بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
روشهای تعیین ضریب رفتار سازه ها و عوامل موثر بر آن
چکیده
طراحی مطلوب و بهینه یک سازه مستلزم آن است که ظرفیت های آن که شامل تغییر شکلها و مقاومت می باشد، با رعایت حداقل حاشیه ایمنی از مقادیر مورد نیاز که هنگام وقوع زلزله به سازه اعمال می شود، بیشتر باشد. در اکثر آیین نامه ها روش طراحی بر مبنای مقاومت و شکل پذیری می باشد.که طیف هایی که در این آیین نامه ها ارائه شده است حاصل میانگین طیف پاسخ ارتجاعی هموار شده می باشد که در آن طیف های پاسخ غیر ارتجاعی سازه بوسیله ضریبی که به سیستم سازه ای وابسته و به عنوان ضریب کاهش مقاومت ( ضریب رفتار ) شناخته شده می باشد را از طیف های پاسخ ارتجاعی سازه بدست می آیند. در این تحقیق به معرفی روشهایی برای تعیین ضریب رفتار سازه ها پرداخته و هر کدام از این روشها و اجزای موثر بر این ضریب شرح داده شده است. برای درک بهتر این موضوع به تعیین ضریب رفتار یک ساختمان چهار طبقه فولادی با سیستم مقاوم جانبی قاب خمشی معمولی با استفاده از روش تحلیل استاتیکی غیر خطی ( ( pushover پرداخته شده است. و در پایان با مقدار متناظر آیین نامه ای مقایسه شده و مشاهده شده که از این مقدار کمتر میباشد.
- مقدمه
در طراحی لرزه ای ساختمانها که براساس آیین نامه های مختلف انجام می شود، هدف اصلی بر این مبناست که ساختمانها در برابر زلزله های خفیف بدون آسیب سازه ای و غیر سازه ای در محدوده ارتجاعی باقی بمانند و در زلزله های شدید باید پایداری کلی خود را حفظ نمایند و تخریب کامل نشوند . در زلزله های شدید سازه به ناچار وارد محدوده غیر ارتجاعی می شود و برای طراحی آنها نیاز به تحلیل غیر خطی می باشد و به همین دلیل نیروهای طراحی توصیه شده در آیین نامه ها برای این ساختمانها خیلی کمتر از مقاومت جانبی مورد نیاز برای حفظ پایداری آنها در محدوده ارتجاعی می باشد. عوامل زیادی در تعیین ضریب رفتار سازه تأثیر گذار می باشند ، از جمله این عوامل می توان به رکورد زلزله و محتوای فرکانسی آن، شرایط خاک، نوع سیستم سازه ای، سطح شکل پذیری مصالح، شکل هندسی سازه، منظم و نامنظم بودن سازه اشاره کرد ] ٍ .[ اما تعیین این ضریب از این جهت از اهمیت ویژه ای برخوردار است که مقدار کوچک آن منجر به طراحی سازه با مقاطع بزرگ و غیر اقتصادی (طراحی دست بالا) و مقادیر بزرگ آن به منزله پذیرش سطوح بیشتری از خسارات و خرابی در سازه می باشد]ٌ.[
- ضریب رفتار در آیین نامه های لرزه ای دنیا
با وجود اینکه ضرایب رفتاری که برای انواع سیستم های سازه ای در آیین نامه های هر کشوری در نظر گرفته شده است وظیفه و
نقش یکسانی را دارند . اما آن را با نام های مختلفی بیان می کند از جمله در آیین نامه ها و مقررات ملی آمریکا (مانند 2000 UBC و 2000 ،NEHRP و (FEMA 273 آن را با نام ضریب اصلاح پاسخ ( [7] ( R، در آیین نامه های ساختمانی ملی کانادا 1995)، ( NBCC با نام ضریب اصلاح نیرو، ضریب عملکرد سیستم ( (Rw در مقررات 1988 ، SEAOC در آیین نامه اروپا ( 2000 و) با نام ضریب رفتار ( q )، ضریب شکل پذیری تغییر مکانی ( )، ضریب عملکرد سازه ای ( (sp در استاندارد بارگذاری نیوزیلند 1992)، (Nzs ضریب شکل پذیری ( ( 1 Ds در استاندارد ساختمانی ژاپن 1992) ، ( LAEE وضریب رفتار (R) در استاندارد ًًٍَ ایران بکار می رود ]ِ.[
َ- پیدایش آیین نامه ها و روند تکاملی ضریب رفتار
ردپای بسط ضریب رفتار را برای اولین بار که در ATC –3-06 مطرح شد می توان یافت که در این آیین نامه بجای ضریب k در محاسبه برش پایه از ضریب R استفاده شد. (به نظر می رسد که حرف R از کلمه Reduction به معنی کاهش گرفته شده است) که هدف از کاربرد آن را چنین بیان می کند.[13]
- کاهش در مقادیر نیروهای طراحی براساس ارزیابی خطر ، جوانب اقتصادی و رفتار غیر ارتجاعی
- کاهش حرکات شدید زمین که به شکل طیف های پاسخ ارتجاعی ارائه شده اند به سطوح پایینتر
بر طبق اشاره اعضای کمیته آیین نامه ، ضرایب در نظر گرفته برای سیستم های سازه ای بر اساس تجربه و فاقد پایه علمی و محاسباتی بود]ّ.[ در ایران اولین آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله با نام ((آیین نامه ایمنی ساختمانها در برابر زلزله)) پس از زلزله ویرانگر شهریور ماه ٌٌَُ بوئین زهرا توسط دفتر فنی سازمان برنامه تدوین گردید و سپس فصل مربوط به بارهای ناشی از زلزله در استاندارد ٌُِموُسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران به آن افزوده شد. در سال ٌََْ پس از بررسی های به عمل آمده و بازنگری هایی که از طریق کمیتهای تخصصی چند گانه انجام گرفت و گرد آوری نظرات پژوهشگران، مهندسین و دست اندرکاران ساخت و ساز ویرایش دوم استاندارد ًًٍَ به تصویب رسید که در آن برش پایه از رابطه زیر محاسبه می شود]ِ.[
در روابط بالا C ضریب زلزله در راستای مورد نظر، W وزن سازه (بار مرده و بار زنده که توسط استاندارد ًًٍَ توصیه شده )، A شتاب مبنای طرح که با توجه به لرزه خیزی منطقه بدست می آید، B ضریب بازتاب ساختمان که به شرایط و نوع خاک ساختگاه بستگی دارد، I ضریب اهمیت سازه که با توجه به کاربری ساختمان تعیین می شود و در نهایت R ضریب رفتار سازه می باشد]ِ.[ ُ- روشهای تعیین ضریب رفتار
به طور کلی برای تعیین ضریب رفتار سازه ها دو روش کلی وجود دارد که روشهای دیگر را می توان بر گرفته از این دو روش دانست. روشهایی که مبتنی بر توسعه نتایج آنالیز سیستم های یک درجه آزادی می باشند
این روشها براساس تحلیل سیستم های یک درجه آزادی با انواع رفتار هیسترتیک تحت رکوردهای متعدد حرکت زمین می باشد و در واقع طیف های غیر ارتجایی سیستم های یک درجه آزادی تحت زلزله های مشخص را بدست می آورند.
- انرژی ورودی به سازه و مباحث خسارات سازه ای
شکل پذیری کلی پارامتری کافی برای تخمین خسارات وارده به سازه در طی یک رکورد زلزله نمی باشد. پژوهشگران زیادی براین باورند که طراحی بر اساس شکل پذیری – تغییر مکان تعداد جهش های یک سیستم به حالت تسلیم را که می تواند برای درک مقدار خسارات سازه ای مؤثر باشد را نادیده می گیرد وآنها به مناسب بودن در نظر گرفتن اتلاف انرژی سیستم سازه ای توسط چرخه هیسترزیس تاکید ورزیده اند]ُ.[
- روش طیف ظرفیت
این روش که توسط فریمن ارائه شده است و به روش طیف ظرفیت فریمن نیز مشهور می باشد مقدار ضریب رفتار را مؤثر از پارامترهای زیادی دانسته است که در رابطه(َ) آن را ارائه نموده است.
فریمن دو عامل اصلی سازه، ظرفیت آن و نیروهای لرزه ای را برای تعیین ضریب رفتار در نظر گرفت و عواملی را که باعث افزایش ظرفیت و یا کاهش نیروهای لرزه ای می شوند را مشخص نموده است. ظرفیت افزایش یافته R c نامیده می شود و به عواملی همچون ضرایب بار، ضرایب کاهش مقاومت مصالح، طراحی دست بالای اعضاء، سختی کرنشی، نامعینی سازه، شکل سازه و ... می توان اشاره کرد. با وارد شدن اعضاء به محدوده غیر ارتجاعی سختی اولیه سازه کاهش، میرایی و استهلاک آن افزایش می یابد و در
نتیجه باعث کاهش نیروهای لرزه ای وارد بر سازه خواهد شد با توجه به شکل ( ٌ) نیروهای لرزه ای وارد بر سازه در 1 , T1به 2 , T2 می رسند در این حالت نسبت نیروهای ارتجاعی به نیروهای غیرارتجاعی که بر اثر استهلاک انرژی کاهش یافته اند را به
عنوان عامل کاهش نیروهای لرزه ای R D تعریف می شوند حال با داشتن این دو عامل اصلی می توان ضریب رفتار را از رابطه ( ُ)
بدست آورد]ٍ.[
ُ- روش شکل پذیری
این روش حاصل دستاورد پژوهشهای یوانگ می باشد. اگر رفتار کلی یک سازه متعارف را همانند شکل ( ُ-ٍ) در نظر بگیریم آنگاه مقاومت ارتجاعی مورد نیاز که بر حسب ضریب برش پایه تعریف شده است عبارت است از:
که در آن W وزن مؤثر سازه و Ve در صورتی که سازه در محدوده ارتجاعی باقی ماند.
شکل پذیری یک سازه مستلزم طراحی صحیح آن می باشد و با این وجود سازه می تواند به حداکثر مقاومت خود برسد
بعضی از آیین نامه ها مقدار C s را بهC w کاهش می دهند که به ضریب رفتار تعیین شده با این روش ضریب رفتار به روش
تنش مجاز گفته می شود که در استاندارد ًًٍَ ایران ضرایب رفتار را بر این مبنا پیشنهاد نموده است ]ٍ.[
در این روش برای تعیین ضریب رفتار لازم است موارد زیر را تعیین نمود.
- 1 مقدار ضریب مقاومت افزون
- 2 مقدار ضریب شکل پذیری کلی سازه یا ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری
- 3 رابطه ی بین شکل پذیری و ضریب کاهش بر اثر آن و زمان تناوب سیستم .(T)
ضریب شکل پذیری عبارت است از نسبت حداکثر تغییرمکان جانبی غیرارتجاعی سازه به تغییر مکان ارتجاعی آن:
ضریب کاهش براساس شکل پذیری سازه می باشد. براساس این ضریب ظرفیتی که سازه برای استهلاک انرژی هیسترتیک خواهد داشت، نیروهای را می توان به تراز مقاومت تسلیم کاهش داد. بنابراین خواهیم داشت:
که در آن نیروی وارده بر سازه در صورتی که رفتار آن در محدوده ارتجاعی باقی بماند و تراز مقاومت تسلیم سازه می
باشد.
ضریب مقاومت افزون مقاومت ذخیره ای است که بین تراز نیروهای تسلیم کلی سازه و تراز تسلیم اولین مفصل پلاستیک وجود دارد . بنابراین خواهیم داشت:
ضریب تنش مجاز عبارت است از نسبت تراز نیرو در تشکیل اولین مفصل پلاستیک به تراز نیرو در حد تنش های مجاز
بنابراین خواهیم داشت:
مقدار این ضریب بستگی به نوع برخورد آیین نامه های مصالح (بار مجاز یا بار نهایی) دارد. به عنوان مثال این ضریب برای ضوابط ASD طراحی در مبحث ده مقررات ملی ساختمان ایران را می توان بصورت زیر تقریب زد:
که در آن ٌُ/ٌ مقدار ضریب شکل برای مقاطع Iو ضریب مربوط به روش تنش مجاز و مقدارن یز افزایش تنش به مقدار درصد در بارگذاری زلزله طبق مقررات ملی ایران می باشد و مقدار آن در آیین نامه به صورت زیر بیان شده است:
