بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهم ترین مسائلی که در هنگام وقوع زلزله موجب ایجاد خسارات فراوان می شود، پدیده ضربه است. ضربه در سازه هایی با فاصله ناکافی از یکدیگر و در اثر ارتعاش غیر هم فاز به وجود می آید.یکی از روش هایی که در زمینه کاهش اثر ضربه می توان مورد بررسی قرار داد استفاده از میراگر اصطکاکی پال است.در اکثر مطالعات انجام شده توزیع میراگرها به صورت یکنواخت می باشد.هدف از این تحقیق بررسی تاثیر توزیع میراگر اصطکاکی پال در قاب های خمشی فلزی بر ضربه بین دو ساختمان است.
در این تحقیق دو قاب فولادی 3 و 6 طبقه با استفاده از المان اتصالی GAP در مجاورت یکدیگر قرار داده شدند.به منظور کاهش اثر ضربه میراگرهای اصطکاکی پال با الگوهای توزیع متفاوت در داخل قاب قرار گرفتند و سپس انالیز دینامیکی غیرخطی تحت شتابنگاشت های مقیاس شده با استفاده از نرم افزار SAP2000 انجام شد. نتایج بدست امده بیان کننده این مطلب است که در قاب کوتاه تر توزیع میراگر درنقاط برخورد و در قاب بلندتر در طبقات بالای محل ضربه الگوی بهینه است و کم ترین مقدار پاسخ را نتیجه می دهد.
-1 مقدمه
در طی زلزله های شدید سازه هایی که در مجاورت یکدیگر ساخته شده اند و دارای فاصلهی کافی از یکدیگر نمی باشند به یکدیگر برخورد کرده که به آن پدیده ضربه می گویند. اختلاف بین مشخصات دینامیکی - جرم سختی و ارتفاع - سازه های مجاور باعث ارتعاش غیر هم فاز آن ها شده که علت اصلی پدیده ضربه می باشد و هرچه این اختلاف در شکل ارتعاش بیشتر باشد ضربه شدیدتری بین آن ها اتفاق می افتد و بالعکس در صورتی که دو سازه دارای مشخصات دینامیکی یکسان باشند حتی اگر هیچ فاصله ای بین آن ها وجود نداشته باشد به یکدیگر برخورد نمی کنند.
ضربه زدن سازه های مجاور به یکدیگر در زلزله های شدید سال های گذشته از قبیل الاسکا - 1964 - ، سانفرناندو - 1971 - ، رومانی - 1977 - ، یونان - 1981 - ، نورثریج - 1994 - ، کوبه - 1995 - گزارش شده است. در زلزله 1989 لوما پریتا در طیف وسیعی از آسیب ها مشاهده شده است در سازه ها پدیده ی ضربه مستقیماً دخالت داشته است. در زلزله 1989 مکزیکوسیتی بیش از 15 درصد از 330 ساختمانی که دچار آسیب های جدی شده و یا به کلی تخریب شده اند ناشی از پدیده ی ضربه بوده است.
یکی از روش های کنترل ارتعاشات سازه ها تحت تاثیر بارهای لرزه ای استفاده از وسایل اتلاف انرژی یا میراگرها است. کاربرد این وسایل هم در طراحی ساختمان های جدید و یا در مقاوم سازی ساختمان های موجود به سادگی امکان پذیر است.
این سیستم ها با جذب و استهلاک درصد بالایی از انرژی ورودی به سازه شرایط ایمن و پایداری را نسبت به ساختمان های مشابه فراهم می کنند.
میراگرها به جای افزایش شکل پذیری عناصر سازه ای تکیه بر مستهلک نمودن انرژی لرزه ای دارند. امروزه استفاده از میراگرها به عنوان روش اقتصادی و عملی برای افزایش مقاومت دینامیکی سازه ها قابل ذکر است. بنابراین استفاده از آن جهت مقاوم سازی ساختمان ها و بناهای متعارف نیز امکان پذیر است. [2]
-2میراگر اصطکاکی
در این نوع میراگر انرژی زلزله صرف غلبه بر اصطکاک موجود در سطح تماس قطعات می شود. از ویژگی های دیگر این میراگرها می توان به عدم ایجاد خستگی در بارهای خدمت به دلیل فعال نشدن میراگرها تحت این بارها و وابسته نبودن عملکرد آن ها به سرعت بارگذاری و دمای محیط میتوان اشاره نمود. این میراگرها به موازات مهاربندها نصب می شوند.
