بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله رفتار قابهاي فولادي با اتصال زانویی تحت تحلیل استاتیکی غیر خطی - تحلیل بارافزون - مورد بررسی قرار گرفته شده است. در این سیستم عضو زانویی به عنوان فیوز سازهاي در نظر گرفته میشود و بخشی از قاب اصلی نمیباشد لذا تعویض و یا تعمیر آن بعد از زلزله هاي شدیدیا متوسط به راحتی امکانپذیر است.
در این تحقیق با انجام تحلیل استاتیکی غیر خطی بروي سه نوع قاب مجهز به اتصال زانویی با تعداد طبقات 4، 8 و 12 طبقه مشخص گردید که افزایش دهانههاي مجهز به اعضاي زانویی باعث افزایش سختی و مقاومت قابها شده و در عین حال باعث کاهش ضریب شکلپذیري و ضریب رفتار قاب شده است. در نهایت براي این نوع سیستم سازه اي ضریب رفتاري بین 4/6 تا 7/5 و نیز مقدار ضریب شکل پذیر بین 3/4 تا 6/1 پیشنهاد شده است.
مقدمه
سیستم سازه اي قاب هاي فولادي متداول، نظیر قابهاي خمشی، قابهاي مهاربندي واگرا و قابهاي مهاربندي غیر همگرا، به صورت گسترده اي در مناطق لرزهخیز مورد استفاده قرار می گیرد. هر کدام از این سیستمهاي سازهاي مزایا و معایبی دارند. براي مثال قابهاي خمشی رفتار هیسترزیس بسیار پایدار و نیز دهانهاي بدون هیچ گونه انسداد معماري ایجاد میکند، اما این درحالی است که عملکرد این قابها به شدت به کیفیت مواد به کار رفته و نیروي کار - عامل انسانیمخصوصاً - ، در اتصالات تیر به ستونوابسته است
مهاربندهاي همگرا سختی عالی را فراهم میکنند ولی از آنجایی که رفتارش به رفتار پس کمانشی مهاربندها تکیه دارند و از آنجایی که رفتار پس کمانشی پیچیده بوده و به خوبی شناخته شده نیست، مهاربندها ممکن است پس از کمانش کاهش مقاومت قابل ملاحظهاي داشته باشند؛ که منجر به رفتارهاي چرخه اي نامتقارن در کشش و فشار خواهد. مهاربندهاي واگرا نیزبر پایه تسلیم تیرهاي پیوند شکلپذیر استوار است که این منجر به یک پاسخ هیسترزیس پایدار می شود.
یک سیستم سازه اي ترکیبی که مشخصات کلیدي قابهاي خمشیو مهاربندهاي همگرا را با هم ترکیب میکند، سیستم قاب خمشی با مهاربند زانویی - - KBMF یا قاب خمشی با اتصال زانویی نامیده میشود که بر پایه مقاومت قاب خمشی همراه با مهاربند زانویی قوي جهت مقاومت در برابر نیروهاي لرزهاي میباشد. مهاربندهاي زانویی در گذشته براي مقاومت در برابر نیروي جانبی باد طرح میشداخیراً به صورتهاي مختلف براي کاربردهاي لرزهاي استفاده شدهاند
طراحی سیستم سازهايKBMF بر پایه مفهوم طراحی براساس ظرفیت می باشد که در نتیجه رفتار شکل پذیر آن می باشد. براي این سیستم قابها به گونهاي طرح میشوند که اتصال زانویی تحت بارهاي لرزه اي تسلیم و کمانش کند،که این تسلیم با تشکیل مفاصل پلاستیک در تیرها در قسمت انتهایی تیر خارج از عضو زانویی انجام میگیرد. همه عوامل غیرالاستیک از مناطق بحرانی دور نگهداشته شده و وابستگی عملکرد به مواد به کار رفته و کیفیت جوش گرهها کاهش پیدا کرده
