بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه به تاثیر انعطاف پذیری پی سازه در توزیع نیروهای جانبی بین قاب خمشی و دیوار برشی در یک سیستم ترکیبی قاب خمشی و دیوار برشی پرداخته شده است.نتایج گویای این حقیقت است که با دوران پای دیوار برشی در اثر انعطاف پذیری پی میزان برش پایه استاتیکی در دیوار برشی کاسته و به میزان برش پایه در ستونهای قاب خمشی افزوده می شود.
نتایج برای ساختمان های 5، 10 و 15 طبقه در دو حالت گیرداری کامل تکیه گاه ها و انعطاف پذیری پی های نواری و گسترده در سازه های سه بعدی، با یکدیگر مقایسه شده اند.انعطاف پذیری پی ها با منظور کردن فنرهای خطی که تنها قادر به تحمل نیروی فشاری می باشند لحاظ شده است که نشان دهنده حالتی است که پی سازه با ضریب اطمینان مناسبی طراحی شده و رفتار خاک زیر سازه در محدوده خطی باقی می ماند .در تحلیل ها در حالت پی انعطاف پذیر از فنرهای با سختی متفاوت استفاده شده است که روند تاثیر کاهش سختی بر توزیع نیروهای جانبی نمایش داده شود.
.1 مقدمه
آیین نامه های طراحی در حال حاضر به مهندسان اجازه می دهند تا به کلی تاثیرات اندرکنش خاک و سازه را در تحلیل لرزه ای ساختمانها نادیده بگیرند و یا تاثیر آن را به صورت کاهش در برش پایه طراحی در حالت تکیه گاه گیردار در نظر بگیرند. - مانند ASCE، NTDF، - NEHRP بررسی دستورالعمل SSI در NEHRP توسط Stewart و همکارانش ارائه شده است .[1] از آنجایی که اندرکنش خاک و سازه موجب به افزایش پریود طبیعی سازه و همچنین افزایش در میزان میرایی سیستم می شود این اثر در اکثر موارد در این آیین نامه ها به صورت عاملی که باعث بهبود در عملکرد لرزه ای سازه می شود بررسی شده است که این نتیجه گیری در حالت کلی صحیح نمی باشد
مطالعات موردی اخیر نشان داده است که اندرکنش خاک و سازه می تواند به سازه آسیب برساند و نادیده گرفتن اترات اندرکنش می تواندمنجر به طراحی غیر ایمن برای سازه و فونداسیون شود مخصوصا سازه هایی که بر روی خاک های نرم واقع شده باشند. محققانی همچون Stewart و همکارانش - ، Mylonakis - و - Gazetas نشان داده اند که پاسخ سازه یک سیستم با یک درجه آزادی واقع بر روی یک پی سطحی را می توان با یک سیستم SDOF معادل دارای تکیه گاه گیردار تخمین زد
یک راه مطمئن برای انجام تحلیل دینامیکی اندرکنش خاک و سازه استفاده از روش زیر سازه می باشد که در آن رفتار محیط خاک به عنوان یک محیط پیوسته در نظر گرفته شده و خود سازه توسط روش اجزا محدود مدل می شود.
بنابراین به دست آوردن تابع امپدانس که بیان کننده مقاومت محیط خاک در برابر نوسانات سازه است گامی مهم در بررسی اندرکنش تلقی می شود. تعداد زیادی از محققین در ده های اخیر برای بدست آوردن تابع امپدانس تحقیقاتی انجام داده اند ولی تنها تعداد کمی از آنها به بررسی اثر انعطاف پذیری پی بر روی تابع امپدانس پرداخته اند.
برای مشخص کردن مقادیر سختی و میرایی اندرکنش خاک و فونداسیون می توان از مدل های ساده تابع امپدانس یا یک سری فنرها و میراگرهای توزیع شده در زیر پی سازه استفاده کرد .[5]سازه باربر جانبی در نظر گرفته شده در این مطالعه در راستایی که تحلیل انجام شده و نتایج آن ذکر شده است، سیستم قاب خمشی و دیوار برشی - همان سیستم دوگانه ذکر شده در آیین نامه - 2800 می باشد.
در این سیستم مقاومت در برابر بار جانبی توسط ترکیب دیوارهای برشی و قابهای صلب تامین میشود.هنگامی که یک سیستم ترکیبی قاب و دیواربرشی به صورت جانبی بارگذاری میشود حالت تغییر شکلهای مجزا و متفاوت دیوارهای برشی و قابها میتواند در کم کردن تغییر شکلهای جانبی برای ساختمانهای حتی تا بیشتر از 50 طبقه یا بیشتر کاملا موثر و اقتصادی باشد.پتانسیل مزیتهای یک سازه ترکیبی قاب و دیوار، به شدت اندرکنش افقی که توسط سختی نسبی دیوارها و قابها و ارتفاع سازه تعیین میشود، بستگی دارد.در سازه بلندتر و سخت تر اندرکنش بیشتر خواهد بود.
قاب به اصطلاح در یک مد برشی تغییر شکل میدهد و از آنجا که پاسخ غالب دیوار به صورت خمشی مانند یک تیر طره میباشد سازگاری تغییر مکانهای افقی، اندرکنشی را بین این دو به وجود میآورد. جابجایی جانبی خطی قاب خمشی با جابجایی سهمی دیوار برشی ترکیب شده در نتیجه سختی کل سیستم افزایش مییابد به این دلیل که دیوار در ترازهای بالا توسط قاب مهار میشود در حالی که در ترازهای پایین دیوار قاب را مهار میکند. اگرچه یک قاب خمشی شامل ستونهای نزدیک و تیرهای عمیق تمایل دارد که بیشتر شبیه به یک دیوار برشی که در مد خمشی عمل میکند، رفتار کند و به طور مشابه یک دیوار برشی که توسط بازشوهای بزرگ ضعیف شده است بیشتر شبیه یک قاب با تغییر مکانهای در مد برشی عمل میکند.
از این رو رفتار سازه ترکیبی بستگی به صلبیت نسبی دو سیستم و مدهای تغییر شکلی آنها دارد. اگر شکل تغییر مکانهای دیوارهای برشی و قابهای خمشی مشابه باشد بارهای جانبی توزیع شده بین دو سیستم کم و بیش براساس سختیهای نسبی آنان خواهد بود. البته به طور کلی دو سیستم براساس مشخصههای شکلی خود تغییر شکل میدهند. اندرکنش بین این دو مخصوصا در ترازهای بالای ساختمان منجر به توزیع کاملا متفاوت بار جانبی میشود.
همان طور که گفته شد دیوار برشی به صورت یک ستون طره عمل میکند که شیب تغییر شکل یافته آن در بالا بیشتر است و از سوی دیگر قاب خمشی در مد برشی تغییر شکل میدهد. با شیب بیشتر در پایه سازه جایی که برش بیشینه وجود دارد. از آنجا که ویژگیهای تغییر مکانهای جانبی دو سیستم کاملا متفاوت هستند قاب خمشی تمایل به عقب کشیدن دیوار در ترازهای بالای ساختمان دارد در حالی که در ترازهای پایین تمایل دارد دیوار را به سمت مقابل فشار دهد.
به عنوان یک نتیجه گیری قاب بیشتر در ترازهای بالای ساختمان تاثیر مثبت دارد جایی که برشها نسبتا ضعیفتر هستند در حالی که دیوار برشی بیشتر برش را در بخشهای پایین ساختمان تحمل میکند. به دلیل تفاوت در ویژگیهای تغییر شکلی دو سیستم تمایل به کمک کردن به یکدیگر دارند. قاب تمایل به کاهش تغییر مکان جانبی دیوار برشی در ترازهای بالا دارد در حالی که دیوار،تغییر مکانهای افقی قاب را در تراز نزدیک تکیه گاه مهار میکند.[6] این رفتار بستگی به این دارد که پی دیوار توان مقاومت در برابر لنگر واژگونی را داشته باشد و چرخشی در آن ایجاد نشود. در واقعیت دیوارها بر روی پایههایشان چرخش دارند و این چرخش به انعطافپذیری پی وابسته است.
در - - Khan F. R , 1964 سعی شده است با فرضیاتی که از جمله آن صلب بودن پی دیوار و همچنین یکنواخت بودن بار وارده است توزیع نیروهای بین قاب و دیوار برشی در اثر بار جانبی خارجی به دست آید.که در - Houssam A. Toutanji, 1997 - اثر چرخش پی نیز با استفاده از رویکرد محیط پیوسته لحاظ شده است، در این روش محیط های پیوسته سیستم قاب و دیوار واقعی توسط یک سازه معادل سادهتر جایگزین شده است. سازه معادل به عنوان یک تیر برشی مدل شده که به صورت پیوسته در ارتفاع به دیوار برشی متصل است .
فرض کردن صلب بودن پی دیوار در حالت واقعی بسیار دور از واقعیت بوده و میدانیم در صورت چرخش پی دیوار، لنگر قابل ملاحظهای از دیوار برشی به قاب منتقل شده و به این صورت توزیع نیروهای جانبی بین قاب و دیوار دیگر به صورت گذشته نیست از طرفی در سازههای واقعی بار جانبی خارجی به صورت یکنواخت وارد نمیشود .
در این مطالعه تاثیرات انعطاف پذیری پی در حالی در نظر گرفته شده است که دیوار برشی به صورت کامل مدل شده و فرضیات ساده سازی و نوع بارگذاری جانبی ناشی از زلزله همان فرضیات و الگوهای بارگذاری هستند که در آیین نامه های طراحی سازه ها در نظر گرفته می شوند. علاوه بر این، در مطالعات پیشین توجه محققین به تغییرات پاسخ کلی سازه همانند زمان تناوب، میرایی، شکل پذیری و... در حالت انعطاف پذیری تکیه گاه های سازه بوده است ولی در این مطالعه به طور خاص به تغییرات توزیع نیروهای ایجاد شده بین دو سیستم باربر جانبی - دیوار برشی و قاب خمشی - ناشی از بار جانبی زلزله پرداخته شده است که این تغییرات، تاثیرات دو عامل انعطاف پذیری شالوده و در نظر گرفتن اثرات اندرکنشی خاک و سازه می باشد.
2 مشخصات مدل سازه
در این مطالعه سه ساختمان 5، 10 و 15 طبقه به ترتیب با ارتفاع های 16، 32 و 48 متر بر اساس آیین نامه طراحی زلزله 2800 ویرایش چهارم با انجام تحلیل استاتیکی خطی و دینامیکی طیفی همراه با لحاظ کردن اثر ترک خوردگی در این آیین نامه تحلیل اولیه شده و بر طبق آیین نامه ACI 360-10 طراحی شده اند. تحلیل و طراحی ساختمانها تنها در راستایی که سیستم باربر جانبی آنها قاب خمشی و دیوار برشی است، انجام شده است.همانگونه که در شکل1 قابل مشاهده است دیوارهای برشی در دو قاب کناری تعبیه شده اند و تمام نتایج متعلق به همین راستا بوده و راستای عمود در محاسبات و نتایج در نظر گرفته نشده است. همچنین پلان تمام ساختمان ها به صورت نشان داده شده در شکل می باشد.
پس از طراحی ساختمان از المان Shell برای مدلسازی پی سطحی زیر ساختمان در ضخامت های 0,7 و 0,9 و 1,2 متر به ترتیب برای ساختمان های 5و 10 و 15 طبقه استفاده شده است سپس از المان هایی به صورت عمودی که تنها قادر به تحمل نیروهای فشاری هستند به منظور مدلسازی سختی مجموع خاک و پی در زیر پی ساختمان و در فواصل 0,1 متر استفاده شده است.
این طریقه قرار گیری فنرها موجب به در نظر گرفتن تاثیر انعطاف پذیری خود شالوده بر دوران سازه و دیوار برشی می شود. لازم به ذکر است که درجات آزادی در پی سازه در راستای حرکت انتقالی در نظر گرفته نشده است و به این ترتیب از حرکت سازه در راستای انتقالی جلوگیری به عمل آمده است و پی سازه تنها در راستای قائم امکان جابجایی دارد.
برای درک بهتر تاثیر میزان سختی خاک بر روی نتایج مشاهده شده المانهای فشاری با سختی های متفاوت 2000، 1600، 1200 و 800 تن بر متر مدل شده و نتایج با حالت تکیه گاه کاملا گیردار و سختی 20,000,000 تن برمتر مقایسه شده است.پی ها در ساختمان 5 و 10 طبقه به صورت نواری و در ساختمان 15 طبقه به صورت گسترده مدل شده اند و ابعاد آنها طوری درنظر گرفته شده است که تنش خاک در حدود 2,5 کیلوگرم بر سانتی متر باشد.
