بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش هدف اصلی درک رابطه احتمالی بین میزان آسیب سازهای و تغییر مکان جانبی نسبی طبقات، در قابهای خمشی بتن آرمه متعارف بوده است. بدین منظور تغییر مکان جانبی نسبی به عنوان متغیر وابسته و سایر مشخصات سازه ای قاب مانند مقاومت مصالح، ابعاد اعضا و سازه، نیروی موجود در اعضا و غیره به عنوان متغیر های مستقل تعیین شدهاند. سپس با انجام آنالیز حساسیت بر روی متغیر های مستقل و تحلیل نتیجه آن، تعداد 41 قاب خمشی شامل 328 طبقه به عنوان نمونه آماری در نظر گرفته شده است. قاب ها پس از طراحی، با استفاده از نرم افزار ETABS و بر اساس مقررات ملی ساختمان ایران، در محیط نرم افزار OpenSees مدل شده و با آنالیز پوشآور بصورت طبقه به طبقه مورد بررسی قرار گرفته اند. متغیر های مستقل و وابسته برای تک تک اعضای کلیه قاب ها استخراج شده و مورد بررسی گسترده قرار گرفته است. با انجام مطالعات وسیع آماری با استفاده از نرم افزار RStudio همبستگی کلیه متغیرها نسبت به یکدیگر بررسی شده و در نهایت برای پیش بینی مقادیر تغییر مکان جانبی نسبی متناظر با سطوح عملکرد طبقات روابط کارآمدی پیشنهاد شده است.
کلمات کلیدی: طراحی بر اساس عملکرد، تغییر مکان جانبی نسبی، قاب خمشی بتن آرمه
.1 مقدمه
تغییر مکان جانبی نسبی برای مهندسان سازه مفهومی قابل فهم و ملموس می باشد. از طرف دیگر در حال حاضر محاسبه شاخص های آسیب جزئی و کلی و تعیین سطح عملکرد سازهها در مواجه با نیرو های جانبی نیازمند دانش، ابزار و تجربه قابل توجهی می باشد. برای کاربران آیین نامههای سازهای استفاده از پارامتری ساده مانند تغییر مکان جانبی نسبی نسبت به انجام تحلیل های پیچیده جهت بدست آوردن پارامتر های غیر قابل لمس مانند شاخصهای آسیب، جهت تعیین سطح عملکرد سازه مطلوب تر به نظر میرسد. اگرچه در آئیننامههای فعلی مانند استاندارد[1]2800 - ویرایش سوم و چهارم - برای تغییر مکان جانبی نسبی حدودی مشخص شده است، لیکن این ضوابط ارتباط معنا داری با عملکرد سازه ومیزان آسیب مورد انتظار در مواجهه با نیروهای جانبی را بیان نمی کنند و صرفا به منظور محدود نمودن تغییر مکان جانبی سازه وضع شده اند.
در سال [2]FEMA-273 1997 برای سطوح عملکرد در سیستم های مختلف سازهای محدودهای از مقادیر تغییر مکان جانبی نسبی را پیشنهاد کرده است. این مقادیر عینا در [3]FEMA-356 و [4]ACSE41-06 تکرار شده و در نهایت در [5]ASCE41-13 با جملاتی که میزان تغییر مکان جانبی نسبی هر سطح عملکرد سازهای را توصیف می کند جایگزین شده است. در ذیل جداول فوقالذکر صراحتا عنوان شده که این مقادیر ضابطه پذیرش سطوح عملکرد نبوده و تنها به عنوان دامنهای از تغیر مکان جانبی نسبی که اجزاء سازه ممکن است در سطوح مختلف عملکرد متحمل شوند ذکر شده است.
در یک دهه اخیر پیشرفتهای قابل توجهی در تعریف* سطوح عملکرد مشاهده شده است. مانند تعیین مقادیر دقیق کرنش فولاد و هسته بتنی مقاطع بتن مسلح در سطوح عملکرد مختلف که توسط شریفی و همکاران[6] پیشنهاد شده و در جدول 1 قابل مشاهده میباشد. با این استدلال که ستونها مهمترین نقش را در عملکرد لرزهای سازهها بازی می کنند تحقیقاتی جهت برقراری ارتباط بین مشخصات مقاطع ستون با تغییر مکان جانبی نسبی در سطوح عملکرد مختلف انجام شده است.[7] بررسی انطباق ضوابط مطرح شده در آییننامههای فوقالذکر، در ارتباط با تغییر مکان جانبی نسبی متناظر با سطوح عملکرد سازهای، با نتایج تحقیقات اخیر انگیزه اصلی این پژوهش بوده است. با توجه به نتایج این تحقیقات حصول روابطی مشابه برای طبقات و قابهای بتنی دور از دسترس به نظر نمی رسد.
در حال حاضر طراحی بر اساس عملکرد یکی از مطرحترین رویکردهای مورد توجه مهندسان سازه میباشد. استفاده از این روش به مالکان و دیگر تصمیم گیرندگان اجازه می دهد که برآورد مالی و یا در مقابل آن ریسک مورد انتظار ساختمانها را مشخص کرده و سطح عملکردی که نیازهای آنان را همزمان با حفظ سطحی از امنیت و ایمنی برآورده می کند انتخاب کنند. طراحی بر اساس عملکرد در نسل بعدی خود قصد دارد که با مدل سازی کامل اجزاء سازهای و غیر سازهای به پیش بینی دقیق مالی از مسائل و آسیب های محتمل رسیده و ابزاری دقیق تر در اختیار قرار دهد. در سایر رویکردهای طراحی مانند روشهای بر اساس نیرو، ظرفیت و غیره، نه تنها امکان نزدیک شدن به چنین اهدافی وجود ندارد بلکه به دلیل ضعف های ذاتی موجود در آنها توسعه روشها فراتر از وضعیت فعلی نیز متصور نمی باشد.
بنابر این بدلیل مزیت های نسبی غیر قابل انکار استفاده از طراحی بر اساس عملکرد، تسهیل و گسترش استفاده از آن ضروری و مفید به نظر میرسد.در این پژوهش سعی بر آن است که با یافتن یک رابطه منطقی و مستدل بین تغییر مکان جانبی نسبی طبقات و میزان آسیب سازه ای و یا مشخص کردن حدود بالا و پایین تغییر مکان جانبی نسبی طبقات با مشخصات مختلف برای سطوح عملکرد متفاوت، قدمی در راستای ترویج استفاده از روش طراحی بر اساس عملکرد برداشته شود. این مهم با هدف کمک به روشهای طراحی و ارزیابی سازهها بر اساس عملکرد با استفاده از پارامتر تغییر مکان جانبی نسبی طبقات، و با برقراری یک ارتباط دقیق و منطقی بین تغییر مکان جانبی نسبی طبقات و میزان آسیب سازه ای انجام گرفته است.
متغیر وابسته اصلی در این پژوهش تغییر مکان جانبی نسبی طبقه می باشد که در چهار سطح عملکردی O، IO، LS و CP مورد بررسی قرار گرفته است. متغیرهای مستقل که با بررسی آیین نامهها و پژوهشهای مرتبط انتخاب شدهاند عبارتند از میانگین نسبت نیروی محوری به مساحت ستونهای طبقه - p/Agfc - ، نسبت ممان اینرسی تیر به ستون - Ib/4Ic - ، تنش تسلیم فولاد - fy - ، مقاومت فشاری بتن - fc - ، میانگین نسبت نیروی برشی به مساحت ستونهای طبقه - 9/EG Ic - ، نسبت ارتفاع به بعد ستون ها - H/D - ، نسبت دهانه به ارتفاع طبقات - S/H - ، سختی جانبی معادل طبقه - Ke - ، نسبت میلگرد طولی به سطح مقطع ستون ها l - - ، نسبت میلگرد عرضی به حجم مقطع . - s -
.2 پیشینه تحقیق
اردوران و یاکوت در [7]2004 تلاش کردند تا رابطهای بین میزان آسیب و تغییر مکان جانبی نسبی ستونهای بتن آرمه بدست آوردند. آنها با شبیه سازی در نرم افزار ANSYS، تاثیر پارامترهای مختلف طراحی نظیر مقاومت بتن و فولاد، نسبت نیروی محوری، لاغری ستون، درصد آهن طولی و عرضی را بر حدود تغییر شکلهای ستونهای بتن آرمه مورد بررسی قرار دادند. در نتیجه گزارش کردند که از میان این پارامترها، مقاومت تسلیم فولاد طولی و نسبت لاغری بیشترین تاثیر را بر تغییر مکان جانبی نسبی متناظر با جاری شدن و نسبت نیروی محوری و درصد آهن عرضی بیشترین اثر را بر روی تغییر شکل نهایی ستونهای بتن آرمه دارند.
در همان سال 2004 گوبراه[8] با بررسی داده های حاصل از مطالعات تحلیلی و آزمایشگاهی به بررسی همبستگی تغییر مکان جانبی نسبی و آسیب در اعضا و سیستم های مختلف سازه ای می پردازد. این تحقیق با استفاده از آنالیزهای تاریخچه زمانی، پوش آور دینامیکی و استاتیکی بر روی طراحی های مختلفی از دیوار ها و قاب های خمشی بتن مسلح انجام گرفته است. وی تغییر مکان جانبی نسبی متناطر با سطوح آسیب مختلف در اعضا و سیستم های بتن مسلح متفاوت را به شدت متغیر گزارش می دهد، ازین روی دو مجموعه حدود تغییر مکان جانبی نسبی متفاوت برای سیستم های شکل پذیر و سیستم های غیر شکل پذیر تعریف نموده است.
گوبراه تغییر مکان جانبی نسبی را تابع عوامل متعددی چون سختی، مقاومت، توانایی سیستم سازه ای برای شکل پذیری، نیروی وارده به سازه و محصورشدگی معرفی می کند. بر اساس این پژوهش یک عامل مهم در رفتار ستون ها و دیوارها نیروی محوری موجود در آنها می باشد. افزایش در نیروی محوری مقاومت برشی را افزایش می دهد. علاوه بر آن بطور تجربی مشاهده شده است که افزایش نیروی محوری تغییر مکان جانبی نسبی را کاهش می دهد. در نهایت گوبراه به این نتیجه می رسد که حدود آیین نامهها برای سازههای شکل-پذیر محافظهکارانه و برای سازههای غیر شکلپذیر غیر محافظهکارانه بوده است.
به گزارش او مقادیر واقع گرایانه تغییر مکان جانبی نسبی می بایست با در نظر گرفتن اثرات ترک خوردگی در مقاطع محاسبه شده و این با استفاده از آزمایشات و تحلیل دادههای بیشتر ممکن خواهد بود.در سال 2007 هسلتون و دیرلین[9] در گزارش PEER 2007/08 به بررسی ظرفیت تغییر مکان جانبی نسبی در قاب های خمشی تا وضعیت ویرانی پرداخته و روش هایی برای پیش بینی آن و موارد عدم قطعیت را گزارش کردند. بر اساس این تحقیق نیز مقادیر عنوان شده در آیین نامه های مرتبط محافظه کارانه می باشد.
