بخشی از مقاله
خلاصه
در دهه های اخیر، فرم سازه ای مهار بازویی یا کمربند خرپایی به صورت گسترده جهت به کارگیری در ساختمان های بلند مورد توجه قرار گرفته است. این فرم سازه ای کارایی زیادی در کاهش پاسخ سازه های بلند در برابر بارهای جانبی دارد. در این پژوهش رفتار لرزه ای ساختمان های بلند با مهار بازویی یا کمربند خرپایی مورد مطالعه قرار می گیرد.بدین منظور سیستم سازه ای قاب خمشی به علاوه مهاربند همگرا با در نظر گرفتن رفتار غیر ارتجاعی در دو حالت وجود و عدم وجود مهار بازویی بررسی می شود. در این تحقیق سعی شده است تأثیر اضافه کردن مهار بازویی بر رفتار لرزهای سازههای فولادی قاب خمشی و مهاربند از منظر ظرفیت شدت لرزهای متناظر با سطح عملکرد فروریزش، تقاضای متناظر با شروع ناپایداری کلی و منحنی های شکنندگی سازهها بررسی شود. بدین منظور از تحلیل دینامیکی غیر خطی افزایشی IDA استفاده شده است.نتایج نشان میدهد اضافه کردن مهار بازویی به سازه اولیهی قاب خمشی و مهاربند باعث بهبود رفتار لرزهای آن میشود.
کلمات کلیدی: مهار بازویی یا کمربند خرپایی، سازه های بلند، رفتار لرزه ای، تحلیل دینامیکی غیر خطی افزایشی
1. مقدمه
حساسیت سازههای بلند در مقابل بارهای جانبی به مراتب بیشتر از بارهای ثقلی است. بنابراین یکی از مهمترین مسائل در سازههای بلند، انتخاب فرم سازهای مناسب برای تحمل بارهای جانبی است. سیستم های سازهای که عمدتاً فولادی بنا میشوند عبارتند از: قاب صلب، قاب مهاربندی شده، قاب صلب با مهاربندی، سیستم قاب محیطی، سیستم خرپای محیطی و سیستم قابهای محیطی دستهبندی شده[1] سیستم ترکیبی قاب خمشی مهاربندی شده برای ساختمانهای بلند به علت عدم سختی کافی برای تحمل بارهای افقی و تغییر مکان زیاد در بالای سازه، مناسب نیست. از مشکلات عمده این سیستم، شکل پذیری و جذب انرژی کم، عمدتا به دلیل کمانش موضعی یا کلی عضو فشاری مهاربند و تا حدی هم ضعف و عملکرد نامناسب اتصالات آن می باشد. [2] یک روش سودمند، کاربرد کمربند خرپایی در روی هسته های مهاربندی شده است که به ستونها متصل می گردد. سازه های مهار بازویی یا کمربند خرپایی - - Outrigger -Braced Structures دارای یک هسته مرکزی مهاربندی هستند که متشکل ازدیوارهای برشی و یا قابهای مهاربندی شده می باشد. هسته مرکزی توسط خرپاهای بازو مانند یا شاهتیرها به ستونهای خارجی متصل میشود. [3] هنگامی که سازه تحت اثر بارهای جانبی قرار می گیرد چرخش هسته بوسیله بازوها، ازطریق کشش در ستونهای جهت بار و فشار در ستونهای جهت خلاف بار محدود می گردند.در این صورت ستون های خارجی به غیر از نیروی ثقلی، قسمت عمده ای از نیروی جانبی را تحمل می نمایند. - شکل .[4] - 1 تارانات که خود مبدع این سیستم می باشد، تحلیل و طراحی سازه های با یک مهار بازویی را مورد بررسی قرار داد و هم چنین موقعیت بهینه مهار بازویی را با رویکرد کاهش دیریفت بین طبقه ای در ارتفاع سازه تعیین نمود. وی تراز مناسب برای استقرار یک بازو را در 0,445 برابر ارتفاع سازه عنوان کرده است. [1] در این پژوهش نیز محل کمربند خرپایی در همین ارتفاع قرار داده شده است. به دلیل اینکه بخش قابل توجهی از ساختمان های بلند احداث شده در ایران دارای تعداد طبقات بین 15 الی 25 طبقه میباشد و مهم تر از آن، اینکه در سیستم سازه ای آن ها از کمربند خرپایی استفاده نشده است، بنابراین ایده بهبود عملکرد این سازه ها به وسیله سخت کردن یکی از طبقات آن به وسیله کمربند خرپایی کاربردی تر به نظر می رسد.
شکل -1 عملکرد سیستم کمربند خرپایی در برابر بار جانبی[6]
2. مدل سازی سازه مورد بررسی
مشخصات سازه
ابتدا سازه طراحی وسپس برای انجام تحلیلهای غیر خطی با استفاده از نرمافزار Opensees مدل شدهاست. سازهی مورد بررسی در هر جهت دارای 6 دهانه به طول 5 متر و طبقاتی با ارتفاع 3/2 متر میباشد. ساختگاه این سازه خاک نوع II ذکر شده در استاندارد [7] 2800می باشد. سیستم باربر جانبی سازه، سیستم دوگانه ای شامل قاب خمشی ویژه و مهاربند است. بارهای ثقلی مرده و زنده و نیز بارهای جانبی براساس مبحث 6 مقررات ملی ساختمان [8] و ویرایش سوم استاندارد 2800 تعیین میگردد. سازه مذکور با استفاده از نرم افزار 0،Etabs Nonlinear v 9,6مورد تحلیل استاتیکی قرار گرفته و براساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان[9]طراحی می شود.شایان ذکر است اثرات مهار بازویی در طراحی اولیه لحاظ نشده و فقط در تحلیل های غیر خطی اعمال می شود. مقاطع نمایی از قاب باربر لرزه ای سازه درشکل 2 نشان داده شده است.
جدول-1 مقاطع قاب فولادی 25 طبقه
شکل -2 نمای قاب مجهز به مهار بازویی شکل -3 نمای قاب بدون مهار بازویی
مدل سازی در نرم افزار Opensees
فرضیات زیر برای شبیه سازی مدل در نرم افزار Opensees استفاده شده است. - 1 مدل سازی تیر ها و ستون ها توسط المان غیرخطی تیر-ستون بر مبنای تغییر مکان و مقاطع چند لایه فایبر صورت گرفته است. - 2 مدل سازی هسته مهاربندی توسط المان غیرخطی تیر-ستون بر مبنای نیرو و برای درنظرگرفتن کمانش، یک تغییر شکل اولیه به میزان 1/1000 طول عضو در آن لحاظ شده است. - 3 مدل سازی کمربندهای خرپایی توسط المان های خرپایی صورت گرفته است. - 4 اتصالات اجزای سازه ای و تکیه گاه ها کاملا صلب فرض شده - 5 جرم و وزن موثر لرزه ای - شامل بار مرده به علاوه %20 بار زنده - به صورت متمرکز و بر اساس سطح بارگیر روی گره ها اعمال شده است. - 6 تنش تسلیم
نتایج آزمایش و دادههای ثبتشده در ساختمانهای بلند نشان میدهد که میرایی ذاتی در این سازهها افت پیدا میکند. بنابراین استفاده از میرایی ذاتی %5 برای تحلیل و طراحی ساختمانهای بلند در آییننامه تلویحاً به آن اشاره شده است غیر محافظهکارانه خواهد بود.
گزارش ATC/PEER 72-1 برای سازههای بلند نمودار و روابطی را برای تعیین درصد میرایی سازه پیشنهاد میکند. در این پژوهش درصد میرایی ذاتی برای سازههای موردبررسی 2 درصد لحاظ شده است.[11]
3. مقایسهی نتایج تغییرمکان قاب دو بعدی ناشی از بارثقلی در دو نرم افزار Opensees و Etabs
جهت تطبیق رفتار مدل با سازهی طراحی شده پریود قاب دو بعدی در نرم افزار Etabs و Opensees در جدول 2 مقایسه شده است. مشاهده میشود تفاوت کمی میان پرید ها در هر سه مود وجود دارد.
جدول-2 مقایسه پریود سه مد اول قاب دو بعدی در نرم افزار Etabs و Opensees
4. آنالیز دینامیکی غیرخطی فزاینده IDA
در این روش از مقیاس کردن شتابنگاشتهای زلزلههای گذشته بهنحویکه رفتار سازه را از حالت الاستیک خطی تا مرحله فروریزش پوشش دهد،استفاده میگردند. بنابراین، مدل سازهای تحت یک یا چند شتابنگاشت رکورد زلزله که با سطوح شدت متفاوت مقیاس شدهاند قرار میگیرد. پس از انجام تحلیل، یک یا چند منحنی از پاسخ پارامتریک در مقابل سطوح شدت حاصل خواهد شد[12] روش فوق در سال 2000 توسط پرفسور آلین کرنل1 در دانشگاه استنفرد مطرح گردید و در سال 2002 طی پروژه دکتری وامواتسیکوس2 به راهنمایی کرنل تحت بررسی قرار گرفت[12]
در این پژوهش، بیست رکورد لرزهای که بیانگر یک سناریو زلزله باشد، در نظر گرفته شده است. رکوردهای لرزهای دارای بزرگای 6 تا 7,5ثبت شده بر روی خاک سخت - سرعت موج برشی بین 360 تا 750 متر بر ثانیه - با فاصله دور از گسل - در فاصله 20 تا 120 کیلومتری کانون با هر نوع مکانیزم گسلش - بوده است.
انتخاب IM و DM مناسب
در حالت کلی انتخاب پارامتر اندازه شدت IM بستگی به نوع سازه و نوع زلزله رخداده دارد و درواقع یکی از مهمترین بخشها در تحلیل IDA است. اما دو نوع IM که بهطور وسیعی امروزه مورد کاربرد است عبارتاند از PGA3 و 5% - ،Sa - T1 .کورنل و بکر4 با استفاده از دادههای آماری و
