بخشی از مقاله
چکیده
در اکثرکدهاي لرزه اي بجاي تحلیل غیرخطی سازه، از تحلیل ارتجاعی استفاده شده و اثرات غیرخطی شدن در ضریب رفتار وارد می گردد. ضریب رفتار متاثر از عوام ل مختلفی همچون، ضریب کاهش مقاومت در اثر شکلپذیري - Rµ - ، ضریب اضافه مقاومت، میرایی، دوره تناوب و نوع زلزله می باشد. در این بین اهمیتRµ بیشتر از سایر عوامل است. یک دیگر از ویژگی هاي غیرخطی که بکمک نتیجه تحلیل ارتجاعی بدست می آید نسبت تغییرشکل غیر الاستیک به الاستیک - CR - می باشد که بطور نمونه در فیما440 با C1 معرفی شده است.
از آنجاکه دو فاکتور Rµ و CR متاثر نوع زلزله است، بهمین دلیل در این پژوهش دو ضریب مذکور براي مولفههاي موازي و عمود برگسل زلزله نزدیک و دور از گسل محاسبه شدهاند. همچنین حساسیت این دو پارامتر به ضریب کرنش سخت شدگی و میرایی بررسی گردید. نتایج بدست آمده نشان داد که Rµ زلزله نزدیک میتواند با مقدار متناظر حاصل از زلزله دور تفاوت داشته باشد. همچنینCR چندان به نوع رکورد وابسته نبوده و با افزایش پریود به یک همگرا میشود. حساسیت Rµ وC R در برابر α قابل توجه نیست. بعلاوه با افزایش ضریب میرایی، نمودارهاي Rµ و CR از حالت مضرس خارج شده و هموارتر میگردد. درنهایت استفاده از C1 متناسب با نوع رکورد و دوره تناوب سازه میتواند محافظه کارانه یا غیر محافظه کارانه باشد.
کلید واژهها: ضریب کاهش مقاومت، تغییر شکل غیر ارتجاعی، زلزله نزدیک و دور
مقدمه
تجربه زمین لرزههاي پی شین نشان میدهد که بسته به شدت و محتواي زلزله، پاسخ سازه وارد ناحیه غیرخطی میشود. بررسی پاسخهاي غیرخطی سازه نشان میدهد که نیازهاي نیروي برش پایه در این حالت کاهش مییابد. کاهش در نیروي ارتجاعی و تبدیل آن به نیروي برش پایه غیر ارتجاعی، در بسیاري از کدهاي لرزهاي با ضریب رفتار - ضریب کاهش مقاومت - تعریف شده است. علیالرغم اینکه در تمامی کدهاي لرزهاي، ضریب رفتار پیشنهادي بر مبناي مطالعات تجربی محاسبه شده است، اما تلاشهاي گستردهاي نیز براي محاسبه ضریب رفتار بکمکروابطتئوري صورت گرفته است.
ضریب رفتار بر مبناي مطالعات تحلیلی در دو رده ضریب رفتار نیاز و ظرفیت تقسیمبندي میگردد. ضریب رفتارنیاز غالبا به کمک نتایج تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی محاسبه میگردد. این ضریب در حقیقت نشاندهندهترازنیاز نیرو ي غیرالاستیک وارد برسازه در اثر زلزله میباشد .از آنجاکه نتایج ضریب رفتار نیاز بهشدت وابسته است به محتوا و نوع زلزله انتخابی، بنظرمیرسد براي رکوردهاي مختلف میتواند به نتایج مختلفی بیانجامد. بهمین دلیل بهنظرمیرسد که ضریب رفتار نیاز در سازههاي تکدرجه - SDOF - و براي زلزلههاي نزدیک گسل نسبت به زلزلههاي دور متفاوت باشند.
این موضوع کمتر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. براي زلزلههاي نزدیک گسل اثرات جهتپذیري پیشرونده از اهیمت بیشتري برخوردار است. همچنین مولفه عمود بر گسل نسبت به مولفه موازي از اثرات تخریبی بیشتري برخوردار است. بنابراین در این مقاله ضریب کاهش مقاومت بدلیل اثرات شکلپذیري در سیستمSDOF محاسبه می گردد. این ضریب در اکثر ادبیات فنی با R‚ معرفی شده است. از آنجا که این ضریب به نتایج تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی و نتایج تحلیل تاریخچه زمانی غیر خط ی و بدنبال آن به نوع زلزله انتخابی وابسته است، براي محاسبه R‚ از رکوردهاي دور و نزدیک گسل استفاده شده است.
بدین ترتیب میتوان مقایسهاي بینR‚ زلزله دور و نزدیک گسل - دو مولفه موازي و عمود بر گسل - انجام داد. در ادامه با انجام تحلیل حساسیت بر R‚، اثر عوامل مختلفی همچون شیب ناحیه کرنشسختشدگی، میرایی و نسبت پریود غالب پالس بر پریود اصلی سازه بررسی خواهد شد. یکی دیگر از ضرایبی که در تحلیل سیست مSDOF مد نظر قرار گرفته است، نسبت بیشینه تغییرمکان غیر الاستیک به الاستیک سیستمSDOF است که در این تحقیق با CR نمایش داده میشود. این ضریب در دستوراعملFEMA440 با C1 معرفی شده است.
بدین منظور طیف گستردهاي از سازههاي تک درجه آزاد - ازپریود 0/2 تا 4 ثانیه - براي چهار سطح شکلپذیري 2 - ، 3، 4 و - 5 در نظر گرفته شدهاند. تامین شکلپذیري هدف، بکمک سعی و خطا، مقاومت تسلیم سازه SDOF بنح وي تغییر داده شده است براییک زلزله مشخص، نیاز شکلپذیري با شکلپذیري هدف یکی گردد. بدیهی است که منظور از شکلپذیري واحد، تضمین بقاي سازه در حوزه الاستیک است. از طرفی کلیه مدلهابصورتیک سازه تکدرجهآزادي - SDOF - مدلسازي شده اند. دراین سازه جرم واحد انتخاب شده و سختی المان بنحوي تنظیم شده است تا دوره تناوب مورد نظر تامین گردد. در این المان میبایست مقادیر سختی اولیه، سختی فراتسلیم و نوع مصالح تعریف گردد.
براي تعریف سختی پساتسلیم از شیب %3 براي ناحیه کرنش-سخت ¬شدگی - α=%3 - استفاده شده است. البته در بخش تحلیل حساسیت برايα علاوه بر %3، مقادیر %0، %5 و %10 نیز انتخاب شده است. براي کلیه مدلهاضریب میرایی ذاتی سازه %5 فرض شده است. این ضریب در بخش تحلیل حساسیت به مقادیر 2، 10 و %20 علاوه بر مقدار اولیه %5 نیز تغییریافتهاند. براي حل معادله تاریخچه زمانی غیرخطی از روش بتاي-نیومار ك استفاده شده است. از طرفی اثرات غیر¬خطی شدن نیز با مدل-سازي رفتاري فیبر تعریف شده که از قابلیتهاي نرمافزاراپنسیس در مدلسازیهاي عددي است.
مروري بر ادبیات فنی
تا بحال مطالعات بسیار گسترده اي در خصوص محاسبه R‚و CR و تاثیر عوامل مختلف بر آن انجام شده است که در ادامه به تعدادي از آخرین نتایج بدست آمده مرتبط با موضوع این مقاله اشاره شده است. Ruiz-Garcia و - 2003 - Mi randa نشان دادند اگر نسبت تغییرمکان ارتجاعی به تغییرمکان تسلیم سازه کمتر از 4 باشد، نسبت بیشینه تغییرمکان غیر ارتجاعی به مقدار ارتجاعی متناظر با آن چندان به طبقهبندي ساختگاه، بزرگاي زلزله و طول گسلش وابسته نیست. Chakraborti و - 2005 - Chopra از روشی مشابه استفاده نموده و نشان دادند که مشخصات کاهش و زوال سختی و مقاومت تنها براي نیازهاي شکلپذیري بزرگ داراي اهمیت است.
همچنین با مطالعه آماري R‚ نتیجه گرفتند که این فاکتور به بزرگا، پریود غالب زلزله، مدت زمان تداوم زلزله و شرایط ساختگاه وابسته است. Chopra و - 2004 - Chintanapakdee در مطالعه خود ضریب CR را براي سطوح مختلف شکلپذیري محاسبه نمودند. نتایج در این بخ ش نشان داد نسبت تغییرشکل غیر ارتجاعی به ارتجاعی وابسته است به بزرگاي گشتاوري زلزله، فاصله تا ایستگاه ثبت رکورد و شرایط ساختگاه رکوردهاي دور ونزدیک گسل.Karmakar و - 2006 - Gupta ضمن مطالعه R‚ با اثر عواملی همچون بزرگا، زمان تداوم، شرایط ساختگاه، فاصله تا سایت نتیجه گرفتند که زمان تداوم زلزله تاثیر ناچیزي بر R‚ دارد.
از طرف ی بیشترین تاثیر مربوط به بزرگاي زلزله است. Jalali و - 2008 - T rifunacنشان دادند که R‚ بهشدت به بزرگاي زلزله وابسته است . همچنین استفاده از منحنیهاي طراحی کلاسیک موجود براي R‚ براي حرکت هاي پالسیشکل عمود بر گسل مقادیر محافظه کارانهاي را نتیجه میدهد در حالیکه براي مولفه بهموازات گسل، قوانین طراحی رایج غیرμ محافظه کارانه است. ایشان همچنین پیشنهاد نمودند که براي تمامی مولفههاي حرکت زمین در حالت نزدیک گسل، R‚ میبایست ثابت و برابر در نظر گرفته شود.
این رابطه براي پریودهاي بلند قابل استفاده است - پریود بیشتر از 1 ثانیه - در حالیکه براي پریودهاي کمتر از 1 ثانیه، این ضریب م یبایست بهطور متوسط 30 تا % 40 کاهش یابد jalali - و . - - 2007 - Trifunac در مطالعه پارساییان و همکارانبر روي نسبت بیشینه تغییرمکان غیر الاستیک به الاستیک سازههاي تکدرجه آزادي مستقر بر خاك یک، دو و سه استاندارد 2008 از رکوردهاي زلزله ایران 204 - شتاب نگاشت بین سالهاي 1994 تا 2007 مستخرج از دستگاه - SSA2 استفاده گردید و ضریبCR که معرف نسبت تغییرمکان غیرالاستیک به الاستیک منتاظر با ضریب کاهش مقاومت R است، ارائه شد.
ایشان ضمن بررسی اثر عواملی همچون بزرگاي گشتاوري، فاصله تا کانون زلزله و جنس خاك، رابطه CR زلزلههاي ایران را با آنچه که در FEMA440 پیشنهاد شده است مقایسه نمودند. این مقایسه نشان داد که براي زمان تناوب بزرگتتر از 1 ثانیه، نسبت مذکور برابر یک بدست آمد که نشان میدهدC1 و CR با هم یکی میباشند. براي زمان تناوب کمتر از یک ضریب پیشنهاديFEMA440 براي زلزلههاي ایران نتایج محافظه کارانهتري را ارئه میکند که با کاهش زمان تناوب این اختلاف بیشتر میگردد.
معرفی زلزله هاي دور و نزدیک گسل پژوهش حاضر
یکی از موضوعاتی که در چند سال اخیر بدان توجه ویژه شده است، نوع رکورد زلزله از نظر فاصله مرکز تا ساختگاه است . در این حالت دو دسته زلزله نزدیک و دور از گسل قابل تفکیک و طبقهبندي است. اکثر مطالعات پیشین بر زلزلهها ي دور از گسل تمرکز داشتهاند . یک مفهوم جدي در زلزله نزدیک گسل، ناحیه داراي اثرات جهتپذیري پیشرونده است . منظور منطقهاي است که در آن راستاي حرکت گسل به سمت ساختگاه بوده و سرعت انتشار گسلش در آن ناحیه نزدیک به سرعت موج برشی است.
در چنین وضعیتی نگاشت سرعت و برخی موارد شتاب نگاشت داراي یک پالس مشهود با پریود طولانی و دامنه بزرگ است. در این بین مطالعات مختلف نشان میدهد که مولفه عمود بر گسل نسبت به مولفه بهموازاتگسل از قابلیت تخریب بیشتري برخوردار است . از آنجا که در مطالعات پیشین ضرایب کاهش نیرو در اثر شکلپذیري، و نسبت تغییرشکل غیر الاستیک به الاستیک، ، یا براي زلزلههاي دور و یا نزدیک گسل به تفکیک محاسبه شدهاند، در این مطالعه تلاش شده است تا اثرات این نوع زلزله همزمان در نظر گرفته شوند.
از طرفی براي نخستین موضوع درجه اهمیت مولفه عمود - SN - و موازي - SP - گسل براي این ضرایب بررسی شده است. بدین منظور تعداد 21 شتاب نگاشت در سه دسته 7 تایی که معرف زلزلههاي دور از گسل با شناسه OR ، زلزله نزدیک گسل-مولفه عمود با شناسه NF-SN و زلزله نزدیک گسل-مولفه موازي با شناسه NF-SP انتخاب شدهاند. زلزلههاي نزدیک گسل بر اساس طبقهبندي ارایه شده در مطالعه Baker و همکاران - 2006 - انتخاب شده است. دلیل انتخاب 3 دسته 7تایی شتاب این است که بتوان میانگین آماري را براي پارامترهاي R‚ و CR ارایه نمود. مشخصات زلزلههاي انتخابی در جدول - 1 - نمایش داده شدهاند.
ضریب کاهش شکلپذیري - R‚ -
براي محاسبه ضریب رفتار قابهاي MDOF طبق روش یوآنگ میتوان ضریب کاهش شکلپذیري - R‚ - سیستم SDOF معادل را محاسبه نموده و با اعمال ضرایب اضافه مقاومت و طراحی، ضریب رفتار محاسبه گردد. بنابراین محاسبه ضریب R‚از اهمیت ویژهاي برخوردار است. در این قسمت از مقاله R‚،براي سه نوع شتابنگاشت NF-SN، NF-SPو OR و براي چهار تقاضاي شکلپذیري 2 - ، 3، 4 و - 5 محاسبه شده است. نتایج حاصل از R‚براي سه دسته 7 تایی رکورد در شکل - 1 - نمایش داده شدهاند.
بر اساس شکل - 1 - براي هر سه نوع شتابنگاشت، با افزایش دوره تناوب، R‚ابتدا با شیب تند افزایش یافته و سپس تقریبا ثابت باقی میس ماند. از طرفی مادامیکه پریود س ازه کوتاه باشد، R‚براي سطوح مختلف شکلپذیري نزدیک به هم میباشد. بهعبارتی، در این محدوده تغییرات R‚در برابر T کم میباشد. همچنین در محدوده پریود بلند، براي پریود ثابت، با افزایش ضریب شکلپذیري، R‚افزایش مییابد. از طرفی براي شکلپذیري 2، براي هر سه حال ت رکورد، با افزایش دوره تناوب R‚به ضریب شکلپذیري - - همگرا میشود.
این موضوع براي زلزلههاي معمولیقبلا توسط محققین مختلف اثبات شده است. نتایج حاصل در حوزه مدلها و فرضیات این پژوهش نشان داد که روند تغییرات R‚ در برابر T براي μ زلزلههاي حوزه نزدیک نیز از همین رویه تبعیت میکند. بهعلاوه، با افزایش همزمان T ومقادیر بزرگتري از R‚در مقایسه بابدست میآید.
درنهایت بررسی شکل - 1 - نشان داد که ناحیه انتقالی - مرز بین ناحیه افزایش R‚ و قسمت ثابت آن - براي زلزلههاي معمولی نزدیک 0/5 ثانیه میس باشد. این مرز براي رکوردهاي حوزه نزدیک موازي و عمود بر گسل SP - و - SN بهترتیب 0/25 و 1 ثانیه محاسبه گردید. براي درك بهتر از روند تغییرات R‚ در برابر T براي سطوح مختلف شکلپذیري،μ میانگین نتایج حاصل به تفکیک براي هر سه رکورد در شکل - 2 - μ نمایش داده شده است.
به استناد شکل 4، چنانچه ضریب شکلپذیري یا کوچک باشد 2 - و 3 - ، نمودار R‚-T مضرس است. با افزایش نمودار هموارتر میگردد. بهس عبارتی براي شکلپذیري کم، حساسیت R‚در برابر تغییرات دوره تناوب قابل توجهتر میباشد. همچنین تا دوره تناوب 0/5 ثانیه، R‚ زلزلههاي مختلف نزدیک بههم برآورد شده است. با افزایش دوره تناوب تا 1/2 ثانیه، R‚ زلزله دور - OR - بیشتر از دو مولفه نزدیک گسل است . در این محدوده کمترین R‚ مربوط به مولفه موازي گسل زلزله حوزه نزدیک است. براي سازه با پریود بزرگتر از 1/5 ثانیه، بیشترین R‚ مربوط به NF-SP است. در این محدوده، R‚ زلزلههاي OR و NF-SN نزدیک به هم برآورد شده است.
