بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي تأثير ميراگرهاي تسليمي ADAS بر نيازهاي لرزه اي سازه ها
خلاصه
تجارب حاصل از زلزله هاي مخربي که در سال هاي اخير در کشور روي داده است نشان مي دهد که ساختمان هاي موجود، آسيب پذيري زيادي از خود نشان مي دهند. براي مقابله با زلزله ، سطوح خاصي از مشخصه هاي اصلي ساختمان مورد نياز است که به نياز سختي ، نياز مقاومت و نياز شکل پذيري معروف هستند. نيازهاي لرزه اي ، عمدتاً به سطوح مختلف زلزله و سطح عملکرد مورد انتظار بستگي دارند. اگر تمامي نيازهاي اعضاي ساختمان از ظرفيت هاي متناظر کمتر باشد، اهداف طراحي لرزه اي مربوطه محقق خواهد شد. يکي از مؤثرترين روش ها براي استهلاک انرژي ورودي زلزله و کاهش نيازهاي لرزه اي ، استفاده از تغيير شکل هاي غير الاستيک ورق هاي فولادي در ميراگرهاي تسليمي افزاينده ميرايي و سختي (Added Damping and Stiffness-ADAS) مي باشد. بر پايه اين روش ، عمل تخريب به جاي سازه بر روي قطعه اي از پيش تعيين شده رخ مي دهد که بعد از بارگذاري قابل تعويض است . هدف از اين تحقيق ، بررسي تأثير ميراگرهاي ADAS بر نيازهاي لرزه اي قاب هاي خمشي فولادي است . در اين مقاله از ميراگرهاي مثلثي شکل (-Triangular plate Added Damping and Stiffness TADAS) در پنج نمونه قاب خمشي فولادي استفاده مي شود. در اين رابطه ميراگرهاي لازم متناسب با سختي طبقات طراحي شده و عملکرد قاب هاي نمونه به کمک تحليل ديناميکي غير خطي مورد ارزيابي قرار مي گيرد. در اثر نصب ميراگرها، پارامترهايي نظير تغيير مکان جانبي نسبي و مطلق طبقات و همچنين نيروهاي داخلي اعضاي سازه اي ، به صورت قابل ملاحظه اي کاهش افته و شکل پذيري قاب ها افزايش مي يابد.
کلمات کليدي: ميراگر تسليمي، نيازهاي لرزه اي، استهلاک انرژي ، قاب فولادي، تحليل غيرخطي
١. مقدمه
يکي از روش هاي کنترل لرزه اي سازه ها به منظور کاهش تحريک ورودي ناشي از زلزله ، روش کنترل غير فعال (انفعالي يا پاسيو) مي باشد. در اين روش ، از ميراگرهايي استفاده مي شود که با مکانيزم هاي متفاوت ، درصدي از انرژي وارده به ساختمان را جذب و مستهلک مي کنند. در حقيقت ، با افزودن اين سيستم ها به سازه ، انرژي وارده تحت اثر زلزله به سوي اين تجهيزات هدايت مي شود تا اين انرژي طي مکانيسم هايي در اين تجهيزات مستهلک شود. بدين ترتيب از استهلاک انرژي توسط اعضاي سازه اي و به تبع آن از تشکيل مفاصل پلاستيک و نهايتاً از گسيختگي اعضاي سازه اي جلوگيري به عمل مي آيد[١].
در سيستم هاي غير فعال ، اثر ميرايي بدون اعمال انرژي خارجي بر روي سيستم ميراگر حاصل مي گردد و عملکرد اين وسايل به واسطه حرکت ناشي از زلزله صورت مي گيرد که رفتاري در جهت استهلاک انرژي از خود نشان مي دهند[١]. اين ابزارها بعد از يک زلزله قوي در دسترس بوده و در صورت لزوم تعويض مي شوند. با توجه به لرزه خيزي غالب نقاط پرجمعيت کشور و مطلوب نبودن شرايط ساخت و ساز اکثر ساختمان هاي موجود، مقاوم سازي سازه ها ضرورتي است که بايد به آن پرداخته شود. در اين رابطه استفاده از مفهوم کنترل سازه ها و به کارگيري قطعات مستهلک کننده انرژي ، يکي از ساده ترين روش ها در جهت مقاوم سازي سازه هاي موجود است [٢]. هدف از اين مقاله ، بررسي تأثير ميراگرهاي مثلثي شکل (TADAS) ، به عنوان يک روش مؤثر کنترل غيرفعال ، بر نيازهاي لرزه اي قاب هاي خمشي فولادي مي باشد.
٢. ميراگرهاي تسليمي ADAS
اين ميراگرها که از جمله سيستم هاي غير فعال اتلاف انرژي وابسته به تغيير مکان مي باشند المان هاي افزاينده ميرايي و سختي در سازه ها بوده که مختصراً Added Damping and Stiffness( ADAS) ناميده مي شوند. اين وسايل شامل صفحه هايي فولادي به شکل تقريبي XADAS( X) و يا مثلثي شکل (Triangular plate Added Damping and Stiffness-TADAS)مي با ند که به صورت موازي و به تعداد مورد نياز در کنار هم قرار مي گيرند. اين نوع ميراگرها عموماً در زير تير طبقه و در انتهاي مهاربندهاي جناقي به گونه اي در قاب تعبيه مي گردند که تغيير مکان نسبي طبقات ، موجب حرکت قسمت فوقاني وسيله ، نسبت به پايين آن مي شود. در شکل (١)، انواع ميراگرهاي X شکل و مثلثي شکل ADAS و نحوه قرارگيري آن ها در قاب ها نشان داده شده است [٣].
شکل ١ - انواع ميراگرهاي ADAS و نحوه قرارگيري آن ها در قاب ها
اساس ميراگر ADAS بر جاري شدن مصالح و تغيير شکل پلاستيک صفحات فولادي مي باشد. شکل ميراگر به نحوي در نظر گرفته شده است که با قرار دادن مرزهاي صلب در دو انتهاي فوقاني و تحتاني ميراگر، جاري شدن فلز در هنگام بارگذاري جانبي رخ دهد. در اين سيستم ، حرکت نسبي طبقات نسبت به يکديگر موجب حرکت نسبي ورقه بالايي ميراگر نسبت به ورقه پاييني آن مي گردد. اين عمل موجب جاري شدن تعداد زيادي از ورقه هاي فلزي جايگذاري شده در وسيله مي گردد و اين جاري شدن خود موجب مستهلک نمودن مقدار زيادي از انرژي مي شود. شکل (٢)، عملکرد اين ميراگر را در هنگام بارگذاري جانبي نشان مي دهد[٣].
شکل ٢ - عملکرد ميراگر ADAS در هنگام بارگذاري جانبي
آزمون هاي مختلف بر روي قطعات ADAS و قاب هايي که در آن ها از اين قطعات استفاده شده ، نشان مي دهد که اين قطعات براي جذب انرژي بسيار قابل اطمينان اند. براساس تحقيقات آزمايشگاهي انجام شده ، اين قطعات رفتار هيسترتيک پايداري در تغييرمکان هاي حدود y∆١٤ (y∆، تغييرمکان تسليم قطعه ) يا حتي بالاتر از خود نشان مي دهند و براي ساختمان هايي که در منطقه با خطر لرزه اي نسبي بالا قرار دارند بسيار مناسب اند.
همچنين بهترين تغييرشکل نسبي که در آن بيشترين جذب انرژي توسط اين قطعات صورت مي گيرد مطابق نتايج آزمايشگاهي حدود (٢-٤)% است [٢].
يک سيستم ADAS عبارت است از قطعه ADAS و بادبندي هشتي که لازمه آن است . يک قاب ADAS نيز از يک قاب به همراه سيستم ADAS تشکيل شده است . سختي افقي سيستم Ka( ADAS)، تابع سختي بادبندي ها (Kb) و سختي قطعه Kd( ADAS) مي باشد به طوري که مي توان Ka را از رابطه (١) محاسبه نمود[٢].
اگر نسبت (B D ) مخفف نسبت (Kb Kd) باشد در اين صورت [٣]:
ضريب SR نيز عبارت است از نسبت سختي افقي سيستم Ka( ADAS) به سختي طبقه ساختمان بدون کارگذاري المان Ks( ADAS)[٣]:
مي توان روابط بين پارامترهاي داخلي المان ADAS را به صورت زير نمايش داد[٣]:
که در آن y) و Py به ترتيب تغييرمکان و مقاومت تسليم المان ADAS مي باشند. در رابطه (٤)، ضريب تغييرمکان تسليم (y))، بيانگر سختي قطعه Kd( ADAS) مي باشد. يعني :
در خصوص ميراگرهاي مثلثي شکل TADAS، همانگونه که در شکل (٣) ملاحظه مي شود، هنگامي که يک تغيير مکان محدود به رأس يک المان مثلثي TADAS به صورت عمود بر صفحه اعمال شود، در حالتي که از تغييرشکل برشي صرف نظر گردد، سختي الاستيک جانبي قطعه TADAS از رابطه (٦) به دست مي آيد[٢].
شکل ٣ - رفتار پايه يک المان مثلثي TADAS تحت بار عمود بر صفحه
که در آن E مدول يانگ ، N تعداد صفحات مثلثي ، t ضخامت ورق ، b عرض پايه و h ارتفاع ورق مثلثي مي باشد.
مقاومت تسليم (Py)و تغييرمکان تسليم المان y( TADAS∆) نيز از روابط زير به دست مي آيند[٢].
که در آن Fy تنش تسليم کششي است . تغييرمکان تسليم (y)) توصيه شده براي المان ADAS در محدوده H٠٠٠١٤ – ٠.٠٠٢ است که H ارتفاع طبقه مي باشد[٤]. مطالعات پژوهشگران نشان مي دهد که نسبت (B D ) تأثير بسيار کمي بر رفتار سازه دارد و عملاً نسبت هاي بزرگتر از ٢ تغيير چنداني در رفتار سازه اعمال نمي کند. از طرفي ، نسبت هاي بزرگتر (B D ) غير اقتصادي نيز خواهد بود، زيرا لازم مي شود که بادبندهاي قوي تري براي نگهداري و جاري نمودن المان ADAS طراحي و نصب گردد. از اين رو نسبتي حدود ٢ براي (B D ) پيشنهاد مي شود[٣].
٣. معرفي مدل تحليلي
در اين مقاله ، سازه قاب خمشي (MRF) و سازه قاب مجهز به ميراگرهاي مثلثي شکل (TADAS Frame-TDSF) مورد بررسي قرار گرفته و با يکديگر مقايسه شده اند. براي انجام اين تحقيق از پنج مدل ساختمان فولادي ٣، ٥، ٧، ١٠ و ١٢ طبقه به عنوان نمونه هاي متعارفي از ساختمان هاي ساخته شده در کشور استفاده شده است . به منظور حذف وابستگي جواب ها به شکل پلان ، در تمامي حالات ، پلان ساختمان مورد نظر ثابت فرض شده است .
همچنين فرضيات به کار رفته در طراحي آن ها به صورت يکسان انتخاب گرديده است تا نتايج تحليل ها هر چه بيشتر قابل قياس باشند. پلان ساختمان و نمايي از قاب هاي مورد بررسي در شکل (٤) نشان داده شده است .
شکل ٤ - پلان عمومي ساختمان و نماي قاب هاي مورد بررسي مجهز به ميراگرهاي TADAS
