بخشی از مقاله
چکیده
تجاربی که از زلزلههاي گذشته در سرتاسر جهان بدست آمده است، نیاز به طراحی و اجراي سازههایی با آسیبپذیري و خسارت کمتر و تعمیر آسانتر بعد از یک زلزله بزرگ را گوشزد میکند. در طول یک زلزله بزرگ سیستمهاي مقاوم جانبی لرزهاي سنتی، خسارات جدي را درسیستم سازهاي میتوانند تحمیل کنند و جابهجاییهاي نسبی باقیمانده در سازه، تعمیر سازه را بعد از زلزله بسیار سخت و غیراقتصادي میکند. لذا در سالهاي اخیر استفاده از این نوع سیستم سازهاي، که به سیستم با خسارت کم معروف است، ترویج یافته است .
این سیستمها شامل قاب با جابهجایی کنترل شده، فیوزهاي سازهاي قابل جایگزین جهت تامین ایمنی کافی در برابر زلزله - مستهلک کننده انرژي - و تاندونهاي پس کشیده ي عمودي جهت بازگشت سازه به حالت اول خود، میباشد. پارامترهاي مختلفی بر رفتار فیوز و متعاقبا بر رفتار قاب تاثیرگذار هستند که از مهمترین آنها میتوان به پارامتر مقاومت باقی مانده اشاره کرد. هدف از ارائه ي این مقاله بررسی رفتار فیوزها در قاب فولادي با سیستم خسارت کم و تاثیري که تغییرات مقاومت باقیمانده بر آن میگذارد، میباشد.
کلید واژهها: سیستم مقاوم جانبی، فیوز، تاندون پس کشیده، تغییرشکل الاستیک، مقاومت باقیمانده
مقدمه
طراحی، مدلسازي و اجراي سازههایی با این ویژگی که بتوان الف - توجه را روي خسارت متمرکز نمود ب - بعد از زلزلههاي بزرگ قابل استفاده باشد پ - هزینههاي آن منطقی و اقتصادي باشد، در چندین سال اخیر مورد توجه قرار گرفته است. سیستم قاب فولادي مهاربندي با خسارت کم، یک سیستم مقاوم با عملکرد بالا در برابر نیروي لرزهاي، براي ساختمانهاي قاب فولادي میباشد. در این سیستم، قابها با جابهجایی کنترل شده و فیوزهاي سازهاي قابل جایگزین جهت تامین امنیت و مقاومت کافی در برابر زلزله به کار گرفته شده است. این سیستم ترکیبی از ویژگیهاي مطلوب قاب مهاربندي فولادي معمولی و فیوزهاي برشی مستهلک کننده ي انرژي است و شامل سه بخش زیر میباشد:
- 1 قابهاي فولادي که ذاتاً الاستیک باقی می مانند و اجازه دارند که حرکت کنند.
- 2 تاندون هاي پس کشیده ي عمودي جهت افزایش مقاومت واژگونی و ویژگیهاي برگشتپذیري که سازه را بعد از زلزله به حالت اول خود برمیگرداند. - 3 المانهاي قابل جایگزینِ مستهلک کننده ي انرژي که همان فیوزها هستند و بهصورت موثري نیروهاي واردشده به پایه ي سازه را محدود میکنند. هر کدام از این اجزا نقش بسزایی را در رفتار این سیستم ایفا میکند.
روشی که اخیراً طراحان سازه براي جلوگیري از خرابیهاي وسیع در سازه، بعد از زلزله هاي بزرگ، به کار میبرند، روش طراحی بر اساس عملکرد است. در این روش طراح میتواند بر اساس موقعیت لرزهخیزي منطقه، خاص بودن سازه ي مورد نظر و...، سازه را بر اساس یک سطح عملکرد خاص طراحی کندمثلاً. اگر سازه خیلی ویژه و در منطقهاي با لرزهخیزي بالا باشد میتواند سازه را Operational طراحی کند که بعد از زلزله هیچ آسیبی سازه نبیند. بهطور معمول سازهها را بر اساس سطح عملکرد Life Safety طراحی میکنند که در این صورت بعد از زلزله پیکرسازه حفظ میشود ولی خرابی را شامل میشود. حال براي حداقل کردن این خرابی و امکان استفاده از سازه بعد از زلزله از سیستمهاي خسارت کم، استفاده میکنند که روي خرابی متمرکز میشود و جابهجاییهاي نسبی بعد از زلزله را به حداقل میرساند و با استفاده از تاندون و حفظ ویژگی برگشتپذیري، سازه را بعد از زلزله به حالت اول خود بازمیگرداند و قسمت اعظمی از انرژي زلزله را به واسطه ي فیوزها مستهلک میکند.
در این روش نیازمند به طراحی قاب هایی در سازه هستند که بتوانند جابهجایی آن را تحت کنترل خود گیرند. براي نیل به این هدف استفاده ازالمان هایی چون فیوز با قابلیت تعویض، تاندون هاي پس کشیده، اجازه ي جابهجایی به یک سري از ستون ها، به کار گرفته شده است که استفاده از هر کدام از موارد بالا آنها را در رسیدن به سازه اي با کمترین خسارت یاري می دهد . - Eatherton et al.,2010 - در این مقاله براي بررسی رفتار قاب فولادي مهاربندي سه طبقه با سیستم خسارت کم از تحلیل دینامیکی غیرخطی در نرم افزار OpenSEES استفاده شده است. از آنجاییکه پارامتر مقاومت باقیمانده بر رفتار مستهلک کننده ي انرژي و به تبع آن بر رفتار قاب فولادي موثر است، در این مقاله مقدار این پارامتر تغییر یافته و براي هر بار تغییر، قاب تحلیل شده و نتایج حاصله مورد بررسی قرار گرفته است.
معرفی مدل
مدل ارائه شده در این مطالعه شامل قاب فولادي مهاربندي سه طبقه می باشد . در سیستم به کار گرفته شده در این قاب، سیستم خسارت کم، کلیه ي ستون هاي طبقه ي اول قابلیت بلند شدن دارند. قاب شامل سه دهانه می باشد. دو دهانه ي کناري که شامل مهاربند همگرا می باشد و دهانه ي وسطی که مستهلک کننده هاي انرژي، فیوز، به شکل مهاربندي در آن تعبیه شدهاند.در کنار تمام ستونها، از پایه تا سقف، تاندونهاي پسکشیده قرارگرفته شدهاست. جلوگیري از تسلیمکابلپس کشیده در ساختمانهاي با ارتفاع کم مسئله ي مهمی میباشد. نمونهاي از مدل پیشنهادي در شکل 1 نشان داده شده است.
معرفی شتاب نگاشتها و ویژگیهاي آنها
براي مدل مورد مطالعه هفت رکورد زمین لرزه در نظر گرفته شده و سازه تحت این هفت رکورد قرار داده شده است. این شتاب نگاشت ها شامل زلزله هایی با بزرگی بیشتر از 6 ریشتر می باشند. دسته بندي این رکوردها در جدول 1 آورده شده است.شتاب نگاشت هاي به کار گرفته شده شامل دو مکانیسم می باشند. یکی از مکانیسم ها شکست گسل تحت برش - لغزش - و دیگري شکست تحت فشار - معکوس - می باشد.رکوردها از پایگاه مهندسی زلزله اقیانوس آرام1 گرفته شده است. در تمامی حالات مولفه ي افقی رکورد لحاظ شده و هیچ پس لرزه اي را شامل نمی شود. هم چنین در این مطالعه اثرات خاك نرم لحاظ نشده است.
معرفی پارامتر مقاومت باقیمانده و تاثیر آن بر رفتار فیوز
عملکرد فیوز
در سیستم خسارت کم براي محو کردن و از بین بردن انرژي لرزه اي و مطمئن شدن از تعمیر آسان بعد از خسارتی که زلزله وارد می کند، مستهلک کننده هاي انرژي با عنوان فیوز در سیستم مقاوم جانبی استفاده می شود . در طول آزمایشات انجام شده بر روي این سیستم ها، فیوزها تغییر شکل هاي برشی به بزرگی 7-12% که به هندسه ي سیستم بستگی دارد را تجربه می کنند. براي رسیدن به تغییر شکل هاي برشی بزرگ، فیوزها با شکل پذیري بالا می بایستی کشف و طراحی شوند.قرار گرفتن فیوزها در دهانه ي وسط و اجازه ي بلند شدن ستون ها در سیستم خسارت کم، کرنش در فیوز را دو برابر میکند . این کار خسارت را روي فیوز متمرکز می کند و بدین ترتیب تعمیر سازه بعد از زلزله ساده سازي می شود. هر چه قدر نسبت اندازه ي دهانه ي مهاربندي به دهانه ي وسط که فیوز در آن قرار گرفته کمتر باشد، کرنش فیوز کمتر خواهد بود.
جنس و شکل فیوز
اجزاي فیوز با شکل پذیري و سختی کافی می بایستی طراحی شوند تا بتوانند انرژي را در طول بارگذاري چرخه اي که در طول زمین لرزه ي بزرگ انتظار می رود که به وجود آید، مستهلک کند. علاوه بر این، فیوز ها باید طوري طراحی شوند که به راحتی بعد از وقوع یک زمین لرزه، جا به جا شوند.به طور معمول فیوزها، ورق هاي فولادي نازك با ضخامت 6 میلی متر و پروانه اي شکل هستند. نمونه اي از فیوزهاي مورد استفاده در سیستم خسارت کم در شکل 2 آمده است. - Hall et al ., 2010 -
نحوه ي استخراج نتایج
جهت بررسی تاثیر پارامتر مقاومت باقیمانده و تاثیر آن بر رفتار فیوز و قاب فولادي مهاربندي، آنچه در این مقاله انجام شده است به شرح زیر می باشد:
در ابتدا هفت رکورد زمین لرزه با شدت هاي بالاي شش ریشتر انتخاب شده و قاب فولادي مهاربندي با سیستم خسارت کم تحت این هفت شتاب نگاشت تحلیل شده است.خروجی هاي مورد بررسی شامل نیروي محوري کششی و فشاري ستون هاي طبقه ي اول، بلند شدگی، جابجایی نسبی طبقات و شتاب طبقه در جهت افقی و شتاب طبقه در جهت قائم می باشد. کلیه ي نتایج گرفته شده و گراف هاي رسم شده بر اساس میانگین ماکزیمم مقادیر خروجی می باشد.در ادامه پارامتر مقاومت باقیمانده، یکبار دو برابر و یکبار نصف شده، بقیه ي پارامترها ثابت نگه داشته می شود، و براي هر کدام از حالت هاي تغییر داده شده، یکبار سیستم تحلیل و خروجی هاي لازم گرفته شده و با حالت اصلی سیستم که مقادیر واقعی هستند و هیچ گونه تغییري در مقدار پارامترهاي آن ها داده نشده، مقایسه و گراف هاي مربوط رسم شده است.
