بخشی از مقاله
چکیده
سختی مناسب برای کنترل دریفت سازه، مکانیزم شکست شکلپذیر و جذب انرژی بالا از مزایای دیوارهای فولادی میباشند. در حوزهی نزدیک گسل، اثرات جهتپذیری پیشرونده باعث نگاشتهای پالسی شکل، پریود بلند یا مدت زمان موثر کوتاه و دامنهی بزرگ در تاریخچهزمانی سرعت حرکت زمین شده که این مسئله باعث افزایش نیاز شکلپذیری برای سازهها میشود.
تاریخچه زمانی غیر خطی به-عنوان یک تحلیل دینامیکی جهت مشاهده تاثیر واقعی تحریک زلزله روی یک سازه نسبت به سایر روشهای تحلیل استفاده میگردد تا برخی از نیازهای سازه مانند برش پایه و تغییر مکان نسبی طبقات تحت رکوردهای نزدیک گسل بررسی گردند.
در این مقاله قابهای 1، 3، 5 و 10 طبقه در دو حالت طراحی و مطالعه گردید. در حالت اول، طراحی بر اساس عملکرد و با تخصیص 100 درصد برش طبقه به دیوارها انجام گردیده است. در حالت دوم، دیوار برشی و قاب پیرامونی برای درصد واقعی مشارکت در بار جانبی طبقه طراحی گردیدهاند. نتایج بدست آمده بیانگر آن است که دریفت طبقات در حالت طراحی بهینه عموما بیشتر از حالت اول طراحی میباشد. بنابراین میبایست توجه خاصی به کنترل دریفتهای طبقات بخصوص تحت زلزلههای حوزهی نزدیک داشت. همچنین بعلت وجود پیک بزرگ در شتاب-نگاشتهای زلزلهی حوزه نزدیک، تغییر مکان شدیدی در زمان این پیک در سازهها ایجاد میشود.
مقدمه
ایده استفاده از دیوار برشی فولادی به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر بارجانبی در طراحی و تقویت ساختمانها بیش از سه دهه است که مورد توجه پژوهشگران و طراحان قرار گرفته است. این سیستم دارای سختی مناسب برای کنترل تغییر شکل سازه میباشد . و در آن به دلیل وجود مکانیزم شکست شکلپذیر ، اتلاف انرژی بالاست. دیوارهای برشی فولادی بدون سخت-کننده عموما به عنوان دیوارهای برشی فولادی ویژه طراحی میشوند آییننامه - AISC 341, 2005 - و راهنمای 20 از - AISC, 2005 - شامل ضوابط طراحی برای دیوارهای برشی فولادی ویژه برای مناطق با خطر لرزه خیزی بالا میباشد.
با توجه به تحقیقات، زلزلههای نزدیک گسل مبین آن است که دارای مدت زمان موثر کمتری نسبت به نگاشتهای دور از گسل بوده است و در نگاشتهای سرعت نزدیک گسل، یک یا چند پالس ضربهای با دامنهی بزرگ و دورهی تناوب زیاد وجود دارد که ناشی از اثرات جهتپذیری پیشرونده شکست است. حرکت پالسگونه باعث اعمال انرژی زیاد و ضربه گونهی زلزلههای نزدیک گسل بر روی سازه میشود، علاوه بر این زلزلههای نزدیک گسل تغییرمکانهای بزرگتری در سازه ایجاد میکنند که این مسئله میتواند یکی از عللهای ایجاد طبقهی نرم و تخریب آنی سازه گردد.
همچنین اگر عرض پالس در رکورد شتاب بیشتر از پریود طبیعی سازه باشد، خرابی وارده به سازه بیشتر خواهد شد. اندرسون و برترو، یک قاب فولادی سه دهانهی 10 طبقه را تحت زلزلهی امپریال مورد بررسی قرار دادند نتایج نشان داد که افزایش نسبت پریود پالس حرکت زمین به پریود طبیعی سازه موجب افزایش پاسخ غیرخطی و خسارت وارد به سازه میگردد، همچنین برای سازههای صلب در زلزلهی نزدیک گسل نیاز شکلپذیری افزایش مییابد
گوپتا و کوناس، دریافتند که توزیع نیروها در محدودهی الاستیک با یک شکل مثلثی یا ذوزنقهای انطباق بهتری با نتایج تحلیل دینامیکی ایجاد کرده و در تغییر شکلهای بزرگ، پس از آنکه سازه متحمل خسارت قابل ملاحظهای شد - در یک تراز طبقهی خاص - پوشهای دینامیکی نزدیک به حلهای بدست آمده از توزیع یکنواخت نیرو خواهد بود
آستانه اصل، روابط مربوط به تیرورق پیشنهاد شده توسط AISC را برای طراحی دیواربرشی فولادی توصیه کرد. وی ادعا کرد که استفاده از روابط مربوط به تیرورق منجر به نتایج محافظهکارانهتری نسبت به استفاده از سایر روشهای تحلیل دیواربرشی فولادی خواهد شد
علوی و کراولینکر، دریافتند که پاسخ سازه در زلزلههای نزدیک گسل بر روی اثرات بزرگتر مولفهی افقی عمود بر گسل متمرکز گردیده است. هرچند مواردی است که در آنها مولفههای حرکت موازی گسل نیز مهم است. برای مثال نرم شدن خاک در پاسخ به مولفهی حرکت بزرگ عمود بر گسل باعث کرنش بیشتری در جهت موازی گسل میشود. در این حالت خاک در مقابل مولفهی حرکتی موازی گسل از خود پاسخ نشان میدهد
برونو و بگوگر، تاثیر ورقهای نازک فولادی، فولاد با حد تسلیم پایین و مواد غیر فلزی دیگر که به منظور تقویت لرزهای قابهای فولادی در نواحی با لرزه خیزی پایین و بالا استفاده میشوند را بر روی رفتار سازه بررسی کردند. این محققین دریافتند که پانلهای میانی فولادی موجب کاهش جابه-جایی طبقه بدون افزایش عمده در شتاب آن میشوند همچنین ایشان ملاحظه کردند که فولاد با حد تسلیم پایین تا حدی باعث بهبود رفتار لرزهای تحت شرایط لرزهای شدید میشود
خرازی و صبوری، یک مدل عددی را که مدل اصلاح شدهی اندرکنش ورق و قاب نامیده میشد را برای آنالیز برشی و خمشی دیوارهای برشی شکلپذیر پیشنهاد کردند این مدل اندرکنش ورق و قاب اصلاح شده رفتار دیوارهای برشی ورق فولادی شکلپذیر را به سه بخش کمانش الاستیک، پسکمانش و جاریشدگی تقسیم مینماید
کورنل و همکاران، قابلیت اطمینان سازه-های فولادی را در برابر زلزلههای حوزهی نزدیک مورد مطالعه قرار داده و روشی برای طراحی لرزهای احتمالالتی ساختماها تحت زلزلههای حوزهی نزدیک پیشنهاد نمودند
کالکان و کوناس، نشان دادند در حوزهی نزدیک گسل، مدلها تحت یک یا دو سیکل نوسان انرژی زلزله سیکل را مستهلک میکنند و نسبت دورهی پالس به دورهی سازه در تعیین بیشتر نیاز سازه اهمیت دارد - . - Kalkan, and Kunnath, 2006 علینیا و دستفان، مقایسهای بین رفتار پانلهای سخت نشده و پانلهای به شدت سخت شده را انجام دادند و نشان دادند که پانلهای سخت نشده به دلیل داشتن صلبیت کمتر، قابلیت تغییرشکل بیشتری دارند. درحالی که پانلهای سخت شده قدرت جذب انرژی بیشتری دارند
انجان و همکاران، پاسخهای لرزهای غیرخطی دیوار برشی فولادی را مورد مطالعه قرار داده و اثر نرخ بارگذاری روی رفتار دینامیکی دیوار برشی فولادی بررسی نمودند . تحلیلهای دینامیکی غیرخطی تحت چهار رکورد زمین لرزه نشان داد که نرخ بارگذاری، تقاضای خمشی را اساسا در پای دیوار برشی فولادی افزایش میدهد
معمارزاده و همکاران - 2009 - ، در دو تحقیق جداگانه نحوه توزیع تنشهای اصلی در میدان کشش دیوار برشی فولادی سخت نشده با ورق نازک جان و نیز رفتار دینامیکی غیر خطی و تقاضای شکلپذیری آنرا مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از رفتار تنشهای تسلیم نشاندهندهی تاثیرات صلبیت خمشی و پیچشی اعضای مرزی در کمانش برشی ورق میباشد.
