بخشی از مقاله
ارزيابي لرزهاي ساختمان هاي فولادي کوتاه ، م ت وسط و بلند با مهاربندي هم محور،مطابق طراحي بر اساس عملکرد
خلاصه
ساختمان هاي طراحي شده بر اساس آيين نامههاي موجود، تغيير شکلهاي غير الاستيک بزرگي در خلال زلزلههاي شديد، از خود نشان ميدهند. اکثر آيين نامه - هاي طراحي بر اساس رفتار الاستيک سازهها ميباشند و رفتار غير الاستيک سازهها را به روش غير مستقيمي از قبيل در نظر گرفتن ضرايبي مانند ضريب رفتار سازه - ها، ضريب اهميت و ضريب زلزله ، اعمال ميکنند. در خلال زلزلههاي متوسط تا قوي، رفتار غير الاستيک سازهها باعث تسليم شديد و کمانش اجزاي سازهاي مي - شوند که منجر به فرو ريزش کلي سازه گرديده و يا هزينههاي تعمير زيادي را ميطلبد. اخيراً روش طراحي جديدي گسترش يافته که به عنوان طراحي بر اساس عملکرد ناميده ميشود. اين روش رفتار غير خطي اجزاي سازهاي را با تعريف تغيير مکان هدف سازه و حالات حدي عملکردي، در طراحي اعمال ميکند.
در مقاله حاضر، عملکرد لرزهايساختمان هايفولادي مهار بندي شده ي کوتاه ، متوسط و بلند، طراحي شده طبق آيين نامه IBC، مورد ارزيابي قرار ميگيرد. هر چند کليه ساختمان ها بر اساس آييننامه IBC و با ضريب اهميت ساختمانهاي مسکوني طراحي شده بودند، ، تحت تحليل استاتيکي غير خطي و ديناميکي غير خطي، بعضي از ستونهاي طبقه اول در محل بادبندها با مشکل مواجه و سطح عملکرد ايمني جاني (LS)، مطابق دستورالعمل FEMA را برآورده نمي کردند.
کلمات کليدي : رفتار غير الاستيک ، ضريب رفتار، ضريب اهميت ، ضريب زلزله ، طراحي بر اساس عملکرد.
١-مقدمه
زلزله به عنوان يکي از بزرگترين دغدغهها براي طراحان سازههاي مهندسي عمران محسوب ميشود. حرکات شديد زمين که بيش از چند دقيقه طول نم کشد، سبب خرابيهاي بزرگ ميشود. آسيبهاي ايجاد شده در ارمنستان و حوالي سانفرانسيسکو و فرو ريختن ١٢٠ساختمان فولادي و بتني در شهر مکزيکو در سال ١٩٨٥ از خاطرات اخير ميباشد. در اين ميان تنها ساختمانها نبودند که آسيب ديدند، بلکه حجم وسيعي از زندگي نيز در اثر زلزله از بين رفته بود. با اين همه بسياري از ساختمانهاي بلند در طي زلزله سالم ماندند و نشان دادند که تبعيت از اصول پايه و زيربنايي ميتواند مردم را در جهت استفاده از ساختمانهاي مقاوم که هنگاموقوع زلزله بتواند در آنها زنده قدم بزنند، اميدوار کند. اگرچه ممکن است چند آسيب سازهاي هم در آنها ايجاد گردد.
بنابراين لازم است که در کشورهاي زلزله خيز نياز حياتي به طراحي و مسائل و تسهيلاتي براي مقاومت در برابر زلزله مورد توجه قرار گيرد.امروزه اعتقاد بر اين است که تنها در نظر گرفتن سطح عملکرد مصونيت جاني و بررسي رفتار سازه در محدوده خطي براي طرح لرزه اي در نواحي فعال لرزه اي کافي نيست .در آيين نامه هاي موجود ابزارهاي مفيدي فراهم شده است که انتظار مي رود،حداقل معيار هاي لازم جهت حفظ امنيت جان ساکنين ساختمان در هنگام زلزله با اعمال اين ابزارها تامين شود.اين آيين نامه ها فاقد مکانيزم لازم جهت کنترل ساختمان ها در سطوح عملکرد متفاوت مي باشند.علاوه بر آن مسيري که بتوان رفتار واقعي سازه را در مرحله خطي پيش بيني نموده و براي سطوح عملکرد بالاتر و زلزله هاي بزرگتري که رفتار سازه در آن خطي نخواهد بود به درک درستي رسيد وجود ندارد.
در اين مقاله عملکرد ساختمانهاي طراحي شده بر اساس آئين نامه (٢٠٠٦ ,IBC)IBC ،مطابق دستور العمل -٢٠٠٠,FEMA-FEMA مورد بحث و ارزيابي قرار گرفته است .
٢-فلسفه کلي طراحي بر اساس عملکرد
در روش طراحي بر اساس عملکرد، عملکرد غير خطي اجزاي سازه مورد بررسي قرار مي گيرد و تغيير مکان به جاي نيرو به عنوان مناسب ترين شاخص رفتار مطرح مي شود و به همين علت مي توان رفتار واقعي تر از سازه به دست آورد.هدف از اين طراحي اين است که انتظار از رفتار سازه در برابر زلزله به واقعيت بپيوندد.
مهندسي زلزله بر پايه عملکرد شامل روندي است که از مراحل آغازين طراحي يک پروژه آغاز و در طول عمر سازه ادامه مي يابد. اين روند شامل تعيين خطر لرز هاي، انتخاب سطوح مختلف عملکرد و عملکرد هدف در هر سطح ، بررسي مناسب بودن ساختگاه ،طرح مفهومي ،طرح عددي مقدماتي، طرح نهايي کنترل صحت طرح ،مرور و بررسي طرح نهايي، کنترل کيفيت اجرا به هنگام ساخت ، ترميم و بازسازي در طول عمر ساختمان ميباشد .
١٩٩٦.Bertero,V.V اين روند طراحي در برگيرنده گزينش صحيح نقشه سيستم ساز هاي، نسبتها ،مصالح ، جزئيات سازه ،اجزاي غيرسازه اي و محتواي آنهاست به گونه اي که سازه درسطوح مختلف زمين لرزه با درصد اطمينان تعريف شده ،فراتر از حال اتحديمجاز، دچارآسيبي نشود .
٣- روش کار
در ابتدا چند ساختمان فولادي مهار بندي شده با ارتفاعهاي کوتاه ، متوسط و بلند در نظر گرفته و آنها را مطابق با آئين نامه ٢٠٠٦ IBCدر نرم افزار ETABS تحليل و طراحي ميکنيم . سپس سطوح عملکرد ساختمانهاي فولادي مذکور را مطابق با دستورالعمل FEMA مورد بررسي قرار داده و در نهايت تامين سطوح عملکرد مورد نظر و تامين اهداف مورد نظر آئين نامه ٢٠٠٦ IBC را مورد ارزيابي قرار ميدهيم . همچنين از تحليلهاي استاتيکي غير خطي و ديناميکي غير خطي در نرم افزار D٣ PERFORM براي ارزيابي سازه ها استفاده شده است .
٣-١ معرفي مدلها
براي بررسي کفايت آيين نامه IBCدر طراحي سازههاي فولادي قاب مهار بندي متوسط و ويژه ، چهار سازه با ارتفاعهاي کوتاه ، متوسط و بلند با پلانهاي متقارن و منظم در نظر گرفته شده است ، در شکل (١)، پلان مبناي مدلها نشان داده شده است .
شکل (١) : پلان مبناي مدل ها
همانطور که اشاره گرديد، پلان تمامي مدلها، يکسان و تنها تعداد طبقات مدلها با يکديگر متفاوت بودند. براي اين منظور تعداد طبقات سه (کوت ه )، شش (متوس )، بيست و بيست و پنج طبقه (بلند) در نظر گرفته شد.
در مدلسازي سازه ها موارد زير در نظر گرفته شده است :
١ -طراحي سازهها به گونهاي بوده که اعضا به صورت بهينه انتخاب شوند.
٢ -در تمامي مدلها، ارتفاع همه طبقات ٣.٥ متر، ابعاد دهانههاي کناري ٦ متر و ابعاد دهانههاي مياني ٥ متر ميباشد.
٣ -در سازه سه و شش طبقه ، سيستم قاب فولادي متوسط با مهاربند هم مرکز در نظر گرفته شده است .
٤ -در سازه بيست و بيست و پنج طبقه ، سيستم قاب فولادي ويژه با مهاربند هم مرکز در نظر گرفته شده است .
٥ -نوع خاک، منطقه C در نظر گرفته شده است و ضريب اهميت (کاربري مسکوني) در تمامي مدلها برابر ١.٢٥، اعمال شده است . ٦ -ضريب رفتار (R)، و ضريب اضافه مقاومت (Ω) مطابق آيين نامه ٠٥-٧ ASCE محاسبه شده است . محدوده R در اين آيين نامه بين ٢ تا ٦ مي باشد.
٣-٢ مقاطع اعضا
الف ) در سازه سه طبقه ، ابعاد کليه ستونها، ١×١٨ Box ميباش . به جز ستونهاي متصل به بادبندي در دو طبقه تحتاني که ١٦×Box٣٢ ميباشد. ابعاد کليه بادبنديها، ١×١٤ Box و مقطع کليه تيرها، ٣٠٠ IPE ميباشد.
ب ) در سازه شش طبقه ، ابعاد کليه ستونها، ١.٣×٢٦ Box ميباش . به جز ستونهاي متصل به بادبندي در چهار طبقه تحتاني، که ٢.٥×٥٠ Box ميباشد.
ابعاد کليه بادبنديها، ١.٥×١٦ Boxو مقطع کليه تيرها، ٤٠٠ IPE ميباشد.
پ ) درسازه بيست طبقه ، ابعاد ستونهاي طبقه ١ تا ٨، ٢.٥×٥٠ Box ، ابعاد ستونهاي طبقه ٩ تا ١٤، ٢×٤٠ Box و ابعاد ستونهاي طبقه ١٥ تا ٢٠، Box
١.٤×٢٨ ميباش . ابعاد بادبنديهاي طبقه ١ تا ١٠، ١×١٦ Box و ابعاد بادبنديهاي طبقه ١١ تا ٢٠، ١×Box١٤ ميباش . همچنين مقطع کليه تيرها، IPE٥٠٠ ميباشد.
ت )در سازه بيست و پنج طبقه ، ابعاد ستونهاي طبقه ١ تا ٨، ٢.٥×٥٠ Box ، ابعاد ستونهاي طبقه ٩ تا ١٤، ٢×٤٠ Box، ابعاد ستونهاي طبقه ١٥ تا ٢٠،
١.٨×٣٦ Boxو ابعاد ستونهاي طبقه ٢٠ تا ٢٥، ١.٤×٢٨ Box ميباش . ستونهاي متصل به بادبندي در سه طبقه تحتاني، ٣×٦٠ Box ميباشد. ابعاد بادبنديهاي طبقه ١ تا ١٢، ١×١٦ Box و ابعاد بادبنديهاي طبقه ١٣ تا ٢٥، ٠.٨×١٤ Box ميباش . مقطع تيرهاي طبقه ١ تا ٧ و ١٦ تا ٢٥، ٥٠٠ IPE و ابعاد تيرهاي طبقه ٨ تا ١٥، ٥٥٠ IPE ميباشد.
٣-٣الگوي هاي بارگذاري جانبي در تحليل استاتيکي غير خطي
الگوهاي بارگذاري جانبي که در تحليل استاتيکي غير خطي استفاده گرديده اند، عبارتند از : الگوي بار يکنواخت (U)، الگوي بار مثلثي (P)و الگوي بار متناسب با نيروهاي جانبي حاصل از تحليل ديناميکي خطي طيفي(S).
ترکيب بارگذاري ثقلي که در تحليل استاتيکي غير خطي و ديناميکي غير خطي استفاده گرديده اند، مطابق رابطه زير ميباشد :
QG=1.1(QD+QL) (1)
QG=0.9(QD) (2)
با توجه به موارد فوق براي هر سازه ، شش تحليل استاتيکي غير خطي انجام گرفت به صورتي که هر مدل ابتدا در بارگذاري ثقلي ، تحت دو نوع بارگذاري قرار گرفت و در ادامه ، براي هر جهت Y,X سه نوع بارگذاري جانبي در نظر گرفته شده است . در زيرشش AnalysisCase مختلف براي تحليل استاتيکي غيرخطي نشان داده شده است .
1) UNIFORM X1 (H1+0.3H2)
2) UNIFORM Y1 (H2+0.3H1)
3) SPECTRUM X1 (H1+0.3H2)
4) SPECTRUM X1 (H2+0.3H1)
5) UNIFORM X2 (H1+0.3H2)
6) UNIFORM Y2 (H2+0.3H1)
اين بارگذاريها شامل بار ثقلي به علاوه بار جانبي در هر جهت ، همراه با ٣٠ درصد نيروي حاصل از تغيير مکان هدف در جهت عمود بر جهت مورد نظر مي - باشد. H١ همان جهت Xو H٢همانجهت Yميباشد.
٣-٤شتاب نگاشت هاي انتخاب شده در تحليل ديناميکي غير خطي
براي انجام تحليل ديناميکي غير خطي، از سه شتاب نگاشت زلزله کوبه ١٩٩٥، نورثريج ١٩٩٤و ويکتوريا ١٩٨٠ استفاده شده است . شتاب نگاشت زلزله کوبه به عنوان نمونه در شکل (٢) آورده شده است .
شکل (٢) : شتاب نگاشت زلزله کوبه
٣-٥آناليز مدلها و تعيين سطح عملکرد آنها
در شکل3 نمودارهاي تغييرمکان نسبي براي سازهها آورده شده است .
