بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی لرزه اي سوله هاي فولادي قاب خمشی با افزودن جرثقیل پس از طراحی اولیه به دلیل تغییر کاربري
خلاصه
تحقیقات انجام شده روي اثر زلزله بر سوله ها بسیار اندك هستند. به علت سبک بودن این نوع سازه ها معمولا بار جانبی ناشی از زلزله در طراحی تعیین کننده نخواهد بود. اما درصورت نیاز به تغییرکاربري و نصب جرثقیل در این سازه هاي صنعتی، میبایست رفتار لرزه اي آنها مورد توجه قرار بگیرد. در این تحقیق ابتدا سوله ها مطابق ویرایش سوم استاندار 2800 ایران طراحی شده اند. سپس به دلیل تغییرکاربري بار جرثقیل به سوله ها افزوده میگردد. با افزودن بار جرثقیل رفتار لرزه اي سوله هاي فولادي با استفاده از روش استاتیکی غیرخطی بارافزون با نرمافزار SAP2000 مورد بررسی قرار گرفته است و سپس پارمترهاي لرزه اي از قبیل ضریب شکل پذیري، ضریب مقاوم تافزون و ضریب رفتار سوله ها بدست آمدهاند. مطابق نتایج این تحقیق قابهاي خمشی فولادي سوله داراي شکل پذیري قابل توجهی نیستند. همچنین ضریب رفتار با افزایش ارتفاع ستونهاي قابهاي مورد بررسی، به صورت تدریجی کاهش مییابد اما با افزایش عرض دهانه ها، تغییر قابل ملاحظهاي نخواهد داشت.
کلمات کلیدي: سوله هاي فولادي، تحلیل غیرخطی بارافزون، ضریب شکل پذیري، ضریب مقاومتافزون، ضریب رفتار
1. مقدمه
ارزیابی لرزه اي ساختمانهاي موجود، یک موضوع کلیدي در هر ناحیه ي زلزله خیز میباشد. در حقیقت، زلزله هاي متوسط تا قوي زندگی افراد زیادي را تهدید میکنند و در مقیاس ناحیه اي، با وارد کردن خسارات سنگین به سازه ها زندگی عادي و اقتصادي را با وقفه و رکود مواجه میسازند .[1]
از طرفی ساختمانهاي صنعتی یکی از اجزاي اصلی و مهم در رشد صنعتی یک کشور محسوب می شوند. با توجه به روند رو به رشد صنعت در کشور ایران ساخت سالنهاي صنعتی افزایش یافته است .[2] این ساختمانها چنانکه از نامشان بر میآید براي کاربريهاي صنعتی و تولیدي مورد استفاده قرار میگیرند، ولی چون ساختمان انبارها، آشیانههاي هواپیما، سالنهاي ورزش و نظایر آنها وضع تقریبا مشابهی از نظر شکل و سیستم سازه اي با ساختمانهاي صنعتی دارند، میتوان ساختمانهاي اخیر را نیز در این گروه به حساب آورد .[3]
طراحی لرزه اي ساختمانها در برابر زلزله هاي ضعیف به گونهاي است که آنها بعد از وقوع زلزله همچنان قابل استفاده باقی بمانند. در نظر گرفتن این هدف، رفتار ساختمان را به محدودهي رفتار ارتجاعی و خطی، محدود میکند. اما اهداف طراحی لرزه اي ساختمانها در برابر زلزله هاي متوسط، شدید و ماکزیمم متفاوت از اهداف طراحی در برابر زلزله هاي ضعیف است و لزوم رفتار کاملاً ارتجاعی از ساختمان، مورد نظر نیست؛ لذا ساختمانها می توانند در برابر این سطوح زلزله ، رفتار غیرارتجاعی داشته باشند. علت این موضوع مربوط به مباحث اقتصادي است .[4]
مراجع فراوانی در زمینهي ارزیابی و بهسازي لرزه اي از جمله NEHRP،ATC-40 و FEMA–356 وجود دارد. در ایران دستورالعمل بهسازي لرزه اي ساختمانهاي موجود نشریه [5] 360 و تفسیر آن با استناد به نشریه FEMA–356 در سال 1385 در اختیار جامعه مهندسی کشور قرار گرفت. در این پژوهش، ارزیابی و کنترل ضوابط پذیرش با مبنا قرار دادن ضوابط پذیرش نشریه 360 صورت پذیرفته است.
2. معرفی مدلهاي مورد بررسی
در ابتدا سوله ها مطابق ویرایش سوم استاندار 2800 ایران [6] و براي کاربري بدون جرثقیل طراحی شده اند. طراحی سوله ها به صورت سهبعدي صورت گرفته است. سیستم سازه اي در جهت طولی، قاب ساده همراه با بادبند و در جهت عرضی، قاب خمشی متوسط میباشد. طول سالن تمامی مدلها 30 متر شامل شش قاب با فواصل 6 متر میباشد. شیب سقف 20 درصد و مقاطع تیر و ستون، تیرورقهاي به صورت I شکل و با مقطع متغیر میباشند. از میلگرد به عنوان بادبندهاي جانبی و سقفی در دهانه هاي ابتدا و انتها استفاده شده است. محل احداث سوله ها در شهر اهواز میباشد. پس از تغییر کاربري و اعمال بار جرثقیل 5 تن، براي ارزیابی مدلهاي مورد مطالعه، با توجه به تیپ بودن تمام تیرها و ستونها در هر سوله ، قابهاي سوله به صورت دو بعدي در نظر گرفته شده اند، شکل .1
در این مطالعه شش مدل با سه تیپ ارتفاعی متفاوت و دو تیپ عرض دهانه ي مختلف مورد بررسی قرار گرفتهاند. ارتفاع ستون قابهاي مورد بحث 6 متر، 8 متر و 10 متر و عرض دهانه ي قابها 20 متر و 25 متر میباشد. براي نامگذاري مدلها از فرمت Hz By استفاده شده است که در آن z ارتفاع ستون قاب سوله و y عرض دهانه ي سوله میباشد. به عنوان مثال H6 B20 نشاندهندهي مدلی با ارتفاع ستون 6 متر و عرض دهانه ي 20 متر است. نماي جانبی قابهاي سوله و مقاطع تیرها و ستونها در شکل 2 نشان داده شده است.
بار مرده سقف، بار برف و بار دیوارهاي جانبی به ترتیب برابر 30 kgf/m2، 50kgf/m2 و 400 kgf/m2 در نظر گرفته شده است. شهر اهواز داراي سرعت و فشار مبناي باد به ترتیب برابر 110 km/h و 40/5 kg/m2 است. محل احداث سوله ها در فضاي خارج از شهر با ساختمانها و درختان پراکنده فرض گردیده است. مقادیر فرض شده براي بارگذاري زلزله و مشخصات مصالح در جدولهاي 1 و 2 آورده شده است.
آییننامه هاي مورد استفاده در بارگذاري و زلزله ، مبحث ششم مقررات ملی ایران، ویرایش سوم استاندار 2800 ایران و نشریهي325 سازمان مدیریت و برنامهریزي کشور و جهت طراحی، مبحث دهم میباشند. طراحی به روش ASD صورت گرفته است. در تحلیل و طراحی از نرمافزار SAP 2000(Version 14.2.4) استفاده شده است.
3. تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون
تحلیل بارافزون (پوشآور)، تحلیل تقریبی است که در آن پس از اعمال بارهاي ثقلی، سازه در معرض بارهاي جانبی با یک الگوي مشخص که به صورت تدریجی افزایش مییابد قرار داده میشود. در هر گام که بارهاي جانبی به صورت تدریجی افزایش مییابند، سختی سازه اصلاح میگردد. بعبارت دیگر در هر گام معادلهي تعادل استاتیکی =K ∆ Fکنترل شده و این عمل تا زمانیکه مرکز جرم بام (نقطهکنترل) به یک مقدار تعریف شده (جابجایی هدف یا نقطه عملکرد) برسد و یا قبل از فروریزي (ناپایداري)، ادامه مییابد. حاصل این مرحله منحنی ظرفیت است که بصورت تغییرات جابجایی مرکز جرم بام و برش پایه نمایش داده میشود. نیروهاي داخلی و همچنین تغییر شکلهاي اعضا در هر مرحله نظیر تغییر مکان هدف و یا تغییر مکان قبل از فروریزي با ظرفیت آنها مقایسه میگردد .[7] تغییر مکان هدف طبق نشریه 360 به صورت رابطهي (1) محاسبه میشود.
1-3 الگوي بارگذاري
بر اساس ضوابط "دستورالعمل بهسازي لرزه اي ساختمانهاي موجود" براي بررسی اثر همزمان بارهاي ثقلی و زلزله باید در هنگام اعمال نیروهاي جانبی، مقداري از بار محتمل ثقلی نیز روي سازه قرار داده میشود. با توجه به اینکه پس از نصب جرثقیل در سوله ، جرثقیل به صورت دائم نصب باقی خواهد ماند، پس با بار جرثقیل همانند بار مرده رفتار خواهد شد. همچنین به علت عدم وجود بار زنده، بار برف جایگزین خواهد شد و با بار برف همانند بار زنده رفتار میشود. لذا در ترکیب بارگذاري ثقلی و جانبی حد بالا و پایین اثرات بار ثقلی، QG باید از روابط زیر محاسبه شود:
Qdبار مرده،Qcrبار جرثقیل و Qsnow بار برف بر اساس استاندارد 519 میباشند. براي الگوي بارجانبی نیز چون(مدل هاي سوله یک طبقه میباشند، تفاوتی میان الگوهاي بار جانبی نخواهد بود.
2-3 منحنی ظرفیت
یکی از مهمترین نتایج تحلیل استاتیکی غیرخطی، نمودار برش پایه در مقابل تغییرمکان است، که منحنی ظرفیت سازه نامیده میشود. این منحنی، ظرفیت سازه را به نمایش میگذارد که با بررسی آن پارامترهاي مهمی از قبیل شکل پذیري، مقاومت افزون و زوال سختی استخراج میشود[8]، شکل 3 (الف).
3-3 ایدهآل سازي منحنی ظرفیت
منحنی ظرفیت سازه معمولا براي ساده سازي با یک منحنی دوخطی تقریب زده میشود، شکل 3 (ب). براي این کار طبق ضوابط دستورالعمل و نشریه360 به این نکات باید توجه داشت:[5]
-1 محل برخورد قسمت اول منحنی دوخطی با منحنی غیرخطی بایستی در 0.6Vy باشد. Vy برش پایه نظیر تسلیم سازه میباشد. -2 سطح زیر نمودار دو خطی و منحنی ظرفیت تا تغییر مکان هدف یکسان باشد.
شکل -3 (الف) تعیین پارامترهاي مؤثر در طراحی لرزه اي سازه ها با استفاده از منحنی پوشآور[9] (ب) نمایش دوخطی منحنی پوشآور[5]
که در این پژوهش براي ایدهآل سازي منحنی ظرفیت از نرمافزار Excel 2013 استفاده شده است. با استفاده از دوخطی سازي منحنی ظرفیت میتوان پارامترهاي مؤثر در طراحی لرزه اي از قبیل ضریب شکل پذیري، ضریب مقاومتافزون و ضریب رفتار را بدست آورد.
4-3 پارامترهاي لرزه اي مورد بررسی 1-4-3 ضریب شکل پذیري کلی سازه (μs)
ضریب شکل پذیري سازه هر قدر بزرگتر و مقاومت آن کاهش کمتري داشته باشد، قدرت جذب انرژي آن در حالت غیر ارتجاعی بیشتر بوده و رفتار مطلوبی خواهد داشت. به عبارت سادهتر شکل پذیري را میتوان قابلیت پذیرش تغییرمکانهاي زیاد ساختمان بدون فرو ریختن آن تعریف کرد.
با ایدهآل سازي منحنی رفتار کلی سازه به منحنی ارتجاعی – خمیري (الاستیک - پلاستیک) کامل، ضریب شکل پذیري کلی سازه به صورت خارج قسمت حداکثر تغییرمکان جانبی به تغییرمکان جانبی نسبی تسلیم تعریف میشود :[8]
لازم به ذکر است که معمولا شکل پذیري کلی متأثر از سطوح عملکردي را شکل پذیري ظرفیت میگویند.
