بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تخمین ضریب رفتار سوله هاي یک دهانه و مقایسه آن با آیین نامه 2800
خلاصه
امروزه سوله ها به خاطر اجراي سریع، ایجاد فضاهایی با دهانه هاي بزرگ و سبک بودن اسکلت سازه اي و به تبع آن عملکرد مناسب در برابر زلزله به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد وسیع این نوع سازه ها و وجود برخی ابهامات در انتخاب ضریب رفتار مناسب براي تحلیل لرزهاي، محاسبه این پارامتر لرزهاي را برجسته میکند. البته نیروي زلزله اغلب زمانی در این نوع سازه ها حاکم است که سازه داراي جرثقیل سقفی سنگین باشد، در غیر این صورت نیروي باد حاکم بر طراحی خواهد بود. در این مقاله به منظور ارزیابی ضریب رفتار سوله ها، 6 سوله با ارتفاع یکسان و دهانه هاي متفاوت مطابق ضوابط مبحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان ایران و همچنین ویرایش سوم آیین نامه 2800، طراحی و سپس با استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی و با بکارگیري نرمافزار SAP 2000(v. 14.1) منحنی پوشآور هر سوله بدست آورده شد و در نهایت با استفاده از این منحنیها، تأثیر طول دهانه سوله بر ضریب رفتار، ضریب مقاومت افزون، ضریب شکل پذیري و ضریب کاهش بر اثر شکل پذیري مورد بررسی قرار گرفت و سپس رابطهاي براي برآورد ضریب رفتار سوله با داشتن طول دهانه مورد نظر پیشنهاد گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که ضریب رفتار سوله با افزایش طول دهانه افزایش می یابد.
کلمات کلیدي: سوله ، ضریب رفتار، تحلیل استاتیکی غیرخطی، منحنی پوش آور
1. مقدمه
فلسفه هاي حاکم بر آیین نامه هاي طراحی موجود دنیا، به سازه این اجازه را میدهند که به هنگام ارتعاشات شدید زمین وارد محدوده تغییر شکلهاي غیرالاستیک گردد. به عنوان یک نتیجه از این فلسفه طراحی، بایستی نیروهاي طراحی الاستیک بسیار کوچک تر از مقادیر لازم براي حفظ سازه در محدوده خطی(هنگام زلزله ) باشند.[1] کاهش در نیروهاي ایجاد شده، به علت میرایی انرژي در رفتار غیر خطی هیسترتیک پدید آمده و به وسیله ضرایب اصلاح مقاومت منظور میگردد.[2]
به هنگام اعمال نیروي جانبی به یک سازه ، اعضاي آن بخشی از انرژي ناشی از نیرو را به خاطر عملکرد ارتجاعی و بخش قابل توجهی از این انرژي را به خاطر عملکرد غیر ارتجاعی مستهلک مینمایند. بنابراین منطقی آن است که براي طراحی سازه علاوه بر قابلیت ارتجاعی اعضا،حتماً قابلیت غیر ارتجاعی آنها نیز در نظر گرفته شود. رعایت نمودن دقیق این امر مستلزم تحلیل دینامیکی غیر ارتجاعی است که بسیار پیچیده و وقتگیر بوده و انجام آن براي سازه هاي متعارف غیر اقتصادي میباشد. اما در بسیاري از آیین نامه ها به منظور پرهیز از تحلیل دینامیکی غیر خطی و در عین حال در نظر گرفتن رفتار غیر خطی سازه ، ضریبی را به نام ضریب رفتار معرفی می کنند.[3] نحوه عملکرد این ضریب بدین صورت است که به هنگام تحلیل ارتجاعی سازه ، نیروي جانبی وارده به سازه کاهش مییابد تا به نحوي اثر آن میزان از انرژي که در اثر رفتار غیرخطی سازه مستهلک میگردد، در نظر گرفته شود. این میزان انرژي مستهلک شده ناشی از عواملی نظیر زمان تناوب سازه ، شکل پذیري و مقاومت افزون است.[3]
2. قاب شیبدار(سوله )
تجربه زلزله هاي گذشته نشان میدهد که قابهاي شیبدار فولادي(سوله ) اغلب رفتار مناسبی در برابر زلزله از خود نشان میدهند. سبکی این سازه ها از جمله عواملی است که موجب بهبود رفتار لرزه اي این نوع سازه ها می شود. گزارش تهیه شده از زلزله 5 ديماه 1382 بم[4]، رفتار لرزهاي مناسب این نوع سازه ها را نشان میدهد و خسارتهاي بوجود آمده را بیشتر از نوع غیر سازه اي گزارش میکند، به گونهاي که سازه پس از زلزله پایداري خود را حفظ کرده و فقط دیوارهاي پیرامون آن تخریب جزئی داشته است. به دلیل مزایاي ویژهاي از جمله ایجاد دهانه هاي بزرگ بدون ستون میانی، نصب سریع به علت اتصالات پیچ و مهرهاي، امکان انتقال سازه به مکان دیگر به علت اتصالات پیچ و مهرهاي و سبک بودن وزن سازه ، امروزه به طور وسیعی از این سازه ها در شهركهاي صنعتی بعضاًو در شهرها براي کاربري هاي مختلفی از قبیل: آشیانه هواپیما، کارخانجات صنعتی، انبارها، مجموعه هاي ورزشی و... استفاده میکنند. شکل1 نمونههایی از این نوع سازه ها را نمایش میدهد.
.3 ضریب رفتار
ضریب رفتار یا ضریب اصلاح پاسخ سازه ، کمیتی است که عملکرد غیر ارتجاعی سازه را در بر داشته و نشانگر مقاومت پنهان سازه در مرحله غیر الاستیک میباشد. آیین نامه هاي طراحی لرزهاي کنونی، نیروهاي لرزهاي براي طراحی ارتجاعی ساختمان را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی ساختمان و شرایط خاك محل احداث ساختمان است، بدست میآورند و براي لحاظ کردن اثر رفتار غیرارتجاعی و اتلاف انرژي بر اثر رفتار هیسترزیس، میرایی و اثر مقاومت افزون سازه ، این نیروي ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت (ضریب رفتار) به نیروي طراحی تبدیل میکنند.[3]
با توجه به شکل 2 مقدار مقاومت الاستیک مورد نیاز برحسب ضریب برش پایه( (Ceu از رابطه (1) بدست میآید.
که در آن W وزن سازه و Ve حداکثر برش پایه در صورتی که سازه کاملاً در محدوده الاستیک باقی بماند، است. از آنجا که یک سازه که به صورت صحیح طراحی شده،معمولاً مقادیر قابل ملاحظهاي از شکل پذیري را می تواند تأمین کند، سازه میتواند بصورت اقتصاديتري طراحی شود تا حداکثر مقاومت CyW را تأمین کند. براي اهداف طراحی، آیین نامه ها مقدار Cy را تا Cs که نمایانگر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در مجموعه سازه میباشد، کاهش میدهند. در طراحی با استفاده از روش بار نهایی در سازه هاي بتنی و روش ضرایب بار و مقاومت در سازه هاي فولادي از این تراز نیرویی استفاده میشود. اختلاف نیروي بین CyW و CsW راصطلاحاً اضافه مقاومت مینامند. از آنجا که در آیین نامه هاي طراحی سازه هاي فولادي و بتنی در بسیاري از کشورها هنوز استفاده از روش تنش مجاز متداول است، آیین نامه 2800 ایران مقدار Cs را به Cw کاهش میدهد و لذا نیروي برشی پایه طراحی در این آیین نامه ها برابر CwW میباشد.[3]
1-3 ضریب شکل پذیري کلی سازه μ
با ایده آل نمودن منحنی رفتار کلی سازه به منحنی الاستیک- پلاستیک کامل شکل2، ضریب شکل پذیري کلی سازه را میتوان به صورت رابطه (2) بیان نمود.
2-3 ضریب کاهش مقاومت در اثر شکل پذیري( ( Rμ
بر اثر شکل پذیري، ساختمان ظرفیتی براي استهلاك انرژي هیسترتیک خواهد داشت. به دلیل این ظرفیت استهلاك انرژي، نیروي طراحی ارتجاعی ( Ceu ) را میتوان به تراز مقاومت تسلیم( ( C y کاهش داد، از اینرو ضریب شکل پذیري را میتوان به صورت رابطه (3) نوشت.
میراندا و برترو[1] سعی کردند با انتخاب تعدادنسبتاً زیادي از زلزله هاي ثبت شده، اثر شرایط خاك بر ضریب Rµ را مورد بررسی قرار دهند. به همین منظور آنها 124 زلزله ثبت شده در محدوده وسیعی از شرایط خاك در هنگام زلزله هاي گوناگون را در نظر گرفتند و بر اساس شرایط محلی خاك در ایستگاه ثبت کننده، زلزله ها به سه گروه ثبت شده در زمین سنگی، زمین رسوبی و خاك خیلی نرم دسته بندي نمودند.
آنها ضرایب Rµ را براي سیستمهاي با 5 درصد میرایی و با ضرایب شکل پذیري کلی سازه اي بین 2 تا 6 محاسبه نمودند و متوسط ضرایب Rµ براي هر نوع خاك به صورت رابطه (4) ارائه نمودند. آنها علاوه بر تاثیر شرایط خاك، تاثیر بزرگی زلزله و فاصله مرکز سطحی زلزله بر ضرایب Rµ مورد بررسی قرار دادند و تحقیقاتشان نشان داد که شرایط خاك بر ضرایب Rµ تاثیر میگذارد (به ویژه براي محل هایی که داراي خاك نرم هستند)، اما بزرگی زلزله و فاصله مرکز سطحی زلزله بر ضرایب Rµ تاثیر ناچیزي دارند.
که در آن μ ضریب شکل پذیري وϕ براي زمین هاي رسوبی از رابطه (5) بدست میآید.
3-3 ضریب مقاومت افزون ( Ω )
مقاومت ذخیره اي که بین تراز تسلیم کلی سازه ( (Cy و تراز اولین تسلیم ( (Cs وجود دارد به عنوان ضریب مقاومت افزون شناخته میشود و از رابطه (6) بدست میآید.[3]
اضافه مقاومت سازه در نتیجه باز توزیع نیروهاي داخلی، بیشتر بودن مقاومت واقعی مصالح نسبت به مقاومت اسمی، سخت شوندگی کرنشی، محدودیتهاي آیین نامه اي در مورد تغییر مکان جانبی، اثرات اجزاء غیر سازه اي و غیره میباشد.[3]
4-3 ضریب تنش مجاز( ( Y
این ضریب بر اساس نحوه برخورد آیین نامههاي مصالح با تنشهاي طراحی(بار مجاز یا بار نهایی) تعیین میشود و مقدار آن مطابق رابطه (7) عبارتست از نسبت نیرو در حد تشکیل اولین لولاي خمیري( (Cs، به نیرو در حد تنشهاي مجاز( .[3](Cw
مقدار این ضریب بر اساس روش تنش مجاز آیین نامه [5] AISC-ASD 89 از رابطه (8) برآورد میشود.
که در آن Z و S به ترتیب مدولهاي خمیري و ارتجاعی بوده و ضریب 4/3 اضافه تنش مجاز به هنگام اثر نیروهاي زلزله است. بنابراین ضریب رفتار مطابق با روش طراحی بر اساس تنش مجاز را میتوان از رابطه (9) تعیین کرد.[3]
4. مدلهاي مطالعه شده
در این مقاله، 6 مدل با دهانه هاي 12.5، 15، 17.5، 20، 22.5 و 25 و ارتفاع تاج 9 متر مطابق جدول 1 مورد مطالعه قرار گرفت. روند کار به این صورت بود که ابتدا کلیه این مدلها بر اساس مبحث ششم بارهاي وارد بر ساختمان[6] و ویرایش سوم استاندارد [7]2800 براي منطقه با برف متوسط، سرعت مبناي باد 110 کیلومتر بر ساعت و سطح خطر نسبی زلزله کم، بارگذاري و سپس بر اساس ضوابط آیین نامه [5] AISC-ASD 89 و ترکیبات بار ارائه شده در مبحث دهم طرح و اجراي ساختمانهاي فولادي[8] به کمک نرمافزار(SAP 2000(v .14.1 طراحی شدند(آیین نامه فولاد ایران انطباق قابل ملاحظهاي با روش تنش مجاز آیین نامه AISC-ASD 89 دارد.). لازم به ذکر است که کلیه مقاطع مورد استفاده براي ستون و رفترها براي مدل هاي مطالعه شده، تیر ورق بوده و غیر منشوري میباشند. سیستم سازه اي این نوع سازه هامعمولاً در راستاي طولی مهاربندي ساده و در راستاي صفحه قاب از نوع قاب خمشی متوسط است.
فولاد مصرفی کلیه مدلهاي مطالعه شده از نوع فولاد ST 37 با مقاومت جاري شدن Fy=2400 kg/cm2 میباشد. بارگذاري ثقلی این مدلها بر اساس بار مرده: 60 kg/m2 و بار زنده(برف): 100 kg/m2 انجام شده است و با توجه به اینکه فاصله قابها در طول سوله ، 6 متر فرض شده است، این بار به صورت گسترده خطی بر رفترها وارد شده است. شکل 3 سوله هاي مدل شده در SAP 2000(v.14.1) را نشان میدهد.
