بخشی از مقاله
ارتعاش اجباري دو ساختمان هفت طبقه فولادي و بتنی وتصحیح مدل آنالیزي با مدل کردن میانقابها در ساختمان فولادي
چکیده
روش آزمایش ارتعاش اجباري یکی ازدقیق ترین روشهاي آزمایشهاي دینامیکی بر روي ساختمانها است، که با استفاده از آزمایش ارتعاش اجباري میتوان خصوصیات دینامیکی سازه را بررسی نمود. در این روش با اعمال نیروي سینوسی با فرکانسهاي مختلف بر روي ساختمان عکس العمل آن اندازه گیري شده و سپس با تحلیل رکوردهاي این اندازه گیري ها خواص مورد نظر سازه استنتاج میشود. در این پروژه تحقیقاتی آزمایشاتی بر روي ساختمان هفت طبقه بانک ملی و یک ساختمان هفت طبقه بتنی مسکونی انجام گرفته است. براي اعمال نیرو دستگاه لرزاننده ایی ساخته شد که حداکثر فرکانس دستگاه 3/4 هرتز و دقت آن یک دور در دقیقه میباشد. براي بدست آوردن فرکانس طبیعی ساختمانها از روشی بنام جاروي فرکانسی استفاده گردید. براي هر یک از رکوردهاي ثبت شده در هر مرحله ، طیف پاسخ( انرژي) طبقات رسم گردیده و با استفاده از طیف پاسخ، فرکانس طبیعی سازه که همان فرکانس تشدید میباشد، تعیین گشت. با استفاده از حداکثر پاسخ طبقات درفرکانس تشدید شکل مود ساختمان رسم گردید. در مرحله بعد در مدل کامپیوتري با اضافه کردن میانقابها مدلی از سازه واقعی ساخته شد. نتایج حاصل از این مدل (فرکانس و شکل مود) با نتایج بدست آمده از آزمایش ساختمان، توافق خوبی داشت با توجه به نتایج بدست آمده در این تحقیق می توان دریافت که ملحوظ کردن میانقابها در مدل تحلیلی، نتایجی نزدیک به واقعیت را ارائه می دهد.
کلید واژه : آزمایش ارتعاش اجباري، فرکانس طبیعی، شکل مود، میانقابها
-1 مقدمه
در مورد وضعیت و عملکرد واقعی ساختمانهای موجود اطلاعات اندکی وجود دارد و معمولا مهندسین ساختمان بعد از اتمام ساختمانها نیازی به آزمایش آنها نمی بینند. در صورتی که نرم افزارهای کامپیوتری در جهت کمک به مهندسین ساختمانی از نظر طراحی و تجزیه و تحلیل وجود دارد که دارای محاسن و مزایای بسیاری نسبت به ابزارهای محاسبه کننده قدیم می باشد مع الوصف عمل همین کامپیوترها نیز ممکن است مهندس طراح را دچار اعتماد کاذب نسبت به اطلاعات و پاسخ های حاصل شده نماید.
بنابراین چنانچه مایل باشیم ساختمان هایی که در آینده ساخته میشوند از ایمنی و کارایی مطمئن و قابل بولی برخوردار باشند بایستی روشهای تحلیلی فعلی را مورد بررسی و ارزیابی دقیق تری قرار دهیم. برای تحلیل دینامیکی سازه ها لازم است که خصوصیات دینامیکی سازه مانند پریودهای طبیعی ارتعاش شکل مودهای ارتعاش، جذب انرﮊی و حد تسلیم سازه در دسترس باشد. این خصوصیات دینامیکی به بسیاری از جزئیات رفتار مصالح و ترکیب سازه بستگی دارد که تمام این جزئیات را نمیتوان در مدل های تحلیلی دخالت داد. بنابراین همیشه بین مدل های تحلیلی و سازه واقعی اختلافاتی وجود دارد. تنها با تعیین مستقیم این خصوصیات دینامیکی به وسیله آزمایش بر روی ساختمان های واقعی و مقایسه با نتایج تحلیلی است که می توان به میزان دقت نتایج تحلیل دست یافته و در مورد قابل قبول بودن نتایج تحلیلی قضاوت نمود.
-2 آزمایش ارتعاش اجباري
وسایل مورد نیاز جهت انجام آزمایش ارتعاش اجباری بر روی ساختمانها عبارتند از:
-1-2 دستگاه اعمال نیرو]١: [
این ویبراتور شامل دو جرم مساوی میباشد که با سرعت یکسان در جهات عکس یکدیگر می گردند. هر کدام از اجرام نسبت به محور خودشان دارای یک نیروی گریز از مرکز میباشند. که در یک جهت همدیگر را خنثی و در جهت عمود بر آن جمع میشوند. قدرت موتور یک اسب بخار، حداکثر سرعت موتور ٢٠٠٠ دور در دقیقه و دقت آن یک دور در دقیقه میباشد.شکل( ١‐ الف). وزن تقریبی دستگاه 60kg میباشد که برای حمل و نقل توسط دو نفر وزن مناسبی میباشد، و به سادگی می توان اجزاﺀ آنرا مونتاﮊ و باز نمود. ماکزیمم فرکانس دستگاه 3.4 Hz میباشد.
-3-2 روش انجام آزمایش[2] ،[3]
اساس روش آزمایش ارتعاش اجباری اعمال نیروی سینوسی به سازه و اندازه گیری ارتعاشات ناشی از آن در سازه میباشد. این نیرو توسط دستگاه لرزاننده به ساختمان اعمال می گردد و ارجح است که دستگاه در بالاترین نقطه ساختمان یعنی پشت بام نصب گردد تا تغییر مکانها محسوس تر و نقاط پیک واضح تر باشد.
معمولاﹰ در این آزمایشات سعی بر این است که خواص دینامیکی سازه را در دو جهت عمود بر هم و موازی با ابعاد پلان سازه به دست آورد. خواص دینامیکی سازه ها که در این آزمایشات قابل اندازه گیری میباشند عبارتند از: فرکانس های طبیعی ارتعاش، شکل مودهای ارتعاش و میرایی در سازه که درخصوص هرکدام از آنها ذیلاﹰ توضیح داده می شود. در این تحقیق با توجه به یکسری مشکلات بوجود آمده، میرایی سازه بدست نیامده است.
شکل(1ـ الف) ـ دستگاه لرزاننده شکل(1ـ ب) ـ نصب شتاب سنج به کف پشت بام
-3 فرکانس هاي طبیعی ارتعاش و شکل مودها
در تئوری ارتعاشات نشان داده می شود که چنانچه یک بار سینوسی با فرکانس متغیر به سازه ای وارد شود در لحظه تشدید یعنی زمانی که فرکانس بار اعمالی با فرکانس طبیعی ارتعاش سازه برابر میشود تغییر فرمهای سازه به طور قابل ملاحظه ای نسبت به مقادیر متناظر در فرکانس های مجاور افزایش می یابد. لذا برای یافتن این فرکانسها می توان از روشی به نام جارو کردن فرکانس ها استفاده نمود. بدین ترتیب که اعمال نیرو را از یک فرکانس مشخص شروع کرده و سپس فرکانس ها را به تدریج افزایش داد و در هر مرحله شتاب و یا تغییر مکان سازه را اندازه گیری نمود تا لحظه تشدید برسد. فرکانسی که در آن بیشترین مقدار برای پاسخ سازه وجود داشته باشد روی دستگاههای مخصوص قرائت و ضبط می شود.برای رسم شکل مود از حداکثر پاسخ طیف رکوردهای شتاب ضبط شده در طبقات استفاده شده است.
4 ساختمانهاي مورد آزمایش:
اولین ساختمان مورد آزمایش ساختمان مسکونی هفت طبقه بتنی در خیابان پاسداران تهـران میباشـد. ایـن
ساختمان دارای ابعادm٥/٢٦m×٣٠/١١ در پلان میباشد. شکل (٢) پلان این سـاختمان را نـشان مـی دهـد.
این ساختمان از نوع اسکلت بتنی با دیوار برشی و دارای ٧ طبقه و ارتفاع آن ٦/٢١ متـر از پـی میباشـد. در زمان آزمایش تقریباﹰ کف سازی طبقات تمام شده و تمام دیواره های جدا کننده با استفاده از آجـر گـری اجرا شده و در حال انجام عملیات نازک کاری ساختمان بودند.
شکل 2ـ پلان ساختمان هفت طبقه بتنی و محل نصب دستگاه لرزاننده و شتاب سنج ها
شکل ‐3 رکورد اندازه گیری شده در سقف طبقه سوم ساختمان بتنی در جهت شمال‐جنوب
شکل 4آ طیف پاسخ(انرﮊی)رکورد اندازه گیری شده در سقف طبقه سوم ساختمان بتنی در جهت شمال‐جنوبه ه
زمین دارای ابعاد تقریباﹰ m٢٨m×١٩ و در طبقات دارای ابعاد m٢٣m×١٩ میباشد. شکل (٥) پـلان ایـن ساختمان را نشان می دهد. این ساختمان از نوع اسکلت فولادی بوده و دارای ٧ طبقه سـازه ایـی و ارتفـاع آن ٣/٢٣ متر از پی ساختمان میباشد. سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی ساختمان در جهت شرق ـ غـرب قاب خمشی و در جهت شمال ـ جنـوب سیـستم بادبنـدی میباشـد. ودر زیـرزمین در کنـاره هـای خـارجی دارای دیوارهای حائل بتنی به عرض ٣٠ سانتیمتر میباشد.
شکل‐5 پلان طبقات و محل نصب دستگاه لرزاننده و شتاب سنج ها
-5 مدل کامپیوتري ساختمانهاي آزمایش شده
برای مدل کردن ساختمانها از برنامه Sap2000 استفاده شده است. تحلیل طیفی روی سازه بر اساس خاک نوع ٢ آیین نامه ٢٨٠٠ انجام گرفت. بارهای ثقلی بر اساس آیین نامه ٥١٩ ایران میباشد.
-1-5 محاسبه مقاومت و سختی میانقابها[4]،[5]،[6]
مهمترین عاملهایی که به سختی قابهای مرکب موثرند عبارتند از سختی مصالح سازه ای میانقاب که خود به طور عمده تابع نوع ملات است، نسبت بعدی (ارتفاع به طول) وجود اتصالهای برشی بین میانقاب و قاب و میزان گیرداری اتصالها در قاب. با بهبود کیفیت ملات کاهش نسبت بعدی، تعبیر اتصالهای برشی
بین میانقاب و قاب، حذف درزهای افقی و قائم بین قاب و میانقاب می توان سختی را افزایش داد و برعکس.
برای محاسبه سختی میانقابها از رابطه (١](٥[ استفاده شده است.
که در آن t ضخامت میانقاب برحسب cm و θ زاویه ای است که قطر میانقاب با افق می سازد. و ضریب کشسان قید فشاری را می توان از رابطه (٢) بدست آورد. fc تنش فشاری مصالح میانقاب است]٤.[
-2-5 مدل کردن میانقاب
برای مدل کردن میانقاب از المان (Shell) و المان Nlink از نوع Gap element (بادخور) استفاده گردیده است. در چهار گوشه میانقاب بوسیله المان Nlink از نوع Gap element به قاب اتصال داده شده است و سختی آن معادل سختی بدست آمده از رابطه های ذکر شده در بالامی باشد. از حرکت صفحه میانقاب در جهت عمود بر صفحه قاب جلوگیری شده است. شکل(٦) نحوه مدل کردن میان قاب را در برنامه Sap2000 نشان می دهد.
شکل‐6 نحوه مدل کردن میانقاب در برنامهSap2000
-6 مقایسه نتایج حاصل از آزمایشات ارتعاش اجباري و تحلیل هاي کامپیوتري