قلهکی و همکاران 1391 - - ، چهار قاب خمشی فولادی 5 دهانهی 3، 7، 15 و 25 طبقه با دیوار برشی فولادی الگوی نواری را بوسیله طیفهای نزدیک و دور از گسل مورد تحلیل قرار دادند. نتایج بدست آمده نشان داد که برش پایه و تغییر مکان نسبی بام سازههای 3 و 7 طبقه با طیف نزدیک گسل بین 2 تا 32 درصد کمتر از مقادیر آنها با طیفهای دور از گسل بوده و در سازههای 15 و 25 طبقه مقادیر گفته شده بر عکس بوده و بطور میانگین 22 و 50 درصد بیشتر از مقادیر طیفهای دور از گسل است.
عبادی و همکاران - 1394 - ، بر روی اثر میزان مشارکت ورق در تحمل برش طبقه برای قابهای 10 طبقه در دیوارهای فولادی با و بدون سختکننده را بررسی و مشاهده نمودند که توزیع نیروها در قاب و دیوار با توجه به دریفت طبقه میتواند متفاوت باشد. محسن گرامی و همکاران - 1394 - ، پنج مدل قاب خمشی فولادی 3، 5، 7، 10 و 15 طبقه را تحت 20 شتابنگاشت زلزله حاوی اثرات جهتپذیری پیشرونده و جهتپذیری خنثی مورد بررسی قرار دادند مقایسه نتایج روشهای خطی با نتایج حاصل از 100 تحلیل دینامیکی غیرخطی نشان داد که نسبت برش پایه حوزهی نزدیک به دور از گسل با افزایش پریود تجربی سازه با شیب 40 درصد افزایش مییابد. همچنین روشهای خطی دقت کافی برای تخمین نیاز تغییرمکان قابهای خمشی را نداشتند.
عبادی و همکاران - 1395 - ، قابهای 1، 3 و 5 طبقه را جهت تعیین میزان درصد سهم مشارکت قاب و ورق از برش طبقات مورد تحلیل و طراحی قرار دادند نتایج نشان داد که سهم قاب از برش طبقه نیز قابل ملاحظه بوده در صورتیکه آئیننامه روابط بسیار محافظهکارانهای را ارائه داده است که منجر به طراحی غیر اقتصادی مقاطع و چشمپوشی از سهم برش قاب میگردد.
ارزیابی لرزهای سازهها با هدف تعیین مقادیر تقاضا نظیر تنش، میزان جابهجایی، چرخش، وضعیت مفاصل پلاستیک و غیره تحت اثر بارهای ناشی از زمین لرزه و مقایسهی آنها با ظرفیت موجود سازه میباشد. با توجه به این موضوع که رفتار واقعی سازهها تحت نیروهای شدید زلزله غیرخطی میباشد برای آنکه بتوانیم رفتار واقعی سازهها به هنگام وقوع زلزله را بررسی نماییم باید از تحلیلهای غیرخطی نظیر پوشآور، تاریخچهزمانی غیرخطی و تحلیل تاریخچهزمانی1 غیرخطی فزاینده استفاده نماییم.
با توجه به پیشرفتهای اخیر، محققان شاهد اثرات متفاوت زلزلههای نزدیک گسل نسبت به زلزلههای دور از گسل بودهاند. در این مقاله قابهای 1، 3، 5 و 10 طبقه در دو حالت طراحی و مطالعه گردیدند. در حالت اول، طراحی بر اساس عملکرد و با تخصیص 100 درصد برش طبقه به دیوارها و در حالت دوم، دیوار برشی و قاب پیرامونی که برای درصد واقعی مشارکت در بارهای جانبی طبقه طراحی گردیدهاند را تحت نگاشت نزدیک گسل قرار داده و نتایج آن بهصورت مقایسهای ارائه گردیدهاند.
طراحی نمونهها
سازههای مورد بررسی دارای 1، 3، 5 و 10 طبقه و با ارتفاع یکسان 3 متر و دهانهی 6 متر، با کاربری مسکونی واقع در شهر تهران و بر روی خاک نوع 3 بوده و بر اساس آئیننامه ASCE 7-10 بارگذاری گردیدهاند. مقادیر بارهای مرده و زنده طبقات برابر با 5 و 2 و مقادیر بارهای مرده و زنده بام برابر با 5 و 1/5 کیلونیوتن بر متر مربع در نظر گرفته شده است. تمام اتصالات سازه به صورت مفصلی است و فقط تیرهایی که جزئی از دیوار برشی فولادی هستند دارای اتصالات گیردار میباشند.
