بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عملکرد سیستم ترکیبی میراگرهاي ویسکو الاستیک و اصطکاکی در برابر زلزله هاي
حوزه نزدیک
خلاصه
میراگرهاي اصطکاکی و ویسکو الاستیک، هرکدام خواص مربوط به خود را داشته وداراي مزایا و معایبی می باشند با ترکیب و استفاده همزمان از هر دو می توان تا حدودي پاسخ سازه را نسبت به حالتی که تنها از یک نوع میراگر استفاده شده باشد بهبود بخشید ، در این نوشتار سعی بر این می باشد تا با استفاده همزمان از هر دو میراگر در یک قاب 10 طبقه فلزي عملکرد لرزه اي سازه در برابر زلزله هاي حوزه نزدیک بررسی گردد و مقادیرکاهش حداکثر تغییرمکان وشتاب در هرکدام از حالتها مورد قیاس قرار می گیرد.
کلمات کلیدي :سازه فلزي ، میراگر ویسکو الاستیک ، میراگر اصطکاکی ، زلزله حوزه نزدیک ، بهبود عملکرد لرزه اي سازه
1. مقدمه :
تحت تحریک زلزله سازه ها متحمل خرابی زیادي می گردند و حتی ممکن استکاملاً فرو بریزند و زلزله هاي اخیر در ایران ،ترکیه و تایوان این مساله را به خوبی نشان می دهند .به منظور تامین پاسخ لرزه اي مناسب سازه سه روش شناخته شده و موثر وجود دارند که عبارتند از : جداسازي لرزه اي ،اتلاف انرژي در مفاصل پلاستیک و استفاده از وسایل کنترلی در سازه .روش جداسازي لرزه اي یک روش خیلی موثر ولی گران و مشکل می باشد .
اساس کار این روش تغییر دادن پریود طبیعی سازه می باشد و باعث جداسازي سازه از تحریک زمین گردیده و در نتیجه باعث کاهش نیروي جانبی که سازه باید تحمل کند می شود . این روش با تعبیه مواد جاذب انرژي نظیر تکیه گاههاي اصطکاکی بین سازه اصلی و زیر سازه امکان پذیر بوده و باعث کاهش میزان نیروي لرزه اي ورودي می گردد .
در سازه هاي معمولی که در برابر بارهاي تصادفی و غیر قابل پیش بینی نظیر زلزله قرار می گیرند مفاصل پلاستیک وظیفه جذب انرژي ورودي را بر عهده دارند . این مفاصل پلاستیک که نزدیک محل اتصال تیر به ستون تعبیه شده اند متحمل تغییر شکل هاي غیر الاستیک زیادي شده وانرژي زلزله را جذب می نماینداما در سالهاي اخیر ،ایده استفاده از وسایل جاذب انرژي مکانیکی در سازه مورد توجه قرار گرفته است . این وسایل جاذب انرژي ، انرژي زلزله را جذب نموده و باعث کاهش اثر آن روي اعضاء بحرانی سازه که نیاز به عملکرد آنها بعد از زلزله داریم می گردد ومزیت آنها در این است که می توان بعد از وقوع زلزله تنها این وسایل کنترلی را که در باربري ثقلی سازه مشارکت ندارند، براحتی و بدون نیاز به ایجاد خلل در باربري سازه تعویض نمود، به طور کلی دو روش کنترل سازه اي با افزودن وسایل مکانیکی وجود دارد : روش کنترل فعال و روش کنترل غیر فعال .
روش کنترل فعال نیاز به یک منبع انرژي جهت فعال سازي میراگرها داشته ولی در برابر زلزله یک روش غیر قابل اطمینان می باشـد زیـرا ممکن است منبع انرژي در اثر زلزله از کار بیفتد . به همین دلیل وسایل کنترلی فعال بیشتر در سازه هاي بلند که در برابر باد نیاز به مقاومـت دارنـد ، استفاده می گردد تا در سازه هایی که در برابر زلزله باید مقاومت نمایندو به عبارت دیگر ، وسایل کنترلی غیر فعال یک گزینه مناسب جهت جذب مقادیر معتنابهی از انرژي ورودي زلزله می باشند ،که بدون مشارکت در باربري سازه، ظرفیت جذب مقدار قابل توجهی از انـرژي ورودي زلزلـه را
به عهده می گیرند در شکل شماره 1 شاهد هستیم که با افزودن میرایی اضافی به میرایی موجود سازه بخش اعظمی از انرژي ورودي توسط میرایـی جذب شده است.
شکل شماره -1 نمودار انرژي جذب شده توسط هیسترزیس و میرایی در حالتی که میرایی اضافه شده باشد
ایده مجهز نمودن سازه به وسایل کنترل غیر فعال به منظور جذب مقادیر معتنابهی از انرژي ورودي زلزله اولین بار توسط کلی و همکاران((1
ارائه شده است، امروزه انواع مختلفی از وسایل کنترل انرژي در دنیا وجود دارند که با استفاده از مواد مختلـف مـی توانـد طیـف وسـیعی از سـختی و میرایی مورد استفاده طراحان سازه را تامین نمایند . انواع مختلف میراگرهاي متداول توسط کنستانتینو (2) مورد بررسی قرار گرفته است کـه تعـدادي از آنها شامل میراگرهاي ویسکو الاستیک ، میراگرهاي مایع ویسکوز و میراگرهـاي اصـطکاکی و میراگرهـاي تسـلیمی مـی شـود ، ایـن میراگرهـا بـا دارابودن مشخصه هاي دینامیکی غیر یکسان ،عملکرد متفاوتی در برابر انرژي ورودي زلزله دارند ، از جمله مشخصه میراگرهاي ویسـکو الاسـتیک و میراگرهاي ویسکوز این است که می توانند در برابر طیف وسیعی از فرکانسـهاي تحریـک، انـرژي ورودي زلزلـه را مسـتهلک نماینـد(. (3 در مقابـل میراگرهاي اصطکاکی تنها هنگامی اقدام به استهلاك انرژي می نمایند که نیروي لغزش از حد مجاز تجاوز نماید . اما وقتـی ایـن میراگرهـا را بـا هـم ترکیب و در سازه مورد استفاده قرار دهیم سازه در برابر فرکانسهاي کم و زیاد زلزله داراي عملکرد موثري خواهد شد .
زلزله هاغ لباً از نظر مقدار حداکثر شتاب ،پریود و محتواي فرکانسی با هم متفاوت می باشند و به همین دلیل هم اثرات متفاوتی روي سازه می گذارند از طرف دیگر رکوردهاي حاصل از زلزله هاي حوزه نزدیک به جهت نزدیکی فاصله محل منبع انتشار موج داراي خواص ویژه اي می باشند که رفتار آنها را از سایر رکوردها متفاوت می سازد . عدم فرصت کافی جهت میرا شدن فرکانسهاي بالا باعث ایجاد شتابی با محتواي فرکانسی بالا شده و انتشار شکستگی با سرعتی حدود سرعت موج برشی به سمت محل ثبت ،باعث ایجاد پیکی با دامنه بالا و پریود کوتاه در ابتداي رکورد سرعت خواهد شد. به جهت خصوصیت پالس مانند رکورد سرعت در زلزله هاي حوزه نزدیک ، طیف پاسخ در پریودهاي بالاتر از پریود پالس ،رفتار غیر متعارفی را نشان می دهد . سازه هاي بلند که داراي پریود بالاتر از پریود پالس موجود در رکورد هستند متحمل نیروها و تغییر مکان هاي شدیدي خواهند شد . در سازه هاي ضعیف با زمان تناوب بالا تحت رکورد حوزه نزدیک ، جاري شدن اعضا به طبقات پایین منتقل می شوند . براي کنترل نیازهاي بزرگ حاصل از زمین لرزه هاي نزدیک گسل در طبقات پایین ( اعم از نیازهاي مقاومتی یا جابجایی ) باید طبقات پایین براي تامین شکل پذیري یکسان ، به طور ویژه تقویت شوند((4 ، در این نوشتار به بررسی اثر زلزله هاي حوزه نزدیک روي سیستم سازه اي مجهز به میراگرهاي اصطکاکی و ویسکو الاستیک ونیز سیستم ترکیبی میراگرهاي اصطکاکی و ویسکوالاستیک و بررسی اینکه آیا سیستم ترکیبی با توضیحات فوق الذکر آیا قادر به بهبود عملکرد لرزه اي
سازه گردیده است یا خیر خواهیم پرداخت و در مقام مقایسه به بررسی مقادیر حداکثر درصد کاهش شتاب و تغییر مکان بام در برابر 3 رکورد زلزله نورتریج ، کوبه و چی چی در یک قاب ساختمانی فولادي 10 طبقه خواهیم پرداخت .
2. مدلسازي :
از نرم افزار Sap ver.11 به منظور مدلسازي و آنالیز سازه استفاده گردید ، براي مدل کردن میراگرهاي ویسکو الاستیک در نرم افزار Sap2000 از المان دمپر استفاده شد. المان دمپر در نرم افزار Sap2000 بر اساس مدل Maxwellکه به صورت یک دمپر و فنر سري می باشد (شکل شماره (2
شکل شماره -2المان دمپر مورد استفاده در نرم افزار بر اساس مدل Maxwell
رابطه نیرو– تغییر مکان در آن به صورت زیر می باشد(رابطه شماره : (1
که درآن K ، C ، Cexp ، d k و d c به ترتیب سختی فنر ، ضریب میرایی میراگر ، ثابت میرایی ، تغییر مکان فنر و سرعت ایجاد شده در میراگرمی باشند، عباس و کلی (3) براي بیان سختی و ضریب میرایی میراگر ویسکو الاستیک روابط زیر را ارائه دادند(روابط 2و: ( 3
که A ، t ، f ، G’ وG”به ترتیب بیانگر مساحت تحت برش ماده ویسکو الاستیک ، ضخامت ماده ویسکو الاستیک ، فرکانس بارگذاري، اندیس ذخیره برشی و اندیس افت می باشد که توسط رابطه زیر قابل محاسبه اند (روابط 4و: (5
که در این رابطه γ ، f و Temp کرنش برشی ، فرکانس بارگذاري و دماي ماده ویسکو الاستیک می باشد، جهت محاسبات و مدلسازي با نرم افزار، میزان کرنش برش برابر 100% در نظر گرفته شد زیرا بر اساس تحقیقات زینالی((5 مشخص شده است که میزان کاهش سختی بین کرنش -0 %50 اتفاق می افتد و در کرنش بین %200-50 میزان سختیتقریباًثابت است ،براي مقدار فرکانس بارگذاري f ، اولین مود ارتعاشی سازه براي استفاده از f انتخاب گردید زیرا فرض شد ارتعاش غالب سازه در این مود اتفاق می افتد ، دماي ماده ویسکوالاستیک 21 درجه سانتیگراد انتخاب گردید.
به منظور مدلسازي میراگر اصطکاکی با توجه به آنکه رفتار میراگر اصطکاکی تقریباًمشابه یک المان الاستو پلاستیک کامل است از المان Plastic(Wen) استفاده شد و نیروي لغزش میراگر برابر نیروي حد تسلیم المان فوق الذکر به نرم افزار معرفی گردیدوبراي طراحی میراگر اصطکاکی نیز در محدوده اي از بار هاي لغزش از 0 تا 0.2W که W وزن سازه می باشد ، اقدام به بررسی پاسخ سازه پرداخته شد((6 و در نهایت کوچکترین پاسخ به عنوان نیروي لغزش در نظر گرفته شد.لازم بذکر است جهت حصول اطمینان در مورد عملکرد صحیح میراگر اصطکاکی ، مهارهاي آن مجدد براي این نیرو طرح گردید تا قبل از لغزش میراگر ، مهارها کمانش نکنند. .
مدل مد نظر گرفته شده جهت تحلیل ، یک قاب 10 طبقه فلزي می باشد که داراي چهار دهانه به طول 4.5 متر و ارتفاع طبقات برابر 3 متر می باشد . بارگذاري در نظر گرفته شده براي این قاب عبارت است از بار مرده به میزان tom/m 2.5 و سر بار زنده به میزان ton/m 0.9 که به صورت خطی بر روي تیرها اعمال میگردد . مقاطع در نظر گرفته شده براي تیرها و ستونهاي این قاب از مقاطع I شکل بال پهن ااستفاده گردیده و طراحی این قاب بر اساس استاندارد 2800 و با استفاده از روش تحلیل طیفی انجام گرفت . شتاب مبنا براي این قاب برابر A=0.35g در نظر گرفته شده است و پریود سازه و میرایی بحرانی جهت محاسبات بترتیب 2.345 ثانیه و 5 درصد می باشند ، در طراحی انجام گرفته که بر اساس روش تنش مجاز بوده ،براي قابها محدودیت تغییر مکان نسبی طبقات در نظر گرفته نشده است ، در جدول شماره 1مقاطع مورد استفاده این قاب ارائه شده است .
نمونه اي از قاب مجهز به میراگر ویسکو الاستیک ، اصطکاکی ، ترکیبی و نیز نمودار میزان انرژي ورودي به سازه و جذب شده توسط سیستم ترکیبی به ترتیب در اشکال زیر نشان داده شده اند.(شکلهاي شماره 3و4و5و(6
