بخشی از مقاله
خلاصه
از نامنظمیهای موجود درسازههای بلندمرتبه، تغییر ناگهانی ابعاد پلان طبقات درترازهای مختلف سازه با عنوان پسرفتگی3 میباشد. وجود پسرفتگی درترازهای ارتفاعی مختلف در یک ساختمان سبب تغییرات ناگهانی جرم، سختی و مقاومت دراین کدهای ارتفاعی میشود. ساختمانهای بلندمرتبه به سبب زمان تناوب بالا تحت اثر زمینلرزههای حوزه نزدیک آسیبپذیرتر هستند. وجود محتوای فرکانسی بالا در این زمینلرزهها باعث ایجاد تحریکات شدید با دامنه بزرگ، زمان تناوب بلند و پالسگونه میشود. دراین مطالعه، بامنظور نمودن قاب منظم 20 طبقه - بهعنوان مرجع - و پساز اعمال پسرفتگی درترازهای ارتفاعی مختلف، اقدام به تحلیل و بررسی مشارکت مودهای بالاتر در رفتار لرزهای قابهای نامنظم دارای پسرفتگی شد. برای تحلیل لرزهای با درنظر گرفتن اثرات مودهای بالاتر از روش تحلیل بارافزون مودال وفقی استفاده میشود. سپس باانتخاب حالات بحرانی پسرفتگی، ارزیابی لرزهای این قابها بهوسیله تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی تحت تاثیر زمینلرزههای حوزه نزدیک انجام میشود و پاسخهای لرزهای مورد مقایسه و بررسی قرار میگیرند.
کلمات کلیدی: سازههای نامنظم هندسی در ارتفاع، پسرفتگی، زمین لرزه حوزه نزدیک، تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، تحلیل بارافزون مودال وفقی
1.مقدمه
از نامنظمیهای موجود درسازههای بلندمرتبه، تغییر ناگهانی ابعاد پلان طبقات درترازهای مختلف سازه با عنوان پسرفتگی میباشد، این نوع از تغییرات در ارتفاع به دلیل ملاحظات معماری و تامین نور کافی در ارتفاع پایین سازه صورت میگیرد. وجود پسرفتگی درترازهای ارتفاعی مختلف در یک ساختمان سبب تغییرات ناگهانی جرم، سختی و مقاومت دراین کدهای ارتفاعی میشود و این تغییرات خود سبب تفاوت نیاز شکلپذیری این سازهها نسبت به حالت بدون پسرفتگی شان خواهد شد. مازولانی و پیلوسو بررسیهای عددی گسترده ای با هدف ارزیابی تفاوت در ضریب رفتار قابهای دارای پسرفتگی و منظم متناظر انجام دادند.
آنها نتیجه گرفتند که وجود پسرفتگیها پاسخ لرزهای را بدتر نمیکند. این موضوع میتواند به دلیل فعال شدن بیشتر مودهای بالاتر به خصوص در سازههای بلندمرتبه و افزایش سهم مودهای بالاتر در پاسخ لرزه ای دانست .[1] منتظری و همکاران به ارزیابی ویژگیهای دینامیکی سازههای نامنظم پرداختند و نتیجه گرفتند که پریودهای اصلی ارتعاش به دست آمده از تحلیل مودال نشان میدهد که پسرفتگی روی پریود اصلی قاب خمشی مقاوم به طور قابل توجه تاثیر میگذارد، همچنین، پسرفتگی به طور موثر روی توزیع ارتفاعی نیروهای لرزهای و برش پایه تاثیرگذار است. [2]از طرفی در سالهای اخیر با توسعه استراتژیهای طراحی براساس عملکرد و انتشار آنها در کارهای مهندسی در طراحی و ارزیابی لرزهای سازهها سبب افزایش تقاضای استفاده از ابزارهای غیرخطی شده است.
به صورت ایده آل ارزیابی عملکرد سیستمهای سازهای در معرض بارهای زلزله بایدبراساس تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی صورت گیرد، اما به دلیل پیچیدگی ذاتی و تلاش محاسباتی زیاد در کاربردهای مرسوم مهندسی مورد استفاده قرار نمیگیرد. به عنوان یک نتیجه، تحلیل استاتیکی غیرخطی بر خلاف دینامیکی در سالهای اخیر به عنوان یک ابزار برای ارزیابی و طراحی سازهها شناخته میشود. در واقع، با وجود سادگی نسبی آن و آسانی استفاده، این ابزار عددی می تواند اطلاعات بسیار مهمی از مشخصات پاسخ را که تحلیل های استاتیکی خطی و دینامیکی قادر به انجام آن نیستند، محاسبه کند و سبب جذابیت بیشتر استفاده از آن به جای تحلیل دینامیکی غیرخطی شده است و همین امر باعث توسعه روشهای جدید تحلیل بار افزون میباشد.
از جمله روشهای توسعه یافته، می توان روش تحلیل بار افزون وفقی1 را نام برد، این روشها با در نظر گرفتن طیف پاسخ ساختگاه، بارها را در هر مرحله از تحلیل به روزرسانی میکند و برکاستیها و محدودیتهای روش تحلیل بار افزون مرسوم غلبه کردهاند. اما مسئلهای که تاکنون بر روی آن تحقیق صورت نگرفته است، ارزیابی این روشهای تحلیل توسعه یافته تحت زلزلههای نزدیک گسل و میزان دقتشان نسبت به تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی میباشد و بررسی این موضوع در سازههای دارای پسرفتگی به سبب زمان تناوب بلند و تاثیر بیشتر مودهای سازه در پاسخ دینامیکی اهمیت آن را دو چندان میکند. بنابراین با توجه به اهمیت این موضوع، سازههای دارای پسرفتگی در نظر گرفته میشوند و تحت زلزله نزدیک گسل قرار میگیرند و ارزیابی رفتار آنها با روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی و یک روش منتخب تحلیل استاتیکی غیرخطی با نام تحلیل بارافزون وفقی مبتنی بر جابجایی دقت سنجی میشود.
2.زلزله نزدیک گسل2
حرکات زمین اصلی ترین دلیل خسارات لرزه ای هستند و پاسخ دینامیکی ساختمانها به حرکت زمین مهمترین دلیل آسیب ناشی از زلزله است. حرکات زمین دور از گسل به طور قابل ملاحظهای متفاوت از رکوردهای نزدیک گسلی هستند که به فاصله چند کیلومتری از سطح گسیختگی گسل ثبت میشوند. پاسخ سازهها به حرکات زمین نزدیک گسل از نظر الگوهای تاریخچه تغییرمکان به دو گروه کاملا متفاوت تقسیم شده که به روند گسیختگی و اثر جهتداری متناظر با آن بستگی دارد. هنگامی که گسیختگی به صورت پیشرونده و به سمت ساختگاه حرکت نماید و راستای لغزش بر روی گسل در راستای ساختگاه باشد، حرکات زمین در این مسیر جهتداری پیشرونده دارد و تولید پالسهای پریود بلند با مدت زمان کوتاه و دامنه بزرگ مینمایند.
علت به وجود آمدن مشخصات خاص در رکوردهای نزدیک گسل، تجمع آثار اکثر امواج برشی در قسمت جلوی مسیر گسیختگی گسل، زمانی که گسل با سرعتی نزدیک به امواج برشی به سمت ایستگاه و یا ساختگاه انتشار مییابد، باعث به وجود آمدن یک حرکت پالس گونه با پریود بلند در ابتدای رکوردهای ثبت شده در ایستگاههای نزدیک گسل میگردد. در زمین لرزههای دور از گسل دو مولفه افقی رکوردها شبیه یکدیگر و مقادیر بیشینه شتاب، سرعت و جابجاییهای مربوط به هر دو مولفه تقریبا برابراست ولی از آنجائیکه تجمع آثار اکثر امواج برشی در مسیر پیشرو گسیختگی متمایل به سمت محوری عمودی بر مسیر گسل میباشند و به دلیل الگوی شعاعی جابجایی برشی گسل باعث میگردد که درکوردهای نزدیک گسل، مولفه قائم بر گسل مقادیر بزرگتری نسبت به مولفه موازی با جهت گسل را برای مقادیر بیشینه شتاب و بیشینه سرعت و بیشینه جابجایی نشان دهند.
علاوه بر این، رکوردهای نزدیک گسل در مقایسه با رکوردهای ثبت شده در فاصله دورتر دارای محتوای فرکانسی قویتری میباشند که این تفاوت را میتوان به وجود حرکت پالسگونه در ابتدای رکوردهای مربوطه دانست، لذا یکی از ویژگیهای رکوردهای نزدیک گسل وجود حرکت پالسگونه پریود بلند است. از دیگر مشخصات اصلی رکوردهای نزدیک گسل می توان به تفاوت دامنه رکوردهای ثبت شده در دو جهت افقی و قائم و همچنین تعداد پالسهای قابل توجه در رکوردهای سرعت اشاره کرد .[3] در این مطالعه از چهار رکورد نزدیک گسل پیشنهاد شده توسط [4] FEMA-P695 با مشخصات جدول1 از پایگاه مرکز تحقیقات مهندسی زلزله PEER-BERKELEY استخراج شده است.
2.تحلیل بار افزون سنتی1
تحلیل بار افزون سنتی شامل کاربرد و افزایش یک الگوی یکنواخت و از پیش تعریف شده از نیروی اعمال شده در ارتفاع سازه میباشد. این تحلیل به عنوان یک فرآیند محدودیتهایی را وابسته به عدم ناتوانی در به حساب آوردن موارد پیشرو نشان میدهد که عبارتند از: .1 ناتوانی در به حساب آوردن کاهش سختی گسترش یافته و تغییر مشخصات مودال سازه به واسطهی افزایش زمان تناوب سازه در معرض بارگذاری یکنواخت، .2 به سبب استاتیکی بودن روش، تنها قادر به در نظر گرفتن کرنش مصالح است و از دیگر منابع اتلاف انرژی که در پاسخ دینامیکی تاثیرگذار هستند، صرف نظر میشود، .3 پیش بینی تغییر شکلها در صورتی که مودهای بالاتر اهمیت داشته باشند و یا اگر سازه تا محدوده پس از تسلیم تحلیل شود، بسیار غیردقیق میشوند، .4محدودیت در ترکیب اثرات سه بعدی سازه، .5 محدودیت در مدل کردن بارگذاری رفت و برگشتی زلزله این محدودیتها بر روی توزیع نیروی لرزهای طبقات و پیش بینی پاسخها تاثیر میگذارند و به همین دلیل شاهد ارائه روشهایی به نام روشهای تحلیل بار افزون وفقی بودهایم .[5]
3.تحلیل بار افزون وفقی مبتنی بر نیرو2
Gupta و Kunnath در سال 2000 روش تحلیل بار افزون وفقی را پیشنهاد دادند که بار اعمالی نیرو به صورت پیوسته به روزرسانی میشود و وابسته به مشخصات دینامیکی لحظهای سازه و طیف مخصوص ساختگاه میباشد. طبق این روش، برای تعریف الگوی بارگذاری متناسب با شرایط سختی جاری سازه، در هر مرحله از افزایش بار، یک تحلیل مقادیر ویژه انجام میشود. در این روش تعداد مودهای دخیل در محاسبات از پیش تعریف میشوندونیروهای وارد بر هر طبقه از حاصل ضرب ضریب مشارکت مودال، شکل مود نرمال شده براساس جرم، وزن طبقه و دامنه طیفی مود مورد نظر تعیین شده وسپس به وسیله یک تحلیل استاتیکی مستقل برای هر مود در هر مرحله از تحلیل نتایج با قاعده SRSS ترکیب شده و به مقادیر متناظرشان از مرحله قبل اضافه میشوند، که همین استفاده مکرر از قاعده SRSS سبب ایجاد خطا در محاسبه برخی از پارامترهای پاسخ میکند.
پس از توسعههایی که توسط محققان دیگر صورت گرفت، سرانجام Elnashai توانست طرح تحلیل بار افزون وفقی یک مرحلهای مبتنی بر نیرو را ارائه دهد، که براساس آن روند یک مرحلهای تحلیل به طور کامل به روزرسانی میشود و چندین مود را در نظر میگیرد. علاوه براین، افزایش زمان تناوب سیستم را به دلیل کاهش سختی در توزیع نیروهای طبقات در هر گام تحلیل در نظر میگیرد. مشخصات دینامیکی سازه در هر گام از تحلیل به وسیله تحلیل مقادیر ویژه، اصلاح و همچنین طیف خاص ساختگاه به طور صریح در مقیاس کردن نیروها در نظر گرفته میشود. بنابراین اثری که زمین لرزه مورد نظر ممکن است بر مودهای ارتعاش داشته باشد، در این روش دیده میشود .[5] ارزیابی این روش توسط Antoniou و Pinho در سال 2004 بر روی طیف وسیعی از سازههای بتنی برای پیش بینی ظرفیت افقی آنها در مقایسه با تحلیل دینامیکی تاریجچه زمانی غیرخطی صورت گرفت و این موضوع نتیجه گرفته شد که با وجود برتری مفهمومی روش وفقی حال حاضر مزیت به نسبت جزئی به روش تحلیل بار افزون سنتی وجود دارد، به خصوص در برآورد الگوهای تغییر شکل ساختمانها، که هر دو روش به طور ضعیفی پیش بینی میکنند .[6]
4.تحلیل بار افزون وفقی مبتنی بر جابجایی3
Antonio و Pinho الگوریتم تحلیل بار افزون مبتنی بر جابجایی [7] را ارائه دادند. این روش شامل چهار مرحله است که مرحله اول آن در ابتدای تحلیل تنها یکبار تعریف میشود و مراحل بعدی در هر گام تحلیل، تکرار میشوند. این مراحل به ترتیب عبارتند از:
1.تعریف جرم و بردار عددی بار U0 ، یک بردار عددی بار به صورت جابجایی در ابتدای تحلیل دارای بزرگای یکنواخت و یکسان در ارتفاع سازه تعریف میشود.
.2 محاسبه ضریب بار، بزرگای بارگذاری در هر مرحله از تحلیل با استفاده از رابطه 1 تعیین میشود:
