بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به آسیب پذیری سازه ها در مقابل نیروی زلزله، ارائه راهکارهای مناسب و مدرن برای کاهش خطرپذیری سازه ها امری لازم و ضروری می باشد. استفاده از میراگرها در دهه های اخیر در سازه ها برای کاهش صدمات ناشی از زلزله، با رشد چشمگیری همراه بوده است. در بهسازی لرزه ای سازه ها، به جای افزایش ظرفیت باربری سازه تحت نیروهای جانبی می توان نیروهای وارد بر آنها را کاهش داد.
یکی از این روش های کاهش نیروی جانبی ناشی از زلزله استفاده از میراگرها می باشد که میراگرهای ویسکوالاستیک یکی از این نوع میراگر ها می باشد. میراگرهای ویسکوالاستیک از جمله ابزارهایی است که با افزایش میرائی الحاقی سازه، نیروی وارده به سازه را با درصد مناسبی مستهلک می سازد.
در این تحقیق با استفاده از روش المان محدود، تاثیر ارتفاع سازه بر عملکرد لرزه ای سازه های مجهز به میراگر ویسکوالاستیک در دو حالت تحلیل تازیخچه زمانی خطی و غیرخطی بررسی گردیده است. به همین منظور سازه های با تعداد طبقات مختلف با تعربف مفاصل پلاستیک تحت رکورد زلزله قرار داده و پاسخ سازه بدون میراگر و با میراگر مقایسه گردیده است. نتایج نشان می دهد که اولا این میراگرها تاثیر به سزائی در کاهش پاسخ ها داشته و ثانبا در تحلیل غیرخطی نتایج نسبت به تحلیل خطی، واقع بینانه می باشد.
.1 مقدمه
زلزله رخدادی است که علیرغم تحقیقات زیادی که در مورد آن صورت گرفته، هنوز پیشبینی مکان و زمان وقوع آن و یا حتی پیش بینی محتوای فرکانسی آن به طور دقیق، امکان پذیر نیست. به همین دلیل مقابله با خرابیهای ناشی از زلزله یکی از مهمترین دغدغه های ذهنی مهندسان سازه میباشد. دو دیدگاه برای مقابله با ارتعاشات و تحریکات لرزه ای وجود دارد. دیدگاه اول مبتنی بر فراهم نمودن سختی و مقاومت کافی در سازه در محدوده تغییر شکل های مجاز، می باشد.
در این دیدگاه، عامل اصلی در جذب و استهلاک انرژی، میرایی سازه است. درصدی از این میرایی، ناشی از میرایی درونی مواد و مصالح تشکیل دهنده سازه و قسمت عمده ای از آن ناشی از رفتار غیرارتجاعی مصالح است. با توجه به محدودیت های موجود برای تغییرشکل سازه ها، نمی توان به اعضای زیادی در یک سازه اجازه داد که رفتار غیرارتجاعی داشته باشند.
به همین دلیل باید به ناچار برای مقابله با زلزله مقاومت و سختی را در سازه بالا برد که این امر خود می تواند انرژی ورودی به سازه را افزایش داده و در نهایت منجر به طرحی غیر اقتصادی گردد. دیدگاه دیگر، استفاده از روشهای جدید ایمن سازی مانند ایده کنترل سازهها به منظور اتلاف و یا کاهش انرژی منتقل شده به سازه بر اثر تحریکات، جهت تقلیل نیروهای وارد به سازه و کاهش پاسخ های لرزه ای مانند شتاب طبقات، سرعت ها و جابجایی ها است. تحقیقات انجام شده نشان میدهد که با افزایش میرایی سیستم، میزان این پاسخ ها در اثر تحریکات خارجی نظیر زلزله کاهش خواهد یافت.
استفاده از ابزار کنترل غیرفعال به دلیل عدم نیاز به انرژی ورودی، سهولت نصب و سادگی عملکرد و نیز هزینه پایین تعمیر و نگهداری بسیار مورد توجه بوده است. در این خصوص میتوان به میراگر ویسکوالاستیک اشاره نمود که از جمله کاربردی ترین ابزار کنترل رفتار سازه ها بوده و با تکنولوژی های مختلف ساخته و به منظور کاهش پاسخ سازه های ساختمانی، پل ها و ... در برابر تحریکات لرزه ای به کار می رود.
کاربرد مصالح ویسکوالاستیک در کاهش پاسخ سازه ها به سال 1950 بر می گردد. مصالح ویسکوالاستیکی که در کاربردهای سازه ای مورد استفاده قرار میگیرند، اغلب کوپلیمری و یا شیشهای هستند که انرژی را از طریق تغییرشکل برشی جذب میکنند. چنانچه یک ماده ویسکوالاستیک تحت تأثیر محرک بیرونی قرار گیرد، زنجیره های آن تغییر شکل می یابند این تغییر شکل با تولید گرما توأم است.
با گذشت زمان این مواد دوباره مقاومت اولیه خودرا باز می یابند. میزان بازیافت مقاومت و اتلاف انرژی هر دو به دمای محیط و فرکانس محرک بیرونی بستگی دارد. جنس مواد ویسکو الاستیک عموما از جنس هم پلیمر ها بوده که هنگامی که تحت تأثیر تغییر شکل برشی قرارمی گیرند، انرژی را تلف می کنند. وقتی این میراگر در سازه قرار می گیرد، ارتعاش سازه سبب حرکت نسبی بین بالهای فولادی خارجی و ورق میانی می گردد. در این حالت تغییر شکل برشی و در نهایت اتلاف انرژی صورت می گیرد.
در سال های اخیر میراگرهای ویسکوالاستیک برای مقابله با نیروی زلزله در سازه ها مورد استفاده قرار گرفتند. میراگرهای ویسکوالاستیک که برای مفابله با نیروی زلزله در سازه ها به کار برده می شوند باید دارای میرائی بالائی باشند. به طور کلی انرژی ورودی زلزله به سازه در مقایسه با انرژی ورودی باد در محدوده ی فرکانسی های مختلف می باشد. در سال 1993 با مطالعه و بررسی اثرات میراگرهای ویسکوالاستیک برای اولین بار از این میراگرها در بهسازی لرزه ای سازه در آمریکا استفاده گردید.
2 اصول پایه مواد ویسکوالاستیک
این میراگر در سازه قرار گرفته و ارتعاش سازه سبب حرکت نسبی بین بالهای فولادی خارجی و ورق میانی می گردد. تغییر شکل برشی و به دنبال آن اتلاف انرژی صورت می پذیرد. تحت یک بار سینوسی با فرکانس با در نظر گرفتن کرنش برشی - - W و تنش برشی - - W یک ماده ویسکوالاستیک خطی در همان فرکانس نوسان می نماید، اما در حالت کلی دارای یک اختلاف فاز می باشند. این مقادیر با رابطه زیر بیان می شود :
که در روابط بالا 0، بیشینه کرنش برشی و 0، بیشینه تنش برشی و ، زاویه تاخیر فاز برای یک 0 مشخص می باشد.
.3 صحت سنجی مدلسازی
با توجه به اینکه مدلسازی به صورت عددی بوده و نتایج آن معیار نتیجه گیری خواهد بود، صحت از مدلسازی در نرم افزار لازم و ضروری می باشد. به همین خاطر با توجه به نتایج محققین در این مورد مدلسازی در نرم افزار را با همدیگر مقایسه خواهیم کرد تا از صحت مدلسازی در نرم افزار اطمینان حاصل گردد. به همین منظور نتایج حاصل از مدلسازی با نرم افزار SAP2000 را با توجه به مطالعات صورت گرفته توسط Chang و همکاران که در سال 1994انجام گردیده است مقایسه می گردد.
در این مطالعات Chang و همکاران سازه فولادی 5 طبقه را که دارای 2 دهانه در جهات X و Y می باشد را مورد بررسی قرار دادند. این سازه با مقیاس 2 به 5 مدلسازی گردیده است. سازه مورد بررسی دارای جرم Kip 1.27 در طبقات و جرم Kip 1.31 در طبقه آخر می باشد. سازه مورد نظر تحت شتاب نگاشت ال سنترو قرار گرفته و مورد تحلیل قرار گرفته است.
