بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثیر میراگر های TADAS بر رفتار قاب فولادی متوسط 10 طبقه
چکیده
لزوم استفاده از ساختمان های بلند در شـهرهای پرجمعیـت هـر روز بیشـتر احساس می شود، لذا استفاده از سیسـتمهای سـازه ای مناسـب و کارآمـد از لحاظ فنی و اقتصادی ضروری است. تفکر کنترل ارتعاش ورودی بـه سـازه و پاسخ آن تغییرات اساسی را در روند معمول مقاوم سـازی سـازه هـا در برابـر زلزله ایجاد کرده است که در این بین استفاده از میراگرهای فلـزی بـه علـت مزایای زیاد خود نسبت به سایر تجهیزات انرژی، به عنـوان روشـی نـو بـرای مقاوم سازی مناسب می باشند. در این مقاله یـک قـاب فـولادی 10 طبقـه، مورد بررسی قرار گرفته و رفتار آن با استفاده از اعمال نیروی جانبی فزاینـده تدریجی (Push-Over Analysis) تا حد خرابی تحلیل گردیده اسـت. در مرحله ی بعدی همین سازه بـا میراگرهـای TADAS بـا تعـداد پـره هـای متفاوت و همچنین تغییر تعدادی در ارتفاع مقاوم سازی شده و مورد تحلیـل مجدد قرار گرفته است. همچنین جهت افزایش سرعت در تحلیل اسـتاتیکی غیرخطی و تعیین تغییرمکان هدف و نقطه عملکرد، یک قاب از سـازه مـورد نظر انتخاب و به صورت دو بعدی مورد تحلیل قرار گرفته اند. مقایسه نتـایج در نرم افزارSAP 2000 نشان می دهد، نتایج تحلیـل هـای صـورت گرفتـه نشان از کاهش تغییرمکان جـانبی سـاختمان و افـزایش سـختی، مقاومـت و بالارفتن توانایی سازه مقاوم شده با میراگـر، در اسـتهلاک انـرژی ورودی بـه سازه دارد. همچنین بکارگیری میراگر سبب کاهش مقادیر فولاد مصـرفی در سازه شده است.
کلمات کلیدی: مقاوم سازی، میراگر فلزی، تحلیل استاتیکی غیر خطی، قـاب فولادی
مقدمه
در سالهای اخیر تلاشهای جدی به منظـور توسـعه مفهـوم اتـلاف انـرژی بـه عنوان یک تکنولوژی کاربردی جهت مقابلـه بـا زلزلـه صـورت گرفتـه اسـت. طراحی ساختمان ها در برابر زلزله های بزرگ بر این اساس اسـت کـه سـازه بتواند با شکل پذیری خود انرژی زلزله را جذب و مسـتهلک نمایـد. در تفکـر کنترل ارتعاش ورودی به سازه و پاسخ آن، بجای مقاوم سازی سازه به عنوان تنها راه، وسایل و امکانات جانبی نصب می شوند تا همراه با سـازه و بصـورت یک مجموعه در برابر زلزله مقاومت کنند. این وسـایل بـا رفتـار خـاص خـود باعث بهبود پاسخ سازه به هنگام زمین لرزه می شوند. سیستم هـای کنتـرل ارتعاش که برای بهبود پاسخ و کنترل خرابی سازه طراحی و نصب شـده انـد، به دو دسته سیستم های کنترل فعال و سیستم های کنترل غیرفعال تقسیم می شوند. در میان سیستم های غیر فعال اتلاف انـرژی، میراگرهـای فلـزی TADAS، امروزه مورد توجه فراوان قرار گرفته اند. استفاده از این سیسـتم ها باعث تمرکز اتلاف انرژی در میراگرهـا شـده و در نهایـت تقاضـای اتـلاف انرژی در اعضای اصلی سازه (تیرها- ستون ها و مهاربندها )کاهش می یابد. اولین آزمایش بر روی میراگرهای ورق مثلثـی (TADAS) در سـال 1993 توسط Tsai و همکاران در دانشگاه ملی تایوان انجام گرفت. آزمایش بر روی قـاب صــفحه ای دو طبقــه یــک دهانــه مطــابق شــکل 1 در دو حالــت شــبه
استاتیکی و شبه دینامیکی تحت زلزله Elcentro انجام شد. آزمـایش شـبه استاتیکی به صورت سیکلی و با الگوی تغییر شکل فزاینده با هدف اسـتخراج رابطه نیرو تغییـر مکـان ابـزار و آزمـایش شـبه دینـامیکی بـام خـرک هـای هیدرولیکی نصب شده در دو تراز سازه با هدف بررسی پاسخ دینامیکی سازه به یک ارتعاش شبیه سازی شده از زلزله انجام گرفت.[1]
