بخشی از مقاله
تاثیر تغییر آرایش مهاربند در قابهای دارای مهاربند مهاربند واگرا (EBF) بر عملکرد لرزه ای ساختمانهای کوتاه
چکیده
سیستم مهاربندی واگرا نیز یکی از سیستم های رایج باربر جانبی بسیار خوب در حالت ارتجاعی و شکل پذیری بالا در محدوده عملکرد غیر ارتجاعی است که رفتار جانبی لرزه ای سازه در آن ترکیبی از عملکرد خمشی- برشی تیرها و ستون های دهانه مهاربندی شده و عملکرد کششی- فشاری مهاربندها می باشد به منظور بررسی عملکرد لرزه ای این سیستم، مدل ها در 4 طبقه ، به عنوان قابهای کوتاه طراحی و توسط نرم افزار SAP2000 تحت تحلیل آنالیز استاتیکی غیرخطی (Pushover) قرار گرفته و مطالعه شدند. در این مطالعه تغییرات پارامترهای لرزه ای با توجه به تغییر آرایش مهاربند ها به صورت V و V معکوس مورد بررسی قرار گرفت. مقادیر پارامترهای شکل پذیری ، اضافه مقاومت و جابجایی نسبی طبقات برای تمامی قابها محاسبه شد.
واژه های کلیدی : عملکرد، مهاربند ، آنالیز استاتیکی غیر خطی ، پارامترهای لرزه ای ، اضافه مقاومت ، شکل پذیری
- 1 مقدمه
هر ساله زلزله در سرتاسر دنیا خسارات مالی و جانی بی حدی به بار می آورد بنابراین تلاش برای دستیابی به رفتار مناسب سازه برای به حداقل رسانیدن خسارات شایان توجه بسیار است. امروزه با پیشرفت علم و تکنولوژی روشهای گوناگونی برای طراحی مقاوم سازه ها در برابر زلزله وجود دارد از جمله این سیستمها قاب های فولادی مهاربندی می باشد. در این سیستم ها تحمل نیروی جانبی برعهده اعضای قطری گذاشته می شود. این سیستم ها برعکس قاب های صلب اجازه تغییرشکل زیاد به سازه نمی دهند و بر مبنای سختی محوری اعضا مهاربندی عمل می کنند.
قابهای مهاربندی شده با مهاربندهای همگرا (CBF) از جمله سیستم های باربر جانبی هستند که استفاده از آن ها متداول است ولی این قاب ها در برابر نیروهای زلزله عملکرد مناسبی از خود نشان نمی دهند. علت این رفتار نامناسب، کمانش مهاربند در نیروهای فشاری بزرگ است (حسینی .(51 :1390
سیستم مهاربندی واگرا نیز یکی از سیستم های رایج باربر جانبی بسیار خوب در حالت ارتجاعی و شکل پذیری بالا در محدوده عملکرد غیر ارتجاعی است که رفتار جانبی لرزه ای سازه در آن ترکیبی از عملکرد خمشی- برشی تیرها و ستون های دهانه مهاربندی شده و عملکرد کششی- فشاری مهاربندها می باشد و استفاده از آن در ساختمان ها از سال1980شروع و رفتار مناسب این سیستم در زلزله های مختلف از جمله زلزله1989اکتبر17لوما پریتا سبب رویکرد مضاعف مهندسان سازه به این سیستم گردید (پروری .(1 :1390 سیستم EBF هر دو شاخصه مهم شکل پذیری و سختی را به طور همزمان دارا می باشد. شکل پذیری شاخصه مهم قابهای خمشی می باشد و سختی نیز شاخصه اصلی قاب های مهاربندی همگرا می باشد. از قابهای مهاربندی شده واگرا انتظار می رود هنگامی که در معرض نیروهای ناشی از حرکت های زلزله قرار می گیرند، قادر باشند با تغییر شکل های غیر الاستیک قابل توجه در تیرهای پیوند در برابر این نیروها مقاومت نمایند (تهرانی زاده .(2 :1387
2 -معرفی مهاربندEBF
سیستم مهاربندی واگرا یکی از سیستم های رایج باربر جانبی می باشد که از سختی جانبی بسیار خوب در حالت ارتجاعی و شکل پذیری بالا در محدوده عملکرد غیر ارتجاعی برخوردار است. شکل پذیری سیستم مهاربندی واگرا بسیار حساس به موقعیت و اندازه تیر پیوند می باشد(قدیری .(2 :1389سیستم مهاربندی خارج از مرکز (EBF) توسط آقای پوپوف (Popov) معرفی شد. این پدیده از بررسی رفتار هیسترتیک قاب های ممان بر و مهاربندهای هم مرکز و مقایسه آنها با هم و نهایتاً با تعریف سیستم سازه ای که قابلیت های هر دو را داشته باشد حاصل شد. سیستم یاد شده دارای قابلیت شکل پذیری بالا در حد شکل پذیری قاب های خمشی می باشد و همچنین در صورت طراحی صحیح می تواند مانند سیستم های مهاربندی هم محور از ایجاد تغییر مکان های جانبی زیاد در بین طبقات و نیز کل سازه جلوگیری کند. بنابراین به عنوان یک سیستم مناسب در طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله می تواند مطرح باشد. از دیدگاه طرح های معماری، انعطاف پذیری خاصی در سیستم هایEBF دیده می شود و عامل خروج از مرکزیت مهاربندها، آزادی عمل بالایی را به معماران در اجرای طرح هایشان می دهد. این نکته که در سیستم های EBF هیچ اجباری در این نیست که حتماً مهاربندها از راستای برخورد محور تیرها با ستون ها عبور کنند مزیت دیگر سیستم های EBF در مقایسه با سیستم های CBF است. زیرا در این حالت پیچیدگی هایی که اجرای تیر به ستون در سیستم CBF دارد در اجرای اتصالات سیستم های EBF دیده نمی شود. در شکل 1 انواع مهاربند های واگرا نشان داده شده است(حسینی .(69 :1390
در چند دهه اخیر با تحقیقات لرزه ای محققین بر رفتار سیستم های EBF به بسیاری از سوالات موجود در این زمینـه پاسـخ داده شده است. در پی این تحقیقات لرزه ای متوجه شده اند که سختی این سیستم ها خیلی بهتر از آن مقداری است که تصور می شد. همچنین این بررسی ها نشان داده اند که عامل خروج از مرکزیت مهاربند ها یک عامل مخرب سیستم و یک نقص در سیستم سازه ای نیست بلکه دقیقاً برعکس این تصور، در صورت طراحی مناسب آن، باعث افزایش بازدهی در میزان شکل پذیری سیستم خواهد بود. در سیستم EBF که به طور صحیح و مناسب طراحی شده باشد، قاب و اعضای خارج از تیر رابط به گونه ای طراحی شده انـد که در تمامی طول اعمال نیروی باد یا زلزله در محدوده ارتجاعی باقی بمانند و تغییر شکل های غیر ارتجاعی فقط محـدود بـه تیـر رابط شود. تیر رابط باید به گونه ای طراحی شود که تحت تغییر شکل های غیر ارتجاعی مقاومت خود را از دست ندهد. همچنین از یک سیستم EBF انتظار می رود که در طی اعمال نیروی زلزله خسارات جدی به اعضای سازه ای قاب وارد نشود و تمـامی تغییـر شکل های غیر خطی و بزرگ تنها به تیر رابط محدود شود. لیکن در زلزله های شدید بایستی پایداری تیر رابط حفظ شود و تنها با تغییر شکل های ایجاد شده در آن، انرژی را مستهلک کند (حسینی .(70 :1390
اصول طراحی قاب مهاربندی شده واگرا با بررسی مقاومت کششی یک رشته زنجیر مطابق شکل 2 به نحو مناسـبتری قابـل درک می باشد .
می توان چنین نتیجه گرفت که شکل پذیری کل یک زنجیر نیز توسط شکل پذیری یک حلقه از آن قابل کنترل می باشد. مقاومت کششی اسمی (ایده آل) این حلقه شکل پذیر در نظر گرفته می شود، در حالی که حلقه های دیگر که تـرد فـرض مـی شـوند مـی بایست به نحوی طراحی شوند که مقاومتی بیش از مقاومت حداکثر ممکن در حلقه ضعیف را دارا باشند. بدین معنا که حلقه شکل پذیر در نظر گرفته شده، e در یک سیستم مهاربندی شده واگرا است و قطعه تیر خارج از ناحیه پیوند، مهاربندها و ستون ها حلقه های دیگر زنجیر می باشند که از آنها انتظار رفتار ترد می رود و می بایست بگونه ای طراحی شوند که مقـاومتی بـیش از مقاومـت حلقه ضعیف داشته باشند(تهرانی زاده .(3 :1387
3 -پیکربندی مهاربند EBF
انتخاب نوع پیکربندی برای مهاربندها به عوامل مختلفی مانند، نسبت ارتفاع به عرض دهانه ها، اندازه و محل بازشوهای مورد نیاز و ...وابسته می باشد. این عوامل ممکن است مانع بهینه سازی مقاطع گردد. آیین نامه UBC تاکید می کند که هر یک از مهاربنـدها بایستی حداقل در یک ا نتهای خود به یک تیر رابط متصل باشند. تیرهای دهانـه مهاربنـدی شـده در سیسـتم هـای بـاربر جـانبی مهاربندی شده واگرا، می توانند از نیمرخ های نورد شده یا ساخته شده از ورق، کـه دارای جـان و بـال سـاخته شـده از فولادهـای یکسان یا متفاوت می باشند، به کار روند.
این تیرها متشکل از دو ناحیه می باشند: -1 ناحیه تیر پیوند و-2 ناحیه خارج از تیر پیوند؛ اتصال مهاربند های واگرا به تیر و یا بـه گره اتصال تیر به ستون، می تواند به صورت گیردار یا مفصلی باشد. تیر دهانه مهاربندی شده، اعم از تیر پیوند و تیر خارج از ناحیه تیر پیوند، باید برای نیروهای محوری- خمشی و برشی ناشی از بارگذاری ثقلی و زلزله، به صورت تیر ستون طراحی شوند (حسینی.(70 :1390
- 4 معرفی قابهای مورد مطالعه
در این تحقیق 2 قاب 4 طبقه مهاربندی شده با مهاربند EBF به عنوان ساختمان کوتاه با تغییـر در نـوع آرایـش مهاربنـد مطـابق شکل 3، دارای 3 دهانه به طول دهانه 4 متر و ارتفاع طبقـه 3 متـر تحـت تحلیـل Pushover در نـرم افـزار SAP2000 براسـاس دستورالعمل FEMA-356 قرار گرفتند. در قابهای مهاربندی شده با مهاربند EBF طول تیر پیوند برابـر L/8 طـول دهانـه در نظـر گرفته شده است. در یکی از قابها آرایش مهربند به صورت هشتی است ( (EBF- و در یک قاب به صورت هفتی ، هشتی است (،.( EBF-9
شکل (3)آرایش مهاربند درقابهای 4 طبقهEBF
- 5 مشخصات مصالح و خاک محل احداث قابها
قابهای مورد بررسی بر روی خاک نوع II براساس آیین نامه 2800 و منطقه با خطر بالای زلزله واقع شده اند. با توجه به اینکه سازه ها فولادی می باشند، از فولاد ST-37 با تنش تسلیم و تنش گسیختگی به ترتیب برابر 24 KN/cm2 و 37 KN/cm2 استفاده شده است.
- 6 بارگذاری قابها
بارهای موجود در این مقاله شامل بارهای ثقلی (مرده و زنده) و بارهای جانبی (زلزله) می باشد و بارگذاری براساس آیین نامه 2800 ویرایش سوم لحاظ شده است. بارمرده طبقات 7 KN/m2 و بار زنده ، 2 KN/m2 با فرض قاب میانی یک سازه مسکونی در نظر گرفته شده است.
- 7 معرفی مفاصل پلاستیک و سطح عملکرد
کلیه مفاصل معرفی شده در مدل ها اعم از کنترل شونده توسط تغییر شکل یا کنترل شونده توسط نیرو، براساس ضوابط آیین نامه FEMA-356 تعریف گردیده است. از منحنی نیرو - تغییر شکل که در شکل 4 نشان داده شده است برای تعریف رفتار غیر خطی اعضا با رفتار کنترل شونده توسط تغییر شکل، در نرم افزار استفاده شده است. اثرات سخت شدگی کرنشی با در نظر گرفتن شیبی برابر %3 شیب قسمت ارتجاعی در نظر گرفته شده است. مفاصل غیر خطی تعریف شده در قابهای EBF برای ستونها مفصل اندرکنشی P-M3 در ابتدا و انتهای طول ستونها ، برای تیرپیوند مفصل برشی V در وسط، برای تیرهای دهانه مهاربندی شده مفاصل خمشیM3 و برشی V و برای تیرهای خارج از دهانه مهاربندی شده مفصل خمشی M3 در دو انتها و برای مهاربندها مفصل نیرویی P در وسط معرفی شده است.
سطح عملکرد مورد انتظار براساس FEMA-356 و دستورالعمل بهسازی ، سطح ایمنی جانی (Life Safety) و تحت اثر زلزله سطح خطر - 1 در آیین نامه 2800 می باشد.
شکل( ( 4 نمودار بار- جابجایی در المانهای فولادی براساس FEMA-356
- 8 روش الگوی بارگذاری ثقلی در آنالیز استاتیکی
براساس FEMA-356 و دستورالعمل بهسازی دو ترکیب بار برای در نظر گرفتن اثرات بارهای ثقلی معرفی شده است که عبارتند از:
که QD بار مرده، QL بار زنده و QG بار ثقلی است.
-9 مشخصات الگوی بار جانبی در آنالیز استاتیکی غیر خطی
در آنالیز استاتیکی غیر خطی، بار جانبی ناشی از زلزله ، استاتیکی و به تدریج به صورت فزاینده به سازه اعمال می شود تا آنجا که در یک نقطه خاص، تحت اثر بار جانبی مشخص برسد. براساس FEMA-356 و دستورالعمل بهسازی توزیع بار جانبی روی مدل سازه باید تا حد امکان شبیه آنچه هنگام زلزله رخ خواهد داد باشد و حالت های بحرانی تغییر شکل و نیروی داخلی را در اعضا ایجاد کند. توزیع بار جانبی از زلزله ، تابع مشخصات دینامیکی سازه و رفتار غیر خطی آن است و در طول سازه تغییر می کند. از آن جایی که در هر سازه ای احتمال چندین مود خرابی وجود دارد ، لازم است توزیع بار جانبی به گونه ای انتخاب شود که بحرانی ترین مود مورد بررسی قرار گیرد. توزیع های بار جانبی در این مقاله عبارتند از:
• الگوی مثلثی
• الگوی یکنواخت
• توزیع نیروی جانبی متناسب با شکل مود اول
• توزیع بار جانبی حاصل از تحلیل دینامیکی طیفی ( برای سازه هایی که دارای زمان تناوب اصلی بیشتر از یک ثانیه
