بخشی از مقاله
خلاصه
قاب داراي مهاربند زیپر معلق، بهعنوان یک سیستم بهبودیافته از مهاربندهاي همگراي شورون میباشد. سیستم مهاربندي زیپري معلق در واقع داري یک کمربند ارتجاعی در قسمت فوقانی بوده که رفتار آن را در برابر بارهاي لرزهاي به صورت کشسان حفظ میکند و این در حالی است که در طبقات زیرین، مهاربندها تسلیم شده و یا کمانش میکنند. با توجه به اهمیت تعیین احتمال خرابی و چگونگی رفتار این سیستمها در سطحهاي عملکردي مختلف، میتوان از منحنیهاي شکنندگی براي تبیین رفتار این سیستمها بهره جست.
در واقع با استفاده از منحنیهاي شکنندگی، میتوان به میزان خسارت سازه در شدتهاي مختلف زلزله، احتمال فراگذشت هر یک از مشخصههاي رفتاري سازه در سطحهاي عملکردي مختلف و همچنین تعیین احتمال خرابی هر سازه بر اساس آئیننامه مورد طراحی دست یافت. در این پژوهش، از منحنیهاي شکنندگی براي ارزیابی رفتار لرزهاي سازههاي مهاربندي زیپري معلق استفاده میشود و با استفاده از همین منحنیها مقایسهاي بین قابهاي داراي مهاربندي شورون و زیپر انجام میشود. قابهاي مورد بررسی دو بعدي داراي 4، 8 و 12 طبقه میباشند. تولید منحنیهاي شکنندگی با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی دینامیکی براي هر قاب با اعمال شتابنگاشتهاي مختلف و بهرهگیري از شاخص تغییر مکان نسبی بین طبقهاي صورت میپذیرد.
1. مقدمه
زلزله بهعنوان یکی از اثرگذارترین رخدادهاي طبیعی در ایجاد خرابی و خسارت در سازههاي مختلف، همواره درخور توجه طراحان بوده است. باوجود زمینلرزههاي فراوان و مخرب و همچنین تلفات مالی و جانی بیشمار که تابهحال در تاریخ بشریت اتفاق افتاده است، اطلاعات کمی محدودي در رابطه با سطح خرابی و مشخصات و ویژگیهاي زمینلرزه وجود دارد. بحث عدم قطعیت در این پدیده طبیعی، یکی از مشکلات مطرح کردن آن در طراحی سازهها بهصورت مستقیم میباشد.
منحنیهاي شکنندگی یکی از سادهترین و مؤثرترین ابزارهاي لازم براي ارزیابی خسارت زمینلرزه هستند. آنها احتمال فراگذشت آسیب و خسارت را براي یک نوع ساختار که در معرض تحریک زمینلرزه میباشد، نشان میدهند. ازجمله عوامل مهمی که در تشکیل منحنیهاي شکنندگی میتوان نام برد، یکی خسارت وارده برسازه میباشد که توسط یک تابع احتمال بیان میشود و دیگري بستگی مستقیم به چگونگی جنبش زمین دارد. بهطورکلی میتوان منحنی شکنندگی را میتوان بر اساس یکی از شاخصهاي جنبش زمین مانند بیشینه شتاب زمین، بیشینه سرعت زمین و بیشینه جابجایی زمین رسم کرد.
رسم و تولید منحنیهاي شکنندگی از سازههاي تأسیسات هستهاي آغازشده است. چون این سازهها جزء سازههاي حیاتی میباشد و شکنندگی و خسارت این نوع سازهها در هنگام زمینلرزه بسیار خطرناك است. پسازآن محققان بسیاري منحنیهاي شکنندگی را براي سازههاي مختلف و با روشهاي متفاوت تولید کردند. در سال 1980 آقاي کندي [1] منحنیهاي شکنندگی را براي نیروگاههاي هستهاي رسم کرد. او با استفاده از عوامل شکنندگی چون فشار آب، مقاومت بتن، جابجایی و تنش ایجادي در پوستههاي مخازن بر اساس سطوح مختلف PGA، منحنیهاي شکنندگی را رسم کرد.
او احتمال شکست را با استفاده از تابع توزیع تجمعی توزیع نرمال به دست آورد . در سال 1999 آقایان یامازاکی و مورورا [2] منحنیهاي شکنندگی را براي شهر کوبه ژاپن به دست آوردند. آنها این منحنیها را براي سازههاي فولادي، بتنی و چوبی با استفاده از تابعهاي خسارت رسم کردند. در سال 2000 آقایان آیالا، بارون و رینبورن [3] روش تولید منحنیهاي شکنندگی را با استفاده از روش طیف ظرفیت ارائه دادند. آنها با استفاده از روش تحلیل استاتیکی غیرخطی، منحنیهاي شکنندگی را براي تغییر مکان بین طبقهاي رسم کردند. در سال 2005، آقایان عکار، سوکوگلو و یاکوت [4] منحنیهاي شکنندگی را بر اساس جابجایی براي ساختمانهاي بتنی معمولی با ارتفاع کم و متوسط ترسیم کردن. آنها از 82 رکورد جنبش زمین براي تحلیلهاي غیرخطی خود استفاده کردند و براي ترسیم منحنی شکست از بیشینه سرعت زمین استفاده کردند.
ظرفیت شکنندگی لرزهاي قابهاي مهاربندي، قبل و بعد از بهسازي در سال 2014 توسط ونگ [5] صورت گرفت. او سازههاي 3 و 6 طبقه را با رویکرد سطح عملکرد طراحی کرد و سپس با انجام تحلیل دینامیکی افزاینده، ظرفیت لرزهاي و شکست این مهاربندها را محاسبه کرد. احمد فائق [6] در همین سال تحلیل شکنندگی را براي مهاربندهاي کمانش تاب انجام داد. سال 2014، فنایی [7] با انجام تحلیل دینامیکی فزاینده بر روي سیستم مهاربندي درگاهی منحنی شکنندگی را براي این نوع سیستم به دست آورد. او با نرمافزار 10 OpenSees رکورد از زلزلههاي گذشته را به ساختمانهاي مختلف اعمال کرد و منحنیهاي شکست را براي اولین بار براي این نوع سیستم ترسیم کرد.
در همین سال آقایان اکبري، ابوطالبی و ماهري [8] ظرفیت لرزهاي قابهاي بتنی که با مهاربندهاي ضربدري و شورون تقویتشده بودند را با استفاده از منحنیهاي شکنندگی به دست آوردند. آنها تعدادي قاب دوبعدي در طبقات 4، 8 و 12 با تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی مورد تحلیل قراردادند و با منحنیهاي شکست این دو نوع مهاربند و میزان تأثیر آنها بر قاب خمشی بتنی را موردبررسی قراردادند. همچنین در همین سال آقایان بنیهاشمی، میرزاقلیتبار و توکلی [9]، قابلیت اطمینان و ظرفیت منحنیهاي شکنندگی را براي قابهاي مهاربندي هممرکز به دست آوردند.
سیستمهاي مهاربندي هممرکز، یکی از متداولترین سیستمهاي باربر جانبی هستند که از انواع آنها میتوان از سیستم مهاربندي شورون و مهاربندهاي ضربدري نام برد. این سیستم داراي صلبیت جانبی بسیار بالاست و تغییر مکانهاي جانبی را نسبت به قاب خمشی تا حد بسیار زیادي کم میکند. توجیه استفاده از سیستمهاي فولادي داراي مهاربند هممرکز، مسائل اقتصادي، طرح و روش اجراي آسانتر، بهخصوص با بالا رفتن تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان میباشد.
این سیستمها ازلحاظ اجرا و هندسه میتوانند شکل هاي متفاوتی داشته باشند، اما مشخصه اصلی همگی آنها باید ورود به ناحیه غیرخطی و جذب انرژي زلزله از این طریق باشد. سیستمهاي مهاربندى شده هممرکز به علت سختی بالا نیروى بیشترى از زلزله دریافت میکنند و در عوض به دلیل جابجایی کم احساس امنیت بیشترى را براى ساکنین سازه ایجاد میکنند. فرض این سیستم بر آن است که آسیبهاى وارده به این سازهها، پس از وقوع زلزله در اعضاى مهاربندى متمرکز میباشد و درنتیجه فرایند بازسازى آنها راحتتر و با هزینه کمترى، امکانپذیر است. از طرفی با افزایش بار، جانبی مهاربندهاي فشاري کمانش کرده و ظرفیت محوري آنها کاهش مییابد، درحالیکه نیروهاي مهاربندهاي کششی در حال افزایش بوده تا این که به تسلیم برسند.
در این زمان نیروي قائم بزرگی در محل اتصال مهاربندها به تیر به وجود میآید که باعث به وجود آمدن تغییرشکلهاي بزرگ در آن می شود. به دلیل وجود این رفتار، این سیستم مستعد ایجاد کردن مکانیسم طبقه نرم براي سازه میباشد، به صورتی که تغییر مکانهاي سازه فقط در طبقه اول شکل میگیرد و با کمانش مهاربند فشاري طبقه اول و تشکیل مفصل پلاستیک و در آن، از رسیدن مهاربندهاي طبقات بالاتر به حد ظرفیت خود جلوگیري میکند. نتیجه گرفته میشود که در قابهاي مهاربندي شورون، رفتار سیستم توسط کمانش مهاربندهاي طبقه اول کنترل میشود که نتیجه آن تمرکز خرابی در طبقه پایین و کاهش مقاومت جانبی سازه است. این رفتار، بخصوص در سازه هاي با ارتفاع بالا، موجب کاهش شکل پذیري و بزرگ شدن مقاطع خواهد شد.
[10] سیستم قاب داراي مهاربند زیپر در سال 1988 توسط خطیب و همکاران [11] براي بهبود رفتار قابهاي مهاربندي شورون ابداع شد. المانهاي زیپر براي از بین بردن تأثیر نامطلوب این نیروي قائم در مهاربندهاي شورون پیشنهاد شدند. هدف از اضافه کردن المان زیپر را میتوان کمانش همه مهاربندهاي فشاري و تسلیم همه مهارهاي کششی دانست بهطوريکه مقدار زیادي از انرژي زلزله مستهلک شود.
در این نوع سیستم مهاربندي، نیروي نامتعادل کننده به وجود آمده در یک طبقه، توسط المان زیپر به طبقه بالاتر انتقال مییابد، درنتیجه نیروي فشاري وارد بر مهاربند فشاري طبقه دوم افزایش یافته، و درنهایت باعث میشود که آن مهاربند نیز کمانش کندکمانش. تقریباً همزمان مهاربندها در کل ارتفاع سازه، باعث توزیع یکنواخت خرابی و خسارت در سازه میشود، اما پس از کمانش مهاربندها در تمام طبقات، ظرفیت جانبی قاب کاهش یافته و قاب ناپایدار میشود .[12] این ایراد با به کارگرفتن سیستمی معروف به قاب زیپر معلق، برطرف خواهد شد .[10] این سیستم طوري طراحی میشود که بعد از کمانش همه مهاربندهاي فشاري و تسلیم همه المانهاي زیپر، مهاربندهاي طبقه بام در محدوده الاستیک باقی بمانند.
افزایش ابعاد مهارها در بالاترین طبقه، به معنی الاستیک باقی ماندن آن ها و جلوگیري از مکانیسم تمامقد زیپر و همچنین ممانعت از کاهش ظرفیت باربري جانبی است. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که استفاده از این نوع سیستم سازهاي سبب افزایش شکلپذیري و پایداري سازه در مقابل زلزلههاي بزرگ میشود. در این پژوهش تلاش شدهاست تا با استفاده از منحنیهاي شکنندگی براي سیستم سازهاي داراي مهاربند زیپر، درك بهتري از رفتار این سیستم در مقابل زلزله بدست آید و همچنین عملکرد لرزهاي آن با قابهاي داراي مهاربند شورون مقایسه شود.
سه قاب چهار، هشت و دوازده طبقه انتخاب شدهاند تا با انجام تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی افزایشی بر روي آنها و بررسی نتایج خروجی، منحنیهاي شکنندگی براي آنها ترسیم شود. سازهها براي مدلسازي و طراحی در نرمافزار ETABS9.5.0 و براي انجام تحلیل دینامیکی افزایشی - IDA - در نرمافزار OpenSees مدل خواهند شد و پس از آن منحنیهاي شکنندگی بر اساس معیار شکست تغییر مکان نسبی طبقات ترسیم خواهند شد.
2. معرفی مدلهاي مورد بررسی و مدلسازي
براي شامل شدن سازههاي کوتاه، متوسط و بلند ازنظر میزان ارتفاع در این پژوهش قابهایی فلزي داراي مهاربند شورون و زیپر با سهدهانه در تعداد طبقات 4، 8 و 12 بهصورت دوبعدي در نظر گرفته میشوند و پسازآن رکوردهاي 10 زمینلرزه با شرایط خواستگاه مشابه به قاب اعمالشده و تحلیل دینامیکی فزاینده صورت میپذیرد. این قابها با ضوابط آییننامه 2800 ایران و در نرمافزار ETABS طراحی شده و تحلیلهاي تاریخچه زمانی غیرخطی توسط نرمافزار OpenSees صورت میپذیرد. براي مدلکردن مصالح و اعضاء به صورت غیرخطی از متریال Steel02 و براي کلیه اعضاء از المان dispBeamColumn در نرمافزار OpenSees استفاده شدهاست. کلیه اتصالات تیرها و مهاربندها به ستونها و تیرها به صورت مفصلی فرض شدهاند. قابهاي انتخابشده براي مطالعه مطابق شکل خواهند بود.
