بخشی از مقاله
چکیده
بکارگیری منحنیهای شکست در طراحی بر اساس عملکرد با رویکرد احتمالاتی از اهمیت ویژهای برخوردار است. این در حالی است که تولید منحنیهای شکست برای زلزلههای نزدیک گسل پالس گونه در سازههای مهاربندیشده فولادی کمتر مورد توجه محققان بوده است. بنابراین هدف اصلی این مقاله تولید و توسعه این منحنیها برای مجموعهای از قابهای دو بعدی مجهز به مهاربند هممحور ضربدری در اثر زلزلههای نزدیک گسل پالس گونه است. بهمنظور محاسبه احتمال خسارت وارد بر مدلها در ترازهای مختلف زمینلرزه، منحنیهای شکنندگی برای ساختمانهای 4، 6 و 8 طبقه که دارای 3 و 5 دهانه میباشند، به کمک نرمافزار Seismostruct تولید شدهاند. در تولید منحنیهای شکست، 14 تراز بیشینه شتاب زمین - PGA - و 10 زلزله نزدیک گسل دارای اثرات جهت پذیری پیشرونده انتخاب و بکمک توابع آماری - احتمالاتی و بهرهگیری از دو شاخص شکست تغییر مکان بین طبقهای و تغییر شکل محوری خمیری منحنیهای موردنظر ترسیم گردید.
در محدوده فرضیات این تحقیق، نتایج نشان میدهد که بین منحنی شکست سطح عملکرد IO با LS و CP اختلاف قابلتوجهی وجود دارد. بعلاوه احتمال شکست برای یک PGA معین در هر سه سطح عملکردی برای شاخص تغییر شکل محوری خمیری کمتر از تغییر مکان بین طبقهای است. بنابراین میتوان گفت برخلاف مطالعات قبل، در اثر زلزلههای نزدیک گسل پالس گونه، تغییر مکان بین طبقهای نسبت به شاخص تغییر شکل خمیری مهاربند برای تولید محنیهای شکنندگی معیار دقیقتری است.
کلمات کلیدی: زلزلههای نزدیک گسل، منحنی شکنندگی، سطوح عملکرد، تغییر شکل محوری خمیری، تغییر مکان بین طبقهای.
-1 مقدمه
بهمنظور بیان کمی آسیبپذیری اجزای مختلف سازهای و یا غیر سازهای برحسب میزان خطر زلزله میتوان در مورد هر نوع از سازهها یا اجزای غیر سازهای حساس به جابجایی نسبی و اجزای غیر سازهای حساس بهشتاب، احتمال وقوع یا فرا گذشت از یک میزان خسارت خاص را برحسب یک ویژگی معرف زلزله نظیر PGA بیان نمود. تکرار این عملیات برای مقادیر مختلف PGA یا سایر تک پارامترها، منجر به تولید منحنیهای نرمال شدهای موسوم به منحنی شکنندگی میگردد. اطلاعات موردنیاز برای تهیه منحنیهای شکنندگی بهطور ذاتی خاصیت تصادفی دارند. تصادفی بودن اطلاعات هم در مورد مشخصات تحریک ورودی و هم در مورد مشخصات مکانیکی سیستم سازهای صادق است، چراکهاصولاً زلزله خاصیت غیر تعیینی دارد و از سوی دیگر مشخصات سیستم سازهای نیز به دلایل گوناگون نظیر تغییر مشخصات مکانیکی مصالح براثر خوردگی، تفاوت رفتار به دلیل تغییر دائمی مرکز جرم و... غیرمطمئن است.
بنابراین افزایش دقت منحنیهای شکنندگی مستلزم انجام عملیات ریاضی و مطالعات آماری و احتمالاتی دقیق است. شناخت عوامل ایجاد خطا مهمترین گام در امر افزایش دقت منحنیهای شکنندگی است، عوامل مؤثر در ایجاد خطا در منحنیهای شکنندگی عبارتاند از کمبود اطلاعات موجود، وجود اطلاعات نادرست یا کمدقت و خطا در عملیات ریاضی. مسئله اساسی دیگری که در خلال روند تهیه منحنیهای شکنندگی باید به آن دقت نمود استفاده از یک روش ریاضی منطقی برای تلفیق دادههای آماری با یکدیگر است. توجه لازم باید به این نکته معطوف گردد که دادههای مختلفی که از زلزلههای گذشته و یا مطالعات عددی آزمایشگاهی بهدستآمدهاند از حیث دقت در یک سطح نیست، لذا باید در خلال انجام تحلیلهای آماری به دادههای مختلف برحسب میزان دقت آنها وزن داده شود. درمجموع برای تعیین منحنیهای شکنندگی سازهها بهمنظور افزایش دقت محاسبات، بهتر است برای حالت خاص سازه ازنظر شرایط هندسی، شرایط تکیهگاهی و شرایط ساخت گاهی یک منحنی شکنندگی خاص برای هر حالت تخریب به دست آید.
استفاده از منحنی شکست و وابستگی آن به سطح عملکرد در ارزیابی سطوح مختلف خرابی در قابهای مهاربندیشده فولادی میتواند به درک بهتری از رفتار غیرخطی این دسته از سازهها بینجامد. از طرفی تمرکز مطالعات اخیر بر اثرات مخرب زلزلههای نزدیک گسل پالس گونه از دیگر موضوعاتی است که در بحث منحنی شکست قابلطرح است. بررسیهای انجامشده توسط نویسندگان مقاله نشان میدهد توسعه منحنیهای شکست به زلزلههای حوزه نزدیک دارای اثرات پالس - به دلیل جهت پذیری پیشرونده - در سازههای قاببندی شده دارای مهاربند هممحور از موضوعات بکری است که کمتر موردتوجه قرار گرفته است.
-2 پیشینه تحقیق
تولید منحنی شکنندگی به کمک ضوابط ATC-13 برای سازههای ایلت کالیفرنیا راتقریباً اولین تلاشهای در این زمینه محسوب میشود . - Anagnos, 1995 - در سال 2000 محققان به کمک تابع خسارت و مقادیر مختلف PGA، منحنیهای شکنندگی را برای ساختمانهای فولادی، بتنی و چوبی شهر کوبه ژاپن تولید نمودند . بررسی نمودارهای ارائهشده نشان میدهد که سازههای بتن مسلح ساختهشده در شهر کوبه کمترین شکنندگی و سازههای فلزی بیشترین شکنندگی را دارا میباشند . - Murao, 2000 - تولید و توسعه منحنیهای شکست بر اساس روش طیف ظرفیت از دیگر محورهای تحقیقات قبل بوده است. در این روش با استفاده از روش بار افزون - روش استاتیکی غیرخطی - منحنی شکست متناظر با شاخص خسارت تغییر مکان بین طبقهای تولید و محاسبه گردید . - Reinhorn, 2001 - تولید منحنیهای شکنندگی برای مقاومسازی سازهها به کمک چهار مدل -4طبقه بتنی در شهر استانبول ترکیه از دیگر موضوعات ارزیابیشده است.
بدین منظور از مدلهای مختلفی چون بادبندی و دیوار برشی استفاده و با روش دینامیکی غیرخطی منحنیهای شکنندگی متناظر با تغییر مکان بین طبقهای در سطوح مختلف PGA رسم گردید - Smyth, . - 2004 تولید منحنیهای شکنندگی برای قابهای خمشی فولادی 2 تا 10 طبقه به کمک نرمافزار RAM PERFORM3D با استفاده از FEMA356 و شاخص شدت PGA و خرابی تغییر مکان بین طبقهای از دیگر اقدامات انجامشده در این زمینه است . - Arizaga, 2006 - ترسیم منحنیهای شکنندگی سازههای بتن مسلح دارای دیوار برشی با لحاظ کردن اثرات توزیع سختی مقاومت و پیچش بر روی منحنیهای شکنندگی به کمک 8 مدل یک طبقه با استفاده از نرمافزار OpenSees تحت تحلیلهای دینامیکی غیرخطی و توسعه آنها بر اساس تغییر مکان بین طبقهای و چرخش مفاصل و شکلپذیری در سطوح مختلف PGA یکی دیگر از محورهای تحقیقاتی است . - Aziminejad, 2008 -
توجه به اهمیت منحنیهای شکنندگی در ارزیابی خسارات لرزهای ساختمانها، بهمنظور تعیین میزان احتمال خسارت وارده در شدتهای مختلف زمینلرزه، منحنیهای شکنندگی برای ساختمانهای دارای قابهای فولادی با مهاربندی ضربدری با نوع پلان -4×2و 6×4 دهانه و تعداد طبقات 3، 5 و 7 تولید شد. تولید این منحنیها به کمک 42 تحلیل دینامیکی غیرخطی برای هر قاب با اعمال شتابنگاشتهایی با شدتها و محتواهای فرکانسی مختلف، بهکارگیری توابع آماری و احتمالاتی و بهرهگیری از دو شاخص شکست »تغییر شکل محوری خمیری« و »تغییر مکان بین طبقهای« صورت گرفت. نتایج حاصل بیانگر این نکته است کهاولاً سازههای مطالعه شده در شتاب بیشینهی بالاتر از 0/5gعمدتاً دچار شکست میشوندثانیاً، شاخص »تغییر شکل محوری خمیری«، در مقایسه با »تغییر مکان بین طبقهای«، برای تولید منحنیهای شکنندگی مناسبتر است - حسینی, . - 1390 مروری تاریخچه تحقیقات نشان میدهد که تولید و توسعه منحنیهای شکست در قابهای فولادی مهاربندیشده کمتر موردتوجه محققان مختلف بوده است. بعلاوه در اکثر مطالعات پیشین نوع زلزله معمولی وعملاً تأثیر زلزلههای حوزه نزدیک گسل با ماهیت پالس گونه در نظر گرفته نشده است. بعلاوه سطوح مختلف عملکرد و تأثیر آن بر منحنی شکست از دیگر موضوعاتی است که کمتر موردتوجه محققان قرار گرفته است و همگی این عوامل انگیزه انجام پژوهش حاضر را توجیه مینمایند.
-3 روش تحقیق
در این تحقیق به تولید و توسعه منحنیهای شکنندگی حاصل از تحلیل دینامیکی غیرخطی افزایشی مجموعهای از قابهای دوبعدی مهاربندیشده همگرا در برابر زلزلههای نزدیک گسل پالس گونه پرداخته شده است. البته توسعه این منحنیها برای سه معیار عملکردی استفاده بدون وقفه، IO، ایمنی جانی،LS و آستانه فروریزش یا CP بر اساس ضوابط دستورالعمل بهسازی ساختمانهای موجود - 360-92 - یکی از دیگر از اهداف انجام این تحقیق است. درنهایت با استفاده از تابع توزیع نرمال، احتمال توزیع نرمال محاسبهشده و به کمک آن احتمال خرابی ناشی از عناصر سازهای با بهکارگیری این دسته از منحنیها مورد ارزیابی قرار میگیرد تا بتوان از چنین رویکردی برای ارزیابی سازههای مقاومسازی شده با مهاربند CBF، در آینده کشور بکار گرفته شود چراکه مقاومسازی و بهسازی سازههای موجود همواره از دغدغههای کشور با توجه به هزینههای بالای ساخت سازههای جدید، بوده و خواهد بود. در این مطالعه دو شاخص شکست برای تولید منحنیهای شکنندگی استفاده میشوند که به ترتیب عبارتاند از:
-1 تغییر شکل محوری خمیری مهاربند
-2 تغییر مکان بین طبقهای نسبی درمجموع برای توسعه و بسط منحنیهای شکنندگی 10 زلزله نزدیک گسل دارای اثرات جهت پذیری پیشرونده انتخاب و
برای تولید هر منحنی شکنندگی از 14 تراز PGA استفادهشده است. بازه انتخاب از 0.1g تا 0.75g با بازه 0.05g تعریف گردید. برای تولید منحنیهای شکست از تابع توزیع نرمال و تابع توزیع تجمعی نرمال استفاده خواهد شد. کلیه شتابنگاشتهای نزدیک گسل طبق طبقهبندی Baker از نوع پالس گونه دارای اثرات جهت پذیری بوده و مؤلفه عمود بر گسل آنها در نظر گرفتهشده است - Baker , 2007 - ضمناً. برای تعیین محدوده شکست از ضوابط دستورالعمل بهسازی ساختمانهای موجود 360 ویرایش 92 استفادهشده بهنحویکه با توجه به نوع مقطع، میزان مجاز تغییر شکل محوری خمیری در سه سطح عملکرد IO،2 LS 1و CP به3دستآمدهاندضمناً. معیار تغییر مکان نسبی بین طبقهای نیز برای سه سطح عملکرد مذکور به کمک این دستورالعمل انتخاب شده است.
-4 مدلسازی و فرضیات مربوطه
در این مقاله قابهای سازهای دوبعدی 4 و 6 و 8 طبقه فولادی ساده با مهاربند همگرای ضربدری با سه و پنج دهانه پنجمتری و ارتفاع 4 متر انتخاب و فرض شد. کلیه مدلها در منطقهی با خطر لرزهخیزی متوسط و بر روی خاک نوع IV قرار دارند و بهصورت صفحهای - دوبعدی - منظم هستند. قابها برای تراز شکلپذیری ویژه طراحیشدهاند. جرم کلیه طبقات باهم برابر و برای محاسبه جرم لرزهای از استاندارد 2800 ویرایش 4 استفادهشده است به قسمی که درصد مشارکت بار زنده با فرض کاربری مسکونی برای کلیه مدلها %20 فرض شده است. بار مرده کلیه طبقات 650 کیلوگرم بر مترمربع و بار زنده 250 کیلوگرم بر مترمربع و عرض بارگیر هر قاب 5 متر انتخابشده است. برای بارگذاری قابها از مبحث 6 مقررات ملی ساختمان ویرایش 1392 و طراحی قابهای فولادی بر اساس ضوابط طراحی لرزهای مندرج در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ویرایش 92 و بروش LRFD انجامگرفته است.
برای طراحی حرفهای ساختمانها از نرمافزار ETABS2015 استفاده شد. برای تیرها از مقطع IPE با رعایت ضوابط فشردگی لرزهای و برای ستونها از HE-B متوسط با رعایت ضوابط فشردگی لرزهای استفادهشده است. در تحلیلهای خطی و غیرخطی جنس فولاد مورداستفاده ST37 است که تنش تسلیم آن بهصورت اسمی برابر 2400 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع در نظر گرفتهشده است. تحلیل دینامیکی غیرخطی با نرمافزار SeismoStruct-Ver.7 انجامشده است. برای مدلسازی المانهای تیر و ستون از ابعاد خط مرکزی استفاده و مدل رفتاری مورداستفاده از نوع دوخطی با شیب ناحیه سخت شدگی برابر 3 درصد است. در کلیه مدلها زوال چرخهای نادیده گرفتهشده و برای تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی، از میرایی متناسب رایلی استفاده گردید. برای مدلسازی رفتار غیرخطی و معیارهای پذیرش و البته پارامترهای مدلسازی اعضا فولادی و البته رفتار کشش-فشار مهاربند از دستورالعمل 360 ویرایش 92 استفاده شده است.
