بخشی از مقاله
بررسي پايداري گنبدهاي دو لايه فضاکار تحت اثر بار باد
خلاصه
مي توان از سازه هاي فضاکار براي پوشش فضاهاي وسيع استفاده کرد که از اين ميان گنبدهاي دولايه کاربردهاي گسترده اي دارند. اين سيستم ها به علت تعداد زياد اعضا و درجه نامعيني بالا، داراي سختي زيادي هستند؛ مخصوصاً در سيستم هاي گنبدي، بعلت وجود انحناي هندسي، سختي بسيار زياد مي شود. با توجه به سبکي اين سازه ها و سطح وسيع بارگيرشان ، تاثير بار باد و بويژه اثر مکشي آن در بخش عمده اي از سطح گنبد، بر رفتار خرابي گنبدهاي دولايه فضاکار تعيين کننده است . لذا بررسي رفتار ناپايداري اين سازه ها تحت اثر بار باد حائز اهميت مي باشد. در اين مقاله رفتار خرابي يک گنبد دولايه فضاکار با اعضاي لوله اي و لاغريهاي متداول ، با اتصالات مفصلي تحت اثر ترکيب بارهاي ثقلي و بار باد بررسي شده است . در بررسي رفتار سازه ، اثرات غير خطي هاي هندسي و مصالح در نظر گرفته شده و روند گسترش خرابي در اين گونه سازه ها تحت اثر بار باد تعيين و اثر مکشي بار باد بر روي عکس العمل هاي تکيه گاهي بررسي شده است .
کلمات کليدي : باد، پايداري، گنبد ، فضاکار، المان محدود
١. مقدمه
از انواع سازه هاي فضاکار، گنبدهاي شبکه اي دو لايه مي باشند که به دليل سبکي و در عين حال سختي بالايشان ، ميتوانند براي پوشش سطوح بزرگ استفاده شوند. از مزاياي اين سازه ها وزن کم ، سختي بالا، راحتي حمل و نقل ، راحتي نصب و زيبايي جنبه معماري آنها مي باشد. به خاطر سبکي و بزرگ بودن سطوحي که با اين نوع سازه ها پوشانده ميشوند، بار باد معمولاً در طراحي اين سازه ها تعيين کننده مي باشد.
در اين تحقيق رفتار خرابي سه مدل گنبد دولايه فضاکار با سه نسبت مختلف عمق به دهانه با اعضاي لوله اي و لاغريهاي متداول تحت اثر ترکيب بارهاي ثقلي و بار باد مورد بررسي قرار گرفته است . فرکانس طبيعي سازه با استفاده از نرم افزار المان محدود ABAQUS براي مدل h١٢ برابر با cycle.sec ٢,٥١ محاسبه شده و به عبارتي زمان تناوب ارتعاشات طبيعي آن برابر با ٠,٤٠ ثانيه مي باشد بنابراين با توجه به پايين بودن زمان تناوب ارتعاشات طبيعي از روش تحليل استاتيکي براي بار باد استفاده مي شود.
بعد از انجام تحليل هاي استاتيکي غيرخطي روي مدل سازه اي مورد نظر، رفتار بار- تغييرمکان آن تحت اثر ترکيب بارهاي ثقلي و باد به ازاي پارامتر مهم و مؤثر نسبت عمق به دهانه تعيين و تأثير مقادير مختلف اين پارامتر روي رفتار پايداري سيستم بررسي شده است . همچنين انواع خرابي ممکن در اين بافتار معرفي شده و در نهايت توصيه هاي طراحي براي دستيابي به رفتار مطلوب در بافتار مورد مطالعه ارائه شده است .
براي اعمال بارها، نيروي وارد بر سطح خارجي سازه (با فرض پوشيده بودن سازه ) محاسبه شده و با توجه به چشمه باربر هر گره نيروي متناظر با آن محاسبه شده است . براي بررسي رفتار خرابي سازه ، بار مرده و وزن سازه به عنوان بار ثابت بر روي مدلها در نظر گرفته شده و بار باد افزايش يابنده تا مرحله خرابي کلي به سازه اعمال شده است . در بررسي رفتار سازه اثرات غير خطي هندسي و غير خطي مصالح در نظر گرفته شده و در نهايت رفتار پايداري و روند گسترش خرابي در اين گونه سازه ها تحت اثر بار باد تعيين شده است . براي انجام تحليل ها از روش طول کمان استفاده شده است .
نرم افزار استفاده شده براي مدلسازي ها، نرم افزار المان محدود ABAQUS مي باشد.
٢. رفتار عضو فشاري
رفتار کلي گنبدهاي مشبک دولايه وابسته به رفتار اجزاي تشکيل دهندة آن است . در سازه هاي فضاکار دولايه ، اعضاي سازه اساساً تحت نيروهاي محوري قرار گرفته و امکان خرابي عضو در اثر تسليم در کشش و يا کمانش در فشار وجود دارد. در صورت خرابي عضوي از سازه ، رفتار عضو مزبور از مشخصه هاي پس بحراني آن پيروي خواهد کرد؛ بنابراين در صورتيکه رفتار اعضاي کششي و فشاري پس از رسيدن به بار بحراني مشخص شود، مي توان سازه اي را که عضو يا اعضايي از آن خراب شده است ، مورد تحليل قرار داده و انجام تحليل را تا مرحلۀ خرابي کلي سازه ادامه داده و در نهايت بيشترين باري را که سازه پيش از خرابي کلي مي تواند تحمل نمايد، تعيين نمود. شکل ١ رفتار محوري عضو را نشان مي دهد،که py نيروي کششي در آستانه تسليم و pcr نيروي بحراني فشاري در آستانه کمانش عضو است که مطابق معادلات ISO محاسبه مي شود.αبه لاغري بستگي دارد و به صورت پيش فرض از رابطه L٠٠٠٤+٠٠٣ = α محاسبه مي شود.
D
٣. مشخصات هندسي مدل ها
گنبدهايي که در اين تحقيق مورد تحليل قرار گرفته اند، از نوع گنبدهاي دو لايه با بافتار ديامتيک ، داراي شش قاچ مشابه ، با دهانه ٦٠ متر مي باشند. در اين مطالعه سه مدل h١٢ ، h٧ و h٤ به ترتيب با نسبت هاي عمق به دهانه ٠.٢٠=١٢.٦٠ ، ٠.١٢=٧.٦٠ و ٠.٠٧=٤.٦٠ مدلسازي ، طراحي و رفتار خرابي اين سه مدل تحت اثر بار باد بررسي شده است . همه مدل ها داراي ١٠٢٦ عضو، ٢٥٣ گره (اتصال ) و ٣٦ گره تکيه گاهي مي باشند. باتوجه به لاغري، دسته بندي اعضا مطابق شکل ٢ صورت گرفته است .
٤. طراحي مدلها
طراحي اعضا بر اساس ضوابط آيين نامه AISC به روش تنش مجاز و بارگذاريها مطابق آيين نامه بارگذاري ايران (استاندارد ٥١٩) صورت گرفته است :
شکل ١- پاسخ محوري عضو .
شکل ٢- مشخصات مدلها و دسته بندي اعضا
بار طراحي برف بر اساس آيين نامه حداقل بار وارده بر ساختمانها و ابنيه فني ايران (استاندارد ٥١٩) محاسبه شده است . مطابق آيين نامه بار برف مبنا براي مناطق سردسير و برابر با ١٥٠ دکا نيوتون بر متر مربع فرض شده است . بار طراحي باد بر اساس آيين نامه ١-Eurocode محاسبه شده است . در جدول ١ نتايج طراحي بر اساس مقاطع لوله اي پروفيلهاي استاندارد کشور آلمان قابل مشاهده است .
جدول ١- مشخصات مقاطع طراحي شده مدل ها
جدو ٢- مقايسه مشخصات کل مدلها
همه مدلها از نوع گنبدهاي دولايه ديا متيک و داراي ٦ قاچ مشابه و دهانه ٦٠ متر مي باشند.
٥. مقايسه رفتار پايداري و نحوه گسترش خرابي مدلها تحت اثر بار باد
در مدل h١٢: ١٠ عضو،که همگي متعلق به لايه بالا و گروه ١-up مي باشند کمانش کرده و در لحظه اي که شدت بار باد ٦,٧٨ برابر بار آيين نامه است (٦٧٨=LPF) در اثر ناپايداري گرهي تحليل متوقف ميشود. در شکل ٣ کانتور کرنش گنبد مدل h١٢ به همراه موقعيت خرابي ها (اعضاي کمانش
يافته ) نشان داده شده است . در شکل ٦ نيز کانتور تغيير مکان مدل h١٢ قابل مشاهده است . حداکثر تغيير مکان برابر با ١٩ سانتيمتر است .
شکل ٣- موقعيت اعضاي کمانش يافته و کانتور کرنشها تحت بار باد براي مدل h١٢ در آستانه خرابي
در مدل h٧ : ١٦ عضو از لايه بالا و شبکه مياني در نزديکي تکيه گاه کمانش مي کنند که به گروههاي ١-UP و ٥-W تعلق دارند. در اثر ناپايداري گرهي در٦٩=LPF تحليل متوقف مي شود. کمانش از اعضاي شبکه مياني (اعضاي ٢١٠٤ و ٢٢٨٦) در لحظه اي که شدت بار باد ٥,٩٧ برابر بار آيين نامه است ٥٩٧=LPF ) شروع مي شود. در شکل ٤ کانتور کرنش گنبد مدل h٧ ، به همراه موقعيت خرابي ها (اعضاي کمانش يافته ) نشان
داده شده است . شکل ٧ نيز کانتور تغيير مکان مدل h٧ را نشان ميدهد. مطابق شکل حداکثر تغيير مکان برابر با ١٢,٣ سانتيمتر است .
شکل ٤- موقعيت اعضاي کمانش يافته و کانتور کرنشها تحت بار باد براي مدل h٧ در آستانه خرابي
در مدل h٤ : نخست در ١٧٩=LPF در اثر کمانش گروهي و ناپايداري گروهي تحليل متوقف مي شود. اين مدل به گروه المان w٥ وابستگي بسيار دارد به طوري که با اختصاص مقطع pip١٠١٢٩ با ٢^cm٩=A در ٥٥٩=LPF با کمانش هاي متعدد در اعضاي گروه ١-up مشابه الگوي مدل h١٢ تحليل متوقف مي شود.(ناپايداري گرهي )
به منظور جلوگيري از ناپايداري و امکان همگرايي نرم افزار ، با اختصاص مقطع pip٧٦٢٦ با ٢^cm٦=A به گروه w٥ مشابه مدل h١٢ و تقويت جزئي ٦ عضو کمانشي مذکور، با کمانش ١٢ عضو ديگر به عبارتي با کمانش ١٨ عضو در ٤١=LPF در اثر ناپايداري تحليل متوقف ميشود.
در مدل h٤ فقط اعضاي شبکه مياني دچار کمانش مي شوند. در شکل ٥ کانتور کرنش گنبد مدل h٤ به همراه موقعيت خرابي ها (اعضاي کمانش يافته ) نشان داده شده است . شکل ٨ نيز کانتور تغيير مکان مدل h٤ را نشان مي دهد. حداکثر تغيير مکان مربوط به گره هاي متقارن ١٥١و٢١٣
بوده و برابر ١١,٢ سانتيمتر مي باشد. حد اکثر تغيير مکان رأس گنبد برابر ١٠,٢ سانتيمتر است .
شکل ٥- موقعيت اعضاي کمانش يافته و کانتور کرنشها تحت بار باد براي مدل h٤ در آستانه خرابي
شکل ٦- کانتور تغيير مکان برايند به مت (UT) مدل h١٢ تحت اثر بار باد در آستانه خرابي و موقعيت گره هاي داراي حداکثر تغييرمکان
شکل ٧- کانتور تغييرمکان برايند به مت (UT) مدل h٧ تحت اثر بار باد در آستانه خرابي و موقعيت گره هاي داراي حداکثر تغييرمکان
شکل ٨- کانتور تغيير مکان برايند به مت (UT) مدل h٤ تحت اثر بار باد در آستانه خرابي و موقعيت گره هاي داراي حداکثر تغييرمکان
در شکل ٩ نمودار ضريب بار-تغيير مکان حداکثر، مربوط به هرسه مدل ، همراه با تغييرمکان رأس گنبد مقايسه شده است . از اين نمودار و
مقايسه شکل هاي ٣ تا ٨ و بررسيهاي انجام گرفته ميتوان به نتايج زير دست يافت :
١. ظرفيت باربري سازه در مدل h٧ با نسبت عمق به دهانه متوسط از دو مدل ديگر بيشتر است .
٢. مدل h٤ با کمترين نسبت عمق به دهانه ، داراي کمترين ظرفيت باربري نسبت به دو مدل ديگر و تقريباً نصف مدل h٧ است .
٣. با افزايش نسبت عمق به دهانه ، شکل پذيري سازه افزايش يافته است .
٤. سختي اوليه مدلهاي h٧ و h١٢ تحت اثر بار باد تقريباً برابر و سختي اوليه مدل h٤ تحت اثر بار باد خيلي کمتر از دو مدل ديگر است .
٥. تحت اثر بار باد در اعضاي نزديک به تکيه گاه کمانش روي ميدهد ولي تحت اثر بارهاي ثقلي خرابيها عمدتاً در رأس گنبد اتفاق مي افتد.
٦. در هرسه مدل تغييرشکل غالب در جهت قائم است .
