بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به بررسی اثرات اندرکنش خاک- سازه در تخمین خرابی لرزهای سازههای کوتاهمرتبه با سیستم قاب خمشی فولادی اختصاص دارد. برای این منظور، نمونهای از یک قاب فولادی 5 طبقه به عنوان سازه هدف انتخاب شده است. شکلپذیری سازه با استفاده مدل پلاستیسیته متمرکز مدلسازی شده است. سازه دارای سیستم پی منفرد سطحی می باشد که در محل پای ستونها با استفاده از مدل وینکلر اصلاحشده مدلساز ی شده است. در تحلیل خرابی از مدل خرابی پارک- آنگ اصلاحشده استفاده شده است. براساس نتایج، بیشینه چرخش گهوارهای پی به حدود 0/03 رادیان محدود شده است که در پیهای کناری بزرگتر از پیهای میانی میباشد. همچنین، بیشینه مقدار بلندشدگی پی به حدود 16 سانتیمتر میرسد که در پیهای کناری رخ داده است. از سوی دیگر، نتایج نشان میدهد که اندرکنش غیرخطی خاک- سازه شاخص خرابی کلی سازه را تا حد زیادی کاهش داده است. بهطوریکه شاخص خرابی کلی سازه برابر 0/356، 0/373 و 0/288 به ترتیب در شرایط پایهثابت، اندرکنش خطی و غیرخطی محاسبه شده است . بر این اساس برکنش پی و تسلیم خاک، اثرات کنترلی محسوسی بر میزان خسارت لرزهای سازه به همراه داشته است و لذا در نظر گرفتن این اثرات در مرحله برآورد میزان خسارت لرزهای حائز اهمیت میباشد.
1 -مقدمه
ای برای انواع سیستم های سازه ای در سطوح عملکرد مختلف تعیین شده است. به طور مثال، در آئین نامه ASCE 41-06 با هدف مقایسه نیازهای در سال های اخیر روند پیشرفت مهندسی زلزله، طراحی لرزه ای سازه ها را به تغییرمکانی سازه قاب خمشی فولادی ویژه در سطوح عملکرد قابلیت استفاده بی وقفه، ایمنی جانی و آستانه فروریزش کلی بیشینه دریفت بین طبقاتی به
سوی مبنای طراحی بر اساس عملکرد سازه ها سوق داده است. در رویکرد ترتیب برابر 0/7، 2/5 و 5 درصد در نظر گرفته شده است. طراحی بر اساس عملکرد سازه ها، سطح معینی از خرابی در سازه به عنوان در سال های اخیر در زمینه ارزیابی خرابی سازه ها با در نظر گرفتن سطح عملکرد هدف انتخاب می شود. بر اساس آئین نامه های لرزه ای جدید، اثرات اندرکنش خاک- سازه مطالعاتی انجام شده است. به طور نمونه، سائز و به طور مثال در آئین نامه [1] ASCE 41-06، سه سطح عملکرد اصلی همکاران [2] اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه را بر نیازهای لرزه ای برای سازه ها تعریف شده است: الف - قابلیت استفاده بی وقفه؛ ب - ایمنی سازه ها بررسی کردند. نتیجه این مطالعات نشان داد که اندرکنش غیرخطی جانی؛ ج - آستانه فروریزش کلی. برای اینکه سطح خسارت وارد بر سازه درمحدوده قابل قبول قرار بگیرد، لازم است که تغییرشکل های س ازه کنترل خاک- سازه به طور قابل توجهی پاسخ سازه ای را در مقایسه با وضعیت پایه ثابت تغییر می دهد. به علاوه، آنها مشاهده کردن که خاک تنها در محدوده گردد. محدوده های مجاز بیشینه دریفت بین طبقاتی در آئین نامه های لرزه کوچکی از دست خوردگی ایجاد شده نسبت به وضعیت اولیه، رفتار الاستیک از خود نشان می دهد. این محدوده در مقایسه با سطحی از تحریک که در روسازه ایجاد مکانیسم های پلاستیک می نماید، بسیار کوچک تر است.
از این رو، فرض رفتار غیرالاستیک در روسازه با فرض رفتار خطی خاک به طور هم زمان نمی تواند سازگار باشد. نتایج حاصل از روش طیف ظرفیت در مطالعه سائز و همکاران نشان داد که با در نظر گرفتن اندرکنش غیرخطی خاک-سازه، نیازهای لرزه ای بر روی منحنی ظرفیت که با فرض شرایط پایه ثابت به دست آمده است، منطبق نمی باشد. در ارزیابی آسیب پذیری انجام شده توسط سائز و همکاران مشاهده شد که با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه، سطح بالاتری از انرژی ورودی زلزله لازم است تا روسازه سطح خرابی بیش از حد متوسط را تجربه نماید. نتایج به دست آمده از اهمیت رفتار غیرخطی خاک در ارزیابی آسیب پذیری روسازه خبر می دهد . نتایج همچنین نشان می دهد که اندرکنش غیرخطی خاک- سازه تغییرمکان بیشینه در تراز بام و برش پایه را تا حد زیادی کاهش می دهد. با این حال، اثرات اندرکنش خاک- سازه بر نیازهای لرزه ای سازه می تواند بسته به نوع سازه، مشخصات تحریک ورودی زلزله و خصوصیات ژئوتکنیکی خاک تغییر یابد و اثرات کاهنده و یا بعضاً افزاینده بر نیازهای سازه ای داشته باشد . سائز و همکاران همین طور اذعان داشتند که در نظر گرفتن اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه در فرآیند طراحی سازه ها می تواند بر اقتصاد طرح موثر باشد.
نخعی و قناد [3] اثرات اندرکنش خطی خاک- سازه را بر سطح خرابی سازه ها بررسی کردند. در این مطالعه، شاخص خرابی پارک- آنگ [4] برای روسازه تکدرجه آزادی و دوخطی محاسبه شده است و مدلسازی اندرکنش خطی خاک- سازه با استفاده از مدل مخروطی [5] انجام شده است. نتایج این مطالعه در قالب طیف های خرابی با تغییر پارامترهای کلیدی مسأله ارائه شده است. نتایج این مطالعه نشان داده است که یک حد مرزی برای پارامتر زمان تناوب - محور افقی طیف خرابی - وجود دارد که در سمت چپ آن - زمان تناوب های کوچکتر از حد مرزی - ، اندرکنش خطی خاک- سازه شاخص خرابی روسازه را افزایش می دهد و در سمت راست آن اثر کاهشی ایفا می کند . مقدار این زمان تناوب مرزی به محتوای فرکانسی رکورد زلزله ورودی و زمان تناوب غالب آن بستگی دارد . به عبارت دیگر، در شرایطی که زمان تناوب اصلی روسازه در شرایط پایه ثابت کوچکتر از زمان تناوب حد مرزی باشد، مدل های پایه ثابت متداول سطح خرابی سازه را کمتر از واقعیت نشان می دهند. همچنین، مطالعه پارامتریک نشان می دهد که اندرکنش خطی خاک-سازه، شاخص خرابی سازه های با زمان تناوب کوتاه را که بر روی ساختگاه نرم قرار گرفته اند، بیش از هر شرایط دیگری افزایش می دهد . در ضمن، افزایش ضریب لاغری روسازه، این اثرات افزایشی را تشدید می نماید.
در مطالعه ای دیگر، لیو و همکاران [6] اثرات اندرکنش خطی خاک-سازه را بر طیف خرابی سازههای مجهز به سیستم های کنترل غیرفعال بررسی کردند. مدلسازی اثرات اندرکنش خطی خاک- سازه با استفاده روش مدل مخروطی انجام شده و سیستم روسازه به میراگرهای ویسکوز مجهز شده است. بر اساس مشاهدات لیو و همکاران، اندرکنش خطی خاک- سازه به طرز قابل توجهی شاخص خرابی سازه های با زمان تناوب کوتاه که به سیستم کنترلی مجهز نشده اند را افزایش می دهد . با این حال، اندرکنش خطی خاک- سازه شاخص خرابی سازه های با زمان تناوب بلند را کاهش می دهد . در مقابل، هنگامی که روسازه به سیستم کنترلی مجهز شده باشد، اندرکنش خطی خاک- سازه شاخص خرابی سازه های با زمان تناوب کوتاه و بلند را افزایش می دهد. در عین حال، لیو و همکاران مشاهده کردند که اندرکنش خطی خاک- سازه بر شاخص خرابی سازه های مجهز به سیستم کنترلی غیرفعال در مقایسه با سازه های مجهز نشده، تاثیر بیشتری دارد.
روی و همکاران [7] اثرات اندرکنش غی رخطی خاک- سازه را بر پارامترهای مودی و توزیع خرابی در سازه مطالعه کردند. برای این منظور، یک ساختمان 4 طبقه که بر روی سیستم پی با در نظر گرفتن اثرات جداسازی گهواره ای مستقر شده است، به روش عددی مورد بررسی قرار گرفت . از مدل وینکلر برای شبیه سازی اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه استفاده شده است. روسازه به طور مقایسه ای، با استفاده از المان های الاستیک و غیرالاستیک مدلسازی شده است، تا اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه بر شناسایی خرابی در روسازه ارزیابی شود. در این مطالعه، شناسایی و مکان یابی خرابی در سازه بر مبنای تغییر پارامترهای مودی روسازه انجام شده است و اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه بر آن مورد بررسی قرار گرفته است . سنجش تغییرات دائم در فرکانس های مودی بر اساس روش پاسخ ارتعاشات محیطی انجام شده است. نتایج این مطالعه نشان داد که تحت اثر جداسازی گهواره ای سیستم خاک- پی، فرکانس ارتعاشی اصلی روسازه پس از تجربه یک زلزله انتخابی، تا حد 16 درصد کاهش یافته است . همچنین، روی و همکاران مشاهده کردند که مقادیر کاهش فرکانس در مودهای ارتعاشی بالاتر ناشی از اثرات جداسازی گهواره ای، با افزایش شماره مود افزایش می یابد . علاوه بر این ، روش سنجش انحنای تابع شکل مودی روش مناسب و کارآمدی برای شناسایی و مکان یابی خرابی در سازه شناخته شد و کارآمدی این روش برای کلیه شرایط اندرکنشی در سیستم خاک- پی اعم از پایه ثابت، اندرکنش خطی و غیرخطی موفقیت آمیز بوده است.
با نگاهی کلی به مطالعات فوق در زمینه ارزیابی خرابی سازه ها با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک- سازه، ملاحظه می شود که مطالعات گذشته هر یک بر مبنای فرضیات مختلف و متفاوتی استوار شده است. به طور مثال، نخعی و قناد [3] و لیو و همکاران [6] اثرات اندرکنش خطی خاک-سازه را در ارزیابی خرابی سازه در نظر گرفته اند و اثرات برکنش و لغزش پی و تسلیم خاک را نادیده گرفته اند . در مقابل، سائز و همکاران [2] و روی و همکاران [7] اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه را لحاظ نموده اند. اما از سوی دیگر، کلیه مطالعات فوق الذکر به اثرات زلزله های حوزه نزدیک توجه ویژه ای نداشته اند. از این رو ملاحظه می شود که نیاز به ارائه یک ارزیابی جامع از اثرات اندرکنش غیرخطی خاک- سازه بر خرابی سازه ها و با در نظر گرفتن اثرات زلزله های حوزه نزدیک به خوبی احساس میشود. در پاسخ به این نیاز، این مقاله به ارزیابی خرابی سازه قاب خشمی فولادی کوتاهمرتبه با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک- سازه اختصاص یافته است. برای این منظور، وضعیت خرابی سازه با استفاده از شاخص خرابی پارک- آنگ [4] ارزیابی شده است و این شاخص خرابی برای هر عضو به طور مجزا و نیز به طور میانگین تحت عنوان شاخص خرابی کلی سازه محاسبه شده است. اثرات اندرکنش دینامیکی خاک- سازه در دو وضعیت اندرکنش خطی و غیرخطی با یکدیگر مقایسه شده است. در شرایط اندرکنش خطی خاک- سازه، به خاک زیر پی رفتار خطی نسبت داده شده و از برکنش پی ممانعت به عمل آمده است. در مقابل، اندرکنش غیرخطی با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی خاک و امکان برکنش پی، شبیه سازی واقعبینانهتری را میسر میسازد. به طور کلی، در نظر گرفتن اثرات اندرکنش غیرخطی خاک-سازه به برآورد خرابی دقیقتری در مقایسه با شرایط سازه پایه ثابت و نیز اندرکنش خطی خاک- سازه منجر می شود که این موضوع در مطالعه حاضر مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
2 -شاخص خرابی سازهای
در فرآیند ارزیابی عملکرد سازه ها، تحلیل خرابی به عنوان یکی از مراحل اصلی و تعیین کننده و مرحله پیش نیاز برای تخمین خسارت سازه ای شناخته می شود در نهایت، تصمیم گیری نهایی کاملاً وابسته به این مرحله از برآوردها می باشد . طی چند دهه اخیر، مدل های مختلفی برای تخمین کمی خرابی در سازه ها توسط پژوهشگران ارائه شده است. یک گونه از مدل های اولیه تخمین خرابی بر مبنای محاسبه خرابی تجمعی تحت اثر بارگذاری چرخه ای محاسبه می شود و از مفهوم خستگی در چرخه های با تناوب طولانی بهره می گیرد .[8] گونه دیگری از مدل های تخمین خرابی وجود دارد که بر اساس ترکیب انرژی استهلاکی و نیازهای شکل پذیری در سازه، وضعیت خرابی سازه ای را تخمین می زند . به طور مثال، در مدل خرابی پیشنهادی پارک و آنگ [4]، شاخص خرابی به صورت ترکیب خطی بیشینه تغییرشکل و انرژی کرنشی مستهلک شده تعریف می شود و به صورت تجمعی در طول تحریک زلزله محاسبه می شود . در برخی دیگر از انواع مدل های خرابی، شاخص خرابی بر مبنای تغییرات در برخی پارامترهای مشخصه دینامیکی سیستم سازهای محاسبه می شود که از آن جمله می توان به مدل پیشنهادی گوبارا و همکاران [9] اشاره کرد . در این مدل، شاخص خرابی بر اساس تغییرات در سختی سازه محاسبه می شود.
مطالعات متعددی تاکنون به موضوع مقایسه میان شاخص های خرابی مختلف پرداخته است [9-13] و بر اساس ارزیابیهای صورت گرفته، شاخص خرابی پارک- آنگ [4] همواره به عنوان یک معیار مناسب برای تحلیل خرابی سازهها توصیه شده است. کونات و جینی [13] در مطالعه خود پتانسیل خرابی سازهای را به روشهای مختلف، تخمین زده و آن را با مشاهدات آزمایشگاهی مقایسه کردند. بر اساس نتایج مطالعات آنها، شاخص خرابی پارک- آنگ [4] بهترین مطابقت را با داده های آزمایشگاهی از خود نشان می دهد . همین طور، در مطالعات ویلیامز و سیکسمیت [14] جزئیات بیشتری در زمینه مقایسه میان شاخصهای خرابی مختلف ارائه شده است. با توجه به کارایی مناسب شاخص خرابی پارک- آنگ [4] در مقایسه با سایر روش ها، این معیار در تحلیل خرابی سازه های بتن مسلح [15]، سازه های فولادی [16] و همچنین سازه های ساخته شده از مصالح چوبی [17] کاربرد گستردهای یافته است. بر این اساس در مطالعه حاضر، به منظور تخمین کمی خسارت سازه ای ناشی از زلزله، از روش تحلیل خرابی پارک- آنگ [4] استفاده شده است . رابطه اولیه محاسبه شاخص خرابی پارک- آنگ به صورت ترکیبی از نیازهای شکلپذیری و مجموع انرژی چرخهای تجمعی سازه مطابق زیر تعریف شده است:
DIPA شاخص خرابی پارک- آنگ؛ m بیشینه تغییرشکل سازه ای در حین تحریک لرزه ای؛ u ظرفیت تغییرشکل سازه ای در حالت حدی نهایی با فرض شرایط بارگذاری تدریجی یکنواخت؛ پارامتر بی بعد کاهش مقاومت ناشی از شکل پذیری در عضو سازهای؛ Qy نیروی حد تسلیم عضو سازهای؛ ʃ dE انرژی چرخه ای مستهلک شده توسط عضو سازه ای به صورت تجمعی در طول تحریک زلزله. ظرفیت تغییرشکل سازه ای در حالت حدی نهایی - u - را می توان با توجه به مفهوم شکل پذیری سازه - - بر حسب تغییرشکل حد تسلیم - y - بیان کرد: - 2 - × y u رابطه شاخص خرابی پارک- آنگ در طول سه دهه گذشته به شکل های مختلفی به کار رفته و با توجه به الزامات کاربردی آن اصلاح شده است. براساس رابطه - 1 - شاخص خرابی پارک- آنگ در حقیقت تابعی از دو دسته مشخصات است: الف - پاسخ عضو سازه ای - پارامترهای m و - ʃ dE که به تاریخچه بارگذاری وابسته است؛ ب - پارامترهای ، u و Fy که معرف ظرفیت عضو سازهای می باشد. به منظور تعیین پارامتر و نیز ارزیابی شاخص خرابی DIPA در مرحله فروریزش سازه، مطالعات آزمایشگاهی متعددی توسط پارک و همکاران [16] انجام شده است . برای این منظور، بر روی داده های حاصل از نتایج آزمایشگاهی تعداد 402 نمونه عضو سازهای بتن مسلح با مقطع مستطیلی و نیز 132 نمونه عضو فولادی با مقطع I شکل تحلیل رگرسیون ا نجام شده است. داده های آزمایشگاهی مذکور در قالب طرح مشترک مطالعاتی ایالات متحده و ژاپن گردآوری شده است. بر اساس روابط تجربی حاصل از تحلیل رگرسیون دادههای آزمایشگاهی، پارامتر بیبعد برای تیرهای طره ای بتن مسلح با مقطع مستطیلی برابر 0/05 و برای تیرهای طرهای فولادی با مقطع I شکل برابر 0/025 تعیین شده است .[16] لازم به توضیح است که محاسبه شاخص خرابی پارک- آنگ به صورتی که در رابطه - 1 - معرفی شده است، به تعیین تغییرشکل کلی عضو سازهای نیاز دارد. از آنجا که در سازههای قابیشکل رفتار غیرالاستیک عضو عمدتاً در محدوده پلاستیک دو انتها متمرکز می شود، یافتن رابطه مستقیم میان تغییرشکل کلی عضو، چرخش پلاستیک انتهایی و شاخص خرابی دشوار به نظر می رسد . بنابراین، با توجه به اینکه تشکیل مفاصل پلاستیک میانی عضو کاربرد مستقیم رابطه - 1 - را محدود می نماید، روابط اصلاحشدهای بر اساس لنگر داخلی و چرخش در مفاصل پلاستیک از یک سو و انرژی چرخهای استهلاکی تجمعی عضو از سوی دیگر، پیشنهاد شده است که از آن جمله می توان به رابطه پیشنهادی کونات و همکاران [18] و نیز روش پیشنهادی رشیدی [19] اشاره کرد. بر این اساس، می توان شاخص خرابی پارک- آنگ را به صورت تابع دوضابطهای به گونهای که در روابط 12-7 و 13-7 ارائه شده است، محاسبه کرد:
که در رابطه فوق، پارامترها به صورت زیر معرفی شده است:
