بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به تقویت پیچشی سازه های نامتقارن جدا شده در پایه با توزیع بهینه جداسازهای طبقه پایه می پردازد. در این تحقیق یک سازه بتنی سه طبقه که در وضعیت اولیه مرکز جرم و سختی طبقات آن بر هم منطبق اند انتخاب و سپس خروج از مرکزیت جرم در حالت 30 درصدی در سه حالت مختلف بر آن اعمال شده است. با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی، پیچش و جابجاییهای ایجاد شده مورد بررسی قرار گرفته و سپس با استفاده از الگوریتم بهینه سازی PSO، سختی جدا سازها به نحوی توزیع گردیده است که کمترین پیچش ایجاد گردد. جداساز های مورد استفاده از نوع لاستیکی و رفتار آن ها به صورت دو خطی در شانزده تیپ مدلسازی شده است.
در این تحقیق زمان تناوب جداسازها در محدوده 1 < T < 3، سیستم جداساز دو خطی با نیروی تسلیم ده درصد وزن کل ساختمان - = 0.1 - و سختی بعد از تسلیم برابر با ده درصد سختی الاستیک - 12 = 0.1 - در نظر گرفته شدهاند. مطالعات نشان میدهند که می توان با توزیع بهینه جداسازهای طبقه پایه - به جای استفاده از توزیع متناسب با سطح بارگیر جداسازها - پیچش طبقات سازه و روسازه به نحو مطلوبی کاهش مییابد.
.1مقدمه
جداسازی لرزه ای یک روش موثر برای کاهش خسارات احتمالی ناشی از بارهای محیطی از قبیل بارهای باد و زلزله میباشد. این روش تنها راه عملی برای کاهش همزمان شتاب و جابجایی طبقات است. جداساز لرزه ای برای ساختمانهای با حساسیت بالا، دارای تجهیزات حیاتی یا ساختمانهایی که وظایف خدماتی آنها بلا فاصله بعد از زلزله مورد نیاز است، یک روش مفید است. سیستم جداساز ضمن جذب بخشی از انرژی ورودی ناشی از زمین لرزه، با جابجا نمودن پریود ارتعاشی اصلی سیستم و دور نمودن آن از پریودهای حاوی انرژی زمین لرزه پاسخ لرزه ای سازه را کاهش میدهند، بنابراین انتقال حرکت لرزه ای به رو سازه کاهش یافته که در نتیجه آن شکست و خرابی اعضای سازه ای و غیر سازه ای کاهش می یابد
امروزه به طور گسترده ای در بسیاری از کشورها مانند ایالات متحده آمریکا، ژاپن، نیوزیلند و ایتالیا به منظور حفاظت از سازه ها و پلهای موجود و جدید در برابر زلزله، از این فن آوری استفاده می شود. مطالعات گستردهای برروی رفتار لرزه ای سازه های جدا شده در پایه انجام شده است. بیشتر مطالعات انجام پذیرفته در این راستا بر روی قابهای دو بعدی انجام پذیرفته است که نتایج آنها تنها برای ساختمانهای متقارن یا ساختمانهای با خروج از مرکزیت ناچیز مورد استناد است.
بررسی رفتار سه بعدی سازه ها می تواند ملاک دقیقتری برای ارزیابی عملکرد لرزه ای آنها باشد. هنگامی که مرکز سختی سازه بر مرکز جرم سازه منطبق نباشد ، سازه نامتقارن و تحت پیچش خواهد بود. در چنین حالتی اثرات مخرب ناشی از زلزله فزونی می یابد. ساختمانهای نامتقارن به لحاظ ویژگی های سازه ای و بروز پیچش در آنها می تواند رفتار لرزه ای خاص به خود را در هنگام وقوع زلزله داشته باشد.
مطالعات آزمایشی و تحلیلی بسیاری اثرات پیچشی را بر روی ساختمانهای متقارن با پایه گیردار مورد بررسی قرار داده اند [2]، اما مطالعات انجام شده بر روی ساختمانهای جدا شده در پایه محدود می باشد. لی اثر جداساز هیسترسیس دو خطی را بر برش پایه و پیچش یک سازه یک طبقه برشی نامتقارن تحت زلزله ال سنترو و در دو جهت مورد مطالعه قرار داد. نتایج مطالعات وی نشان میدهد که افزایش خروج از مرکزیت سیستم جداساز، پاسخهای پیچشی را افزایش می دهد و خروج از مرکزیت رو سازه اثر کمی روی جابجایی تراز جداسازها نسبت به لبه انعطاف پذیر آن دارد
ناگاراجیا و همکاران رفتار سازه های با پایه جداساز نامتقارن را تحت زلزله های السنترو و تفت مورد مطالعه قرار دادند. آنها در مطالعات خود را بر روی پلانی که نسبت طول به عرض پلان مساوی 4 برای نسبت خروج از مرکزیت های مساوی 0 تا 0/065 متمرکز نمودند و به این نتیجه رسیدند که منبع اصلی حرکت پیچشی روسازه، خروج از مرکزیت های موجود در سیستم جداساز میباشد
ریآن و چوپرا با مطالعه بر روی رفتار پیچشی یک سازه یک طبقه ایده ال جدا شده در پایه با خروج از مرکزیتهای مختلف و تحت دو مولفه زلزله السنترو نشان دادند که جابجایی جداسازهای واقع بر لبه انعطاف پذیر سیستم جداساز با افزایش خروج از مرکزیت کاهش می یابند.
تناکلونجو و رجاسب به بررسی جداگانه اثر برون محوری موجود در سیستم روسازه سیستم جداسازها در مسئله پیچش سازه های جداشده در پایه پرداختند. آن ها به این نتیجه رسیدند که ماکزیمم پاسخ های سازه به مقدار برون محوری روسازه - درنتیجه برون محوری مرکز جرم - بستگی دارد. با افزایش برون محوری، اثر جداساز های لرزه ای در کاهش لنگر پیچشی ایجاد شده، کاهش می یابد.
سجوین و همکاران با یک مدلسازی ایده آل از سازه های جدا شده در پایه، تحت تحریک زلزله یک جهته، دریافتند که اگر مرکز سختی سیستم جداساز از مرکز سختی روسازه دور شود، پاسخ های لرزه ای سازه افزایش می یابد.اعتدالی و سهرابی روش های عملی جدیدی را برای کاهش پیچش در سازه های جدا شده در پایه پیشنهاد دادند. پیشنهادات عملی آن ها مبتنی بر تعریف یک چیدمان مناسب از جداسازها در سیستم طبقه پایه استوار است.
نتایج مطالعات کارایی روش های پیشنهادی را در کاهش پیچش طبقات سازه نشان می دهند. همانطور که از مطالعات پیشین دریافت می شود محققین زیادی به ارزیابی رفتار لرزه ای سازه های نامتقارن جداشده در پایه پرداخته اند. اگرچه در این مطالعات پارامترهای مختلفی از سیستم جداساز و روسازه مورد بررسی قرارگرفته اند، اما توصیه های عملی که طراحان قادر به پیاده سازی آن ها باشند، بیان نشده است. مطابق با آنچه در مطالعات پیشین وجود دارد، رفتار لرزه ای سازه های جدا شده در پایه بسیار متاثر از رفتار سیستم جداساز تعریف شده برای آن می باشد، به بیان دیگر رفتار روسازه قرار گرفته بر روی یک سیستم جداساز به مانند حرکت یک جسم صلب بوده و منبع حرکتی آن سیستم جداساز است.
این مسئله در رفتار پیچشی چنین سازه هایی می تواند مورد توجه قرار گیرد. به بیان دیگر با کنترل پیچش در طبقه پایه که سیستم جداساز در آن قرار دارد، می توان حرکت پیچشی روسازه را کنترل نمود. در مطالعه پیشرو هدف تعیین یک چیدمان بهینه از جداسازها با مشخصه های دینامیکی مختلف در سیستم جداساز است به نحوی که بتواند به طور موثری پیچش طبقات روسازه را کاهش دهد. مسئله تنظیم پارامترهای سیستم جداساز با یک چیدمان بهینه برای کاهش پیچش طبقات روسازه منجر به تشکیل یک مسئله بهینهسازی می شود.
پر واضح است که فرمولبندی تابع هزینه در مسئله ذکر شده با توجه به پیچیدگی های موجود در مدل های سازه ای و اغتشاشات بار مشکل و پیچیده بوده و ملاحظاتی زیادی را می طلبد. در مسائل بهینه سازی، در مواردی که فضای طراحی ناپیوسته باشد، به طوری که مشتقهای تابع هدف و یا قیود دارای ناپیوستگی باشند، به کار بردن شیوه های بهینه سازی مبتنی بر گرادیان نامناسب و غیر منطقی است و حل آن نیز مستلزم صرف محاسبات زیاد و پیچیده می شود که کار طراحی را ناممکن می سازد.
در چنین مواردی روشهای عددی می تواند ابزار مناسبی برای حل این مشکل باشند. روش های بهینهسازی فرااکتشافی که از مشتق تابع هدف و قیود حاکم بی نیاز هستند، می توانند به طور موثری در مسئله بهینه سازی پییشرو مورد استفاده قرار گیرند. در این مطالعه از روش بهینه سازی فرا اکتشافی PSO برای رسیدن به یک چیدمان بهینه از جداسازها در سیستم جداساز برای کاهش پاسخ پیچشی سازه های جدا شده در پایه استفاده خواهد شد.
.2 مدل سازی سازه و جداسازها
مدل پیشنهادی یک ساختمان سه طبقه بتنی با مهاربندهای جانبی ضربدری فولادی می باشد. ابعاد آن 21×21 متر، که سه قاب به دهانه 7 متر در جهت X و سه قاب به دهانه 7 متر در جهت Y و ارتفاع سه متر می باشد - شکل. - 1 پای ستونهای سازه فوق به صورت گیردار و قابها در دو جهت به صورت خمشی می باشد. جداسازهای لرزه ای در تراز کف استفاده گردیده است. سازه فوق دارای دو درجه آزادی انتقالی در جهت های X و Y و یک درجه آزادی دورانی حول محور Z می باشد.
مقطع ستونها 50 × 50 سانتیمتر، مقطع تیرها 75 × 35 سانتیمتر و ابعاد بادبندها 25 × 25 سانتیمتر با ضخامت 8 میلیمتر در نظر گرفته شده است. جرم کلی سازه 991 تن می باشد که به صورت یکسان بین چهار تراز ارتفاعی توزیع شده است . برای طراحی و مدلسازی جداسازها از آیین نامه UBC-97 مطابق روابط زیر استفاده گردیده است. زمان تناوب 1 < T < 3 و سیستم جداساز دو خطی با نیروی تسلیم ده درصد وزن کل ساختمان - = 0.1 - و سختی بعداز تسلیم ده درصد سختی الاستیک - K1K2 = 0.1 - در نظر گرفته شده است. سختی اولیه 5 برابر سختی موثر در نظر گرفته شده است . - K1 = 5 Keff - همچنین تنش تسلیم 0/1 برابر وزن سازه در نظر گرفته شده است .[11] - Vy = 0 . 1 w - تیپ بندی جداسازها مطابق شکل - 1 - از شماره 1 تا 16 مشخص گردیده است.
برای مدل سازی پیش رو از نرم افزار OpenSees که یکی از قوی ترین نرم افزارهای تحلیل غیر خطی سازه ها می باشد استفاده گردیده که در سالهای اخیر مقبولیت بسیار زیادی یافته است . رایگان بودن، منبع باز، در دسترس بودن و داشتن موتور قوی و بسیار سریع آنالیز از مزیت های این روش محسوب میشود.
