بخشی از مقاله
ارزيابي عملکرد لرزه اي مهاربند کمانش ناپذير BRB در ساختمانهاي با پلان منظم با
استفاده از تحليل ديناميکي غيرخطي
2
خلاصه
با توجه به کاربرد وسيع سازههاي فولادي در کشور، توجه به سيستم هاي استهلاک انرژي در پايداري سازه مي تواند نقش مهمي را ايفا کند. ازجمله روشهاي بهبود رفتار لرزهاي سازهها استفاده از بادبند BRB را مي توان نام برد. در اين تحقيق استهلاک انرژي، دريفت طبقات و برش پايه و ساير پارامترهاي تأثيرگذار بادبند BRB با بادبندهاي همگراي ضربدري در سازههاي فولادي ٤ و ١٢ طبقه با پلان منظم بر اساس تحليل ديناميکي غيرخطي تاريخچه زماني موردبررسي و مقايسه قرار گرفت . بدين منظور ابتدا مقاطع در سازههاي فولادي موردنظر با استفاده از نرمافزار ETABS طراحي شد و سپس سازه هاي موردنظر در نرمافزار D٣ PERFORM تحت اثر ٧ شتابنگاشت تحليل گرديد. در مجموع مي توان گفت که عملکرد لرزه اي قابهاي طراحي شده به وسيله مهاربند BRB در بيشتر پارامترهاي لرزهاي و ديگر شاخص هاي موردبررسي ازجمله سبکتر بودن سازه؛ بهتر از قاب هاي با مهاربند ضربدري بوده است . از مقايسه مدلهاي ٤ و ١٢ طبقه با مهاربند BRB نسبت به مدل هاي با مهاربند CBF (ضربدري) نتايج زير بدست آمده است . کاهش تغيير مکان نسبي طبقات (دريفت ) به مقدار ٢٥ تا ٣٥ درصد، کاهش برش پايه به مقدار تقريباً ٢٥ تا ٣٥ درصد، کاهش وزن سازها به مقدار تقريبي ٩ تا١٠ درصد، افزايش زمان تناوب سازه و درنتيجه کاهش سختي سازه و افزايش شکل پذيري آن، افزايش سطوح عملکرد سازه هاي با مهاربند
BRBنسبت به سازه هاي با مهاربند CBF.
کلمات کليدي : مهاربند BRB، مهاربند ضربدري، تحليل ديناميکي غيرخطي تاريخچه زماني
١- مقدمه
رفتار نامطلوب عمدهاي که در مهاربندها مشاهده مي شود کمانش مهاربند فشاري مي باشد، که اين امر باعث کاهش شکل پذيري و ظرفيت استهلاک انرژي در سازه به دليل اثر ثانوي تغييرشکلهاي غيرخطي هندسي مي گردد . اين موضوع در بارگذاريهاي تناوبي مانند زلزله با توجه به ماهيت کاهش بيشتر سختي تحت بارهاي ديناميکي لرزهاي، از اهميت ويژهاي برخوردار مي باشد .استفاده از مهاربندي که در فشار و کشش رفتار يکساني داشته باشد و کمانش نکند ، هميشه مطلوب طراحان سازه بوده است .[١]
در شکل ١، رفتار هيسترزيس يک مهاربند کمانش ناپذير با مهاربند معمولي مقايسه شده است . درصورتي که مکانيزم مقاوم در برابر کمانش ابعاد مناسبي داشته باشد، هسته مي تواند در فشار نيز جاري شود و مقاومت فشاري و کششي يکساني را با رفتار منظم هيسترزيسي تا کرنش هاي بالاي٢ درصد از خود بروز دهد .اين مهاربندها از نوع کنترل هيسترزيسي و غيرفعال مي باشند و مزيت اصلي استفاده از آنها ، جذب انرژي در مهاربندها مي باشد .با توجه به شکل ١، مهاربند کمانش ناپذير داراي چرخه متقارن است ، اين به آن معناست که مهاربند در کشش و فشار رفتاري مشابه دارد و مي تواند هم در کشش و هم در فشار جاري شود .همچنين چرخه هيسترزيس مربوط به مهاربند کمانش تاب نسبت به مهاربند متداول داراي مساحت بيشتري است ، بنابراين مهاربند کمانش ناپذير انرژي بيشتري را جذب و مستهلک مي کند .مهاربند کمانش ناپذير تنوع مقطع بسياري دارد . شکل ٢ نمونه هايي از غلاف با مقطع لوله اي شکل را نشان
مي دهد.
شکل ١- مقايسه رفتار چرخه اي بادبند کمانش ناپذير با بادبند هم مرکز معمولي [٢]
شکل ٢- تنوع مقاطع مهاربند کمانش ناپذير و مهاربند کمانش ناپذير با غلاف لوله اي [٦]
ايده مهاربند مقاوم در برابر کمانش در اواسط دهه ٧٠ در ژاپن شکل گرفت . انواع مختلفي از مهاربند BRB در فاصله سالهاي ١٩٨٠ تا ١٩٩٠ در ژاپن ساخته شد . در سال ١٩٩٨ اين فن آوري به ايالاتمتحده آمريکا انتقال يافت و از سال ٢٠٠٠ به عنوان يک عضو مؤثر لرزه بر مورداستفاده قرار گرفت .[٤]
باوجود توسعه ي اشکال مختلف از BRB همه ي آنها داراي مفاهيم مشترکي هستند. ويژگي اصلي تمام آنها محصورسازي هسته فولادي توسط يک مکانيزم خارجي براي جلوگيري از وقوع کمانش است .عمومي ترين شکل BRB شامل يک هسته فولادي است که درون يک غلاف فلزي قرار مي رد.فضاي خالي بين هسته و غلاف توسط يک ماده پرکنندهي مناسب مانند ملات پر مي شود .قبل از ريختن ملات يک ماده لغزنده با يک گپ هواي کوچک بين هسته فولادي و ملات فراهم مي شود .اين ماده و همچنين گپ هوا، جهت جلوگيري از انتقال نيروي محوري از هسته مهاربندي به غلاف و ملات تعبيه مي شود .در حقيقت غلاف فولادي و ملات فقط نقش جلوگيري از کمانش مهاربند را بر عهده دارد و تحمل نيروي محوري بر عهده هسته فولادي است .[٥ ]
سابلي ٣ در سال ٢٠٠١ يک مطالعه آماري بر روي پاسخ سازههاي مهاربنديشده کمانش ناپذير و سازههاي مهاربنديشده همگراي متداول انجام داد، نتيجه
4 اصلي مطالعه اين بود که رفتار قابهاي مهاربنديشده کمانش ناپذير در اکثر موارد بهتر از قابهاي مهاربنديشده همگراي متداول است [ ٦].کلارک و همکاران در سال ١٩٩٩ عملکرد دو قاب ٣ طبقه فولادي را که با سيستم هاي قاب خمشي ويژه و قاب مهاربنديشده کمانش ناپذير طراحي شده بودند را با يکديگر مقايسه نمودند .نتايج نشان داد که سختي جانبي سيستم مهاربندي کمانش ناپذير نسبت به قاب خمشي ويژه، بيشتر شده و تغيير مکان تراز سقف در سيستم مهاربند کمانش ناپذير نسبت به قاب خمشي ويژه،کاهش پيداکرده است .[ ١]
٢- مزايا و معايب بادبند BRB:
در مقايسه بادبندهاي BRB با قابهاي خمشي و بادبندهاي هم محور، اين نوع بادبندها مزاياي زير را به همراه دارند:
١. سختي جانبي الاستيک بالاي بادبندهاي BRB در تحريکات ضعيف زمين در مقايسه با قابهاي خمشي ، ارضاء محدوديت دريفت آيين نامه ها را تسهيل مي کند.
٢. بادبندهاي BRB کمانش نامطلوب بادبندهاي هم محور را حذف کرده و به همين سبب استهلاک انرژي بيشتر و پايدارتري را زمين لرزههاي قوي فراهم مي کنند.
٣. بادبندهاي BRB اگر به وسيله اتصالات پيچي به گاست پليت متصل شوند ازلحاظ اقتصادي قيمت هاي مربوط به جوشکاري کارگاهي به همراه نظارت آن را حذف مي کنند.
٤. بادبندهاي BRB مانند يک فيوز سازهاي قابل تعويض عمل مي کنند که خرابي را در المانهاي سازهاي ديگر کمينه کرده و قابليت تعويض بعد از زلزله هاي بزرگ را دارا مي باشد.
٥. بادبندهاي BRB يک طراحي انعطافپذير را به سبب سهولت در تنظيم سختي و مقاومت پديد مي آورند .علاوه بر اين مدل کردن رفتار سيکليک
BRB در آناليزهاي غيرخطي به سادگي ميسر است .
٣- معرفي مدلهاي موردمطالعه و مشخصات لرزه اي آن
مدل مطالعاتي طرحشده در اين پژوهش ٢ ساختمان ٤ و ١٢ طبقه با مهاربندهاي ضربدري و BRB که ارتفاع تمامي طبقات ٣.٢ متر مي باشد. طراحي سازهها بر اساس مبحث دهم مقررات ملي ساختمان، مبحث ششم (بارهاي وارد برساختمان) آيين نامه طراحي ساختمان در برابر زلزله (استاندارد ٢٨٠٠) ويرايش سوم انجام شده است . ضريب رفتار براي ساختمان با مهاربند ضربدري مطابق (استاندارد ٢٨٠٠) ويرايش سوم ٧ در نظر گرفته شده است ،همچنين ضريب رفتار ساختمان با مهاربند کمانش ناپذير BRB ، مطابق آيين نامه ٢٠٠٥ AISC برابر ٨ در نظر گرفته شده است ، اين آيين نامه تصريح مي کند که ضرايب طرح لرزه اي قيدشده در اين بخش براي قابهاي مهاربنديشده با بادبندهاي کمانش ناپذير به صورت ضوابط آيين نامه اي قابل اعمال نبوده و تنها درجايي که آيين نامه اجرايي قابل اعمال وجود نداشته باشد بايستي استفاده گردد و درواقع به صورت پيشنهادي مي باشد. ، مشخصات مصالح مصرفي ، ويژگي هاي لرزهاي، بارگذاري ثقلي ، پلان و نماي سه بعدي مدل به ترتيب در جداول ١ و ٢ و شکل ٣ نشان دادهشده است .
٤
- نحوه طراحي و مدلسازي اعضا در نرم افزارهاي ETABS و D٣-PERFORM:
طراحي اعضا توسط نرمافزار VER١٣١٣ ETABS٢٠١٣ و از طريق روش استاتيکي معادل انجامشده است . در اين ورژن از نرمافزار امکان تعريف بادبندهاي BRB ميسر است . تيرها و ستونها در دهانه مهاربنديشده به روش حدي و با توجه به بيشترين نيرويي که از طرف مهاربند به آنها وارد مي شود طراحي شده و تيرها و ستونها خارج از دهانه مهاربنديشده نيز براي ترکيب بارهاي معمول آئين نامه طراحي شده است .
مـدلسـازي رفتـار غيرخطـي تيرهـا و سـتونهـا بـا اسـتفاده از ضـوابط آيـين نامـه ٣٥٦ FEMA و نشـريه ٣٦٠ و بـه صـورت مـدل دوخطـي تيـر و سـتون FEMA انجامشده است . در شکل ٤، نمودار دوخطي تير و ستون FEMA و سطوح عملکردي به همراه جزئيات نشان دادهشده است .
شکل ٤- نمودار نيرو- تغيير شکل براي تير و ستون فولادي در ٣٥٦ FEMA
در اين مدل سه سطح عملکردي قابليت استفاده بي وقفه ، ايمني جاني و آستانه فروريزش با نسبت تغيير شکل ١، ٩ و ١١ در نظر گرفته شده است . سيستم کف طبقات به صورت ديافراگم صلب مدل شده است که سبب تشکيل مفاصل پلاستيک در اثر خمش حول محور قوي مقطع و عدم ايجاد نيروي محوري در تيرها شده است (Hinge M٣). در مدلسازي رفتار غيرخطي ستونها از اندرکنش نيروهاي محوري و لنگر خمشي حول هر دو محور اصلي مقطع استفاده شده است (Hinge M٣-P-M٢).
مدلسازي مهاربند ضربدري در پرفورم با استفاده از المان SimpleBar با ماده فولادي غير الاستيک و کمانش پذير (Inelastic Steel Materia Buckling)
انجامشده است که جهت مدل نمودن پارامترهاي غيرخطي مهاربندها مي توان از پارامترهاي مدل سازي جدول ٥-٤ نشريه ٣٦٠ که مشابه با جدول ٦-٥ در
FEMA٣٥٦ است ، بهره گرفته شده است . براي بدست آوردن پارامترهاي غيرخطي مهاربندها تغيير شکل محوري در بار نظير کششي حد تسليم (T∆)، تغيير شکل محوري در بار کمانشي مورد انتظار(c∆)، مطابق آيين نامه FEMA٣٥٦ و AISC٢٠٠٥ محاسبه شده است . مهاربندي هاي BRB محصول شرکت Starseicmic
آمريکا از نوع PowercatTM مي باشد. در طراحي مهاربندها طول هسته جاري شونده با توجه به نوع مقاطع BRB و اندازه دهانه هاي مدلها، بين ٠.٧ تا ٠.٨ طول کل مهاربند در نظر گرفته شده است .[ ٧] با توجه به مقاطع بدست آمده در نرم افزار Etabs٢٠١٣، از مقاطع مختلفي که توسط شرکت همراه با مدل هاي آزمايشگاهي آن ها معرفي شده، استفاده شده است .
٥- نحوه انتخاب شتابنگاشت و تعيين مجموعه رکوردهاي انتخابي براي تحليل ديناميکي مدلهاي ساختماني
در ايـن تحقيـق از ٧ رکـورد زلزلـه (مطـابق سـناريوي جديـد مبتنـي بـر دادههـاي ايـران کـه توسـط غفـوري آشـتياني و همکـاران تهيـه شـده) بـراي انجـام تحليـل تاريخچـه ي زمـاني غيرخطـي اسـتفاده شـده اسـت . ايـن رکوردهـا نـوع مناسـبي از دادههـا را بــراي بـرآورد درســت از فرکـانس بـالا و پـايين امــواج لـرزه اي وارده بــه سـازههــا را فــراهم آورده زيــرا پراکنــدگي نتــايج احتمــالي در پاســخ هـاي دينــاميکي غيرخطــي را بــه حـداقل مــي رســاند. [ ٨]. بـا توجــه بــه اينکــه وقــوع بســياري از زلزلــه هــاي مخــرب در ايــران پيرامــون بزرگــاي ٦.٥ ريشــتر(٦٥=M) حــادث شــده اســت ؛ دادههــايي مبتنــي بــر بزرگــاي حرکــات زمـين ٦.٥ ريشـتر بـراي تجزيـه وتحليـل سـازههـا در حـوزه رفتـار غيرخطـي تعريـف شـده اسـت . طبـق توصـيه هـاي غفـوري آشـتياني و همکـاران، رکوردهـا بايـد بـر اسـاس پريـود اول سـازه بـه مـدلهـا اعمـال شـود. بنـابراين در ايـن پـژوهش از ٢ سـري از رکوردهـا بـراي تحليـل مـدلهـاي ٤ و ١٢ طبقـه اسـتفاده شـده اسـت که برخي نيز مشترک مي باشند و در جداول ٣ و٤ به نمايش درآمده اند.
٦- بررسي و مقايسه نتايج :
٦-١ بيشينه تغييرمکان نسبي طيقات
بيشينه تغييرمکان نسبي طيقات ازجمله شاخصه هاي مهم براي ارزيابي عملکرد سازه و خدمت پذيري آن به شمار مي آيد و بااينکه به طور مستقيم با تغيير شکل اعضاي سازهاي در ارتباط نيست ، ولي مي توان توسط اين شاخص بر روي خرابي سازه ناشي از تغيير شکل اعضاي سازهاي قضاوت صحيحي انجام داد [٩].در شکل ٥ و ٦ مقادير برش پايه براي مدل هاي ٤ و ١٢ طيقه نتايج حاکي از آن است که استفاده از مهاربندهاي BRB باعث کاهش تغيير مکان نسبي طبقات به ميزان ٢٥ الي ٣٥ درصد مي شود.
