بخشی از مقاله
چکیده
استراتژی کلی برای بهسازی لرزهای سازهها شامل افزایش ظرفیت سازه به لحاظ سختی و مقاومت، افزایش قابلیت جذب انرژی، کاهش نیاز لرزهای با استفاده از روشهایی مانند جداسازی سازه از پی، کاهش جرم سازه و استفاده از سیستمهای اتلاف انرژی میباشد. جداسازی ساختمانها از ارتعاشات زمین روش جدیدی است که در چند دهه اخیر توجه زیادی بدان شده و تنها راه عملی کاهش همزمان تغییرمکان بین طبقهای و شتابهای طبقات میباشد. در این مقاله از نرمافزارهای اجزای محدودیPERFORM-3D و SAP2000 برای مدلسازی قابهای خمشی با پایه ثابت و قابهای خمشی مجهز به جداساز لرزهای LRB استفاده شده است. تحلیل دینامیکی غیرخطی برای مقایسه قابهای طراحی شده، تحت 7 رکورد زلزله حوزهی دور و نزدیک که مطابق با ویرایش چهارم استاندارد 2800 مقیاس شدهاند، انجام شده است. بر اساس نتایج حاصله، در سیستم جداسازی شده، شتاب مطلق طبقات در مقایسه با سیستم پایه ثابت، به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. انرژی ورودی و انرژی هیسترزیس سیستمهای جداسازی شده نیز کمتر از سیستمهای پایه ثابت میباشد. مقدار این کاهش برای سازههای مختلف، متفاوت است.
کلمات کلیدی: قاب خمشی، جداگر LRB، اتلاف انرژی، تحلیل دینامیکی غیرخطی، تاریخچه زمانی، انرژی ورودی.
-1 مقدمه
وقوع زمینلرزههای بسیار شدید در سالهای اخیر در ایران بیانگر این حقیقت است که کشور ما به عنوان یکی از مناطق با لرزهخیزی بالا میباشد که هر از گاهی یک زلزله بزرگ با خسارتهای مالی و جانی بسیار در آن اتفاق میافتد. وقوع زلزله تنها منجر به خسارت در مقطع زمانی رخداد آن نبوده و در برخی موارد میزان و شدت خسارت به حدی بالاست که اثرات آن تا سالهای متمادی بر جای میماند. در چنین شرایطی لازم است تا با اعمال تمهیدات مناسب سازهای، سعی در کاهش آسیبپذیری سازهها در مقابل زلزله نمود. ساختمانهای امروزی دارای تجهیزات حساس و گران قیمتیاند که برای امور خدماتی، بازرگانی، آموزشی و پزشکی از اهمیت زیادی برخوردارند.
اطلاعات ثبت شدهی الکترونیکی، امروزه از اهمیت زیادی در زندگی مردم و همچنین عملکرد مناسب کل جامعه برخوردار است. لذا تجهیزات موجود در این ساختمانها غالباً ارزشمندتر از خودساختمان ها میباشند. مهمتر از آن، بیمارستانها، مراکز مخابراتی، اورژانسها، ایستگاههای پلیس و آتش نشانیها باید در زمانی که بیشترین نیاز به آنها وجود دارد یعنی در مواقعی نظیر پس از وقوع زلزله قابل استفاده باشند. بنابراین، کاهش خسارت ناشی از زلزله یکی از بزرگترین دغدغههای مهندسین سازه و زلزله بوده است. به عنوان یک رویه متداول در طراحی لرزهای، افزایش مقاومت و شکلپذیری میتواند به عنوان یک راه حل مطرح باشد. با افزایش شکلپذیری، سازه در حالت غیرخطی جذب انرژی کرده و میتوان با طراحی جزئیات سازهای، با افزایش ظرفیت سازه، نیرو و انرژی مورد درخواست زلزله را توسط ظرفیت سازه تأمین نمود. اعمال زلزله میتواند باعث ایجاد شتابهای زیاد در طبقات ساختمانهای صلب شده و در سازههای انعطافپذیر، میتواند منجر به وقوع رانشهای بین طبقهای بزرگی شود - . - Yen, J. Y., 2009 تلاشهای زیادی جهت اعمال تکنولوژیهای مدرن کنترل ساختمانها در راستای بهبود ایمنی آنها در مقابل خطر زمینلرزه صورت گرفته است.
این روشها به صورت فعال، نیمه فعال و غیرفعال تقسیمبندی میشوند. یکی از مکانیسمهای غیرفعال، جداسازی لرزهای ساختمان میباشد که بطور وسیعی مورد توجه مهندسین و محققین برای بهبود عملکرد لرزهای سازههای مختلف قرار گرفته است. فلسفه این روش برخلاف طرح لرزهای متداول، مبتنی بر کاهش تقاضا و جذب انرژی برای سازه میباشد و در نتیجه نیازی به افزایش ظرفیت سازه نمیباشد. اصل جداسازی لرزهای، ایجاد انعطافپذیری جانبی در تراز پایه سازه در یک صفحه افقی و نیز ایجاد ظرفیت میرایی برای محدود کردن دامنه حرکت ناشی از زلزله میباشد - . - Di Sarno, L., 2006 انعطافپذیری سیستم جداگر لرزهای باعث افزایش پریود طبیعی سازه شده و از تشدید نوسانات سازه در محدوده پرانرژی زلزله جلوگیری میکند. ظرفیت استهلاک انرژی این سیستم منجر به افزایش میرایی شده و در نتیجه از جابجایی جانبی اضافی ناشی از انعطافپذیری جلوگیری میکند.
نخستین بار هاوزنر - - Housner, G.W., 1956 روش انرژی را برای طراحی لرزهای مطرح ساخت و معتقد بود در اثر حرکت زمین انرژی به سازه منتقل میشود که بخشی از آن در اثر میرایی و رفتار غیرخطی - انرژی هیسترتیک - تلف میشود و بقیه در سازه به شکل انرژیهای جنبشی و کرنش الاستیک جذب میشود. او ظرفیت جذب انرژی سازه در زلزلههای بزرگ را به عنوان عامل ایمنی و پایداری سازه مطرح نمود. به علت وجود مسائل متعدد در برآورد انرژی، نیاز، ظرفیت و نقش آنها در فرآیند طراحی، مفاهیم مربوط به انرژی نادیده گرفته شدولی. بعدها تقریباً از اوایل دهه نود، بحث استفاده از مفاهیم انرژی در طرح لرزهای سازهها مورد توجه قرار گرفت و تحقیقات انجام شده پیرامون آن در ارتقای دانش و آگاهی نسبت به درک رفتار سازه هنگام زلزله نقش مهمی ایفا نمود. رابطه 1 معادله تعادل انرژی سازه است که EI انرژی ورودی زلزله، Ek انرژی جنبشی، ED انرژی میرایی، ES انرژی کرنش الاستیک و EH انرژی هیسترزیس است.
-2 روش تحقیق
1-2 طراحی جداساز لاستیکی با هستهی سربی
جداسازهای با هستهی سربی در سال 1975 در نیوزلند اختراع شده و به طور گستردهای در نیوزلند، ژاپن و ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفتهاند. این جداسازها شامل دو صفحه ضخیم فولادی در بالا و پایین، لاستیک، صفحات نازک فولادی متعدد و یک یا چند هستهی سربی میباشند که مطابق شکل1 در سوراخهایی قرار گرفتهاند. صفحات فولادی به کار رفته در این سیستم سبب تغییرشکل هستهی سربی در برش میشوند. هستهیسربی باید کاملاً در جداساز الاستومری محکم شده باشد که برای این منظور، قطر هستهی سربی را اندکی بییش از سوراخ در نظر گرفته و هسته را با فشار به داخل سوراخ میرانند. از آنجایی که سختی و میرایی مؤثر جداسازهای با هستهی سربی وابسته به مقدار جابجایی آن است، بنابراین باید تغییرمکان متناظر با مقدار میرایی لازم مشخص شود. ساختمانهایی که به وسیله این جداسازها تقویت شدهاند، در زلزلههای 1994 نورثریج و 1995 کوبه عملکرد خوبی تکیهگاههای لاستیکی با هستهی سربی با نمایش رفتاری دوخطی با نرمشدگی تحت بارهای نسبتاً شدید لرزهای، عملکرد مطلوبی در زمینهی کنترل توأم لرزههای خفیف و شدید از خود نشان میدهند.
هستهی سربی این تکیهگاهها به همراه سختی بخش لاستیکی که در مقایسه با سختی بخش سربی بسیار اندک است، تأمینکنندهی سختی اولیهی مورد نیاز در نمودار نیرو-تغییرمکان این تکیهگاه است. با افزایش میزان بارگذاری، این بخش به حد تسلیم رسیده و سختی بسیار کمی را در مقابل بار جانبی از خود نشان میدهد. این سختی به همراه سختی بخش لاستیکی تکیهگاه، سختی ثانویه را در نمودار نیرو-تغییرمکان تشکیل میدهند. این رفتار در شکل2 نشان داده شده است. نشیمنهای با هستهی سربی همواره به صورت اجزای دوخطی مدل میشوند که خواص آنها بر مبنای سه پارامتر Q، Kp و Ke قرار دارد. اندازهگیری سختی ارتجاعی، Keدشوار، بوده و معمولاً به صورت ضریبی از Kp یعنی سختی پس از تسلیم در نظر گرفته میشود. مقدار Kp را میتوان از روی مدول برشی الاستیک و طرح نشیمن بدست آورد. مقاومت مشخصه، Q، محل برخورد حلقه پسماند با محور نیرو بوده و بر مبنای تنش تسلیم سرب یعنی 10/5 مگا پاسکال و مساحت هستهی سربی به دقت تعیین میشود. مشخصات جداگرهای لاستیکی هستهی سربی که بر اساس یک روند سیکلوار طبق نشریه 524 با توجه به ماکزیمم بار مرده و زنده ستونها برای میراییهای %15 و %25 طراحی شدهاند، در جدولهای 1 تا 4 نشان داده شده است.
