بخشی از مقاله
خلاصه
تحقیق حاضر باهدف تعیین نسبت بهینه نیاز به ظرفیت در المانهای زانویی در سیستم مهاربندی جانبی به نام مهاربند زانویی شورون در نظر گرفته شده است. در این سیستم - بهطورمعمول بهصورت همگرا - مهاربندها با عضوی واسطه، معروف به عضو زانویی به تیر و ستون متصل میشوند. ایده کلی آن است که طراحی بهگونهای انجام پذیرد تا در زلزلههای شدید فقط عضو زانویی تسلیم شود و بقیه اعضا در حالت ارتجاعی باقی بمانند و یا تعداد مفاصل پلاستیک در تیرها و ستونها و همچنین کمانش بادبندها کاهش قابلتوجهی یابد.
در این تحقیق دو مدل المان زانویی با حالت خمشی و برشی و با تعداد طبقات 2، 6 و 10 طبقه و دوحالت 2 دهانه و 4 دهانه در نظر گرفته شده است. در حالت خمشی از مقطع BOX و حالت برشی از مقطع IPE استفاده شده است. پس از طراحی اولیه قابها توسط نرم افزار SAP ابتدا نسبت نیاز به ظرفیت در المان های زانویی برداشت شده و قابها تحت آنالیز استاتیکی غیر خطی - پوش اور - قرار گرفتهاند و دوباره همین قاب ها با المان های ضعیف تر که در آن ها نسبت نیاز به ظرفیت در المان های زانویی به بیش از 1 اجازه داده شده است طراحی مجدد شده و مجدد تحت آنالیز استاتیکی غیر خطی قرار گرفته است.
در این تحقیق نوع رفتار سازه و روند تشکیل مفاصل پلاستیک را در قاب هایی که با حالت طراحی که نسبت نیاز به ظرفیت در المان های زانویی کوچکتر از یک و حالتی که نسبت نیاز به ظرفیت در المان های زانویی بزرگتر ازیک است مورد بررسی قرار دادیم. توالی تسلیم المان ها در تجزیه و تحلیل غیر خطی استاتیکی مطابق با آنچه انتظار می رفت است. المان های زانویی قبل از کمانش مهاربند ها در هر طبقه در تمام مدل های مورد بررسی تسلیم شد. از این رو، می توان حدس زد که طراحی المان های زانویی با توجه به 120 تا 140 درصد از ظرفیت الاستیک آنها یک استراتژی مناسب برای اطمینان از این که المان های زانویی اولین المان هایی هستند که به سازه به اتلاف انرژی جذب شده از طریق تشکیل مفاصل پلاستیکی کمک می کند است.
.1 مقدمه
سازههای طراحیشده برای مقاومت در برابر زلزلههای متوسط و مکرر باید سختی و قدرت کافی برای کنترل جابجایی و جلوگیری از هرگونه صدمه احتمالی را داشته باشند. بااینحال، طراحی سازه برای ماندن در منطقه ارتجاعی، تحت زلزله-های شدید، به دلیل محدودیتهای اقتصادی نامناسب است. میرایی ذاتی تسلیم شدن المانهای سازهای میتواند بهطور سودمندانه برای کاهش نیاز مقاومت، که منجر به طراحی مقرون بهصرفهتر میشود استفاده شود. این تسلیم شدن معمولاً شکلپذیری و سختی مناسب سازه را در برابر شکست نوع ترد ناگهانی فراهم میکند.
ازآنجاکه سختی و شکلپذیری بهطورکلی دو خاصیت مخالف هم هستند، طراحی یک سیستم سازهای که این خواص را به مؤثرترین شیوه بدون افزایش بیشازحد هزینه ترکیب کند مطلوب است. در سیستمهای سازهای فولادی، قاب مقاوم خمشی و قاب با مهاربند هممحور بهطور گستردهای برای مقاومت در برابر بارهای زلزله استفاده میشود. قاب خمشی دارای شکلپذیری خوبی از طریق المانهای تیر تسلیم شونده خمشی است، اما سختی آن را محدود کرده است. از سوی دیگر قاب با مهاربند هممحور سخت است، اما به دلیل کمانش مهاربند قطری شکلپذیری آن محدود است.
برای رفع مشکلات موجود در سیستم مهاربندی واگرا در سال 1986سیستم مهاربند زانویی کمانش پذیر توسط آریسازابل اوچوا مطرح گردید[2] اوچوا پیشنهاد کرد عضو قطری طوری طراحی شود که فقط کشش را تحمل کند و سختی و شکلپذیری هر دو توسط عضو زانویی تأمین گردد. در سال 1990بالندرا و همکارانش سیستم قاب مهاربند زانویی اصلاحشده را پیشنهاد کردند
در این سیستم پیشنهادی از یک عضو قطری جهت جلوگیری از کمانش عضو زانویی استفاده شده است. در سیستم مهاربند زانویی، شکلپذیری و بهتبع آن استهلاک انرژی توسط المان زانویی تأمین شده است. از طرف دیگر به علت اینکه در این نوع سیستم، ناحیه غیر ارتجاعی محدود به یک المان کوتاه میشود، میتوان رفتار لرزهای کنترلشدهتری را فراهم کرد
در سال 2005 مفید و لطف الهی به بررسی رفتار الاستیک سیستم مهاربند زانویی شورون با آرایش و زوایای مختلف پرداخته و بر روی رفتار غیرخطی مهاربندهای زانویی شورون تحقیقات گستردهای را انجام دادند. یک سیستم قاب با مهاربند زانویی متشکل از تیر، ستونها، بادبندهای زانویی و بادبندهای قطری است. تحقیقات مفید نشان داده است چنانچه المان زانویی و مهاربند مایل، موازی با قطر قاب مطابق باشد، سازه میتواند ماکزیمم مقاومت لرزهای را داشته باشد.[1] آنها همچنین در سال 2005یک روش جدید برای المان زانویی مهاربند شورون طراحی کردند.
همچنین مفید و فراهی در سال 2013 به بررسی عوامل عملکرد لرزهای مهاربند زانویی شورون پرداختهاند که منتج به نتایج زیر شده است. فرض ضریب اصلاح پاسخ برابر R =7 برای سیستم مهاربندی زانویی شورون مناسب است. علاوه بر این، عامل مقاومت افزون برابر0= 3 برای چنین سیستم مقاوم در برابر نیروی لرزهای مقرر شد
در این مقاله برای مدلسازی قابها در طول فرآیند طراحی به المانهای زانویی اجازه دادیم تا نسبت تقاضا به ظرفیت در آن ها به بیش از یک افزایش یابد و تاثیر آن را در شکل پذیری و روند تشکیل مفصل در قاب ها برسی کردیم.
.2 مقایسه عملکرد سیستمهای متداول قابهای فولادی
قابهای فولادی به چهار گروه قاب خمشی، قاب مهاربندی هممحور، قاب مهاربندی برونمحور و قاب مهاربند زانویی تقسیم میشوند. شکل 1 تفاوتهای عملکرد جانبی قابهای ذکرشده را نشان میدهد.
با توجه به شکل 1 و با مقایسه نمودارهای نیرو- جابجایی برای انواع قابها مشخص میشود که قابهای خمشی دارای کمترین سختی و مقاومت هستند زیرا هم دارای کمترین شیب اولیه در منحنی هستند و هم منحنی مربوط به آنها کمترین ارتفاع را دارد. اگرچه سیستم قاب خمشی یک سیستم با استهلاک انرژی بسیار خوب و فوقالعاده است، اما اعضای آن باید با مقاطع بزرگ غیراقتصادی طراحی شوند. علاوه بر این، تأمین ملاحظات مربوط به شکلپذیری ویژه در اتصالات این سیستم مخصوصاً در اتصالات جوشی با مشکلاتی همراه است
سیستم قاب با مهاربند هممرکز، مقاومتر و سختتر از بقیه سیستمها است اما به خاطر کمانش اعضای مهاربندی، نمیتواند شکلپذیری مناسبی ارائه نماید.
سیستم مهاربندی واگرا علاوه برداشتن سختی بالا در ناحیه خطی، شکلپذیری مناسبی نیز دارد. در این قابها، تیرهای پیوند بهعنوان المانهای شکلپذیر - کنترل شونده توسط تغییر مکان، - بخشی از اعضای اصلی سازه - تیرها - هستند. بنابراین امکان تعویض سریع و کمهزینه این اعضا بعد از وقوع یک زلزله شدید وجود ندارد.
شکل .1 مقایسه عملکرد سیستمهای متداول قابهای فولادی
همانطور که از شکل پیداست سیستم مهاربند زانویی سختی و شکلپذیری بیشتری نسبت به دو سیستم دیگر از خود نشان داده است. مزیت دیگر این سیستم این است که با هزینه کم و تعویض المان زانویی سازه به حالت قبل خود بازمیگردد.
.3 شکل مطلوب مهاربند زانویی
شکل - - 12-2 شکل کلی از قاب مهاربندی قطری زانویی را نشان میدهد که پارامترهای H ارتفاع قاب، B طول دهانه قاب، b و h به ترتیب نقاط اتصال المان زانویی با تیر و ستون، Ab و Ib به ترتیب سطح مقطع و ممان اینرسی تیر، Ac و Ic به ترتیب سطح مقطع و ممان اینرسی ستون ، Ak و Ik به ترتیب سطح مقطع و ممان اینرسی المان زانویی ، A وL به ترتیب سطح مقطع و طول مهاربند ، و به ترتیب زاویه مهاربند با افق و زاویه مهاربند با المان زانویی و k سختی قاب است.
مطالعات مفید و خسروی نشان میدهد که بهتر است - b/h - / - B/H - =1 باشد. یعنی المان زانویی بهموازات قطر قاب باشد و المان مورب از تقاطع تیر به ستون عبور کند. مهمترین مزیت این انتخاب کاهش پارامترهای فعال مسئله است. همچنین در این شرایط، مهاربند زانویی به یک تیر با دو تکیهگاه ثابت با یکبار مرکزی نزدیک میشود. لنگرهای پایان و میانی برابر هستند، به این معنی که سه نقطه بر روی المان مهاربند زانویی تقریباً بهطور همزمان در خمش تسلیم خواهد شد. این باعث نتایج بسیار خوبی از روش ارائهشده میشود.
