بخشی از مقاله
آناليز شکنندگي لرزه اي بادبند هاي کمانش ناپذير(BRBF) به کمک تحليل ديناميکي غير خطي افزاينده IDA)
چکيده
سيسيتم مهار بندي کمانش ناپذير يکي از جديدترين سيستم هاي مهار بندي همگرا مي باشد که به دليل جلوگيري از کمانش بادبند، قابليت جذب انرزي بسيار بيشتري را نسبت به سيستم هاي رايج مهاربندي همگرا دارد.در اين پژوهش به بررسي عملکرد لرزه اي قاب هاي مهار بندي شده کمانش ناپذير(BRBF)و مقايسه آن با سيستم مهاربندي هم محور ويژه (SCBF)پرداخته مي شود. در اين پژوهش سه ساختمان در طبقات ٣وو٥و١٠طبقه با سيستم BRBFو SCBF انتخاب گرديد وبا آيين نامه ١٠-٧ ASCE.SEI بارگذاري و با آيين نامه ٠٥-AISC٣٦٠ طراحي گرديد. تحليل ديناميکي غير خطي افزاينده (IDA) با استفاده از ٢٨ عدد شتاب نگاشت انجام شد وبا استفاده از منحني هاي ميانه ٥٠% ظرقيت سازه هاي مدل سازي شده با يکديگر مقايسه شد. مشاهده گرديد که سيستم SCBF نسبت به سيستم BRBFF زودتر وارد رفتار غير خطي شده و سازه هاي با ارتفاع بالا(در اينجا ٥و ١٠ طبقه )داراي احتمال فراگذشت از سطح عملکرد استفاده بي وقفه بيشتر از سازه با ارتفاع کمتر(در اينجا ٣ طبقه ) مي باشند.
کلمات کليدي
بادبند کمانش ناپذير(BRBF)،تحليل ديناميکي افزايشي(IDA)،بادبند همگراي ويژه (SCBF)
١- مقدمه
امروزه سيتم مهاربند همگرا،متداول ترين سيستم سازه اي براي مقابله با بارهاي لرزه اي در طراحي و ساخت ساز هاي فولادي مي باشد واستفاده ار آن به دليل صرفه اقتصادي،طراحي واجراي آسان رواج بيشتري مي يابد.با اين وجودآسيب هايي که در بسياري از زمين لرزه هاي اخير مانند زمين لرزهاي (Mexico)1985،loma (1989)prieta،(1994)northridge،(1995)kobeو... به قاب هاي مهار بندي شده همگراي متداول وارد آمد، نگراني هاي زيادي را در مورد عملکرد لرزه ا ي اين سيستم ايجاد نموده است . از انجا که کمانش مهاربند در فشار عامل اصلي عملکرد نامطلوب قاب هاي مهاربندي شده همگراي متداول مي باشد، در دو دهه گذشته مطالعات بسياري به منظور توسعه مهاربندهايي با رفتار الاستوپلاستيک ايده ال تر انجام شده است .مهار بند هاي کمانش تاب در اين راه ايجاد شده و توسعه يافته اند. مهار بند کمانش تاب از يک هسته فلزي و يک مکانيسم خارجي براي جلوگيري از کمانش هسته در فشار تشکيل شده است .متداول ترين مکانيسم براي جلوگيري از کمانش هسته در فشار ،قرار دادن هسته در يک غلاف فولادي و پر کردن غلاف با بتن مي باشد. با جلوگيري از کمانش هسته ، المان مي تواند در فشار همانند کشش جاري شده و بدين ترتيب توانايي جذب انرزي آن به طور چشمگيري افزايش مي يابد.استفاده از مهاربند کمانش تاب به جاي مهاربند هاي متدوال علاوه بر بهبود عملکرد لرزه اي سازه موجب صرفه جويي قابل ملاحضه اي در هزينه هاي ساخت مي شود.از آنجا که فقط يک تحليل ديناميکي غيرخطي مي تواند بيانگر رفتار صحيح و واقعي سازه ها به هنگام وقوع زلزله باشد، در سال - هاي اخير با پيشرفت هاي گسترده در در زمينه علوم کامپيوتري امکان رشد گسترده اي در تحليل هاي غيرخطي سازه ها فراهم شده است . در اين راستا تحليل ديناميکي غيرخطي افزايشي(IDA) يک روش پارامتريک ميباشد که اخيرًا به منظور تخمين عملکرد لرزه اي سازه ها بوجود آمده است . در اين روش سازه با استفاده از يک سري تحليل ديناميکي غيرخطي تحت اثر چندين شتابنگاشت در محدوده رفتار خطي تا انهدام سازه مقياس مي شود[١]. اين روش علاوه بر بررسي رفتار لرزه اي سازه ، ظرفيت سازه را نيز در اختيار ما قرار مي - دهد[٢]. در اين مقاله به ارزيابي عملکرد لرزه اي قاب هاي مهار بندي کمانش ناپذير و سيستم مهاربند همگراي ويژه و مقايسه ظرفيت اين سازه هادر سطوح عملکردي مورد نظر ميپردازد.
٢ – تحليل ديناميکي غيرخطي افزايشي ١(IDA)
يکي از جديدترين انواع تحليل ها، روش تحليل ديناميکي افزايشي يا(IDA) است که در آن از مفهوم مقياس کردن رکوردهاي حرکت زمين و توسعه آن به روشي که بتوان به دقت ، کل محدوده رفتاري سازه از الاستيک تا ويراني را پوشش داد، استفاده ميشود. در اين روش مدل سازه اي تحت يک يا چند شتابنگاشت حرکت زمين که با سطوح شدت متفاوت مقياس شده اند قرار ميگيرد. پس از انجام تحليل ديناميکي غيرخطي ، منحني پارامتر مربوط به پاسخ در برابر پارامتر شدت زلزله ترسيم ميشود.اين منحني ها که در حالت کلي در فضاي دو متغير IM٢ و DM٣ رسم ميشوند، کل محدوده رفتاري مدل را تحت پوشش قرار ميدهند و در نهايت با تعريف حالات حدي بر روي منحنيهاي حاصل از تحليل ديناميکي غير خطي افزايشي به ارزيابي سازه ها پرداخته مي شود.معيار خسارت (DM) هاي انتخابي حداکثر تغيير مکان نسبي طبقات و معيار بزرگا (IM) هاي انتخابي شتاب طيفي متناظر با زمان تناوب مد اول (%T١٥)Sa انتخاب گرديد .مفهوم فوق در سال ١٩٧٧ توسط Bertero[٣]بيان گرديد ودرچهار چوب هاي متفاوتي توسط پژوهشگراني مانند توصيف شد.
٣ – معرفي مدل هاي مورد بررسي
به منظور بررسي ظرفيت سيستم مهاربند کمانش ناپذير(BRBF) و مقايسه آن با سيستم بادبندي هم محور SCBF)در سطح عملکردهاي مورد نظر، سه ساختمان ٣، ٥ و١٠ طبقه با سيستم (BRBF) و نيز سيستم (SCBF) به طورجداگانه طابق با آيين نامه 05-AISC360 به روش حالات حدي(LRFD) طراحي گرديد.ساختمان هاي مورد بررسي در هر دو راستا داراي سه دهانه ٥ متري ميباشد.ارتفاع طبقات ٣.٢ متر ميباشد. در هر دو راستا از سيستم باربر جانبي استفاده شده است .آرايش مهاربندي در هر دو سيستم از نوع هشتي است که آرايش رايج سيستم BRBF ميباشد.سازه در پلان و ارتفاع کاملاً منظم ميباشد. پلان سازه در شکل (١) آورده شده است
در طراحي تيرها و ST بر اساس اسستتوانن داهاردي NساIزDهاآليمان ٣واست٥فادطه بقه شداه ز ا فسوت لا.د اي٧ن ٣ فولاد داراي 2 حداقل تنش تسليم kg.cm ٢٤٠٠=Fy ميباشد استفاده شده است .براي ساختمان ١٠طبقه از فولاد ST٥٢ که داراي 2 حداقل تنش تسليم kg.cm ٣٦٠٠=Fy ميباشد استفاده شده است .
مقاطع تيرها از نوع IPE و ستون ها از نوع HE انتخاب شده است و براي ساختمان هاي ١٠ طبقه SCBF از مقاطع BOX براي ستون ها و مقاطع HSS براي بادبندها استفاده گرديده است .مهاربندهاي کمانش ناپذير از نوع Unbonded Brace TM محصول شرکت Nipposteel ژاپن مدل SNB٤٠٠ jis G٣١٣٦ استفاده شده است .مطابق ااستانداردژاپن داراي حداقل تنش تسليم Fy=2672kg.cm2ميباشد[١١].در طراحي اين سازه ها فرض شده که نتايج آزمايش تنش تسليم فولاد هسته را ksi٤٢=Fysc نشان داده است .از آنجا که ضوابط طرح اين سيستم در آيين نامه ايران وجود ندارد از آيين نامه هاي زير جهت بارگذاري و طراحي استفاده شده است :
ASCE.SEI 7-10 [١٢].
ANSI.AISC 360-5 [13].
سازه هاي مورد بررسي براي سايتي در Panaroma city کاليفرنيا به مختصات جغرافيايي ٣٤.٢٢٨ و١١٨.٤٣٤ با خاک نوع D و خطر لرزه اي بسيارزياد طرح شده است .مطابق با آيين نامه ١٠-٧ ASCE خاک نوع D (مطابق با١٠-٧ ASCE.SEI)، خاکي سخت با سرعت موج برشي ٣٦٠VS ÇC ١٨٠ ميباشد. اين خاک با زمين نوع ٣درويرايش سوم آيين نامه ٨٠٠ معادل است [١٤]. پارامترهايلرزه اي طبق آيين نامه ١٠-ASCE.SEI٧ براي سيستم مهاربندي کمانش ناپذير و سيستم مهاربندي هم محور طبق جدول زير ميباشد.
جدول (٣): پارامتر لرزه اي ساختمان با سيستم مهاربندي هم محور
٤ – مدل سازي در برنامه opensees
براي در نظر گرفتن اثر قاب هاي ثقلي بر رفتار سازه از يک ستون معادل استفاده شد.اين ستون معادل به دهانه مهار بندي به گونه اي يسته شد که تغيير مکان جانبي يکسان باشد. در مدل تحليلي اتصال تير به ستون به دليل وجود صفحه اتصال مهاربند گيردار مدل گرديد[١٥].مقاطع استفاده شده براي تيرها وستون ها از فولاد steel02 المان اي nonlinearBeamColumn ومقاطع Fiber مي باشند. اين رشته ها با توجه به نوع مصالح (الاستوپلاستيک با در نظر گرفتن سخت شدگي) تعريف شده ، قابليت ايجاد پلاستيسيته گسترده را فراهم ميسازند. ستون معادل با المان elasticeamolumn مدل گرديد.بادبندهاي BRBبا المان Trussگرديد.همچنين پديده خستگي سيکل کم در اين اين مهاربندها با استفاده از مدل Fatigue Materialشبه سازي گرديد. در اين ساختار هنگامي که شاخص خسارت در يک رشته به يک برسد، مدل ،تنش در رشته را به صفر مي رساند وآن رشته را حذف مي کند[١٦].
