بخشی از مقاله
چکیده
در هنگام وقوع زلزله هاي شدید، سازه ها با ورود به ناحیه غیر ارتجاعی، رفتار غیرخطی داشته و با جذب انرژي زیاد قادر به تحمل نیروهاي بیشتري خواهند بود. ضریب رفتار یکی از پارامترهاي طراحی لرزه اي می باشد که عملکرد غیرخطی سازه ها را حین زلزله هاي شدید لحاظ میکند. به دلیل پیچیدگی هاي روش تحلیل دینامیکی غیر خطی و همچنین صرف زمان زیاد، امروزه از روش هاي تحلیل استاتیکی غیرخطی به عنوان روشی جایگزین استفاده می شود .
هدف این پژوهش بررسی توانایی روش هاي مختلف تحلیل پوش آور - سنتی و پیشرفته - در تعیین ضریب رفتار قاب هاي خمشی فولادي با شکل پذیري متوسط می باشد. به همین منظور از 3 قاب خمشی فولادي با تعداد طبقات 4،7،10 استفاده شده است. کلیه تحلیل هاي غیر خطی با استفاده از نرم افزار OpenSees انجام شده است. نتایج نشان می دهد که ضریب رفتار حاصل از کلیه ي روشهاي تحلیل پوش اور، با افزایش ارتفاع سازه کاهش می یابد.
مقدمه
در هنگام وقوع زلزله هاي شدید به علت ایجاد مفاصل پلاستیک، سازه ها رفتار غیرخطی خواهند داشت و با تحمل تغییرشکلهاي غیر ارتجاعی انرژي بیشتري را حین زلزله جذب می کنند. به علت سهولت و گستردگی استفاده از روش هاي خطی تحلیل سازه ها در آیین نامه هاي مختلف از این روش براي طراحی سازه استفاده شده است. این در حالی است که نیروي زلزله ي مورد نیاز براي طراحی سازه ها بسیار کمتر از نیروي حاصل از تحلیل هاي خطی می باشد.
علت این اختلاف منظور نکردن رفتار غیرخطی سازه ها در حین زلزله می باشد. به همین دلیل در آیین نامه هاي طراحی لرزه اي سازه ها از ضریبی تحت عنوان ضریب رفتار به منظور در نظر گرفتن رفتار غیرخطی سازه ها استفاده شده است. ضریب رفتار سازه، ضریبی است که نشانگر مقاومت سازه در مرحله غیر ارتجاعی می باشد.ضریب رفتار یا ضریب کاهش نیرو به عوامل مختلفی از جمله زمان تناوب اصلی سازه، میرایی، مشخصات خاك محل، ضریب شکل پذیري، ضریب اضافه مقاومت و منحنی رفتاري سازه، وابسته می باشد. به منظور بررسی نیازهاي فراارتجاعی سازه ها، روش دینامیکی غیرخطی به عنوان روش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد که البته این روش مستلزم صرف زمان و هزینه زیادي می باشد.
در سال هاي اخیر روش تحلیل استاتیکی غیرخطی - پوش اور - به عنوان روشی جایگزین مورد استفاده قرار می گیرد. روش هاي پوش اور سنتی به دلیل در نظر نگرفتن زوال سختی سازه و همچنین اثر مودهاي بالاتر در فرآیند تحلیل، داراي نواقصی می باشند به منظور رفع نواقص موجود، در سال هاي اخیر روش هاي پیشرفته تحلیل پوش اور توسط محققین مختلف ارائه شده است که از جمله آن ها میتوان به روشهاي پوش اور تطبیقی بر اساس نیرو - FAPA - و بر اساس جابجایی - DAPA - اشاره کرد که توسط آنتونیو و پینهو - 2005 - ارائه شده است. در این پژوهش ضریب رفتار حاصل از روشهاي تحلیل استاتیکی غیرخطی سنتی - با الگوهاي بار جانبی مختلف شامل طیفی، موداول، یکنواخت ومثلثی - و پیشرفته - شامل روشهاي بر مبناي جابجایی DAP و - APAM، به روش یانگ - 1991 - محاسبه میشوند و در نهایت نتایج مورد ارزیابی قرار می گیرند.
کلیه ي تحلیل هاي استاتیکی غیرخطی توسط نرم افزار OpenSees - 2008 - انجام شده است. این نرم افزار قابلیت انجام تحلیلهاي استاتیکی غیرخطی را به صورت مستقیم دارا نمی باشد به همین دلیل کد هایی که توانایی انجام تحلیل هاي مذکور را ایجاد میکنند، تهیه شده است. در کلیه ي سازه هاي مورد بررسی در این تحقیق، بار جانبی تا رسیدن حداکثر دوران گرههاي سازه به مقدار 0.02 رادیان معرف حد پایین سطح عملکرد آستانه فروریزش براساس دستورالعمل - SEAOC، افزایش داده می شود که نوآوري این پژوهش میباشد. دوران یک گره با نسبت تغییرمکان نسبی طبقه فوقانی آن گره به ارتفاع طبقه تعریف میشود که این تعریف همان زاویه دریفت بین طبقهاي میباشد.
تحلیل استاتیکی غیرخطی - پوش اور -
یکی از روش هاي مرسوم در تخمین پارامترهاي لرزه اي سازه و بررسی عملکرد غیرخطی و غیرارتجاعی سازه ها، روش تحلیل استاتیکی غیرخطی تحت بارهاي جانبی افزایشی می باشد. در این روش سازه تحت الگوي بار جانبی مشخص قرار می گیرد و این بار تا رسیدن نقطه کنترل سازه به یک تغییر مکان هدف از پیش تعیین شده با آهنگ ثابت افزایش می یابد. اصلی ترین محصول این روش تحلیل سازه، منحنی تغییرات روش پایه در مقابل تغییر مکان بام می باشد که به آن منحنی ظرفیت سازه گفته می شود.
در این پژوهش از روش تحلیل استاتیکی غیرخطی سنتی با الگوهاي بار جانبی مختلف شامل مود اول ارتعاش سازه - M1 - ، مثلثی - TR - ، یکنواخت - Uniform - و الگوي حاصل از تحلیل دینامیکی طیفی - SPEC - استفاده شده است. در روش تحلیل استاتیکی غیرخطی پیشرفته تحت عناوین روش پوش اور تطبیقی بر اساس جابجایی - DAP - و روش پوش اور تطبیقی با لحاظ کردن اندرکنش بین مودي - APAM - که هر یک با استفاده از طیف پاسخ جابجایی حاصل از 3 رکورد مختلف محاسبه می شوند، نیز مورد ارزیابی قرار می گیرند و در مجموع تعداد 10 تحلیل بر روي هر قاب صورت می گیرد و مقادیر ضریب رفتار براي هر یک محاسبه می شوند.
روش پوش اور تطبیقی بر اساس جابجایی - DAP -
در این روش که در سال 2004 توسط آنتینیو و پینهو - 2005 - ارائه شده است، در هر مرحله با توجه به زوال سختی اعضاي سازه، ناشی از نیروهاي داخلی، ماتریس سختی و مشخصات تغییریافته ي سازه تعیین می شود و در نهایت الگوي جابجایی با توجه به بردار جابجایی اولیه و بردار جابجایی مودي بر اساس روابط ارائه شده توسط محققین مذکور، تصحیح می شود. توضیحات تکمیلی پیرامون این روش در مرجع ذکر شده است.
روش پوش اور تطبیقی با لحاظ کردن اندرکنش بین مودي - APAM -
روش پوش اور تطبییقی APAM اثر اندرکنش بین مودها را براساس جرم موثر مودي و با در نظر گرفتن علامت لحاظ میکند و تغییر در مشخصات مودال سازه ناشی از تسلیم اعضا و زوال سختی را نیز در نظر گرفته و منحنی ظرفیت سازه را با استفاده از مفهوم انرژي تخمین میزند.
ضریب رفتار - - R
تا کنون روش هاي مختلفی براي محاسبه ضریب رفتار توسط محققین مختلف ارائه شده است. این روش ها به طور کلی در دو گروه اصلی اروپایی و آمریکایی طبقه بندي می شوند . در این مطالعه از یکی روش هاي آمریکایی تحت عنوان یوانگ - Uang - ، استفاده می شود. پارامترهاي استفاده شده در روش یوانگ در شکل - 1 - نمایش داده شده است
شکل -1 منحنی ظرفیت واقعی و دوخطی ایده ال شده سازه به منظور محاسبه پارامتر هاي لرزه اي [5]
شکل - 1 - منحنی تغییرات برش پایهي سازه در مقابل جابجایی نسبی، حاصل از تحلیل پوش اور را نشان می دهد. این منحنی به صورت یک منحنی دوخطی ایده آل سازي شده است. ضریب رفتار به پارامتر هاي مختلفی وابسته می باشد که در مرجع - Izadinia et al., 2012 - به آن اشاره شده است.
معرفی مدلها
به منظور بررسی ضریب رفتار حاصل از روش هاي مختلف تحلیل پوش اور، از مدل هاي 4 ، 7 و 10 طبقه با ارتفاع طبقات 4 متر و تعداد 5 دهانه به طول 5 متر استفاده شده است. قاب هاي مورد نظر قاب خمشی با شکلپذیري متوسط می باشند. به منظور طراحی سازهها از آییننامه AISC-ASD 89 و آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله - استاندارد - - 1384 - 2800 استفاده شده است و فرضیات طراحی شامل خاك نوع III و منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد میباشد. مقاطع مورد استفاده در این قابها شامل مقاطع جعبهاي و تیر ورق به ترتیب براي ستونها و تیرها میباشد.
به منظور انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی از نرم افزار OpenSees - 2008 - استفاده شده است . در جداول 1 تا 3 مقاطع مورد استفاده براي سازه هاي مختلف ارائه شده است.
جدول -1 مقاطع مدل 4 طبقه
جدول -2 مقاطع مدل 7 طبقه
جدول -3 مقاطع مدل 10 طبقه
معرفی شتاب نگاشتها
به منظور انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی تطبیقی DAP - و - APAM، از طیف پاسخ جابجایی و شتاب حاصل از 3 شتابنگاشت دور از گسل استفاده شده است که مشخصات آن ها در جدول 4 ذکر شده است. تمامی نگاشت هاي مورد استفاده که از سایت Peer - 1384 - دریافت شده است، داراي مشخصات مربوط به خاك نوع III بر اساس آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله - استاندارد - 2800 و یا خاك کلاس D بر اساس طبقه بندي دستوالعمل FEMA356 می باشد. براي ترسیم طیف پاسخ ارتجاعی زلزله هاي مختلف از نرم افزار SeismoSignal استفاده شده است.
جدول -4 مشخصات رکورد هاي مورد استفاده در روش هاي DAP و APAM
ضریب رفتار ناشی از روش هاي مختلف تحلیل استاتیکی غیرخطی - پوش اور -
در این پژوهش ضریب رفتار حاصل از روش هاي مختلف تحلیل استاتیکی غیرخطی با استفاده از روش یانگ محاسبه شده است. به همین منظور از روش پوش اور سنتی با الگوهاي مختلف بار جانبی، شامل الگوي بار طیفی - SPEC - ، مثلثی - TR - ، مود اول نوسان سازه - M1 - و یکنواخت - Uniform - به همراه روش پوش اور تطبیقی بر مبناي جابجایی - DAP - و روش پوش اور تطبیقی با لحاظ نمودن اندرکنش بین مودها - APAM - استفاده شده است.
در روش هاي پوش اور تطبیقی مذکور از طیف پاسخ ارتجاعی جابجایی و شتاب 3 شتابنگاشت استفاده شده است. کلیه ي تحلیل هاي استاتیکی غیرخطی مورد بحث، با استفاده از نرم افزار OpenSees انجام شده است. در جداول 5 تا 7 مقادیر ضریب رفتار و دیگر پارامتر هاي موثر، براي سازه هاي مختلف مورد استفاده در این مطالعه ارائه شده است.
