بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی رفتار لرزه اي بادبندهاي زانویی فولادي در تقویت قاب هاي بتن آرمه
چکیده
تجربه زلزله هاي اخیر و مطالعات انجام شده حاکی از آن است که برخی از سازه هاي بتن مسلح موجـود بـا اینکـه مقاومت خوبی در برابر بارهاي ثقلی دارتد ، اما ممکن است در زمان وقـوع زلزلـه عملکـرد مناسـبی ازخـود نـشان ندهند.در سالهاي اخیر استفاده از بادبند فلزي در سازه هاي بتن آرمه جهـت مقـاوم سـازي سـاختمانهاي ضـعیف موجود و همچنین در طراحی لرزهاي ساختمانهاي جدید به عنوان یک عنصر مقاوم برشی در برابر زلزله مطرح شده است. استفاده از بادبند فولادي با اتصال مستقیم بدلایل متعدد از جمله مسائل اقتصادي، اجراي آسان، امکان ایمـن سازي و تقویت سازه هاي بتن مسلح ضعیف در برابر زلزله، مورد توجـه قـرار گرفتـه اسـت و یکـی از راهکارهـاي مناسب در این راستا استفاده از بادبند زانویی است. در این مقاله رفتار قاب بتنی تقویت شده با بادبند زانویی مـورد تحلیل استاتیکی غیرخطی قرار گرفته و سعی شده است با استفاده از روش طیف ظرفیت و شیوه اي جدیـد میـزان مناسب ضریب رفتار براي این سیستم برآورد گردد. پارامترهاي لرزهاي همانند ضریب کـاهش نیـرو در اثـر شـکل پذیري ( افزایش میرایی)، ضریب اضافه مقاومت و ضریب رفتار نهایی سیستم محاسبه شده و تأثیر ارتفاع قابهـا ، تعداد دهنه و سهم مقاومت جانبی سیستم بادبندي در پارامترهاي لرزه اي مورد بررسی قرار گرفته است.
واژه هاي کلیدي : قاب بتن مسلح ، بادبند زانویی ، ضریب رفتار ، طیف ظرفیت ، طیف نیاز
-1 مقدمه
سیستم بادبند زانویی( KBF) 1 مطابق شکل1 از دو جزء اصلی زانویی و قطري تشکیل شده است. عضو زانویی به تیر و ستون متصل شده وعضو قطري ازیک طرف به عضو زانویی و از طرف دیگر به محل اتصال تیر و ستون متصل می گردد . در این نوع بادبند عضوقطري تأمین کننده سختی سیستم است درحالیکه عضو زانویی با جاري شدن خود در زلزله هاي شدید شکل پذیري لازم را فراهم نموده و مانع کمانش عضو قطري می شود بدین طریق سختی و شکل پذیري تواماً براي سازه فراهم می گردد.[ 1 ] تحقیقات آزمایشگاهی 4]و3و[2 و بررسی هاي عددي 6] و [5
که تاکنون در مورد قابلیتهاي سیستم بادبند زانویی با اتصال مستقیم به قاب بتنی انجام گرفته، نشان دهنده رفتار مطلوب این سیستم بادبندي می باشد. اما در تحقیقات انجام شده به جنبه غیر خطی و رفتار لرزه اي آن کمتر پرداخته شده است و از آنجا که جهت استفاده مناسب از هر سیستمی نیاز به شناخت کامل رفتار آن بویژه در حوزه رفتار غیر خطی وجود دارد، در این تحقیق سعی شده است با توجه به جدید بودن سیستم و سکوت آیین نامه ها در این زمینه، پارامترهاي لرزهاي قابهاي مذکور با استفاده از روش طیف ظرفیت تعیین گردد و چگونگی تاثیر عوامل متغیر بر آنها بررسی شود.
-2 مشخصات بادبند زانویی
بالندرا [ 1 ] طی یکسري مطالعات عوامل مؤثر بر سختی جانبی قاب فولادي مهاربندي شده با بادبند زانویی را تابعی از مشخصات هندسی قاب و خواص اعضا دانست و طی تحقیقات خود به یک رابطه بی بعد براي سختی قاب دست یافت. خسروي و مفید [ 7 ] رفتار بادبند زانویی را در قاب هاي بتن آرمه بررسی کردند و آن را روشی مناسب براي تقویت این قابها تشخیص دادند. آنها رابطه بالندرا را براي بادبند زانویی فلزي در قاب بتن آرمه مطابق رابطه 1 اصلاح کردند. دراین رابطه ES و EC به ترتیب مدل الاستیسیته فولاد و بتن بوده و سایر پارامترها نیز در شکل 1مشخص شده اند.
رفتار بادبند زانویی تحت اثر مستقیم رفتار عضو زانویی است و با افزایش نسبت ممان اینرسی عضو زانویی به ممان اینرسی ستون، سختی قاب افزایش می یابد همچنین درتغییر شکل هاي کوچک و در مرحله الاستیک، سختی و تغییر مکان قاب ارتباط مستقیمی با سختی اعضاي قطري دارد بطوریکه افزایش مساحت عضو قطري سبب کاهش تغییر مکان قاب می شود .[ 8 ] موقعیت عضو زانویی نسبت به تیر وستون قاب تاثیر زیادي بر رفتار قاب مهاربندي شده دارد. طی مطالعات صورت گرفته بر روي قابهاي بتنی با بادبند زانویی مشخص گردید که در این قابها نیز همانند قابهاي فولادي مناسبترین هندسه بادبند زانویی زمانی است که باشد و همچنین امتداد عضو قطري از محل تقاطع تیر وستون بگذرد .[ 9 ]
-3 روش طیف ظرفیت
تحلیل طیف ظرفیت مانند دیگر روشهاي طراحی بر اساس عملکرد داراي دو جز پایهاي ظرفیت و نیاز است. ظرفیت بستگی به ویژگیهاي سازه مورد بررسی دارد و نیاز به پارامترهاي حرکت شدید زمین وابسته است. روش طیف ظرفیت بر مبناي تحلیل استاتیکی غیر خطی استوار است. با انجام تحلیل استاتیکی غیر خطی یک منحنی نیروـ تغییرمکان افزایشی براي هر یک از نقاط سازه حاصل می شود که معمولاً براي یک سازه ساختمانی منحنی برش پایه در برابر جابجایی بام تعیین می گردد که به آن اصطلاحاً منحنی ظرفیت1 گفته می شود .[10] گام بعدي استخراج منحنی نیاز لرزهاي سازه از روي منحنی نیاز الاستیک با توجه به وضعیت غیر ارتجاعی سازه می باشد. در
ناحیه پلاستیک به علت افزایش میرایی سازه که ناشی از میرایی هیسترزیس می باشد، نیاز لرزهاي کاهش می یابد . در روش طیف ظرفیت در هر مرحله بارگذاري براي تعیین منحنی ظرفیت ، مقدار میرایی سازه متناظر با آن محاسبه می شود که با استفاده از آن می توان مقدار کاهش نیروي زلزله طرح را مشخص نمود. پس از بدست آوردن منحنی ظرفیت نقطه اي بر روي منحنی ظرفیت تعیین می گردد که سازگار با جابجایی نیاز زلزله طرح باشد ، نقطه مذکور را نقطه عملکرد(pp) 2 می گویند.
-4 تهیه طیف هاي ظرفیت و نیاز در فرمت 3ADRS
براي انطباق منحنی هاي نیاز و ظرفیت باید این دو منحنی به یک فرمت مشترك تبدیل شوند فرمت مشترك انتخاب شده براي این دو منحنی، طیف پاسخ شتاب ـ جابجایی ( ( ADRS می باشد. براي تبدیل منحنی ظرفیت که به صورت برش پایه در مقابل جابجایی است به طیف ظرفیت در فرمت ADRS از روابطی که در [12] ATC40
آمده است، استفاده شده است. همچنین درتبدیل منحنی نیاز لرزهاي استاندارد که به صورت شتاب طیفی ( sa ) در برابر پریود (T) است به فرمت ADRS ، که به صورت شتاب طیفی (sa) در برابر تغییر مکان طیفی (sd) می باشد
از رابطه زیر استفاده می شود:
میرایی ویسکوز معادل که شامل میرایی ذاتی سازه و میرایی هیسترزیس می باشد از رابطه زیر بدست می آید
در رابطه فوق β0 میرایی هیسترتیکی است که به صورت ویسکوز معادل بیان می شود و κ ضریب کاهنده میرایی است که بر اساس توانایی سازه در استهلاك انرژي مشخص می شود. ED انرژي تلف شده در اثر میرایی هیسترتیک و Es 0 انرژي کرنشی ماکزیمم است. پس از تعیین نقطه عملکرد بر اساس مدارك [11] ATC40
و [12] FEMA273 ، میرایی معادل مؤثر نقطه عملکرد( ( βeff و ضرایب کاهش طیف نیاز متناظر با نقطه عملکرد محاسبه می شود و طیف نیازکاهش یافته ترسیم می گردد. سپس طیف طراحی تا حدي بزرگ می شودکه طیف کاهش یافته آن از نقطه عملکرد بگذرد. طیف حاصل، طیف طراحی معادل نقطه عملکرد سازه خواهد بود.
-5 برآورد پارامترهاي لرزهاي با استفاده از طیف ظرفیت ـ نیاز
ضریب رفتار سازه، ضریبی است که عملکرد غیر الاستیک سازه را در بر داشته و نشانگر مقاومت پنهان سازه در مرحله غیر الاستیک است. به همین دلیل مقاومت مورد نیاز سازه از تقسیم مقاومت مورد نیاز سازه در حالت کاملاً الاستیک بر ضریب فوق محاسبه می گردد. شکل 5 نماي کلی ترکیب عوامل مختلف را در پارامتر هاي لرزه اي نشان می دهد که چهار عامل مؤثر در آن عبارتند از:
ضریب کاهش تأثیر زلزله به علت افزایش پریود سازه می باشد که همان ضریب انعطاف پذیري سازه است و از نسبت برش پایه به وزن کل بر روي نیروي موجود در طیف نیاز متناظر با پریود اولیه سازه بدست می آید.
:( Rd ) ضریب کاهش نیرو در اثر شکل پذیري است و از افزایش میرایی ناشی می شود و می تواند ملاك شکل پذیري و انرژي پذیري سیستم باشد و از تقسیم نیروي متناظر با پریود اولیه سازه در منحنی نیاز بر نیروي نظیر نقطه عملکرد بدست می آید.
ضریب افزایش مقاومت است که بیانگر مقاومت ذخیره شده در سازه از حد اولین مفصل ایجاد شده در سازه تا حد جاري شدن آنها به دلیل عوامل مختلف است و برابر است با نیروي موجود در نقطه عملکرد به نیروي متناظر با اولین مفصل پلاستیک.
: ( Ry ) ضرایب بار می باشد که بر اساس نحوه برخوردآیین نامه ها با تنشهاي طراحی تعیین می شود و با نسبت نیروي موجود در اولین مفصل پلاستیک به نیروي خطی اعمال شده در طراحی سازه برابر است. لازم به ذکر است که اگر در طراحی از روش مقاومت نهایی استفاده شود، ضریب مذکور برابر واحد خواهد بود.
ضریب رفتار با حاصل ضرب اجزاء فوق به شکل زیر، ارائه می شود:
