بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی اثر میراگرهاي TADAS در رفتار لرزه اي سازه هاي فولادي
چکیده :
در سالهاي اخیر تلاشهاي جدي به منظور توسعه مفهوم اتلاف انرژي به عنوان یک تکنولوژي کاربردي جهـت مقابلـه بـا زلزلـه صـورت گرفتـه اسـت . اسـاس روشهاي تحلیل و طراحی امروزي بر مقاومت در برابر بارهاي جانبی استوار می باشد . از دیدگاه انرژي نیاز به بازنگري در روشهاي فعلی تحلیل و طراحی ضروري می باشد به نحوي که مهندس طراح بایستی توجه خود را بر مدیریت انرژي ورودي به سازه در اثر زمینلرزه متمرکز نماید . سیستم هاي غیر فعال اتلاف انـرژي کـه میراگر فلزي TADAS به عنوان یکی از انواع این سیستم ها می باشد ، امروزه موردتوجه فراوان قرار گرفته اند . استفاده از این سیستم هـا باعـث تمرکـز اتـلاف انرژي در میراگرها شده و در نهایت تقاضاي اتلاف انرژي در اعضاي اصلی سازه (تیرها ، ستون ها و مهاربندها) کاهش می یابد . در این مقالـه رفتـار سیـستم قـاب خمشی فولادي متوسط در برابر زلزله و سیستم قاب خمشی فولادي متوسط مجهز به میراگر TADAS از دیدگاه انرژي مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته اسـت . بدین منظور ابتدا سیستم قاب خمشی متوسط بر اساس ضوابط آئین نامه 2800 ایران طراحی شده اند . سپس این سیستم ها با استفاده از نرم افزار DRAIN-2DX تحت زمینلرزه هاي Elcentro ، Hachinohe ، san Fernando و Taft به صورت غیر خطی آنالیز شده اند . نتایج نشان میدهد کـه بـا اسـتفاده از ایـن میراگرها می توان اتلاف انرژي رادرآنها متمرکز نمود و سهم سایر اعضاي سازه اي از اتلاف انرژي را به حداقل رساند .
کلیدواژه ها:اتلاف انرژي،کنترل غیرفعال،میراگرفلزي،تحلیل دینامیکی غیرخطی،مفصل پلاستیک
1مقد-مه :
به طورکلّی سیستم هاي مقاوم در برابر زلزله را می توان به دو دسته تقسیم نمود ، الف) سیستم هاي متداول ، ب) سیستم هاي مدرن .
اساس روش طراحی سیستم هاي متداول مقاوم در برابر زلزله بر مقاومت در برابر بارهاي جانبی استوار می باشد ، بـدین صـورت کـه در زمینلرزه هاي کوچک و متوسط با تأمین سختی و مقاومـت لازم در سـازه ، باعـث کنتـرل تغییـر مکـان جـانبی و جلـوگیري از تخریـب اعضاي سازه اي و غیر سازه اي شده و در زمینلرزه هاي شدید با ایجاد شکل پذیري و جذب انـرژي مناسـب توسـط اعـضاي سـازه اي ، مانع از فرو ریختن سازه شویم .
انواع مختلف سیستم هاي متداول مقاوم در برابر زلزله عبارتند از : سیستم مهاربندي جانبی ، سیستم دیواربرشی ، سیـستم قـاب مقـاوم خمشی و سیستم دو گانه . جهت طراحی سیستم هاي مدرن ، براي یک طرح مقاوم لرزه اي مناسب ابتـدا بایـد سـعی در حـداقل نمـودن مقدار انرژي هیسترتیک تلف شده در اعضاي اصلی سازه نمود .
