بخشی از مقاله
چکیده
بررسی رفتار سازههای فولادی و تحقیق در مورد نیاز یا عدم نیاز آنها به بهسازی، امری لازم و ضروری به نظر میرسد. در تحقیق حاضر نمونهای از سازه فلزی مهاربندی شده با مهاربندهای همگرا در ساختمان قاب خمشی فولادی پنچ طبقه با بادبند ضربدری در بهسازی لرزه ای ساختمان مختلف ارائه شده است. و رفتار قابها مورد بررسی قرار گرفته شده است. در نهایت پاسخهای لرزهای این قابها و سطح عملکرد هر کدام با هم مقایسه شده و مناسبترین آرایش بادبندی انتخاب شده است. روشهای تحلیلی بکار رفته در تحقیق نرم افزار SAP2000 بصورت سه بعدی جهت مدلسازی و تحلیل مورد استفاده قرار گرفته نتایج نشان می دهد تغییرمکان جانبی در ساختمانهای پنچ طبقه بهسازی شده کاهش یافته و این مقدار در ساختمانهای پنچ طبقه با بادبند ضربدری 53 درصد رسیده است و حاکی از تأثیر مثبت بادبندها در کاهش آن است.
مقدمه
به طور بدیهی، هیچ چیز در جهان ابدی نیست و عمر مفیدی دارد که طی آن در اثر مرور زمان یا علل دیگر فروپایگی پیدا کرده و بالاخره از حیز انتفاع میافتد. ساختههای دست بشر از جمله ساختمانها، مصالح و فرآوردههای ساختمانی هم از این قاعده مستثنی نیستد. عمر مفید ساختمانها به عوامل مختلفی از جمله کیفیت طرح ، کیفیت اجرا - که خود تابع کیفیت مصالح و کیفیت کاربرد آنهاست - ، کیفیت رویارویی با شرایط محیطی، کیفیت بهرهبرداری و بالاخره کیفیت نگهداری بستگی دارد.
هر چند با طراحی خوب و مناسب با شرایط محیطی، با اجرای خوب و بهرهبرداری و نگهداری صحیح میتوان پدیدار شدن فروپایگی را به تأخیر انداخت و عمر مفید را طولانیتر کرد، ولی در نهایت از عوارض پیری و فرسودگی گریزی نیست. به عبارت دیگر نمیتوان چیزی ساخت که فروپایگی پیدا نکند ولی میتوان با رعایت نکات فنی سرعت و دامنه فروپایگی را کاهش داد. زلزله یکی از پدیدههای مخرب طبیعی است که تنها طی نیمه قرن اخیر خسارات جانی و مالی زیادی را به جا گذاشته است.
کشور ایران به عنوان یکی از کشورهای لرزهخیز جهان، طی این دوره دچار خسارات ناشی از این پدیده و عواقب ناشی از آن گردیده است. امکان وقوع زلزلههای شدید به دلیل شرایط طبیعی زمین ساختاری ایران از یک طرف و همچنین طراحی و ساخت ساختمانهای بتنی زیادی که ضوابط بارگذاری لرزهای در آنها رعایت نشده است یا به دلیل تغییر این ضوابط، بارهای لرزهای آنها دست پایین برآورد شده از طرف دیگر، ارزیابی لرزهای ساختمانها موجود و نیز بهسازی آنها را ضروری میسازد.
ارزیابی لرزهای قابهای خمشی فولادی موجود نشان میدهد که به دلیل عدم رعایت ضوابط بارگذاری لرزهای و نیز به خاطر تغییر آییننامهها، ساختمانهای طرح شده موجود در برابر بارهای لرزهای اصلاح شده مقاوم نمیباشند. لذا مقاومسازی این ساختمانها در برابر زلزلههای آینده امری اجتناب ناپذیر می باشد. محققین روشهای مختلفی را برای مقاومسازی لرزهای قابها پیشنهاد کردند که هر کدام از آنها دارای مزایا و معایبی میباشد.
یکی از این روشها افزودن اعضاء سازهای جدید مانند دیوار برشی یا مهاربندهای فولادی به ساختمان میباشد. استفاده از مهاربندهای فولادی میتواند مورد توجه قرار گیرد؛ چرا که این روش حداقل اضافه وزن را به سازه اعمال میکند وضمناً اجراء آن نسبت به سایر روشها سادهتر میباشد. همچنین به کارگیری روش مقاومسازی مذکور در مهاربندیهای نوع 7 و 8 باز و بسته حداقل ممانعت معماری را سبب شده و امکان ایجاد بازشوها را فراهم میآوردند.
بهسازی در لغت به مفهوم اصلاح و اعاده وضع چیزی و در صنعت ساختمان به مفهوم احیاء یا افزودن قابلیت بهرهبرداری ساختمان و افزایش طول عمر مفید آن است. به عبارت دقیقتر بهسازی به مجموعه تمهیدات و عملیاتی گفته میشود که قابلیت انجام وظیفه یا وظایفی را در ساختمان ایجاد میکند که سازه در وضع موجود قادر به انجام تمام و کمال آنها نیست. بشر کنونی نمیتواند از وقوع زلزله جلوگیری نماید. اما میتواند با بکارگیری یکسری روشها از بوجود آمدن خسارات مالی و فجایع انسانی و همچنین آسیبهایی که ممکن است در طولانی مدت در اثر وقوع زلزله بوجود آید جلوگیری نماید. یکی از این روشها مقاومسازی سازهها در برابر زلزله است.
.2 پیشینه تحقیق
ایده مهاربندهای بدون کمانش اولین بار در 46 سال پیش مورد تحقیق و بررسی قرار گرفت. صفحات فولادی مسطحی در پانل های بتن مسلح مورد آزمایش قرار داد، این سیستم در واقع دیواری برشی بود که در داخل آن از مهاربند استفاده شده بود با این تفاوت که فاصله ای میان صفحات فولادی و بتن دیوار برشی تعبیه شده بود به این نتیجه رسیدکه این سیستم استهلاک انرژی بسیار بالاتری نسبت به حالتی دارد که این فاصله بین صفحه فولادی و بتن دیوار برشی وجود نداشته باشد . . - Yashino et al,1971 - در سال 1993 با انجام آزمایشاتی بر روی این صفحات فولادی نشان داد که به منظور بالابردن استهلاک انرژی بایستی مابین صفحات فولادی و بتن دیوار برشی از ماده ای غیر چسبنده و لزج - debonding material - استفاده کرد. - - Wakabayashi,et al. 1993 اولین آزمایش بر روی مهاربندهای فولادی محصور شده در ژاکت فولادی در سال 1976 به انجام رسید.
قابها با مهاربند همگرا، در برابر زلزله از نظر سختی، مقاومت و کنترل تغییرمکانهای جانبی در محدوده خطی دارای رفتار بسیار مناسبی اند، ولی در محدوده غیرارتجاعی به علت سختی جانبی مهاربندها، قابلیت جذب انرژی کمتری دارند و در نتیجه دارای شکل پذیری کمتری اند - دانشجو و عسگری . - 1392 بررسی ضریب رفتار سازههای متداول فولادی و در نظر گرفتن تأثیر عامل مشخصات هندسی و زمان تناوب سازهها، 54 قاب با سه سیستم سازهای شامل قاب خمشی، قاب ساده با مهاربند هم مرکز و قاب مهاربندی هم مرکز مرکب با قاب خمشی که رواج آن در ایران بیشتر میباشد، مطالعه کردند. در قابها خمشی و مرکب تأثیر اعمال رابطهی ستون قوی تیر ضعیف مورد بررسی قرار گرفته است - اسدی، حسینی، . - 1387 ساخت سازه با مهاربندی ناپیوسته در ارتفاع به شکلی که از یک قاب به قاب دیگر جابجا شود میتواند مشکلات معماری تداخل بازشوها و مهاربندی را حل کند.
ضمناً با استفاده از این روش مؤلفهی قائم رو به بالای این ستونها در اثر زلزله بین ستونهای بیشتری تقسیم میشود که نیاز به طراحی پی برای کشش را کم کرده یا از بین میبرد - زهری، . - 1377 با بررسی تاریخچه تحقیقات مربوط به مهاربندهای تسلیم شونده بدون کمانش، نیاز به این نوع مهاربند زمانی بوجود آمد که بتوان مقاومت فشاری عضو مهاربندی را افزایش داده، بدون اینکه مقاومت کششی عضو تحت تائیر قرار گیرد و در نهایت پاسخ هیسترسیس متقارنی را در رفتار این عضو مهاربندی مشاهده کرد - Carden, et al..2009 - این نوع مهاربند متشکل از یک هسته فولادی قابل تسلیم می باشد که در داخل محفظهای فولادی که از بتن مخصوصی پر شده، قرار گرفته است.
.3 روش تحقیق و مدلسازی عددی
در بسیاری از موارد با استفاده از تحلیل خطی نمیتوان ارزیابی رفتار سازه را تحت اثر زلزلههای گوناگون تعیین کرد، از این رو در این تحقیق از تحلیلهای غیرخطی استفاده شده است. در حالتی که شناخت نیاز و ظرفیت موجود سازهها بسیار پیچیده و غیر مطمئن باشد، به علت محدودیت توانایی و دانش طراحی باید بسیاری از فرضیات ساده کننده را به کار برد. در این حالت میتوان از تحلیل دینامیکی غیرخطی استفاده کرد. با استفاده از این روش مناسب میتوان اطلاعات ارزشمندی را به دست آورد. ظرفیت کلی سازه بستگی به ظرفیت تغییر شکل و مقاومت تک تک اعضای آن سازه دارد. برای تعیین ظرفیت سازه بعد از حد تسلیم از آنالیزهای غیرخطی نظیر تحلیل تاریخچه زمانی استفاده میشود.
در هر مرحله مدل ریاضی سازه به گونهای اصلاح میشود که کاهش مقاومت اجزای تسلیم شده وارد محاسبات شود. توزیع بار جانبی دوباره اعمال میشود تا اینکه به یکی از محدودیتهای از پیش تعیین شده - نظیر محدودیت جابجایی نسبی طبقات یا محدودیت دوران مفصلهای پلاستیک - برسیم. در فرایند بهسازی یک سازه موجود ابتدا لازم است هدف بهسازی انتخاب گردد. هدف بهسازی بیانگر سطح عملکرد مطلوب در زمانی که سازه با یک تقاضای زلزله معین مواجه میگردد. در صورتی که سازه جهت تأمین سطح عملکرد مطلوب دچار ضعف کلی باشد، با روشهای مختلف باید این ضعف اصلاح گردد.
برنامه SAP2000 یک برنامه عمومی جهت تحلیل و طراحی انواع سازهها میباشد. برنامه اولین تحلیل کامپیوتری SAP به روش المان محدود حدود 29 سال پیش در دانشگاه برکلی کالیفرنیا پایهریزی شد و با توجه به نیاز بخش صنعت ساختمان و غیر ساختمانی به دانش روز، SAP نیز پیشرفت کرد.در این پژوهش برای بدست آوردن پاسخ های دقیق تر، ساختمان به صورت سه بعدی مورد تحلیل و طراحی قرار گرفته است.
نوع سازههای ساختمانی مورد مطالعه از نوع قاب ساختمانی قاب خمشی میباشند. در این نوع سیستم سازهای، ستونها بصورت یکسره تا انتها ادامه یافته و کلیه تیرها با اتصالات گیردار در ارتفاع مورد نظر به ستونها متصل میشوند. اتصالات ستونها با کف ستونها نیز به صورت گیردار در نظر گرفته میشوند نوع دیگر ساختمانهای مورد مطالعه، همین ساختمانهای قاب خمشی بهسازی شده با بادبند شورون هممحور میباشد. نامگذاری این قابها با توجه به نوع مهاربند مورد استفاده و آرایش قرارگیری آن در ساختمان به صورت شکل - - 1 تا آمده است.
نمایش نمونه بادبند به شورون در ساختمان های مورد مطالعه، الف - 5NR، ب - 5XR1، ج - 5XR2، د - 5XR3
در این نامگذاری حرف N به معنای بهسازی نشده، حرف CH مخفف شورون و عدد اول تعداد طبقات و عدد دوم نمایانگر نوع آرایش سیستم مهاربندی میباشد. طبق آیین نامه مبحث ششم - بارهای وارد بر ساختمان - ساختمانهای با سیستم قاب خمشی حداکثر ارتفاع مجاز50 متر از روی پی را میتوانند داشته باشند که به لحاظ آییننامه ساختمانهای مورد مطالعه ما دارای ارتفاع سیستم سازهای مورد قبول آییننامه میباشند.
