بخشی از مقاله
بررسی سیستم هاي قاب خمشی خرپایی معمولی و ویژه و مقایسه با سیستم هاي
پیشنهادي جدید با خاصیت جلوگیري از خسارت
چکیده
بدلیل ایجاد دهانههاي بلند در برخی از ساختمانها از تیرهایی با طول زیاد استفاده میشود. مطالعات نشان داده است که استفاده از تیر ورقها در این دهانهها نه تنها اقتصادي نبوده بلکه باعث ضعف در عملکرد سازه میگردد، زیرا مفاصل پلاستیک بدلیل سختی بالاي تیرها در ستونها تشکیل شده و عملکرد سازه را در برابر زلزله نامطمئن میسازد. جهت اقتصاديتر شدن طرح و همچنین بهبود رفتار چنین سازههایی در برابر زلزله محققین تیرهاي خرپایی یا تیرهاي با جان باز را به جاي تیرهاي معمولی پیشنهاد نمودهاند. در این سیستم مفصل پلاستیک به ناحیهاي خاص داخل تیر خرپایی هدایت میگردد. موقعیت و مکانیزم استهلاك انرژي در مراجع مختلف متفاوت است. در این مقاله سعی بر این است که ضمن معرفی روشهاي موجود، به ارائه راهکارهاي جدیدي جهت بهبودرفتار تیر خرپایی پرداخته شود.
واژههاي کلیدي: قاب خمشی خرپایی ویژه، تشکیل مفاصل پلاستیک ، خاصیت جلوگیري از خسارت
.1 مقدمه
در بسیاري از ساختمانهاي تجاري و صنعتی فاصلهي ستونها زیاد است و به دلیل وجود دهانههاي بلند نیاز است که از تیرهاي قوي استفاده گردد و تیرهاي خرپایی بهینه تر و اقتصادي تر از تیر ورقها بوده و براي اتصال به ستونها به جزئیات ساده تري نیاز دارند، البته قابل ذکر است که جان باز این خرپاها امکان عبور تأسیسات ساختمانی را در این گونه سازهها امکان پذیر میسازد. بدلیل سختی زیاد این تیرها نسبت به ستونها مفاصل پلاستیک در این سازهها در ستونها تشکیل شده و شکل پذیري سازه را کاهش داده و سبب تخریب آنها میشود (شکل [1] .((2)
مطالعهي تجربی و تئوري گوئل1 و ایتانی2 نشان داد که در تیرهاي خرپایی معمولی به علت کمانش و شکست سریع اعضاي جان خرپا تحت بارهاي لرزهاي بیش از %70 سختی و مقاومت اولیه در سیکلهاي اولیه تغییر شکل به علت رفتار ترد سازه از بین میرود که باز هم سبب ایجاد رفتار نامناسبی براي این گونه سازهها میشود.2]و[3
پس از کمانش اعضاي فشاري در قاب خمشی خرپایی معمولی ، عضوهاي قطري کششی مجاور آنها یک نیروي نامتوازن در عضو افقی خرپا ایجاد کرده که سبب از بین رفتن مقاومت و ضعف در عملکرد خرپا میشود(شکل([4].((1
یک راهکار براي بهبود عملکرد تیرهاي خرپایی استفاده از ناحیهاي ویژه درآنها میباشد. ناحیهي ویژه، منطقهي ایجاد تغییر شکل پلاستیک و جذب انرژي در ناحیه میانی خرپا میباشد. در این ناحیه، برش حاصل از بار قائم اندك بوده و با قرار دادن اعضاي مورب ضعیفتر و یا حذف این اعضا می-
توان آن منطقه را مستعد تغییر شکلهاي غیر الاستیک و جذب انرژي زلزله ساخت. در قابهاي خرپایی مقاوم در برابر زلزله، میتوان تعدادي از دهانه-
هاي ویژه (قطريهاي ضربدري با اعضاي ضعیفتر) در طول دهانه خرپا قرار داد. با توجه به اینکه قرار است این اعضا تحت برش ناشی از نیروهاي جانبی قرار گیرند و پلاستیک شوند، نه تحت تأثیر برش ناشی از بارهاي ثقلی، بهترین مکان براي این دهانهها، در قسمت میانی دهانه خرپا است که برش حاصل از بارهاي ثقلیمعمولاً کوچک است. با افزایش بارهاي جانبی پس از کمانش قطريهاي ضربدري، مفاصل پلاستیک در یالهاي افقی خرپا در انتهاي قسمت میانی خرپا تشکیل میشود. شکل 4 براي هر دو حالت قاب خمشی خرپایی ویژه این مفاصل را بخوبی نشان میدهد.[1]
شکل : (1) نمایی از قاب خمشی با تیر خرپایی معمولی وکمانش اعضاي قطري در تیر خرپایی معمولی در اثر بارهاي هیسترسیس [5]
شکل : (2 ) تشکیل مفصل پلاستیک در ستون به دلیل سختی بالاي تیر خرپایی معمولی [5]
.2 مقایسهي قابهاي خمشی با تیر ورق و تیر خرپایی معمولی و تیر خرپایی ویژه :
در این سازههاي فولادي با تیر خرپایی معمولی(شکل (4 بارهاي ثقلی توسط این سیستم به راحتی تحمل شده و به خاطر کاهش وزن این سیستم نسبت به سیستم با تیر ورق طرح اقتصاديتر میشود.
شکل : (3 ) نمونهاي از قاب با تیر خرپایی معمولی (واران) در شکل نشان داده شده است [1]
آیین نامهي UBC ضریب رفتار قاب خمشی با تیر خرپایی معمولی را 6 و در شرایط خاصی که در محدودهي الاستیک ماندن اعضاي خرپا تضمین شود، 12 پیشنهاد میکند.[2]
علت اصلی ضعف این سازهها در دو عامل است -1 عدم شکل پذیري اتصالات تیر به ستون ، -2 طراحی الاستیک اعضا . آیین نامهي AISC دو راهکار براي رفع این نواقص پیشنهاد کرده است. -1 مقاوم سازي اتصالات بر اساس مقاومت و شکل پذیري مورد نیاز ، -2 ایجاد نواحی ضعیف در تیرها به منظور محدود کردن نیروي انتقالی به اتصالات . در اکثر مراجع ضعف در این ناحیه با حذف یا لاغر کردن اعضاي مورب در وسط تیر انجام شده است. یکی دیگر از دلایل انتخاب ناحیهي ویژه در وسط تیر وجود نیروي برشی ناچیز ناشی از بار ثقلی در این ناحیه بوده که پس از زلزله، سازه باز هم بتواند به خدمت رسانی خود ادامه داده و پایداري خود را حفظ کند.[6] این نواحی ویژه به صورت بازشوهاي شکل پذیر در وسط دهانهي تیر تعبیه شده یا به صورت قاب ویراندل (مستطیلی) و یا در صورت نیاز به مقاومت برشی بیشتر میتوان از اعضاي قطري لاغري در این ناحیه استفاده کرد.
شکل : (4) قاب خمشی خرپایی ویژه با مستطیل ویراندل در سمت راست و ناحیهي ویژه با اعضاي قطري x در جان در سمت چپ [5]
.3 تحلیل دینامیکی غیر خطی :
در اینجا دو نمونه قاب خمشی خرپایی ویژه و قاب خمشی ویژه با تیر ورق تحلیل دینامیکی غیر خطی شده و نتایج مقایسه گردیده اند. براي این تحلیل دینامیکی از سه زلزلهي El centro و Miyagi و Taft استفاده شده است. دلیل استفاده از این رکوردها نزدیک بودن کانون زلزله، در برداشتن
طیف وسیعی از بسامدها و دارا بودن بسامدهاي نایاب و طولانی بودن زمان زلزله میباشد. نتایج حاصل از این تحلیل دینامیکی بر روي این دو مدل سازه به طور خلاصه در جداول 1 تا 4 آمده است. نتایج نشان میدهد که در STMF1 ستونها در ناحیهي الاستیک باقی مانده ، به استثناي پاي ستون که در طی اعمال بار زلزله در آنجا مفصل پلاستیک تشکیل شده است. همچنین مفاصل پلاستیک در STMF در وسط دهانهها و در ناحیهي ویژه متمرکز شدهاند ، این نکته قابل توجه است که برش پایه براي زلزلههاي مختلف تغییر چندانی نمیکند و این بدلیل رسیدن اعضا به حالت تسلیم است. نتیجه آنکه به جزء در خمش پذیري ، قاب STMF داراي تغییر مکان جانبی ، تغییر مکان نسبی و برش پایهي کمتري در حدود %30 میباشد و میتوان نتیجه گرفت که در مناطق زلزله خیز این قابها رفتار بهتري از خود نشان میدهند.
شکل : (5) پلان مدل مقایسه شده براي دو مدل مقایسه شده براي سیستمهاي قاب خمشی خرپایی معمولی و قاب خمشی ویژه[6]
شکل : (6 ) نمایی از قاب خمشی خرپایی ویژه با اعضاي قطري x در وسط دهانه [6] (STMF)
شکل : (7) نمایی از قاب خمشی ویژه با تیر ورق [6] (SMRF1)
شکل : (8 ) طیفهاي پاسخهاي الاستیک در مقایسه با طیف UBC براينوعخاك 3 در سمت راست و همین طیفها بصورت مقیاس شده در
مقایسه با طیف UBC براي خاك نوع 3 در سمت چپ [6]
جدول :(1) دادههاي مربوط به رکوردهاي زلزله [6]
جدول :(2) رکوردهاي مقیاس شده و نرمال شدهي زلزله [6]
جدول :(3) خلاصهي نتایج آنالیزهاي دینامیکی قاب خمشی خرپایی ویژه [6]
جدول(:(4 خلاصهي نتایج آنالیزهاي دینامیکی از قاب خمشی ویژه [6] SMRF
.4 مقاومت ناحیهي ویژه :
در قاب خمشی خرپایی با تیر ویژه قصد بر این است که با تسلیم و شکل پذیري اعضاي افقی و تسلیم و کمانش اعضاي قطري در ناحیهي ویژه اتلاف انرژي صورت پذیرد. بر این اساس در ناحیهي ویژه کمترین مقاومت برشی ایجاد میگردد. نیروي برشی این ناحیه براي هر دو حالت قاب خمشی خرپایی ویژه در قسمت 7 شرح داده شده است.
.5 مقایسهي منحنیهاي هیسترسیس براي قاب خمشی خرپایی معمولی و ویژه :
در شکل شمارهي 9 نمودارهاي هیسترسیس ناشی از بارهاي رفت و برگشتی براي هر دو سیستم قاب خمشی خرپایی ویژه (در دو حالت با اعضاي قطري ضعیف در ناحیهي ویژه و بدون این اعضاي لاغر)در سمت راست شکل و قاب خمشی خرپایی معمولی در سمت چپ شکل نشان داده شده است. از