شکل :1 مدل سازه ای 5 طبقه مورد مطالعه و مدلسازی عددی آن
دهانه سازه در هر دو جهت 52 اینچ و ارتفاع هر یک از طبقات 47 اینچ می باشد. با توجه به آزمایشات صورت گرفته توسط Chang و همکاران بر روی انواع میراگرهای ویسکوالاستیک در دماهای محیطی مختلف، مشخصات این میراگرها به صورت زیر ارائه گردیده است.
جدول :1 مشخصات میراگر ویسکوالاستیک بکار رفته در آزمایش
در ادامه نتایج حاصل از تحلیل در نرم افزار SAP2000 و نتایج حاصل از آزمایشات انجام گرفته روی این سازه توسط Chang و همکاران ارائه گردیده است.
جدول :2جابه جائی نسبی طبقات
با توجه به نتایج ارائه شده در جدول فوق اولا نتایج حاصل از مدلسازی توسط نرم افزار SAP2000 اختلاف اندکی با نتایج حاصل از آزمایش صورت گرفته توسط Chang و همکاران دارد و این مطلب نشان دهنده صحت مدلسازی میراگر ویسکوالاستیک در این تحقیق می باشد. همچنین با بررسی نتایج حاصل از این بخش می توان به تاثیر میراگرهای ویسکوالاستیک در کاهش پاسخ های سازه پی برد
.5 تعیین میرائی معادل
در این مرحله نسبت به انجام تحلیل های دینامیکی خطی و غیرخطی برای مدل های سازه ای گفته شده، با اعمال شتاب نگاشت زلزله نورث ریدج اقدام شد. در مورد هر مدل، ابتدا تحلیل تاریخچه زمانی خطی و غیرخطی بر روی سازه بدون میراگر و سپس بر روی سازه با اضافه نمودن میراگرها انجام گرفت. میراگرها همه به صورت قطری، و به طور یکنواخت در تمامی طبقات نصب گردیدند. در هر مدل، ثابت میرایی معادل میراگرها با شروع از یک مقدار مشخص به تدریج افزایش یافته است. برای برآورد میرایی معادل سازه ناشی از اضافه نمودن میراگرها، با استفاده از روش کرنش مودال می توان نوشت:
که در رابطه بالا پارامترها به صورت زیر تعریف می گردند: : میرائی معادل مود iام، و : فرکانس زاویه ای برای مود iام سازه بدون میراگر و فرکانس زاویه ای برای مود iام سازه مجهز به میراگر، : ضریب اتلاف ماده ویسکوالاستیک می باشد که در این تحقیق 1/21 در نظر گرفته شده است.
.6 بررسی اثر ارتفاع سازه بر عملکرد میراگرها
با توجه به اینکه میراگرهای ویسکوالاستیک میرائی و سختی را به طور همزمان به سازه اعمال می کنند به همین خاطر برای بررسی عملکرد این میراگرها در انواع مختلف سازه ها با تعداد طبقات مختلف از سازه با طبقات 6، 9، 12، 15برای مدلسازی انتخاب گردیده است. برای این منظور اولا تمامی سازه ها با درصد میرائی بهینه 15 درصد مدلسازی گردیده اند و ثانیا الگوی توزیع براساس تغییر مکان نسبی طبقات برای قرارگیری میراگرها استفاده گردیده است. تمامی مدل های سازه ای قاب 5 طبقه که فاصله دهانه ها از یکدیگر 5 متر بوده و ارتفاع تمامی طبقات 3 متر می باشد. تمام مدل های سازه ای ابتدا به صورت استاتیکی معادل برای خاک نوع 3 با خطر نسبی خیلی زیاد تحلیل گردیدند. در ادامه تمامی مدل ها با توجه به مبحث دهم مقررات ملی ساختمان طراحی گردیده و مقاطع تیر ها و ستون ها مشخص گردیدند
