و ضرورت مطالعه
مخازن ذخیره سیال از اجزاء بسیار مهم و حیاتی در صنایع به حساب می آیند. از مخازن به صورت گسترده برای ذخیره سازی و نگهداری سیالات در صنایع پتروشیمی و همچنین نگهداری انواع سیالات در صنایع مختلف استفاده می شود و حتی این مخازن از تجهیزات اصلی تأمین آب شرب شهرها می باشند، لذا باید به این نکته توجه نمود که آسیب هایی که به مخازن ذخیره سیال وارد می شوند می توانند زیان هایی به مراتب وسیع تر از هزینه های مالی در بر داشته باشند. مانند آسیب های وارد شده به مخازن تأمین آب شرب در زلزله 1933Long beach  و زلزله 1971San Fernando  که آبرسانی عمومی شهر را با مشکلات جدی روبرو نمود، و یا خرابی های وارد شده به مخازن ذخیره سیالات قابل احتراق که قادر اند آتشسوزی های غیر قابل مهاری را پیش آورد مانند آنچه در زلزله 1964Niigata  و یا در زلزله 1964Alaska  رخ داد. لذا شناسایی رفتار مخازن و طراحی و ساخت مخازنی مقاوم تر همواره مد نظر محققان بوده است و تحقیقات گسترده ای چه به صورت تئوری و چه به صورت آزمایشگاهی در این زمینه صورت گرفته است.
عوامل مختلفی می توانند منشاء آسیب دیدگی مخازن ذخیره سیال باشند، در این بین باید به خطرات وارده از طرف زمین لرزه ها توجه ویژه ای نمود زیرا در سال های گذشته مخازن متعددی در کشورهای مختلف تحت تأثیرات زمین لرزه ها دچار آسیب های شدید شده اند. بنابر این بررسی لرزه ای  مخازن و طرح مخازن مقاومتر در برابر زمین لرزه ها ضروری است.

مخازن ذخیره سیال در طرح های گوناگونی یافت می شوند که می توان در یک نگاه کلی آنها را به مخازن ذخیره هوایی, مخازن ذخیره روزمینی و مخازن ذخیره زیر زمینی (مدفون یا نیمه مدفون) تقسیم بندی نمود. در این بین مخازن روزمینی به دلیل مزیت هایی (ظرفیت بالاتر , سهولت اجرا ,ایمنی بیشتر و …) که دارند متداولتر می باشند. مخازن هوایی بیشتر برای تأمین فشار مناسب آب و همچنین مخازن مدفون در غالب موارد برای نگهداری سوخت در مناطق شهری مانند پمپ بنزین ها استفاده می شوند. اما مخازن روزمینی در صنایع مختلف و با ابعاد و کارایی های متنوع از مخازنی با قطرهای چند متر تا چند صد متر مورد استفاده قرار می گیرند.
این مخازن را در یک دسته بندی کلی دیگر می توان به مخازن مهار شده و مهار نشده در پی تقسیم نمود در حالت مهار نشده معمولا مخزن بر روی یک پی منعطف قرار می گیرد و اجرای آن نسبت به مخازن مهار شده ساده تر می باشد. اما بررسی های صورت گرفته در زمین لرزه های گذشته نشان داده اند که مخازن مهار نشده نسبت به مخازن مهار شده آسیب پذیر تر بوده اند. در حالت مهار شده مخزن بر روی پی مهار می شود و این موضوع کمک زیادی به جلوگیری از بلند شدگی مخزن می نماید اما مخاطرات و مشکلاتی را نیز به همراه دارد که می توان به احتمال پاره شدگی دیواره مخزن و یا بلند شدگی مخزن به همراه پی آن بر اثر شتاب های افقی و عمودی حرکت زمین  اشاره نمود. لذا داشتن شناخت بیشتر و کامل تر از رفتار پی مخازن و تأثیر رفتار پی بر رفتار مخازن در دو حالت مهار شده و مهار نشده ضروری است, خصوصا در کشور ما که با توجه به دارا بودن مقادیر بالای ذخایر نفت خام در صنایع نفت و پتروشیمی خود نیازمند به کارگیری مخازن در حجم گسترده ای می باشد.   
1-2-          آشنایی با مخازن ذخیره سیال
1-2-1-     تاریخچه ایجاد مخازن
اولین چاه نفت موفق در آمریکا و در سال 1859 در Titusville حفر گردید و با شروع استخراج نفت بحث چگونگی ذخیره سازی آن در حجم های گسترده به وجود آمد. برای این امر در ابتدا از بشکه های چوبی برای ذخیره نفت استفاده شد اما این روش به هیچ عنوان مناسب نبود، لذا سعی شد مخازن بزرگتری از جنس چوب ساخته شود به نحوی که با حلقه های فلزی مقاوم گردند اما این مورد هم چندان کار آمد نبود و بر اثر تغییر دمای این مخازن چوبی درز های آن ها نمایان شده و نشت زیادی پیش می آمد. سر انجام بشکه های چوبی جای خود را به بشکه های فلزی دادند که تا به امروز هم مورد استفاده قرار می گیرند. اگر چه این بشکه ها از نظر نشت و بهداشت نگه داری چندان رضایت بخش نیستند اما امروزه آمریکا به تنهایی نیم میلیون بشکه فلزی در چرخه دارد.

اما موادی که بلافاصله نباید مصرف شوند باید برای مصرف در محل مناسبی ذخیره شوند. به این ترتیب مخازن ذخیره سیال شکل گرفتند، اولین مخزن در سال 1896 در Hull و با قطر 23.7 متر و ارتفاع 9.14 متر ساخته شد. (البته این مخزن اولین مخزن بزرگ به حساب می آید و قبل از آن مخازن کوچک زیادی عمدتا از چوب ساخته شده اند) در سال 1892، Marcus Samuel  از شرکت SHELL  دستور گرفت 8 مخزن بزرگ ذخیره نفت با حجم هایی بین 5000 تا 14700 تن بسازد به این ترتیب فاز ایجاد و ساخت مخازن آغاز گردید. بعد از این بود که مالکان، تولید کنندگان وشرکت های بیمه کننده اولین گروه را برای نگارش آئین نامه های طراحی مخازن به وجود آوردند که منجر شد به ایجاد انستیتو مخازن فولادی در سال 1916STI))  Steel Tanks Institute، بعدها در سال 1919 American Petroleum Institute ( API ) که هم اکنون نیز از کدهای معتبر در زمینه طرح، ساخت و نگهداری مخازن فولادی ذخیره سیال است شکل گرفت.
 در همین زمان گروه دیگری نیز مشغول ایجاد استاندارد آسانی برای مخازن هوایی بودندUnder writers Laboratories (UL) ، این گروه اولین آئین نامه خود را در  سال 1922 برای مخازن رو زمینی با نام UL142 و با عنوان مخازن رو زمینی برای مواد اشتعال زا و مایعات قابل احتراق منتشر کردند. بعد ها این گروه اولین استاندارد خود را در مورد مخازن مدفون در سال 1925با نام IL58 منتشر نمودند.
همچنین گروه دیگری با عنوانNational Board of fire Under writers(NFBU) در سال 1904 نشریه NFBU30 را با عنوان قوانین و احتیاجات برای ساخت و نصب سیستم های ذخیره با حجم کمتر از 250 گالن برای مایعات با دمای معمولی منتشر کرد. در طول زمان عنوان این گروه(NFBU)   به National Fire Protection Assosiation ( NFPA ) تغییر کرد و با عنوان جدید خود برای اولین بار درسال 1957 کدی را منتشر نمود  Flammable and combustible Liquid code (NFPA30).           
اما همچنان کد API معتبرترین استاندارد در زمینه طراحی و اجرای مخازن به شمار می رود و کدهای مختلفی را برای مخازن متفاوت ایجاد نمود.
جدول1‑1 – استاندارد های مختلف API برای انواع مخازن

و نهایتا کدهای معروف و معتبر خود را ارائه داد :
API620:   Design and API 650:  Wellded Steel  Tank for Oil storage
Construction of Large welded  law pressur storage tank
استاندارد های دیگری نیز در این زمینه موجود است که بیشتر پوشش دهنده این استاندارد های معرفی شده اند، در ادامه این استاندارد ها معرفی می گردند .

                                                                                                       105
5-2- نتایج نرم افزارهای CADAM و  RSDAM                                                                     106
5-3- نتایج نرم افزار ABAQUS                                                                                       121
5-4- پیشنهاداتی برای تحقیقات آینده                                                                               126
مراجع                                                        127

پیشگفتار
با توجه به اهمیت آب برای حیات موجودات زنده بشر از همان ابتدا به دنبال مهار کردن جنبه های مفید منابع آبی مثل تامین آب شرب و همچنین مقابله با اثرات مخرب آن مانند مهار سیلاب ها بوده است. شواهد تاریخی وجود دارد که نشان می دهد سدسازی قدمتی در حدود 4000 سال پیش از میلاد دارد. همانطور که می دانیم اهداف گوناگونی سبب ساخت سدها می شوند که از آن جمله می توان مهار سیلاب ها، تامین آب شرب، کسب برق، تامین آب برای کشاورزی و صنعت، ایجاد مکان های تفریحی، جلوگیری از افت کردن تراز آب زیر زمینی و … را نام برد. سدها دارای طبقه بندی های مختلفی هستند به طور مثال بر حسب وظیفه به کار گرفته شده به صورت: سدهای مخزنی[1]، سدهای نگهداری[2]، سدهای انحرافی[3]، سدهای باطله[4] و سدهای موقت[5] تقسیم بندی می شوند. بر حسب نوع مصالح

