بخشی از مقاله
چکیده در سالیان اخیر محققین گام های مهمی در به سازی لرزهای سازه ها برداشته اند و دیدگاه آنان در فراهم آوردن طرح ایمن از تأمین مقاومت، متوجه عملکرد سازه ها گردیده است. روش تحلیل استاتیکی غیرخطی یا بارافزون یکی از روش های نوینی است که علاوه بر سرعت بالا و سادگی محاسبات، مورد توجه قرار گرفته است. تحلیل پوشآور در ساختمان برج بلند مرتبه بتنی و باریک مورد شبیه سازی انجام گرفت. سیستم جانبی ساختمان مشتمل بر دیوارهای برشی بتنی بود. این ساختمان مطابق با کد آییننامه ساختمان طراحی شد و تحلیل پوشآور برای تایید ماهیت اصلی کدهای عملکرد ایمنی ساختمان در برابر زلزله صورت گرفت. روش انجام تحلیل و نتایج آن در این مقاله ارائه شده است.
مقدمه
طراحی ساختارهای مهندسی عمران به طور کلی بر روشهای تجویزی کدهای ساختمان مبتنی شده است. به طور معمول، بارهای وارد بر این ساختارها کم است و به رفتار ساختاری الاستیک منتج میشود. با وجود این، به دنبال رویداد زلزلهای قدرتمند، سازه ممکن است تحت نیروهای فراتر از حد الاستیک خود قرار گیرد. اگرچه کدهای ساختمانی میتوانند شاخص های قابل اطمینانی از عملکرد واقعی عناصر سازهای منحصر به فرد ارائه کنند، اما تشریح عملکرد مورد انتظار سازه طراحی شده به صورت کلی خارج از حیطه اختیار آنها است. برخی از صنایع مانند خودرو، حمل و نقل هوایی به طور معمول نمونه های اولیه در مقیاس کامل را ساخته و آزمایشات گستردهای را پیش از ساخت هزاران سازه مشابه انجام میدهند و با توجه به نتایج تست به تحلیل و طراحی مبادرت میورزند. متاسفانه، این امکان برای صنعت ساختمان به واسطه منحصر به فرد بودن ساختمانهای معمولی و تولید در سطوح بالا در دسترس نیست.
با دسترسی به رایانههای سریع، موسوم به مهندسی عملکرد محور لرزهای که در آن تحلیل ساختاری با ارزیابی خطرات لرزهای برای محاسبه عملکرد لرزهای مورد انتظار سازه تلفیق شده است، به طور فزایندهای امکانپذیر است. با کمک این ابزار، مهندسان سازه نیز بر روی رایانه و نه در آزمایشگاه میتوانند عملکرد مورد انتظار هر سازه را تحت نیروهای عظیم مشاهده نموده و طراحی را براساس آن تغییر دهند. تحلیل تاریخچه پاسخ غیرخطی، روشی ممکن برای محاسبه پاسخ سازه تحت رویداد لرزهای قوی محسوب میشود. با وجود این، به واسطه اطلاعات زیاد تولید شده در چنین تحلیلهایی، PBSE به صورت عملی مدنظر قرار نمیگیرد و به طور معمول مشتمل بر تحلیل آماری غیرخطی است و نیز به عنوان تحلیل پوش آور شناخته شده است. از منظر پژوهش، PBSE کماکان در مرحله توسعه است و در آن روشهی تحلیل بهبود یافته در دست تحقیق است - گوپتا[1]، گوپتا [2]، چوپرا[3-4]، میراندا[5]، فارو - [6] و از دیدگاه نرمافزاری به مرحلهای رسیده که در آن شیوهها و دستورالعملهای ایجاد شده برای تمرین مندسین موجود است.
توصیف ساختمان و انگیزهای برای تحلیل پوشآور
ساختمان مورد تحلیل، برج بتنی بلند و باریک 240 فوتی نوزده طبقه 18 - طبقه + زیرزمین - می باشد ویژگیهای منحصر به فرد این برج بتنی باریک، چالشهایی را بابت طراحی لرزهای مطرح کرده است. به طور کلی، ساختمان بتنی با ارتفاع 240 فوت در منطقه لرزهای 4 دارای سیستم جانبی است که ترکیبی از دیوارهای برشی و قابهای خمشی است. با وجود این، دو ویژگی معماری، استفاده از قابهای خمشی را دشوار نموده است. ابتدا، دهنه - فضای محصور بین دو تیر یا چهار ستون در ساختمان - 60 فوتی، تعداد قابهای خمشی احتمالی را محدود نموده است. دوم، در سمت جنوب شرقی، دو ستون محیطی در طبقه ششم قطع شده و شش ستون جدید نمایان شده که شیب را به سوی شش طبقه پایین با زاویه حدود 20 درجه عمودی گسیل میدارد. این ستونهای شیبدار از طریق عناصر انتقال افقی در طبقه ششم به دیوارهای عرضی متصل میشوند و بارهای افقی گرانشی قابل توجهی را به سیستم جانی در آن سطح وارد میآورند. به واسطه تعداد محدود ستونهای موجود و بارهای افقی بزرگ حاصل از ستونهای شیبدار، قابهای خمشی رها شدهاند.
بنابراین سیستم جانبی این ساختمان متشکل از دیوارهای برشی با آرایشی است که در پلان یک اشکوب معمولی در شکل 1 نشان داده شده است. به طور معمول، دیوارهای برشی در طبقه پانزدهم و بالاتر، حدود 15 اینچ ضخامت و در طبقه چهاردهم و پایینتر حدود 27 اینچ ضخامت دارند و این امر در مورد دیوارهای عرضی در نیمه شرقی ساختمان مستثنی است که ضخامت تقریباً 36 اینچ برای دیوارهای برشی در طبقه ششم و پایینتر اعمال شده است. پلان یک اشکوب معمولی مستطیل شکل است و به طور تقریبی اندازهای برابر با 350 x 60 فوت دارد. نمای ایزومتریک ساختمان در
شکل - - 1 آمده که در آن برخی ستونها و تیرهای گرانشی به دلیل وضوح حذف شده است.
شکل - 1 - نقشه اشکوب معمولی و آرایش دیوار
ساختمان مطابق با آییننامه ساختمانی همسان [11] - UBC - و با عملکرد در نظر گرفته شده برای ایمنی طراحی رویداد لرزه ای طراحی شده بود.
شکل - 2 - دیدگاه ایزومتریک ساختمان برج بتنی مورد تحلیل
ارتفاع ساختمان 240 فوت است که برابر با آیین نامه محدودیت ساختمانهای بتنی با دیوار برشی براساس 1997 UBC است. آییننامه جدیدتر ساختمانهای بینالمللی در سال [12] - IBC - 2003 حداکثر ارتفاع ساختمان با دیوار برشی بتنی را تا 160 فوت محدود نموده است. علاوه براین، مطالعات ژئوتکنیک، طیف پاسخ طراحی سایت خاص - از 475 سال دوره بازگشت یا 10 درصد احتمال در 50 سال - با شتابهای طیفی تقریباً 40 درصد بیشتر از طیف پاسخ طراحی 1994 UBC را در طیف دوره زمانی مرتبط با ساختمان نشان داده است - شکل . - 3 شکل - 3 - طیف پاسخ برای طراحی زلزله طیف دوره زمانی از 2 تا 2.5 ثانیه به ساختمانهای مبتنی بر ویژگیهای نمایی و دوره کارآمد در نقطه عملکرد حاصل از تحلیل پوشآور مرتبط دانسته شده است. به واسطه این دلایل، تصمیم برای تایید عملکرد ساختمان با استفاده از روش تحلیل پوشآور اتخاذ شد.
روشهای تحلیل و مدلسازی
همانگونه که در پلان مشاهده میشود، به واسطه شکل دیوارهای میانی اصلی، تفکیک تحلیل پوشآور به دو جهت عرضی مثبت و منفی ضروری است. دیوارهای عرضی در طبقه ششم و پایینتر در نیمه شرقی ساختمان ضخیمتر هستند و از این رو مستلزم تفکیک تحلیل پوشآور به جهتهای طولی منفی و مثبت هستند. به واسطه شکل باریک نقشه اشکوب، 8 تحلیلهای پوشآور مطابق آنچه در شکل - 4 - نشان داده شده، انجام شد. الگوی بار جانبی یکپارچه در جایی که بار جانبی در هر طبقه متناسب با کل وزن کف بود مورد استفاده قرار گرفت. نرمافزار SAP2000 نسخه [13] 7 و ETABS نسخه [14] 7 برای تحلیل مورد استفاده قرار گرفت. SAP2000 برای انجام تحلیل پوشآور و ETABS برای محاسبه ویژگی های مفصلی دیوارهای برشی و تحلیل الاستیک مورد استفاده قرار گرفت. به ازای تمام عناصر جانبی، بخش ترک خورده با سختی موثر برابر با 50 درصد سطح مقطع ناخالص مفروض گردید. روشهای مدلسازی دیگری برای انواع مختلف عناصر در ادامه تشریح شده است.