ﲢلیل استاتیکی غیرخطی قاﲠای فولادی با اتصال زانویی است از آنجائیکه انتظار داریم اتصالات خمشی در محدوده الاستیک باقی بمانند، از جزئیات نسبتاً ساده میتوان استفاده کرد. از این رو میتوان از پروسه اطمینان از کیفیت مورد تقاضا صرفنظر کرد. بعلاوه بعد از زلزله هاي متوسط، عضو زانویی قابل تعمیر بوده و این در حالی است که نگرانی خاصی در مورد ستونها وجود نخواهد داشت. مهاربندهاي زانویی از جهت آنکه سطح باز زیادي نسبت به دیگر سیستمهاي متداول فراهم می کند از لحاظ معماري بسیار جذاب و با اهمیت میباشد. همچنین این سیستمها جهت بهسازي لرزهاي سیستمهاي قاب خمشی موجود میتوانند به کاربرده شوند
در سال 2011، Sutat Leelataviwat و همکاران با طراحی دو نوع قاب KBMF به صورت ظرفیتی مورد آزمایش لرزهاي قرار دادند - شکل . - 1 مدلهاي آزمایشگاهی آنها به ابعاد تقریبی نصف مقیاس واقعی بود،. قاب اول قابی خمشی مجهز به اتصال زانویی و در قاب دوم از تکنیک مقطع تیر کاهش یافته RBSدر تیر استفاده شده است تا عوامل غیر الاستیک در مفاصل پلاستیک محدود گردند. با انجام این آزمایشها آنها نتیجه گرفتند که افزودن اتصالات زانویی به قاب خمشی علاوه بر ایجاد سختی بیشتر، منجر به ایجاد حلقههاي هیسترزیس پایدار میگردد.
شکل:1 نماي کلی از قاب KBMF و محل تشکیل مفاصل پلاستیک در تیر
از آنجاییکه رفتار این نوع اتصالات در قابهاي چند دهانه و چند طبقه مورد بررسی قرار نگرفته است در این مقاله با تحلیل استاتیکی غیر خطی اتصالات زانویی سه دهانه با آرایشهاي مختلف اتصالات در سه نوع قاب با تعداد طبقات 4، 8 و 12 طبقه مورد بررسی قرار گرفته شده است.
تحلیلاستاتیکیغیرخطی - پوشآور -
تحلیل پوشآور در سی سال گذشته توسط افرادي چون سعیدي، Sozen، Fajfar، Gaspersic و همکاران ارائه و گسترش داده شده است..[8-6]آنالیز پوشآور یک تحلیل استاتیکی غیرخطی تحت اثر بارهاي جانبی فزاینده است. هدف از تحلیل استاتیکی غیرخطی فزاینده، برآورد رفتار مورد انتظار یک سیستم سازهاي به کمک تخمین مقاومت و تغییر شکل مورد نیاز، به وسیله انجام یک تحلیل استاتیکی غیرخطی با در نظر گرفتن زلزلههاي طراحی و پس از آن مقایسه مقادیر مورد نیاز با ظرفیتهاي موجود در سطح رفتاري یا عملکردي مورد نظر است. این برآورد براساس شناسایی پارامترهاي مهم رفتاري شامل تغییر مکان جانبی، تغییر شکلهاي نسبی اعضاء و اتصالات و ... خواهد بود.
روشهاي تحلیلی که در طراحی براساس عملکرد و بهسازي لرزهاي سازهها مطرح میشوند، عمدتاً بر مبناي آنالیز استاتیکی غیرخطی میباشند. دلیل استفاده از این نوع آنالیز، سرعت بالاي انجام آن سادگی تفسیر نتایج و دقت قبول آن میباشد. این در حالیست که تحلیلهاي پیچیده بجز در موارد خیلی خاص و یا با فرض وجود اتصالات کافی براي نشان دادن رفتار صحیح سیکلی، بار تغییر شکل اعضاي سازهاي از نظر اقتصادي توجیه پذیر نمیباشد.
این روش به صورت یک سري تحلیل گام به گام میباشد. در هر گام از این تحلیل، کاهش سختی اعضاء در اثر ایجاد مفاصل پلاستیک بر اثر بارگذاري بر تحلیل گام بعدي در نظر گرفته میشود. در این روش بار جانبی ناشی از زلزله با یک الگوي بار مشخص، استاتیک و به تدریج به صورت فزاینده به سازه اعمال میشود تا آنجا که تغییر مکان نقطه کنترل - مرکز جرم طبقه بام - تحت بار جانبی به مقدار مشخصی که تغییر مکان هدف نامیده میشود، برسد و یا اینکه سازه فرو بریزد. سپس تغییر شکلها و نیروهاي ایجاد شده در اعضاء با معیارهاي پذیرش آنها در سطوح عملکردي مختلف مقایسه و سطح عملکرد سازه و اجزاي سازهاي تعیین میشود. در واقع تغییر مکان هدف نشان دهند تقاضاي تغییر مکانی زلزله مورد انتظار میباشد. یکی از مهمترین نتایج این تحلیل تعیین نمودار بار– تغییر مکان یا منحنی ظرفیت است - شکل - 2 که با مشخص کردن نیروي برش پایه و تغییر مکان جانبی بالاترین سطح سازه - بام - در هر گام و رسم این دو پارامتر در مقابل هم بدست میآید که به منحنی پوش آور معروف میباشد
پارامترهاي لرزه اي
ضریب رفتار سازه ضریبی است که عملکرد غیر ارتجاعی سازه را در برداشته و نشانگر مقاومت پنهان سازه در مرحله غیر الاستیک میباشد. بر این اساس مقاومت مورد نیاز سازه در طراحی از تقسیم مقاومت مورد نیاز سازه در حالت کاملا ارتجاعی بر ضریب فوق حاصل می گردد. در سازه ها ظرفیت تغییر شکل ارتجاعی به کمک ضریب شکل پذیري بیان می گردد که عبارت است از نسبت تغییر شکل نهایی سازه به تغییر شکل لحظه تسلیم آن. نحوه ارتباط و به عوامل مختلفی بستگی دارد. در سیستم هاي یک درجه آزادي، نوع مصالح، زمان تناوب سیستم، میرایی سیستم، نوع بارگذاري، اثر ، وضعیت تکیه گاه و میزان خسارت قابل قبول سیستم، بر و موثر می باشند. در سیستمهاي چند درجه آزادي علاوه بر موارد فوق، عواملی نظیر میزان مشارکت مودهاي بالاتر و نوع سیستم مقاوم سازهاي نیز در این امر دخالت دارند.
ضریب رفتار در سیستمهاي چند درجه آزادي از سه پارامتر تشکیل شده است و به صورت زیر بدست می آید:
به ترتیب برابر با نیروي برشی حد مجاز، حد اولین جاري شدن محسوس، حد تسلیم سازه و حدالاستیک سازه می باشد. ضریب مربوط به عوامل دخیل در سیستم هاي یک درجه آزادي است و ضریب کاهش نیرو نامیده میشود.
ضریب نشان دهنده تاثیر عوامل مخصوص سیستم هاي چند درجه آزادي را در بر می گیرد. ضریب تنش مجاز می باشد که این ضریب براي نشان دادن کاهش برش پایه به هنگام تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه به نیروي طراحی، بر سیستم اعمال میگردد. در شکل 2 کلیه پارامترها نشان داده شده است.
محققان روشهاي متفاوتی را براي محاسبه ارائه کردهاند، یکی از این روشها توسط میرندا و برترو ارائه شده است. در این روش اثرات شکل پذیري، زمان تناوب اصلی ساختمان در محاسبه ضریب کاهش نیرو اعمال گردیده است.[13] از اینرو به جاي استفاده از معادله - 2 - براي تعیین ضریب کاهش نیرو از روابط میراندا و برترو به صورت ذیل استفاده میگردد:
که به ترتیب ضریب شکل پذیري و زمان تناوب اصلی ساختمان بوده و معادلات - 3 - ، - 4 - و - 5 - به ترتیب براي زمینه اي سنگی، رسوبی و زمینهایی با خاك نرم هستند. در معادله - 5 - ، زمان تناوب غالب حرکات زمین است.
ضریب نشان دهنده تاثیر عوامل مخصوص سیستم هاي چند درجه آزادي را در بر می گیرد
