بخشی از مقاله
چکیده
تحقیقات وسیع انجامشده در مورد ساختمانهاي نامتقارن با در نظر گرفتن رفتار خطی بیشتر محدود به ساختمانهاي نامتقارن یک طبقه هست، بنابراین نمیتوان با اطمینان نتایج حاصل از این تحقیقات را به ساختمانهاي چندطبقه تعمیم داد و از طرفی دیگر مدلهاي عددي پیچیده،روشی کاربردي براي تحقیق نمیباشند. یکی از مشکلات به وجود آمده در زلزله براي سازهها خسارت بیشازحد سازههاي نامنظم هست، که پیشرفتهاي چشمگیر درزمینه طراحی لرزهاي سازهها به روش واحدي براي طراحی سازههاي نامنظم دست نیافته شده است. ارتعاشات زمین حین وقوع زلزله می تواند به ساختمان و تاسیسات موجود آسیب شدیدي برساند. با مطالعه فهرست ساختمان ها، می توان دریافت بیشتر از نصف ساختمان هایی که در چند دهه اخیر طراحی شده اند، با پیکربندي یکنواخت که اساس طراحی اکثر آیین نامه اي زلزله می باشد، مطابقت ندارد.
این مطلب موید این می باشد که سازه هاي نامتقارن در ارتفاع نسبت به متقارن و منظم در معرض خسارت بیشتري قرار دارند زیرا نامنظمی و عدم تقارن در ارتفاع بر روي توزیع سختی تاثیر داشته و ظرفیت سازه را تغییر خواهد داد. نیروي زلزله موثر بر ساختمان را می توان با استفاده از روش تحلیل استاتیکی معادل و یا روش هاي دینامیکی محاسبه کرد. در این پژوهش به بررسی دقیق ساختمان ها نامنظم در ارتفاع توسط تحلیل استاتیکی غیرخطی و همچنین دینامیکی غیرخطی پرداخته می شود. در این پژوهش ازسه ساختمان 3، 6 و 10 طبقه، فولادي با سیستم قاب خمشی، از هر کدام 6 تیپ ساختمان نامنظم در ارتفاع انتخاب شده و مورد بررسی قرار گرفته اند. در این پژوهش قاب هاي نامنظم در ارتفاع را با استفاده از نرم افزار OpenSees و SAP2000 تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی قرار گرفته اندو نتایجی نظیر برش پایه، جابجایی بام، جابجایی نسبی بین طبقه اي، زمان تناوب و منحنی ظرفیت هر کدام مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته اند.
کلمات کلیدي: ساختمانهاي نامتقارن، نامنظمی در ارتفاع، تحلیل استاتیک معادل، OpenSees، SAP2000
مقدمه
رفتار سازه در برابر زلزله بسیار پیچیده است و مدلسازي و پیشبینی رفتار واقعی سازه بسیار وقتگیر وغیراقتصادي هست. بنابراین دانشمندان آییننامههایی تدوین کردهاند که بتوان به کمک آن نیروهایی که در هنگام زلزله به سازه وارد میگردد با سادهسازي محاسبه نموده و سازه را در برابر زلزله مقاوم نمود.سازههاي نامنظم در عمل، درنتیجهي اضطرارهایمعماري، اقتصادي و کاري وجود دارد. که به سه دسته کلی نامنظمی در جرم، نامنظمی در سختی و نامنظمی در مقاومت تقسیم میشوند که در اکثر مواقع به علت شرایط معماري و کاربردي سازه، نامنظمیها بهطور همزمان در سازهایجادشده و باعث تشدید اثرات زلزله میشوند. آنچه در زلزلههاي گذشته مشاهده شده است حاکی از آن است که خرابیها در سازههاي نامنظم درنتیجه اثرات نامنظمی بوده و همچنین تحقیقات نشان میدهد که تأثیرات نامنظمیهاي سختی مقاومت ناچیز بوده ونامنظمی مقاومت بیشترین تأثیر را در بین سه نوع نامنظمی ایفا میکند حالآنکه در ترکیب این نامنظمیهاي، نامنظمی سختی مقاومت بیشترین تأثیر را نسبت بهتمامی نامنظمیها بر روي رفتار لرزهاي این سازهها دارد.
ساختمانهاي نامتقارن در مقایسه با ساختمانهاي متقارن در مقابل زلزله رفتاري با آسیبپذیري بیشتر نشان میدهند. از جهتی همیشه مواردي پیش میآید که مجبور به احداث ساختمانهاي نامنظم در پلان و یا در ارتفاع هست که این نامنظمی به عوامل متعددي وابسته میباشد. بهعنوانمثال در پلان ساختمان به علت توزیع نامتقارن عناصر مقاوم یا به دلیل عدم انطباق مرکز جرم و مرکز سختی نامنظمی به وجود میآید. به دلیل آسیبپذیري زیاد این نوع سازهها، رفتار لرزهاي و عملکرد این ساختمانها باید مورد ارزیابی قرار گیرد تا در آئیننامهها بتوان بهصورت دستورالعملهاي مدون براي مقاصد طراحی مورداستفاده قرار گیرد.
مدلسازي
در مدلسازي مفاصل معمولا از پانل برشی براي شبیه سازي رفتار برشی مفصل استفاده میشود. رفتار برشی مفصلها شامل وقوع ترك در مفصل است که از نوع لقی1 میباشد. با توجه به اینکه در آییننامههاي جدید، طراحی سازه به گونهاي صورت میگیرد که از شکست دربرش اجتناب شود، شبیه سازي رفتار برشی پانلها در ناحیهاي فراتر از تسلیم حائز اهمیت نمیباشد. بنابراین میتوان از رفتار لقی در منحنی استحکام صرفنظر کرد. رفتار عمومی منحنی پاسخ هیسترزیس مصالح و یا حتی عضو سازهاي را میتوان در سه نوع منحنی اساسی بررسی نمود.منحنیهاي پوش درواقع بهنوعی، ساختار رفتاري کلی پاسخ هیسترزیس را تشکیل میدهند.منحنی استحکام این منحنیها در حالت کلی میتوانند ثابت باشند و یا در منحنی رفتاري برگشت بر روي این منحنی میتوان زوال را مدل نمود.
- نقطه برگشت به یک منحنی قابل جابجا شدن و یا حتی مقیاس شدن باشد. منحنیهاي اتصال که درواقع اتصال بین منحنیهاي پوش را در دو جهت مختلف برقرار میکنند. این منحنی ممکن است به دلیل مدلسازي رفتارهاي مانند لاغر شدگی، نرم شدگی یا سخت شدگی داراي چند قسمت باشند.منحنیهاي انتقالی که اتصال بین دو منحنی اتصال را در باربرداري از میانه مسیر قبل از رسیدن به منحنی پوش و رسیدن به بارگذاري در سمت مقابل به عهدهدارند.از ویژگیهاي این مدل رفتاري این است که علاوه بر زوال مقاومت و سختی سیکلی که در طی یک سیکل بارگذاري اتفاق میافتد را نیز در نظر میگیرد. این رفتار که از آن بهعنوان زوال درون سیکلی یاد میشود در ناحیهاي که شیب خط نمودار بار- تغییر شکل منفی است، قابل مشاهده است. شکل - - 2-3، تأثیر زوال سختی و مقاومت سیکلی را نشان میدهد.
در محدوده تحلیلهاي دوبعدي بمنظور شبیه سازي رفتار غیرخطی بتن از مدل پلاستیسیته متمرکز که مشابه تحقیق صورت گرفته توسط هسلتون [6] میباشد، استفاده شده است. در ارتباط با این روش چند نکته قابلذکر است. - الف - از مدل پلاستیسیته متمرکز بهمنظور شبیه سازي رفتار غیرخطی استفادهشده است. - ب - از کالیبراسیون مدل بهمنظور تعیین مشخصات غیرخطی و مودهاي زوال تعیینکننده براي فروریزش جانبی استفاده شده است. در روش بکار گرفته شده توسط هسلتون از اجزا تیر- ستون الاستیک به همراه مفصلهاي پلاستیک براي مدلسازي ستونها استفاده شده است. تحقیق صورت گرفته توسط هسلتون و دییرلین در سال [7] 2007 نشان داده است که در تغییر شکلهاي کوچک و همچنین در تغییر شکلهایی در حدود فروریزش سازه، این نوع مدلسازي نتایج واقع بینانهتري در مقایسه با مدل فایبر را میدهد.
پیشینه تحلیل بار افزون تحلیل استاتیکی بار افزون بر مبناي تئوریکی مشخص قرار ندارد و بر این اساس استوار است که پاسخ سازه را میتوان باپاسخ سیستمیک درجه آزادي با مشخصه هاي معادل شده شبیهسازي نمود. این فرض منجر می گردد که پاسخ سازه، تنها وابسته به یک مود تغییر شکلی - شکل مود اول ارتعاش - بوده و شکل آن در طول زمان تحلیل ثابت باقی بماند. البته هرچند هر دو فرض یادشده ممکن است نادرست به نظر برسد، اما تحقیقات گسترده در طول چند دهه اخیر نشان داده است که براي سازه هایی که مود اول نوسان بر پاسخ آن ها قالب بوده تخمینهاي خوب و مناسبی از ماکزیمم بازتاب سیستم به کمک این تحلیل به دست میآید.[4]
مدلسازي قابهاي موردمطالعه
براي مقایسه تحلیل استاتیکی و دینامیکی در سازههایی با پلان نامتقارن، تعداد 3 تیپ ساختمان فولادي در ارتفاع مختلف 3، 6 و10 طبقه در نظر گرفتهشدهاند: که تمامی ساختمانها از نوع قاب خمشی متوسط - R=7 - میباشند. کاربري ساختمانها از نوع مسکونی و بااهمیت متوسط - - I=1 فرض شده است، همچنین ساختمانهاي موردمطالعه در منطقه با لرزهخیزي خیلی زیاد - - A=0.35 و تیپ خاك از نوع II در نظر گرفتهشدهاند. ارتفاع تمامی طبقات بهطور یکسان برابر با 3 متر و طول دهانهها 4.5 متر میباشد. بارگذاري ثقلی ساختمانها بر اساس آییننامه بارگذاري مبحث ششم و بارگذاري نیروي زلزله بر اساس آییننامه 2800 انجامشده است.
سیستم سقف ها از نوع صلب1 لحاظ گردیده است، بنابراین تمامی نقاط روي یک طبقه با یکدیگر حرکت میکنند و درنتیجه هیچگونه نیرو و تغییر شکل محوري در آنها ایجاد نخواهد شد. در مدلهاي مختلف در کلیه طبقات از یک نوع تیپ و ستون استفاده شده است. از مدل کردن دیوارهاي داخلی صرفنظر شده است البته باید به این نکته توجه داشت که اثر دیوارها در بارگذاري لحاظ شده است. مشخصات مصالح مصرفی و مشخصات بارگذاري به ترتیب در جداول شماره - 1 - و شماره - 2 - و - 3 - آمده است. خاك مورداستفاده در شکل - 1 - نشان داده شده است. پلان سازه هاي موردمطالعه در شکلهاي - 1 - تا شکل - 2 - نشان دادهشده است.