 نیز سدها به سدهای خاکی، سنگ ریزه ای، بتنی و    بتن غلتکی[6] تقسیم می شوند]1[. خود سدهای بتنی بر حسب عملکرد سازه ای به دو دسته وزنی و قوسی تقسیم می گردند. در سدهای قوسی بارهای وارده از طریق دو مکانیزم عملکرد طره ای و عملکرد قوسی به پی و تکیه گاه ها منتقل می شوند. ولی در سدهای وزنی همانطور که از اسم آن ها هویدا است عامل مقاوم در برابر نیروهای وارده وزن خود مصالح سد است. سدهای بتنی وزنی )که در این تحقیق بررسی می شوند( مقاومت و پایداری خود در برابر نیروهای وارده را از طریق وزن خود کسب می کنند. شکل مقطع این نوع سدها به صورت مثلثی است و طبیعی است که هر چه قاعده این مثلث بزرگتر باشد سد پایدار تر است.

   1-2- ایمنی در سدها
بهره برداری همراه با کنترل ایمنی دو فرایند جدانشدنی و مستمر در دوره عمر سدها می باشند. با ساخت و شروع بهره برداری از ابر سازه ای چون سد در واقع برای جامعه پایین دست شرایط بالقوه مخاطره ای آمیزی می تواند ایجاد گردد و شکست سد پدیده ی نابهنجاری است که با ایجاد سیل در پایین دست همراه بوده و  می تواند موجب خسارات مالی و جانی قابل ملاحظه ای گردد. دامنه این خسارت ها چه در بعد زمان و چه در بعد مکان بسیار گسترده بوده و حتی موجب کاهش اعتبار ملی یک کشور نیز می گردد]2[.
 با توجه به مطالب ذکر شده در بالا موضوع ایمنی در سدها اهمیت بسیار بالایی دارد خصوصا در کشور ما که بسیاری از نقاط سد سازی در مکان هایی با لرزه خیزی بالا قرار دارند. در واقع با توجه به هزینه بالای       سد سازی، عدم توجه کافی به ایمنی سدها می تواند موجب از بین رفتن سرمایه های ملی کشور نیز بشود.
 
   1-3- پایداری سدهای بتنی وزنی
پایداری سدهای بتنی به وسیله سه معیار مختلف تعریف می شود، یعنی سدی که بتواند این سه معیار را که در ادامه تعریف می شوند را شامل شود پایدار محسوب می شود. پایداری در برابر لغزش اولین معیار پایداری سدها است، لغزش هنگامی ایجاد می شود که نیروهای برشی ایجاد شده بر روی سطح لغزش، بیشتر از نیروی برشی مقاوم بر روی این سطح که ناشی از چسبندگی و اصطکاک است، شوند. سطح لغزش می تواند در داخل بدنه سد، سطح تماس سد و پی و یا در داخل پی قرار داشته باشد. ولی با توجه به اینکه معمولا سطح تماس پی و سد دارای مقاومت برشی کمتری نسبت به سایر نقاط است یک سطح بحرانی محسوب می شود.  در این تحقیق نیز سطح لغزش بحرانی در محل تماس سد و پی در نظر گرفته می شود.
شکل1-1. ناپایداری لغزشی
 
دومین عامل ناپایداری در سدها واژگونی است. ناپایداری در برابر واژگونی نیز هنگامی به وقوع می پیوندد که مجموع لنگرهای واژگون کننده بیشتر از مجموع لنگر های مقاوم یا پایدار کننده حول نقطه چرخش سد گردند. همچنین ثابت می شود تا زمانی که برایند نیروها در داخل مقطع قرار داشته باشد می توان اطمینان داشت که مشکلی از لحاظ واژگونی وجود ندارد.
شکل1-2. ناپایداری در برابر واژگونی
 
ایجاد تنش های بیش از حد مجاز در داخل بدنه سد و یا در داخل پی نیز به عنوان سومین و آخرین عامل ناپایداری شناخته می شود. بر مبنای روابط مقاومت مصالحی اگر برایند نیروها در یک سوم میانی قرار بگیرد هیچ گونه تنش کششی در مقطع ایجاد نمی شود، از نظر دیدگاه طراحی نیز با توجه به این مضوع در حالت عادی استفاده از سد سعی می شود با قرار دادن برایند در یک سوم میانی مقاطع هیچ کششی در مقاطع مختلف سد به وجود نیاید. بدین وسیله می توانیم اطمینان حاصل نماییم که با توجه به کم بودن مقاومت کششی بتن هیچ گونه ترک خوردگی در حالت بهره برداری از سد به وجود نمی آید. ولی در زمان زلزله برایند نیروها به سمت پایین دست متمایل شده و با خارج شدن از داخل هسته مرکزی مقطع سبب ایجاد        تنش های کششی در داخل مقطع می شود. با توجه به نبود مقاومت کششی کافی، این تنش های کششی ترک ها را ایجاد کرده و کمک به ناپایدار شدن سد می نمایند. همچنین در این حالت تنش فشاری در پایین دست به شدت افزایش یافته و ممکن است با خرابی قسمت پنجه، سد دچار ناپایداری شود.

نیاز انسان به آب باعث شده تا اکثر تمدن های بشری در کنار رودخانه ها شکل بگیرند. انسان های اولیه با زندگی در کنار رودخانه ها بطور فطری و تجربی آموخته بودند که جهت استفاده بهینه از این منابع خدادادی، می باید رودخانه ها را دوست داشت و حتی در بعضی از فرهنگ های کهن آب و رودخانه بعنوان موجودی مقدس و حیات بخش مورد ستایش و احترام بود. با توسعه شهرنشینی و اجراءی طرح های عمرانی و دور شدن انسانها از رودخانه این دوستی گسسته شد و انسان با برداشت بی رویه شن و ماسه از بستر رودخانه، خانه و شهرک سازی در حریم و بستر رودخانه، احداث سازه های تقاطعی و غیره اقدام به تعرض به رودخانه و بر هم زدن رژیم متعادل و پایدار آن نمود. رودخانه ها به مثابه موجودات زنده ای هستند که در مقابل این تعارض، اقدام متقابل نموده و در نتیجه رژیم هیدرولیکی آن در یک روند تغیرپذیری، در رسیدن به تعادل مجدد، تلاش می نماید، مهندسی رودخانه علمی است که این اعمال اندرکنشی را بطور سیستماتیک، هماهنگ و هدایت خواهد نمود. به عبارتی دیگر مهندسی رودخانه شامل تمام مراحل برنامه ریزی، طراحی، اجراءء و بهره برداری از عملیات مختلفی است که به منظور بهبود وضعیت رودخانه در جهت استفاده بهتر از آن اعمال می گردد.

رودخانه ها شریان های اصلی حیات کلیه سازه های آبی محسوب می شوند و حفاظت و بهره برداری بهینه از آنها و همچنین حراست از بستر و حریم آنها از مهم ترین مسئولیت های وزارت نیرو می باشد. استفاده بهینه از رودخانه ها به لحاظ اهمیتی که این منابع طبیعی در برآورد نیازهای بشری، از دیرباز تاکنون داشته اند، از انگیزه های مهم به وجود آمدن شاخه دیگری از مهندسی آب به نام مهندسی رودخانه بوده است. به علت نزدیکی سازه های تغذیه کننده از آب رودخانه و زمین های کشاورزی اطراف رودخانه، نیاز به یک برنامه ریزی علمی جهت حفظ و حراست از این سازه ها، اجتناب ناپذیر می باشد. علمی که در مورد کلیه مراحل مطالعه و برنامه ریزی، طراحی، اجراءء و بهره برداری جهت بهبود و یا تغییر وضعیت موجود یک رودخانه به منظور برآورد نیازهای عمرانی بحث می کند، مهندسی رودخانه نامیده می شود. کلیه رودخانه ها در معرض تغییر و تحول قرار دارند و کارهای مهندسی رودخانه برای تغییر دبی، مطالعه بده رسوبی، مسیر رودخانه، عمق آبراهه، پهنه سیل گیر و کیفیت آب مورد نیاز می باشد. روش های معمول در راه رسیدن به این اهداف استفاده از سازه های مختلف به تنهایی یا ترکیبی از آنها مثل سد، سیل بند خاکی یا بتنی، پوشش بدنه، آبشکن یا به کار گرفتن راه حل های قدیمی مثل لایروبی می باشد. از جمله مباحث مهم در مهندسی رودخانه شناخت شکل رودخانه (مرفولوژی)، تثبیت سواحل و بستر رودخانه، کانالیزه کردن و کنترل سیلاب می باشد.
1-2) مرفولوژی رودخانه
شناختن شکل و ساختمان رودخانه، مرفولوژی رودخانه نامیده می شود. به عبارتی به کمک مرفولوژی رودخانه، می توان اطلاعاتی از شکل هندسی آبراهه، شکل بستر و پروفیل طولی رودخانه به دست آورد. مرفولوژی یک رودخانه تحت تاثیر عوامل متفاوتی مثل سرعت جریان فرسایش و نحوه رسوب گذاری قرار دارد.
از نظر مرفولوژی، رودخانه ها به دو طریق زمین شناسی و نوع مسیر تقسیم می شوند:
– از نظر زمین شناسی: در این تقسیم بندی با رودخانه های جوان، کامل و مسن مواجه می شویم.

• رودخانه های جوان: رودخانه هایی هستند که در شیب های تند جریان دارند. فرسایش دره این رودخانه ها تا هنگامی که بستر به حالت تعادل نسبی برسد ادامه دارد.

• رودخانه های کامل: این نوع رودخانه ها در دره های پهن تری جریان داشته و از شیب نسبتاً ملایمی برخوردارند. فرسایش دیواره ها در این نوع رودخانه ها جایگزین فرسایش بستر می گردد، چرا که بستر قبلاً به یک حالت تعادل نسبی رسیده است.

• رودخانه های مسن: این رودخانه ها در دره های بسیار پهن جریان داشته، بسترشان دارای شیب ملایمی است و در مسیر آنها آبشاری وجود ندارد. مسیرهای نعل اسبی در حاشیه رودخانه حاکی از تغییر مسیر پیچ های رودخانه در طول زمان می باشد. رود کارون در ایران مثال خوبی از این نوع رودخانه هاست.

– از لحاظ نوع مسیر: در این نوع تقسیم بندی، رودخانه ها با مسیر مستقیم، پیچان و شریانی، از یکدیگر مشخص می شوند.

• رودخانه ها با مسیر مستقیم: این نوع رودخانه ها، بیشتر دربازه های کوتاه، این شکل را پیدا می کنند که خود یک حالت ناپایدار و انتقالی است و پس از برخورد با مانع در مسیر رودخانه، این حالت از بین می رود.

• رودخانه ها با مسیر پیچان: نمای بالای این رودخانه ها شامل یک رشته پیچ های پی در پی می باشد که با مسیرهای مستقیم به یکدیگر وصل شده اند. رودخانه های پیچان دارای شیب ملایم می باشند و غالباً ناپایداری در مسیر آنها دیده می شود. در ساحل بیرونی پیچ، سرعت جریان زیاد شده که همین امر باعث ایجاد فرسایش در این سمت و در نتیجه رسوبگذاری در ساحل مقابل می گردد. این فعل و انفعالات به مرور زمان باعث پیش روی پیچ به سمت ساحل بیرونی و هم زمان با آن به طرف پایین دست رودخانه می گردد.

• رودخانه ها با مسیر شریانی: این رودخانه ها شامل یک تعداد آبراهه می باشند که در طول مسیر از هم جدا شده و دوباره به یکدیگر می پیوندند.

1-2-1) تثبیت بستر رودخانه ها
این نوع فرسایش بیشتر در رودخانه های جوان که بستر آنها به حالت تعادل نرسیده، دیده می شود و بستر رودخانه به علت شیب تند و سرعت زیاد جریان، فرسایش یافته و مواد شسته شده به پایین دست رودخانه منتقل می گردد. راه حل معمولی برای تثبیت بستر رودخانه احداث شیب شکن در طول بازه مورد نظر می باشد. این شیب شکن ها می توانند از جنس بتنی یا گابیونی ساخته شوند. ارتفاع متوسط شیب شکن ها و فاصله آنها از یکدیگر، پس از انجام مطالعات هیدرولیکی دقیق و با توجه به شرایط و جنس خاک قابل طراحی می باشد. شیب شکن ها را با توجه به شرایط جریان بر روی بستر رودخانه و یا در زیر بستر رودخانه می توان احداث کرد که با مرور زمان رسوبات بین این سدهای کوتاه، ته نشین می شود و در نتیجه یک شیب ملایم در کف رودخانه ایجاد می گردد.
1-2-2) تثبیت دیواره رودخانه ها
فرسایش دیواره رودخانه ها که در رودهای مسن با آنها مواجه هستیم، باعث بروز خسارات زیادی در زمین های اطراف رودخانه و سازه ها شده و حریم کاذبی برای رودخانه ها به وجود می آورد که به این ترتیب از پتانسیل زمین های قابل استفاده اطراف رودخانه ها می کاهد.
1-2-3) علل فرسایش دیواره ها
اگر جنس مصالح دیواره ها ریزدانه رسی و یا چسبنده باشد، به علت نفوذپذیری کم، در زمان فروکش سیلاب، سطح آب سریع پایین آمده، امکان زهکش سریع موجود نبوده و کاهش نیروی برشی بین ذرات سبب فرو ریختن دیواره ها خواهد شد. اگر جنس مصالح دیواره ها ریزدانه غیرچسبنده باشد، در اثر برخورد امواج با دیواره ها فرسایش سطحی به وقوع می پیوندد. در حالتی که مصالح دیواره ها انواعی از مصالح فوق باشند، بالا آمدن سطح آب زیرزمینی و زهکشی آب از دیواره ها به سمت رودخانه، ذرات ریز را شسته، باعث ریزش ذرات درشت بالایی می شود.

…………………………………………………………………………………………………………………………..82
5-2- نتیجه‌گیری كلی درباره مساله اصلی تحقیق……………………………………………………………….82
5-2-1- بهینه‌سازی لرزه­ای………………………………………………………………………………………………….83
5-2-2- روش­های بهینه­سازی…………………………………………………………………………………………….83
5-2-3- مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق و تحقیقات پیشین………………………………………..84
5-3- كاربردهای نظری و تحقیقی………………………………………………………………………………………85
5-4- كاربردهای عملی………………………………………………………………………………………………………..86
5-5- پیشنهاد تحقیقات آتی…………………………………………………………………………………………………86
منابع و مآخذ ………………………………………………………………………………………………………………………..88
پیوست ………………………………………………………………………………………………………………………………….96
زمینه تحقیق
منظور از بهینه­سازی[1]در مهندسی عمران یافتن طرحی برای سازه است كه ضمن رعایت ضوابط فنی، حداقل هزینه اقتصادی را داشته باشد. قابهای ساختمانی معمول­ترین سازه­های مهندسی عمران می­باشند. بنابراین، بهینه­سازی این نوع سازه­ها كمك بزرگی از نظراقتصادی خواهدبود. طراحی بهینه قاب­های ساختمانی بصورت گسترده در دهه­ 60 میلادی مورد مطالعه قرار گرفت؛ زیرا یافتن پاسخ بهینه بصورت تحلیلی، تنها برای قاب­های ساده و منظم امکان­پذیر است. از دهه 80 میلادی با پیشرفت سریع تکنولوژی کامپیوتر، روش­ها و برنامه­های کامپیوتری زیادی در زمینه بهینه­سازی سازه­های واقعی، تحت قیود طراحی عملی[2]، ارائه شده است ]1[. از آنجا که روش منحصر به فردی برای حل بهینه تمامی مسائل بهینه­سازی وجود ندارد، از اینرو روش­های متعددی برای حل مسائل بهینه­سازی توسعه یافته است ]2[. در

 حالت کلی، روش­های بهینه­سازی مورد استفاده در مهندسی را می­توان به دو دسته متمایز تقسیم نمود:

الف) گرادیانی[3]
ب)  اکتشافی[4]
از مشهورترین روش­های بهینه­سازی گرادیانی می­توان به روش­های برنامه­ریزی خطی (LP)[5]، برنامه­ریزی مرتبه دوم (QP)[6] و برنامه­ریزی غیرخطی (NLP)[7] و از روش­های اکتشافی نیز می­توان به روش­های الگوریتم ژنتیکی (GA)[8]، شبیه­سازی بازپخت (SA)[9]، بهینه­سازی هجوم ذرات (PSO)[10] و بهینه­سازی فازی (FO)[11] اشاره نمود. در بهینه­سازی گرادیانی، بدست آوردن جواب بهینه نیازمند محاسبه گرادیان­ها و تحلیل حساسیت[12] است. روش­های تحلیل حساسیت در شکل 1-1 آورده شده­اند.
شکل 1-1- رویکردهای مختلف برای تحلیل حساسیت ]3[
علاوه بر مشکلات موجود در زمینه انتخاب روش بهینه­سازی و نحوه تحلیل حساسیت، نحوه اعمال بار لرزه­ای نیز از عوامل مهم موجود در مساله بهینه­سازی می­باشد. بطور کلی بار ناشی از زلزله را می­توان به سه طریق بر سازه اعمال نمود:
الف. استاتیکی معادل (ESL)[13]
ب. تحلیل طیف پاسخ (RSA)[14]
پ. تحلیل تاریخچه زمانی (THA)[15]
در این تحقیق به بهینه­سازی قاب­های مهاربندی شده و مهاربندی نشده فولادی، تحت بارهای ثقلی و لرزه­ای، با استفاده از روش برنامه­ریزی درجه دو متوالی (SQP)[16]و الگوریتم ژنتیکی (GA) پرداخته شده است. بار ناشی از زلزله نیز مستقیما با استفاده از روش تحلیل طیف پاسخ (RSA) بر روی سازه اعمال می­شود. در انتها نتایج حاصل از اعمال این روش­ها بر روی قاب­های 4، 10 و 18 طبقه مهاربندی شده و مهاربندی نشده فولادی با یکدیگر مقایسه و بحث و بررسی­های لازم صورت گرفته است.
1-2-فرضیات تحقیق
فرضیات اعمال شده در این تحقیق عبارتند از :

• تحلیل الاستیک خطی
• چشم­پوشی از اثرات اندرکنش خاک و سازه
• استخراج قاب­ها بصورت دو بعدی از کل سازه
• چشم­پوشی از ضوابط طراحی لرزه­ای و جزئیات اتصالات

1-3-لزوم انجام تحقیق
در مناطق لرزه­خیز مانند کشور ما ایران، نیاز مبرمی به طراحی بهینه سازه­های مقاوم در برابر زلزله می­باشد. طراحی بهینه این سازه­ها نقش بسزایی در کاهش آمار خسارات و تلفات ناشی از زلزله دارد. در اکثر تحقیقات صورت گرفته که در فصل آتی به آنها اشاره می­گردد، فرضیات ساده کننده زیادی مورد استفاده قرار گرفته­اند که در میان آنها می­توان به قاب برشی[17]، ستون قوی-تیر ضعیف[18] و غیره اشاره کرد. علاوه بر این فرضیات، هدف بسیاری از تحقیقات سال­های اخیر، مقایسه روش­های بهینه­سازی با یکدیگر و کاهش زمان همگرایی نتایج بوده است. بنابراین لزوم تحقیقی که در آن، بهینه­سازی با استفاده از قیود طراحی موجود در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران (1387) و استاندارد 2800 (ویرایش سوم) و اعمال بارگذاری واقعی زلزله انجام شده باشد، به شدت احساس می­شود.
1-4-شیوه تحقیق
برای طراحی یک سازه مقاوم در برابر زلزله، یکی از بهترین روش­های توصیه شده در آیین­نامه­های طراحی، روش تحلیل طیف پاسخ (RSA) می­باشد. در این روش، پاسخ­های سازه در محدوده الاستیک خطی می­باشند و برخلاف روش تحلیل تاریخه زمانی، متغیر زمان از پاسخ حذف می­شود ]4[. برای انجام این روش، در ابتدا باید تحلیل مودال[19] صورت گرفته و فرکانس­های طبیعی سازه محاسبه شوند. سپس با استفاده از طیف طرح، که در آن تمامی فرکانس­های ممکن در مقابل پاسخ­های حداکثر رسم شده­اند و با استفاده از روش­ آماری ترکیب مربعی کامل (CQC)[20]،پاسخ­های حداکثر سازه محاسبه ­شوند. بنابراین تابعی در محیط MATLAB برای تولید طیف پاسخ الاستیک نوشته شده است که طیف جابه­جایی (Sd)[21]، شبه سرعت (Spv)[22] و شبه شتاب (Spa)[23] زلزله دلخواه را با استفاده از حل عددی روش خطی نیومارک، برای محدوده دوره تناوب و میرایی دلخواه، محاسبه می­نماید.
بجای استفاده از برنامه­های تجاری آماده، برنامه­ای در محیط MATLAB نوشته شده است که قادر به انجام تحلیلهای استاتیکی، P-Delta و دینامیکی طیف پاسخ می­باشد. این برنامه بر­اساس روش المان محدود (FEM)[24] نوشته شده است، برای ایجاد محیطی کاربر پسند، ورودی­های برنامه در فایل پیوست اکسل (Excel) به برنامه معرفی می­شوند. در این فایل باید مختصات گره­ها، شماره المان­ها و گره­های ابتدا و انتهای آن­ها، درجه آزادی هر گره، بارهای متمرکز استاتیکی در هر گره، بارهای یکنواخت بر روی هر المان، مشخصات هر المان که شامل مدول الاستیسیته و جرم مخصوص می­باشند و در انتها شتابنگاشت زلزله مورد نظر و میرایی ثابت سازه، وارد شوند. شکل 1-2 فلوچارت برنامه نوشته شده را نشان می­دهد.

اهمیت در نظر گرفتن اثرات زلزله در طراحی سازه های مهندسی برای اولین بار در سال 1923 پس از آسیب های مخرب زلزله كانتو[1] (جزیره هونشو[2] در ژاپن) به رسمیت شناخته شد. در آن روزها پل ها بر اساس فن آوری از ایالات متحده آمریکا، انگلستان، آلمان و فرانسه بدون توجه به اثرات اختلالات لرزه ای ساخته می شدند. آسیب های معمولی بر اثر زلزله در آن زمان به صورت تغییر مكان جانبی بود، كه این عامل باعث فروپاشی كل سیستم پل می شد این یک آسیب معمول بود که اثرات لرزه ای در آن در نظر گرفته نمی شد، یا وقتی که طراحی لرزه ای به ویژه برای پایه کافی نبود، این نوع آسیب در سال 1920 تا1950 بیشتر در پل ها نمایان شد. از همین رو اقدامات

 متقابل لرزه ای پس از زلزله 1923 كانتو آغاز شد. روش نیروی جانبی استاتیکی معادل با استفاده از ضریب لرزه ای 1/0-3/0 بر اساس روش طراحی تنش مجاز، که اغلب به روش ضریب لرزه ای نامیده می شود به عنوان روشی برای مقابل با نیروی زلزله تعیین شد و برای اولین بار در طراحی پل ها در سال 1927 به ثبت رسید. از آن زمان بر اساس آسیب لرزه ای و پیشرفت تحقیقات عمل طراحی لرزه ای بهبود یافت. ولی با این حال هنوز دانش طراحی در مرحله اولیه و بیشتر برای اطمینان از عملکرد لرزه ای بود به همین خاطر بسیاری از عوامل مهم دیگر مانند میدان حرکت واقعی زمین، شکل پذیری و پاسخ دینامیکی و نکات دیگر در طراحی ها شامل نمی شد ولی این شروعی بود برای مقابله با اثر زلزله بر سازه.

2-1- هدف از تحقیق و اهداف آن

با توجه به مطالب فوق بهسازی رفتار لرزه ای پل های موجود را می توان از جمله اقدامات بسیار موثر در كاهش هزینه ها و تلفات ناشی از زلزله در نظر گرفت مقاوم سازی لرزه ای شامل دو گام اساسی، بررسی رفتار لرزه ای سازه های موجود و سپس بررسی روش های ارتقای رفتار لرزه ای می باشد. این بررسی ها علاوه بر كاربردشان برای مقاوم سازی لرزه ای سازه های موجود، با مشخص كردن نقاط ضعف سازه، وسیله موثری در جهت افزایش دانش طراحی لرزه ای و بهبود كیفیت طراحی و اجرای سازه های جدید فراهم می آورند. قبل از اینكه روش های مقاوم سازی لرزه ای را برای یك سازه به كار بریم باید دانست كه سازه در كدام قسمت و با چه كیفیتی آسیب پذیر است. جهت تشخیص این آسیب پذیری نیز روش های گوناگونی وجود دارد كه در كل به دو دسته روش های كیفی و روش های كمی تقسیم بندی می­گردند. در حقیقت هدف از ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای، تعیین میزان خطر لرزه ای طبقه بندی شده ای است كه با استفاده از نتایج كمی، پل را تهدید می كند.
هدف از این تحقیق جمع آوری اطلاعات در خصوص ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای یكی از پل های شهر تهران می باشد همانطور كه می دانیم لزوم انجام مطالعات ارزیابی آسیب پذیری و همچنین بهسازی پل ها كه به عنوان سرمایه ملی مطرحند، خصوصا برای پل هایی كه با آیین نامه های قدیمی طرح و اجرا شده اند امری حیاتی است. ولی از آنجا كه انجام این گام ها برای تمام انواع پل ها امكان پذیر نیست طی این تحقیق برخی روش های مهم و كاربردی جهت مقاصد ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای پل ها تشریح می شود. فرآیند ارزیابی و گام های انجام آن در بسیاری از پل ها مشابه است، لذا با استفاده از برخی تشابهات درروند ارزیابی تحلیلی پل ها، نتایج این تحقیق را  می توان در برخی موارد كه ذكر خواهد شد به پل های بتنی با سیستم عرشه دو عنصری و ستون های قابی شکل تعمیم داد. این موضوع جای تحقیق بسیار دارد و شایسته است تا محققین، افق های باز تحقیقاتی را به صورت دقیق و تفصیلی ادامه دهند تا با شناخت ضعف پل ها و اجرای  طرح های بهسازی لرزه ای، هنگام وقوع زلزله شاهد آسیب دیدگی های شدید این سازه های حساس نباشیم.