بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین ضریب رفتار R در ساختمانهای صنعتی جرثقیل دار
چکیده
با توجه به احداث ساختمانهای صنعتی جرثقیل دار در سطح کشور و گسترش روز بروز آنها، با ذکر این نکته که چه در آئین نامه 2800 ایران و چه در آئین نامه سایر کشورها، هیچگونه ضریب رفتاری برای اینگونه ساختمانها ارائه نشده است، اهمیت بررسی رفتار دینامیکی اینگونه سازه ها ملاحظه می گردد. در این راستا و بررسی دقیقتر این موضوع ، در این مطالعه ابتدا روش محاسبه ضریب رفتار سازه ها و عوامل مؤثر بر آن مورد بررسی اجمالی قرار گرفته و در ادامه چهار مدل قاب صنعتی دارای جرثقیل الکتریکی سقفی مدل شده و با استفاده از برنامه SAP 90 و زیر برنامه SAPSTL تحلیل و طراحی شده اند.
در مرحله بعدی مدلهای مذکور بکمک برنامه SAP 90 و DRAIN – 2DX به ترتیب تحلیل خطی و غیرخطی تاریخچه زمانی شده اند که بدین منظور شتابنگاشتهای 15S ثبت شده روی خاک سخت و نرمال شده به PGA = 0.4 g مورد استفاده قرار گرفته اند و پس از بررسی رفتار غیرخطی این قابها، منحنی های Push – over مربوط به آنها رسم شده اند .
سپس با استفاده از 120 آنالیز انجام شده ، ضرایب شکل پذیری و مقاومت افزون قابها محاسبه شده و در نهایت ضرایب رفتار مربوط تعیین شده اند .
کلید واﮊه ها : شتابنگاشت - تحلیلرفتار غیرخطی - ضریب - ساختمان صنعتی
مقدمه
تجربه تاثیر زلزله ها بر سازه ها نشان می دهد که سازه ها در هنگام زلزله رفتاری غیرخطی دارند و بدین دلیل مقدار قابل توجهی از انرﮊی ورودی زلزله را بصورت انرﮊی میرائی و پسماند (Hysteresis) تلف می کنند. بنابر این سازه ها می توانند برای نیروی زلزله بسیار کمتر از نیروی لازم در حالت خطی طراحی گردند. تحلیل و طراحی دقیق سازه ها در این حالت با تحلیل غیر خطی میسر می باشد ، اما با توجه به سهولت و گستردگی روشهای تحلیل و طراحی خطی سازه ها، امروزه روش متداول مورد استفاده در آئین نامه های طراحی لرزه ای کشورهای مختلف ، براساس تحلیل و طراحی سازه در محدوده خطی و با نیروهای کوچک شده زلزله می باشد. نیروی زلزله برای طراحی خطی سازه ها، از یک طیف خطی زلزله به دست می آید و بمنظور اعمال کاهش که در نیروی اعمالی زلزله به دلیل عواملی مانند شکل پذیری ، مقاومت افزون ، میرائی و غیره بوجود می آید، نیروی خطی محاسبه شده از طیف خطی بوسیله ضریبی بنام ضریب کاهش مقاومت یا ضریب رفتار، کاهش پیدا می کند. مطالعات چندی تا کنون در مورد ضریب رفتار انجام شده است که از میان آنها می توان به مطالعات یوانگ [2] اشاره کرد. اخیراﹰ با توجه به گسترش نرم افزارهای تحلیل غیرخطی سازه ها، مطالعات تحلیلی مختلفی در مورد ضریب رفتار انجام شده است. در ایران تحقیقاتی در این زمینه انجام شده است که می توان به مطالعات امیر زند [5] اشاره نمود . در این مطالعه برای تعیین ضریب رفتار، مدلها ابتدا برای کلیه ترکیبات لازم بارگذاری طراحی شده، سپس بر روی آنها تحلیلهای دینامیکی خطی و غیرخطی و تحلیل استاتیکی غیرخطی Push – over انجام خواهد شد و در نهایت از روی اطلاعات بدست آمده ابتدا ضریب شکل پذیری و سپس ضریب رفتار تعیین خواهد شد .
مبانی و ماهیت ضریب کاهش مقاومت
همانطوریکه بیان گشت ، در آئین نامه های طراحی لرزه ای ، برای بهره گیری از ظرفیت جذب انرﮊی سازه ، از ضریب کاهش مقاومت R استفاده می گردد . مفهوم این ضریب با استفاده از شکل١ نشان داده می شود. رفتار واقعی غیرخطی سازه با یک رابطه دوخطی که نیروی جاری شدن در آن Cy و تغییر مکان حد جاری شدن ∆ y می باشد، معادل می شود. اگر سازه در هنگام زلزله رفتار خطی داشته باشد، نیروی بیشینه اعمالی به آن Ceu می باشد که بدلیل رفتار غیرخطی و اتلاف انرﮊی ، نیروی کمتری در حد Cy به سازه وارده می شود و در این حالت تغییر مکان حداکثر سازه ∆ max خواهد بود. در این شکل ∆ s مربوط به تغییر مکان لحظه ای است که اولین جاری شدن قابل ملاحظه در یکی از اعضای سازه رخ می دهد و یا به عبارتی اولین مفصل خمیری تشکیل می شود .
شکل ١- پاسخ عمومی لرزه ای سازه
Ceu ضریب برش پایه مورد نیاز در حالت ارتجاعی است که بصورت زیر بیان می گردد :
که در آن W وزن مؤثر سازه و Ve ماکزیمم برش پایه لازم است تا سازه در مقابل آن بصورت ارتجاعی باقی بماند. Cs ضریب برش پایه است که سازه براساس آن در حالت ارتجاعی طراحی می گردد و Cy ضریب برش پایه است که در حالت غیر ارتجاعی به سازه اعمال می شود. با توجه به شکل مشخص است که برای طراحی ، ضریب برش پایه ، طی دو مرحله ذیل کاهش می یابد :
الف) : کاهش از Ceu به Cy بدلیل استفاده از قابلیت شکل پذیری سازه [3]
ب ) کاهش از Cy به Cs بدلیل استفاده از مزیت مقاومت افزون (Over Strength) که در حقیقت مقاومت اضافه ای
است که سازه بعد از عبور از مرحله ارتجاعی از خود نشان می دهد. [4]
به جهت تفکیک این دو موضوع ، ضریب کاهش مربوط به هر یک از آنها با ضرایب جداگانه ای نشان داده می شود.
(2) ضریب مربوط به شکل پذیری Rµ = Ceu / Cy
(3) ضریب مربوط به مقاومت افزون
(4) ضریب رفتار
ضریب رفتار یا یا ضریب کاهش مقاومت فوق مربوط به آئین نامه هایی است که از روش مقاومت نهائی برای طراحی استفاده می کنند. آئین نامه هائی که از روش تنش مجاز در طراحی استفاده می کنند ، کاهش دیگری از Cs به Cw اعمال می کنند تا تنشهای بوجود آمده در سازه را به تنشهای مجاز (Working Stress) محدود کنند. این ضریب بشکل زیر تعیین می گردد:
(5) ضریب کاهش از تنش تسلیم به تنش مجاز Y = Cs/Cw
مقدار Y تقریباﹰ در حدود 1.4 ~ 1.5 می باشد.
با توجه به توضیحات داده شده ، برای آئین نامه های روش تنش مجاز ، ضریب رفتار از رابطه (7) تعیین می گردد :
Rw = Rµ . Rs. Y (6)
بررسی ضریب رفتار قابهای صنعتی جرثقیل دار
بمنظور بررسی ضریب رفتار سازه های متدول فولادی و در نظر گرفتن تاثیر عامل مشخصات هندسی و زمان تناوب سازه ها، تعداد 4 قاب صنعتی با دهانه ها و ارتفاعات و ظرفیتهای مختلف جرثقیل بشرح شکلهای (2) و (4) و (6) و (8) مطالعه شده است. در بارگذاری مدلهای مورد بررسی برای بارهای زنده و مرده و باد از آئین نامه 519 مرکز تحقیقات صنعتی ایران و برای ترکیبات بارگذاری جرثقیل از آئین نامه AISE امریکا استفاد شده است. [1] ترکیبات بارهای زنده و مرده و باد و جرثقیل (شامل نیروهای قائم ، ضریب ضربه ، نیروهای افقی جرثقیل ) با استفاده از ضوابط آئین نامه AISE در مورد ساختمانهای صنعتی جرثقیل دار مدنظر قرارگرفته است . آئین نامه AISE بیان می کند که در مورد تعیین وزن مرده ساختمان برای محاسبات زلزله ، کلیه جرثقیلهای پارک شده در بدترین وضعیت و در حالت بدون بار می بایستی مدنظر قرار گیرد. با توجه به ضوابط یاد شده ، و با استفاده از طیف طراحی زمین نوع I در آئین نامه 2800 و انجام آنالیز مدال ، پاسخ سازه ها برای مقدار لازم شکل مدی برای هر سازه برای طیف مذکور به دست آمده است. در مرحله بعد ترکیبات بارهای لازم برای بارهای زنده ، مرده ، باد، نیروهای جرثقیل و ترکیبات لازم نیروی زلزله ، سازه ها برای کلیه نیروهای وارده توسط برنامه SAP90 آنالیز شده و نسبت تنشها توسط زیر برنامه SAPSTL برای ترکیبات لازم توسط آزمون و خطا بدست آمده است .
بعد از تکمیل طراحی با استفاده از شتابنگاشتهای 15S که به PGA = 0.4 g مقیاس شده اند و با کمک نرم افزار SAP90، برش پایه ناشی از رفتار خطی سازه ها در برابر شتابنگاشتهای یاد شده تعیین شده است . در مرحله بعدی هر یک از مدلها به کمک نرم افزار DRAIN-2DX ، با استفاده از شتابنگاشتهای 15S تحلیل غیرخطی شده و برش پایه ناشی از تحلیل غیرخطی تاریخچه – زمان آنها بدست آمده است . بمنظور بدست آوردن نیروی برشی پایه متناظر با تشکیل اولین مفصل پلاستیک ، هر کدام از مدلها تحت بار جانبی افزاینده استاتیکی قرار می گیرد و توسط نرم افزار SAP2000 آنالیز می شود و هنگامیکه اولیه عضو قاب به حد تسلیم می رسد، با استفاده از دیاگرامهای Push – Over اشکال (3) و (5) و (7) و (9) برش پایه مورد نظر برای هر مدل تعیین می شود. در نهایت برای هر یک از سازه های مدل شده مقادیر Ω. (ضریب مقاومت افزون اصلاح نشده ) ، Rs (ضریب مقاومت افزون اصلاح شده) و RW , R, Rµ برای رکودهای 15S بشرح جداول (1) و (2) و (3) و (4) محاسبه شده اند. [6] همانطوریکه مشخص است مقدارهای بدست آمده برای این ضرایب براساس زلزله های مختلف متفاوت می باشند و یکی از علل آن تفاوت محتوای فرکانسی زلزله های مختلف می باشد . با ترکیب نتایج زلزله های مختلف ، اثرات عواملی چون سرعت زمان مؤثر زلزله و محتوای فرکانسی آن تقریباﹰ در نتایج ملحوظ می شود.
حال با توجه به جداول 1 الی 4 می توان میانگین و انحراف معیار ضرایب رفتار را بدست آورد:
-درطراحی بروش حدی :
-درطراحی بروش تنش مجاز :
نتیجه گیری
با بررسی منحنی های Push- over ملاحظه می شود که سه منحنی اول عملاﹰ بصورت دوخطی می باشند و این مساله ناشی از این واقعیت است که سازه با تسلیم شدن اعضاﺀ ستونها، عملاﹰ سختی خود را از دست داده و در تعیین سختی پس از تسلیم تنها مقاومت افزون اعضاﺀ تسلیم شده مؤثر می باشند. ولی در مورد منحنی چهارم ملاحظه می شود که منحنی دوخطی نبوده و پس از اولین تسلیم، سازه عملاﹰ بصورت ترد عمل کرده و با تسلیم شدن اعضاﺀ آن بصورت موضعی بسرعت منهدم می گردد. این موضوع ناشی از این واقعیت است که ستونهای مدل چهارم فاقد المانهای مورب می باشند، مضافاﹰ اینکه سازه عملاﹰ مقاومت افزونی را از خود نشان نمی دهد. لذا می توان نتیجه گرفت که نقش المانهای مورب ستونها بر روی رفتار سازه از لحاظ شکل پذیری و مقاومت افزون بعد از تسلیم شدن آن تا چه حد می تواند مؤثر باشد. همچنین ملاحظه می شود که نیروی برشی متناظر با تسلیم شدن اولین عضو کاملاﹰ مرتبط با ابعاد دهانه ها و ظرفیت جرثقیلها بوده و با افزایش آنها اضافه می شود. همچنین با ملاحظه منحنی ها می توان مشاهده نمود که شیب سه منحنی اول صعودی بوده و این موضوع مؤید آنستکه سازه بعد از تسلیم دارای مقاومت افزون قابل توجهی می باشد و این مساله مؤید امکان استفاده از مکانیزمهای خمشی برای سیستم لرزه بر خواهد بود، در حالیکه در مدل