چنانچه از این میراگرها جهت بهسازی ساختمان استفاده شود و این نوع مستهلک کننده به عنوان نمونه در مهاربندی های قطری تعبیه گردد باید طراحی به نحوی باشد که پیش از جاری شدن مهاربند کششی در ان لغزش اتفاق بیفتد تا بتواند به صورت مکانیکی انرژی ورودی به ساختمان را مستهلک نماید. میراگرهای اصطکاکی به صورت ساده متشکل از یک مکانیزم با سطوح لغزشی در محل تقاطع بادبندها می باشند. میراگرهای اصطکاکینسبتاً ساده برای مدلسازی هستند.
آن ها می توانند مانند تاندوم یا فنر با سختی داخلی و نیروی تسلیمی برای دادن بار لغزش مدل شوند. مدل ها معمولا منحنی های کاملاً الاستوپلاستیک هستند. اصطکاک منبع اتلاف انرژی ارزان تری نسبت به سایر منابع است و این ساخت میراگرهای اصطکاکی را ارزان تر می سازد اما از طرف دیگر میراگرهای اصطکاکی اغلب در معرض هوا هستند و ممکن است زنگ بزنند یا خیس شوند و خواص لغزش آن ها تغییر میکند به حرارت محیط نیز باید توجه شود.
در سال 1986 یک قاب سه طبقه مجهز به میراگرهای اصطکاکی در دانشگاه بریتیش کلمبیا شهر ونکوور روی یک میز لرزان مورد آزمایش قرار گرفت. حتی یک رکورد زلزله با شتاب حداکثر g0.9 هیچ صدمه ای به قاب مهاربندی شده با میراگر اصطکاکی وارد نکرد، درحالی که قاب های معمولی به شدت در سطوح لرزه ای پایین آسیب دیده بودند.
در سال 1988 یک قاب 9 طبقه سه دهانه مجهز به میراگرهای اصطکاکی در مرکز تحقیقات مهندسی دانشگاه برکلی کالیفرنیا روی یک میز لرزان مورد آزمایش قرار گرفت. تمام اعضای قاب مجهز به میراگر اصطکاکی برای شتاب g0.84 الاستیک باقی ماندند درحالی که قاب خمشی در شتابی حدود g0.3 دچار تسلیم شد . در سال 1391 عملکرد سازه ای ساختمان فولادی 5 طبقه دارای سیستم قاب خمشی بادبندی شده را در دو حالت با و بدون میراگر اصطکاکی پال مورد مقایسه قرار دادند. در پژوهش مذکور مشخص شده است که تحت رکورد زلزله السنترو سازه مجهز به میراگر به ازای بار لغزش 20 تن به عنوان بار بهینه لغزش میراگر، نسبت به سازه بدون میراگر دارای عملکرد سازه ای بهتری می باشد.
واثقی امیری و تمجید به بررسی عملکرد لرزه ای سازه های بتنی مجهز به میراگر اصطکاکی پال پرداختند. مدل های استفاده شده در پژوهش در عملکرد لرزه ای خود دچار مشکل بوده و توانایی برآورده کردن مقررات لرزه ای را نداشتند. مفاصل پلاستیک به تیرها و ستون ها اختصاص داده شد و سپس تحلیل استاتیکی غیر خطی انجام شد. نتایج پژوهش نشان دهنده این است که میراگر اصطکاکی پال می تواند یک ابزار مناسب برای مقاوم سازی محسوب شود، سطح عملکرد در صورت استفاده از میراگر بهبود یافته و در نیروی لغزش بهینه به ایمنی جانی می رسد.
واثقی امیری و محمدنیا به بررسی توزیع بهینه میراگر های اصطکاکی پال در قاب های فولادی پرداختند. دو قاب فلزی 5 و 8 طبقه مدلسازی شدند. سپس میراگرهای اصطکاکی با الگوی تک حذفی، که در آن یک میراگر حذف شده و الگوی دو حذفی، که در آن دو میراگر حذف شده، در درون قاب های فلزی قرار گرفتند. نتایج بدست آمده نشان دهنده این است که عملکرد میراگر تابع نوع زلزله است و با حذف میراگر نیروی لغزش بهینه نسبت به حالتی که در تمام طبقات مجهز به میراگر هستند، به سمت درصدهای بالای وزنی میل می کند.
-3مدلسازی قاب مورد مطالعه
در این مطالعه دو قاب فولادی 3 و 6 طبقه مورد مطالعه قرار گرفتند.این قاب ها 3 دهانه, عرض دهانه ها در هر جهت 4 متر و ارتفاع طبقات 3 متر در نظر گرفته شده است.
در این پژوهش برای مدلسازی ضربه از المان GAPکه دارای رفتاری صرفاً فشاری بوده استفاده شده است. رفتار این المان به گونه ای است که دارای ماهیت غیرخطی با سختی دوخطی می باشد. به این صورت که فقط در زمانی که دو ساختمان در تماس با یکدیگر هستند - یعنی در زمان ضربه - سختی این المان فعال است و در صورت جدا شدن ساختمان ها از یکدیگر سختی این المان صفر در نظر گرفته می شود.
جهت مدلسازی این المان در نرم افزار SAP2000 نیاز به تعریف دو پارامتر سختی و فاصله بین دو سازه است. مقدار سختی کیلوگرم بر مترمربع در نظر گرفته شد میزان فاصله دو سازه نیز با توجه به آیین نامه 2800 زلزله 0.5درصد ارتفاع ساختمان کوتاه تر قرار داده شد.
در این پژوهش از میراگر اصطکاکی پال در مهاربند ضربدری استفاده شده است. برای مدلسازی میراگر اصطکاکی پال در SAP2000 از المان پلاستیک ون استفاده شده است. این المان همانند عضوی عمل می کند که دارای دو وضعیت خطی و غیرخطی است و برای اینکه این عضو همانند یک میراگر اصطکاکی به صورت الاستو-پلاستیک کامل رفتار کرده و منحنی هیسترزیس آن به شکل مستطیلی باشد لازم است مقادیر مربوط به چند پارامتر را به درستی وارد کرد . این پارامترها شامل سختی - K - ، نیروی تسلیم - yield - ، نسبت سختی پس از تسلیم به سختی الاستیک - ratio - و توان exp است. رابطه ی نیرو-تغییرشکل این المان به صورت زیر تعریف می شود:
z متغیر هسترتیک داخلی میباشد که براساس معادلات - - 2و - - 3 نتیجه میشود:
-4 تعیین نیروی لغزش بهینه میراگر
مهم ترین مشخصه میراگر اصطکاکی پال نیروی لغزش بهینه آن است. میزان انرژی مستهلک شده توسط این میراگر برابر حاصل ضرب بار لغزش در میزان جابجایی تمام میراگرها است. در واقع انرژی مستهلک شده به بار تعیین شده برای لغزش میراگرهای اصطکاکی وابسته است.
در این پژوهش برای تعیین نیروی لغزش بهینه مقادیر 30و20،25 ، 10،15 ، 5 درصد وزن هر کدام از سازه ها را به طور جداگانه به عنوان نیروی لغزش در نظرگرفته شد. سپس نیروهای لغزش سازه را بر تعداد طبقات آن تقسیم شد و به طور مساوی به هریک از میراگرهای استفاده شده در آن سازه اختصاص داده شد. به ازای هریک از مقادیر نیروی لغزش قابهای مورد بررسی تحت شتابنگاشت های مقیاس شده تحت تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی قرار گرفتند و پاسخ های غیرخطی قاب ها محاسبه شد. براساس نتایج بدست آمده بار متناظر با کمترین پاسخ به عنوان بار لغزش بهینه میراگر انتخاب شد.
