بخشی از مقاله
خلاصه
در بیشترآییننامههای طراحی سازهها، محاسبه و توزیع برش پایه بر اساس تحلیل الاستیک استوار است. به دلیل اینکه رفتار واقعی سازه رفتار غیرخطی است در سالهای اخیر از روش جدیدی به نام روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد - PBPD - استفاده شدهاست که رفتار واقعی سازه را در طراحی درنظر بگیرد. در این مقاله روش PBPD روی سیستم دوگانه قاب خمشی و مهاربند برونمحور توسعه داده میشود. در روش PBPD توسعه داده شده در این مقاله سهم برش قاب از یرش کل از همان ابتدا وارد روابط طراحی می شود. برای بررسی این روش 3 قاب 6 ، 12 و 20 طبقه توسط دو روش PBPD و معمول طراحی شده و آنالیز استاتیک غیرخطی روی آن ها انجام می شود. نتایج شان میدهد که در قابهای دوگانه طراحیشده به روش PBPD ، علاوه بر عدم نیاز به کنترل میزان حداقل باربری قاب خمشی، مفصلهای پلاستیک، در یک یا چند طبقه متمرکز نبوده و در ارتفاع ساختمان توزیع شده اند و سازه به مکانیزم تسلیم مطلوب رسیده است.
کلمات کلیدی: روش طراحی پلاستیک براساس عملکرد، سیستمهای دوگانه، مفصل پلاستیک، دریفت طبقات، چرخش پلاستیک پیوند
1. مقدمه
طراحی سازه ها در برابر زلزله در آییننامههای مختلف بر اساس تحلیل الاستیک سازه انجام می شود.در این روش ابتدا برش پایه زلزله بر اساس پارامترهای متعددی از جمله، ساختگاه ، نوع سیستم سازهای و کاربری ساختمان محاسبه شده و سپس برش پایه در ارتفاع سازه توزیع می گردد. توزیع نیروی برش پایه در ارتفاع در بیشتر آییننامههای موجود، با استفاده از رفتار الاستیک انجام میشود. رفتار غیرالاستیک سازه در این روش ها بطور غیرمستقیم در نظر گرفته میشود.برای این منظوراز پارامترهایی نظیر ضریب رفتار ، R ، ضریب اضافه مقاومت ، و ضریب بزرگنمایی جابجایی ، Cd ، استفاده می شود. برای تامین شکلپذیری در سازهها از المان هایی که در زمان زلزله تسلیم شده و استهلاک انرژی را انجام می دهند، استفاده میشود.
که به این المان فیوز اطلاق می شود. طراحی المان فیوز بر اساس بارگذاری آییننامه و طراحی سایر عضوها بر اساس حداکثر نیروی تولید شده توسط فیوز صورت میگیرد. به این روش طراحی روش طرح ظرفیت گفته میشود. در این روش که با رفتار واقعی سازه سازگار نمی باشد محل و میزان ایجاد خسارت در سازه قابل پیش بینی نبوده و احتمال ایجاد خسارت های نا خواسته در سازه وجود دارد. برای رفع این مشکل روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد - PBPD - 3 معرفی شدهاست.[9-1] در این روش از جابجایی هدف و مکانیزم تسلیم به عنوان پارامترهای عملکردی استفاده میشود. مبنای روش PBPD بر اساس روش انرژی است.[10]
به عنوان مثال مکانیزم مطلوب درقاب های خمشیMRF4 تسلیم خمشی دو انتهای تیر و پای ستون طبقه اول و مکانیزم مطلوب در سیستم مهاربندی واگرا تسلیم برشی یا خمشی پیوند و در نهایت تسلیم خمشی پای ستون طبقه اول در زلزلههای شدید است. مفهوم طراحی پلاستیک براساس عملکرداولین بار برای مهاربندهای واگراEBF5 بر اساس روش تعادل لنگر پیشنهاد شد.[11] روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد برای طراحی قابهای خمشی - MRF - به کار گرفته شده است که در آن توزیع برش پایه در ارتفاع بر اساس UBC 97 انجام شده است.[12] با توجه به آنکه روش توزیع خطی بار جانبی، اثر مدهای بالاتر را در نظر نگرفته و توزیع غیریکنواخت برای برش طبقات را به همراه دارد ، برای جبران این کمبودها این روش مجددا بر روی قابهای خمشی - - MRF با استفاده از نوعی توزیع نیروی جانبی که اثر رفتار غیرخطی را در نظر می گیرد ، بکار گرفته شده است. [3]
این عمل باعث شده تسلیم سازه بصورت یکنواخت تر اتفاق افتد. در این روش توزیع نیرو که بر اساس تحلیل های تاریخچه زمانی غیرخطی بدست آمده است ، بصورت نمایی در نظر گرفته می شود. این روش روی قابهای مهاربندی واگرا با پیوند افقی نا متقارن - H-EBF - نیز بکار رفته است.[13] همچنین این روش برای قابهای خمشی خرپایی ویژه و قابهای مهاربندی همگرااستفاده شده - است6]و.[14بیات و همکاران موارد استفاده از این روش در سیستم های مقاوم در برابر زلزله را به صورت خلاصه مرور کرده اند .[15] این روش در سال های اخیر روی قابهای مهاربندی مقاوم در برابر کمانش، قاب خمشی بتنی ویژه ، مهاربندهای برون محور با پیوند قائم - V-EBF - 1 ، دیوارهای برشی فولادی ، قابهای بتنی غیر شکل پذیر همراه مهاربندهای کمانش تاب، قابهای فولادی خمشی و قابهای مهاربندی شده همگرا نیز بکار رفته است.[27-16] اخیرا نویسندگان مقاله این روش را روی دیوارهای برشی بتنی با تیر همبند فلزی به کار گرفته اند.[28] همهی این تحقیقات تاییدکننده این مطلب بوده است که در این روش مکانیزم تسلیم قابل کنترلبوده و از ظرفیت بیشتری از مقاطع استفاده می شود.
2. مبانی روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد - PBPD -
جابجایی هدف و مکانیزم تسلیم از معیارهای عملکردی در روش PBPD هستند. برش طراحی بر اساس رابطه تعادل بین کار مورد نیاز برای ایجاد تغییر مکان یکنواخت سازه تا رسیدن به جابجایی هدف و انرژی داخلی که با استفاده از طیف پاسخ سیستم الاستوپلاستیک یک درجه آزادی معادل بدست میآید، تعیین میشود.[13] فرض می شود مقدار کار خارجی مورد نیاز برای انجام این جابه جایی، برابر انرژی داخلی الاستیک است.[13] بر این اساس، با نوشتن رابطه تعادل، برش پایه به صورت معادله - 1 - نوشته میشود.
.3 روش PBPDدرسیستم دوگانه قاب خمشی و مهاربند برون محور
با استفاده از روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد میتوان به مکانیزم تسلیم مطلوب انتخاب شده قبل از طراحی رسید.اولین گام در طراحی به روش PBPD انتخاب مکانیزم تسلیم مطلوب میباشد .مکانیزم تسلیم در سیستم دوگانه تشکیل مفصل در المان پیوند مهاربندها ، تشکیل مفصل خمشی در انتهای تیرها و نهایتا تشکیل مفصل در پای ستونهای طبقه اول انتخاب میشود. پس از انتخاب مکانیزم تسلیم مطلوب و انتخاب دریفت هدف با استفاده از معادله - 8 - برش پایه بدست میآید. در ادامه طراحی، سهم قاب خمشی از برش کل - - انتخاب میشود. برای وارد کردن این مقدار در روابط طراحی، برابر مقدار برش پایه با استفاده از رابطه - 3 - در ارتفاع توزیع میشود. سپس با استفاده از مکانیزم تسلیم مطلوب و با نوشتن روابط تعادل، مقدار نیروهای داخلی مورد انتظار بدست میآید. در قاب خمشی با انتخاب مکانیزم تسلیم خمشی در انتهای تیرها و تسلیم خمشی در پای ستون طبقه اول مانند شکل - 1 - ،و با نوشتن رابطه تعادل انرژی ورودی و داخلی، لنگر خمشی موردانتظار تیرهای قاب خمشی به صورت زیر بدست میآید: F از توزیع سهم برش پایه قاب خمشی در ارتفاع آن بدست میآید. n تعداد دهانه ها در جهت موردنظر است. برای محاسبه لنگر پلاستیک در پای ستون طبقه اول قاب خمشی با فرض تشکیل مکانیزم طبقه نرم در طبقه همکف، لنگر پلاستیک قاب خمشی به صورت زیرخواهد بود:
