

شکل(1-2): منحنی پوش آور[10].
1- ایجادیک مدل ریاضی از سازه.
2-اعمال بارجانبی به سازه،پس ازتعیین الگوی بارگذاری جانبی.
3-افزایش بارجانبی اعمالی به سازه تاجاییکه بعضی ازاعضای سازه به حدتسلیم برسند.
4-ثبت برش پایه اعمالی درآن مرحله وتعیین تغییرمکان نقطه کنترل برای کنترل رفتار و استفاده درمراحل بعد،ثبت نیروهای سایراعضا نیزلازم است.
5-بازسازی مدل با فرض سختی جانبی صفر برای اعضای جاری شده سازه.
6-افزایش بارجانبی بهسازه تاجاییکه عضوهای دیگری ازسازه جاری شوند.
7-ثبت برش پایه وتغییرمکان نقطه کنترل.
8- روند 3 تا 7 تاجائی تکرارمیشوندتا اینکه سازه یا براثرعواملی مانند ناپایدار شود و یا اینکه به تغییر مکان مشخص ازپیش تعیین شدهای برسد.
9-رسم برش پایه بدست آمده درمراحل مختلف درمقابل تغییرمکان نقطه کنترل سازه.
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی
در آنالیز استاتیکی فزاینده غیر خطی سه مطلب اساسی باید مورد توجه قرار گیرد که عبارتند از مشخصات غیر خطی اجزاء، الگوی بارگذاری جانبی و تعیین تغییر مکان هدف. عدم شناخت کافی نسبت به موارد مذکور باعث ایجاد خطا در نتایج و تشدید آن در مراحل بعدی خواهد شد .
استفاده از الگوی بارگذاری متناسب با واقعیت، مدلسازی دقیق رفتار غیر خطی اجزاء سازه و تعیین تغییر مکان هدف صحیح، منجر به کسب نتایج با دقت بیشتر و تخمین مناسب نیازهای لرزه ای در آنالیز سازه خواهد شد. در ادامه به آنها پرداخته می شود.
1-4- پوش آور مودی
استفاده از روشهای تحلیل استاتیکی غیرخطی درتخمین عملکردسازههادرهنگام زلزله بسیار مورد توجه متخصصین قرارگرفته است. از فرضیات این روش این است که، رفتارسازه توسط موداول کنترل می گردد وشکل این مود درتمامی مدت تحلیل ثابت می ماند،که هر دوی این فرضیات غلط می باشند.امانتایج نشان دهندهتقریب مناسب اینروش می باشد. درجهت بهبود هرچه بیشترروش تحلیل استاتیکی فرایندهغیرخطی، روش تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی مودی(MPA) باتوجه به اصول دینامیک سازههاارائه شده است که امکان در نظرگیری تمامی مودهای مؤثردرپاسخ سازه رابه کاربرمی دهد.
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی
با محاسبه سختی لحظه ای اعضاء و در نتیجه ماتریس سختی کل در هر گام از آنالیز در هنگام اعمال بار جانبی به سازه، شاهد کاهش سختی سازه خواهیم بود. این موضوع نه تنها باعث تغییر پاسخ سازه به حرکات زمین می گردد، بلکه همچنین باعث تغییر توزیع نیروهای اینرسی در ارتفاع سازه خواهد شد. برای تحقق این فرضیات باید از آنالیز پوش آور تطبیقی استفاده گردد و همچنین در هرگام با توجه به کاهش سختی المانهای سازه باید الگوی بارگذاری اصطلاحاً به هنگام گردد. همانطور که در قسمت نواقص و معایب آنالیز پوش آور متداول بیان گردید، تغییرات فوق در خلال آنالیز منظور نمی گردد و الگوی بارگذاری با یک توزیع ثابت به سازه وارد می شود و این یک منبع خطای مهم در ارزیابی لرزه ای سازه محسوب می گردد. اساس روش پوش آور تطبیقی به دو گونه انجام می شود؛ پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو و مبتنی بر جابجایی.
1-6- نتیجه گیری
در این فصل با توجه به نتایج مشاهده شده توسط روش های تحلیل پوش آور به هنگام شونده و مقایسه روش پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو با نتایج آنالیز دینامیکی غیر خطی و پوش آورهای متداول، طبق نتایج بدست آمده از این روش در سازه های کوتاه به علت تاثیر کمتر اثر مود های بالاتر می توان گفت نتایج این آنالیز معتبر است ولی مطابق با بررسی های که توسط پاپینکولار و النشای در سال 2006 انجام داده اند و ثابت نمودند به دلیل اینکه در روش FAP به علت استفاده از قوانین ترکیب مودال درجه دوم مثل SRSS تغیر علامت نیرو های مودال در طبقات مختلف مود های بالا تر از بین رفته و علامت مولفه های بردار الگوی بار اعمالی در تمام طبقات یکسان است، می توان گفت نتایج تحلیلیFAP در سازه های بلند که اثر مود های بالاتر تاثیر گذاری بیشتری دارند، نه تنها بهبودی در نتایج حاصل نکرده است، بلکه نتایج به سمت مسیر گمراه کننده پیش می رود. در مقابل، نتایج بدست آمده از آنالیز پوش آور تطبیقی بر اساس جابجایی در سازه های بلند دارای نتایج قابل قبول تری نسبت به آنالیز مبتنی بر نیرو و پوش آورهای دیگر می باشد.
فصل دوم
« بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
آیین نامه های طراحی لرزه ای، نیرو های لرزه ای برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست میآورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ارتجاعی و اتلاف انرژی بر اثر رفتار هیسترتیک ، میرائی و اثر مقاومت افزون سازه، این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نماید. در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل محققین روش های تئوریکی جهت محاسبه ضریب رفنار ارائه نموده اند که در این فصل به طور کامل تشریح گردیده است.
2-1- مقدمه
به طور کلی می توان گفت طراحی سازه ها بر اساس آنالیز های لرزه ای بر این مبناء است که رفتار ساختمان در مقابل نیرو های ناشی از زلزله های کوچک، بدون خسارت در محدوده ارتجاعی باقی بماند و در هنگام وقوع زلزله های شدید که رفتار سازه وارد ناحیه غیر خطی می شود ضمن حفظ پایداری کلی خود، خسارتهای سازه ای و غیر سازه ای را تحمل کند، به همین منظور طراحی لرزه ای سازه در هنگام ورود به ناحیه غیر خطی مستلزم آنالیز های غیر خطی می باشد.
می توان گفت یک تحلیل دینامیکی غیر خطی بیانگر رفتار صحیح و واقعی سازه به هنگام وقوع زلزله می باشد امّا با توجه به پیچیده بودن و پر هزینه بودن آنالیز های غیر خطی و زمان بر بودن این نوع تحلیل ها، روشهای تحلیلی بر مبناء آنالیز در محدوده رفتار خطی سازه با نیروی کاهش یافته زلزله صورت می گیرد.
از طرفی تحلیل و طراحی سازه ها صرفا بر اساس رفتار ارتجاعی اعضاء و عدم توجه به رفتار غیر خطی در هنگام وقوع زلزله باعث ایجاد شدن طرحی غیر اقتصادی که شامل مقاطع سنگین برای طرح خواهد بود می شود.
از اینرو آیین نامه های لرزه ای، نیرو های برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست می آورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ازتجاعی و اتلاف انرژی بز اثر رفتار هیسترتیک، میرایی و اثر مقاومت افزون سازه این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نمایند.
با توجه به اینکه ضرائب رفتار تعین شده توسط آیین نامه های لرزه ای بر پایه مشاهدات عملکردی سیستم های سازه ای مختلف در زلزله های اتفاق افتاده و بر اساس قضاوت مهندسی استوار است در جهت رفع نگرانی پژوهشگران بابت فقدان ضرائب رفتار معقول و مبتنی بر مطالعات تحقیقاتی و پشتوانه محاسباتی در سالهای اخیر آیین نامه ها لرزه ای بر این اساس مدون گردیده اند که رفتار های هیستر تیک، شکل پذیری، مقاومت افزون، میرایی و ظرفیت سازه در هنگام استهلاک انرژی را جهت محاسبه ضریب رفتار در نظر بگیرند.
در این فصل به طور کلی تمام اجزاء ضریب رفتار شرح داده می شود.
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار
در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد. به همین دلیل مقادیر عددی ضرائب رفتار به کار برده در آیین نامه ها مختلف متفاوت می باشد به طوری که می توان گفت محدوده عددی ضریب رفتار برای سازه های بتن مسلح با سیستم قاب خمشی در آیین نامه های اروپایی مانند EC8 بین عدد های 5/1 تا 5 است در صورتیکه برای همین نوع سیستم سازه ای در آیین نامه های آمریکایی مقادیر ضریب رفتار تا عدد 8 هم بیان گردیده است، از اینرو می توان گفت سازه هایی که مطابق آیین نامه های EC8 طراحی شده اند دارای طراحی های سنگین تری نسبت به طراحی های که مطابق آیین نامه های آمریکایی انجام گرفته است می باشند. اگر به طور خاص آیین نامه طراحی لرزه ای ایران را مورد مطالعه قرار دهیم، می توان گفت به دلیل آنکه ضرائب رفتار تعین شده بر مبناء قضاوت مهندسی است دارای کاستی هایی به شرح زیر می باشد:
1- برای سیستم های سازه ای، از یک نوع با ارتفاع ها و زمان تناوب ارتعاش متفاوت از ضرائب رفتار یکسانی استفاده میشود.
2- در R تاثیر شکل پذیری و مقاومت افزون و درجه نامعینی به صراحت نیامده است.
3- اثر لرزه خیزی منطقه در Rلحاظ نشده است.
4- اثر شرائط خاک در R لحاظ نشده است.
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار
همانطور که از پیش ذکر شد روشهای سنتی چگونگی محاسبه ضریب رفتار برای سیستم های سازه ای بر اساس قضاوت مهندسی انجام می شده است، در طی سالهای اخیر روشهای علمی قابل اعتماد و جدیدی توسط تحقیقات نیومارک ارائه گردیده است.
می توان گفت جدید ترین رابطه های ارائه شده برای ضریب رفتار رابطه ای است که سه عامل شکل پذیری، مقاومت افزون و در جه نامعینی را در بر دارد. دو عامل شکل شکل پذیری و مقاومت افزون برای کشور های مختلف می تواند متفاوت می باشد، زیرا به متغیر های کیفی و کمی متعددی مانند فرهنگ ساخت و ساز و روشهای اجرائی، ناحیه لرزه خیزی و آیین نامه بارگذاری و طراحی بستگی دارد.
از اوائل دهه 1980 در انجمن فن آوری کاربردی (ATC) در طی پژوهشهای فریمن و یوانگ تلاش محققین به سمت تجزیه ضریب رفتار به عوامل تشکیل دهنده آن سوق پیدا نمود.
قابل توجه است که عامل نامعینی ابتدا در آیین نامه های ATC-19 و ATC-40 و سپس در آیین نامه UBC-1997 مطرح گردید.
در سال 1995 محققین برای محاسبه ضریب رفتار رابطه (2-1) را پیش نهاد نمودند.
(2-1)
که در رابطه فوق ضریب کاهش نیرو ناشی از مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو ناشی از شکل پذیری و کاهش نیرو ناشی از نامعینی یا به عبارت دیگر ضریب درجه نامعینی سازه می باشد.
به طور کلی تقسیم بندی که در مورد روشهای محاسبه ضریب رفتار می توان گفت به صورت زیر می باشد:
1- روش های آمریکایی
2- روشهای اروپایی
در طی مطالعات پزوهشگران گذشته روشهای آمریکایی نسبت به روشها اروپایی از ابتکار عمل ساده تری برخوردار بوده اند، به همین جهت در این رساله برای به دست آوردن نتایج ضریب رفتار صرفا" از روش های آمریکایی استفاده گردیده است.
2-3-1- روشهای آمریکایی
از بین روشهای آمریکایی دو روش طیف ظرفیت فریمن و روش یوانگ معتبر تر می باشند از اینرو در ادامه به صورت جزئی به شرح کامل این دو روش می پردازیم.
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن
در سال 1990 فریمن یک روش تحلیلی جهت محاسبه ضریب رفتار تحت تاثیر پارامتر هایی مطابق با رابطه زیر ارائه نموده است.
(2-2)
به طور کلی هر کدام از پارامتر های رابطه فوق به عوامی زیر وابسته می باشد.
1- سیستم سازه ای
2- آرایش قابها
3- ترکیب بار ها
4- درجه نامعینی
5- میرایی سازه
6- ویژیگی های رفتار غیر خطی سازه
7- خصوصیات مصالح
8- نسبت ابعاد ساختمان
9- چگونگی مکانیزم خرابی و عوامل دیگر.
با توجه به گستردگی دامنه تاثیر گذاری عوامل مختلف بر پارمتر های اجزاء ضریب رفتار به ندرت می توان گفت که دو سازه ضریب رفتار یکسانی خواهند داشت.
در ادامه تحقیقات از بین عوامل تاثیر گذار بر ضریب رفتار یک سازه دو عامل ظرفیت سازه و نیرو های ناشی از زلزه را می توان از عوامل اصلی نام برد، که فریمن تمام عوامل فوق را به دو عامل اصلی ظرفیت افزایش یافته سازه و احتیاجات لرزه ای بسط داده است.
در این روش ظرفیت افزایش یافته به اصطلاح مقاومت افزون نام دارد و با نمایش داده می شود. ضریب مقاومت افزون را می توان از یک تحلیل استاتیکی غیر خطی با رسم منحنی ظرفیت سازه (برش پایه- تغیر مکان نقطه بام) از نسبت ضریب برش تسلیم کلی سازه به ضریب برش پایه متناظر با تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه به دست آورد. عوامل موثری که در محاسبه این ضریب نقش دارند به شرح زیر می باشند.
1- ضرائب بار و ضرائب کاهش مقاومت مصالح
2- طراحی دست بالای اعضاء
3- سختی کرنشی
4- نامعینی سازه
5- شکل پذیری سازه
احتیاجات لرزه ای یا به عبارت دیگر ضریب کاهش نیرو در اثر شکل پذیری که با نمایش داده می شود، می توان گفت از رفتار غیر خطی سازه که منجر به میرایی و استهلاک انرژی می شود، به وجود آمده است. فریمن جهت محاسبه ضریب کاهش نیرو روش زیر را ارائه گردیده است:
در هنگام وقوع زلزله هر چه رفتار سازه از حد ارتجاعی فراتر رود سختی آن کاهش یافته و میرایی افزایش می یابد، در واقع در هنگام زلزله با ایجاد مفاصل پلاستیک در اعضاء سازه، سازه شکل پذیر تر می شود و به تبع افزایش شکل پذیری زمان پریود ارتعاشی سازه و همچنین میرایی سازه افزایش پیدا خواهد کرد و در نتیجه ی تمام این فرایند ها، کاهش نیرو های وارد بر سازه را خواهیم داشت.
در صورتیکه زمان پریود اولیه سازه که می تواند زمان پریود محاسباتی یا زمان پریود به دست آمده از آیین نامه باشد را بنامیم و زمان پریود ناشی از تغیر سختی که سازه وارد مرحله غیر خطی شده است را بنامیم، مقدار از نسبت مقدار نیروی مورد نیاز برای سازه با طیف ظرفیت 5% میرایی با زمان پریود ارتعاش اولیه به مقدار نیروی مورد نیاز در میرایی غیر خطی 20% سازه به دست خواهد آمد.
طبق مطالب فوق توسط روش فریمن ضریب رفتار از رابطه (2-3) محاسبه خواهد شد.
(2-3)
که در رابطه فوق ضریب مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو می باشد.
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ
در سال 1991 توسط محقق آمریکایی یوانگ با استفاده از نمودار منحنی ظرفیت سازه برای محاسبه ضریب رفتار رابطه ای به صورت زیر معرفی نمود.
(2-4)
که در رابطه (2-4) کاهش نیرو در اثر شکل پذیری سازه که تسبت به و ضریب مقاومت افزون می باشد، در ادمه پارامتر های معرفی شده را به طور کامل تشریح می نماییم.
می توان با در نظر گرفتن رفتار کلی یک سازه متعارف طبق شکل(2-1) مقدار مقاومت ارتجاعی مورد نیاز، در صورتیکه سازه کلا" در محدوده ارتجاعی باقی بماند پارامتر تعریف کنیم.

شکل (2-1): نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف
به طور کلی می توان گفت طراحی صحیح سازه منجر به شکل پذیر تر شدن سازه خواهد شد، در این وضعیت سازه می تواند به حداکثر مقاومت خود که با پارامتر معرفی می شود، برسد. در نتیجه می توان گفت هرچه از مقاومت حداکثر اعضاء در هنگام آنالیز های لرزه ای استفاده شود طرحی بهینه تر حادث می شود.
در شکل(2-1) حداکثر تغیر شکل نسبی ایجاد شده در طبقه می باشد که می توان گفت محاسبه مقدار با مقاومت حد خمیری سازه یا مقاومت نهایی به هنگام ایجاد مکانیزم گسیختگی متناظر بوده و احتیاج به تحلیل غیر خطی دارد به همین علت برای مقدار به صورت مستقیم رابطه ای مشخص نگردیده است از اینرو جهت مقاصد طراحی در برخی از آیین نامه ها مقدار را به مقدار کاهش می دهند.
نمایشگر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در کل سازه می باشد و مقدار آن ترازی است که در آن پاسخ کلی سازه به گونه قابل توجهی از محدوده ارتجاعی سازه خارج شده است.
اختلاف مقدار نیرو های و را اصطلاحا مقاومت افزون () تعریف می نمایند، طبق رابطه (2-5).
(2-5)
لازم به ذکر است به علّت اینکه در بعضی از آیین نامه های طراحی بتنی یا فولادی از روشهای بار مجاز استفاده می نمایند، از اینرو آیین نامه های طراحی لرزه ای مانند آیین نامه های 2800 ایران، UBC-1994 و SEAOC-1988 مقدار را به کاهش می دهد. نسبت ضریب رفتار به دست آمده در آیین نامه های UBC-1994 و SEAOC-1988 (که با نمایش داده می شود) و 2800 ایران (که با R نمایش داده می شود) به ضریب رفتار به دست آمده در مقررات UBC-1997 یا NEHRP-2000 حدودا" عددی بین 4/1 تا 5/1 می باشد.
مزیت استفاده روش فوق این است که طراح، تنها یک تحلیل ارتجاعی انجام میدهد و سپس با استفاده از آیین نامه های جاری، ابعاد المانهای سازه ای را تعین مینماید.
طی تحقیقات به عمل آمده به علّت استفاده ازبه جای دو مشکل ایجاد می شود که عبارتند از:
1- محاسب قادر نخواهد بود مقاومت سازه را تعیین کند، لذا در صورتی که مقدار مقاومتی که به صورت ضمنی در آیین نامه های زلزله برای مقدار ضریب کاهش فرض شده است (مقاومت افزون) تامین نشود، رفتار سازه در زلزله های شدید رضایت بخش نخواهد بود.
2- مقادیر تغیر مکانهای غیر ارتجاعی را نمی توان باتحلیل ارتجاعی خطی محاسبه نمود که آیین نامه ها معمولا" از ضرائب تشدید تغیر مکانهای ارتجاعی () استفاده می نمایند.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

محاسبه رابطه (2-4) در بعضی از آیین نامه ها مثل UBC-1997 ، IBC-2000 ، NEHRP-2000 مطابق با تنش های در حالت حد نهایی است ولی مطابق بعضی از آئین نامه هایی چون 2800 ایران، UBC-1988 یا UBC-1994 و.... باید ضریبی به نام Y برای طراحی بر اساس تنش های مجاز در رابطه (2-4) ضرب شود.
ضریب Y بر اساس برخورد آیین نامه های مصالح با تنش های طراحی (بار مجاز یا بار نهایی) تعین می شود و مقدار آن نسبت نیرو در هنگام تشکیل اولین مفصل پلاستیک () به نیروی پایه سازه دز هنگام ایجاد تنش های مجاز () می باشد.
(2-6)
طبق نتایج به دست آمده ضریب Y در محدوده 1.4تا 1.5 می باشد و برای مثال نتایج آیین نامه AISC-ASD1989 مطابق رابطه (2-7) برابر با1.44 می باشد.
(2-7)
در رابطه (2-7): Z مدول خمیری و S مدول ارتجاعی می باشد و اضافه تنش مجاز به هنگام اثر نیرو های زلزله است. می توان گفت مقدار 4/1 برای در نظر گرفتن ضریب بار مرده در آیین نامه بتن ACI-318 مشابه ضریب Y در رابطه (2-7) می باشد.
طبق پارامتر های تعریف شده فوق رابطه (2-8) برای محاسبه ضریب رفتار توسط روش یوانگ معرفی گردیده است.
(2-8)
2-3-2- روشهای اروپایی
در سالهای اخیر، پژوهشگران اروپایی نیز همگام با محققان آمریکایی به تحقیق در مورد برآورد ضرایب رفتار سازهها پرداخته اند. عمدتاً روشهایی که توسط اروپاییها مورد استفاده قرار گرفته به دو گروه تقسیم می شود: روشهای متکی بر تئوری شکل پذیری و روشهای انرژی. در ادامه این روشها به اختصار معرفی می شوند.
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری
این روش که بر مبنای تئوری شکل پذیری استوار است اولین بار توسط کاسنزا و همکاران در سال 1986 معرفی شده است. در این روش، ضریب رفتار () با توجه به شکل (2-2)، از رابطه (2-9) بدست می آید:
(2-9)
در رابطه (2-9): : ضریب ارتجاعی بحرانی برای بارهای قائم و : پارامتر وابسته به زمان تناوب ارتعاش سازه است و از رابطه (2-10) بدست می آید:
(2-10)
با توجه به دو رابطه اخیر میتوان را از رابطه (2-11) بدست آورد:
(2-11)
جهت تکمیل روش فوق، در سال 1996، مازولانی با استفاده از نتایج حاصل از پاسخ سیستمهای یک درجه آزاد، رابطه (2-12) را برای پیشنهاد کرده است.
(2-12)
از این رو برای زمانهای تناوب بزرگتر از ثانیه، دارای مقدار ثابت و برای یک تابع خطی از زمان تناوب است.

شکل (2-2): مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد [25]
2-3-2-2- روش انرژی
روش انرژی بر این فرض استوار است که حداکثر انرژی جنبشی ناشی از یک زلزله شدید با حداکثر انرژی که یک سازه قادر است جذب نماید، برابر است. معادله تعادل انرژی در یک سازه بصورت رابطه (2-13) است.
(2-13)
در رابطه (2-13): : حداکثر انرژی جنبشی قابل جذب و استهلاک در سازه، : انرژی ذخیره شده در سازه در مرحله تغییر شکل ارتجاعی، : انرژی ذخیره شده طی تغییر شکلهای غیرارتجاعی در سازه و کار انجام شده توسط نیروهای قائم در کل روند تغییر شکل سازه می باشد.
اگر طیف پاسخ شتاب زمین، در زلزله طراحی و انرژی جنبشی ناشی از آن نامیده شود، معمولاً می توان با اعمال یک ضریب آن را به شدیدترین زلزله طراحی، مرتبط کرد. با توجه به این موضوع، انرژی جنبشی ناشی از این زلزله مخرب که با استفاده از حداکثر شبه سرعت برآورده شده از طیف مشخص می گردد، توسط رابطه (2-14) به مرتبط می شود:
(2-14)
در نتیجه بنابر اصل تعادل انرژی ها، لازم است رابطه (2-15) برقرار باشد:
(2-15)
روشهای تحلیلی مفصل و پیچیده ای برای حل معادله فوق و استخراج ضرایب رفتار از آن وجود دارد که معروفترین آنها توسط کومو و لانی ارائه شده است. در اینجا به دلیل پیچیده و وقت گیر بودن این روشها از ذکر جزئیات آنها پرهیز می شود.
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار
2-4-1- شکل پذیری
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه
در صورتیکه منحنی رفتار کلی سازه را اصطلاحا" به صورت منحنی الاستیک – پلاستیک (دو خطی) ایده آل نمائیم، طبق رابطه (2-16) ضریب شکل پذیری کلی سازه که با نمایش داده میشود محاسبه میشود:
(2-16)
بهتر است مقدار ضریب شکل پذیری کلی سازه ، که نماینگر ظرفیت استهلاک انرژی اجزا یا کل سازه است، از روشهای آزمایشگاهی تعیین نمود. رفتار کلی سازه که در شکل (2-1) نشان داده شده است، تنها مربوط به سیستم هایی است که می توانند انرژی را با یک رفتار پایدار مستهلک کنند، مانند قابهای مقاوم خمشی شکل پذیر ویژه، و برای سیستم های دیگر که کاهش شدید سختی و مقاومت دارند، تعریف تغییر مکان تسلیم و تغییر مکان حداکثر در رابطه (2-16) می تواند نادرست باشد. می توان گفت تعیین ضریب QUOTEμs به خصوص برای سازه های بلندتر از یک طبقه کار پیچیده ای است. برای محاسبه این ضریب غالباً از تغییر مکان نسبی طبقه به عنوان معیار تغییر مکان استفاده می‎شود (شکل 2-1).
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری
سازه ها توسط رفتار شکل پذیر مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را با رفتار هیسترتیک مستهلک می‎کنند، که مقدار این استهلاک انرژی، بستگی به مقدار شکل پذیری کلی سازه دارد. مقدار شکل پذیری کلی سازه نباید از شکل پذیری المانهای سازه فراتر رود. بدین منظور، هنگام طراحی لازم است حداقل مقاومت لازم سازه که شکل پذیری کلی آن را به حد شکل پذیری مشخص شده از قبل، محدود می‎کند، مشخص شود .
همان گونه که در قسمتهای قبل، توضیح داده شد، ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری (QUOTERμ ) طبق رابطه (2-17)، با نسبت مقاومت ارتجاعی مورد نیاز به مقاومت غیر ارتجاعی مورد نیاز تعریف می شود.
(2-17)
که در این رابطهQUOTEFy مقاومت جانبی مورد نیاز، برای جلوگیری از تسلیم سیستم بر اثر یک زلزله مشخص و مقاومت جانبی تسلیم مورد نیاز برای محدود کردن ضریب شکل پذیری کلی سازه به مقداری کمتر و یا برابر با ضریب شکل پذیری کلی از پیش تعیین شده (هدف یا QUOTEμi) وقتی که سیستم در معرض همان زلزله قرار گیرد، می باشد. به طور کلی، در سازه هایی که در هنگام وقوع زلزله رفتار غیر ارتجاعی دارند، تغییر شکلهای غیر ارتجاعی با کاهش مقاومت جانبی تسلیم سازه (یا با افزایش ضریب )، افزایش مییابند.
برای یک زلزله مشخص و یک ضریب معین، مشکل اساسی محاسبه حداقل ظرفیت مقاومت جانبی است که باید در سازه به منظور جلوگیری از به وجود آمدن نیازهای شکل پذیری بزرگتر از QUOTEμi، تأمین گردد. در نتیجه محاسبه برای هر زمان تناوب و هر شکل پذیری هدف، شامل عملیاتی تکراری است. بدین صورت که، مقاومت جانبی تسلیم () برای سیستم در نظرگرفته و سیستم تحلیل می‎شود، این ‎کار، تا زمانی ادامه می یابد که ضریب شکل پذیری کلی محاسبه شده ()با یک تولرانس مشخص، برابر ضریب شکل پذیری کلی هدف گردد و آنگاه مقاومت جانبی متناظر با این ضریب شکل پذیری، QUOTE μ=μiنامیده می‎شود.
برای تعیین ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری، روش کار بدین صورت است که مقاومت جانبی ارتجاعی QUOTE μ=μi و غیر ارتجاعی QUOTEμ=که برای یک سیستم با زمان تناوب مشخص به دست آمده، این مقادیر به وزن سیستم، نرمال می‎شوند. این نیرو ها برای زمانهای تناوب مختلف سازه به دست می آید و با توجه به آن، طیف خطی و طیف غیر خطی با ضریب شکل پذیری محاسبه می‎شود. از از تقسیم طیف خطی به طیف غیر خطی، مقدار ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری برای آن زلزله بخصوص و ضریب شکل پذیری هدف، به دست می آید (شکل 2-3 )

شکل (2-3): طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت
یافتن رابطه بین وQUOTERμو μs برای سیستم های یک درجه آزادی موضوع پژوهشهای فراوانی در سالهای اخیر بوده است. از جمله کسانی که در این مورد تحقیق کرده اند، عبارتند از: کراوینکلرو نصر، میراندو و برترو، نیومارک و هال، لای و بیگز، ریدل و نیومارک، القادمسی و محرز، ریدل، هیدالگو و کروز، آریاس و هیدالگو، تسو و نائوموسکی، ویدیک، فایفر و فیشینگر، فیشینگر و فایفر، تسنیمی و محمودی، لی، هان و اوه، ال سلیمانی و روست، پنگ و همکاران و نهایتاً تاکدا و همکاران.
2-4-2- مقاومت افزون
هنگامی که یکی از اعضای سازه به حد تسلیم رسیده و اصطلاحاً در آن لولای خمیری تشکیل شود، مقاومت سازه از دیدگاه طراحی در حالت بهره برداری به پایان می رسد، ولی در حالت طراحی انهدام، پدیده فوق به عنوان پایان مقاومت سازه به حساب نمی آید، زیرا عضو مورد نظر همچنان می تواند با تغییر شکل غیر ارتجاعی، انرژی ورودی را جذب کند تا به مرحله گسیختگی و انهدام برسد. با تشکیل لولاهای خمیری، به تدریج سختی سازه با کاهش درجه نامعینی استاتیکی کاهش می یابد، و لی سازه همچنان پایدار است و قادر خواهد بود در مقابل نیروهای خارجی از خود مقاومت نشان دهد. وقتی که نیروی خارجی باز هم افزایش یابد، روند تشکیل لولاهای خمیری نیز ادامه یافته و لولاهای بیشتری در سازه پدید می آید تا جایی که سازه از نظر استاتیکی ناپایدار شده و دیگر توان تحمل بار جانبی اضافی را نداشته باشد.
مقاومتی که سازه بعد از تشکیل اولین لولای خمیری تا مرحله مکانیزم (ناپایداری) از خود بروز می دهد، مقاوت افزون نامیده می شود، در طراحی لرزه ای سازه ها مقاومت ارتجاعی مورد نیاز سازه را متناسب با مقاومت افزون آنها کاهش می دهند. برای این منظور، مقدار ضریب رفتار سازه ها متناسب با مقاومت افزون افزایش داده می شود تا مقاومت مورد نیاز کاهش یافته، محاسبه گردد.
سالهاست که پژوهشگران اهمیت مقاومت افزون را در جلوگیری از خراب شدن برخی سازه ها به هنگام رخداد زلزله های شدید شناخته اند. برای مثال، در زلزله سال 1985 مکزیک، وجود مقاومت افزون عامل بسیار مؤثری در جلوگیری از خرابی برخی ساختمانها بوده است. همچنین زلزله سال 1369 (ه.ش) رودبار و منجیل بسیاری از ساختمانهای 7-8 طبقه در شهر رشت که دارای اتصالات خُرجینی و شکل پذیری ناچیز بودند، بر اثر وجود مقاومت افزون (که عمدتاً به دلیل وجود عناصر غیر سازه ای، پارتیشن ها و نما ایجاد شده بود) از فرو ریختن کامل جان سالم به در بردند.
در مطالعات انجام شده بر روی میز لرزان برای ساختمانهای چند طبقه بتن مسلح و فولادی به وسیله پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در برکلی در سالهای 1984 تا 1989 نیز بر اهمیت ضریب مقاومت افزون تأکید شده است.
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون
مقاومت افزون یک سازه در واقع مقدار مقاومتی است که بر اثر عوامل مختلف در سازه ذخیره شده و انهدام سازه را به تأخیر می اندازد. ذیلاً به پاره ای از عوامل مؤثر در مقاومت افزون اشاره می شود.
1- بیشتر بودن مقاومت واقعی مصالح از مقاومت اسمی آنها
2- بزرگتر بودن ابعاد اعضا و مقادیر میلگرد از مقادیر مورد نیاز در طراحی
3- استفاده از مدلهای ریاضی ساده شده و محافظه کارانه در تحلیل ها
4- ترکیب های مختلف بار
5- مقاومت اعضای غیر سازه ای(نظیر دیوارهای میانقاب) و اعضای سازه ای (نظیر دالها) که در برآورده ظرفیت مقاومت جانبی به حساب نمی آیند.
6- افزایش مقاومت ناشی از محصور شدگی بتن
7- رعایت حداقل الزامات آیین نامه های طراحی در مورد محدود کردن تغییر مکانهای جانبی، تغییر شکلهای اعضاء، ابعاد مقاطع، عناصر تسلیح و فاصله خاموتها
8- استفاده از روش معادل استاتیکی در تحلیل لرزه ای سازه ها
9- باز توزیع نیروهای داخلی در محدوده غیر ارتجاعی بر اثر نامعینی سازه
10- صرف نظر از اثر بعد سوم در تحلیل های دو بعدی
11- افزایش مقاومت اعضای بتنی بر اثر سرعت بارگذاری (اثر نرخ کرنش)
12- نوع سیستم سازه ای
13- هندسه سازه و آرایش پلان
14- ارتفاع سازه (زمان تناوب ارتعاش)
15- آیین نامه طراحی
16- لرزه خیزی منطقه (نسبت بارهای جانبی به بارهای قائم)
17- ملاحظات معماری
18- سطح فرهنگ و تکنولوژی ساخت
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون
به دست آوردن مقادیر مقاومت افزون با در نظر گرفتن سهم تمام عوامل یاد شده، بسیار پیچیده بوده و نمی تواند در طراحی سازه ای، قابل اعتماد باشد. از این رو لازم است پاره ای از عوامل کیفی ثابت در نظر گرفته شود و عوامل کمی نیز دسته بندی شده و به عوامل مهم تر توجه گردد، سهم سایر عوامل نیز در ظرفیت سازه لحاظ شود.
برای تعیین مقدار ضریب مقاومت افزون می توان علاوه بر روشهای آزمایشگاهی، از روشهای تحلیلی نیز استفاده نمود. بدین منظور می توان از روشهای تحلیل استاتیکی غیر خطی(مانند روش تحلیل پوش آور، یا روش طیف ظرفیت)، استفاده کرد.
برای تعیین مقاومت افزون یک سازه، به این صورت عمل می شود که نیروهای ثقلی بر سازه اعمال شده و مقدار نیروی جانبی سازه با یک الگوی خاص (مثلاً الگوی مثلثی آیین نامه) به طور یکنواخت افزایش داده می شود و مقادیر برش پایه و تغییر مکان بام به طور مداوم ثبت می گردد. این عمل تا آنجا که اولین عضو سازه، جاری شده و در آن لولای خمیری به وجود آید، ادامه می یابد. افزایش نیرو بعد از این مرحله باعث باز توزیع نیروها در بقیه اعضا شده و سازه قادر به تحمل نیروی جانبی بیشتر می شود. نیروی جانبی مجدداً افزایش داده می شود تا در بقیه اعضا نیز لولای خمیری تشکیل شود و در صورتی تحلیل متوقف می گردد که سازه ناپایدار (مکانیزم) شود یا شکل پذیری محلی یکی از اعضا از حد مجاز تجاوز نماید(عضو گسیخته شود)، یا معیارهای تعریف شده دیگری حاکم گردد. در این حالت، از تقسیم حداکثر نیروی جانبی تحمل شده توسط سازه به نیروی حد جاری شدن اولین عضو در سازه (تشکیل اولین لولای خمیری)، ضریب مقاومت افزون به دست می آید (شکل 2-1 ).
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها
مقررات NEHRP مربوط به سالهای 1997 و 2000، در یکی از ترکیبهای بار ویژه خود از ضریب مقاومت افزون استفاده میکند. در این مورد قید شده است که هرگاه در این مقررات تصریح شود که نیروهای طراحی لرزهای در اجزای سازه به آثار مقاومت افزون سازه حساس هستند، باید ترکیب بار به شرح رابطه های (2-18) و (2-19) به ترتیب برای حالتهایی که این آثار افزاینده یا کاهنده آثار، مورد استفاده قرار گیرد.
(2-18)
(2-19)
در رابطه های (2-18) و (2-19):
: اثر نیروهای افقی و قائم زلزله،: شتاب طیفی طراحی در زمانهای تناوب کوتاه که از مقررات NEHRP محاسبه میشود،: اثر بارهای مرده،: اثر نیروهای افقی زلزله و: ضریب مقاومت افزون سیستم است. همچنین جمله در رابطههای فوق، لازم نیست که از حداکثر نیروی به وجود آمده در عضو تحت تحلیل خمیری یا پاسخ غیر خطی، بیشتر باشد. ضمناً استفاده از این ترکیبات بار ویژه برای طراحی اجزای سازهای در گروه لرزهای A، لازم نمیباشد.
آیین نامه UBC-1997، در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را وارد کرده است. این ترکیب بار که در هر یک از جهت های افقی بارگذاری لرزهای باید اعمال شود، بصورت رابطه (2-20) است :
(2-20)
در رابطه (2-32): برابر حداکثر نیروی زلزله برآورد شده که در سازه به وجود خواهد آمد، ضریب افزایش نیروی زلزله ناشی از اثر مقاومت افزون و بار زلزله به واسطه برش پایه V است.
پآیین نامه IBC-2000 نیز در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را به صورت رابطه (2-33) وارد کرده است:
(2-33)
در رابطه فوق تعریف و مانند تعریف فوق برای آیین نامه UBC بوده، : اثر نیروهای افقی زلزله، : شتاب طیفی طراحی و: اثر بارهای مرده است.
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون
فریمن،ضرایب تقریبی مقاومت افزون را برای قابهای خمشی بتن مسلح چهار و هفت طبقه به ترتیب برابر با 8/2 و 8/4 برآورد کرده بودند.
یوانگ و معروف در سال 1993، دو ساختمانی را که زلزله سال 1989 لوما پریتا تجربه کرده بودند، مورد تحلیل قرار دادند: یک ساختمان 13 طبقه با قاب فولادی و یک ساختمان 6 طبقه بتن مسلح با قابهای خمشی پیرامونی. ضرایب مقاومت افزون برای این دو ساختمان پس از اعمال اصلاحات به منظور منعکس کردن اثر طراحی بر اساس مقاومت، به ترتیب 4 و 9/1 گزارش شد.
هوانگ و شینوزوکا در سال 1994، یک ساختمان بتن مسلح چهار طبقه با قاب خمشی میانی را که در ناحیه لرزه خیزی 2 آیین نامه UBC قرار داشت، مورد مطالعه قرار دادند. برش پایه طراحی برای این ساختمان W0.09 بود. حداکثر مقاومت جانبی ساختمان W0.62 محاسبه شد که در صورت عدم محدودیت برای آسیب سیستم، ضریب مقاومت افزون 2/2 به دست آمده بود. (اگر سطح عملکرد در طراحی «بدون آسیب» انتخاب شده بود، ضریب مقاومت افزون تقریباً 6/1 می شد).
برترو و تیلمو در سال 1999 اثر نامعینی و باز توزیع نیرو های داخلی را در طراحی مقاوم لرزه ای مورد مطالعه قرار دادند، نتیجه این مطالعات آن شد که باز توزیع نیرو های داخلی می تواند اثرات مفیدی بر پاسخ سازه در هنگام وقوع زلزه داشته باشد و مسئله مقاومت افزون کاملا وابسته به شکل پذیری می باشد.
با مقایسه مقادیر به دست آمده توسط پژوهشگران مختلف برای سازه های متفاوت چنین به نظر می رسد که پراکندگی در مقادیر گزارش شده برای ضریب مقاومت افزون قابل توجه و برای استفاده در طراحی حرفه ای زیاد است. بدیهی است که برای توسعه ضرایب مقاومت افزون با قابلیت اعتماد کافی که بتواند در آیین نامه های طراحی لرزه ای به کار رود، به مطالعات ویژه در مورد هر یک از سیستم های سازه ای با شرایط مختلف، نیاز است.
2-4-3- درجه نامعینی
نامعینی سیستم های سازه ای مفهوم مهمی است که از دیرباز مورد توجه مهندسان بوده است. پس از مشاهده تخریب تعداد زیادی از سیستم های سازه ای با درجات نامعینی کم، در زلزله های 1994 نورتریج و 1995 کوبه، موضوع نامعینی سازه ای، به شکل جدی تری مطرح شد. تاکنون تعریفها و تفسیرهای متفاوتی از نامعینی سازه ای، که وابسته به عدم قطعیت نیز و ظرفیت سازه هاست، ارائه شده است. از این رو، استفاده از مفاهیم عدم قطعیت، مبنای یکی از روشهای مطالعه نا معینی سیستم های سازه ای تحت بارهای لرزه ای است.
در سال 1978، کرنل برای در نظرگرفتن عدم قطعیت در سیستم های سازه ای، ضریبی بنام ضریب نامعینی پیشنهاد کرد. این ضریب به عنوان احتمال شرطی گسیختگی سیستم معرفی و اولین گسیختگی را که ممکن بود در هر یک از اعضای سازه های سکوی دریایی رخ دهد، مشخص می‎کرد.
هنداوی و فرانگوپل در سال 1994، یک ضریب نامعینی احتمالاتی را پیشنهاد کردند. ضریب پیشنهادی این پژوهشگران به صورت نسبت احتمال تسلیم اولین عضو منهای احتمال انهدام، به احتمال انهدام سیستم تعریف می‎شد.
برترو پدر و پسر در سال 1999 برای اندازه اندگیزی نامعینی سازه‎های قابی تحت اثر حرکتهای زمین ناشی از زلزله، از مهفوم «درجه نامعینی» استفاده کردند. درجه نامعینی که این پژوهشگران مورد استفاده قرار دادند به عنوان تعداد نواحی بحرانی یا لولاهای خمیری در سیستم سازه‎ای تعریف می ‎شود که مقدار قابل توجهی از انرژی هیسترتیک خمیری را قبل از انهدام سازه مستهلک می‎نمایند. در پژوهش های شده، اثرهای مقاومت افزون، ضرائب تغییرات نیاز و ظرفیت و دیگر عوامل، بررسی شده و چنین نتیجه گیری شده است، که جدا کردن نامعینی از عوامل دیگر دشوار است.
در ATC-19 و ATC-34 به منظورکمّی کردن قابلیت اعتماد سیستم های قاب لرزه ای، ضرایبی به عنوان ضرایب نامعینی پیشنهاد شده است.
آیین نامه ساختمانی متحدالشکل (UBC)و مقررات NEHRP، از سال 1997 یک ضریب QUOTEρ با عنوان ضریب قابلیت اعتماد / نامعینی معرفی کرده اند که در نیروی جانبی زلزله برای طراحی ضرب می شود. در آیین نامه ساختمانی بین المللی (IBC) سال 2000 نیز چنین ضریبی آورده شده است. در پی این بررسی ها گفته شده است که برای رسیدن به ضریب نامعینی کمی و قابل قبول که بتواند در ارزیابی سازه ها و نیز طراحی مورد استفاده قرار گیرد، به تحقیقات و تجربیات گسترده ای نیاز است.
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای
نتایج نخستین پژوهشی که در رابطه با استفاده از مفهوم قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای و ارتباط آن با درجه نا معینی این سیستم ها انجام شد، طی پروژه - ریسرچای در سال 1974، توسط موسز(موسی) منتشر گردید. گر چه مبنای این تحقیقات و یافته های آن بر اساس بارگذاری لرزه ای بررسی کرده اند از نتایج کارهای موسز استفاده شده و دستاوردهای این محقق برای بارگذاری لرزه ای نیز تعمیم یافته است.
برای یک طراحی ایمن، موضوع قابلیت اعتماد، غالباً متوجه عضوهایی نظیر تیرها و ستونها می باشد.ضرایب اطمینان طراحی که به این ترتیب به دست می آیند، این تضمین را می دهند که احتمال خرابی عضو در برش، خمش، و نیروی محوری کوچک باشد. این در حالی است که این اجزا عموماً بخشی از یک سیستم سازه ای را تشکیل می دهند و اندر کنش بین عضو و سیستم سازه ای از قابلیت اغتماد یک عضو سازه ای بیشتر است یا کمتر؟ پاسخ به این سؤال به عواملی مانند، درجات نامعینی استاتیکی، شکل پذیری، خصوصیات مودهای خرابی و پیکربندی سیستم سازه ای وابسته است.
تا کنون از دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای، که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی سازه ای می توانند مفید باشند، استفاده شده است. در ادامه دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی مفید باشند، مطرح خواهد شد. یک سیستم سازه ای ممکن است دارای اعضای موازی، سِری یا ترکیبی از این دو باشد. در سیستم های سری با خرابی هر عضو،کل سیستم دچار خرابی می گردد و بدین لحاظ به آن، سیستم ضعیف ترین اتصال گفته می شود. سازه های معین استاتیکی مثالهایی از این نوع سیستم ها هستند.
در سیستمهای موازی پس از خرابی عضوی خاص، توزیع مجدد نیرو در اعضای انجام می پذیرد و این عمل آنقدر ادامه می یابد تا سیستم دچار انهدام شود. بدین لحاظ به سیستم موازی، سیستم ایمن- زوال نیز گفته می شود. این سیستم در تحلیل انهدام سازه های نامعین استاتیکی که خرابی در آنها هنگامی رخ می دهدکه چندین عضو به ظرفیت مقاومت خود برسند، مورد استفاده قرار می گیرد.
اینکه چندین عضو به ظرفیت مقاومتی خود برسند، حاکی از آن است که سیستم به نوعی دارای مقاومت همبسته است، این موضوع را نشان می دهند که متغیرهای تصادفی مقاومت، به گونه ای به یکدیگر مرتبط اند که اگر مقاومت یک عضو، مثلاً بیشتر از مقدار میانگین خود، بیشتر باشند. این همبستگی ممکن است بر اثر وجود منابع مشترک مصالح، تشابه روش ساخت، روشهای کنترل و بازرسی، و شاید تعبیر یکنواختی مقاومتها توسط طراح پدید آید. فرض استقلال مقاومتها به مفهوم عدم همبستگی بین آنهاست.
در سیستم های موازی، استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه کاهش عدم قطعیت مقاومت کلی افزایش می‎دهد. خلاف این موضوع برای سیستم های سری صادق است. در سیستم های سرس استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه افزایش احتمال آنکه با خرابی یک عضو خاص، کل سیستم خراب شود، کاهش می دهد.
مدلهای موازی و سری، تنها الگوهای ایده آل هستند و اکثر سازه ها ترکیبی از این مدلها می باشند. برای مثال، در یک ساختمان چند طبقه، هرستون واقع در یک طبقه ساختمان چند طبقه، هر ستون واقع در یک طبقه در برابر بار جانبی، مانند قسمتی از یک سیستم موازی عمل می‎کند، در حالی که هر طبقه ساختمان قسمتی از یک سیستم سری را تشکیل می‎دهد.
هنگامی که عدم قطعیت در بارگذاری مطرح باشد، مقایسه مدلها تا حدی مخدوش می شود. یعنی چنانچه عدم قطعیت در بار خارجی (مثلاً بیان شده بر حسب ضریب تغیرات بار، VR خیلی بیشتر از عدم قطعیت در مقاومت (VR) باشد)، احتمال خرابی توسط VL کنترل می‎شود و رفتار سیستم خواه سری باشد یا موازی و خواه همبسته باشد یا مستقل، تأثیر کمی بر روی احتمال خرابی خواهد داشت. به عنوان مثال، اگر گرد بادی که احتمال وقوع آن خیلی کم است بر ساختمانی که برای بارهای معمولی باد طرح شده است اثر کند، سازه صرف نظر از نوع پیکر بندیش خراب خواهد شد. در حالت متداول تر بارگذاری که در آن، طراح به طور ویژه استراتژی حفاظتی در برابر بارهای نهایی از قبیل طوفان یا زلزله را مد نظر قرار داده باشد، پیکر بندی سازه و نوع سیستم در ارزیابی قابلیت اعتماد مؤثر خواهد بود. از دیگر نکاتی که روی اندر کنش عضو و سیستم سازه اثر می‎گذارد، رفتار عضو پس از رسیدن به ظرفیت اسمی اوست. یک عضو شکل پذیر، تراز نیروی خود را در صورت ادامه تغیر مکان، کاهش می‎یابد. از این رو، در اکثر سازه هایی که اعضای ترد دارند، رفتار سازه صرف نظر از هندسه پیکربندی، همانند سیستم های سری می‎باشد. به عبارت دیگر، خرابی هر عضو باعث خرابی سیستم خواهد شد. تنها سازه های با درجه نامعینی استاتیکی بالا که دارای ضریب اطمینان اسمی بزرگی نیز باشند، به اندازه کافی طرفیت مقاومتی ذخیره خواهند داشت تا پس از خرابی عضوی ترد بتوانند توزیع مجدد نیرو کرده و به انتقال بار ادامه دهند.
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف
همانگونه که در جدول (2-2) اشاره شد، موسز ضریب کاهش مقاومت میانگین را متناسب با عکس جذر تعداد شرطهای مقاومتی مستقل (لوله های خمیری در یک سیستم با امکان حرکت جانبی) برای قابهای نامعین مقاوم، پیشنهاد کرده بود. در 19-ATC، فرض شده است که برای تأمین نامعینی کافی در هر یک از جهت های اصلی سازه یک ساختمان، حداقل چهار ردیف قابهای لرزه ای قائم که از نظر مقاومت و تغییر شکل سازگار باشند، لازم است. از این رو، با در نظر گرفتن هر یک از ردیفهای قاب لرزه ای قائم به عنوان یک شرط مقاومتی در حرکت جانبی، مقادیر جدول(2-2) به دست خواهد آمد. این آیین نامه، ضریب نامعینی را به عنوان بخشی از فرمولاسیون ضریب رفتار پیشنهادی خود قلمداد کرده و آن را در ردیف ضریب کاهش ناشی از شکل پذیری و ضریب مقاومت افزوم قرار داده است.
جدول (2-1): مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسزتعداد ردیفهای قاب لرزه بر ضریب نامعینی ATC-19 ضریب محاسباتی از پیشنهاد موسز
2 71/0 707/0
3 86/0 866/0
4 00/1 00/1
در مورد نامعینی سازه ها ذکر این نکته ضروری است که اگر طراحی سازه ای برای نیروهای وارد بر آن به صورت کاملاً بهینه صورت گرفته باشد، ممکن است لولاهای خمیری به صورت متوالی تشکیل نشده و تعداد زیادی از لولاها همزمان تشکیل گردند، در چنین حالتی درجات نامعینی شازه به یکباره کاهش قابل ملاحظه ای یافته و از اعتماد به پایداری آن کاسته می‎شود. در تفسیر مقرراتNEHRP سال 2000 نیز قید شده است که عدم تشکیل لولاهای خمیری به صورت متوالی و مناسب در سازه هایی که بهینه سازی می‎شوند، موجب می‎گردد که مقادیر، پارامترهای طراحی برای تأمین عملکرد مناسب در این سازه ها کافی نباشد. گرچه روشهای برخورد با نامعینی سازه ها متفاوت است، ولی نکته قابل توجه درتمام روشها گستردگی دامنه تغییرات ضریب درجه نامعینی سازه ها است. بدین معنی که، در یک نوع سیستم سازه ای بدون تغییر در مصالح و اجرای آن، تنها عامل نامعینی می تواند اعتماد به پایداری سازه در برابر بارهای جانبی ناشی از زلزله، و به تبع آن ضریب رفتار سازه را به شدت تحت تأثیر قرار دهد.
این مسئله هشداری است برای سازه هایی که با وجود نامعینی کم، با استفاده ا زضرایب رفتار توصیه شده در آیین نامه، طراحی و اجرا می‎شوند.
در سه آیین نامه NEHRP، UBC،IBC، اثر نامعینی به طور غیر مستقیم وارد شده است، زیرا در صورتی که تعداد اعضای مقاوم در برابر زلزله(اعضایی که برش طبقه بین آنها توزیع می‎شود) زیاد بوده و اختلاف ظرفیت باربری آنها کم باشد، ضمن اینکه برش طبقه بین تعداد بیشتری از اعضا تقسیم می‎شود، نسبت برش عضو به طبقه نیز کاهش می‎یابد. در این صورت، مقدار ضریب قابلیت اعتماد/ نامعینی کاهش خواهد یافت، در حالی که اگر تعداد اعضای مقاوم در برابر زلزله، کم بوده یا ظرفیت باربری آنها اختلاف زیادی با هم داشته باشد، سهم تعدادی از اعضا(که مقاومت بیشتری دارند) از برش طبقه زیاد شده و متناسب با آن مقدار ضریب قابلیت اعتماد یا نامعینی افزایش خواهد یافت. از این رو، طرح به گونه ای غیر مستقیم وادار می‎شود تا از تعداد اعضای مقاوم بیشتر و یکنواخت تری در سازه و بویژه در دو سوم پایانی ارتفاع سازه استفاده کند. در آیین نامه ها، ضریب نامعینی، در ترکیبات بارگذاری لرزه ای دخالت داده شده است. مبنای این ضریب، تقسیم برش طبقه به صورت نسبتاً یکنواخت بین تعداد زیادی از اعضای بابر است. این تعداد به مساحت طبقه بستگی دارد و با افزایش مساحت، طراح ملزم می‎شود از اعضای باربر بیشتری برای مقابله با بارهای جانبی زلزله استفاده کند، یا درغیر این صورت، جریمه آن را که تحمل ضرایب بزرگتری در ترکیبات بار است، بپذیرد. در روش موسز، تنها یک ضریب برای کاهش مقاومت متناسب با جذر تعداد شرطهای مقاومتی یا لولاهای خمیری دریک سیستم نامعین پیشنهاد شده است.
2-4-3-3- آثار درجه نامعینی بر پاسخ لرزه ای سازه ها
مطابق مطالعات برترو، در نظر گرفتن نامعینی آثار سودمندی در پاسخ سازه ها به حرکتهای زلزله دارد. به هر حال، هر یک از اثرها می تواند و باید در جای مناسب خود در فرآیند طراحی لحاظ شود و نبایستی با ضریب کاهنده Rs ناشی از مقاومت افزون یا اثر احتمالاتی نامعینی بر قابیت اعتماد سیستم، غلط شود. برخی از اثرهای نامعینی بر پاسخ لرزه ای به صورت زیر است.
الف- کاهش تأثیر اندازه در اجزای سازه ای این بدان معنی است که استفاده از تعداد عناصر کمتر برای مقاومت در برابر بارهای جانبی، به استفاده از اعضا، گره ها و اتصالات با ابعاد بزرگتر منجر می‎شود و این امر به کاهش دوران خمیری و ظرفیت اتلاف انرژی می‎انجامد.
ب- کاهش نیاز شکل پذیری و تغییر مکان ناشی از پیچش غیر ارتجاعی.
ج- گسترش اتلاف انرژی بین عناصر متعدد و اجتناب از تمرکز آسیب.
برای بهره گیری از سودمندیهای نامعینی در سازه، لازم است به موارد زیر توجه شود:
الف- ضرایب تغییرات نیازهای سازه های نسبت به ضرایب تغییرات ظرفیتها کاهش یابد.
ب- مقاومت افزون افزایش یابد.

—149

1-2-2 اهدافهدف اصلی این پژوهش، بررسی عوامل اثر گذاری مانند نوع گره، جنس نخ تار مصرفی و تعداد لای نخ پرز مصرفی در خواص عملکردی فرش دستباف در برابر عوامل محیطی( رطوبت ) و اعمال نیرو( فشاری و کششی )میباشد.حفظ ساختار فرش و رسیدن به حد مطلوبی از دوام از عوامل مهمی است که به ارتقای کیفیت فرش میانجامد. جهت تأمین حالت مطلوب عملکرد فرش و ارائه استاندارد در این زمینه، تعیین کردن شاخص هایی کیفی برای مواد اولیه و تکنیک بافت مناسب در فرایند تولید فرش از اهمیت بالایی برخوردار است که کیفیت نهایی و رضایت مندی مصرف کنندگان این محصول را فراهم خواهد نمود.
1-3 ضرورت انجام تحقیقفرش دستباف به عنوان هنری اصیل در ایران دارای پیشینه ای طولانی در بین هنرهای ایرانی میباشد و در بین جهانیان بیانگر فرهنگ و اصالت مردم هنردوست ایرانی میباشد. برخورداری از کیفیتی مطلوب در این محصول علاوه بر تأثیر گذاری در پیشرفت بازار فروش آن، میتواند امری مهم در ایجاد اعتماد و اطمینان در مصرف کنندگان باشد. بنابراین در راستای استاندارد سازی فرش دستباف، تعیین کردن شاخص هایی برای کیفیت مواد اولیه آن ضروری میباشد. نخ پرز به عنوان یکی از مهمترین مواد اولیه در فرش دستباف دارای مشخصاتی چون جنس الیاف، نمره نخ تک لا و چند لا، تاب نخ و غیره میباشد که در خواص نهایی فرش تأثیر گذار میباشد. میدانیم که در رجشمارهای گوناگون نخ های پرز با نمره وتعداد لاهای متفاوت به کار میرود که ممکن است تفاوت در تعداد لا یا نمره نخ بر عکس العمل مکانیکی لایه پرزها در مقابل نیروهای فشاری اثر بگذارد، لذا تعیین نمره و تعداد لای مناسب برای نخ پرز مورد استفاده برای هر رجشمار میتواند در بهبود مقاومت پرزها در مقابل نیروهای فشاری کمک کند و بتواند استانداردی را در این زمینه ارایه نماید. همچنین انتخاب نوع گره به کار رفته در فرش( فارسی و ترکی) و جنس نخ تار( پشمی باشد یا پنبه ای) ممکن است بر دوام ساختاری فرش و ثبات ابعادی آن اثر بگذارد.
امید است نتایج حاصل از این پژوهش بتواند ما را در انتخاب نخ های مورد استفاده در پرز فرش با نمره و تعداد لای مناسب در یک رجشمار مشخص جنس چله مطلوب و نوع گره ای که بتواند بهترین عملکرد را در مقابل نیروهای فشاری وارده به لایه پرزها از خود نشان میدهند، یاری رساند.
1-3-1 پیشینه تحقیق1-3-2 سؤالات پژوهشیتعداد لای نخ پرز مصرفی در فرش، به چه میزان میتواند بر عکس العمل مکانیکی لایه پرزها در برابر نیروهای فشاری مؤثر باشد؟
آیا جنس نخ تار را میتوان به عنوان عاملی مهم و اثرگذار بر خواص نهایی فرش مثل ابعاد آن دانست؟
نوع گره به کار رفته در تولید فرش دستباف، چه تأثیری میتواند بر دوام و استحکام نهایی آن بگذارد؟
1-3-4 فرضیاتعواملی چون نمره نخ و تعداد لا که از مشخصه های نخ پرز استفاده شده در فرش دستباف میباشند، میتوانند در خواص فشاری لایه پرزها در مقابل اعمال نیروی فشاری تأثیر گذار باشند. همچنین عامل نوع گره و جنس نخ تار بر خواص نهایی فرش تأثیر میگذارد.
1-4 روش تحقیقاین پروژه از لحاظ جهت گیری های پژوهش از نوع کاربردی و از جهت استراتژی های پژوهش از نوع مطالعه موردی و از نظر رویکرد پژوهش استنتاجی و از لحاظ اهداف پژوهش آزمایشی است. همچنین این پروژه دو مقطعی است که از طریق آزمایش روی 12 نمونه فرش که در ابعاد 25×12 سانتی متر بدون طرح و رنگ تحت شرایط یکسان بافته شده انجام شده است. نمونه ها در دو نوع گره فارسی و ترکی با چله کشی یکسان ترکی و دو نوع نخ تار پشمی و پنبه ای در سه لای متفاوت تحت شرایط یکسان بافته شد. بر روی نمونه فرش های بافته شده، 3 آزمایش بارگذاری استاتیکی، سنجش استحکام گره و ثبات ابعادی صورت گرفت. برای بیان کمی خواص عملکردی فرش، 4 شاخص درصد فشردگی، درصد افت ضخامت، درصد جمع شدگی و نیروی بیرون کشیدن پرز از فرش تعریف و محاسبه گردید.
1-5 شرح خلاصهای از پایاننامهمطالب این پژوهش بر پایهی پنج فصل تدوین گردید:
در فصل اول این پژوهش به طرح مسئله و همینطور بیان ضرورت مسئله پرداخته شدهاست، در فصل دوم ادبیات تحقیق ، مختصری از انواع الیاف در صنعت نساجی، مواد اولیه مصرفی در تولید فرش دستباف، اجزای تشکیل دهنده فرش دستباف، رجشمار یا تراکم طولی و عرضی، مشخصات و خواص نخ های مصرفی در تولید فرش دستباف، انواع گره در بافت فرش، خواص کیفیتی فرش، انواع روش های بارگذاری فشاری، و پیشینه ی این تحقیق عنوان شده است. فصل سوم شیوهی انجام پژوهش، تهیه مواد اولیه، بافت نمونه فرش ها، انواع آزمایش های انجام شده و دستگاه های مورد استفاده در انجام آزمایش ها میباشد. فصل چهارم تجزبه تحلیل دادهها بر اساس نمودار و نتایج آزمون ANOVA و ازمونtuky مربوطه در نرم افزار16 Minitab درج گردیده است و فصل پنجم نتیجهگیری و جمعآوری مطالب و پیشنهادات جهت پیشرفت کار میباشد.
2540635876998500فصل دوم ادبیات تحقیق
1-2 مقدمهقالیبافی دارای پیشینه ای بس طولانی در بین اقوام بشری است. بشر اولیه در طی قرن ها به روش در هم تنیدن الیاف گیاهی و پوست حیوانات با صنایع نظیر سبدبافی آشنا شده بود. زیراندازهای اولیه متشکل از پوست نرم حیوانات و الیاف نرم گیاهی و بوریا بود، لیکن به لحاظ گسترش جوامع اجتماعی و نبود شکار، نیاز به تولید بیشتر زیراندازهای دست باف روز به روز محسوس تر شد و بافت این گونه زیراندازها تکامل یافت "اشنبرنر، 1374، ص1". صنعت بافندگی در میان اقوام و تمدن های کهن پیشرفت قابل توجهی کرده و مراحل تولید منسوجات به ویژه فرش از ریسیدن نخ تا رنگرزی و بافت تغییر بسیاری کرده است.
2-2 طبقه بندی الیاف در صنعت نساجیبه طور کلی الیاف به دو دسته الیاف طبیعی و الیاف بشر ساخت تقسیم میشوند.
2-2-1 الیاف طبیعیالیاف طبیعی به سه گروه گیاهی، حیوانی و معدنی تقسیم میشوند:
الیاف گیاهی: انواع الیاف گیاهی عبارتند از :
الف) الیاف گیاهی دانه ای مانند پنبه.
ب) الیاف گیاهی ساقه ای مانند کتان، کنف و مانیلا
ج) الیاف گیاهی برگی مانند سیسال
د) الیاف گیاهی میوه ای مانند نارگیل.
الیاف حیوانی: مانند پشم و ابریشم، انواع کرک ها و الیاف مویی.
الیاف معدنی: مانند آسبست( پنبه کوهی) و الیاف فلزی "امیری، 1385، ص10".
2-2-2الیاف بشر ساختواژه ای مصطلح برای الیاف شیمیایی یا الیافی که انسان آن را تولید کرده است "موسوی شوشتری و توانایی، 1384، ص111".
الیاف بشر ساخت به دو گروه تقسیم می شوند:
الف) الیاف بازیافت شده
الیاف بازیافتی به الیافی اطلاق میشود که از پلیمرهای طبیعی ساخته شده اند، به این صورت که از طریق دوباره شکل دادن مواد اولیه و اصلاح آن ها تولید میگردند.
در ابتدا این نوع الیاف را از مواد پروتئینی مثل شیر، بادام زمینی و سویا به دست میآوردند، اما امروزه پایه تولید این نوع الیاف سلولز است "میر جلیلی، 1384، ص1".
ب) الیاف مصنوعی
این نوع الیاف از سنتز شیمیایی پلیمرها به دست میآیند. مواد خام مورد استفاده در ساخت این الیاف مشتقات نفتی بوده و طیف گسترده ای از این نوع الیاف موجود میباشد. نایلون ها، پلی استرها، اکریلیک ها، الیاف محتوی کلر، پلی اولفین ها و پلی آمیدهای آروماتیک نمونه هایی از الیاف مصنوعی هستند.
2-3 مواد اولیه مصرفی در تولید فرش دستبافالیاف طبیعی و حیوانی به دلیل سازگاری با محیط زیست و بدن انسان و ویژگی هایی همچون عایق پذیری و نرمی برای تولید فرش دستباف بسیار مناسبند. در میان الیاف طبیعی سه لیف پشم، پنبه و ابریشم مرسوم ترین الیاف مورد استفاده در فرش میباشند.
2-3-1 پنبهپنبه یکی از مهمترین الیاف سلولزی است که کشت آن از زمان های قدیم رایج بوده است. در حفاری هایی که در هند صورت گرفته است، انواع پارچه ها و ریسمان های پنبه ای مربوط به سه هزار سال قبل از میلاد کشف شده است. الیاف پنبه در رنگ های سفید، قهوه ای و خاکستری وجود دارد و اندازه ی طول و قطر آن ها متغیر است "امیری، 1385، ص 65".
پنبه به گیاهی اطلاق میشود که دارای ساقهی سبک و کوتاه و شاخه های نازک، برگ های درشت با گل های زرد یا سرخ رنگ میباشد. به میوه ی آن غوزه میگویند که 3 تا 5 ترک دارد. غوزه پس از رسیدن شکافته شده و از میان آن دانه هایی به همراه رشته ها یا تارهای سفید رنگی نمایان میگردد. تارهای پنبه همگی یک اندازه نبوده بلکه در هر غوزه طول تارها متفاوت میباشد. پنبه را با دست یا دستگاه از دانه جدا میکنند و در نخ ریسی و پارچه بافی به کار میبرند "ژوله، 1381، ص 53".پنبه در مراحل اولیه رشد خود به رطوبت و آبیاری نیاز دارد، ولی رطوبت و آبیاری زیاد و همچنین بارندگی در مراحل آخر رشد گیاه پنبه، باعث آسیب رسیدن به محصول میشود. پنبه در مناطقی که اختلاف درجه ی حرارت روز و شب آن کم باشد، بهتر عمل میآید "امیری، 1385، ص.67".
2-3-1-1 طبقه بندی پنبه از لحاظ کیفیتاز نظر کیفیت می توان پنبه را به سه گروه زیر تقسیم بندی نمود:
پنبه سی آیلند، مصری و آمریکایی-مصری: این نوع پنبه طویل تر از انواع دیگر بوده و دارای قطر کم و ظاهر درخشانی میباشد.
پنبه آمریکایی آپلند: این نوع پنبه کوتاه تر و ضخیم تر از پنبه های گروه یک است.
پنبه آسیایی: پنبه های آسیایی در مقایسه با پنبه های دیگر کوتاه تر و ضخیم تر میباشد "توانایی، 1376، ص 16".

2-3-1-2 ترکیب شیمیاییپنبه لیفی است سلولزی که از تکرار واحدهای سلوبیوز در طول زنجیره مولکولی به وجود آمده است "فورد، 1386، ص10". لیف پنبه از سه عنصر کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. علاوه بر سلولز، همیشه در انواع مختلف پنبه مواد و ترکیبات دیگری نیز وجود دارد که ناخالصی آن محسوب میشود. واکس یا موم بعد از سلولز مهم ترین ماده ای است که در یک لیف سلولزی وجود دارد.مقدار واکس در انواع مختلف پنبه در حدود 4/0-8/0 درصد است "امیری، 1385، ص 74".
2-3-1-3 ویژگی های فیزیکی پنبهدرازای الیاف پنبه در یک غوزه متفاوت است. اگر در یک پنبه بلندی و کوتاهی الیاف بین 25 تا 60 میلیمتر باشد نشانه ی خوبی آن است و هر اندازه درازای رشته های پنبه از میزانی که ذکر شد بیشتر باشد مرغوبتر محسوب میشود. به طور کلی نشانه های مرغوبیت پنبه بستگی فراوانی دارد به رنگ، ظرافت، نرمی، شفافیت، درجه خالص بودن و همچنین رطوبتی که پنبه در خود دارد. هر اندازه الیاف پنبه سفیدتر باشد به همان اندازه خالص تر است چون رنگی بودن الیاف به دلیل مواد خارجی در ترکیبات آن است "ژوله، 1381، ص 53".
2-3-1-4 جذب رطوبتمیزان رطوبت بازیافتی پنبه در رطوبت نسبی 65%، معادل 7% است و قابلیت نگهداری آب توسط این لیف 50% میباشد"فورد، 1386، ص10".
2-3-1-5 خواص حرارتیالیاف پنبه به آسانی میسوزد و خاکستر کمی هنگام سوختن باقی میگذارد. این لیف در دمای ˚c150 استحکام خود را از دست داده و سست میگردد، در نهایت در دمای ˚c200-185 سوخته و تجزیه میشود "فورد، 1386، ص10".
2-3-1-6 ساختمان داخلی لیف پنبهالیاف پنبه در زیر میکروسکوپ شکل رشته های استوانه ای را دارد که از پهنا آنرا برش داده باشند و سه بخش در آن به خوبی دیده میشود:
بخش رویی که با لایه ی شفافی پوشیده شده که به آن کوتی کول میگویند.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

دیواره ثانویه یا بیشترین بخش الیاف پنبه که سلولز نامیده میشود.
بخش میانی یا دیواره لومن. در بخش میانی رشته ها یا الیاف، مغز ویژه ای پر از مایع دیده میشود به نام پروتوپلاسم که پس از رشد کامل پنبه، مغز این الیاف خالی و پروتوپلاسم جذب پنبه دانه میشود و تمام پروتوپلاسم به سلولز خالص تبدیل میگردد "ژوله، 1381، ص 53".
2-3-1-7 موارد استفاده پنبه در تولید فرش دستبافالیاف پنبه ای استحکام زیادتری نسبت به پشم دارند و هم چنین به دلیل خاصیت کشش کمتری که در مقایسه با الیاف پشمی دارند برای تار و پود قالی مناسب تر میباشد. یکی از امتیازات رشته های پنبه ای نسبت به انواع پشمی آن این است که چون آفت بید به خوردن آن تمایل ندارد، لذا فرش هایی که تار و پود آن ها از پنبه میباشد در صورتی که در معرض بیدخوردگی قرار گیرند تنها پرز آن ها از بین می رود و سوراخ و حفره ای در آن ایجاد نمیشود و در نتیجه به آسانی میتوان طبقه جدیدی ازپرز را از طریق گره زدن بر روی شبکه تار و پود فرش که سالم باقی مانده است، به وجود آورد "نصیری، 1382، ص 16".
2-3-1-8 روش شناسایی الیاف پنبه به کمک روش سوزاندنالیاف سلولزی به سرعت میسوزند و بوی کاغذ سوخته ایجاد میکنند. خاکستر باقیمانده بسیار ناچیز و نرم بوده و برنگ خاکستری میباشد "نجفی کوتنایی، 1388، ص 7".
2-3-2 پشمپشم یکی از الیاف مهم حیوانی به شمار میرود و مصرف آن در انواع منسوجات، به دوران بسیار قدیم بر میگردد. پشم مهمترین ماده اولیه مورد لزوم در صنعت فرش بافی است و الیاف پشم در ساختار تار و پود و پرز فرش های دستباف ایران نقش عمده و اساسی دارد "دانشگر، 1376، ص 113". ماده اصلی تشکیل دهنده پشم، کراتین میباشد که همان پروتئین است و ساختمان مولکولی آن از اتم های کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد طبق فرمول شیمیایی n(C72H112N18O16S) تشکیل شده است "منصوری، 1378، ص 15".
2-3-2-1 ساختمان داخلی لیف پشمیک لیف پشم از سه لایه تشکیل شده است:
لایه بیرونی (کوتیکل): به فلس های مسطح و نایکنواختی که سطح لیف را پوشانده است گفته میشود. وجود فلس باعث میشود که هنگام ریسندگی، الیاف در هم فرو رفته و استحکام بیشتری پیدا کنند.
لایه میانی (کورتکس): قسمت اعظم تشکیل دهنده لیف است که دارای سلول های دوکی شکل است. استقامت، جعد، رنگ پذیری و سایر خواص فیزیکی مربوط به این قسمت است.
مغز (مدولا): داخلی ترین قسمت لیف است که در الیاف ظریف ممکن است مدولا وجود نداشته باشد اما در الیاف ضخیم بصورت مغزی لوله ای شکل وجود دارد "ژوله، 1381، ص 57".
2-3-2-2 ویژگی های فیزیکی پشممرغوبیت پشم چنانکه میدانیم، بسته به ظرافت الیاف، نازکی قطر آن، طول تارهای پشم، استحکام، عدم تجعد، طبیعی بودن رنگ، قابلیت رنگ پذیری و قابل کشش بودن آن است. صرف نظر از این عوامل، برگشت پذیری، شفافیت و بو نیز در ساختار پشم نقش اساسی دارد "یساولی، 1370، ص 9".
ظرافت الیاف: هر چه قطر الیاف پشم کمتر باشد، پشم نازکتر بوده و مرغوب تر است. واحد اندازه گیری ظرافت برای الیاف پشم میکرون میباشد.
جدول 2-1 . قطر الیاف پشم مصرفی برای رج شمارهای مختلف فرش "امیری، 1385، ص 32".قطر الیاف پشم رج شمار فرش
حداکثر 35 میکرون فرش های ضخیم زیر 30 رج
حداکثر 33 میکرون فرش های متوسط 30-40 رج
حداکثر31 میکرون فرش های ریز بافت 40 رج
طول الیاف: طول الیاف یکی از خواص اصلی است که در ارزشیابی پشم نقش مؤثری دارد و در مواردی از قبیل حد ریسندگی، استحکام نخ، یکنواختی نخ، زیردست نخ تولید شده، براقی و درخشندگی، مویی بودن نخ و قابلیت تولید تأثیر میگذارد "منصوری، 1378، ص 7". طول تارهای پشم هر چه بلندتر باشد، بهتر است. این طول در الیاف پشم درجه ی یک به 5/7 سانتی متر و بیشتر میرسد "یساولی، 1370، ص 10".
استحکام: به مقاومت الیاف در مقابل پاره شدن، استحکام الیاف گویند. هرچه الیاف پشم ضخیم تر باشد استحکام و درصد ازدیاد طول آن نیز بیشتر است.
ازدیاد طول: الیاف باید قادر به تغییر شکل دادن و تحمل ظرفیت نیروی وارد شده به آن را داشته باشند. ازدیاد طول پشم بین 25 تا 40% و پنبه بین 3 تا 7% میباشد.
تجعد: هر چه پشم ظریفتر باشد تجعد آن در واحد طول بیشتر است. وجود خاصیت تجعد در الیاف پشم ضمن پفکی نمودن آن اولا باعث محبوس شدن هوا در منسوجات پشمی میشود و گرما را در خود حفظ میکند که از این رو کمک به عایق شدن آن در برابر حرارت مینماید. ثانیا خاصیت تجعد در الیاف پشم باعث میشود که الیاف بهتر با یکدیگر درگیر شده و در نتیجه نخی محکم تر و مقاوم تر تولید شود "منصوری، 1378، ص 9".
جذب رطوبت: رطوبت بازیافتی پشم در رطوبت نسبی 65 % معادل 18-16 % میباشد، ضمنا قابلیت نگهداری آب توسط الیاف پشم 44 % است.
خواص حرارتی: پشم به آرامی نرمی و استحکامش را در دمای ˚c100 از دست میدهد و در دمای ˚c130 زرد رنگ شده و در نهایت تجزیه شده و فورا در دمای ˚c300 ترکیبی سیاه رنگ شبیه قیر متورم شده و خاکستری ترد برجا میگذارد.
2-3-2-3 خواص شیمیایی پشمالیاف پشم در محیط های اسیدی یا قلیایی غلیظ داغ میشوند، ضمنا در محلول سولفید سدیم، هیپوکلرید یا تیوگلیکولات نیز همراه با تجزیه شدن، حل میگردند. این الیاف توسط کرم های حشرات معینی همچون بید لباس و سوسک فرش و سایر میکروارگانیسم ها مورد حمله قرار میگیرند. الیاف پشم از مقاومت خوبی در برابر نور و در معرض هوا برخوردار میباشند. الیاف پشم در برابر اسیدها و قلیایی های رقیق (به جز در یک درجه حرارت بالا، به مدت طولانی) و همچنین حلال های آلی نسبتا بی تأثیر میباشند. حدود آسیب زدن اسیدها و قلیایی ها به الیاف بستگی به غلظت اسید، درجه حرارت و زمان عملیات دارد "فورد، 1386، ص 23".
2-3-2-4 واکنش های پشم در مقابل مواد شیمیاییاثر مواد قلیایی: به طور کلی پشم در برابر مواد قلیایی نسبت به اسیدها مقاومت کمتری دارد. مواد قلیایی بر پیوندهای گوگردی، هیدروژنی و یونی پشم اثر میگذارد و سبب متلاشی شدن کامل پشم میشود. مواد قلیایی قوی مانند هیدروکسید سدیم یا پتاسیم به ویژه در حالت گرم به سرعت پشم را هیدرولیز میکند.
اثر مواد اسیدی بر روی الیاف پشم: میزان آسیبی که اسید به پشم میرساند به غلظت اسید، درجه ی حرارت و مدت زمان تماس بستگی دارد. محلول رقیق اسیدهای معدنی، آسیب زیادی به الیاف پشم نمیرساند. اسید سولفوریک گرم و غلیظ، پشم را کاملا متلاشی میسازد. اسیدنیتریک الیاف پشم را زرد رنگ و سپس آن را حل میکند "امیری،1385، ص 42".
اثر مواد اکسید کننده: محلول غلیظ آب اکسیژنه باعث خراب شدن پشم میشود. سرعت تأثیر هم بستگی به غلظت آب اکسیژنه دارد. از محلول رقیق آب اکسیژنه برای سفید کردن پشم استفاده میکنند.
2-3-2-5 درجه مرغوبیت الیاف پشم مصرفی در فرش دستبافمیانگین طول الیاف برای نمره های مختلف باید حداقل 5 سانتی متر باشد و مقدار الیاف کوتاه تر از 5 سانتی متر در آن نباید از 5 درصد تجاوز نماید. چربی و روغن الیاف پشم نباید بیش از 5/1 درصد و مواد ناخالص گیاهی حداکثریک درصد باشد. طول الیاف هر اندازه بلندتر باشد (از 5/7 سانتی متر به بالا) مرغوب تر است.
قطر الیاف کمتر از 30 میکرون درجه یک
قطر الیاف بین 35-30 میکرون درجه دو
قطر الیاف تا 40 میکرون درجه سه
طبق استاندارد ملی ایران، مهم ترین مشخصات الیاف پشم مصرفی در تولید پرز فرش دستباف عبارتند از:
قطر در محدوده 25 تا 38 میکرون
درصد الیاف مدولائی کمتر از 20%
1 تا 4 جعد در 5/2 سانتیمتر
میانگین ازدیاد طول الیاف 45-30% و استحکام 55/1-11/1 گرم بر دنیر
قابلیت ارتجاعیت حداقل 75% "دفترچه استاندارد ملی ایران، 1377"
2-3-2-6 چگونگی شناسایی الیاف پشمتشخیص پشم طبیعی از مواد غیر طبیعی در فرش حایز اهمیت فراوان است. برای شناخت پشم از سایر الیاف راه های مختلف وجود دارد که عبارتند از:
سوزاندن پشم: وقتی پشم را به شعله نزدیک میکنیم خود را جمع میکند. در داخل شعله به آرامی میسوزد و مقداری ذوب میشود. دود آن بوی گوگرد و موی سوخته میدهد. خاکستر سیاه از آن باقی میماند که به سادگی خورد میشود.
از طریق مشاهده عینی( بوسیله ذره بین): شکل تار پشم در زیر ذره بین مانند درخت کاج فلس دار مینمابد که از یک سو آزادند، هر چه پشم کهنه تر و صدمه دیده تر باشد، این فلس ها کوتاهتر و برآمدگی کمتری دارند.
از طریق مواد شیمیایی: در برابر مواد قلیایی حساسیت دارد و برخی از قلیایی ها آن را حل میکند. در آب جوش مقداری از پروتئین خود را از دست میدهد. در برابر اکسید کننده ها و احیاکننده ها کم مقاومت است "وکیلی، 1383،ص 51".
2-3-3 ابریشمابریشم از الیاف حیوانی و پروتئینی است که نرم، شفاف، لطیف، ظریف و محکم است. این ماده مهم به صورت نخ بسیار نازکی در دو رشته به هم تابیده و از غدههای کرم ابریشم ترشح میشود. ابریشم یکی از بهترین موادی است که در نساجی بویژه قالی بافی به کار می رود. این ماده دارای قابلیت پذیرش عملیاتی نظیر سفیدگری، رنگرزی، صمغ گیری و ... است.
2-3-3-1 انواع الیاف ابریشم مصرفی در قالیبافی:به طور کلی دو نوع ابریشم طبیعی و مصنوعی در ایران وجود دارد که از نظر آمادهسازی آن برای استفاده در قالیبافی و رنگرزی به انواع زیر تقسیم میشوند:
1-ابریشم خام: ابریشمی است که مستقیماً از پیله گرفته میشود و با دست یا با ماشین به نخ تبدیل میشود. به عبارت دیگر ابریشم خام، ابریشمی است که عملیات صمغگیری و قلیاب کشی روی آن انجام نشده باشد، رنگ این نوع ابریشم زرد یا کرم است و پس از قلیاب کشی سفید میگردد.
2-ابریشم پخته: به ابریشمی میگویند که صمغ یا ناخالصی آن به نام «سرازین» گرفته شده باشد، رنگ آن پس از صمغ گیری سفید میشود.
3-ابریشم گجین: تفاله ابریشم و انتهای الیاف و باقی مانده پیله را، ابریشم کجین گویند که بخش نامرغوب الیاف است، این نوع ابریشم برای فرش بافی مناسب نیست." دانشگر،1376، ص45"
2-3-3-2 ویژگیها و قابلیت های ابریشمابریشم طبیعی که در قالی بافی مورد استفاده قرار میگیرد دارای قابلیتهای بسیاری است که اگر در رنگرزی آن و در تهیه و آماده سازی آن اصول فنی رعایت گردد، موجب ارتقاء کیفی فرش میشود.
1) ابریشم تا 140 درجه حرارت را تحمل میکند و در مقابل مواد قلیایی در مقایسه با پشم مقاومت بیشتری دارد.
2) ابریشم با توجه به لطافتی که دارد آلودگی را جذب نمیکند. در صورت آلوده شدن میتوان آن را با صابون ملایم شستشو داد.
3) ابریشم از جمله موادی است که دچار بیدزدگی و یا کپک زدگی نمیشود.
4) ابریشم به دلیل داشتن ترکیباتی چون کربن، هیدروژن، اکسیژن و ازت در آب حل نمیشود ولی اگر به مدت زیادی جوشانده شود استحکام خود را از دست میدهد.
5) ابریشم به دلیل داشتن الیاف پیوسته از قابلیت تابیدن خوبی برخوردار است.
6) الیاف ابریشم عملیات نساجی نظیر سفیدگری، رنگرزی، عملیات صمغ گیری و صمغ زدایی را به خوبی تحمل میکنند.
7) ابریشم یکی از بادوام ترین مواد طبیعی است، زیرا رشته های آن به هم تابیده میشوند و از نظر سایش به دلیل نرمی و لطافتی که دارد ساییدگی پیدا نمیکند.
2-4 اجزای تشکیل دهنده فرش دستبافسه گروه نخ شامل نخهای پرز(خاب) ، نخهای تار(چله) و نخهای پود ضخیم(زیر) و نازک(رو) تشکیل دهنده اسکلت اصلی هر فرش دستباف میباشند.

شکل 2-1. ساختار تشکیل دهنده فرش دستباف، a) گره نامتقارن b) گره متقارنجنس و مشخصات الیاف مصرفی براساس استانداردهای تولید فرش دستباف به شرح زیر میباشند:
نخ پرز: مهمترین جزء هر فرش که نمود اصلی ظاهر بصری و طرح و نقوش را فراهم مینماید و بطور معمول از جنس پشم یا کرک و در فرشهای بسیار ظریف بصورت گل ابریشم و یا تمام ابریشم میباشد.
نخ تار: مجموعه نخهایی که بصورت موازی یکدیگر و معمولاً یک در میان بصورت تار جلو و عقب، در طول فرش قرار گرفته و بطور رایج و متعارف از جنس پنبه، و در موارد خاص در فرشهای برخی از مناطق از جنس ابریشم یا پشم و در فرشهای بزرگ پارچه بصورت استثناء خارج از استاندارد با بکارگیری الیاف مصنوعی، از جنس مخلوط پنبه –پلی استر انتخاب میگردد.
نخ های پود ضخیم و نازک: رشته نخهایی هستند که مابین نخهای تار بصورت عرضی در ساختار فرش عبور داده شده و به ترتیب وظیفه پرکردن و دوخت هر رج را بعهده دارند. بطورمعمول هر دو از جنس پنبه بوده و در برخی مناطق فرشبافی از جنس پشم انتخاب میگردد.
معمولاً نسبت وزنی تار و پود و پرز در فرشهای پشمی بصورت 12تا20% نخهای تار، 10تا 18% نخهای پود، و 50 تا70% نخهای پرز میباشد "طباطبایی هنزایی، 1393، ص 4".
2-4-1 مشخصات ساختمانی فرش دستبافهر فرش از دو بخش لایه تخت زیرین و لایه نخهای پرز تشکیل شده است. در هر بخش مشخصههای ساختمانی متمایزی وجود دارد که عبارتند از:
در بخش لایه زیرین: مشخصات نوع گره و چلهکشی، شیوه پودکشی و مکانیزمهای بافت.
در بخش لایه پرزها: ارتفاع پرز، تراکم پرز(رجشمار).
در حالت ساختمان یکپارچه فرش: ضخامت فرش، وزن مترمربع و ابعاد فرش.
در مقطع عرضی هر فرش ارتفاع مجموع دو لایه زیرین و لایه پرزها را اصطلاحا˝ضخامت فرش گویند. ”Lee, H.S., Carr, W.W., Beckham, H.W., Wepfer, W.J., 2000"
2-4-2 انواع گره در بافت فرشدر بافت فرش از دو گره اصلی به طور معمول استفاده میشوند که عبارتند از:
گره متقارن یا ترکی: در این گره نخ خامه دو حلقه حلزونی را تشکیل میدهد که هر کدام از حلقه ها به دور یکی از نخ های تار پیچیده و دو انتهای آن ها از میان این دو عدد تار بیرون میآید و پرز قالی را تشکیل میدهد.
گره نامتقارن: در این نوع گره، نخ خامه فقط تشکیل یک حلقه حلزونی را میدهد و به دور یکی از رشته های تار پیچیده و اولین انتهای آن از میان دو رشته چله مورد نظر بیرون میآید و دومین انتها از بین یکی از این رشته ها و رشته بعدی خارج میگردد "هانگلدین، 137، ص 9".
2-4-3 سیستم پودکشینخهای پود ضخیم و نازک بصورت افقی بعد از هر رج بافت در بین تارها قرار داده میشوند. پود ضخیم ما بین تارهای زیر و رو باعث ایجاد استحکام، پرکردن و ممانعت از لغزش گرهها میشود و پس از ایجاد ضربدر در تارهای زیر و رو، پود نازک بر بالای ضربدرها یا دهنه تار قرار داده شده و با دوخت گرهها در هر رج باعث ایجاد نظم و ظرافت بیشتر فرش میگردد. از دو نوع نخ پود استفاده می شود: پود نازک به جهت دور زدن همگی تارها از پشت فرش دیده میشود و پود ضخیم در لابهلای فرش پنهان میماند "نصیری،1382،ص 56".

شکل 2-2. ارتفاع و طول ساق پرز در فرش دستباف"” Kimura, K., Kawabata, S., Kawai, H., 1970
2-4-4 رجشمار یا تراکم طولی و عرضیدر فرش دستباف بدلیل یکسانی تراکم پرز در طول و عرض فرش از عناوین رجشمار، تعداد گره در دسیمتر و یا تراکم گره در واحد سطح و یا حتی در معیار وزنی از چگالی یا وزن مجموع پرزها در واحد سطح استفاده میشود. رجشمار در فرشهای فارسی باف برابر تعداد گره در 5/6 سانتیمتر و در ترکی باف برابر تعداد گره در 7 سانتیمتر طولی و عرضی میباشد. بطورمعمول فرشهای تا رجشمار 30 را فرشهای معمولی یا درشتباف، فرشهای با رجشمار 30-40 را فرش با ظرافت متوسط و فرشهای با رجشمار بالاتر از 40را ریزباف و با درجه ممتاز تعریف مینمایند "یاوری، 1386، ص36 ". تراکم پرز موثرترین شاخص ساختمانی فرش در تعیین اکثر خواص عملکردی آن میباشدکه در شروع بر اساس کیفیت طرح اولیه فرش تعیین میگردد و طراحی خط تولید ازجمله مشخصات ابزارهای بافت، مواداولیه مصرفی،چلهکشی و حتی در برخی موارد مکانیزم تولید از نظر پودکشی و نوع گره بر پایه آن تعریف و تنظیم میگردند. پُری فرش یا تراکم پرز از مشخصههایی است که مشتریان فرش در هنگام خرید با مطالعه اطلاعات برچسب مشخصات آن و با تماس و فشار لامسهای پرزها آنرا ارزیابی میکنند. بطورمعمول فرشهای تا رجشمار 30 را فرشهای معمولی یا درشتباف، فرشهای با رجشمار 30-40 را فرش با ظرافت متوسط و فرشهای با رجشمار بالاتر از 40 را ریزباف و با درجه ممتاز تعریف مینمایند "یاوری،1384، ص 20".
2-4-5 مشخصات و خواص نخ های مصرفی در تولید فرش دستبافمهمترین مشخصات و خواص ساختمانی نخهای مورد استفاده در تولید هر فرش عبارتند از: نمره نخ(تکلا و چندلا)، تعدادلای نخ، تاب نخ(تکلا و چندلا)، سختی خمشی، استحکام و ازدیاد طول و یکنواختی نخ، که در تأمین مشخصات ساختمانی فرش و درنتیجه خواص عملکردی نهایی فرش تأثیرگذار میباشند.
جدول 2-2 نمونه ای از تناسب تجربی رایج بین مشخصات مواد اولیه مصرفی در فرش دستباف با تراکم پرز(رجشمار) را نشان میدهد.
جدول 2-2. تناسب مواد اولیه مصرفی با تراکم پرز(رجشمار) در فرش دستباف "مجابی، سمینار ملی فرش، 1388".رجشمار(دسی متر مربع) نمره پرز مصرفی(Nm) نمره تار مصرفی(Ne) نمره پود ضخیم(Ne) نمره پود نازک(Ne)
31˟31 2/3 24/20 24/10 یا 12/5 6/20
39˟39 2/4 21/20 20/10 یا 10/5 5/20
49˟49 2/5 15/20 16/10 یا 8/5 4/20
54˟54 2/6 12/20 14/10 یا 7/5 3/20
61˟61 2/7 12/20 12/10 یا 6/5 3/20
69˟69 2/8 9/20 10/10 یا 5/5 2/20
77˟77 2/10 9/20 10/10 یا 5/5 2/20
92˟92 2/14 چله ابریشمی 8/10 یا 4/5 2/20
100˟100 2/16 چله ابریشمی 8/10 یا 4/5 2/20
108˟108 2/16 چله ابریشمی 6/10 یا 3/5 2/20
2-5 خواص کیفیتی فرشبه طور کلی خواص کیفی فرش به سه دسته خواص ظاهری (از قبیل طرح و نقش، رنگبندی و همنشینی رنگها، مقاومت در برابر سایش و فرسایش)، خواص فیزیکی (از قبیل ضخامت و ارتفاع پرز، رجشمار و وزن متر مربع) و خواص مکانیکی (از قبیل افت ضخامت پرز، ارتجاعیت، درصد فشردگی، سختی و طول خمشی، خواص اصطکاکی و ...) تقسیم میگردند. "طباطبایی هنزایی، 1393، ص 4".
2-5-1- طبقه بندی خواص فیزیکی فرش هاخواص ضروری و ذاتی هر فرش را میتوان از دو جنبه خواص ظاهر هنری و خواص عملکردی بررسی و مطالعه نمود. خواص ظاهر هنری فرشهای دستباف به صورت ظرفیت ارائه یک سیمای ظاهری زیبا و جذاب هنری با ابعاد درونی و بیرونی تعریف میگردد. بطورکلی عوامل زیباییشناختی فرش را میتوان به دو دسته باطنی و ظاهری تقسیم نمود. عوامل باطنی منسوب به حالات روحی، معنوی و دریافتهای درونی هنرمند بوده و در بطن هنر نهفته میدانند مانند مشخصاتی نظیر نیت و صدق هنری هنرمند، شهود، تخیل و الهام، و حتی باورهای مذهبی و دینی که در روح فرش دستباف پنهان میباشد. مجموعه عوامل ظاهری نیز خود به دو دسته تقسیم میشوند: درونی و بیرونی. آن قسمت از زیباییهای فرش که در نگاه دقیقتر و دوم کارشناسان و متخصصان فرش و بافندگان دیده میشود را عوامل ظاهری درونی گویند. مهمترین زیباییهای بیرونی فرش عبارتند از : طرح و نقش، و رنگ و رنگبندی آن. خارج از ابعاد روانی زیبایی ظاهر فرش، ارتفاع پرز و جهت و زاویه خاب پرزها، و در معماری امروز تطبیق با دکوراسیون داخلی منازل و گاهاً عملکرد تزئیناتی و همگامی با نورپردازی فضای منازل امروزی، ویژگیهای سطحی فرش و تناسب ابعاد نیز بصورت ذهنی در این ارزیابی موثر میباشند "دریایی، فصلنامه گلجام، 1385، شماره4 و 5".
خواص عملکردی در اصل همان خواص مورد انتظار از فرش در هنگام استفاده یا راه رفتن بر روی آن میباشدکه تأمین حالت مطلوب این خواص در چرخه طراحی اولیه و سپس فرایند تولید فرش، کیفیت نهایی و رضایتمندی مصرفکنندگانش را فراهم خواهد نمود. خواص عملکردی فرش بعنوان یک منسوج با کاربرد پوشش کف براساس خواص و مشخصات مواد اولیه مصرفی بطور مخصوص نخهای پرز از نظر جنس الیاف، نمره نخ تک لا و چندلا و تاب نخ تکلا و چندلا، مشخصات ساختمانی فرش از جمله تراکم و ارتفاع پرز، نوع گره و سیستم بافت و حتی نوع تکمیلهای انجام شده بر روی آن تعیین میگردد” Onder, E., Berkalp, O.B., 2001"
2-6 خواص عملکردی فرشمهم ترین خواص عملکردی فرش دستباف را میتوان به 4 گروه عمده زیر تقسیم نمود:
حفظ ظاهر فرش
فاکتورهای راحتی
دوام
خواص فشاری
به موارد فوق، خواص فیزیکی دیگری مانند مشخصات جذب صوت به ویژه صدای سقوط پا، خواص حرارتی مناسب (دمای مناسب)، سختی خمشی مناسب در برابر چروک یا مچاله شدن، زیر دست و ثبات ابعادی در شرایط محیطی مختلف و حتی خواص الکترواستاتیکی نیز میتوان اضافه نمود”Pailthorpe, MT., 1988"
2-6-1 حفظ ظاهر فرش:فرش ها بطورمخصوص لایه پرزهای آنها در طول زمان استفاده در معرضنیروهایی مانند فشردگی محوری، خمشی، کششی و برشی، سایش و همچنین آلوده شدن با خاک، کثافات و انواع لکه قرار دارند که این عوامل با کاربرد نامتعارف، نگهداری و مراقبت نادرست و تکرار و استمرار، تغییر و تنزل مشخصات کیفی ظاهری آنها را باعث می گردند، که این تغییرات بصورت بصری و لامسهای قابل تشخیص میباشند. وقوع این شرایط سبب ایجاد ظاهر و ترکیب بد در فرش قبل از فرسایش کامل آن می گردد و به اصطلاح نزول کیفیت ظاهر رخ خواهد داد. حفظ یا تأمین حداقل مشخصات ظاهری فرش ها در تعیین طول عمر مفید یا دوام مصرف آن ها بسیار مؤثر بوده که علاوه بر لزوم نگهداری صحیح، کیفیت طراحی شایسته و کارشناسی در انتخاب مواد اولیه مناسب و متناسب با مشخصات ساختمانی از قبیل رجشمار (تراکم پرز) و ارتفاع پرز توسط تولید کننده، ضرورت مییابد. به طور کلی فرسایش عمده فرش ها در قسمت پر تردد، مسیر پیچ و قسمت های تا و مچاله شده و لبه های پله میباشد.در فرش های نو پرزها به صورت عمود بر لایه زمینه قرار دارند و فرش دارای بافت سطحی یکنواختی است. در هنگام استفاده و به مرور زمان در اثر پا خوردن، گذاشتن بار، چرک گرفتن و دیگر عوامل ، ظاهر زیبای فرش تغییر میکند”Wood, E.J., 1993"
2-6-2 راحتی قدمزدن بر روی فرشواکنشهای مکانیکی فرشها در برابر فعالیتهای بشر مانند ایستادن و قدمزدن بر روی آن، مخصوصاً هنگامیکه نیروی فشاری با زمان تغییر میکند در ارتباط با خواص فشاری آنها میباشد. خواص راحتی در ارتباط با قدمزدن و ایستادن با آسودگی و استواری بالا با حداقلکردن شوک ضربه یا تماس پا با کف و کاهش پتانسیل سقوط و لغزش انسان میباشد ” Dunlop, J.I., Jie, S., 1989" خوابیدگی یا پهنشدن پرزهای فرش بعد از بار فشاری و عدم عملکرد مکانیکی مطلوب خواص فشاری پرزها در قدمزدن باعث کاهش راحتی بشر در طول فعالیت بر روی فرش مانند ایستادن و راه رفتن میگردد. درک میزان این کاهش راحتی دارای اهمیت زیادی است زیراکه گزارشاتی از مشکلات فیزیکی ناشی از ایستادن طولانی و لغزش و سقوط بر روی کفپوشهای نامناسب مخصوصاً برای افراد مسن ارائه شده است ” Wu, J., Pan, N., Williams, K.R., 2007"راحتی هنگامیکه شخص بر روی فرشهای مختلف قدم میزند وابستگی زیادی به تأثیرات لایه زیرین فرش در کاهش شوک ناگهانی به بدن هنگامیکه پا با فرش برخورد میکند و حداقل کردن پتانسیل زمین خوردن، دارد. درجه راحتی قدمزدن ارائه شده توسط یک فرش به جز عملکرد خواص فشاری به عوامل متعدد دیگری مانند نقش لایه زیرین، ضریب به اندازه کافی بالای اصطکاک لغزشی برای جلوگیری از سرخوردن و پایداری جانبی فرش در مکان بستگی دارد ” Norton, M.A., Fiest, J.R., 1995"
2-6-3 دوام بلند مدت فرشمعمولاً فرشها سالها و حتی چندین دهه دارای طول عمر فرسایشی میباشند و این اندازهگیری آزمایشگاهی آنرا مشکل و نیاز به زمان طولانی دارد. دوام فرش بر اساس تعداد دور سایش یا فرسایش لازم تا حذف کامل لایه پرزها و رسیدن به لایه زیرین فرش تعریف میگردد. دو شاخص موثر در پیشبینی طول عمر یا دوام فرش، نرخ افت ضخامت و تراکم وزنی پرز میباشد ” Carnaby, G.A., Wood, E.J., 1989"
2-6-4 خواص فشاری فرشفرشها در حین استفاده معمولاً درمعرض دو نوع بار استاتیکی(مانند پایه میز و صندلی) و دینامیکی (مانند راه رفتن بر روی فرش) قرار دارند و نخهای پرز فرش در این بارگذاری فشاری ثابت یا سریع، متراکم شده که تغییرشکل آنها پیچیده بوده و هر ساق پرز بطورجداگانه تحت حالتهای مختلف تغییرشکل ناشی از فشار محوری، خمشی، پهنشدن، کشیدگی و برش میباشد. رفتار فشاری پرز فرشها در حین بارگذاری و عکسالعمل دینامیکی آنها پس از رفع بار نقش مهمی در عملکرد مکانیکی آنها دارد. نحوه واکنش مکانیکی به جز تأثیر در ظاهر فرش، از جهت ارائه شرایط راحت در طول فعالیتهای بدن انسان در قدمزدن و ایستادن بر روی فرش و همچنین آسودگی بالا در حداقلکردن شدت ضربه تماس پا و کاهش پتانسیل سقوط و لغزش و ادراکات تماسی یا زیردست مطلوب بر روی فرش بسیار مهم میباشد ” Carnaby, G.A., Wood, E.J., 1989". شکل 2-1 مقطع عرضی تغییرشکل فشاری را در لایه پرزهای نمونه فرش ماشینی با نخ پرز از جنس اکریلیک را نشان میدهد. پس از رفع بار بسته به خواص و مشخصات نخهای پرز و مشخصات ساختمانی فرش، نخهای پرز تمایل به بازگشتپذیری دارند که اغلب کمتر از 100% خواهد بود” Grover, G., Zho, S., Twilly, I.C., 1993".
شکل 2-3. مقطع عرضی تغییرشکل پرزهای فرش ماشینی cut-pile از جنس اکریلیک تحت بار فشاری ” Dayiary, M., Shaikhzadeh, S., Shamsi, M., 2009"بطورکلی رفتار مکانیکی ناشی از بارگذاری فشاری فرش متمرکز بر سه جنبه بازگشتپذیری الاستیک که سبب ارتجاعیت پرزها میگردد، مکانیزم غیرالاستیک(ناشی از لغزش اصطکاکی بین الیاف و بین نخها در حین خمش پرزها و همچنین خواص ویسکوالاستیک نخهای پرز) که خوابیدگی یا پهنشدن پرزها را باعث میشود، و همچنین مکانیزم فرسایشی(افت مشخصات پرز فرش بواسطه سایش)، میباشد” Onder, E., Berkalp, O.B., 2001".
2-6-4-1 بارگذاری فشاری فرشبرای بارگذاری فشاری فرشها به روش آزمایشگاهی و شبیه سازی حالت طبیعی بار ثابت(اثاثیه ساکن) و بار متحرک(راه رفتن انسان بر روی فرش)، تاکنون از روشهای مختلف زیر استفاده شده است.
2-6-4-1-1 قدمزدن عابرین بر روی فرش در مسیر یا راهروی مخصوص پرترددقدیمیترین روش است که با پهنکردن نمونه فرشها در مسیر یا راهروی عبور عابرین در مکانی پرتردد، بارگذاری متحرک با تعداد گام مشخص که توسط شمارشگری ثبت میگردد، اجرا میشود. تا دهه 70 میلادی از این روش با تعداد گام محدود(حداکثر تا 100 گام) تحت شرایط کنترل شده برای بررسی رفتار فشاری فرشها(بارگذاری سریع با بار متوسط 120 پوند براینچ مربع) استفاده شده است. از این روش با افزایش عبور عابرین تا 100000 گام، برای آزمونهای فرسایش فرش و ارزیابی تغییرات ظاهر فرش نیز بکارگرفته میشود. معایبی از جمله زمانبر بودن(در برخی مواقع ماهها نیز طول میکشد)، خاکگرفتن و چرکشدن فرش(ایجاد اختلال در ارزیابیهای بعدی فرش)، احتمال خطا در شمارش تعداد گام و سختیهای تأمین شرایط آزمایشگاهی مشابه و تکرار، باعث استفاده کمتر از این روش شده است ” Clegg, D.G., 1965"
2-6-4-1-2 بار گذاری استاتیکیفرشها در حین استفاده معمولاً درمعرض دو نوع بار استاتیکی(مانند پایه میز و صندلی) و دینامیکی (مانند راه رفتن بر روی فرش، حرکت اثاثیه بر روی فرش) قرار دارند.نخهای پرز فرش در این بارگذاری فشاری ثابت یا سریع، متراکم شده که تغییرشکل آنها پیچیده بوده و هر ساق پرز بطورجداگانه تحت حالتهای مختلف تغییرشکل ناشی از فشار محوری، خمشی، پهن شدن، کشش و برش می باشد. رفتار فشاری پرز فرشها در حین بارگذاری و عکسالعمل دینامیکی آنها پس از رفع بار نقش مهمی در عملکرد مکانیکی آنها دارد “Carnaby, G.A., Wood, E.J., 1989". دستگاه بارگذاری استاتیکی با بازوی اعمال نیرو از سال 1966 تا به امروز بر همان اساس بکارگرفته میشود. اغلب در این دستگاه بازوی افقی با وزنه انتهایی جهت اعمال بار با تناسب طولی 1:5 نسبت به بازوی در تماس با کالا، طراحی شده است. (5 برابر مقدار وزنه اضافه شده به انتهای بازوی افقی، به نمونه بار فشاری ثابت اعمال خواهد شد). طبق استاندارد مربوطه، بار ثابت مشخص برای دو حالت بارگذاری کوتاهمدت 2 ساعت و بلند مدت 24 ساعت، بر روی نمونه اعمال میگردد. مطالعه این رویه و بازیابی حاصل نوعی پدیده خزش فشاری را تداعی میکند. معمولاً ضخامت نمونهها در حالت بارگذاری کوتاه مدت؛ بلافاصله(1دقیقه)، 15، 30 و 60 دقیقه پس از رفع بار و درحالت بارگذاری بلند مدت؛ بلافاصله(2دقیقه)، یک و 24 ساعت پس از رفع بار اندازهگیری و ثبت میگردند. برای تحلیل نتایج روند بازیابی، تغییرات ضخامت فرش پس از رفع بار نسبت به زمان بصورت گسسته ترسیم و لذا مشخصههای فشردگی و ارتجاعیت پرزها قابل بررسی میگردد“Ross, D.A., Palmer, D.G., 1973"

شکل2-4. دستگاه بارگذاری استاتیکی2-6-4-1-3 بار گذاری دینامیکیدستگاه بارگذاری دینامیکی دارای قسمت ضربهزن با نرخ معمول 14 ضربه در دقیقه، سقوط وزنه 82/2 پوندی به نمونهای که دارای حرکت رفت و برگشت عرضی محدودی میباشد را اجرا نموده و معمولاً با تنظیم تا حداکثر 1000 ضربه، مشابه روش استاتیکی برای بازههای زمانی مشخص پس از رفع بار، نمودار روند بازیابی یا تغییر ضخامت فرش به زمان بصورت گسسته ترسیم و تحلیل میگردد“Mirjalili, S.A., Sharzehee, M., 2005"

شکل2-5. دستگاه بارگذاری دینامیکی2-6-4-1-4 بارگذاری فشاری ارتعاشیمطابق مطالعات بیومکانیکی مشخص شده است که حد نهایی زمان اعمال نیروها در قدمزدن معمول انسان بر روی فرش، در زمان کوتاه تقریباً 20 میلیثانیه میباشد که متناظر با فرکانس 50 هرتز میباشد، لذا خواص فشاری دینامیکی فرشها در این دامنه از فرکانس قابل مطالعه میباشد“Dunlop, J.I., Jie, S., 1991"
با تکنیک ارتعاش و دستگاه ارتعاشساز مقدار کرنش ثابتی با فرکانس تا یک هرتز به نمونه فرش اعمال میگردد و مقادیر تنش حاصل در پرزها توسط قطعه حساس دستگاه ثبت میگردد. علاوه بر نمودار تنش-کرنش بارگذاری ارتعاشی، مدول دینامیکی فشاری و افت استهلاکارتعاش فرش نیز قابل اندازهگیری میشود“Horino, T., Yabunaka, T., Morikawa, M., 1971"

شکل2-6. بارگذاری فشاری ارتعاشی2-6-4-1-5 بارگذاری فشاری با نرخ ثابت ازدیاد فشردگیدر ابتدا از دستگاه ضخامتسنج دومنظوره، با توانایی انجام همزمان دو عمل بارگذاری فشاری گسسته افزایشی(تا بار حداکثر و برعکس) و اندازهگیری ضخامت فرش، استفاده میشد " Anderson, S.L., Clegg, D.G., 1961". دستگاههای جدید اینسترون با طراحی ویژه فکهای بالا و پایین دستگاه و با قابلیت تنظیم بارگذاری فشاری پیوسته با نرخ فشردگی ثابت(5 تا 20 میلیمتر در دقیقه) و برعکس، امکان مطالعه رفتار فشاری پرزهای فرش در حین بارگذاری دینامیکی را تا حداکثر نیروی فشاری مدنظر، فراهم کرده است.

شکل 2-7. بارگذاری فشاری با دستگاه اینسترون بر روی نمونه فرش “Dayiary, M., Shaikhzadeh, S., Shamsi, M., 2010"با انتقال مستقیم نتایج به سیستم کامپیوتری دستگاه، منحنی نیرو- فشردگی و بازگشتپذیری ترسیم و محاسبات برخی مشخصههای فشاری بطور مستقیم حاصل میگردد. نکته مهم اینکه همواره در این روش در ابتدای کار جهت همسطحکردن پرزها و یا الیاف بیرون زده احتمالی بالاتر از ارتفاع اصلی پرز نمونه فرش، با اعمال بار فشاری حداقل؛ 25/0 پوند براینچ مربع(معادل 6/17 گرم بر سانتیمترمربع) شرایط آزمون را کالیبرهکرده و سپس بار حداکثر با نرخ ثابت فشردگی اعمال میگردد“Laughlin, K.C., Cusick, G.E, 1968"
2-6-4-2 خواص فشاری فرش هابه طور کلی خواص فشاری فرش ها تحت شرایط مختلف بارگذاری لایه پرزها عبارتند از:
1- درصد فشردگی
2- انرژی فشردگی
3- درصد بازگشت پذیری
4- انرژی بازگشت الاستیک
5- درصد ارتجاعیت
6- انرژی اتلافی
7- درصد افت ضخامت
8- مدول فشاری
2-6-4-2-1 درصد فشردگیحد نهایی فشردگی(تغییرضخامت) پرزهای فرش تحت بار فشاری حداکثر تنظیمی دستگاه اینسترون و تغییر ارتفاع پرز فرش بلافاصله پس از رفع بار فشاری استاتیکی و دینامیکی میزان فشردگی پرز فرش نامیده می شود. میزان فشردگی و درصد قابلیت فشردگی پرزهای فرش(%S)را مطابق روابط زیر می توان محاسبه نمود:
%S = (h0-h1h1) × 100

شکل 2-8. درصد فشردگی2-6-4-2-2 انرژی فشردگیانرژی یا کار انجام شده جهت فشردگی پرز فرش ها همان انرژی کل بارگذاری بوده که اندازه آن برابر مساحت زیر منحنی نمودار بارگذاری حاصل، مانند مساحت زیر منحنی ABD در شکل زیر میباشد.

شکل 2-9. انرژی فشردگی2-6-4-2-3 درصد بازگشت پذیریبطورکلی در بارگذاری کششی یا فشاری، مقدار بازگشت منسوج به اندازه اولیه پس از رفع بار را بازگشت پذیری گویند. واکنش مکانیکی پرزهای فرش در جهت بهبود تغییر شکل فشاری را بازگشت پذیری یا بازیابی پرز گویند که معمولاً مقدار این بازیابی بعد از 24 ساعت پس از رفع بار را بازگشت الاستیک یا الاستیسیته پرزها گویند.

شکل 2-10. درصد بازگشت پذیری2-6-4-2-4 انرژی بازگشت الاستیکانرژی بازگشت پذیری الاستیک، پرزها را از سطح تغییر شکل حداکثر ծsبه سطح تغییر شکل بعد از t واحد زمان پس از رفع بار بهبود میدهد (ծ)، لذا مقدار ծE = ծS – ծ را میتوان تغییر شکل اصلاحی (بهبود یافته) نام گذاری نمود و نسبت ᴪ به عنوان ضریب بازگشت پذیری الاستیک بیانگر انرژی پتانسیل الاستیک درکل انرژی انتقالی به پرزها توسط فشار استاتیکی، مشابه ارتجاعیت پرز با تقسیم انرژی بازگشت پذیری الاستیک به انرژی فشردگی تعریف و محاسبه میگردد. نیروی به کار رفته جهت محاسبه انرژی الاستیک را نیروی استردادی مینامند که در حرکت پرزها به سمت موقعیت اولیه شان تأثیر گذار بوده و با تغییر زمان بازگشت پذیری، تغییر میکند. مطابق شکل 2-8 و مساحت زیر منحنی BCE میتوان کار یا انرژی بازگشت پرزها در هر لحظه زمان پس از رفع بار را محاسبه نمود “Celik, N., Koc, E.," 2007"
2-6-4-2-5 درصد ارتجاعیتتوانایی و قابلیت پرزهای فرش در بازگشت از فشردگی را ارتجاعیت یا جهندگی می گویند. معمولاً فرشها در لحظات اولیه رفع بار، بازگشتی الاستیک یا خطی و پس از آن بازگشتی ویسکوالاستیک و غیرخطی دارند.
%Resilience = work of Recoverywork of Compression×100= Area of BECArea of ADB2-6-4-2-6 انرژی اتلافینقطه مقابل انرژی الاستیک پرزها، انرژی استهلاکی یا میرا شدن میباشد که یک انرژی مرده یا اتلافی است که صرف اصطکاک داخلی پرزها میگردد و در بازگشت پذیری پرزها سهمی ندارد. اصطکاک داخلی بیشتر باعث گرمای بیشتر و افت ارتجاعیت میگردد. انرژی استهلاکی از تفاوت انرژی فشردگی از انرژی الاستیک پرزها محاسبه میشود. نسبتφ نیز به عنوان ضریب میرایی جهت، انرژی باقیمانده با تقسیم انرژی استهلاکی به انرژی کل فشردگی تعریف میگردد.
φ = WD/W2m×100%

شکل 2-11. انرژی اتلافی2-6-4-2-7 درصد افت ضخامتیکی از عوامل تنزل کیفیت فرش ها افت ضخامت پرزهای آن در حین استفاده و یا تغییرشکل پرزها در فشار می باشد. بواسطه این کاهش ضخامت، حالت و شرایط استقرار پرزها یا ترکیب بافت پرزهای فرش تغییر کرده و باعث افت ظاهر فرش نسبت به ظاهر اولیه اش می گردد، علاوه براین خیلی از خواص فرش از جمله قابلیت ارتجاعیتش در سیکلهای بعدی بارگذاری نیز تنزل خواهد داشت. فرسایش پرزهای فرش در برابر عوامل ساینده نیز افت ضخامت فرش را نه بواسطه خوابیدگی پرزها، بلکه بواسطه شکستگی و ریزش الیاف از نخ پرز ایجاد خواهد کرد. دلایل افت ضخامت فرش همان دلایل عدم ارتجاعیت کامل پرزها می باشد که افت مشخصات پرزها در اثر سایش بواسطه خستگی و شکستن الیاف و ریزش الیاف آزاد از نخ پرز را نیز باید به آن اضافه نمود.
h2 = (ծh2) × 100 = (h2-h0h2) × 100

شکل 2-12. درصد افت ضخامت2-6-4-2-8 مدول فشاریمدول فشاری فرش همان سختی یا مقاومت پرزهای فرش در برابر بار فشاری اعمالی می باشد که معمولاً در یک سیستم الاستیک مدول اولیه از شیب قسمت خطی نمودار بارگذاری تعیین می گردد.ضریب سختی فشاری یا مدول بالاتر در فرش ها، تغییر شکل کمتر و ارتجاعیت بهتر را حاصل خواهد کرد“Wu, J., Pan, N., Williams, K.R., 2007"
E = stressstrain= Se= F/A∆L/L₀

—351

2-5-1- مواد و روش45
2-5-2-نتایج وبحث46
2-5-3- کاهش ضخامت50
2-5-4- تجزیه وتحلیل تفاوت معنی دار آماری52
2-5-5- نتیجه گیری53
فصل سوم : تجربیات55
3-1- مقدمه56
3-2- مشخصات مواد مصرفی در نمونه های آزمایش شده56
3-3- تعیین ضخامت تحت فشار بار متحرک58
3-4- تعیین کاهش ضخامت تحت اثر بار ثابت61
3-5- دستگاه مقاومت سنج پایل فرش66
3-6- تعیین میزان انرژی تلف شده در نخهای مصرفی68
فصل چهارم : بحث و نتیجه گیری69
4-1- مقدمه70
4-1-1– مجموع مربعات اضافی71
4-1-2- آزمون برای معنی دار بودن رگرسیون73
4-1-3-ضریب تعیین چندگانه 74
4-1-4- عامل تورم واریانس74
4- 2- تجزیه وتحلیل نتایج75
4-2-1- برگشت پذیری پایل بعد از 60 دقیقه از برداشتن بار استاتیکی (متغیر Y176
4-2-2- میانگین برگشت پذیری پاپل در طول 60 دقیقه بعد از برداشتن بار استاتیکی 79
4-2-3- کاهش ارتفاع پایل بعد از 1000 ضربه بار دینامیکی (متغیر Y383
4-2-4- نیروی کشیدگی پرز ( بر حسب گرم) با کد متغیرY486
4-3- نتیجه گیری88
پیوست91

فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل1
شکل 1-1- روش کار دستگاه Rheovibron7
فصل2
شکل2-1- عملیات اصلی (بارگذاری کشش دینامیکی) روی Rheovibron12
شکل2- 2- خصوصیات مکانیکی دینامیکی الیاف و نخ پلی پروپیلن14
شکل2-3- دستگاه بار استاتیکی32

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

شکل 2-4- اختلاف ضخامت فرش های نوع A,B,C,D33
شکل 2-5- اختلاف برگشت پذیری نمونه های A,B بعد از حذف نیرو34
شکل 2-6- اختلاف برگشت پذیری پایل نمونه های فرش E,F,C,D بعد از حذف نیرو34
شکل 2-7- مجموعه تمام تغییر شکل های وابسته به ارتفاع و تراکم پایل در سه چرخه بار
گذاری a- یک چرخه b- دو چرخه c- سه چرخه41
شکل2-8- تغییر شکل ارتجاعی وابسته به ارتفاع و تراکم پایل در سه چرخه بار گذاری a- یک
چرخه b- دو چرخه c- سه چرخه 41
شکل2-9- تغییرات غیر قابل بازگشت وابسته به ارتفاع و تراکم پایل در سه چرخه بار گذاری
a- یک چرخ b- دو چرخه c- سه چرخه 41
شکل2-10- تقریب لگاریتمی از مقدار ضخامت50
شکل2-11 تقریب رگرسیون لگاریتمی از ضخامت از دست داده51
شکل2-12- مقایسه تغییر شکل وضخامت از دست داده بعد از 1000 ضربه52
فصل 3
شکل 3-1- دستگاه اعمال بار ثابت64
فصل 4
شکل4-1- مدل برازش خطی Y178
شکل4-2- نمودار برگشت پذیری در نمونه ها بعد از 60 دقیقه79
شکل4-3- مدل برازش خطی Y281
شکل4-4- نمودار میانگین برگشت پذیری در نمونه ها در مدت 60 دقیقه82
شکل4-5- مدل برازش خطی Y384
شکل4-6- نمودار میزان کاهش ارتفاع پایل بعد از بار دینامیکی85
شکل4-7- مدل برازش خطی Y587

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل 1
فصل2
جدول2- 1- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی بر روی لیف نایلون 613
جدول 2- 2- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی نخ پایل نایلون 615
جدول2-3- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی نخ نایلون616
جدول2-4- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی نخ پلی استر17
جدول2- 5- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی الیاف و نخ پلی پروپیلن17
جدول2-6-اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی نخ نایلون 6618
جدول2-7- خصوصیات دینامیکی نخ رنگ شده نایلون18
جدول2- 8- تعریف متغییر ها21
جدول2- 9- مشخصات نمونه فرش در آزمایشات22
جدول2- 10- اندازه مشخصات نمونه های فرش23
جدول2- 11- آزمون آماری معنی دار به روش ANOVA24
جدول2-12- مقایسه جفتی طرح ها با پایل کات28
جدول 2- 13- مقایسه جفتی طرح ها با پایل حلقه28
جدول2- 14- مشخصات ساختاری فرش38
جدول2- 15- ماتریس طرح ریاضی38
جدول2- 16- پارامترهای اصلی فرش های نمونه45
جدول2-17 - نتیجه آزمایشات نمونه فرش با پایل اکریلیک (ارتفاع پایل13میلی متر)47
جدول2- 18- نتیجه آزمایشات نمونه فرش با پایل پشم (ارتفاع پایل12میلی متر)..47
جدول2- 19- نتیجه آزمایشات نمونه فرش با پایل pp (ارتفاع پایل10میلی متر47
جدول 2-20-پارامترهای آماری محاسبه شده از نتایج آزمایش48
جدول2-21- میانگین مقدار آزمایشات و پیش گویی نتایج49
جدول2-22- نتایج آنالیز واریانس52
فصل 3
جدول 3-1- مشخصات دستگاه بافندگی56
جدول 3-2- مشخصات کلی نخهای مصرفی در نمونه های مورد آزمایش57
جدول3-3- نتایج درصد کاهش ارتفاع پایل در اثر بار دینامیکی60
جدول3- 4- نتایج در صد برگشت پذیری در آزمایشات استاتیکی بعد از 60 دقیقه65
جدول 3- 5 - میانگین در صد برگشت پذیری در آزمایشات استاتیکی66
جدول شماره 3 – 6 - نیروی کشیدگی پرز از فرش68
فصل 4
جدول4-1- آنالیز واریانس برای معنی دار بودن رگرسیون در رگرسیون چند متغیره73
جدول 4-2- آنالیز واریانس برگشت پذیری پایل بعد از 60 دقیقه از برداشتن بار استاتیکی77
جدول 4-3- آنالیز واریانس مدل رگرسیون با پنج متغیر مستقل برای متغیر وابسته Y1 77
جدول 4-4- برآورد ضرایب معادله برای متغیر Y177
جدول 4-5- اهمیت وسهم هر کدام از متغیرهای مستقل از مدل78
جدول 4-6- آنالیز واریانس برگشت پذیری پایل بعد از 60 دقیقه از برداشتن بار استاتیکی 80
جدول 4-7- آنالیز واریانس مدل رگرسیون با پنج متغیر مستقل برای متغیر وابسته Y280
جدول 4-8- برآورد ضرایب معادله برای متغیرY281
جدول 4-9- اهمیت وسهم هر کدام از متغیرهای مستقل از مدل 81
جدول 4-10- آنالیز واریانس درصد کاهش ارتفاع پایل در اثر بار دینامیکی84
جدول 4-11- آنالیز واریانس مدل رگرسیون با پنج متغیر مستقل برای متغیر وابسته Y384
جدول 4-12- برآورد ضرایب معادله برای متغیرY384
جدول 4-13- اهمیت وسهم هر کدام از متغیرهای مستقل از مدل85
جدول 4-14- آنالیز واریانس نیروی کشیدگی پرز ( بر حسب گرم) با کد متغیرY487
جدول 4-15- آنالیز واریانس مدل رگرسیون با چهار متغیر مستقل برای متغیر وابسته Y587
جدول 4-16- برآورد ضرایب معادله برای متغیرY587
جدول 4- 17- اهمیت وسهم هر کدام از متغیرهای مستقل از مدل88
فهرست پیوست ها
عنوان صفحه
جدول پ-1- کدگذاری نمونه های مورد آزمایش92
جدول پ -2- کد جداول دینامیکی92
جدول پ-3- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA192
جدول پ - 4- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA292
جدول پ -5- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA393
جدول پ-6- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA493
جدول پ-7- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA593
جدول پ-8- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA693
جدول پ-9- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA794
جدول پ-10- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA894
جدول پ-11- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدA994
جدول پ-12 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB194
جدول پ- 13- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB295
جدول پ -14- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB395
جدول پ-15 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB495
جدول پ-16- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB595
جدول پ –17- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB696
جدول پ-18- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB796
جدول پ- 19- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB896
جدول پ -20- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدB996
جدول پ-21- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC197
جدول پ – 22- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC297
جدول پ- 23- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC397
جدول پ-24- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC497
جدول پ-25 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC598
جدول پ-26- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC698
جدول پ-27- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC798
جدول پ- 28- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC898
جدول پ- 29- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدC999
جدول پ-30- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD199
جدول پ -31- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD299
جدول پ- 32- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD399
جدول پ-33- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD4100
جدول پ- 34- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD5100
جدول پ-35 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD6100
جدول پ- 36- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD7100
جدول پ- 37- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD8101
جدول پ- 38- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدD9101
جدول پ- 39- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE1101
جدول پ- 40- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE2101
جدول پ- 41- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE3102
جدول پ- 42- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE4102
جدول پ- 43- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE5102
جدول پ- 44- نتایج آزمایش ینامیکی روی نمونه با کدE6102
جدول پ- 45- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE7103
جدول پ- 46- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE8103
جدول پ- 47- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدE9103
جدول پ-48 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF1103
جدول پ- 49- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF2104
جدول پ- 50- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF3104
جدول پ- 51- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF4104
جدول پ- 52- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF5104
جدول پ- 53- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF6105
جدول پ- 54- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF7105
جدول پ- 55- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF8105
جدول پ-56 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدF9105
جدول پ- 57- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG1106
جدول پ-58- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG2106
جدول پ- 59- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG3106
جدول پ- 60- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG4106
جدول پ- 61- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG5107
جدول پ- 62- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG6107
جدول پ- 63- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG7107
جدول پ- 64- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG8107
جدول پ- 65- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدG9108
جدول پ- 66- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH1108
جدول پ-67- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH2108
جدول پ-68 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH3108
جدول پ- 69- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH4109
جدول پ- 70- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH5109
جدول پ- 71- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH6109
جدول پ- 72- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH7109
جدول پ- 73- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH8110
جدول پ- 74- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدH9110
جدول پ-75 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ1110
جدول پ- 76- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ2110
جدول پ- 77- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ3111
جدول پ- 78- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ4111
جدول پ- 79- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ5111
جدول پ- 80- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ6111
جدول پ- 81 - نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ7112
جدول پ- 82- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ8112
جدول پ- 83- نتایج آزمایش دینامیکی روی نمونه با کدJ9112
جدول پ – 84- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد A113
جدول پ –85- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد B114
جدول پ –86- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد C115
جدول پ –87- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد D116
جدول پ –88- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد E117
جدول پ –89- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد F118
جدول پ – 90- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد G119
جدول پ –91- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد H120
جدول پ –92- نتایج ازمایشات استاتیکی روی نمونه های با کد J121
فصل اول: مقدمه ای بر کفپوش ها
مقدمه
امروزه فرش به عنوان یک زیر انداز و کف پوش در اکثر خانه ها دیده می شود نزد ایرانیان فرش یکی از جلوه‌های منحصر به فرد به شمار می‌رود شماری از فرش‌های دست بافت ایرانی، درزمره‌ی برجسته ترین آثار هنری آفریده شده به دست بشر هستند امروزه علیرغم بازار رقابت شدید، مشغله‌های دنیای جدید و دغدغه‌های جهان صنعتی، چه در ایران و چه در خارج از ایران، نام ایران با نام فرش گره خورده است خانه‌ یک ایرانی بدون فرش، خانه‌ای بی روح و خالی جلوه می‌کند و این نمونهای کم نظیر و پیوند یک قوم با هنر ملی خود است حال با این تفاسیر و با توجه به اینکه نقش زیبایی و جلوه فرش که در زندگی روزمره با آن در تماس هستیم تولید فرش با دوام و با حفظ ظاهر مناسب در طول مدت استفاده از اهمیت ویژه ای برخوردار می گردد . به همین منظور می بایست از خصوصیات فیزیکی فرش که مرتب تحت فشار بارهای ثابت ومتحرک مانند پایه میز و صندلی و راه رفتن بر روی آن هستیم آگاهی کامل داشته باشیم و با بررسی کوچکترین جزئیات ، سعی در تولید محصولاتی با کیفیتی بهتر نمائیم
تاریخچه فرش
تاریخچه‌ی بافت قالی (یا فرش) تا آنجا که دانسته شده است، به هزاره‌ی پنجم و ششمِ پیش از میلاد در آسیای مرکزی برمی‌گردد. قالی ایرانی پازیریک، قدیمی‌ترین قالیِ دستبافِ یافته‌شده‌ی جهان است که در سیبری کشف شده و بافت ایران در دوران هخامنشیان است. قالی‌بافی در سده‌ی ۱۰ میلادی به وسیله‌ی مورها به اسپانیا شناسانده شد. جنگ‌های صلیبی باعث شد تا قالی‌های ترکی به اروپا برده شوند که در آنجا بیشتر از دیوارها آویزان می‌شد و یا بر روی میزها قرارمی‌گرفت. بنابراین، از آغاز آشناییِ اروپاییان با قالی، آنها به آن به دیده‌ی یک اثر هنری و نه یک زیراَنداز می‌نگریستند. پس از گسترش تجارت در سده‌ی ۱۷، قالی‌های ایرانی به شکل چشمگیری به اروپای غربی شناسانده شدند.
امروزه مراکز عمده‌ی تولید و بافت قالی، کشورهای ایران، پاکستان، هند، ترکیه، شمال آفریقا، منطقه‌ی قفقاز، نپال، اسپانیا، ترکمنستان و تبت می‌باشند.
تعریف فرش
فرش واژه ای عربی است که به معنای زمین میباشد و در زبان فارسی دارای مفاهیمی چون گسترده شده ، زیرانداز و کف پوش می باشد. با توجه به تعریف فوق مفاهیمی چون گلیم ، نمد ، زیلو ، فرش ماشینی و دستباف را می توان فرش دانست
انواع کفپوش
الف: کفپوشهای پرزداری که روی سیم بافته می شود .این کفپوش ها روی ماشینهای بافندگی یک مرحله ای که در آن میله های فولادی شکل ارتفاع پرز را معلوم می نماید تولید می شوند و به انواع ویلتون دو پودی وسه پودی تقسیم می شود
ب: کفپوش های رویه به رویه که روی ماشین های بافندگی که می توانند کفپوش های بهم چسبیده را تولید نمایند ایجاد می شوند
ج: کفپوش های اکسمینستر که بوسیله قرار دادن پودهای متوالی و رنگین ایجاد می شود به طوریکه طرحی که قبلا پیش بینی شده ایجاد شود
مشخصات فنی فرش ماشینی
تراکم فرش: هر تخته فرش دارای دو نوع تراکم (عرضی و طولی) می‌باشد.
تراکم عرضی فرش :تعداد ریشه (گره رنگ) در یک متر عرض فرش را گویند که با شانه مشخص می‌شود. مثال: قالی 350 شانه یعنی در هر متر عرض فرش معادل 350 ریشه (گره رنگ) بافته شده است. شانه‌های رایج بازار عبارتند از 220-250-280-320-350-380-400-440-500-700-1000 شانه.
تراکم طولی فرش : تعداد ریشه (گره رنگ) در یک متر طولی قالی را گویند. مثال: قالی با تراکم 500 یعنی در یک متر طولی فرش معادل 500 ریشه (گره رنگ) بافته شده است، تراکم‌های طولی رایج در بازار عبارتند از: 300-400-500-600-700-800-900-1000 رج می‌باشد. (تراکم طولی در روش‌های مختلف بافت فرش ماشینی با همدیگر تفاوت دارد).
تعداد ریشه(گره رنگ) در یک متر مربع فرش: حاصلضرب تعدادگره در یک مترعرض ماشین در تعداد گره در طول آن برابر است با تعداد ریشه در یک متر مربع
مواد اولیه مصرفی در فرش :جهت بافت هر فرش باید سه نوع نخ مصرف نمود: نخ پرز، نخ تار و نخ پود. البته جنس این سه نخ معمولا متفاوت است ولی از جنس یکسان نیز استفاده می شود
رنگ :جهت بافت گره‌های از رنگهای مختلف استفاده می‌شود که به دور نخ پود به صورت گره و یا به شکل (U) قرار می‌گیرد و از جنس های مختلف استفاده میشود متداولترین آنها اکریلیک ، پشم ، پلی پروپیلن و مخلوط آن می باشد
نخ تار فرش :این نخ معمولا به صورت مخلوط پنبه پلی استر ریسیده می‌شود، کیفیت الیاف مصرفی و نوع ریسندگی آن عامل مهمی در دوام و زیبایی فرش است. این نوع نخ‌ها بیشتر در قالی‌های اکریلیک مصرف می‌شود و جهت نخ تار قالی‌های پلی‌پروپیلن و بی.سی.اف از همان جنس نخ پرز (یعنی نخ بی.سی.اف) بعلت ارزانی استفاده می‌شود.
ویژگی های الیاف مناسب برای نخ پرز
رنگ پذیری یکنواخت و با دوام بسیار بلند مدت
مقاومت در برابر عوامل محیطی از جمله نور خورشید و ...
مقاومت بالا در برابر پارگی (قوام، تطویل مناسب)
مقاومت در برابر آبرفتگی
خواص آنتی استاتیک
جلای بالا و زیر دست مطلوب الیاف
طول عمر بالای الیاف
حالت ارتجاعی (Resilience) بالای الیاف
دیرتر کثیف شدن و از طرفی زودتر تمیز شدن الیاف در شستشو
نخ های متداول مصرفی در فرش ماشینی
الف :الیاف اکریلیک
به طور کلی الیاف اکریلیک به روش های زیر تهیه می شود
1-اکسیداسیون اتیلن: یک روش کلاسیک بوده واستعمال صنعتی ندارد
2-از استیلن : به منظور تهیه اکریلو نیتریل ، استیلن را با هیدروسیانیک اسید در مجاورت آب و کلروسود به عنوان کاتالیزور به طور افزایشی ترکیب می نمایند
3-روش سوهیو: در این روش برای تهیه اکریلونیتریل از اکسیداسیون پروپیلین به اکرولین استفاده می شود
4- روش استالوئید: در این روش هیدروسیانیک اسید به استالوئید افزوده می شود تا سیانیدرین حاصل شود در اثر گرفتن یک مولکول آب از سیانیدرین ، اکریلونیتریل به دست می اید در نتیجه تماس فرایندهای اشاره شده در بالا به اکریلونیتریل به دست میاید که این ترکیب به خاطر دارا بودن باند دوتایی قابلیت ترکیب اضافی با یک مولکول دیگر از اکریلونیتریل را داشته بدین ترتیب می تواند پلیمریزه شود
ب:الیاف پلی پروپیلن
مولکول پلی پروپیلن شامل یک زنجیره بلند اتمهای کربن با شاخه های گروههای متیل می باشد پلی پروپیلن بخش اصلی مخلوط های بدست آمده از فرایند های کراکینگ حرارتی و کاتالیزوری در صنعت نفت می باشد . پلی پروپیلن در بسیاری از موارد شبیه پلی اتیلن است ولی مقاومت حرارتی پایین تر و استحکام وسختی بالاتری دارد ودر مجموع بهتر از پلی اتیلن است . پلی پروپیلن ابتدا برای مصارف پلاستیکی تولید میشد ولی بعدا به صورت الیاف استیپل ونخ های مولتی فیلامنت عرضه شد
الیاف پلی‌استر:
الیاف مصنوعی حاصل از دی متیل ترفتالاک یا اسید ترفتالیک و اتیلن گلیکون ٰ و یا از 1 و 4 در متیلول سیکلوهگزان و یا کودل (kodel) که به روش ذوب ریسی تولید می‌شوند. تولید انبوه این الیاف از سال 1945 آغاز شد از خصوصیات این الیاف می توان دانسیته g/cm3 1.38، نیرو تاحد پارگی بسیار زیاد، الاستیسیته خوب، مقاومت سایشی، ثبات بسیار خوب نوری، مقاومت در برابر اسیدهای معدنی و آلی بالا را نام برد. الیاف پلی‌استر ضد چروک و نمدی شدن بوده و جمع نمی‌شوند، به راحتی شستشو و به سرعت خشک می‌شوند.
تعاریف مربوط به کیفیت فرش
دوام: قابلیت کفپوش در نگهداری مشخصات آن ضمن کاربرد آن است
دوام ظاهر: پایداری ساختمان ظاهری کفپوش ها از نظر طرح و رنگ می باشد
موئی شدن : الیافی که در کفپوش محکم نشده و بعد از مدتی از رویه خارج شده و به صورت کرک در می اید
پرزدهی: شکلی از توده کوچک الیاف که معمولا از رویه کفپوش های نساجی بیرون کشیده شده وبه وسیله برس و مکش خارج نمی شود
سایه دار شدن: تغییرات به وضعی ثابت در ظاهر پرزهای فرش که باعث ایجاد تغییرات نامنظم در جهت قرار گرفتن گره ها و حلقه ها و یا الیاف پرز می شود
مقاومت در برابر گرد و خاک : منظور مقاومت ظاهر کفپوش های نساجی در برابر گرد و غبار در طول مصرف است
دستگاههای مورد استفاده برای تعیین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی فرش
دستگاه بار استاتیکی: این دستگاه با اعمال نیرو در نقطه ثابت ، اثر بارهای سنگین مانند پایه مبل و صندلی را بررسی میکند
دستگاه بار دینامیکی: این دستگاه با وارد کردن ضربه های متوالی ، اثر بارهای متحرک مانند راه رفتن بر روی فرش را بررسی میکند
دستگاه ضخامت سنج : این دستگاه پس از انجام بار دینامیکی و استاتیکی ، نتایج تاثیرات این آزمایشات را به ما گزارش می دهد
دستگاه اندازه گیری حالت ارتجاعی نخ Rheovibron) )
یک نوسان ساز، که می تواند فرکانس های مختلف را تنظیم کند و به طور معمول از 110 هرتز استفاده می شود ، یک تحریک کننده با یک ارتعاش دهنده الیاف را تحت فشار سیکلی قرار میدهد و یک مبدل در انتهای دیگر الیاف قرار دارد و تغییرات تنش را تشخیص می دهد . خروجی مبدل بار و مبدل فشار توسط مدارهای الکترونیکی مناسب تغذیه می شود و مقادیر نسبت بار به ازدیاد طول و تانژانت δ به طور مستقیم نشان داده می شود و یا ثبت می گردد . استفاده از درجه حرارت های مختلف در دستگاه Rheovibron گنجانده شده است . شکل زیر ، روش کار دستگاه Rheovibronرا نشان داده است

شکل1-1-روش کار دستگاه Rheovibron

فصل دوم : تحقیقات انجام شده
خواص مکانیکی دینامیکی نخ فرش و عملکرد فرش
خواص مکانیکی دینامیکی فرش با نخ های نایلون ، پلی استر و پلی پروپیلن با Rheovibron اندازه گیری و مقدار تانژانت δ به عنوان اندازه ارتجاعی نخ استفاده شد . اثرات طراحی الیاف ، الیاف چین دار و ساختار نخ و نخ های هیت ست شده واثر رطوبت بر حالت ارتجاعی و مدول نخ اندازه گیری شده و به وسیله Rheovibron بررسی شده است . در این مطالعه اکتشافی ، اندازه گیریهای دینامیکی مکانیکی بر روی نخ پایل فرش با عملکرد حفظ ظاهر فرش مقایسه شده است . اندازه گیری Rheovibron از حالت ارتجاعی نخ ممکن است حفظ ظاهر فرش در طی مراحل اولیه از عکس العمل فرش را شرح دهد .
عملکرد فرش مصنوعی موضوع توجه محققان زیادی بوده است . بافت sauony ، محبوب ترین سبک فرش های مصنوعی است که از نخهای پایل نایلون ، پلی استر یا پلی پروپیلن تولید شده است . تغییرات در ظاهر فرش توسط چند مکانیسم مانند شکستگی الیاف ، تغییر رنگ ، از دست رفتن نوک پایل و خرد شدن آن ایجاد می شود . southern وهمکارانش (1) از دست دادن ظاهر فرش را در فرش ساکسونی با پایل کات به عنوان برگشت پذیری طبقه بندی کردند. ( به عنوان مثال : خرد شدن و از دست دادن ارتفاع پایل ) و از دست دادن نیرو ( به عنوان مثال بوریا بافی ) در مطالعات انجام شده بر روی فرش نایلون 66 و پلی استر ، آنها دریافتند که اگر چه نوع پلیمر اثر عمده ای بر عملکرد خرد شدن فرش داشته ولی اثر قابل توجهی بر روی بوریا بافی نداشت آنها به این نتیجه رسیدند که افزایش تاب و کاهش حجم نخ در بهبود حفظ ظاهر فرش موثر است اما در همان زمان نیز ضخامت فرش کاهش می یابد . مطالعه ما به جنبه های مرتبط با حالت ارتجاعی عملکرد فرش که اندازه گیری شده به عنوان حفظ ظاهر فرش محدود شده است . ما به طور خاص بررسی کردیم که آیا اندازه گیری Rheovibron از حالت ارتجاعی نخ در ارتباط به حفظ ظاهر فرش است یا خیر ؟. از هر مدل نظری برای تعریف نقش حالت ارتجاعی نخ در عملکرد فرش استفاده نشد بلکه بررسی شد که آیا اندازه گیری حالت ارتجاعی نخ مربوط به حفظ ظاهری فرش می شود یا خیر ؟ اگر بتوانیم ابزار پیش بینی اندازه گیری را در مرحله نخ تائید کنیم ، باعث می گردد توسعه محصولات انعطاف پذیر تر در فرش سرعت یابد . Rheovibron بر اساس اصل تجزیه و تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) است این تکنیک مشخص با اندازه گیری ویژگیهای تغییر شکل مواد در پاسخ به انبرک ارتعاشی است . هنگامی که مواد ویسکوالاستیک مانند الیاف و نخ تغییر شکل می دهند ، بخشی از انرژی پتانسیل ذخیره شده به صورت انرژی و بخشی به صورت گرمای درون اصطکاکی تلف می شود اصطکاک داخلی بیشتر باعث اتلاف گرما و کاهش حالت ارتجاعی می گردد . انتظار می رود که اندازه گیری های مکانیکی دینامیکی بر روی نخ فرش مربوط به خواص مکانیکی دینامیکی الیاف و پارامتر های ساختاری نخ باشد . اندازه گیری از دست دادن انرژی بالا در نخ فرش دلالت بر حالت ارتجاعی کم نخ دارد و کم بودن حالت ارتجاعی به این معنی است که برگشت پذیری پایل فرش کم است .
آزمایشات
خواص مکانیکی دینامیکی مجموعه های مختلفی شامل نخ فرش تجاری نایلون ، پلی استر و پلی پروپیلن و اختلاف در خواص الیاف و ساختار نخ را اندازه گیری شد . برای مطالعات اکتشافی مربوط به خواص مکانیکی دینامیکی نخ به منظور حفظ ظاهر فرش ، امکان دسترسی به نخ پایل و اطلاعات حفظ ظاهر برای دو مجموعه فرش را بود از آن جایی که از نمونه های تجاری در دسترس استفاده گردید ، تجزیه و تحلیل کامل برای هر متغیر امکان پذیر نبود . با وجود این محدودیت این مطالعه ، ارتباط اندازه گیری های مکانیکی دینامیکی بر روی نخ فرش با مطالعه حالت ارتجاعی نخ و به نوبه خود ارتباط آنها با جنبه های مربوط به حالت ارتجاعی از حفظ ظاهر فرش را بررسی کرده است .
2-1-1- اندازه گیری خواص مکانیکی دینامیکی بر روی نخ فرش
خواص مکانیکی دینامیکی نخ فرش با استفاده از یک Rheovibron مدل DDV-11 اندازه گیری شد که بر اساس روش DMA حرکت سینوسی و عکس العمل آن است . (به شکل 2-1 نگاه کنید) هر دو کشش اعمالی ، تنش و کرنش منجر به تغییرات سینوسی در زمان می گردد . نمونه قبل از اندازه گیری کشیده شده است و تغییر شکل آن صرفا کششی است ، این نمونه در معرض فشار قرار ندارد . مقدار مدول دینامیکی E نسبت حد اکثر دامنه تنش به دامنه کرنش است و زاویه اختلاف فاز δ مقدار افت بین تنش و کرنش است . مدول دینامیکی را می توان به دو جزء تقسیم نمود ، بخش واقعی E'،که نشان دهنده ی بخشی است که در آن تنش و کرنش در فاز هستند و بخش موهومی E" که نشان دهنده ی بخشی است که در آن تنش خارج از مرحله با کرنش است . ضریب اتلاف تانژانت δ می تواند نشان داده شود به صورت E"/E' . RHEOVIBRON مستقیما مقدار E وδ tan را نشان می دهد .

شکل2-1- عملیات اصلی (بارگذاری کشش دینامیکی) روی Rheovibron
حالت های تغییر شکل نخهای فرش پیچیده است بافت فرش تحت حالتهای مختلف مانند ، فشرده سازی محوری ، خمشی ، سطحی ، کششی برشی و غیره تغییر شکل می دهد . حتی اگر ، Rheivibron تنها در حالت کششی کار کند ، اندازه گیری Tanδ ممکن است به عنوان یک ویژگی اساسی مواد اولیه در نظر گرفته شود که بستگی به حالت ارتجاعی در روش های مختلف دارد . الشیک و هرش(2) ، در تجزیه و تحلیل تغییر شکل پایل لوپ فرش نشان دادند که پس از فشرده سازی اولیه ، پایل فرش به صورت افقی منحرف می شود . اگر حلقه به اینچ در هر دو جهت کم باشد ، حلقه ها ممکن است له شوند و از جهت جانبی تغییر شکل پیدا نکنند . در بارهای زیاد ، نخ پایل منحرف می شود تا متراکم شود ، به طوری که ستون های سفتی جهت تحمل بار تشکیل گردد . نویسندگان ممکن نیست هندسه مطلوب فرش را بدون دانش رفتار بر گشت پذیری ریشه فرش شرح دهند ، و انرژی فشاری ذخیره شده در پایل های تغییر شکل یافته باید بیشتر از مجموع انرژی تلف شده باشد . اندازه گیری مکانیکی دینامیکی بر روی نخ فرش می تواند اطلاعات موجود درباره رفتار برگشت پذیری پرز فرش را ارائه دهد . در مقایسه الیاف با نخ ، مقدار تانژانت کمتر نشان دهنده اتلاف انرژی کمتر و انعطاف پذیری بهتر است و مقادیر مدول دینامیکی پایین تر نشان دهنده تغییر شکل آسان تر یا مواد نرم تر است .
اثر تغییرات در الیاف ، نخ ، و تغییرات زیست محیطی بر روی خواص مکانیکی دینامیکی نخهای فرش اندازه گیری شده و خواص مورد انتظار فرش مقایسه گردید .
2-1-1-1- اثرات کشش الیاف
در این مطالعه ، خواص مکانیکی دینامیکی نایلون 6 را در اثر کشش دادن و کشش ندادن آزمایش کرده است ( جدول 2-1 ) . کم شدن زیاد تانژانت برای کشش ندادن الیاف ، نشان دهنده حالت ارتجاعی ضعیف آن می باشد . کشیدگی منجر به پیوند مولکولی بزرگتر و عملکرد انعطاف پذیر الیاف می گردد . نسبت کشیدگی الیاف یک پارامتر مهم در بهینه سازی ساختار لیف است ودر نتیجه منجر به بهینه سازی عملکرد فرش می گردد و اما حداکثر نسبت کشیدگی که به صورت تجاری استفاده می شود به وسیله افزایش انرژی مورد نیاز برای الیاف چین دار محدود شده است .
جدول2- 1- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی بر روی لیف نایلون 6

2-1-1-2- اثر فر و موج الیاف
خواص مکانیکی دینامیکی دو نوع الیاف تجاری پلی پروپیلن که در بازار به عنوان پلی پروپیلن استاندارد و انعطاف پذیر است تحت عنوان A و B آزمایش شد چین وموج الیاف B، 40 درصد است و الیاف A ، 28 درصد است . الیاف B دارای تراکم بیشتری است و ادعا می شود که مقاوم تر است . این دو نوع الیاف را برای خواص مکانیکی دینامیکی آزمایش شد (شکل 2-2 ). در حالیکه بسیاری از چین و موج های الیاف در حال آزمایش قبل از اندازه گیری به وسیله کشش برداشته می شود با این حال پیش کشش نخ باعث کاهش چین و موج زیاد الیاف نمی گردد زیرا آن ها در ساختار نخ قفل شده است .

شکل2- 2- خصوصیات مکانیکی دینامیکی الیاف و نخ پلی پروپیلن
الیاف B مدول دینامیکی کمتری از الیاف A در دمای اتاق نشان می دهد زیرا نرمتر است . کم شدن مقدار تانژانت دو الیاف در دمای اتاق مشابه هستند اما در دماهای بالاتر ، الیاف B اتلاف انرژی کمتری دارد ، و این دلالت بر حالت ارتجاعی بالاتری دارد. مقدار مدول نخها کمتر از الیاف است زیرا انرژی اولیه به حالت مستقیم قبل از کشش خود مورد استفاده قرار می گیرد . دو نخ ارائه شده دارای اتلاف انرژی مشابه هستند الیافی که چین و موج بیشتری دارند منجر به مدول دینامیکی پایین تر برای نخ B می کردند به طور خلاصه مقدار تانژانت δ برای نخ A و B که به ترتیب ریسیده شده اند با چین و موج کم و زیاد ، در دمای اتاق با هم فرقی ندارند . بنابر این می توان گفت نخ A و B در حالت ارتجاعی مشابه هستند . چین و موج دار کردن الیاف به طور کلی به عنوان یک پارامتر مهم در بهینه سازی حالت ارتجاعی و نرمی فرش به رسمیت شناخته شده است .
2-1-1-3- اثر تاب چند لا
در این مطالعات ، هنگامی که تاب نخ نایلون 6 چند لا افزایش یافته در یک محدوده کوچک مقدار تانژانت کاهش یافته است (جدول 2-2) . این یافته با انتظار ما که تاب بیشتر باعث حالت ارتجاعی بالا تر می گردد سازگار است میزان تاب در نخ فرش با هزینه آن محدود می شود و همچنین تاب بیشتر نخ باعث کاهش ظاهر بدنه فرش می گردد .
جدول 2- 2- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی نخ پایل نایلون 6

2-1-1-4- اثر هیت ست(heat set)
پیمودن و تنظیمات حرارتی یک تک نخ نایلون 6 (جدول 2-3 ) منجر به یک نخ با مقدار تانژانت پایین تر مشابه یک تک نخ می گردد هم چنین مقدار مدول دینامیکی کمتر از یک تک نخ می شود . اندازه گیری روی نایلون 66 تک لا ، چند لا و پیمودن و هیت ست کردن نخ (جدول 2-6 ) نیز نشان می دهد که در فرکانس 110 هرتز ، افزایش پیمودن ، مقدار تانژانت را کاهش و کاهش تنظیمات حرارتی نیز مقدار تانژانت را کاهش می دهد . با این حال به نظر می رسد این اثرات بر 11 هرتز معکوس باشد .
می شود به طور مختصر بیان کرد که پیمودن و تنظیم حرارت منجر به مدول پایین تر نخ فرش نسبت به نخ تک لا می گردد . در نتیجه محصول ما فرشی نرم تر است و حالت ارتجاعی را به همان اندازه حفظ می کند . تنظیم حرارت برای بهبود حالت ارتجاعی برای رفت و آمد نخ حیاتی و مهم است .
جدول2-3- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی نخ نایلون6

2-1-1-5- اثر رطوبت
انتظار می رود رطوبت باعث کاهش حالت ارتجاعی فرش ، بخصوص برای الیاف جاذب رطوبت مانند نایلون شود . مایعات به دلیل کاهش نیروی بین مولکولی درون الیاف نرم می شوند. ، در این مطالعه ، تحت شرایط استاندارد و شرایط رطوبت اندازه گیری شده تا بررسی شود که آیا تفاوت در مقدار کاهش تانژانت برای دو مجموعه با تغییراتی که در حالت ارتجاعی برای انواع مختلف الیاف انتظار می رود مطابقت دارد . جدول2- 4 لیست اندازه گیری های مکانیکی دینامیکی را که تحت شرایط استاندارد و رطوبت برای نخ پلی استر نشان می دهد . همانطور که جدول نشان می دهد ، اثر رطوبت مواد منجر به بالا رفتن مقدار تانژانت در شرایط مرطوب میگردد .که با حالت ارتجاعی ضعیف که انتظار می رود سازگار است .
جدول 2-5 لیست اندازه گیری های مکانیکی دینامیکی را تحت شرایط استاندارد و رطوبت برای الیاف پلی پروپیلن نشان می دهد . جدول نشان می دهد یک افزایش کوچک در مقدار کاهش تانژانت برای الیاف پلی پروپیلن در شرایط مرطوب وجود دارد که از افزایش برای نخ پلی استر کمتر است . این موضوع با این نظریه که الفین ها کمتر تحت تاثیر رطوبت قرار می گیرند و مناسب ترین فرش برای مناطق مرطوب هستند ، سازگار است .
جدول2-1 لیست اندازه گیری های استاندارد و رطوبت روی الیاف نایلون 6 است از انجایی که نایلون رطوبت بیشتری را نسبت به پلی استر و الفین جذب می کند و این منجر به انرژی بیشتر و از دست دادن حالت ارتجاعی بیشتری می گردد . برای نایلون 66 ( جدول2- 6 ) مقدار کاهش تانژانت تحت شرایط مرطوب ، بسیار بالا است . اثر رطوبت بر روی خواص مکانیکی دینامیکی فرش الیاف نایلون به طور قابل توجه بین الیاف خام و رنگی متفاوت است . درمورد نخ نایلون خام ، مقدار کاهش تانژانت تحت شرایط مرطوب افزایش یافته همان طور که در جدول 2-1و2-6 آمده است . برای نخ نایلون رنگی (جدول 2-7 )مقدار کاهش تانژانت در شرایط مرطوب کمتر بوده است . برای این یافته توضیحی نیست ،حضور رنگ ممکن است در اثر رطوبت اثر نرم کنندگی داشته باشد . اگر رنگ ها در واقع بهبود دهند عملکرد حالت ارتجاعی نایلون را در شرایط مرطوب از لحاظ تجاری اهمیت زیادی خواهد داشت . احتمال دیگر این است که اثر رنگ ها بر روی اصطکاک الیاف ممکن است در شرایط خشک بسیار بیشتر باشد .
جدول2-4- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی نخ پلی استر

جدول2- 5- اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی الیاف و نخ پلی پروپیلن

جدول2-6-اندازه گیری مکانیکی دینامیکی روی نخ نایلون 66

جدول2-7- خصوصیات دینامیکی نخ رنگ شده نایلون

2-1-2- نتیجه گیری :
اندازه گیری های مکانیکی دینامیکی بر روی نخ فرش می تواند یک اقدام مفید برای مطالعه و پیش بینی جنبه های مربوط به حالت ارتجاعی از عملکرد فرش را ارائه دهد . عملکرد حالت ارتجاعی ممکن است از عوامل مهم موثر بر حفظ ظاهر فرش در مراحل اولیه فرسودگی باشد .
اثر الیاف ، نخ و متغییرهای محیطی بر روی حالت ارتجاعی نخ و رابطه بین حالت ارتجاعی نخ و عملکرد فرش نیاز به بررسی بیشتر دارد . نسبت کشیدگی الیاف در به دست آوردن الیاف انعطاف پذیر بسیار مهم است . ترکیب الیاف به تک نخ و تک نخ به یک نخ چند لا منجر به نرمی و تراکم بیشتر فرش می گردد . هیت سیتینگ باعث بهبود حالت ارتجاعی نخ می گردد . تغییرات در تاب نخ در حالت ارتجاعی و حفظ ظاهر موثر است . اثر شرایط مرطوب در حالت ارتجاعی نخ فرش بستگی به نوع پلیمر دارد .
مقایسه عملکرد خواص فرش شامل نخ نایلون 6ونایلون 66
تجزیه وتحلیل پارامتر عملکرد خواص از یک گروه 24 تایی نمونه فرشهای یکسان که نیمی از ان با نخ نایلون 6 و نیمه بقیه با نایلون 66 تهیه شده و نشان میدهد که فرش با نایلون 66 از استحکام بافت و ثبات رنگ با ازن ، برتر از نایلون 6 است . هیچ تفاوت معنی داری بین عملکرد خواص نایلون 66 ونایلون 6 از لحاظ دفع خاک ، دفع روغن ،ثبات رنگ با نور، ثبات رنگ با اکسید نیتروژن و بازگشت ضخامت بعد از برداشتن بار استاتیکی وجود ندارد .
ارزیابی غیر پارامتری با یک دستگاه مخصوص از طریق مقایسه زوجی فرش نایلون 6 ونایلون 66 به وسیله سایش در یک غلتک vettermann نشان می دهد که دستگاه نایلون 66 را بیش از نایلون 6 ترجیح می دهد ( 50 بار از 54 بار )
این مقایسه بین ساختار فرش است و بین ساختار یک نوع الیاف تهیه شده خاص نیست . از انجایی که بافت فرش به پایان رسیده ما معتقدیم که تاثیرات بر اثر یک دسته از پارامتر ها مانند دنیر لیف ، مدول الیاف ، شکل سطح مقطع الیاف ، دنیر نخ ، تاب نخ ، شرایط هیت ست ، ارتفاع پایل ، وزن پایل و غیره می باشد . نوع پایل و وزن پایل هر دو بر خواص حفظ بافت اثر دارند که در آزمایش vettermannنشان داده شده است .علاوه بر این نوع پایل در دفع خاک و کثیفی موثر است . رفتار پلیمر ها تاثیر مثبتی روی خصوصیا ت ثبات رنگ با ازن ، دفع خاک ، دفع روغن و دفع آب دارد .
از لحاظ تاریخی ، مطالعات انجام شده از پلیمر های نایلون 66 و6 روی توسعه ساختار ، خواص فیزیکی و مکانیکی ، روابط ساختاری و مرفولوژی متمرکز شده است . بنابر این ، بسیاری از خواص الیاف و پلیمر مانند رفتار های مذاب ، خواص کششی ، حرارتی و پایداری اکسیداتیو ، تبلور و جهت گیری به صورت گسترده بررسی شده است . در حالی که تفاوت در برخی از خواص این مواد قابل توجه است ، ولی همچنان نایلون 66 ونایلون 6 کم و یا زیاد به جای یکدیگر استفاده می شود . شاید این به علت تشابه بسیاری از خواص آن می باشد .
به عقیده prevorsek و همکارانش(4) ، در حالیکه این امکان وجود دارد که با تغییر در روند ساخت و اصلاحات شیمیایی کوچک ، خواص بسیار متفاوت نایلون 6 و نایلون 66 را به هم انتقال داد . ولی به ندرت نایلون 6 برای همان برنامه معادل نایلون 66 بوده است . هر چند این بدین معنی نیست که نایلون 66 به طور خود کار به نایلون 6 ترجیح داده می شود ، زیرا برای محصول نهایی قطعی نیست که نیازی به خصوصیات ویژه نایلون 66 نباشد و یا کیفیت خاص بستگی به محصول فرعی دارد و یا با استفاده از پلیمر های مختلف پوشش داده می شود .
وقتی عملکرد فرش ارزیابی می شود ، از لحاظ تجاری درک می شود که ساختار نایلون به طور قابل توجه بهتر از پلی پروپیلن والیاف پلی استر است با این حال تفاوت در عملکرد خواص فرش های ساخته شده از نایلون 66 و نایلون 6 تفاوت های ظریفی دارد . جالب توجه است که داده های توصیفی که اختلاف بین فرش نایلون 6 ونایلون 66 را شرح دهد ، وجود ندارد؟! در این مطالعه ، از طرح چند عاملی (فاکتوریل) که از نظر عملی صحیح است استفاده شده است . هدف اصلی از این مطالعه شناسایی پارامتر های آماری معنی دار عملکرد فرش مربوط به خواص ذاتی پلیمر و تعیین کیفیت تفاوت هایی که امکان پذیر است میباشد .
2-2-1- مواد و روش ها
این مطالعه تحت پوشش 24 نمونه مختلف فرش است که نیمی از آن از نخ نایلون 66 و نیمه دیگر آن نخ نایلون 6 می باشد نخ ها از لحاظ سطح مقطع ، دنیر فیلامنت و دنیر نخ با هم برابر بودند . همچنین برای اطمینان حاصل از اینکه نتایج بدست آمده از این مطالعه می تواند به طیف گسترده ای از استفاده های محلی وصنعتی برسد نوع پایل ، وزن پایل ، ارتفاع پایل و نوع ساختار ورفتار پلیمر را به عنوان متغییر در تکمیل نهایی در نظر گرفته شد . همچنین سطح این تغییرها را برای دو نوع الیاف یکسان نگه داشته شد ، در نتیجه برای مقایسه یک جفت یکسان از عملکرد خواص از دو نوع الیاف در تمام تغییرات ساختار استفاده شده است جدول 8 نشان می دهد که آزمایش مواد ارائه شده با طرح چند عاملی ، با 4 فاکتور مختلف است که هر فاکتور با حداقل 2 سطح مختلف نشان داده شده است .
جدول2- 8- تعریف متغییر ها

مجموعه کاملی از مواد آزمون به نمایندگی از این پارامترهای متغیر در جدول 9 نشان داده شده است . همه اقدامات احتیاطی لازم در طول مدت تولید مواد آزمایش انجام گرفته تا پارامتر های فیزیکی هر دو مجموعه فرش نزدیک به هم نگه داشته شود .وزن پایل انتخاب شده برای پایل لوپ وپایل کات مختلف بودند (30 و36 و42 انس برای پایل کات و 24 و28 و32 انس برای پایل لوپ) . این اختلاف ها در صنعت عرف است اختلاف آماری معنی داری بین متوسط وزن پایل نایلون 6 نایلون 66 وجود ندارد و این برای متوسط ارتفاع پایل نیز صحیح است . در نتیجه برای فرش نایلون 6 ونایلون 66 یک طرح کاملا متعادل است. در زیر بعضی از ساختارهای ویژه اضافی از نمونه های فرش که در جدول 2-9 ذکر نشده است توضیح داده شده است .
نوع نخ : 18 تا از 24 نمونه فرش از فیلامنت مداوم استفاده شد و6 تا باقی مانده از الیاف استیپل استفاده گردید . 50 % از نخهای فیلامنت فرش از نایلون 6 و 50 % بقیه از نایلون 66 . و به همین ترتیب سه تا از 6 نخ استیپل از نایلون 6 و3 تای باقی مانده از نایلون 66 می باشد .
مشخصات نخ فیلامنت : نخ فیلامنت تولید شده از 20 رشته dpf trilobal و با دنیر نخ 1300 و تاب 75/4
مشخصات نخ استیپل : نخ استیپل تولید شده از 18 رشته dpf trilobal نمره نخ 4/3 Ne بود تعداد تاب 3/5 تاب در اینچ و تاب یک لا بود 1/5 تاب در اینچ . گیج سوزن : 10/1 مقدار دفع رنگ روی نایلون 6 ونایلون 66 : صفر ( بدون دفع رنگ ) .
تجهیزات هیت ست : نخ فیلامنت از تجهیزات هیت ست superb استفاده شده است و نخ استیپل از تجهیزات هیت ست sussen . نخها به شیوه تجاری برای نایلون 6 ونایلون 66 هیت ست شدند . روش رنگرزی : رنگرزی مرطوب
تمام آزمایشات بر اساس استاندارد ATTCC انجام شده است .
جدول2- 9- مشخصات نمونه فرش در آزمایشات

2-2-2- نتایج وبحث
جدول 10 ارزیابی عملکرد خواص اندازه گیری شده ازمایشات فرش را برای ثبات نور ،ثبات ازن ، ثباتNOx ودفع روغن، دفع آب ، دفع خاک ، برگشت پذیری ضخامت و درجه بندی سطح بافت را نشان می دهد که به روش درام vatterman اندازه گیری شده است جدول2- 11 نشان می دهد که متغیرهای ساختار فرش بر روی اندازه گیری عملکرد خواص از نظر اماری معنی دار است (95% بادرصد اطمینان ) واین که متغیرها هیچ اثری روی اندازه گیری خواص ندارد
جدول2- 10- اندازه مشخصات نمونه های فرش

اثر نوع الیاف بر روی خواص سطح بافت به وسیله درام vettermann اندازه گیری شد . در شکل یک ما می بینیم که نایلون 66 در مقایسه با نایلون 6 بعد از 5000 بار بار گذاری و برداشتن بار در تست درام از خواص حفظ ساختار بافت بهتری بر خوردار است جدول 2-11 نشان می دهد که تفاوت مشاهده شده در خواندن درام vettermann بین نایلون 6 و نایلون 66 از نظر آماری معنی دار است .
جدول2- 11- آزمون آماری معنی دار به روش ANOVA

اثر نوع الیاف بر ثبات ازن : از مقایسه مقادیر اماری درجدول2- 11 آشکاراست که خواص ثابت ازن روی فرش نایلون 66 برتر از نایلون 6 است . رفتار آن شبیه مشاهدات کار های قبلی است . شکل 5 نشان می دهد که فرشی که با یک فلو پلیمر آماده شده ثبات ازن را بهتر نشان می دهد نسبت به فرشی که این گونه نیست .
2-2-2-1- اثر نوع الیاف روی دفع روغن :
جدول 2-11 نشان می دهد اختلاف در مقدار اندازه گیری در دفع روغن بر روی نایلون 66 و نایلون 6 از لحاظ آماری معنی دار نیست . در عین حال در جدول 2-11 وشکل 2-6 نشان می دهد که دفع روغن دارای اثر مثبتی است .به وسیله رفتار فلو پلیمر و برای فرش هایی که فلو پلیمر عمل نمی کند درجه دفع روغن بین 08/3 تا 33/1 می باشد .
2-2-2-2- اثر نوع الیاف روی دفع آب :
جدول 2-11 نشان می دهد که نوع الیاف روی دفع آب اثری ندارد با این حال جدول همچنین نشان می دهد که دفع آب به طور قابل توجه تحت تاثیر رفتار فلو پلیمر قرار دارد و این مشاهده مورد انتظار ما است .
2-2-2-3- اثرنوع الیاف روی دفع خاک :
نوع الیاف اثری بر روی خاک ندارد با این حال در روش آزمون ANOVA نشان میدهد که هر دو نوع پایل ورفتار فلو پلیمر بر روی دفع خاک اثر دارد . برای مقادیر کم دفع خاک ، فرش با پایل لوپ در مقایسه با پایل کات و دفع خاک بهتری را نشان می دهد . همچنین رفتار فرش با فلو کربن پلیمر نسبت به فرشهای که این گونه نیست دفع خاک بهتری دارد .

2-2-2-4- اثر نوع الیاف بر روی ثبات رنگ با نیتروژن :
جدول 2-11 نشان می دهد که اختلاف بین نایلون 6 و نایلون 66 از لحاظ آماری معنی دار نیست با این حال ، در ارتباط با ثبات رنگ ، مهم است که به یاد داشته باشید که آنچه برای یک رنگ لازم نیست ، برای رنگ های دیگر اینگونه نیست . نتایج به دست آمده تنها برای سیستم رنگ اسیدی مورد استفاده در این مطالعه می باشد
در بازگشت ضخامت ، اما به طور قابل توجه برای رفتار فلوپلیمر پایین است و این برای هر دو آزمایش 1 ساعت و24 ساعت می باشد بنا بر این ، رفتار فلوپلیمر تاثیر قابل توجهی بر روی بازیابی ضخامت از اعمال بار استاتکی دارد چنان چه قبلا گفته شد ، هدف ما از این مطالعه تعیین تشخیص و کیفیت ارزیابی عملکرد مختلف است وما قصد نداریم دلیل این اختلاف را کشف کنیم . مطالعات جدید باید بر روی عواملی که باعث کم شدن بهبودی ضخامت بارفتار فلو پلیمر میشود توجه کند .
.
2-2-3- ارزیابی نا پارامتریک بافت
یکی از محدودیت های عمده ای که برای ارزیابی بافت ، مقیاس درجه بندی بافت CRI است که نشان دهنده سیستم تر تیبی است و در آن تغییرات بافت فرش با عکس استاندارد مقایسه می گردد علاوه بر این ، از آنجایی که این مقیاس ترتیبی ، تفاوت رتبه X از کمترین مقدار تا بیشترین مقدار نمی تواند به یک اندازه اهمیت داشته باشد . بنابر این ، حتی اگر تفاوت عددی بین رتبه بندی 4 و5 و رتبه 2 و3 باشد بسیار متفاوت است . به همین دلیل ، رفتار کمی ( ارزیابی پارامتری ) داده های ترتیبی تا حدودی گمراه کننده است زیرا آنها به طور کامل اختلاف ها را با کیفیت واقعی منعکس نمی کنند . آیا حالتی وجود دارد که ارزیابی نا پارامتریک بهتر از ارزیابی پارامتریک باشد .
قدرت تشخیص انسان بیشتر از ابزار های اندازه گیری خطوط پارچه است که توسط دیویس این گونه شرح داده شده است : این واقعیت شگفت انگیز است که کوچک ترین خطوط روشنایی در پارچه را مردم می فهمند و به آن اعتراض می کنند . مردم به رگه هایی که به سختی با ابزار قابل تشخیص است اعتراض می کنند قضاوت انسان اغلب باعث می شود که کمترین اختلاف بین بافت نمونه ها را ببینیم و در نتیجه CRI کمتر در نشان دادن اختلاف بین نمونه ها موثر است . همچنین ، در واقعیت مصرف کنندگان بر اساس حواس خود برای خرید تصمیم گیری می کنند و بنابراین آنچه فهم آن برای انسان حیاتی است توسعه تجارت است . بنابراین در این کار ، ما برای استفاده از تفکیک بیشتر خصوصیات تصمیم گرفتیم از آزمون مقایسه ای یکسانی برای فرش نایلون 66 در برابر نایلون 6 استفاده کنیم . ما از ارزش آزمون مقایسه ای برای پاسخ به این سوال استفاده کردیم آیا تفاوت معنی دار در پوشش فرش نایلون 66 ونایلون 6 وجود دارد . ما اعتقاد داریم که استفاده از روش آزمون مقایسه ای در مقابل توصیف سر به سر ، روش آماری قدرتمندی است . و آن را در مقایسه از نظر ارتباط و سودمندی نسبت به بافت CRI برتر کرده است .
هر یک از 24 نمونه فرش در 3 تکرار در آزمون درام vettermann با 5000 چرخه قرار گرفتند تا در آزمون مقایسه ای مورد استفاده قرار گیرند . نمونه ها به نمایندگی از پارامتر ساختار یکسان به عنوان آزمون برای آزمون مقایسه ای انتخاب شدند . هر تکرار نایلون 6 با عددهای 1 و2 و3 و هرتکرار نایلون 66 با A وb وc نشانه گذاری شد . هر 9 ترکیب ممکن نایلون 6 در مقابل نایلون 66 با هم مقایسه شدند ( 1 در مقابل A ،2در نقابل َA و..... و3 در مقابل C وغیره ) و نمره ای برای آن در نظر گرفته شد . ( توسط یک شخص ماهر در هنر قضاوت سایش ) این قضاوت در مورد میزان سایش (درجه بافت) به دنبال یک روش کور کورانه است. در داخل یک جفت خاص مورد آزمایش قرار گرفته و 9 مقایسه به صورت تصادفی انتخاب شدند و پس از آن 9 مقایسه دیگر آماده گردید . و9 مورد بعدی برای این جفت در نظر گرفته شد همه جفت های پایل برشی قبل از اقدام به جفت پایل های حلقه ای مورد قضاوت قرار گرفتند . طرحهای مقایسه ای برای پایل فرش کات و لوپ و تنظیمات نمره گذار برای هر جفت مقایسه در جدول 2-5 و2-6 نشان داده شده است .
جدول2-12- مقایسه جفتی طرح ها با پایل کات

جدول 2- 13- مقایسه جفتی طرح ها با پایل حلقه

جدول 2-12 نشان می دهد که در مقایسه کور که شامل جفت های همسان است ،متخصص نمره گذار فرش نایلون 66 را 50 بار از 54 بار در مورد فرش با پایل کات ترجیح داده است و نشان می دهد در شرایط مساوی ، برای نایلون 6 از 54 بار 4 بار برتر از نایلون 66 بوده است . جدول 2-13 نیز در مورد پایل حلقه فرش نایلون 66 را 50 از 54 مورد به نایلون 6 ترجیح می دهد بنابر این ، نمره گذار اکثریت فرش نایلون66 را در مقایسه با نایلون 6 ترجیح داده و تنظیمات برای فرش با پایل لوپ وکات نیز یکسان بوده است .
2-2-4- نتیجه گیری
یک ارزیابی کامل فاکتوریل از خواص عملکرد فرش نایلون 6 و نایلون 66 که شامل اکثر متغییرهای ساختاری رایج است نشان داده است که فرش نایلون 66 از لحاظ حفظ ساختار و ثبات رنگ با ازن در مقایسه با نایلون 6 بهتر است . در یک آزمایش مقایسه ای کور کورانه ( بدون دلیل ) که شامل جفت های یکسان است ، متخصص نمره گذار در اکثر موارد فرش نایلون 66 را به نایلون 6 ترجیح می دهد (50 از 54 )
با این حال ما باید به یاد داشته باشیم که مقایسه بافت بین طراحی بهینه فرش نایلون 6 و66 نیست برتریها می تواند به طور قابل ملاحظه ای متفاوت باشد . در دو مجموعه از فرش که به نحو متناسب طراحی شده اند و با هم مقایسه شوند
همچنین مهم است به خاطر داشته باشید که الیاف نایلون 66 به طور کلی هزینه بیشتری نسبت به نایلون 6 دارد و این امکان وجود دارد که فرش نایلون 6 در مقایسه با برتری بافت نایلون 66 از لحاظ هزینه ترجیح داده می شود . هیچ تفاوت قابل توجهی در عملکرد بین خواص فرش نایلون 6 با نایلون 66 در شرایط ثبات رنگ به اکسید های نیتروژن ، بهبود ضخامت در مدت طولانی از بار استاتیکی ، دور کنندگی روغن ، دفع آب وخاک وجود ندارد . همانطور که انتظار می رود رفتار نایلون فلوپلیمر به میزان قابل توجهی دفع آب ، روغن و خاک را بهبود می بخشد
با این حال ، رفتار فلوپلیمر همچنین باعث کاهش برگشت ضخامت بعد از برداشتن بار استاتیکی در مدت طولانی می گردد . این کار بر رفتار فلو پلیمر که باعث کاهش برگشت ضخامت می شود تمرکر نمی کند و ممکن است که برای درک این رفتار کار بیشتری لازم باشد .

2-3- مطالعه و تحقیق اثر بار دینامیکی و استاتیکی روی خصوصیات فرش های دست باف
اثر بار استاتیک بر خواص فرش دستباف :
در این تحقیق خواص فیزیکی و مکانیکی فرش دستباف ،موردمطالعه قرار داده شده است و از دو گروه از الیاف پشم،که از دو بخش از ایران ، آماده و برای استفاده در فرش از ان استفاده شد . هر گروه از الیاف شامل پشم معمولی ودباغی شده بودند . نمرات استفاده شده در نخ ها, 2/4 و 2/6 ، متریک با دو تراکم متفاوت بافته شد .. پس از بافتن فرش ها، آنها تحت نیروی ثابت قرار داده شد و تغییرات ضخامت آنها در برابر زمان اندازه گیری و در مقیاس لگاریتمی رسم شد . این نتایج برای مقایسه هر یک از پارامترها ، از جمله نوع و کیفیت الیاف پشم و همچنین تراکم گره از فرش مورد بررسی قرار گرفت .
هدف از این پژوهش مطالعه وبررسی خواص دینامیکی فرش دستباف بود که ، لازم بود برای انجام آزمایش در فرش نمونه هایی با ابعاد کوچک از فرش تهیه شود و فرش باید برای این منظور تهیه می شد بنابر این، هشت فرش ، در ابعاد 60×90 سانتیمتر، بافته شد. برای تولید این فرش ، دو الیاف پشم متفاوت از دو بخش ایران ارائه شد .منطقه انتخابی (سیرجان ) جنوب شرق ایران و(کرمانشاه ) غرب ایران بود . از هر منطقه هر دو الیاف پشم معمولی ودباغی شده استفاده شد .
الیاف پشم از منطقه اول تا حدودی بهتر از منطقه دوم بود . سپس چهار گروه از الیاف پشم دو نخ با نمرات مختلف ، Nm = 4/2 and 6/2، تابیده شد هشت فرش بافته شد . برای گروه اول از نخی با نمره 2/4 متریک ، و تراکم 25 گره در 5/6 سانتیمتر، مورد استفاده قرار گرفت برای فرش های گروه دوم از نخ 2/6 متریک و تراکم 35 گره در 5/6 سانتی متر برای بافت مورد استفاده قرار گرفت . نخ پشمی با استفاده از مواد رنگی گیاهی به روش سنتی رنگ شد .علاوه بر نخ پشمی، مواد استفاده شده درپایل ، تار و پود نخ نیز مورد نیاز بود . که در نهایت فر و تاب استفاده شده برای دوگروه از فرش به شرح زیر بود
تراکم گره (25) : نمره انگلیسی 20/20
تراکم گره (35) : نمره انگلیسی 12/20
فرش های نمونه برداری شده در این تحقیق به شرح ذیل می باشد:
فرش :A بافته شده از پشم سیرجانی (منطقه کرمان)، تراکم گره 6.5/25سانتیمتر
فرش :Bبافته شده از پشم کرمانشاهی، تراکم گره 6.5/25 سانتیمتر
فرش :Cبافته شده از پشم دباغی ازسیرجانی، تراکم گره از 6.5/25 سانتیمتر
فرش :Dبافته شده از پشم دباغی ازکرمانشاهی، تراکم گره 6.5/25 سانتیمتر
فرش :Eبافته شده از پشم سیرجانی، تراکم گره 6.5/35 سانتیمتر
فرش : Fبافته شده از پشم کرمانشاهی، تراکم گره 6.5/35 سانتیمتر
فرش :G بافته شده از پشم سیرجانی دباغی،تراکم گره 6.5/35 سانتیمتر
فرش :H بافته شده ازپشم دباغی از گره کرمانشاهی با تراکم 6.5/35 سانتیمتر
دراین آزمایش اثر بارهای استاتیک مانند وزن پایه های صندلی ، و غیره در خواص فیزیکی و مکانیکی فرش دست بافت مورد بررسی قرار گرفت . به منظور مطالعه اثر نیروی ثابت بر سلامت فیزیکی و خواص مکانیکی از فرش دستباف چهار نمونه ، 50 × 50 میلی متر، از آنها گرفته شد. سپس نمونه ها بر روی دستگاه بار گذاری شده و در زیر پیستون قرار داده شد.که درشکل زیر نشان داده شده است . این دستگاه ، که با توجه به استانداردهای WIRA [ 9 ] عمل می کند

شکل2-3- دستگاه بار استاتیکی
با استفاده از روشهای آماری(ANOVA)و مقایسه نتایج نشان داده شده در منحنی ها اثرالیاف پشم را می توان مشاهده کرد,همانطور که پیشتر گفته شد ، دو نوع مختلف ازالیاف پشم، با نرمی متفاوت ، برای ریسیدن نخ پشمی مورد استفاده قرار گرفت ودر نهایت بافت فرش به منظور بررسی اثر نژاد پشم ، یعنی نرمی لیف ، بر روی خواص فرش دست باف صورت گرفت .تفاوت بین منحنی های مربوط به نژاد مورد استفاده پشم است . مقایسه تغییرات ضخامت دو فرش ، A و B ، نشان می دهد که ضخامت فرشA تحت بار ثابت دارای ضخامت بیشتری از نمونه فرشB است چنین رفتاری ممکن است به دلیل نرمی الیاف پشم A باشد . این بدان معنی است که فرش A نرم تر و راحت تر از فرش B است، یعنی الیاف پشم سیرجانی بهتر از الیاف کرمانشاهی است .
righttop
شکل شماره 2-4- اختلاف ضخامت فرش های نوع A,B,C,D
2-3-1- بررسی اثر تراکم گره بر خصوصیات بار استاتیکی فرش دست باف:
بحث در مورد اثر این پارامتر بر تغییرات ضخامت فرش بافته شده از الیاف پشم مشابه باید با هم مقایسه شوند بنابر این در این بخش، کاهش ضخامت فرش تحت بار استاتیک اندازه گیری شد و نتایج در یک نموداری رسم و مقایسه با عنوان های زیر در نظر گرفته شد:• فرشA ) و E)• فرش C)و G)• فرش B)و ( F فرش D)و(H مقایسه نمونه های فرش بالا نشان می دهد که کاهش ضخامت فرش، با چگالی گره بالاتر، در مقایسه نمونه های فرش با تراکم گره پایین تر،کمتر است که این قابل قبول به نظر می رسد. از آنجایی که افزایش تراکم گره باعث می شود که پایل فرش به دلیل مقاومت خمشی بالاتری که دارد به راحتی خم نشود که این هم به دلیل افزایش تراکم گره در فرش دست باف است.
2-3-2- اثرباراستاتیک در رفتار برگشت پذیری فرش های دست بافت
برای مطالعه بیشتر در این زمینه ، منحنی بهبود برگشت پذیری پایل در برابر زمان ، در مقیاس لگاریتمی رسم شده ، و همچنین نوع وکیفیت الیاف و گره که به عنوان تراکم فرش در نظر گرفته شده است.

شکل شماره 2-5- : اختلاف برگشت پذیری نمونه های A,B بعد از حذف نیرو

شکل شماره 2-6- : اختلاف برگشت پذیری پایل نمونه های فرش E,F,C,D بعد از حذف نیرو
در این پژوهش اثرات نژاد پشم ( الیاف با دانه های ریز(،اثر فرآیند دباغی ( کیفیت پشم ) و اثر گره تراکم فرش بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی فرش تحت بار استاتیک مورد بررسی قرار گرفت . طبق نتایج انجام گرفته بر روی نمونه های فرش دست باف که تحت بار استاتیکی بودند می توان نتیجه گرفت که زمان یک پارامتر مهم در کاهش ضخامت فرش تحت بار استاتیک می باشد. اغلب موارد کاهش ضخامت فرش, زیرروند خطی زمانی که در برابر زمان ورود به سیستم است رسم می شود. مقایسه تغییرات ضخامت دو فرش ، A و B ، نشان می دهدکه ضخامت فرشA تحت بار استاتیک کاهش بیشتری نسبت به ضخامت فرش B دارد.کاهش ضخامت فرش C و D تقریبا شبیه به فرش A و Bبا این حال فرش C و D کاهش بیشتری نسبت به فرش A, B نشان می دهد . اگر کاهش ضخامت فرش E و F تحت بار استاتیک در نظر گرفته شود، می توان مشاهده کرد که هر دو فرش ها از کاهش ضخامت مشابه ایی برخوردارند. تجزیه و تحلیل نتایج با استفاده از ANOVA نشان می دهد که رفتار فرش Eو F ، کاملا مشابه نیست. مقایسه ضخامت مقایسه فرشG و H نشان می دهد که کاهش ضخامت فرش G بالاتر از کاهش ضخامت فرشH. است.
کاهش ضخامت فرش بافته شده از نوع پشم دباغی سیرجانی منحنی های A و C ، تا حدودی بالاتر از فرش بافته شده از پشم متعارف سیرجانی است . این وضعیت زمانیکه از تراکم 25/6.5 سانتی متر،گره باشد بیشتر آشکار است. اما منحنی های کاهش ضخامت فرش در تراکم گره بالاتر (35 knots/6.5) سانتیمتر همین روند رادر مورد فرش هایی با تراکم گره از 25/6.5سانتی متر، را نشان می دهد . نتایج نشان می دهد که کاهش ضخامت فرش، با چگالی گره بالاتر، کمتر است در مقایسه با فرش با تراکم گره پایین تر، که قابل قبول به نظر می رسد. از آنجا که افزایش تراکم گره باعث می شود که پایل فرش خم نشود.
2-4- اثر ارتفاع پایل و تراکم بر خصوصیات نهایی استفاده از فرش
نه فرش مختلف با سطح پایل برشی برای تحقیق استفاده شد . مواد خام آن فرش ها از نخ پایل مخلوط پشم و پلی آمید بود . تاثیر پارا متر های ساختار های مختلف (شامل تراکم و ارتفاع پایل فرش )بر خواص فرش مورد بررسی قرار گرفت . تغییر شکلی که در فرش هنگام فشرده سازی اتفاق می افتد تعیین گردید . بار فشاری 100 نیوتن به سطح فرش به کار گرفته شد و سه چرخه بار گیری انجام شد . طرح ریاضی متعامد برای بررسی نتیجه تغییر شکل استفاده شد . با توجه به تغییر شکل کلی ، نتایج نشان داد که در تغییر شکل الاستیک ، تراکم پایل بیشترین اثر را دارد و در تغییر شکل بدون بازگشت ، هر دو پارا متر تاثیر زیادی دارند
سیستم بروسل ، گاهی اوقات به عنوان پایل حلقه ای ویلتون و یا بروسل ویلتون شناخته می شود اولین سیستم مکانیکی برای فرش بافی بود وقتی که سیم تیغه دار توسعه داده شد ، سیستم اصلاح شده و به عنوان ویلتون شناخته شد بافت رویه به رویه فرش ، در سال 1940 توسعه یافت ، همچنین گاهی اوقات به عنوان ویلتون بافی در نظر گرفته شد . این سیستم رویه به رویه به تولید دو فرش با همان مقدار از نخ مرده که در یک طرف سیم قرار می گرفت . از این رو هزینه مواد پایین تر آمد . طرح مانند سبک های شرقی استادانه درست شد ، بنا بر این اغلب ماشین ها به صورت رویه به رویه ساخته شد این ویژگی سیم بافندگی را بسیار مناسب برای تولید عملکرد بالای فرش قرار دارد .
پشم از قدیمی ترین الیاف مورد استفاده در تولید فرش است . اگر پشم معمولی کشیده شود ، می تواند تا 50% در آب و یا 100% در بخار افزایش یابد . این انعطاف پذیری لکه پذیری کم و تاثیر خوشایند و غیره را می رساند . الیاف پلی آمید محبوب تر است زیرا که با دوام ، با ثبات و مقاوم در برابر لکه ، کپک و خرد شدن است [8] . تحقیقات زیادی در مورد فرش شده است ، بسیاری از تحقیقات در مورد استفاده نهایی ازفرش متمرکز شده است . برای به دست آوردن عملکرد فرش می بایست ، فشرده سازی ، برگشت پذیری ، صاف شدن ، انعطاف پذیری و جذب انرژی را به طور عمومی ازرفتار تنش، کرنش فرش اندازه گیری وارزیابی کرد.
یکی از عوامل کیفی مهم در فرش از دست دادن ضخامت (یعنی تغیر شکل در فشرده سازی ) ناشی از بارهای استاتیکی و دینامیکی است . با توجه به این که از دست دادن ظاهر فرش از شکل اصلی خود بر روی شکل ظاهری فرش وانعطاف پذیری آن تاثیر می گذارد. عواملی که باعث کاهش قابلیت انعطاف پذیری هستند فشار استاتیکی توسط کالاهای عظیم مانند راه رفتن ، دویدن ، حرکت کردن وهمچنین مبلمان و سایر وسایل خانه که یک فرش در حال استفاده باید تحمل کند .[10]
تراکم و ارتفاع پایل از پارامترهای ساختار اصلی فرش است که در تغییر شکل فشرده سازی موثر می باشد ، هر گونه تغییرات این دو پارامتر مکانیکی در خصوصیات نهایی فرش موثر است . بنابر این ، این دو پارامتر به عنوان دو عامل در طرح آزمایش مورد استفاده قرار گرفت . انعطاف پذیری پایل ، توانایی پایل به بازگشت به حالت اصلی بعد از اعمال بار می باشد . هدف ما بررسی اثر تراکم و ارتفاع پایل بر روی انعطاف پذیری فرش پس از بارگذاری بود .
2-4-1- تئوری
فشرده سازی پایل فرش را مجموعه از فیلامنت ها به عهده می گیرد . تصور می شود که استحکام خمشی نخ پشمی تابیده شده بستگی به قطر متوسط الیاف به همراه چهار عامل اصلاحی دیگر برآورد شود :
توزیع قطر ، تاب نخ ، اختلاف قطر الیاف و متوسط طول الیاف
برای فشرده سازی فرش توسط کیمورا و کاواباتا نظریه ای تنظیم و فرمول سازی شد[11] . با توجه به نظریه این دو نفر فرایند فشرده سازی را می توان به سه مرحله زیر تقسیم نمود
1_ منطقه تغییرخمش :منطقه ای که در آن تنها تغییر شکل خمش موثر است (تا زمانی که پایل مجاور در تماس است )
2_منطقه مخلوط خمش و تغییر شکل فشاری : منطقه ای که در آن خمش و تغییر شکل فشاری هر دو موثر است . به عنوان مثال ، موافقت تغییر شکل خمشی پایلی که در تماس با پایل مجاور است و تغییر شکل فشاری پایل که انجام می دهد .
3_منطقه تغییر شکل فشاری : منطقه ای که در آن تنها تغییر شکل فشاری موثر است ( بعد از اینکه همه پایل هابه طور کامل پایین افتاده باشد )
Horino و shimonishi [12] فرض کردند که نخ پایل برشی (a ) و قطر آن da و طول پایل lp تحت فشار بار w هستند ، آن را به سه نوع حالت های تغییر شکل یافتند . اگر مقدار lp /da کوچک تر از 3 باشد و نخ پایل برشی ممکن است تغییر شکل دهد ، و مقدار زاویه تاب نخ نیز تغییر کند ، اما قطر آن در حالت فنری تغییر نمی کند .
وقتی که lp /da بزرگتر از 5 باشد ، نخ پایل مانند ستون کمانی تغییر شکل می دهد که در آن یک سر ثابت و سر دیگر آزاد است .
با توجه به اینکه کیمورا ، کاواباتا وکاوال [9] نویسندگان پذیرفتند که به عنوان یک مدل ساختار ساده که در آن میله های نازک در یک پارچه توسط یک میله حمایت شده و میله دیگر در زاویه β برابر با خط عمودی فرش به صورت آزاد قرار دارد . خواص خمش جانبی به علت خم شدن میله نازک با یک بار فشاری عمودی p می تواند اساس خواص فشاری فرش باشد . اما برای ارایه خواص فشاری فرش ، ما باید خواص تغییر شکل جانبی پیچیده ای را در نظر بگیریم که شامل اثر گروه میله های نازک می باشد ، که در یک الگو شطرنجی در فواصل برابر قرار دارند . یک مدل فرض شده است که در آن میله های نازک ممکن است همگی بتوانند در یک جهت خم شوند و سایه خود را بر روی خطوط شطرنجی در سطح فرش قرار دهند . اگر این مدل فشرده شود زاویه شیب α افزایش می یابد ، در هدف بالا که شروع به هم پیوستن میله های نازک و اتصال به یک دیگر است می رسد .
جدول2- 14- مشخصات ساختاری فرش

جدول2- 15- ماتریس طرح ریاضی

اگر این میله های نازک از مجموعه های الیاف (نخ ) ساخته شده باشند ، قطر یک میله نازک باید به وسیله حساب کردن اثرات فشاری سطح مقطع نخ محاسبه شود همچنین توسط Aarper F.C.[13] ثابت شد که نیروهای فشاری و برشی در هنگام راه رفتن وجود دارد در هنگام راه رفتن مستقیم ، آسیب رسیدن به الیاف نسبتا یکنواخت در عمق پایل پخش می شود . کیمورا [11] پیشنهاد کرد که منحنی تغییرات شکل فشاری پایل برشی فرش را می توان از خواص مکانیکی نخ پایل ( یعنی خواص فشاری و خمشی آن ) محاسبه کرد . انعطاف پذیری خمش به خواص الاستیک مواد الیاف نسبت داده شده است و تصور می شود که اتصال اجباری از اصطکاک بین اتصال لیف به وجود آید . بر اساس آزمایشات ثابت شد که نوع مواد ، چین و چروک الیاف ، شکل سطح مقطع الیاف و نخ ، تاب نخ پایل و ساختار پارچه زمینه در ساختار فرش موثر است بطور کلی ، اگر فرض شود که یک فرش از یک سری الیاف و یک سری فضای خالی ساخته شده ، خواص مکانیکی آن وابسته به عوامل زیر در نظر گرفته شده است .
حجم الیاف
شکل اصلی پایل
مواد نخ پایل

Text of Final Project -فایل پروژه - ریسرچ-.Pdf)

-2-2-3 روشهای جدید تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون43
فصل چهارم: شناسایی بلادرنگ پارامترهای ژنراتور سنکرون با استفاده از شبکه عصبی
مصنوعی ....45
-1-4 کلیات و اصول کارشبکه های عصبی 46....................................
-2-4 اصول کار شبکه عصبی تخمین گر پارامترها46
-1-2-4 دادههای آموزشی و آموزش شبکه عصبی.48
-2-2-4 تست شبکه عصبی تخمینگر50
-3-4 نتایج 51...................................................................
-1-3-4 نمونههایی از نتایج شبکه عصبی تخمینگر53
-2-3-4 بررسی تحلیلی نتایج .89
فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات ...97
ضمیمهها100
ضمیمهالف- طرحهای بکار گرفته شده برای شبیهسازی ژنراتور سنکرون101
ضمیمهب- نمودار پارامترهای بکار گرفته شده در شبیهسازی ژنراتور سنکرون..105
منابع و ماخذ.110
6
فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه
1-2 : مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون 24
1-4 : فهرست پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون 38
2-4 : نتایج شبکه عصبی در دوره آموزش و تست از دیدگاه فراوانی خطا 81
3-4 : نتایج شبکه عصبی در دوره آموزش و تست از دیدگاه دامنه خطا 82

7
فهرست شکلها
عنوان شماره صفحه
: 1-1 نمای کلی فرایند ارزیابی و بهبود سیستمهای قدرت 3
: 1-2 مدارهای استاتور و روتور ماشین سنکرون 9
:2-2 مدار معادل ماشین بر اساس تئوری پارک 13
:3-2 توزیع شار در ماشین سنکرون طی دورههای زیرگذرا، گذرا و ماندگار 18
:4-2 مدار معادل ژنراتور سنکرون در حالت ماندگار 19
:5-2 مدار معادل ماشین سنکرون در دوره گذرا 20
:6-2 مدار معادل ماشین سنکرون طی دوره زیر گذرا 20
:7-2 مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های گذرای مدار باز 21
: 8-2 مدارمعادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز 22
: :1-4 طرح کلی سلول عصبی انسان 32
:2-4 شکل کلی سلول عصبی مصنوعی 33
:3-4 ساختار شبکه عصبی توسعه یافته 33
:4-4 شکل کلی روش تهیه اطلاعات بهرهبرداری ژنراتورهای سنکرون 35
:5-4 آلگوریتم آموزش شبکه عصبی 36
:6-4 طرح کلی روش تست و بهرهبرداری از شبکه عصبی 37
:7-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xd" 39
:8-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 39
:9-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 40
:10-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 40
:11-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 41
:12-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 41
:13-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd" 42

8
:14-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 42
:15-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 43
:16-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 43
:17-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 44
:18-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 44
:19-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd" 45
:20-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 45
:21-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 46
:22-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 46
:23-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 47
:24-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 47
:25-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xq" 48
:26-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 48
:27-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 49
:28-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq" 49
:29-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 50
:30-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 50
:31-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq" 51
:32-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 51
:33-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 52
:34-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین xq" 52
:35-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 53
:36-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 53
:37-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq" 54
:38-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 54
:39-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 55
9
:40-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq" 55
:41-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 56
:42-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 56
:43-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند برای تخمین Td" 57
:44-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 57
:45-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 58
:46-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 58
:47-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 59
:48-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 59
:49-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td" 60
:50-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 60
:51-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 61
:52-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 61
:53-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 62
:54-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 62
:55-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td" 63
:56-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 63
:57-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 64
:58-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 64
:59-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 65
:60-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 65
:61-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین Tq" 66
:62-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 66
:63-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 67
:64-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq" 67
:65-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 68
10
:66-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 68 :67-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq" 69 :68-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 69 :69-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 70 :70-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین Tq" 70 :71-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 71 :72-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 71 :73-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq" 72 :74-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 72 :75-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 73 :76-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq" 73 :77-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 74 :78-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 74 ض-:1 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متصل به شین بینهایت با اغتشاش تغییر 88 ناگهانی تحریک ض-:2 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متـصل بـه شـین بینهایـت بـا اغنـشاش 89 اتصالکوتاه درترمینال ژنراتور ض-:3 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متصل به شین بینهایت با اغتشاش تغییر 90 ناگهانی توان ورودی ض-:4 تغییرات مقادیر Xd بکار گرفته شده 92 ض-:5 تغییرات مقادیر Xd' بکار گرفته شده 92 ض-:6 تغییرات مقادیر Xd" بکار گرفته شده 92 ض-:7 تغییرات مقادیر Xq بکار گرفته شده 93 ض-:8 تغییرات مقادیر Xq" بکار گرفته شده 93 ض-:9 تغییرات مقادیر Xl بکار گرفته شده 93 ض-:10 تغییرات مقادیر Td' بکار گرفته شده 94 ض-:11 تغییرات مقادیر Td" بکار گرفته شده 94 11
ض-:12 تغییرات مقادیر Tq" بکار گرفته شده 94
ض-:13 تغییرات مقادیر Rs بکار گرفته شده 95
ض-:14 تغییرات مقادیر WR بکار گرفته شده 95
ض-:15 تغییرات مقادیر H بکار گرفته شده 95
12
چکیده پایاننامه:
این پروژه روشی نو را برای بکارگیری رؤیتگرهای شبکه عـصبی در جهـت شناسـایی و تعیـین پارامترهـای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با استفاده از اطلاعات بهرهبرداری ارائه کرده است. اطلاعات بهـرهبـرداری از طریق اندازهگیریهای بلادرنگ بعمل آمده در قبال اغتشاشات حوزه بهرهبرداری فراهم مـیشـود. دادههـای آموزشی مورد نیاز شبکه عصبی از طریق شبیهسازیهای غیرهمزمـان بهـرهبـرداری از ژنراتـور سـنکرون در محیط یک ماشین متصل به شین بینهایت فراهم شده است. مقـادیر نمونـه ژنراتورهـای سـنکرون در مـدل مذکور بکار گرفته شدهاند. شبکه آموزش دیده در قبال اندازهگیریهای بلادرنگ شبیهسازی شـده در جهـت تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون تست شده است. مجموعه نتایج بدست آمده نشان دهنـده قابلیتهای نوید بخش شبکه عصبی مصنوعی در حوزه تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهـای سـنکرون، بصورت بلادرنگ و با استفاده از اطلاعات بهرهبرداری میباشد. اگرچه برای دست یـابی بـه خطـای تخمـین قابل قبول در مسیر شناسایی کلیه پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون، پارهای اصلاحات ضروری بـه نظر میرسد. در نگاه کلّی این اقدامات تکامل بخش را میتوان به دو مجموعه: پیشنهادات مربوط به اصـلاح شبکه عصبی رؤیتگر در حوزه شبیهسازی و آموزش و بخش دیگر را به عنوان گامهای تکاملی تلقی نمود، که سازماندهی این گامها در مبادی ورودی و خروجی شبکه عصبی، زمینه مناسبتـری را بـرای بهـرهگیـری از قابلیتهای آن فراهم خواهد کرد.
کلید واژه:
ژنراتور سـنکرون، پارامترهـای دینـامیکی، شناسـایی بلادرنـگ، شـبکههـای عـصبی مـصنوعی، اطلاعـات بهرهبرداری
13
14
مقدمه:
در سالهای اخیر با پیشرفت سیستمهای کامپیوتری, سیستمهای هوش مصنوعی نیز متولد شده و رشد کرده است. یکی از سیستمهای هوش مصنوعی, شبکه های عصبی مصنوعی هستند. این شبکه ها به علت عواملی چون قطعیت در پاسخ, سادگی در اجرا, قابلیت انعطاف بالا و .... جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده اند. با توجه به ساختار و کارکرد شبکه های عصبی مصنوعی و اهمیت تعیین پارامترهای دینامیکی اجزاء سیستمهای قدرت از جمله ژنراتورهای سنکرون, بهره گیری از شبکه های عصبی مصنوعی در این حوزه قابل طرح است. از طرف دیگی نتایج ارائه شده از بکار گیری این شبکه ها در حوزه های مشابه, کارکردهای نوید بخشی را نشان می دهد. با توجه به مراتب فوق این پروژه بر آنست تا با طراحی و اجرای طرح شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با استفاده از شیکه عصبی مصنوعی, قابلیت های این سیستم را در حوزه شناسایی بلادرنگ پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون نیز بیازماید.
15
فصلاول:

کلیات
16
سیستم های قدرت متشکلند از مجموعه ای از مراکز تولید(نیروگاهها) که توسط شبکه های انتقال و توزیع و تجهیزات حفاظتی و کنترل آن به مراکز مصرف متصل می گردند. وظیفه اصلی یک سیستم قـدرت تولیـد و تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کنندگان با حفظ شرایط سه گانه:
-1 ارزانی قیمت انرژی
-2 کیفیت بالا
-3 امنیت تامین انرژی میباشد. مراد از امنیت، پیوستگی و تداوم در تولید و تامین انرژی می باشد. عوامل مؤثر در امنیـت عبارتنـد از:
-1 سرمایه گذاری اولیه (تجهیزات سیستم ) -2 روشها و امکانات نگهداری و تعمیرات سیستم قدرت.
همانگونه که در کلیه وسایل و سیستم های غیرالکتریکی همواره دو ویژگی ارزانـی و بـالا بـودن کیفیـت-
امنیت با یکدیگر متعارض و متقابل می باشند در مقوله انرژی الکتریکی و سیستم هـای قـدرت نیـز بهمـان گونه خواهد بود. امنیت یک سیستم قدرت در حقیقت درجه و میدان توانایی آن سیستم در مواجهه با حـوادث
اغتشاشات می باشد . امنیت کلی یک سیستم به دو زیر شاخه:
امنیت دینامیکی
امنیت استاتیکی
قابل تقسیم است. از توانایی سیستم قدرت برای حفظ و نگهداری خود در دوره وقوع اختلال (که خود از سـه دامنه فوق گذرا-گذرا-دینامیک تشکیل شده است) با عنوان امنیت دینامیکی تعبیر مـی گـردد. بـا توجـه بـه اهمیت بسیار زیاد امنیت سیستمهای قدرت، فرایند ارزیابی وبهبود آن همواره مورد توجه مهندسـین طـراح و بهرهبردار بوده، به قسمی که عملیات ارزیابی و بهبود امنیت سیستم های قدرت یکی از وظایف بسیار مهـم و اساسی مراکز کنترل و بهره برداری شبکه های قدرت می باشد. شکل کلی فرایند ارزیـابی و بهبـود سیـستم های قدرت در شکل1-1 بیان شده است. باتوجه به اهمیت امنیت در سیستم های قدرت و همچنین تغییرات مستمری که در حین عملیات بهره برداری 24 ساعته در شبکه اتفاق می افتد ضرورت دارد که دائماً از طرف بهره بردار، عملیات بهره برداری به شکلهای مختلف بر روی سیستم های قدرت اعمال گردد،اما با توجه بـه ویژگی بالا بودن امنیت نباید این عملیات بگونه ای باشدکه سبب بروز اغتشاش در رفتار سیستم و در نتیجـه نقض غرض گردد. از طرفی سیستم قدرت هر کشور منحصر بفرد بوده به قسمی که نمونه دومی نمی تـوان برای آن ایجاد نمود. بنابر این با توجه به ویژگی منحصر بفرد بودن سیستمهای قدرت و ضـرورت اجتنـاب از عملیات بهره برداری بررسی نشده، برای ارزیابی اولیه از نتایج عملیات بهره برداری و یا طراحی ضرورتاً مـی باید از یک نمونه مشابه سیستم قدرت استفاده نمود تا بتوان ابتداً نتایج مانورهای طراحی یا بهـره بـرداری را برآن آزمایش و در صورت اطمینان از بی خطر بودن، نتایج آن مانورها را بر شبکه واقعی اعمال نمود.
17

نمونه مشابه سیستم قدرت را شبیه ساز1 و عملیات آزمایشی بـرروی نمونـه مـشابه را محاسـبات و مطالعـات شبیه سازی2 گویند. فرایند شبیه سازی سیستمهای قدرت فارغ از اینکه دیجیتال باشد یـا آنـالوگ از مراحلـی بدین ترتیب تشکیل شده است:
_1 شناسایی اجزاء سیستم قدرت
_2 ساخت و یا استخراج معادلات حاکم بر اجزاء
_3 ترکیب اجزاء و یا معادلات آنها
_4 حل معادلات با روشهای ریاضی بوسیلهکامپیوتر
_5 استخراج نتایج که در این میان مدلسازی اجزاء سیستم قدرت که همان شناسایی و استخراج معـادلات حـاکم بـر اجـزاء آن
است یکی از قدم های اصلی این فرایند بشمار میرود. به بیان دیگر یک متخـصص شـبکه در روش کـاری خود اولویت بندی هایی دارد که اولین آنها رساندن انرژی الکتریکی تولیدی به مصرف کننده است، در مرحله
دوم به تامین امنیت شبکه اهتمام می ورزد. و نهایتاً تلاش خویش را در جهت بهبود هر چـه بیـشتر کیفیـت انرژی که به مصرف کننده تحویل داده می شود مصروف می دارد. اگر چه بسیاری از اقداماتی که در جهـت امنیت سیستم های قدرت انجام می شود کیفیت توان را نیز ارتقاء می دهد. تامین امنیت سیستم خود شـامل مراحل و اولویتهایی است که اولین گام آن را مقاوم سازی و پایدار سازی شبکه در حالت های گذرا می باشد

1-simulator 2-simulation
18
و دومین گام شامل پایدار سازی دینامیکی شبکه می شود. از دیدگاه فرکانسی می توان حالت هـای گـذرا در شبکه را با نوسانات فرکانس بالا و حالت های دینامیکی آن را با نوسانات فرکانس پایین معرفی کرد. در اکثر شبکه های دنیا خاصه با پیچیده شدن شبکه ها پدیده نوسانات فرکانس پایین مشاهده شده است. ژنراتورهـا به عنوان تولید کننده نقش اصلی در ارتباط با این نوسانات دارند. اینها از نوع نوسان در پارامترها هستند و با اغتشاشات حالتهای گذرا متفاوتند. گاه این اغتشاشات بدون رخ دادن هیچ واقعهای در طی کار معمول شـبکه بوجود می آیند مثلاً با تغییر تپ ترانس درکم باری و مواردی از این قبیل. اگرچه در مرحله بعد از حالت هـای گذرای شبکه (از دیدگاه زمانی) نیز چنین بحثی مطرح می شود. بایـد توجـه داشـت کـه ایـن نوسـانات را در مقایسه با فرکانس شبکه، فرکانس پایین نام نهاده اند. دامنه فرکانسی مطرح از کسر یک تا چند هرتـز اسـت که بطور معمول بازه 0.5-2.5HZ را در بر می گیرند و در موارد حدی 0.1-4HZ می باشد. این نوسانات را به انواع :
-1 محلی
-2 بین ناحیه ای تقسیم کرده اند. که نوسانات یک ماشین نسبت به شبکه بزرگ یا شین بی نهایت متّصل به آن را محلّی نـام
نهاده اند. نوسانات بین ناحیه ای نمونه هایی مانند دو ژنراتور که با خطوطی به هم متصل هستند یا مجموعه دو ناحیه با یکدیگر را در برمی گیرد. از دیدگاه فرکانسی نیز این دو نوع نوسانات دینامیکی باهم تفاوت دارند.
ثابت می شود عامل این نوسانات، مد مکانیکی توربوژنراتور است. همانگونه کـه پـیشتـر توضـیح داده شـد تامین امنیت سیستم های قدرت در برابر نوسانات دینامیکی مانند سایر شاخه ها نیازمند شبیه سازی شبکه از این زاویه دید میباشد. مقادیر پارامترهای دینامیکی اجزاء در این شبیه سازی دارای نقش کلیدی هـستند. بـا توجه به نقش ژنراتور در میان اجزاء شبکه از دیدگاه نوسانات دینامیکی تعیین پارامترهـای آن بـسیار مهـم و تعیین کننده خواهد بود. صحت و دقّت تعیین این پارامترها وابسته است به روش بکار گرفته شده برای بـرای تعیین آنها . این مطالب موجب پیدایش روشهای گوناگون برای تعیین این پارامترها شده است. از طرف دیگـر این پارامترها برای هر ژنراتور مقدار ثابتی نیستند و بخـاطر عـواملی چـون پیرشـدن ژنراتـور، ایجـاد بعـضی خطاهای داخلی و ..... تغییر می کنند. این شرایط موجـب طـرح روشـهای بلادرنـگ1 در تعیـین پارامترهـای دینامیکی ژنراتور سنکرون شده است. از جهت دیگر روش بکارگیری و تبعات عملی یک تکنیک شناسـایی و ملزومات آن نیز حائز اهمیت است. گروهی از این روشها اگر چه نتایج نسبتاً دقیق و قابل اعتمادی نیز فراهم می آورند لیکن به علت خطر های ناشـی از تـست هـای مطـرح در آنهـا (ماننـد آزمـایش اتـصال کوتـاه2 و
باربرداری( 3 و یا ملزوماتشان چون جداسازی ژنراتور از شبکه چندان مطلـوب نیـستند. بعـضی از اجـزاء ایـن گروه روشها به مرور مطرود شده اند. مقالات جدید ارائه شده در سایر اجزاء این گروه با هـدف بهبـود آنهـا و حذف مشکلات مذکور شکل گرفتهاند. دسته دیگر این روشها نمونههـایی هـستند کـه بـا چنـین مـشکلاتی

3-On-Line 4-Short Circuit 5-Load Rejection
19
مواجه نیستند(مانند استفاده از تخمینگر شبکه عصبی مصنوعی.(1 کارهای انجام شده درباره ایـن روشـها در راستای بهبود هرچه بیشتر آنها و یا اطمینان از نتایج حاصله توسط آنها شکل گرفته اند. با توجه بـه مقدمـه ذکر شده ابتداً لازم است کلیات روشهای مدل سازی ژنراتور سنکرون مورد بررسی قرارگیـرد تـا درگـام بعـد نسبت به بررسی روشهای شناسایی پارامترهای آن اقدام شود.

6- Artificial-Neural Network
20
فصل دوم:

مدل سازی ماشین سنکرون
21
-1-2 پیشگفتار:
شبیه سازی رفتار ژنراتورهای سنکرون برای انجام مطالعات گوناگون دینامیکی در سیستمهای قدرت، مستلزم انتخاب یک مدل مناسب جهت مدلسازی ماشین میباشد. مدل ارائه شده برای هر سیستم شامل یک ساختار و تعدادی پارامتر میباشد که جهت پیشگویی رفتار آن سیستم در حالتهای مورد نظر بکار گرفته میشود. مدل مورد استفاده برای یک سیستم باید به سادگی قابل فهم بوده، بکارگیری آن سهل باشد و در عین حال بتواند رفتار سیستم را با دقت و صحت قابل قبولی برای یک محدوده مشخص پیشگویی نماید.
بعبارت بهتر رفتار پیشبینی شده سیستم بواسطه شبیهسازی براساس مدل ارائه شده تا حد قابل قبولی به رفتار واقعی سیستم نزدیک باشد. هر چند این دو خاصیت از مدل یعنی سادگی و واقعی بودن همواره در تضاد با یکدیگر هستند، (یعنی مدلهای واقعی به ندرت ساده هستند و مدلهای ساده به ندرت میتوانند واقعی باشند)، اما میتوان جهت رسیدن به پاسخ دلخواه مصالحهای منطقی مابین این دو خاصیت برقرار کرد. مدل دو محوری پارک از معمولترین و پذیرفتهترین مدلهای ماشین سنکرون میباشد. در این فصل ابتدا اصول مدلسازی ماشین سنکرون براساس تئوری دو محوری پارک به اختصار بررسی میشود، سپس پارامترهای ماشین سنکرون معرفی شده و نحوه محاسبه پارامترها براساس مدل دو محوری پارک و همچنین نحوه مدلسازی ماشین با داشتن پارامترهای آن بررسی میگردد. همچنین در این فصل ارتباط میان مرتبههای مختلف مدل پارک با نوع ژنراتور و نوع مطالعه مورد نظر تشریح میشود.
-2-2 ساختار فیزیکی ماشین سنکرون:
-1-2-2 ساختار روتور و استاتور:
بزرگترین و شاید متداولترین ماشین های الکتریکی که با سرعت سنکرون می چرخند، ماشین های سنکرون سه فاز میباشند. اگرچه ساخت ماشین های سنکرون سه فاز پر هزینه میباشد، اما بازده بالای این ماشینها در قدرتهای بالا بزرگترین مزیت آنها میباشد.
استاتور ماشینهای سنکرون معمولاً متشکل از یک هسته مورق فرومغناطیس با شیارهایی جهت قرار گیری سیم پیچیهای سه فاز گسترده میباشد. روتور ماشین نیز میتواند بصورت قطب برجسته یا قطب صاف ساخته شود. ماشینهای قطب برجسته اغلب به عنوان ژنراتورهای آبی جهت تطبیق سرعت پائین توربین-
های آبی با سرعت سنکرون استفاده میشوند. قطبهای روتور این نوع ماشین به صورت جداگانه ساخته شده و سپس بر روی یک استوانه سوار میشوند. ساختار روتور گرد یا قطب صاف نیز برای کاربردهای سرعت بالا مناسب است. ماشینهای سنکرون با روتور گرد با دو یا چهار قطب به عنوان ژنراتورهای واحدهای بخاری جهت تطابق با سرعت بالای توربین به کار میروند. همچنین در این ماشینها میتوان نسبت قطر به طول روتور را به منظور محدود کردن تنش های مکانیکی ناشی از نیروهای گریز از مرکز کوچک گرفت.
22
-2-2-2 سیمبندیهای ماشین
ماشین سنکرون سه فاز معمولاً متشکل از یک سیم پیچی سه فاز به عنوان آرمیچر و یک سیم پیچی تحریک میباشد که بنام سیم پیچی میدان نیز نامیده میشود. سیمپیچی آرمیچر معمولاً در ولتاژی بسیار بالاتر از ولتاژ تحریک کار میکند و از این رو نیازمند فضایی بیشتر برای عایقبندی مناسب میباشد.
همچنین با توجه به اینکه جریانهای گذرای شدیدی از این سیمپیچیها عبور می کند، باید قدرت مکانیکی کافی داشته باشند. از این رو معمول است که سیمپیچی آرمیچر را بر روی استاتور ماشین قرار دهند. از نظر فضایی سیمپیچیهای سه فاز آرمیچر، 120º با یکدیگر اختلاف مکان دارند و این موضوع سبب میشود که با چرخش یکنواخت روتور و به تبع آن چرخش یکنواخت میدان تحریک، در این سیمپیچیها ولتاژهایی القا شود که از نظر زمانی 120º با یکدیگر اختلاف فاز دارند. سیم پیچی تحریک یا میدان معمولاً بر روی روتور قرار داده میشود. در ماشینهای قطب برجسته معمولاً میله های مسی یا برنجی در سطح قطب جای می-
گیرند که عموماً این میلهها در دوانتها به وسیله حلقههایی به یکدیگر متصل میشوند تا یک قفس سنجابی شبیه آنچه در یک موتور القایی وجود دارد، ساخته شود. مجموعه این میلهها و حلقهها به عنوان سیم پیچی میراکننده میباشند.
روتور ژنراتورهای قطب صاف بصورت استوانهای است که از فولاد یکپارچه ساخته میشود. سیم پیچیهای میدان در این گونه روتورها بصورت یکنواخت در شکافهای بدنه روتور توزیع شدهاند که معمولاً به کمک گوههایی در جای خود محکم میشوند. اغلب در چنین ماشینهایی سیم پیچی میراکننده وجود ندارد، زیرا که روتور یکپارچه فلزی اجازه عبور جریانهای گردابی را فراهم می آورد که تاثیری مشابه جریانهای سیمپیچی-
های میراکننده دارد. برخی از سازندگان تاثیر میرایی بیشتر و قابلیت عبور جریان مولفه منفی را با استفاده از گوههای فلزی مستقر در شکافهای سیمپیچی تحریک (که در انتها به یکدیگر متصل شدهاند) یا با استفاده از میلههای مسی مستقل زیر گوههای نگه دارنده، فراهم میآورند.
-3-2 توصیف ریاضی ماشین سنکرون
-1-3-2 معادلات ریاضی حاکم بر ماشین سنکرون
در این قسمت مدل ریاضی ماشین سنکرون بر اساس تئوری دو محوری بصورت خلاصه پارک تشریح می-
شود. شکل (1-2) مدارهای در نظر گرفته شده برای استاتور و روتور ماشین را نشان میدهد. مدار استاتور شامل یک سیم پیچی سه فاز است و روتور نیز یک سیم پیچی تحریک و یک سیمپیچی میراکننده بر روی محور d و دو سیم پیچی میراکننده بر روی محور q دارد. تعداد سیم پیچیهای میراکننده در نظرگرفته شده به عوامل متعددی از جمله نوع ژنراتور بستگی دارد که در قسمتهای بعدی به آن اشاره خواهد شد. مدل نشان داده شده در شکل (1-2) مدل 2-2 براساس استاندارد IEEE Std 1110 میباشد.
23
i fd d ωr a e fd q ib i1d ikq Ψb Ψa θ eb i1q b a ia ea ec
c

Ψc
ic

شکل :(1-2) مدارهای استاتور و روتور ماشین سنکرون
:c , b, a سیم پیچی های سه فاز استاتور : fd سیم پیچی تحریک

: 1d سیم پیچی میرا کننده محور d

1q و : 2q سیم پیچی های میراکننده محور q : ωr سرعت زاویه ای روتور برحسب رادیان بر ثانیه
: θ زاویه مابین محور مغناطیسی روتور و محور مرجع (محور مغناطیسی فاز (a
در بدست آوردن معادلات ماشین سنکرون برای ساده سازی فرضیات زیر درنظر گرفته میشود:
الف ) شکافهای موجود بر روی سطح داخلی استاتور تاثیر قابل توجهی بر اندوکتانسهای روتور درحال حرکت ندارند.
) پسماند مغناطیسی آهن استاتور و روتور قابل صرف نظر کردن است.
) از نظر تاثیر متقابل استاتور و روتور، سیم پیچیهای استاتور بصورت سینوسی در امتداد فاصله هوایی
توزیع شدهاند.
هر چند در مدل ارائه شده اثر اشباع مستقیماً منظور نشدهاست، اما با تصحیح راکتانسهای دو محور با استفاده از ضرایب اشباع و یا با داخل کردن مولفههای جبرانکننده درتحریک میدان اصلی، پدیده اشباع نیز لحاظ میشود.
با فرض حالت ژنراتوری معادلات ولتاژ مربوط به سیم بندی های استاتور و روتور را میتوان به شکل روابط
(1-2) و (2-2) نوشت.
Ψs d vs  −is Rs  dt (1-2) d vr  −ir Rr  Ψr dt که در آن :
24
vs  v a vb vc t vr  v f v1d v1q v2q t is  i a ib ic t ir  i f i1d i1q i2q t Ys  Ya Yb Yc t Yr  Y f Y1d Y1q Y2q t Ra 0 0 0 Rb Rs  0 0 0 Rc Rf 0 0 0 R1d Rr  0 0 0 0 0 R1q 0 0 0 0 R2q :درک نایب ریز لکش هب ناوت یم ار روتور و روتاتسا یاهرودراش تلاداعم Ψs  Lssis  Lsrir (2-2) Ψ  Lt .i  L i r sr srr r : نآ رد هک
Lss  − −

Lls  L0 − Lms cos 2θr 1 L0 − Lms cos 2(θr − π 1 L0 − Lms cos 2(θr  π − 3 ) − 3 ) 2 2 1 π 2π 1 2 L0 − Lms cos 2(θr − 3 ) Lls  L0 − Lms cos 2(θr − 3 ) − 2 L0 − Lms cos 2(θr −π) 1 L0 − Lms cos 2(θr  π 1 L0 − Lms cos 2(θr  π) Lls  L0 − Lms cos 2(θr  2π ) − ) 2 3 2 3 25
0 0 L f 1d Llf  L f 0 0 L L L  L 1d l1d 1df L1q 2q Ll1q  L1q 0 0 rr Ll 2q  L2q L2q1q 0 0 Ls 2q cosθr Ls1q cosθr 2π Ls 2q cos(θr − 2π ) ( cos(θr − 3 3 2π Ls 2q cos(θr  2π ) 3 ( 3 cos(θr 
s1q
s1q

L L

Ls1d sin θr
Ls1d sin(θr − 23π )

Ls1d sin(θr  23π )

Lsf sin θr 2π t ( − r sin(θ sf L  rs L sr L 3 ( 2π sin(θr  Lsf 3 با استفاده از دسته معادلات (2-1) و((2-2 میتوان بطور کامل ماشین سنکرون را بررسی نمود. اما همچنانکه در این معادلات نیز دیده میشود، معادلات دارای عباراتی هستند که با θ تغییر میکنند. با توجه به اینکه θ نیز تابعی از زمان میباشد، این موضوع سبب پیچیدهتر شدن تحلیل ماشینهای سنکرون می-
شود. میتوان با تبدیل مناسبی متغیرهای استاتور را به شکل سادهتری درآورد. این تبدیل به نام تبدیل پارک معروف است. تبدیل پارک به صورت رابطه (3-2) میباشد.
2π cos(θ  Sa ) 3 (3-2) Sb ) 2π −sin(θ  3 1 Sc 2
( 2π − cos(θ cosθ 3 2 2π 3 ) −sin(θ − 3 −sinθ 1 1 2 2
Sd
Sq S0
که S میتواند هر کدام از متغیرهای ولتاژ، جریان یا شاردور ماشین باشد. عکس تبدیل پارک نیز بصورت رابطه (4-2) بیان میشود.
1 −sinθ Sd 2 (4-2) Sq 1 ( 2π −sin(θ − 2 3 S0 1 ( 2π −sin(θ  2 3
cosθ 2π 2 ( cos(θ − 3 3 ( 2π cos(θ  3
Sa
Sb Sc
با اعمال تبدیل، معادلات حاکم بر ماشین و متغیرهای متناظر بسیار ساده میشوند. این ساده شدن در دو مفهوم کلیدی زیر ریشه دارد:
الف: با اعمال این تبدیل در شرایط بهرهبرداری عادی و حالت ماندگار تمامی جریانها و شارهای سیم-
پیچیهای استاتور و روتور دارای مقدار ثابتی خواهند بود.
26
ب: با انتخاب دو محور d و q که 90درجه اختلاف فاز دارند، شارهای تولید شده توسط جریانها بر روی یک محور هیچ پیوندی با شارهای محور دیگر نخواهند داشت. بنابراین دو دسته متغیر متعامد بدست خواهد آمد که این موضوع باعث ساده سازی بسیاری خواهد شد، زیرا هم باعث ساده سازی مقادیر راکتانسها میشود و هم می توان مدار معادل ماشین را بصورت دو مدار مستقل از هم در نظر گرفت.
معادلات نهایی پریونیت شده در دستگاه مرجع روتور به شکل روابط (5-2) و (6-2) میباشند. جزئیات بدست آوردن این معادلات در مراجع مختلف تشریح شدهاست و در اینجا از تکرار مجدد آن خودداری می-
شود. باداشتن روابط فوق، رفتار الکتریکی ماشین شبیه سازی می شود.
(5-2)
(6-2)

Yd 1 d Yq + wr V d = - i d Ra - w0 dt w0 Y d 1 Y + wr + a R q = - i q V q w0 dt d w0 Yfd 1 d efd = i fd Rfd + w0 dt Y d 1 + 1d R 1d 0 = i 1d w0 dt Y d 1 + 1q R 1q 0 = i 1q w0 dt Y2q d 1 0 = i 2q R 2q + w0 dt id Xad Xad Xl  Xad 1 Yd i fd Xad Xlf  Xad Xad  Yfd Xad Xad W0 Xl1q  Xad i1d Y1d i Xaq Xaq Xl  Xaq Yq i q Xaq Xl1q  Xaq Xaq 1  Y1q W 1q Xaq Xaq 0 Xl2q  Xaq i2q Y 2q x 0i 0 1 Y0 = - w0 براساس روابط ولتاژ و شار ارائه شده میتوان مدار معادل ماشین سنکرون را بدست آورد. این مدار درشکل
(2-2) نشان داده شده است.
27

الف: محور طولی،

ب: محور عرضی، q
xl i 0 R0
+
V 0
ج: محور صفر

-
شکل :(2-2) مدار معادل ماشین بر اساس تئوری پارک
-2-3-2 معادلات حرکت
معادلات حرکت معادلاتی هستند که اهمیت اساسی در مطالعات پایداری سیستمهای قدرت دارند. این معادلات که بعنوان معادلات لختی چرخشی نیز نامیده میشوند، تاثیر عدم تعادل بین گشتاور الکترومغناطیسی و گشتاور مکانیکی ماشین سنکرون را بیان مینمایند. در این بخش نیز معادلات حاکم بدون ذکر جزئیات بیان میشوند که برای دسترسی به جزئیات کامل میتوان به مراجع مختلف موجود مراجعه نمود.
زمانی که عدم تعادل بین گشتاورهای اعمال شده بر روی روتور وجود داشته باشد، گشتاور خالص اعمال شده، باعث شتاب گرفتن (یا کندشدن حرکت) روتور میشود. این گشتاور برابر است با:
Ta  Tm −Te(5-2)
: Ta گشتاور شتاب دهنده برحسب N.m
28
: Tm گشتاور شتاب مکانیکی برحسبN.m : Te گشتاور الکترومغناطیسی برحسب N.m معادله حرکت نیز به صورت رابطه (6 - 2) میباشد: (6-2) TaTm−Te dωr J dt در شبیه سازیهای ماشین سنکرون معمولاً شارها به عنوان متغیرهای حالت فرض میشوند. در این صورت توان الکتریکی ماشین در مبنای واحد به شکل رابطه (7-2) خواهد بود.
Pe ωr (ψd iq −ψqid )(7-2)
با تقسیم رابطه توان الکتریکی بر سرعت مکانیکی روتور، رابطه گشتاور الکترومغناطیسی به شکل رابطه -2) (7 در میآید :
Te ψd iq −ψqid(8-2)
-4-2 پارامترهای ماشین سنکرون
در معادلات حاکم بر ماشین سنکرون که در قسمت 3-2 ارائه شد، اندوکتانسها و مقاومتهای مدارهای استاتور و روتور به صورت پارامتر ظاهر شدند. این پارامترها موسوم به پارامترهای اصلی یا اساسی ماشین هستند و بصورت اجزای مدارهای معادل دو محور d و q در شکل (2-2) قابل تشخیص هستند. هر چند این پارامترها بطور کامل مشخصههای الکتریکی ماشین را بیان میکنند، اما آنها را نمیتوان از عکسالعملهای قابل اندازهگیری ماشین مستقیماً بدست آورد. از اینرو، روش مرسوم در تعیین اطلاعات ماشین این است که آنها را برحسب پارامترهایی بیان میکنند که از رفتار قابل مشاهده ماشین در پایانههای آن قابل تشخیص بوده و تحت آزمایشهای مناسب، قابل اندازهگیری هستند. در این قسمت انواع پارامترهای ماشین و ارتباط آن با پارامترهای اساسی مورد بررسی قرار میگیرد.
-1-4-2 پارامترهای اساسی ماشین
پارامترهای اساسی ماشین یا پارامترهای مدار معادل، از اعمال تبدیل پارک بر روی معادلات حوزه زمان ماشین سنکرون بدست میآیند و مشخص کننده عناصر مدارهای معادل محورهای طولی و عرضی ماشین هستند. تعداد این پارامترها با مرتبه مدل تغییر میکنند. از مشکلات عمده کار با این پارامترها، مشخص نبودن دقیق مقدار همگی آنها است. بعبارت دیگر روشی برای تعیین مقادیر دقیق این پارامترها بصورت یک-
جا وجود ندارد و روشهای موجود همگی مقادیر تقریبی مربوط به این پارامترها را بدست می دهند.
29
بعنوان نمونه اگر مدل 2-2 استاندارد IEEE Std1110 که در شکل (1-2) نشان داده شدهاست را درنظر بگیریم، کلیه عناصر مداری که در شکل نشان داده شدهاند، پارامترهای مدار معادل بوده و به راحتی قابل محاسبه و اندازهگیری نمیباشند. حتی بعضی از آنها مخصوصاً بعضی از پارامترهای برخی از شاخههای مدار محور q وجود فیزیکی خارجی نداشته و صرفاً جهت مدل سازی رفتار ماشین در نظر گرفته میشوند.
-2-4-2 پارامترهای عملیاتی
همانگونه که از نام این پارامترها پیداست، پارامترهای عملیاتی، ماشین سنکرون را از دید سیستمی بیان می-
کنند و معین کننده رابطه ورودی و خروجی ماشین سنکرون هستند. در این حالت تغییرات شار محور طولی و عرضی، تغییرات جریان محورهای طولی و عرضی و تغییرات ولتاژ سیستم تحریک بعنوان ورودی یا خروجیهای سیستم در نظرگرفته شده و با استفاده از پارامترهای عملیاتی این ورودیها و خروجیها به یکدیگر مرتبط میشوند.
در شکل عملیاتی, معادلات روتور را میتوان به صورت سیستمی با پارامترهای گسترده محسوب کرد. این پارامترها را می توان از طریق محاسبات طراحی و یا آسانتر از طریق آزمایش پاسخ فرکانسی بدست آورد.
زمانیکه تعداد محدودی مدار برای روتور در نظر گرفته شود، می توان این پارامترها را بصورت نسبت دو چند جملهای برحسب S (عملگر لاپلاس) بیان نمود. درجه چند جملهای مخرج حداکثر برابر تعداد مدارهای فرض شده بر روی روتور است. پارامترهای عملیاتی نسبت به پارامترهای مدار معادل کاربرد بیشتری داشته و به ماشین وجهه سیستمی میدهند. این پارامترها درحقیقت مشخصههای فرکانسی ماشین سنکرون هستند و عبارتند از یک دسته منحنیهای مشخصه یا روابط تحلیلی که رابطه بین امپدانس مختلط (یا عکس آن) را نسبت به لغزش در فرکانس نامی مشخص مینمایند. در زیر سه مشخصه فرکانسی مهم ماشین معرفی می شوند .
الف ) امپدانس عملیاتی محور طولی ( ( Zd(s)
این مشخصه بصورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی و ماندگار ولتاژ آرمیچر (ناشی از مولفه محور طولی جریان آرمیچر) به دامنه مولفه اصلی و مختلط این جریان که بصورت تابعی از فرکانس بیان میشود، تعریف شده و آن را Zd(s) مینامند. این مشخصه را در حالتی که سیم بندی میدان اتصال کوتاه گردیده است، برای فرکانسهای مختلف اندازهگیری مینمایند.
ب) امپدانس عملیاتی محور عرضی ( ( Zq(s)
این مشخصه بصورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی ولتاژ آرمیچر تولید شده توسط شار مغناطیسی محور عرضی ناشی از مولفه جریان آرمیچر در جهت محور عرضی به دامنه مولفه اصلی این جریان تعریف شده و بر حسب تابعی از فرکانس(لغزش) بیان میگردد.
ج) مشخصه فرکانسی G(s) بین سیم بندی میدان و آرمیچر
30
این مشخصه به صورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی ولتاژ آرمیچر ناشی از جریان سیمبندی میدان در فرکانسهای مختلف به دامنه مولفه اصلی ولتاژ اعمالی در سیم بندی میدان تعریف میگردد.
-3-4-2 پارامترهای دینامیکی
این پارامترها به لحاظ سابقه، اهمیت و کاربرد فراوان آنها پارامترهای استاندارد ماشین نامیده میشوند، اما از آنجائیکه بیشتر حالتهای گذرا و دینامیکی ژنراتور را مدنظر دارند، به آنها پارامترهای دینامیکی نیز اطلاق می شود. یکی از دلایل اهمیت این پارامترها، قابلیت تشخیص و اندازهگیری آنها میباشد. این پارامترها را میتوان با استفاده از آزمایشهای خاصی که بعضی استانداردها نیز به آن اشاره دارند، مستقیماً بدست آورد. با استفاده از این پارامترها میتوان ژنراتور سنکرون را بویژه در حالات گذرا و دینامیکی تحلیل نمود. آزمایشات مربوط به استخراج این پارامترها سابقه نسبتاً زیادی دارد. تقسیم بندی این پارامترها که شامل اندوکتانسها و ثابت زمانیها هستند، به صورت پارامترهای دینامیکی محور طولی،محور عرضی همچنین پارامترهای
تندگذر و کندگذر میباشند که بسته به نوع تحلیل، جهت بررسی یک پدیده، پارامترهای مورد نیاز متفاوت
خواهد بود. این پارامترها بطور خلاصه شامل راکتانسهای سنکرون ( X q , X d )، راکتانسهای تندگذر و کندگذر محورهای طولی و عرضی( ( X ′q′, X ′d′, X ′q , X ′d ثابت زمانیهای کندگذر و تندگذر مدار باز محورهای طولی و عرضی ( ( T ′′qo ,T ′′do ,T ′qo ,T ′do و ثابت زمانیهای کندگذر و تندگذر اتصال کوتاه محورهای طولی و عرضی ( ( Tq′′,Td′′,Tq′,Td′ می باشند.
-5-2 محاسبه پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون بر اساس پارامترهای
اساسی ماشین
در محاسبه مقادیر اولیه شارهای گذرا در مدارهای تزویج شده از تئوری ثابت بودن شار دور استفاده میشود.
این تئوری بطور خلاصه عبارتست از اینکه شاردور مدار القائی با مقاومت و emf کوچک نمیتواند بطور لحظهای تغییر یابد. در حقیقت اگر emf یا مقاومتی در مدار موجود نباشد، شاردور آن ثابت خواهد ماند. این تئوری را میتوان در محاسبه جریانها بلافاصله بعد از تغییر شرایط مدار برحسب جریانهای قبل از تغییر استفاده کرد. هنگامی که یک اغتشاش همانند اتصال کوتاه در سمت استاتور ماشین اتفاق میافتد، شار استاتور تغییر میکند. پاسخ ماشین به اغتشاش براساس نحوه تغییرات جریانها و شارها عموماً به سه دوره زیرگذرا، دوره گذرا و ماندگار تقسیم میشود. در دوره زیرگذرا تغییر در جریان سیمپیچیهای میراکننده مانع از نفوذ شار ایجاد شده توسط استاتور به روتور میگردد. با کاهش جریان سیم پیچیهای میراکننده، دوره گذرا آغاز میشود که در آن تغییر جریانهای سیمپیچی میدان همان اثر را، اما ضعیفتر خواهد داشت. در نهایت در حالت ماندگار شار ایجاد شده استاتور به داخل روتور نفوذ خواهد کرد. شکل (3-2) توزیع شار در دورههای زیر گذرا، گذرا و ماندگار ماشین پس از وقوع یک اغتشاش سمت استاتور را نشان میدهد که بر اساس مسیر شار در هر یک از این حالتها میتوان راکتانسهای سنکرون، گذرا و زیرگذرای ماشین را تعریف کرد.
31

دوره زیرگذرا

دوره گذرا

حالت ماندگار

25%

25%

90 9090

90 9090

25%
25%
شکل (3-2) توزیع شار در ماشین سنکرون طی دورههای زیرگذرا، گذرا و ماندگار
در این قسمت نحوه محاسبه پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون برحسب پارامترهای اساسی یا همان پارامترهای مدار معادل ماشین تشریح میشود. همچنین مدار معادل ماشین برای هر یک حالتهای ماندگار، گذرا و زیرگذرا ارائه میشود. مدل در نظر گرفته شده برای ژنراتور بر اساس استاندارد IEEE Std1110،
32
مدل 2-2 میباشد. در صورت استفاده از مدلهایی با مرتبه متفاوت، رابطه پارامترهای دینامیکی تغییر یافته اما نحوه محاسبه آنها بصورت مشابه میباشد.
-1-5-2 محاسبه راکتانسهای ماشین
الف – راکتانسهای سنکرون
معمولاً اندوکتانس را به عنوان نسبت شاردور به جریان تعریف می کنند. وقتی که قله mmf گردان در امتداد محور d قرار گرفت، نسبت شاردور استاتور به جریان استاتور اندوکتانس محور (Ld) d نامیده میشود.
با بدست آمدن اندوکتانسها بدیهی است که راکتانسهای متناظر نیز به سادگی قابل محاسبه هستند.
همچنین وقتی قله mmf گردان در امتداد محور q قرار بگیرد، نسبت شاردور استاتور به جریان آن، اندوکتانس سنکرون محور (Lq) q خواهد بود. شکل (4-2) مدار معادل ماشین در شرایط حالت ماندگار را نشان می دهد.
x fd xl x1q xl i fd i1q  0 x1d X d → x2q X q → xad xaq 0 i i2q  0 1d الف-مدار معادل محور d ب-مدار معادل محورq شکل :(4-2) مدار معادل ژنراتور سنکرون در حالت ماندگار
در حالت ماندگار، راکتانسهای سنکرون محور d و q به ترتیب با توجه به شکل (4-2) محاسبه می شوند.
مقادیر این راکتانس ها در روابط (9-2) و (10-2) ارائه شده است.
(9-2) X d  xl  xad
(10-2) X q  xl  xaq
ب- راکتانسهای گذرا
برای محور مستقیم، با توجه به اینکه مقاومت سیمپیچیهای میراکننده معمولاً بزرگتر از مقاومت سیم بندی میدان میباشد، جریان القایی در این سیم پیچیها بسیار سریعتر از جریانهای القایی در سیم بندی میدان میرا میشود. برای دوره گذرا فرض میشود که حالت گذرای میراکننده با میرایی فوقالعاده زیاد تمام شده است، در حالیکه جریانهای القایی در سیم بندی میدان هنوز برای مخالفت با تغییر شاردور ناشی از جریان-

های استاتور تغییر میکنند. مدارهای معادل ماشین در دوره گذرا مطابق شکل (5-2) می باشد. مدار معادل محور q نیز به طریق مشابه قابل توجیه است.

33
x fd xl Vfd x1d X ′d → xad i1d  0 الف-مدار معادل محور d ب-مدار معادل محورq
شکل :(5-2) مدار معادل ماشین سنکرون در دوره گذرا
براساس مدارهای معادل بدست آمده، راکتانس های گذرای محورهای d و q به شکل روابط (11-2) و(-2 (12 محاسبه می گردند.
(11-2) xad x fd x fd xl  X ′d  xl  xad xad  x fd (12-2) xaq x1q x1q xl  X ′q  xl  xaq x aq x 1q ج-راکتانس های زیر گذرا
در دوره زیرگذرا، جریانهای گذرای القا شده در سیم بندیهای روتور سعی دارند تا شاردور هر یک از مدارهای روتور را در ابتدا ثابت نگه دارند. براین اساس مدارهای معادل محورهای d و q ماشین سنکرون در این حالت مطابق شکل (6-2) میباشد.

الف-مدار معادل محور dب-مدار معادل محورq
شکل :(6-2) مدار معادل ماشین سنکرون طی دوره زیر گذرا
در این حالت برای محور d راکتانس دیده شده معادل سه راکتانس موازی xad ، x fd و x1d میباشد که با xl سری شده است. راکتانس زیر گذرای مدار باز محور q نیز مشابه محور d محاسبه میشود. براساس مدار معادل های ارائه شده، این راکتانس ها طبق روابط (13-2) و (14-2) محاسبه میشوند.
(13-2) xad x fd x1d xl x fd  x1d X ′d′  xl  xad xad x fd  xad x1d  x fd x1d 34
(14-2) xad x fd x1d xl x1d x fd  X ′d′  xl  xad x x x ad x fd x ad x fd 1d 1d -2-5-2 محاسبه ثابت های زمانی ماشین
حضور دو مجموعه سیم بندی برروی روتور، دو مجموعه ثابت زمانی مختلف را سبب شدهاست. مجموعه با مقادیر بزرگتر مربوط به ثابت زمانیهای گذرا و مجموعه با مقادیر کوچکتر مربوط به ثابت زمانیهای زیرگذرا هستند. معمولاً سیم بندیهای میراکننده که مقاومت بیشتری نسبت به سیم بندیهای میدان دارند، با ثابت زمانیهای زیرگذرا متناظرند.
ثابت زمانیهای گذرا و زیرگذرا بر روی محورهای d و q معمولاً در دو حالت تعریف میشوند. در یک حالت که استاتور مدار باز است و ثابت زمانیهای مدار باز تعریف میشود، ( ( T ′′qo ,T ′′do ,T ′qo ,T ′do، و درحالت دیگرسیم پیچی استارتور بصورت اتصال کوتاه فرض می شود( .( Tq′′,Td′′,Tq′,Td′ میتوان نشان داد که نسبت ثابت زمانی گذرای محور d با استاتور اتصال کوتاه به ثابت زمانی گذرای محور d با استاتور مدار باز برابر است با نسبت راکتانس ظاهری که جریان استاتور با سیم بندی میدان اتصال کوتاه شده می بیند، به راکتانسی که جریان استاتور با سیم بندی میدان مدار باز میبیند.
الف -ثابت زمانی های گذرا
مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانیهای گذرای مدار باز محور d و q در شکل (7-2) نمایش داده شدهاست.

Rfd
′ T do ← R1d
i1q=0
xfd
Rsxl
x1d
xad
الف :
محور dب: محورq
شکل :(7-2) مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های گذرای مدار باز
براساس فرضیات فوق و مدارمعادل شکل (7-2) ثابت زمانیهای مدارباز ماشین بصورت روابط (15-2) و
(16-2) بدست می آیند. (15-2) xfdxad 1 T ′do  ω0 R fd (16-2) x1qxaq 1 T ′qo  R ω 0 1q 35
همچنین مقادیر ثابت زمانیهای گذرا با استاتور اتصال کوتاه شده بر اساس روابط (17-2) و (18-2) محاسبه میشوند.
(17-2) x′d  Td′ xd T ′do (18-2) x′q  Tq′ xq T ′qo ب- ثابت زمانیهای زیر گذرا
ثابت زمانی زیرگذرای مدار باز محور d عبارتست از زمان لازم برای کاهش مولفه d جریان به مقدار 1e ام مقدار اولیه خود، هنگامی که در ترمینال ماشینی که با سرعت نامی می چرخد، بطور ناگهانی اتصال کوتاهی رخ دهد. بعبارت دیگر این ثابت زمانی عبارتست از ثابت زمانی جریان سیمبندی میراکننده d وقتی سیمبندی میدان اتصال کوتاه شده و سیمبندیهای استاتور مدار باز باشند. از مقاومت سیم بندی میدان در این دوره کاهش ولتاژ صرف نظر میشود. ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز محور q نیز به طریق مشابه تعریف میشوند. مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانیهای زیرگذرای مدار باز مطابق شکل (8-2) میباشد.

براساس فرضیات فوق و مدار معادلهای ماشین در دوره زیرگذرا و ثابت زمانیهای زیرگذرای مدار باز ماشین بر اساس روابط (19-2) و (20-2) محاسبه میگردند.

الف : محورdب:محورq
شکل :(8-2) مدارمعادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز
(19-2)
(20-2)

 x fd xad x fd  xad x1q xaq  aq x x 1q
1 1 ′′ xad  ω x1dxfd x1d R R 0 Tdo  ω 1d 0 1d 1 1 ′′ xaq  ω x2qx1q x2q 2q R 0 R 0 Tqo  ω 2q 36
-6-2 مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون براساس مدل دو محوری پارک
روابط ارائه شده در قسمت (3-2) تا حدود قابل قبولی عملکرد الکتریکی دینامیکی یک ماشین سنکرون را بیان می کنند. اما گاهی این روابط را نمی توان بطور مستقیم برای مطالعات سیستمهای قدرت بزرگ بکار برد. از طرفی برخی از اوقات نیز لازم است رفتار ماشین سنکرون با جزئیات بیشتری مدل شود. در مدل دو محوری پارک همانگونه که قبلاً هم تشریح شد، مقادیر استاتور به دو سری مقادیر در دو جهت تبدیل می-
شوند که یکی در راستای محور مغناطیسی سیم پیچی میدان بوده (محور (d و دیگری با 90 درجه اختلاف با محور d عمود بر محور مغناطیسی سیم پیچی میدان میباشد (محور .(q محور d روتور شامل سیم پیچی میدان و سیم پیچیهای میراکننده میباشد. محور q نیز شامل سیم پیچیهای میراکننده این محور است.
باتوجه به تعداد سیم پیچیهای درنظر گرفته شده برای محور d و q روتور، مراتب مختلفی برای مدل ژنراتور سنکرون متصور است. براساس استاندارد IEEE Std 1110، مدل ژنراتور بایک شماره دورقمی Model AB مشخص میشود که A تعداد سیم پیچیهای درنظر گرفته شده برای محور d روتور و B

تعداد سیمپیچیهای منظور شده برای محور q روتور میباشد. جدول (1-2) مراتب مختلف ژنراتور سنکرون را نشان میدهد. نوع مدل انتخاب شده برای ژنراتور سنکرون وابسته به پارامترهای مختلفی از جمله نوع ژنراتور و ساختار فیزیکی روتور و انواع مطالعه مورد نظر است که در قسمتهای بعدی تشریح میشود.
37
جدول :(1-2) مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون

فصل سوم:

بررسی روشهای شناسایی پارامترهای
دینامیکی ژنراتورهای سنکرون
39
-1-3 مروری بر پیشینه شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
بحث پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون و یا به عبارت دیگر این مطلب کـه بـرای بیـان رفتـار ماشـین سنکرون در حالتهای گذرا از راکتانسهای مربوط به حالت دائم نمیتوان استفاده کرد، برای اولین بار در سـال
1920 با طرح مفهوم راکتانس اتصال کوتاه مطرح گردید. بعدها این ایده بعنوان پایه و اسـاس اولیـه تئـوری
"ثابت بودن شاردور در برگیرنده" قرار گرفت و در مقالاتی توسط دوهرتی1 درسال 1923 و بیـولی2 در سـال
1929 دوباره عنوان گردید.
آقای کری3 این مطلب را به این صورت طرح کرد که در هر مدار بسته بلافاصله بعد از هر تغییر بوجود آمـده در جریان، ولتاژ ویا موقعیت فیزیکی این مدار نسبت به موقعیت مدارات دیگـر کـه بـا آن بطـور مغناطیـسی درگیر میباشند، شار دور در برگیرنده ثابت باقی خواهد ماند . با توجه به مقاومت موجود در سیم پیچی میدان و دیگر سیم پیچیهای روتور (دمپرها) و در نتیجه تغییرات حاصله در شاردور در بر گیرنده در طی مدت زمان بعد از وقوع تغییرات ناگهانی، لزوم معرفی ثابت زمانیهای گوناگون ماشین نیز بعدها بـرای تحلیـل دقیـق تـر مورد ملاحظه قرار گرفت.
بر این اساس پارک4 و روبیرتسون5 در سال 1928 راکتانسهای دیگری از قبیل راکتانسها و ثابـت زمانیهـای محور عرضی و محور طولی را برای رژیم های تندگذر و کندگذر و به همین صورت مفاهیم دیگری همچون حالات کندگذر و تندگذر را در شارها، ولتاژها و جریانها نیز مطرح نمودند. گام بعدی در همین رونـد معرفـی مدار معادل ماشین بود. بسط منطقی این طریقه تحلیـل رفتـار ماشـین (بعـد از هـر تغییـر ناگهـانی) معرفـی مدارهای مربوط به محورهای طولی و عرضی ماشین با این فرض بود که بتوان یک اندوکتانس متقابل بـین سیم بندیهای موجود در روتور و استاتور تعریف نمود. بدین ترتیب و با در نظر گرفتن یک اندوکتانس متقابـل برای کوپلاژ بین سیم بندیهای روتور و استاتور و همچنین انتساب یک اندوکتانس پراکندگی به هـر کـدام از سیم بندیها (استاتور، میدان وبدنه روتور) مدار معادل مربوط به محور طولی ماشین. در سال 1931،کیلگوری6
در طی یک پروژه - ریسرچفاکتورهای مؤثر در محاسبات مربوط به بدست آوردن راکتانسهای ماشین سـنکرون را کـه مبنای خواص فیزیکی و ابعاد هندسی ماشین(استاتور، روتور و سیم پیچی میدان) میباشند بیان نمود. در ایـن مسیر در سال 1929، پارک نیز ایده محورهای طولی و عرضی برای ماشین را که قبلا توسط خـود او مطـرح شده بود به تبدیلات d-q که طی آن کمیات مربوط به سه فاز به متغیرهای q-d مرتبط می گردیـد بـسط داده و به این ترتیب پایه معادلات ماشین بر مبنای تئوری دو محوری بنا نهاده شد.

1-Doherty 2- Biowly 3- Cary 4- Park 5- Robertson 6- Kilgore
40
در سال 1931، شروین1 روابط لازم جهت بدست آوردن پارامترهای ماشین سنکرون را بـرای حالـت دائـم و گذرا، از طریق نتایج آزمایش ارائه نمود و این در حقیقت اولین روش پذیرفته شده بطور عام برای آزمایشهای ماشین سنکرون بود.که در سال 1945 میلادی توسط کمیته مربوط به ماشین سنکرون AIEE چاپ گردید.
از لحاظ تاریخی کمیته ماشینهای الکتریکی و استاندارد شماره 115 مربوط به IEEE ماحصل همان کمیتـه و همان روش آزمایشی ارائه شده در طی سالهای بعدی می باشد.
در طی اوائل دهه 60 میلادی به همان صورت که ابزار و تکنیکهای محاسباتی کـه در تحلیـل سیـستمهای قدرت بکار می رفت از لحاظ ابعاد و سرعت با روند رو به رشدی روبرو بود نیاز به مـدلهای دقیـقتـر ماشـین سنکرون جهت مطالعات پایداری نیز محسوس شده و بـرای ایـن خـاطر روشـهای کلاسـیک بدسـت آوردن پارامترهای ماشین سنکرون نیز دوباره مورد توجه بیشتر و دقیقتر قرار گرفت. در طی ایـن سـالها عـلاوه بـر مقالات متعددی که در این رابطه به چاپ رسید، استانداردهایی نظیر اسـتانداردBS, IEC, IEEE مربـوط به بخش ماشین نیز به دفعات متعدد چاپ و مورد تجدید نظر قـرار گرفتنـد. ایـن اسـتانداردها از میـان انـواع روشهای متفاوت و گوناگونی که ارائه میگردیدند و با توجه به رعایت نکات عملی و تکنیکهای انـدازهگیـری در طی جلسات متعدد کمیتههای ماشینهای الکتریکی، آنهایی را که تا حدی قابل قبول تشخیص مـی دادنـد انتخاب کرده و در استانداردها به عنوان روشهای کلاسیک مطرح و مورد تایید قرار می دادنـد. از مشخـصات مهم آزمایشات کلاسیک مربوط به قبل از دهه 80 تاکید روی آزمایش اتصال کوتاه سه فاز ناگهـانی و سـعی در بدست آوردن پارامترهای ماشین بـا اسـتفاده از چنـین آزمایـشی بـود کـه در حـال حاضـر هنـوز هـم در مشخصات ارائه شده در نیروگاهها نتایج حاصل از آزمایش اتصال کوتاه ناگهانی ارائه می گردد.
از جمله نکات محدودکننده اینگونه آزمایشها عدم دسترسی به پارامترهای مربـوط بـه محـور عرضـی، عـدم صرفه اقتصادی و قابلیت انجام آن در محل نیروگاهها و در تحت ولتاژ نامی بود. در حقیقت تـا قبـل از سـال
1983 روشهای دسترسی به پارامترهای مربوط به محور q در استانداردها مسکوت گذارده شده بود.
در طی سالهای 1960 الـی 1980 آزمایـشات گونـاگونی جهـت پاسـخگویی بـه سـؤالاتی از قبیـل اهمیـت پارامترهای مربوط به محور عرضی و همچنین درجه دقّت مورد لزوم برای پارامترهای ماشین و یا درجه مدل بکار رفته برای ماشین مطرح شده است. آزمایشات نیروگاه نورث فلیت2 در سال 1969 و تحقیقات انجام شده مؤسساتی چون EPRI, NPCC & Ontario-Hydro از این دسـتهانـد. ایـن مجموعـه فعالیـتهـا نتایجی از این قبیل را به همراه داشت:
در شبیه سازی دینامیکی رفتار ماشینهای الکتریکی، اطلاع دقیـق از پارامترهـای ماشـین بـه انـدازه درجه مدل انتخابی اهمیت دارد. این اهمیت در باب پارامترهای محور عرضی بارزتر است.
در تعیین پارامترهای ماشین همواره آزمایشاتی که منجر به تغییرات کوچک(بزرگ) در مقادیر ولتاژ و جریانهای ماشین گردند، اطلاعات مناسبی از پارامترها برای مطالعات مربوط بـه اغتـشاشات بـزرگ (کوچک) را در اختیار قرار نمیدهد.

7- Shervin 8- North Fleet
41
با توجه به این نکته پارامترها باید بسته به نوع مطالعه تصحیح و بهینه سازی شوند.
ارزش پارامترهای محور عرضی در شبیه سازی رفتار توربوژنراتورهای با روتـور یکپارچـه بـه حـدی است که انجام آزمایشهای جداگانه در این جهت راتوجیه میکند.
بدین ترتیب در سالهای بعد از 1980 آزمایشهای جدیدتری چون میرائی شار1 جایگاه ویژهای در حوزه تعیـین پارامترهای دینامیکی ماشینهای سنکرون پیدا کردند.
-2-3 انواع روشهای تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
به طور کلی آزمایشهای موجود در حوزه تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون را می توان به دو دسته :
روشهای کلاسیک
روشهای جدید
تقسیم بندی کرد. روشهای کلاسیک، آزمایشهایی محدود را تشکیل میدهند که عموماَ از نظر زمانی نیز، بـر روشهای جدید تقدم دارند. مهمترین معیارهای مطرح در انتخاب روشهای مورد استفاده عبارتنداز:
انجام آزمایش در آن کشور ممکن باشد و به ابزار پیچیده نیاز نداشته باشد.
استانداردهای معتبر آن را تایید کند.
با بکارگیری آن تعداد بیشتری از کمیتها را بتوان شناسایی کرد.
آن روش قادر به اندازهگیری پارامترهای محور عرضی نیز باشد.
-1-2-3 روشهای کلاسیک اندازهگیری پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
روشهای کلاسیک روشهایی محدود هستند که عموما قبل از دهه 80 میلادی ابداع شدهاند و بـا انجـام آنهـا تنها یک یا چند پارامتر شناسایی میشود. این روشها برروی هر ژنراتـوری قابـل اجـرا بـوده و بـه تجهیـزات پیشرفته و پیچیده نیاز ندارد. تغییرات این روشها در خلال این سالها عموما از جنس اصلاح روابط محاسـباتی میباشد. اغلب آنها استاندارد شدهاند، ولی متاسفانه با انجام هر یک از این آزمایشها تنهـا تعـداد محـدودی از پارامترها بدست میآیند. از نقاط ضعف این روشها مساله تعیین پارامترهای محور q اسـت. از معایـب عمـده دیگر بعضی از این روشها مخرب بودن آنهاست. با این شرایط مجوز استفاده از این روشها علیرغم اسـتاندارد بودن آنها صادر نمیگردد.
به عنوان نمونه آزمایش اتصال کوتاه سهفاز اگر چه نتایج خوبی را از جهت تعیین پارامترها در بر داشته باشد، به علت آثار مخرب الکتریکی و مکانیکی جبران ناپذیر آن چندان مورد توجـه نیـست. اغلـب کمیتهـایی کـه توسط آزمایشهای کلاسیک تعیین میشود بر پایه مدل استاندارد IEEE تبیین شـدهانـد بـا یـک سـیمپـیچ میرایی محور طولی و عرضی. بسیاری از این روشها در تعیین پارامترها برای مدلهایی از مرتبـه بـالاتر ناکـام خواهند بود.

9- dc decay
42
-2-2-3 روشهای جدید در تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون:
همگام با رشد سیستمهای کـامپیوتری، توسـعه تجهیـزات انـدارهگیـری و پدیـد آمـدن سیـستمهای هـوش مصنوعی، مجموعه جدیدی از روشها برای شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون پدیـد آمدنـد.
بطور کلی در این روشها با اعمال ورودیهای مناسب در وضعیتهای متفاوت روتور(ایـستا یـا متحـرک) و ثبـت خروجیها، توابع انتقال ماشین شناسایی شده است. سپس با فرض یک مدل خاص بـرای ماشـین مـیتـوان پارامترهای ماشین را با روشهای مناسبی تخمین زد. اخیرا مدلهایی با مرتبه بالاتر نیز در اسـتانداردها مطـرح شدهاند. شناسایی پارامترهای دیگری که همگام با رشد درجه مدل مطرح شدهاند را صرفا میتوان با اسـتفاده از روشهای جدید تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون شناسایی کرد، اگر چه توانایی روشهای مذکور در تعیین این پارامترها متفاوت است. در مجموع روشهای جدید را میتوان تلاشـهایی بـرای دسـتیـابی بـه اهداف زیر دانست:
أ- دستیابی به روشهای بلادرنگ در تخمین پارامترها ب- استفاده از اطلاعات بهره برداری برای شناسایی پارامترها ت- شناسایی پارامترها با دقت هرچه بیشتر ث- تلاش در سادهسازی مکانیزم تخمین
به عنوان نمونه از مهمترین روشهای مطرح در این دسته به موارد زیر میتوان اشاره کرد: (1 روشهای بنا شده برپایه سیستمهای هوش مصنوعی:
(a تخمین پارامترهای دینامیکی با استفاده از شبکه عصبی (b تخمین پارامترهای دینامیکی با استفاده از الگوریتم ژنتیک
(2 روشهای بنا شده بر پایه تکنیکهای معادلات معادلات جزئی: (a تعیین پارامترها با استفاده از تکنیک اجزاء محدود
(3 شناسایی پارامترها ماشین سنکرون با استفاده از تست پاسخ فرکانسی
(4 شناسایی پارامترها با استفاده از دامنه وسیع تحریک
(5 شناسایی پارامترها با استفاده از اطلاعات تست باربرداری
(6 شناسایی پارامترها با استفاده از اطلاعات میرایی شار
(7 شناسایی پارامترها با اطلاعات بدست آمده از اغتشاشات بهره برداری (a تخمین پارامترها با استفاده از اغتشاشات بزرگ بهره برداری (b تخمین پارامترها با استفاده از اغتشاشات کوچک بهره برداری
عموم این روشها غیر مخرب بوده و نتایج خوبی را در تخمین پارامترها نشان داده اند. از نکات قابـل توجـه در این روشها توانایی آنها در تعیین پارامترهای محور عرضی علاوه بر محور طولی و همچنـین امکـان تخمـین پارامترها، متناظر مدلهایی با درجههای مختلف است. البته این به معنی توانایی برابر این روشها برای تخمین
43
و شناسایی پارامترها در جهات مختلف نیست. البته همه این روشـها در حـال تکامـل و بهبـود مـیباشـند و
بسیاری از آنها هنوز استاندارد نشدهاند.
44
فصل چهارم:

شناسایی بلادرنگ پارامترهای
دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با
استفاده از رویتگر شبکه عصبی
45
-1-4 اصول کار شبکه های عصبی:
یکی از روشهای مشهور در حوزه هوش مصنوعی شبکه عصبی مصنوعی است. شبکههای عصبی مـصنوعی الهام گرفته از شبکه عصبی انسان هستند که توانایی بالایی در تقلید رفتار توابـع غیـر خطـی از خـود نـشان دادهاند. انسان با استفاده از تجربیاتی که از وقایع پیرامون خود دارد و ارتباطی که بین آن وقایع و عوامل مؤثر بر آنها برقرار میکند، نسبت به تخمین وقایع آتی بر پایه وضـعیت عوامـل مـؤثر اقـدام مـینمایـد. براسـاس تحلیلهای موجود شبکه عصبی مغز انسان از لایههای مختلفی تشکیل شده که لایه خـارجی آن(کـورتکس)
متصل به مجاری ورودی است. این ورودیها در انسان حواس او هستند. تجربیات ما به صورت تفاوت قوت و ضعف نقاط اتصال سلولهای عصبی به یکدیگر(سیناپسها) بروز مـیکنـد. هـر یـک از نـرونهـا پیونـدهای متعددی با سلولهای لایه بعد دارند.

شکل:1-4 طرح کلی سلول عصبی انسان
مسلم است که هرچه تعداد پیوندهای عرضی بیشتر باشد شبکه توانایی بیشتری در آموزش رفتـار توابـع غیـر خطی خواهد داشت.
-2-4 اصول کار شبکه عصبی تخمین گر پارامترها:
با درنظر گرفتن مبادی ذکر شده، مراحل شبیهسازی شبکههای عصبی بدین صورت خواهد بود:
ساخت نرون مصنوعی
ساختاربندی آن در قالب لایههای مختلف
تهیه بانک اطلاعات لازم برای آموزش شبکه عصبی
آموزش شبکه عصبی
تست شبکه
46

شکل :2-4 شکل کلی سلول عصبی مصنوعی
لایههای شبکه عصبی را به سه دسته لایه ورودی، لایه خروجی، و لایه (لایههای) مخفی تقسیم مـیکننـد.
تعداد عناصر لایه ورودی و خروجی باید برابر تعداد ورودی، خروجیهای در نظـر گرفتـه شـده بـرای شـبکه باشند. افزایش تعداد لایههای مخفی در شبکه عصبی دو اثر متضاد را به همراه دارد. از یک طرف تقلیـد هـر چه بهتر رفتار هر تابع غیر خطی را امکان پذیر می سـازد و از طـرف دیگـر مـشکلات شـبیه سـازی و مـدت آموزش را افزایش میدهد. در عمل باید بسته به شرایط، بین این دو عامل بهینهسازی شود. در عمل در طـی تحقیقات متعدد انجام شده شبکه عصبی با یک لایه مخفی به عنوان حالت بهینه مطرح شده است.

شکل:3-4 ساختار شبکه عصبی توسعه یافته
همانگونه که پیشتر مطرح شد تعداد نرونهای لایه خروجی شبکه عصبی برابـر تعـداد خروجـیهـای در نظـر گرفته شده برای آن شبکه است. در این طرح، شبکه عصبی با یک خروجی در نظر گرفته شده است. بنابراین برای تخمین هر یک از پارامترهای مورد نظر باید یک شبکه مستقل تـشکیل شـده، آمـوزش دیـده و مـورد استفاده قرار گیرد. این روش اگرچه مشکلاتی را در تشکیل و آموزش شبکههای متعدد به همـراه دارد لـیکن گامی در جهت دستیابی به حداکثر قابلیت شبکههای عصبی در تخمین پارامترهـای دینـامیکی ژنراتورهـای سنکرون بر اساس دادههای بهرهبرداری است. همانگونه که همواره بهینهسازیهای تک هدفه نتایج بهتـری از جهت دستیابی به نتیجه مورد نظر دارند، با توجه به تشابه ساختاری این معنی در باب شـبکههـای عـصبی نیز صادق است. تعداد نرونهای لایه ورودی نیز برابر تعداد ورودیهای در نظر گرفته شده برای شبکه عـصبی
47
است. تعداد شش ورودی برای شبکه مورد نظر در نظر گرفته شده است. تعداد ورودیها در این طرح با توجه به مجموعه پارامترهای قابل اندازهگیری در خروجی ژنراتورهای سنکرون انتخاب شده است. البته انتخـاب و ترتیب آرایش این پارامترها برپایه رؤیت پذیری پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون در رفتار دینـامیکی آن شکل گرفته است. این بحث در طی مطالعات پیشین انجام شـده در مرکـز مطالعـات دینامیـک ایـران مـورد بررسی قرار گرفته است.
-1-2-4 دادههای آموزشی و آموزش شبکه عصبی تخمینگر:
از نکات بسیار مهم در تشکیل شبکه عصبی مـصنوعی، بانـک اطلاعـات آموزشـی مـورد اسـتفاده اسـت. در تجربیات گذشته که در حوزه استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی مطرح است، گاه اصلاح مکانیزم تهیـه و تغییر دامنه دادههای آموزشی، یک شبکه عصبی با نتایج ضعیف را به شبکهای بـا نتـایج قابـل قبـول تبـدیل کرده است. شاید بتوان مهمترین نکته در گردآوری اطلاعات آموزشـی را شـمول و فراگیـری آن نـسبت بـه حالتهای مختلف رفتاری مطرح در حوزه مورد نظر دانست. اگرچه این شمول را نباید با بزرگی ابعـاد اشـتباه گرفت. عامل مهم نگاه ریشهای و بنیادین به حالات مطرح در آن حوزه است. از آنجا که این شبکه بر آنـست تا بر پایه اطلاعات بهرهبرداری نسبت به تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون اقدام نماید، لـذا بایـد بانک اطلاعات لازم برای آموزش شبکه عصبی در این حوزه فراهم شود. مجموعه اغتـشاشاتی کـه در طـی بهرهبرداری از ژنراتورها رخ میدهد را میتوان به سه دسته عمده تقسیم کرد:
اغتشاشاتی که در حوزه تحریک رخ می دهند
اغتشاشاتی که در حوزه توان ورودی رخ میدهند
اغتشاشاتی که در شبکه تحت تغذیه رخ میدهند
بدین ترتیب از هر یک از این حوزههای سهگانه یک نمونه شایع به عنوان نماینده آن گروه بـدین ترتیـب در
نظر گرفته شده است:
تغییر ناگهانی %10 در تحریک ژنراتور
تغییر ناگهانی %10 در توان ورودی ژنراتور
وقوع اتصال کوتاه سهفاز 10-5)میلی ثانیه) در خروجی ژنراتور
48

شکل :4-4 شکل کلی روش تهیه اطلاعات بهرهبرداری ژنراتورهای سنکرون
(برای آموزش و تست شبکه عصبی)
60 مجموعه از مقادیر نمونه پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون به عنوان مقـادیر پایـه در تـشکیل بانـک اطلاعات آموزشی شبکه عصبی در نظر گرفته شده است. این مجموعه از دادههایی مربوط به:
واحدهای بخاری- فسیلی
واحدهای بخاری-فسیلی با پیوند عرضی
واحدهای بخاری- هستهای
واحدهای آبی
واحدهای با توربین احتراقی
تشکیل شده است. برای هر مجموعه از این پارامترها دو گام افزایشی و دو مرحله کاهش در نظر گرفته شده
است. هر یک از این مراحل تغییرات %10 پارامترها را بهمراه خواهد داشت. مجموعه نهایی دربرگیرنـده 225
مجموعه از مقادیر نمونه پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون میباشد. مجموعه یک ژنراتور متصل به شین
بینهایت برای شبیه سازی رفتار ژنراتور سنکرون در نظر گرفته شده است. برای این که آثـار تفـاوت سـاختار
شبکه در رفتار ژنراتور نیز لحاظ شده باشد در هر مرحله از شبیهسازی بصورت همگام با تغییرات پارامترهـای
ژنراتور، تغییراتی در حوزه پارامترهای شبکه نیز در نظر گرفته شده است. در هر دوره شبیه سازی از خروجـی
ژنراتور 1000 نمونهگیری با فاصله زمانیهایی برابر0,01 ثانیه بعمل آمده است. 20 نمونه از اندازهگیری های
انجام شده و پارامترهای متناظر با آن به عنـوان مجموعـه اطلاعـات آموزشـی در نظـر گرفتـه شـده اسـت.
نمونههای منتخب از میان اندازهگیریهای انجام شده با گامهای متغیر و قابل کنترل گزینش شـدهانـد، ایـن
رویکرد امکان تهیه تصویری بهتر از رفتار دینامیکی ژنراتور سنکرون در قبال یک اغتـشاش را بـا رعایـت دو
مشخصه حداقل حجم اطلاعات و حفظ حداکثر مشخصات رفتاری فراهم میآورد.
49

شکل:5-4 آلگوریتم آموزش شبکه عصبی
آموزش شبکه بر پایه الگوریتم پسانتشار و با استفاده از راهبرد مارکوئیس_لونبرگ انجام شده است. برای هر یک از انواع سهگانه اغتشاشات ذکر شده بانک اطلاعات آموزشی مستقلی در نظـر گرفتـه شـده اسـت. ایـن روش امکان مقایسه بین نتایج اخذ شده در قبال هر یک از انواع اغتشاشات را فـراهم مـیآورد. ایـن راهبـرد امکان مقایسه درجه قابلیت اطمینان نتایج حاصل از تخمین پارامترهای گوناگون در قبال اغتشاشات مختلـف را نیز فراهم میĤورد.
-2-2-4 تست شبکه عصبی تخمینگر:
تست شبکه عصبی با استفاده از اطلاعات بهره برداری که در مجموعه آموزشی لحـاظ نـشده، شـکل گرفتـه است. بدین ترتیب تصویر واقعگرایانهتری از قابلیتهای شبکه مذکور خواهیم داشت. برای تحقق این معنـی اطلاعات مربوط به 75 ژنراتور سنکرون متفاوت با نمونه های مطـرح شـده در مجموعـه آموزشـی، دادههـای حاصل از اندازهگیریهای بعمل آمده در قبال رفتار دینامیکی آنهـا و مقـادیر حقیقـی پارامترهـای دینـامیکی متناظر با آن به عنوان مجموعه دادههای تست شبکه عصبی در نظر گرفته شده است. طرح کلی روش تست و بهرهبرداری شبکه عصبی مذکور در شکل4-6 بیان شده است. هریک از مراحـل آمـوزش و تـست شـبکه عصبی تخمینگر با مشخصات ذکر شده در قبال سه اغتشاش نمونه مطرح در نظر گرفته شده است.
50

شکل:6-4 طرح کلی روش تست و بهرهبرداری از شبکه عصبی
-3-4 نتایج:
مجموعه نتایج در سه بخش سازماندهی شده است. هربخش در برگیرنده نتایج آموزش و تست شبکه عصبی بر پایه یکی از انواع سهگانه اغتشاش میباشد. این طریقه بررسی امکان مقایسه بهتر نتایج را فراهم سـاخته، شاهدی بر رؤیت پذیری پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون در ازای اغتشاشات مختلف مـیباشـد. از طرف دیگر بررسی مقایسهای نتایج درجه دقـت شـبکه عـصبی در تخمـین پارامترهـای دینـامیکی بـر پایـه اطلاعات مختلف بهرهبرداری را نیز بیان میکند. برداشتهای مقایسهای امکان تعیین بهتر قابلیتهای شبکه عصبی را بدور از آثار ناشی از الگوی آموزشی فراهم میآورد، زیرا ابعاد و مکانیزم تشکیل مجموعـه آموزشـی در تخمین همه این پارامترها مشابه بوده است.
برای بررسی رفتار هر شبکه عصبی دو معیار اصلی دامنه و توزیع فراوانی خطا در نظر گرفتـه شـده اسـت. در تحلیل بر اساس توزیع فراوانی خطا، درصد فراوانی غالب و دامنه خطای متناظر با آن بیان شدهاند. با توجه به حجم زیاد مجموعه نتایج، چند نمونه از شبکههای تخمینگر و دادههای بدست آمده از طریق آنها در مرحلـه آموزش و تست ارائه شده است. این مجموعه به سه حوزه آموزش و تست بر اساس اطلاعـات بهـرهبـرداری شکل گرفته برپایه تغییر ناگهانی تحریک، تغییر ناگهانی تـوان ورودی و اغتـشاش حـوزه شـبکه متـصل بـه ژنراتور تقسیم شده است. برای فراهم سازی امکان مقایسه بیشتر، نتایج متناظر هر پارامترکه با استفاده از هر یک از بانکهای اطلاعاتی سهگانه مذکور بدست آمده اسـت در اختیـار خواننـده محتـرم قـرار گرفتـه اسـت.
پارامترهای دینامیکی مطرح برای ژنراتورهای سنکرون _در نگاه اشتراکی بین انواع مختلف آن _کـه مـا بـه تخمین آنها همت گماشته ایم مجموعهای بدین صورت را تشکیل خواهد داد:
51
جدول( (1-4 ردیف نام پارامتر مشخصه واحد
1 راکتانس سنکرون محور d Xd pu
2 راکتانس حالت گذرا محور d Xd' Pu
3 راکتانس فوق گذرا محور d Xd" Pu
4 راکتانس سنکرون محور q Xq pu
5 راکتانس فوق گذرا محور q Xq" Pu
6 راکتانس پوتیه Xl pu
7 ثابت زمانی محور d در دوره گذرا Td' s
8 ثابت زمانی محور d در دوره فوق گذرا Td" s
9 ثابت زمانی محور q در دوره فوق گذرا Tq" s
10 ثابت اینرسی H s
52
-1-3-4 نمونههایی از نتایج شبکه عصبی تخمینگر:
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :7-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل :8-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
53

شکل :9-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :10-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
54

شکل :11-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :12-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
55
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :13-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل :14-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
56

شکل :15-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :16-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
57

شکل :17-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :18-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
58
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :19-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل:20-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
59

شکل:21-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :22-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
60

شکل :23-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:24-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
61
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :25-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :26-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
62

شکل :27-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :28-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq"
63

شکل :29-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :30-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
64
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :31-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :32-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
65

شکل :33-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :34-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین xq"
66

شکل :35-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :36-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
67
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :37-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :38-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
68

شکل :39-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :40-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq"
69

شکل :41-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:42-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
70
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :43-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند برای تخمین Td"

شکل :44-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
71

شکل :45-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :46-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
72

شکل :47-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :48-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
73
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :49-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td"

شکل:50-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
74

شکل:51-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :52-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
75

شکل :53-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :54-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
76
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :55-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td"

شکل :56-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
77

شکل :57-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :58-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
78

شکل :59-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:60-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
79
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :61-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین Tq"

شکل :62-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
80

شکل :63-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :64-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq"
81

شکل :65-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :66-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
82
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :67-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq"

.
شکل:68-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
83

شکل:69-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :70-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین Tq"
84

شکل :71-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :72-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
85
پارامتر مورد تخمین: T"q

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :73-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq"

شکل :74-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
86

شکل :75-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :76-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq"
87

شکل :77-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:78-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
88
-2-3-4 بررسی تحلیلی نتایج:
در طی این پروژه، شبیه سازیهای مربوطه در جهت تخمین کلیه پارامترهای مذکور انجام شده و بـر اسـاس اغتشاش بکار گرفته شده در تهیه دادههای بهرهبرداری تقسیم بندی و مقایسه شـده اسـت. بررسـی تحلیلـی نتایج در قالب شاخصبندیهای زیر ارائه شده است:
.1 بررسی مقایسهای رفتار شبکه عصبی تخمینگر در دوره آموزش:
.A تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه توزیع فراوانی خطا:
این بررسی بر پایه توزیع فراوانی خطای شبکه عصبی تخمینگر در مرحلـه آمـوزش، شـکل گرفتـه است. در مسیر تخمین هر یک از پارامترها نتایج سهگانه بدست آمده به ترتیب بر اساس برازندگی از دیدگاه حداقل خطا مرتب شده است. این نتایج برپایه اغتشاش متناظر با آنها نام گذاری و در جـدول
2-4 جای گرفتهاند.
.B تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه حداکثر دامنه خطا:
نتایج سهگانه بدست آمده در تخمین هریک از پارامترها بر اساس شـاخص حـداکثر خطـا ارزیـابی و اولویت بندی شدهاند. نتایج این تحلیل به ترتیب بیان شده در گام قبل نامگذاری و در قالـب جـدول
3-4 در اختیار قرار گرفته است.
.2 بررسی مقایسهای رفتار شبکه عصبی تخمینگر در دوره تست:
.A تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه توزیع فراوانی خطا:
این بررسی بر پایه توزیع فراوانی خطای شبکه عصبی تخمینگر در مرحله تست، شکل گرفته است.
در مسیر تخمین هر یک از پارامترها، نتایج سهگانه بدست آمده بر اساس برازندگی از دیدگاه حداقل خطا ترتیب یافته است. این نتایج برپایه اغتشاش متناظر با آنها نام گـذاری و در جـدول 2-4 جـای گرفتهاند. به علّت اهمیت خاص نتایج حاصل در این بخش، علاوه بر تحلیلهای فوق شاخص خطای متناظر با فراوانی غالب و درصد فراوانی مربوطه در بهترین حالت نیز ارزیابی و در جدول 2-4 ارائـه شده است.
.B تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه حداکثر دامنه خطا:
89
نتایج سهگانه بدست آمده در تخمین هریک از پارامترها بر اساس شاخص حداکثر خطا ارزیابی و بـر اساس برازندگی مرتب شده است. نتایج این تحلیل به همان صورت نامگذاری و در جدول 3-4 ارائه شده است.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :Xd
با مقایسه نتایج بدست آمده با استفاده اغتشاشات مختلف هیستوگرام خطای شبکه در مرحله آموزش بهتـرین توزیع فراوانی را در وقوع قبال اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور نشان میدهـد نتـایج حاصـله بـر پایـه تغییـر ناگهانی تحریک و تغییر توان ورودی در مراتب بعدی قرار میگیرند.
از نظر دامنه خطا نیز در این مرحله بهترین نتایج به ترتیب در قبال نتایج حاصله از وقوع اتصال کوتاه, تغییـر توان ورودی و تغییر ناگهانی تحریک شکل گرفته اند.
در مرحله تست بهترین توزیع فراوانی در مرحله اول مربوط به نتـایج حاصـل از تغییـر ناگهـانی تحریـک، در مرحله دوم مربوط به نتایج حاصله بر پایه وقوع اتصال کوتاه و نهایتًا از تغییر توان ورودی بدست میآید.
کمترین دامنه خطا به ترتیب متعلق به تخمین برپایه نتایج حاصل از وقوع اتصال کوتاه، تغییر تـوان ورودی و نهایتًا تغییر تحریک میباشد.
در مرحله تست محدودترین دامنه خطا مربوط به وقوع اتصال کوتاه است. نتایج حاصل از تغییر تـوان ورودی و تغییر ناگهانی تحریک در مراتب بعدی قرار دارند.
%73,3 از نتایج دارای خطای کمتر از %9,2 دامنه تغییرات Xd هستند.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :X'd
هیستوگرام خطای شبکه در مرحله آموزش نتایجی بدین ترتیب را در بر داشته است: در مرحلـه اول بهتـرین نتایج همراستا با تغییر ناگهانی تحریک شکل گرفته است، در مرحله دوم با تغییـر تـوان ورودی و در مرحلـه سوم با استفاده از وقوع اتصال کوتاه در خروجی ژنراتور.
کمتریم دامنه خطا در مرحله آموزش مربوط به وقوع اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور و در مرحله دوم و سـوم
مربوط به تغییر ناگهانی تحریک و توان ورودی ژنراتور میباشد.
در مرحله تست نمودار خطای شبکه نتایج مشابهی را در قبال اغتشاشهای سهگانه بجای گذاشته است و بـه سختی میتوان بین آنها تمایز قائل شد. شاید بتوان نتایج مربوط به تغییر توان ورودی، و در گامهـای بعـدی مربوط به تغییر ناگهانی تحریک و وقوع اتصال کوتاه در خروجی ژنراتور دانست.
90
کمترین دامنه خطا در این مرحله بترتیب مربوط به تغییر ناگهانی تحریک، وقوع اتصال کوتـاه و تغییـر تـوان ورودی میباشد.
%70 نتایج دارای خطای کمتر از %8,9 دامنه تغییرات X'd میباشند.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :X"d
نمودارهای بدست آمده در مرحله آموزش از دیدگاه توزیع فراوانی خطا بهترین نتایج را متناظر با وقوع اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور و در مراحل بعدی همراستا با تغییر توان ورودی و تغییر تحریک، نـشان مـیدهنـد.
اگرچه دو مورد اخیر نتایج مشابهی را نشان میدهند و به سختی میتوان بین آنها تفاوت قائل شد.