بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی خرابی پیشرونده در یک سازه بتنی قاب خمشی با در نظر گرفتن اثر زلزله
چکیده
بخش مهمی از سازههای بتنی پراهمیت ایران، نسبتاً کوتاه و دارای سیستم قاب خمشی متوسط و در مجاورت گسلهای فعال هستند حال آنکه تحقیقات موجود خرابی پیش رونده، توجه خاصی به این دسته از سازهها نکردهاند. در این مقاله، L. Y. اثر حذف تعدادی .3 ستونهای یک سازه واقع در منطقه با لرزهخیزی UFC y: برمبنای معیارهای پذیرش روش های خطی و غیرخطی بررسی میشود. با توجه به کم بودن نیروی جانبی باد (توصیه شده توسط FCلا) در مقایسه با زلزله و اثرات احتمالی نیروی جانبی در ایجاد یا تشدید تغییرشکل ها و افزایش نیروهای داخلی اعضا و تغییر در الگوی رفتار غیرخطی سازه، کلیه آنالیزهای مربوط به حذف ستونهای مختلف با در نظر گرفتن نیروی جانبی زلزله به جای باد تکرار شده است. بررسیها نشان میدهند که سازه مذکور در برابر خرابی پیش رونده حساس بوده و بر خلاف معیارهای انالیز دینامیکی غیرخطی قادر به تامین معیارهای انالیز استاتیکی غیرخطی نمی باشد. علاوه بر این چنین مشاهده می - گردد که اگرچه مقدار نیروی جانبی (در این پژوهش زلزله) اعمالی در ترکیبات بار مذکور چندان قابل ملاحظه نیست ولی همین نیروی کم در طراحی های با حاشیه اطمینان کم، به راحتی می تواند الگوی تشکیل مفاصل پلاستیک در سازه را دستخوش تغییر نموده و با عبور از ظرفیت اعضا یا نقض سایر معیارهای پذیرش، زمینه فروریزش سازه را فراهم آورد.
مقدمه
خرابی پیش رونده به معنای فروریزش بخش قابل توجهی از یک سازه در اثر گسیختگی در بخش نسبتاً کوچکی از آن است. اگرچه ممکن است احتمال بروز این پدیده در سازههای معمولی زیاد نباشد اما هنگامیکه در طی آن به جامعه خسارات مالی، جانی یا امنیتی جدی وارد شود، از چنان اهمیتی برخوردار می شود که نیاز به پیشگیری از وقوع آن به امری انکارناپذیر بدل می شود. پدیده خرابی پیش رونده تاکنون در سازههای بسیاری سبب بروز تلفات جبران ناپذیری شده است. از معروفترین نمونه های این پدیده میتوان به انهدام برجهای دوقلوی تجارت جهانی در سال ۲۰۰۱ و فروریزش یک ساختمان مسکونی در شهر لندن در سال ۱۹۶۸ اشاره کرد ۲و۸]. از مراجع پرکاربرد برای بررسی خرابی پیشرونده می توان به سند FCلا اشاره نمود. این سند سازهها را به ۴ دسته تقسیم می کند و در آن دو مکانیزم عمل غشایی (Catenary Action) و توانایی انتقال خمشی (Flextural Bridging Capability) مد نظر قرار داده می شود. ایجاد مکانیزم اول از طریق تامین نیروهای مهاری (Tie ForCeS) در اعضای افقی و عمودی صورت میگیرد و مکانیزم دوم نیز با کنترل روش مسیر جایگزین (Alternate Path Method )، توانایی بازتوزیع بارهای ستون محذوف را فراهم می آورد. در سازههایی که تحت عنوان تراز حفاظتی بسیار پایین یا تراز حفاظتی پایین طبقه بندی می - شوند به وسیله تأمین نیروی مهاری، امکان عمل غشایی فراهم شده و مقاومت لازم در مقابل خرابی پیش رونده ایجاد میگردد. در صورتی که تأمین نیروهای مهاری قائم میسر نباشد از روش مسیر جایگزین برای انتقال بار استفاده می شود. سازههایی که در دسته تراز حفاظتی متوسط یا تراز حفاظتی بالا قرار گیرند باید علاوه بر توانایی انتقال خمشی در برخی از اعضا، دارای مقاومت مهاری قائم و افقی کافی در هر دو جهت باشند آ۷]. بر مبنای سند FCلا برای کنترل روش مسیر جایگزین باید حداقل اثر حذف یک ستون در وسط ضلع خارجی بزرگتر، یک ستون در وسط ضلع خارجی کوچکتر و یک ستون در گوشه سازه در آنالیزهای مجزا در کلیه طبقات بررسی شده و از بازتوزیع مناسب بار آن، وجود ظرفیت کافی در اعضای مجاور و قبولی حدود آسیب اطمینان حاصل شود. همچنین در مواردی که بخشهایی از سازه دارای کاربری عمومی باشند و یا نامنظمی خاصی در پلان یا ارتفاع موجود باشد، کنترل حذف برخی دیگر از اجزای باربر نیز ضروری خواهد بود ۱۲ | در زمینه بررسی وقوع خرابی پیش رونده در سازههای بتنی قاب خمشی تحقیقات زیادی انجام شده است که مختصری از نتایج آن در ادامه ذکر میگردد. در صورتی که یک سازه بتنی منظم یکبار با فرض قرار گرفتن در ناحیه با خطر لرزهخیزی بالا و بار دیگر با فرض بودن در منطقه با خطر لرزهخیزی پایین طراحی شده و با حذف یک ستون کناری در طبقه اول، مقاومت آن در برابر خرابی پیش رونده در ۲ حالت مقایسه گردد، تغییرمکان تعادل قائم در گره بالای ستون محذوف در سازه اول بسیار کمتر و مقاومت آن در پیشگیری از وقوع پدیده مذکور بیشتر است آ۱۰ ا. بررسی وضعیت پتانسیل وقوع خرابی پیش رونده در گوشه های سازههای بتنی قاب خمشی بر مبنای سند FCلا، حساسیت بالای آنها را نسبت به حذف یک ستون گوشه نشان می دهد و هنگامیکه مساحت آنها از سطح مجاز خرابی بیشتر باشد، تقویت مقطع تکیه گاه تیرها و یا استفاده از بادبند در دهانه گوشه سازه ضروری است آ۵ . نتایج آنالیزهای غیرخطی خرابی پیش رونده در یک سازه بتنی منظم با طراحی لرزهای ویژه بر اساس سند GSA ۱۳] نشان می دهد که بکارگیری آنالیز استاتیکی غیرخطی در کنترل مقاومت، منجر به نتایج محافظه - کارانه تری نسبت به آنالیز دینامیکی غیرخطی می شود. ا۷]. در اکثر تحقیقات مرجع این مقاله به علت استفاده از ضوابط ویژه لرزه ای، مقاطع ستونها نسبت به تیرها به قدری قوی هستند که مفاصل پلاستیک تنها در تیرها تشکیل می شوند || ۷ || || ۱۰ او آ۱۱ از این رو در حیطه سازههای با سیستم قاب خمشی متوسط که از خاموت گذاری با فواصل نزدیک و شکل پذیری بالایی برخوردار نیستند و احتمال بروز رفتار غیرخطی در ستونها زیاد است، خلاً تحقیقاتی وجود دارد. همچنین بخش قابل توجهی از سازه های شهری پراهمیت ایران نسبتاً کوتاه و دارای سیستم قاب خمشی بتنی متوسط هستند. از یک سو وقوع خرابی پیش رونده در این سازهها می تواند منجر به خسارات غیرقابل جبرانی شود و از سوی دیگر در طی فرآیند طراحی آنها توجه ویژهای به تعبیه مقاومت در پیشگیری از این پدیده نمی گردد. این مقاله به دنبال ارائه راهکارهایی است که از طریق اصلاحاتی در طرح معمول این دست سازهها بتوان مقاومت در برابر خرابی پیش رونده را افزایش داد. همچنین تلاش میگردد با مقایسه آنالیزهای استاتیکی و دینامیکی غیرخطی در محدوده سازههای مورد نظر، حدود تفاوت تغییرشکل ها و نیروهای داخلی حاصل از آنها تعیین گردد.
- مشخصات سازه مورد بررسی
به منظور بررسی پتانسیل وقوع خرابی پیشرونده در طیفی از سازههای منظم که فراوانی قابل توجهی دارند، در این مقاله یک ساختمان نمونه ۵ طبقه که در شهر تهران و بر روی خاک نوع ۲ قرار دارد مد نظر قرار داده می شود. در این سازه که دارای اسکلت بتنی با سیستم مقاوم قاب خمشی متوسط در هر دو جهت است، چنین فرض می گردد که تراز حفاظتی از نوع متوسط و طبقه اول آن یک فضای حفاظت شده با کاربری پارکینگ باشد. تکیه گاه ها گیردار و بتن مصرفی دارای مقاومت مشخصه J"c=۲۵MPa و کلیه آرماتورهای به کار رفته در سازه از نوع با مقاومت جاری شدن JT =۴۰۰MPa و مقاومت گسیختگی ۶۰۰MPa= / هستند. علاوه بر وزن تیرها و ستونها بار مرده ۴۰۰kg/m در کلیه طبقات و بار زنده ۲۰۰kg/m در طبقات و ۱۵۰kg/m در بام به سازه اعمال میگردد. ضمناً وزن دیوارهای پیرامونی به اندازه /kg ۶۰۰m در طبقات و ۳۰۰kg/ml در بام در نظر گرفته می شوند. پارامترهای مدول الاستیسیته بتن و فولاد و میرایی سازه به ترتیب برابر باE = ۲ × ۱۰" MPa و E = ۲ × ۱۰ "MPa و ۵ درصد هستند. همچنین ارتفاع طبقات سازه برابر با ۳٫۲ متر، ابعاد دهانه ها ۵ متر و سقف نیز از نوع دال دوطرفه لحاظ میگردد. پلان این سازه مطابق با شکل (۱) انتخاب میشود. تحلیل سازه و طراحی کلیه مقاطع تیرها و ستونهای آن بر مبنای ضوابط استاندارد ۲۸۰۰ آ۱ او مبحث نهم مقررات ملی ساختمان [۴] برای سازههای با شکل پذیری متوسط انجام شده و جزئیات لازم برای آن طبق روال معمول طراحی ساختمانهای بتنی ایران در نظر گرفته می شود. تیرها شامل ۲ عدد آرماتور D۲۲) به صورت سرتاسری در بالا و پایین مقطع هستند و در نواحی ای که تقاضای لرزهای ایجاب نماید به صورت موضعی از تعداد بیشتری از همان نوع آرماتور استفاده میگردد. عمق و ارتفاع تیرها در همه جا به ترتیب ۵۰ و ۳۰ سانتیمتر و مقادیر آرماتور آنها مطابق جدول (۱) متغیر است. تمامی تیرهای طبقات ۴ و ۵ دارای مقطع b1 هستند و تنها در محل تکیه گاه تیرها در طبقه ۴ از مقطع b2 استفاده می شود. در سایر طبقات نیز بر حسب نیاز مقاطع 1 b تا b5 برای طراحی بکار رفته اند. مشخصات مقاطع مورد استفاده در ستون ها و تیپ ستونها در طبقات مطابق با جداول (۲) و (۳) است.
۲- فرآیند مدلسازی خرابی پیش رونده
از آنجا که مطابق با بررسیهای صورت گرفته، در این سازه با رعایت یک سری جزئیات اجرایی مختصر، نیروهای مهاری با حاشیه اطمینان بسیار بالایی تأمین می گردند، جوابگو بودن کنترل های روش مسیر جایگزین در آن ضامن مقاومت در برابر خرابی پیشرونده است. در سازه مذکور ستون های C1 و A2 به نمایندگی از ستونهای خارجی و ستون A1 به نمایندگی از ستونهای واقع در گوشه ساختمان، جهت ارزیابی برگزیده شدهاند. با توجه به اینکه FCلا لزوم توجه به اثر حذف ستونهای کناری و گوشه را در طبقات بالاتر نیز مد نظر قرار می دهد، اثر حذف ستونهای مذکور در تمامی طبقات کنترل می گردد. به منظور انجام تحلیلهای مسیر جایگزین از نسخه ۱۱ نرم افزار SAP2000 که از قابلیتهای غیرخطی کاملی برخوردار است، استفاده میشود.
۱-۱۲- ترکیبات بار
برای انجام آنالیز دینامیکی غیرخطی، ترکیب بار ارائه شده بر مبنای FCلا مطابق (۱) تعریف گردیده و به کل کفهای سازه اعمال می شود.
که در آن منظور از D، -ا، S وW به ترتیب بار مرده، زنده، برف و باد است. ترکیب بار مورد استفاده برای انجام آنالیز استاتیکی غیرخطی مشابه با (۱) است با این تفاوت که در کف هایی که مستقیماً به ستون محذوف یا امتداد آن متصل هستند، بار (۲) به کف ها وارد میگردد.
ضریب برای لحاظ نمودن اثرات نیروهای اینرسی اثر حذف یک تکیهگاه عمودی در یک دورہ زمانی کوتاه است و به همین دلیل فقط باید در دهانه های مجاور ستون محذوف اعمال گردد
۱۲ . ۲- ۲- خواص غیرخطی و تکنیک حذف عضو
اعمال ویژگیهای غیرخطی در مدل به صورت تخصیص مفاصلی با امکان رفتار پلاستیک به نقاطی از سازه که دارای بیشترین احتمال عبور از ناحیه الاستیک هستند، صورت میپذیرد. این نقاط در تیرها در طول نسبی ۰.۰۵، ۰.۵۰ و ۰.۹۵ و در ستونها در ابتدا و انتهای عضو تعریف و خواص ارائه شده در ضمیمه C از سند FCلا برای آنها مدنظر قرار داده می شود. مطابق شکل (۲) منحنی رفتاری لنگر - دوران مفاصل پلاستیک در ناحیه غیرالاستیک BC به ۴ قسمت مساوی تقسیم و سطوح عملکرد روگا آن نشان داده می شود. جدول (۴) دوران نقاط A تا E در شکل(۲) را برای تیرها طبق توصیه FCلا ارائه میدهد. در این اعضا عبور از دورانهای ۰.۰۱۳، ۰.۰۲۶ و ۰.۰۳۹ رادیان به ترتیب متناظر با گذر از سطوح عملکرد قابلیت استفاده بیوقفه (Immediate OCCUpancy) یا به اختصار O، ایمنی جانی (Life Safety) یا به اختصار LS و پیشگیری از فروریزش (C Ollapse Prevention) یا به اختصار CP معرفی میگردند. همچنین برای مفاصل محوری - خمشی ستون ها از دادههای 40-ATC [۶] با فرض عدم وجود تسلیح برشی (Transverse Reinforcing) استفاده می گردد زیرا فقط در صورت بیشتر بودن سهم خاموتها در مقاومت برشی مقطع از ۷۵ درصد و کمتر بودن حداکثر فاصله آنها از یک سوم عمق موثر، تسلیح برشی به وجود میآید حال آنکه در سازه مورد بررسی چنین شرایطی برقرار نیست ا ۱۲ ا.
برای انجام آنالیزهای غیرخطی استاتیکی و دینامیکی، از تحلیل های غیرخطی با شرایط اولیه (Initial Condition) استفاده می گردد تا بتوان تغییرشکل های ناشی از بارهای ثقلی قبل از شروع پدیده خرابی پیشرونده را در مدل لحاظ نمود. بدین منظور ابتدا سازه تحت اثر ترکیب بارهای (۱) و (۲) قرار گرفته و نیروهای داخلی گره فوقانی ستونی که باید حذف شود، قرائت می گردند. نسب پسس نشستور مذکور .3 مدل حذف گردیده s عکس العملهای خوانده شده ريا ان گره قرار می شوند. در مرحله
بعد یک سری حالات تحلیلی از نوع استاتیکی غیرخطی تعریف می شوند که با در نظر گرفتن اثر P-A از حالت بدون تنش تا اعمال تمامی عکس العملها به صورت مرحله به مرحله پیش بروند (حالت تعادل ۱). در نهایت حالات تحلیلی جدیدی از نوع استاتیکی یا دینامیکی غیرخطی با شرایط اولیه حالت تعادل ۱ تعریف شده و در آنها نیروهای مخالف عکس العملهای قرائت شده به گره بالایی ستون محذوف وارد میگردند (حالت تعادل ۲). شایان ذکر است که عکس العملهای مذکور در آنالیز دینامیکی به صورت ناگهانی و در آنالیز استاتیکی به صورت تدریجی و با گامهای کوچک به سازه اعمال می شوند. بر طبق سند FCلا در هر گام معیارهای پذیرش کنترل می شوند و در صورت نقض آنها، اگر عضو با افزایش تغییر شکل قادر به تحمل لنگر خمشی وارده نباشد و یا مقدار نیروی برشی تقاضا از ظرفیت برشی مقطع بیشتر باشد، عضو مذکور از مدل حذف و بار آن بر حسب نوع آنالیز در بین اعضای پایینی بازتوزیع می گردد. در انالیز دینامیکی غیرخطی قبل از ادامه تحلیل باید ابتدا بارهای عضو تخریب شده ۲ برابر و به مقطع تحتانی منتقل شود حال آنکه در آنالیز استاتیکی غیرخطی، از آنجا که بارهای وارده قبلاً یکبار جهت لحاظ کردن نیروهای اینرسی ۲ برابر شدهاند، تشدید مجدد لازم نبوده و حذف عضو و انتقال بار به عضو پایینی کافی است
ا ۱۲ | ۳-۲- معیارهای پذیرش در روش مسیر جایگزین
معیارهای پذیرش شامل الزامات مقاومت و محدودیتهای تغییرشکل است. برای کنترل معیار مقاومت، لنگرها، نیروهای محوری و برشی به دست آمده برای هر آنالیز مسیر جایگزین به عنوان مقاومت مورد نیاز تلقی شده و باید از مقاومت طرح عضو کمتر باشند. تعیین مقاومت طرح اعضا از آییننامه 318 اAC آ۵] به طور معمول صورت پذیرفته و فقط در محاسبه ظرفیت مقاطع، ضریب اضافه مقاومت (O) به کار برده می شود. بدین منظور تنش جاری شدن فولاد و مقاومت مشخصه بتن در عدد ۱.۲۵ ضرب می گردند. همچنین برای کنترل معیار تغییرشکل، خیزها و چرخش های محاسبه شده در اعضا در هر آنالیز مسیر جایگزین با حدود مجاز ارائه شده در سند FCلا مقایسه می گردند.
۴-۲- محدوده خرابی
مجاز FCلا سطح مجاز خرابی ناشی از حذف یک ستون خارجی در یک طبقه را به کمینه مقادیر ۷۰ متر مربع و ۱۵ درصد سطح کل سقف آن طبقه محدود می کند. در حالت خارجی بودن ستون محذوف، محدوده کف آسیب دیده نباید از دهانه های مجاور آن ستون فراتر رود ۱۲ ا. بدین ترتیب در حالات اA2،C و A1 حداکثر محدوده خرابی قابل قبول در کفی که قبلاً به طور مستقیم
به عضو محذوف متصل بوده است، به دهانه های مجاور آن ستون محدود شده و هیچگونه فروریزشی در طبقات بالایی یا پایینی مجاز نیست.
۳- ارزیابی رفتاری سازه موجود در برابر خرابی پیش رونده
مطابق ترکیبات بار ارائه شده در آئین نامه FCلا، که در بخشی [۲-۱] نیز به آن اشاره گردید، اثر بار باد نیز باید برای بررسی پتانسیل وقوع پدیده خرابی پیش رونده در نظر گرفته شود اما با توجه به کم بودن ارتفاع سازه و کوچک بودن ابعاد جانبی آن، سطح بادگیر بسیار کم بوده و در نتیجه مقدار برش پایه ناشی از باد نیز عدد بسیار کوچکی است. از سوی دیگر در روابط (۱) و (۲) ضریب بار باد ۲. ۰ بوده و این هم به نوبه خود سبب کمتر شدن اثر آن در حیطه ساختمانهای نسبتا کوتاه می شود. از این - رو در این مقاله آنالیزهای خرابی پیش رونده در مرحله اول با صرف نظر از نیروهای جانبی صورت پذیرفته و در مرحله بعد جهت بررسی اثرات احتمالی نیروی جانبی در ایجاد یا تشدید تغییرشکل ها و همچنین افزایش احتمالی نیروهای داخلی اعضای سازهای، کلیه آنالیزهای مربوط به حذف ستونها در موقعیتهای مختلف با در نظر گرفتن نیروی جانبی زلزله به جای باد مجدداً تکرار شده است که با توجه به حدود ۳ برابر بودن برش پایه ناشی از زلزله نسبت به باد، حالت بحرانی تری برای سازه به وجود می آورد. باید توجه داشت که در آنالیزهای خرابی پیش رونده صورت گرفته منتج به تدوین این مقاله، بارهای جانبی به صورت جهتدار لحاظ شدهاند. بدین منظور در آنالیزهای استاتیکی خطی به ازای هر حالت حذف ستون، ۴ حالت تحلیل برای در نظر گرفتن جهت مثبت و منفی در مولفههای جداگانه X و Y و ۴ حالت نیز برای ترکیب مولفه های X و Y با زوایای ۴۵ درجه تعریف شده و پوش حداکثر مثبت و حداقل منفی آنها در تفسیر نتایج به کار برده شده است. همچنین در تحلیل های استاتیکی و دینامیکی غیرخطی نیز بار زلزله در جهات X و Y به صورت جداگانه اعمال گردیده است. در این بخش رفتار سازه مورد بررسی تحت اثر حالات مختلف حذف ستون به تفکیک شرح داده شده و به منظور انجام مقایسه کمی نتایج آنالیزهای مختلف، خروجی آنالیزهای استاتیکی و دینامیکی غیرخطی از ۲ جنبه نیروهای داخلی در تیرهای متصل به گره فوقانی ستون محذوف در طبقه اول و نیروهای محوری ستون های مجاور ستون مذکور، قبل و بعد از حذف آن صورت می گیرد.