شکل -1 نمای قاب آزمایش شده با میراگر (Tsai et al.1993) TADAS
در سال 1379 در دانشگاه امیرکبیر پایان نامه کارشناسی ارشد تحت عنـوان بررســی آزمایشــگاهی میراگرهــای XADAS در ســازه هــای بــا اتصــالات خورجینی توسط محسن تهرانی زاده و ابولفضل ملکی ارس انجام گردیـد. در این تحقیق آزمایش بر روی سازه ای چهار طبقه در مقیـاس 1/2 موجـود در پژوهشگاه بـین المللـی زلزلـه شناسـی و مهندسـی زلزلـه بـه صـورت شـبه دینامیکی با الکتروموتورهـای متصـل بـه وزنـه هـای نامتعـادل انجـام شـد. بارگذاری به وسیله دو محرک به صورت سینوسی در بـالاترین تـراز سـازه بـا قابلیت تغییر فرکانس تحریک انجام گردید. نتایج آزمایش در قالـب شـتاب و تغییرمکان حداکثر طبقات در مقابل فرکانس تحریک کـه بـا فرکـانس سـازه همگام شده، استخراج گردیده و بیـانگر تـاثیر قابـل ملاحظـه کـاهش پاسـخ نسبت به سازه بدون میراگر (قاب خورجینی) بوده است.[2] اخیرا تحقیقاتی بر روی شکل جدیدی از میراگرهای فلزی به شکل صـفحات
لوزی1 توسط Shin, Sung, (2003) در دانشـگاه صـنعتی تـایوان انجـام گردیده است (شکل .(2 فولاد مورد اسـتفاده در ایـن صـفحات دارای درصـد کربن بسیار پایین و بنام فولاد بـا تـنش تسـلیم پـایین (Lys2) مـی باشـد. بطوریکـه تـنش تسـلیم آن حـدود 1000 kg/cm2 و کـرنش گسـیختگی 62% و با شکل پذیری حدود 2 تا 3 برابر فولاد نرمـه معمـولی ST37) یـا (A36 می باشد.[3]
1
دومین کنفرانس ملی زلزله، 27 فروردین 1394، قزوین
شکل -2 صفحه لوزی شکل برای نسل جدید میراگرهای (Shin, Sung, ADAS 2003)
آخــرین تحقیقــات تجربــی انجــام شــده در مــورد میراگرهــای TADAS، آزمایشات صورت گرفته توسط حسینی، رئوفی در سال 1983 انجـام گرفتـه است. این آزمایش بر روی یک قاب یک دهانه یک طبقه در مقیاس واقعی به همراه میراگر TADAS نصـب شـده در آن بـرای اولـین بـار در کشـور در آزمایشــگاه ســازه مرکــز تحقیقــات ســاختمان و مســکن وزارت مســکن و شهرسازی انجام گردید (شکل .(3 در این تحقیق دو نمونه میراگر شـش پـره با ضخامت ورق های 25 و 30 میلیمتر مورد بررسی قرار گرفتند.[4]
شکل -3 نمایی از قاب و تجهیزات آزمایش در آزمایشگاه مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن (برای اولین بار در کشور، حسینی و رئوفی،(1383
تحلیل و طراحی قاب تنها (بدون میراگر) و مجهز به میراگر در این تحقیق یک قاب فولادی 10 طبقـه بـا تعـداد پـره هـای مختلـف در میراگر TADAS مورد بررسی قرار می گیـرد. ارتفـاع تمـامی طبقـات 3/5 متر با سه عدد دهانه 5 متری در دوجهت می باشد. پلان سازه مورد بررسـی در شکل 4 نشان داده شده اسـت. کـاربری ایـن سـاختمان اداری بـوده و در محلی با خطر لرزه خیزی خیلی زیـاد و روع خـاک نـوع 2 قـرار دارد. جهـت طراحی قاب خمشی متوسط بدون سیستم میراگر از نرم افـزار2000 SAP استفاده می شود. بدین منظور بارگذاری ثقلی سازه انجام و بار مـرده و زنـده به کف ها و دیوارهای پیرامونی اختصاص یافته اند. بایستی توجه داشـت کـه به قاب خمشی مورد نظر بار زلزله بـر اسـاس زمـان تنـاوب بدسـت آمـده از تحلیل مودال یعنی ضریب زلزله C=0/0196 اعمال شـده و در واقـع سـازه های MRF برای برش پایه ای دقیق سـاختمان طراحـی مـی شـوند و ایـن
×
بدین معناست که تیرها و ستون های قاب، توانایی تحمل بار زلزلـه واقعـی را داشته و سازه نیاز به مقاوم سازی ندارد و تنهـا بـه جهـت بـالا بـردن سـطح عملکرد سازه و کاهش وزن سازه مقاوم سازی در دستور کار قرار می گیرد.
طراحی اعضا براساس آئین نامه UBC97-ASD و مطابق با ضـوابط طـرح لرزهای مبحث دهم برای قاب خمشی متوسط و مهاربند همگرا انجام گرفتـه است و به عنوان مثال نسبت پهنا به ضخامت در مقاطع کنترل و ترکیب بـار زلزله تشدید یافته ( R) اعمال و الزامات عمومی در طراحی تیرها سـتونها و بادبندها در نظر گرفته شده اند. با توجه به اینکه سیستم باربر قاب خمشی با اتصالات گیردار می باشد، برای سـتونها از مقـاطع جعبـه ای بـرای تیرهـا از مقاطع تیر ورق و در ادامه از بادبندهایی با مقاطع دوبل ناودانی در نرم افـزار تعریف شده اند، استفاده شده است.
شکل -4 پلان سازه مورد مطالعه و نمایی از قاب ده طبقه مجهز به مجموعه مهاربنـد و میراگر TADAS
بعد از تحلیل و طراحی قابهای خمشی تنها و تعیین تیر و ستون سـازه کـه تحت بار قائم و حداقل بار زلزله قرار داشتند، حال نوبت به مقاوم سازی قابها و اضافه کردن بادبندها و میراگرهای فلزی میرسد، که بصورت یک مجموعه یکپارچه درون دهانه های میانی و خارجی سازه نصب و در نـرم افـزار مـدل میشوند. سـپس قابهـای فـولادی مجهـز بـه میراگرهـای ورق مثلثـی تحـت حداکثر بار زلزله قرار میگیرند، بطوری که ضـریب زلزلـه (C) بـرای ضـریب رفتار R=5 تعیین و بـه سـازه مقـاوم شـده اعمـال میشـود. در اصـل روش طراحی براساس آئین نامه UBC برای سیستمهای دوگانـه اسـت کـه قـاب خمشی و مجموعه مهاربند- میراگرعمـدتاً بارهـای قـائم و افقـی را بترتیـب تحمل می کنند.
طراحی و نحوه مدلسازی میراگر فلزی
میراگر فلزی در اینجا از نوع ورق مثلثی (TADAS) بـوده و بـرای رسـیدن به یک مدل واقعی در نـرم افـزار SAP2000 نیـاز بـه معرفـی پارامترهـای کلیدی میراگر می باشـد. پـس ابتـدا ابعـاد ورقهـای مثلثـی را بـا توجـه بـه مشخصات میراگر در کارخانه سازنده تعیین کرده و با یکسری فرمول میتوان به مقدار سختی و نیـروی تسـلیم میراگـر رسـید. در شـکل 5 ضـخامت هـر صفحه فلزی t=3 cm، ارتفاع صفحاتh=30 cm ، عرض پایـه ورق مثلثـی b=15 cm، تغییرمکان حد جاری شدن میراگر با توجـه بـه ابعـاد هـر ورق تعداد ورقهای میراگر TADAS میباشد. در رابطـه زیر تـنش جـاری شـدن ورقهـای فـولادی اسـت. بـا جاگذاری مقادیر ذکـر شـده در روابـط زیـر مقـدار Py و سـپس Ke جهـت معرفی به نرم افزار حاصل می گردد.
با تقسیم نیروی برشی هر طبقه بر سختی هر پره از میراگـر مـورد اسـتفاده، تعداد پره های هر میراگر در طبقات مختلف بدست می آید. در ایـن تحقیـق دو مدل چیدمان میراگر با تعداد پره های متفاوت نسبت به حالت محسـاباتی در طبقات برای یافتن تاثیر افزایش تعداد پره ها مورد ارزیـابی قـرار گرفتـه است. جدول مشخصات میراگرها در ادامه آورده شده است.
برای مدل کردن میراگر TADAS در نرم افزار SAP2000 از المان رابـط غیرخطــی خمیــری (Plastic1) 1 اســتفاده مــی شــود. جهــت معرفــی پارامترهای المان موردنظر می توان مقادیر سختی مؤثر و غیرخطـی میراگـر (Stiffness) Ke و مقاومت تسـلیم (Yield Strength) Py را از روابـط بالا برای تعداد ورقهای مختلف محاسبه کرده و بـرای نسـبت سـختی المـان بعد از تسلیم به سختی اولیه آن (Ratio) مقـدار 0,05 و نیـز بـرای نسـبت
مقاومت U=2 را در نظر گرفت. همچنین از تغییرشـکل برشـی میراگـر ورق مثلثی صرف نظر شده و مقدار آن صفر منظور می شود. حال بعـد از تعریـف عضو رابط، آنرا بـه نقطـه محـل اتصـال بادبنـد هشـتی (Chevron) و تیـر بالاسری آن همانند شکل ( (6 اختصاص می دهیم. بایستی دقت داشـت کـه با توجه به جهت جابجایی نسبی بین طبقـه ای و محـور محلـی المـان رابـط (X-U2, Y-U3) برای میراگر، آنرا در جهات مشخص بـه سـازه اختصـاص دهیم.[5]
