بخشی از مقاله
خلاصه
در تحلیل سازهها، مهندسان اغلب قابهای ساختمانی و پی را بصورت مجزا تحلیل میکنند و در انتها با استناد به نتایج تحلیل صورت گرفته اعضای سازه را طراحی میکنند. در روشهای رایج میزان نشست تفاضلی در تحلیل مجزای دال فونداسیون تعیین و مقدار آن به میزان مجاز محدود میگردد و چندان تابع نوع طراحی و روش اجرای سازه نمیباشد.
بنابراین باید ضوابط دقیقتری برای تعیین نشست تفاضلی و مقادیر حدی این پارامتر وضع شود. در تحقیق حاضر یک سازه قاب خمشی فولادی بدون اعمال نشست طراحی گردید، سپس سازه در نرم افزار اجزای محدود غیرخطی مدل شد و با افزایش مقادیر نشستهای تفاضلی، مورد تحلیل استاتیکی غیرخطی قرار گرفت. با توجه به زاویه دوران تسلیم اعضای اصلی سازه، طبق آیین نامه FEMA-356 و سطوح عملکرد ساختمان، مقادیری برای حد زاویه چرخش خمیری اعضای اصلی سازه تعیین شد و با در نظر گرفتن معیارهای پذیرش، نشست تفاضلی مجاز سازه مشخص گردید.
1. مقدمه
در تحلیل متداول ساختمانها و سازهها، مهندسان اغلب قابهای ساختمانی و پی را بصورت مجزا تحلیل میکنند و سازه را به صورت پای گیردار یا مفصلی فرض میکنند و سپس به تحلیل سازه میپردازند و در انتها با استناد به نتایج تحلیل صورت گرفته اعضای سازه اعم از تیر و ستون را طراحی می-کنند، اما بواسطه نشستهای تفاضلی پی مخصوصاً هنگامیکه مقدار نیروهای وارده از طرف قابها بر فونداسیون اختلاف زیادی داشته باشند، فرض عدم تغییر مکان تکیه گاههای سازه نمیتواند فرض درستی باشد.
نشستهای تفاضلی میتوانند تاثیرمنفی زیادی روی سازه متکی بر پی و باز توزیع نیروها هم در قاب و هم در پی داشته باشند .[1] و باید مقدار آن کنترل شود و به مقدار مجاز محدود گردد. در روشهای رایج میزان نشست تفاضلی در تحلیل مجزای دال فونداسیون تعیین و مقدار آن به میزان مجاز محدود می گردد. ضوابط موجود در تعیین نشست تفاضلی مجاز سازه ها اغلب تجربی است و چندان تابع نوع طراحی و روش اجرای سازه نمی باشد. بنابراین باید ضوابط دقیقتری برای تعیین نشست تفاضلی و مقادیر حدی این پارامتر وضع شود تا از عملکرد مطلوب سازه اطمینان حاصل گردد.
طراحی سازه و پی مستلزم درک کامل و عمیق از رفتار ژئوتکنیکی پی میباشد. تعیین ظرفیت باربری خاک و نشست آنی و درازمدت آن از مهمترین پارامترهایی است که هنگام طراحی پی باید مورد ارزیابی قرار گیرد. با گسترش شهرها و افزایش روزافزون ساخت و ساز و نیاز به احداث ساختمانهای بلند شناخت عمیقتر از اندرکنش پی ساختمان و خاک باربر زیر آن را بیشتر مینماید. از طرفی با توجه به اینکه ایران منطقهای زلزله خیز است بررسی رفتار لایههای باربر زیر پی هنگام وقوع زلزله دارای اهمیت ویژه است.
وقوع نشستهای غیریکنواخت که بر اثر لایهبندی و ناهمگنی خاکهای زیرین، بارگذاری و تنش غیریکنواخت، اثر همپوشانی تنشهای حاصل از چند پی بر یک مقطع در عمق، تفاوت در نوع ساخت و ساز قسمت-های مختلف و یا عوامل دیگر ممکن است حاصل شود، درنتیجه در نقاط مختلف یک سازه میتوان انتظار نشستهای مختلفی را داشت. باید مورد توجه جدیتری در ارزیابیهای نشست پذیری قرار گیرد. اگر دامنه این گونه نشستها از مقدار حد تحمل سازه بیشتر گردد ممکن است خطراتی بنا را تهدید کند و باعث ایجاد صدمه و یا ایجاد اختلال در برنامه بهرهبرداری سازه گردد. بنابراین باید ضوابط مشخصی برای تعیین نشست تفاضلی و مقادیر حدی این پارامترها وضع گردد تا سازه عملکرد مطلوبی داشته باشد. مطالعاتی در رابطه با تاثیرات منفی نشست تفاضلی بر روی روسازه انجام شده است
از سال 1950 تاکنون محققین و آیین نامههای ساختمانی متعدد، مقادیر مجاز مختلفی برای پارامترهای مهم نشست تفاضلی توصیه نمودهاند. در سال 1956، اسکمپتون و مک دونالد [4] مقادیر حدی برای حداکثر نشست، حداکثر نشست تفاضلی و حداکثر اعوجاج زاویهای با توجه به نوع پی و خاک زیر آن برای استفاده در آیین نامه های ساختمانی پیشنهاد نمودند. همچنین پولشین و توکار [5] براساس تجربه، ضریب خیز مجاز برای ساختمانها را به صورت تابعی از L - L/H طول و H ارتفاع ساختمان - تهیه نمودند. گرنت و همکارانش [6] با مرتبط نمودن ST - max - و max برای چند ساختمان نتایجی را براساس نوع پی و خاک زیر آن ارائه دادند. در تحقیق حاضر یک سازه قاب خمشی فولادی 10 طبقه برای تعیین مقادیر مجاز نشست تفاضلی مورد بررسی قرار گرفته است.
2. تحلیل بار افزون - Push over -
در تحلیل بار افزون، رفتار سازه به وسیله منحنی ظرفیت مشخص میشود. تقریباً در تمام موارد، منحنی ظرفیت به صورت منحنی برشپایه در مقابل تغییرمکان بام - نقطه کنترل - میباشد. جابجایی بام، در روشهای حاضر، نه تنها به عنوان یک شاخص برای منحنی ظرفیت به کار میرود، بلکه نیازهای لرزهای را در ارتفاع سازه در نقطه عملکرد برقرار میسازد. در این روش برای بررسی سازه، سازه تحت اثر یک الگوی بارگذاری خاص ثابت - استاتیکی - افزاینده تحلیل میشود و این تحلیل ادامه مییابد تا تغییر مکان نقطهای از سازه - تغییر مکان نقطهی کنترل - با مدلسازی رفتار واقعی - غیارتجاعی - مصالح اعضا به حدی که قبلاً محاسبه شده است برسد این تغییر مکان که با توجه به هدف خاصی از بهسازی محاسبه شده است تغییر مکان هدف یا نیاز نامیده شده و مبنای بررسی اجزای سازه خواهد بود.
به طوری که تغییر شکل، دوران و نیروها اعضا در این مرحله بررسی میشود. یک سطح عملکرد نشان دهنده حداکثر خرابی مورد انتظار سازه میباشد به طوری که اگر خرابی از این حد افزایش پیدا کند. سطح عملکرد سازه تغییر پیدا خواهد کرد. سطوح عملکرد اجزای سازه با توجه به آیین نامه [7] FEMA-356 و دستورالعمل بهسازی لرزه ای [8] به سطح عملکرد قابلیت استفاده بیوقفه، ایمنی جان و آستانهی فروریزش طبقه بندی شده که سطح عملکرد قابلیت استفادهی بیوقفه به سطح عملکردی اطلاق میشود که پیشبینی شود در اثر وقوع زلزله مقاومت و سختی اجزای سازه تغییر قابل توجهی پیدا نکند و استفادهی بیوقفه از آن ممکن باشد. در سطح عملکرد ایمنی جانی پیشبینی میشود در اثر وقوع زلزله خرابی در سازه ایجاد شود، اما میزان خرابیها به اندازهای نباشد که منجر به خسارت جانی شود. سطح عملکرد آستانهی فروریزش نیز پیشبینی میشود در اثر وقوع زلزله خرابی گسترده در سازه ایجاد شود. سطح عملکرد موردنظر در این تحقیق ایمنی جان میباشد.
3. به دست آوردن تغییر مکان هدف - Target displacement - در FEMA-356
مطابق FEMA-356 تغییرمکان هدف با توجه به سطح عملکرد مورد نظر طبق فرمول 1 محاسبه میگردد:
در رابطه ، Te زمان تناوب غالب مؤثر ساختمان در جهت مورد نظر است که با استفاده از سختی سکانت در برشپایه متناظر با 60 درصد نیروی تسلیم محاسبه میگردد. C0 ضریب اصلاحی که پاسخ الاستیک سیستم یک درجه آزادی را به جابجایی ساختمان چند درجه آزادی در نقطه کنترل مربوط میکند. C1 ضریب اصلاحی است که جابجایی الاستیک و غیرالاستیک حداکثر سیستم یک درجه آزادی را به هم مربوط میکند. C2 ضریب اصلاحی است که اثرات شکل هیسترتیک، کاهش سختی، زوال مقاومت و Pinching را منظور کرده و C3 ضریب اصلاحی برای افزایش جابجایی به علت اثرات P- میباشد. مقادیر و جداول تمامی ضرایب در FEMA-356 و دستورالعمل بهسازی ذکر شده است. زمان تناوب غالب مؤثر در جهت مورد نظر، بر مبنای منحنی نیرو - تغییرمکان ایدهآل، به صورت فرمول2 بدست میآید:
در رابطه ، Ti زمان تناوب غالب در جهت مورد نظر است که از تحلیل مودال سازه الاستیک حاصل میگردد. Ki سختی جانبی الاستیک ساختمان، Ke سختی جانبی الاستیک مؤثر ساختمان در جهت مورد نظر میباشد.
4. مدلسازی
با وقوع زمینلرزه های مخرب و گزارش های میزان خسارات و تلفات رخ داده در این زمینلرزهها، توجه بیشتری سمت ارزیابی و بهسازی لرزهای سازههای موجود میرود. این ارزیابیها معمولاً بدون در نظر گرفتن اندرکنش خاک-سازه انجام میگیرد.
هدف از انجام این مقاله بررسی اثرات اندرکنش خاک-سازه در پاسخ لرزهای سازهها میباشد. برای این منظور سازه قاب خمشی فولادی 10 طبقه به ارتفاع 30 متر با پلان عریض و لاغر با اهمیت زیاد با شتاب مبنای با خطر نسبی خیلی زیاد در زمین نوع با قاب خمشی ویژه در نظر گرفته و این مدل ها بر اساس مبحث ششم از مقررات ملی ساختمان بارگذاری ثقلی شده و در نرم افزار ETABS با آیین نامه AISC360-05/IBC2006 طراحی و مقاطع سازه تعیین می گردد.سپس سازه طراحی شده در ETABS، در یک نرم افزار اجزای محدود غیرخطی مدل میگردد تا با افزایش نشست تفاضلی تحت تحلیل بارافزون قرار گیرد. پلانهای ساختمانی که مورد تحلیل قرار گرفتهاند در دو دسته -1 پلان عریض - نسبت طول به عرض - و -2پلان لاغر - نسبت طول به عرض - قرار می گیرند، فاصله دهانهها در پلان عریض 5 متر و در پلان لاغر 6 متر میباشند. در شکل1 نمونه پلان ها نشان داده شده است.
شکل-1 پلان های ساختمانی استفاده شده جهت تحلیل