دو دیدگاه مهم جهت رسیدن به این هدف وجود دارد . اولین دیدگاه شـامل طـرح هـایی اسـت کـه در آن سـعی در کـاهش انـرژي ورودي به سازه داریم که به عنوان مثال سیستم هاي جداسازي پایه از آن جمله اند . دومین دیدگاه بر روي مکانیزمهاي اتلاف انرژي در خودسازه متمرکز است . براي این منظور از یک سري تجهیزات استفاده می نماییم . این تجهیزات بـه گونـه اي طراحـی مـی شـوند کـه بخشی از انرژي ورودي به سازه را تلف می نمایند و در نتیجـه خـسارت وارده بـه سـازه اصـلی کـه ناشـی از اتـلاف انـرژي بـه صـورت هیسترتیک می باشد ، کاهش می یابد . انواع سیستم هاي مدرن مقاوم در برابر زلزلـه عبارتنـد از : -1 سیـستمهاي جداسـازي پایـه اي -2
سیستمهاي فعال و نیمه فعال -3 سیستمهاي منفعل . [4]
از میان سیستم هاي منفعل اتلاف انرژي ، میراگرهاي فلزي به دلیل عدم نیاز به تکنولـوژي پیچیـده جهـت سـاخت ، عملـی تـر بـودن کاربرد آنها در سازه ، رفتار پایدار در برابر زلزله و دخیل نبودن عوامل محیطی (درجه حرارت ، رطوبت و ...) در رفتار مکـانیکی آنهـا ،
١
اهمیزت خاصی برخوردارند . این میراگرها باعث افزایش میرایی و سختی در سیستم سازه اي شده ظرفیوت اتـلاف انـرژي را افـزایش میدهند .
افزودن میراگرهاي فلزي به سازه باعث تمرکز اتلاف انرژي در میراگرها می شود که پس از وقـوع زلزلـه مـی تـوان میراگرهـا را بـه راحتی تعویض نمود و جهت مقابله با زلزله هاي بعدي مقاوم نمود . [4] این قطعات انرژي ورودي به سازه را به انرژي کرنش پلاسـتیک یا انرژي هیسترتیک تبدیل می کنند . این انرژي غیرقابل برگشت است و در سازه تلف می شود . [5]
میراگر TADAS از جمله میراگرهاي فلزي اند که داراي پشتوانه تحقیقاتی تئوري و آزمایشگاهی بوده و به خاطر سهولت اجرایـی و کاهش هزینه هاي تقویت لرزه اي و افزایش توان لرزه اي سازه ها می تواند به عنوان شیوه اي براي تقویت لرزه اي سازه هاي ضـعیف استفاده گردد . سیستم TADASمعمولاً به عنوان بخشی از عضو بادبندي طراحی می شود و به گونه اي نصب می شود که تغییر مکان طبقه باعث ایجاد تغییر مکان نسبی در دستگاه شود . استهلاك انرژي در این سیستم از طریق تغییـر شـکل خمیـري ورقهـاي فـولادي در خمش انجام می شود . [5]
محل نصب این المانها در ساختمان هامعمولاً در محلاتّصال مهاربندهاي شورون(مهاربندهاي 7یا(8 بین انتهاي مهاربنـد و تیـر طبقـه است .
-2 فرمولاسیون انرژي :
رابطه انرژي یک سیستم یک درجه آزاد که تحت تأثیر حرکت افقی زمین قرار گرفته است توسط معادله (1) بیان می گردد . [4] EK ED ES E I (1)
که در آن :
عبارات سمت چپ معادله (1) نشان دهنده : EK انرژي جنبشی نسبی جرم ، : ED انرژي تلف شده به علت میرایی ذاتی داخلی سازه و
: ES انرژي کرنشی الاستیک می باشد . مجموع این انرژي ها می بایست با انرژي ورودي به سازه ناشی از یـک رویـداد لـرزه اي (EI)
در حال تعادل باشد . در سازه هاي طراحی شده با آیین نامه هاي متداول در هنگام وقوع یـک زلزلـه قـوي سـازه از محـدوده الاسـتیک
خارج می شود . در چنین حالتی انرژي ورودي ناشی از زلزله (EI) از ظرفیت ذخیره اي و اتلافـی انـرژي در سـازه کـه مکـانیزم آنهـا بـا معادلات (2) ، (3) و (4) مشخص شده است ، فراتر می رود . به محض اینکه انرژي ورودي زمینلرزه ازظرفیت هاي اشـاره شـده بـالاتر رفت ، اجزا سازهعموماً دچار تسلیم و یا ترك خوردگی می شوند . در اینوضعیت سختی ثابت نیست و نیروي فنر غیر خطی می شود که بایستی با رابطه عمومی تري مثل fs(x) جایگزین شود تا اثرات هیسترتیک را لحاظ نماید . در حالتکلّی ، معادله (4) براي پاسـخ غیرالاستیک چنین بازنویسی می شود :
ES ∫ fs ( x)dx ES e ES P (6)
که در آن ES به بخشهاي ESe و ESP که به ترتیب بیانگر انرژي کرنشی الاستیک قابل برگشت و انـرژي کرنـشی پلاسـتیک تلـف شده ، تقسیم می شود . معادله دیفرانسیل حاکم بـر یـک سیـستم (SDOF) بـا میراگـر منفعـل مطـابق رابطـه (7) مـی باشـد کـه در آن
m نشان دهنده جرم میراگر منفعل بوده و علامت Γ نشان دهنده یک عملگر انتگرال – دیفرانسیلی است ، به طوري که نیروي متناظر
٢
با میراگر منفعل به شکل سادة Γxنوشته می شود . استفاده از این عملگر این اجازه را به ما می دهد که مشخصات پاسخ عمومی شـامل جابجایی ، سرعت و سهم وابسته به شتاب را به خوبی دیگر اثرات ذاتی بیان نماییم
با انتگرال گیري از معادله (7) نسبت به x ، معادله تعادل انرژي چنین نوشته می شود :
که در آن انرژي مرتبط با میراگرهاي منفعل به صورت زیر می باشد
-3 طراحی و مدلسازي ساختمان ها
جهت مقایسه سیستمها ، یک ساختمان فلزي 8 طبقه در نظر گرفته شده است . ساختمان مورد نظر داراي پلان متقارن با دهانه هـاي 4
متر و ارتفاع طبقات 3 متر می باشد که در هر جهت از شش قاب با فواصل مساوي 4 متر تـشکیل شـده اسـت . بارگـذاري تمـام طبقـات مشابه می باشد . از این ساختمان یک قاب به صورت نمونه انتخاب شده و با استفاده از نرم افزار SAP 2000 و توجباه به ضوابط آیین نامه 2800 (ویرایش سوم) طراحی شده است . سپس میراگرهاي TADAS در سیستم قـاب خمـشی فـولادي متوسـط ذکـر شـده قـرار گرفته نهایتاًو هر دو سیستم با استفاده از نرم افزار DRAIN-2DX تحلیل دینامیکی غیر خطی شده است . به منظـور تحلیـل دینـامیکی
غیــر خطــی سیــستم هــاي مــورد مقایــسه زمینلــرزه هــاي(PGA=0,35g) Elcentro ،(PGA=0,19g) Hachinohe
،(PGA=1,17g) Sanfernando و (PGA = 0,18g) Taft انتخاب گردیده اند .
زمان تناوب مود اول سیستم ها در جدول (1) ارائه شده است . میراگر TADAS به صورت تیرمنشوري معادل مدلسازي شده اسـت
[1] و سایر پارامترهاي طراحی میراگر با استفاده از مراجع 1]و[3 انتخاب شده اند .
-4 نتایج تحلیل دینامیکی غیر خطی
-1-4 مقایسه سهم انرژي تلف شده در اعضاي سیستم هاي مختلف
سهم اعضاي سیستمهاي مختلف از انرژي ورودي تحت زمینلرزه هاي Elcentro و Hachinohe در شـکل هـاي (1) تـا (4) نـشان داده شده است . توجباه به این موضوع که کار الاستو – پلاستیک انجام شده به دلیل تغییر شکلهاي غیرالاستیک در اعضا رخ میدهـد ، از اینرو با بررسی کار الاستو – پلاستیک انجام شده در اعضاي مختلف می توان انرژي تلف شـده و در نتیجـه خـسارت ایجـاد شـده در انها را پیش بینی نمود.
الف) سهم انرژي تلف شده توسط نیروي میرایی ب) کار الاستو – پلاستیک
توجباه در شکلهاي (1) تا (4) ، مشاهده می شود که قسمت عمده کارالاستو - پلاستیک درمیراگرهاي TADAS انجام شده است .
-2-4 مفاصل پلاستیک ایجاد شده در سیستمهاي مختلف
به منظور برآورد خسارت وارده بر اعضاي ساختمانی و شناسایی محل هاي مستعد خسارت در حین زمینلرزه ، رفتـار غیـر خطـی سیـستم هاي مختلف تحت شتاب نگاشت هاي مختلف مورد بررسی قرار گرفته است . در جداول (2) و (3) درصد مفاصل پلاستیک بـه وجـود آمده در سیستم هاي مختلف تحت زمینلرزه هاي Elcentro با شتاب حداکثر PGA = 0,35g و Taft با شـتاب حـداکثر PGA = 0,18g ، نشان داده شده است دقّتبا در جداول مشاهده می شود که مفاصل پلاستیک به وجود آمده در اعـضاي سـازه اي (تیرهـا و ستونها) در سیستمهاي مجهز به میراگرهاي TADAS به میزان چشمگیري کاهش یافته است .
