بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
رفتار لرزهای قابهای فولادی با زنجیره ناقص مهاربندهای همگرا
چکیده
در طراحی قابهای فولادی در برابر زلزله، محل قرار گیری دهانههای بادبندی ممکن است با بازشوهای مورد نیاز در طبقات پایین سازه دارای تداخل باشد. یک راه حل عملی برای این مسئله حذف دهانه مهاربندی در طبقه همکف و ایجاد زنجیره ناقص از مهاربندها است، که با استفاده از اتصالگیردار پایه ستونها و الزامات طراحی بر اساس ظرفیت، طراحی انجام می-گردد. از الزامات طرح لرزهای این گونه سیستمهای باربرجانبی نامنظم، کنترل ترکیب بارهایزلزلهتشدیدیافته برای طراحی ستونهای ذیل ناپیوستگی است. این ترکیب بارها تابعی از ضرایب اضافهمقاومت هستند؛ سایر فرضیات و پارامترهای طراحی همانند نمونههای مشابه قابهای منظم در نظر گرفته میشود. در این مطالعه با استفاده از تحلیل دینامیکیغیرخطی مقادیر نسبت تقاضای ایجاد شده در ستونهای خاص مورد استفاده در این نوع سازههای نامنظم به عنوان مهمترین قسمت از سیستم باربرجانبی محاسبه شده و این مقدار با مقادیر ارائه شده توسط آییننامه مقایسه شده است. نتایج حاصله، بیانگر این مسئله است که ممکن است روش طراحی بر اساس بار استاتیکی معادل با استفاده از ضرایب اضافه مقاومت پیشنهادی آییننامه منجر به طراحی غیر ایمن سیستمهای بادبندی مورد نظر این مطالعه گردد.
کلمات کلیدی
قاب مهاربندی همگرا، حذف دهانه مهاربندی، زنجیره ناقص مهاربندی، رفتار لرزهای، تحلیل دینامیکی غیرخطی.
- 1 مقدمه
به دلیل استفاده گسترده از مهاربندهای همگرا در انواع مختلف قابهای سازهای با توجه به مزایای فراوان آنها، امکان ایجاد تداخل با فضاهای مورد نیاز برای بازشوها در سازهها وجود دارد. در سازه های شهری مانند ساختمانهای تجاری و مسکونی دلایل معماری، مانند نیاز به بازشوهای بزرگ درطبقات همکف و یا نیاز به قرارگیری ورودی پارکینگ ها در محل خاص، جانمایی مهاربندها را با مشکل مواجه میکند. در طرحهای مقاوم سازی و بهسازی سازهای موجود نیز، بعضاً بنا به دلایل ذکر شده امکان قرار دادن زنجیره کامل از دهانههای مهاربندی وجود نخواهد داشت. در سازه های غیر شهری نیز مانند قابهای سازهای در پالایشگاهها به دلیل قرارگیری تجهیزات و خطوط انتقال، در مواردی نیاز به جابجایی زنجیره کامل مهاربندها احساس میگردد. در این موارد، طراح مجبور به جابـجایی کامل زنجیـرهی مهاربندها و ایجاد اثـرات نامطلوب ثانویـهی حاصل از آن مانند ایجاد پیچش ناشی از قرارگیری نامتقارن مهاربندها در پلان میگردد. یک راه عملی برای این مسئله، حذف دهانههای مهاربندی مورد نیاز در طبقات همکف وایجاد ناپیوستگی است که این کار میتواند منجر به ایجاد نوعی نامنظمی در ارتفاع سازه شده و به تبع آن نیازهای لرزهای طراحی اعضای آن را تحت تاثیر قرار دهد. لذا طراحی این نوع سازهها توجه ویژهای را میطلبد. در مبحث ششم از مقررات ملی ساختمان ایران [1] این نوع سیستم ناپیوسته را جزء ساختمانهای نامنظم در ارتفاع دستهبندی نموده است و ضوابطی ارائه کرده است. ازجمله اینکه، برای اینگونه سازههای نامنظم با ارتفاع کمتر از 5 طبقه و یا ارتفاع کمتر از 18 متر از تراز پایه، روش تحلیل استاتیکی معادل را برای تعیین نیروهای طراحی ناشی از زلزله مجاز میشمارد. بدین منظور در بند 6-3-7- 6 (افزایش بار طراحی در ستونهای خاص) برای طراحی ستونهای واقع در زیر مهاربندهای منقطع در یک تراز (مهاربندهایی که تا روی شالوده ادامه پیدا نمیکنند) لحاظ نمودن ترکیب بارهای زیر را برای کنترل ظرفیت محوری فشاری و کششی ستونهای زیر
ناپیوستگی الزامی میداند:
که در روابط فوق D ،L وE به ترتیب بارهای محوری ستون ناشی از بارهای مرده، زنده و زلزله میباشند. پارامتر اضافه
مقاومت ( o) نیز برابر با 2/8 در نظر گرفته میشود. در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان [2]، ضریب اضافه مقاومت برای
این سازهها برابر با عدد 2/0 پیشنهاد شده است. این در حالی است که در آییننامه بارگذاری آمریکا [3] ASCE7-2010 در جدول 1-12.6، برای اینگونه سازهها استفاده از روش استاتیکی معادل را مجاز نمیداند و روشهای دینامیکی مودی و یا تاریخچه زمانی را پیشنهاد مینماید. در این پژوهش سعی میگردد با استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی به بررسی نوع رفتار سازهای این نوع سیستم با توجه ویژه بر روی نیاز لرزهای اجزای سازهایآن (مثلاً با تمرکز بروی ستون های خاص مورد نیاز این سیستم و بررسی ضرایب اضافه مقاومت آن) پرداخته شود و صحت روش تحلیل استاتیکی معادل برای طراحی سازهها با ارتفاع کمتر از 5 طبقه بر اساس آییننامه ایران مورد بررسی قرار گیرد. در زمینه بررسی رفتار زنجیره پیوسته مهاربندها در انواع قابهای کوتاه و بلندمرتبه تحقیقات وسیع و جامعی انجام گرفته اما درمورد تاثیر ناپیوستگی در این زنجیره مطالعات کم و
ناچیزی انجام شده است. در گذشته در خلال بررسی انواع بی نظمیهای سازه ای در طول ارتفاع قابها، مانند بررسی نامنظمی-های سختی و مقاومت، اشاراتی به این نوع سیستم شده است. در مورد دیوارهای برشی بتنی با انواع مشابه ناپیوستگی در دههی 80 میلادی تحقیقاتی انجام گرفته و فرمولبندی تحلیلی به همراه تحقیقات تجربی در کنفرانس های مهندسی زلزله ارائه گردیده است. موهل در سال 1985 میلادی [4] مقایسهای را بین سیستم دیوار برشی ممتد و ناقص در سازه قاب بتنی انجام داد و نتیجه گیری نمود که علاوه بر آنکه سیستم ناقص باربری جانبی دارای رفتار متفاوت با سیستم ممتد دیوار برشی است؛ سیستمهای ناقص با حذف دیوار برشی در ارتفاعهای مختلف نیز منجر به پاسخهای متفاوت میگردند. میکالیس و همکاران در سال [5] 2006 به بررسی انواع مختلف بی نظمیهای سختی، مقاومت، جرم و ترکیب آنها باهم، با استفاده از روش تحلیل دینامیکی نموی که به اختصار روش آنالیز (IDA) نامیده می شود، پرداختند و با اشاره به انواع بی نظمیها، عنوان نمودند که حوزه های گسترده ای در این حیطه بدون بررسی باقی مانده است. دین فان ثوات در سال [6] 2011 به بررسی قابهای خمشی که دارای ستونهای ناپیوسته در ارتفاع هستند، پرداخت. در این مطالعه پاسخ لرزهای بصورت مقاومت افزون ناشی از برش طبقات نشان داده شده است. بعنوان نتیجه، برای جلوگیری از ایجاد مکانیسمهای زود هنگام شکست، استفاده از تحلیلهای دینامیکی برای تعیین ضرایب اضافه مقاومت برش طبقات پیشنهاد شده است؛ زیرا نشان داده شده که زلزلههای تفاوت که دارای طیف مشابه هستند در سازههای نامنظم منجر به مقاومت افزونهای متفاوت میشوند. بنابراین، تکیه بر تحلیل استاتیکی معادل که بر اساس یک طیف واحد پاسخ است، مناسب نمیباشد. در مطالعات گسترده دیگری مانند (والموسن و نائو، [7] 1997؛ العلی و کروینکلر 1998، [8]؛ داس و نائو 2003، [9]؛ چینتان پکدی و چوپرا، [10] 2004؛ سادی شاوا و دیگران، ([11] 2010 به بررسی جامع انواع نامنظمی در ارتفاع مانند نامنظمیهای جرم، سختی و مقاومت پرداختهاند. در این مقاله، مقادیر تقاضای لرزهای ایجاد شده در ستونهای سیستم باربر جانبی برای قابهای دو بعدی، سه و پنج طبقه دارای سیستم ناقص مهاربندها، که بر اساس مقررات ملی ساختمان ایران طراحی شدهاند؛ محاسبه شده است. این پارامترها با مقادیر محاسبه شده برای قابهای منظم و همچنین مقادیر پیشنهادی آییننامه مقایسه گردیده است. در این مطالعه از نرمافزار [12] Seismostruct برای تحلیل قابهای مسطح دو بعدی استفاده گردیده است. در این نرمافزار با استفاده از مدلهای رفتاری پیشرفته، امکان انجام انواع تحلیلهای دینامیکی و استاتیکی خطی و غیرخطی وجود دارد و بصورت رایگان در وبسایت گسترش دهنده در دسترس قرار دارد.
– 2 اعتبارسنجی مدلسازی قابهای مهاربندی همگرا
پاسخ لرزهای هر سازه وابسته به خواص دینامیکی و پاسخ اجزای تشکیل دهندهی سازه است. در مطالعه حاضر نیز که به بررسی رفتار قابهای مهاربندی شدهی همگرا پرداخته میشود، رفتار لرزهای غیرخطی کل سیستم به مدلسازی درست رفتار هیسترتیک هریک از مهاربندها که در حین وقوع زلزلههای شدید دچار کمانش یا تسلیم شدگی میشوند بستگی خواهد داشت [13] شیوههای گوناگونی برای مدلسازی سازهها و تعیین صحت آنها در مقایسه با نتایج تجربی وجود دارد که در طول تحقیقات گذشته بدین منظور گسترش داده شدهاند. مدلسازی براساس "غیرالاستیک شدگی گسترده"1 دقت بیشتری نسبت به مدلهایی که اساس تئوریک آنها بر پلاستیسیته متمرکز است، از خود نشان میدهند. در این روش نیاز به تعیین خصوصیات واقعی هندسی و مصالح المان است؛ رفتار تشکیل دهنده سطح مقطع را هم میتوان بوسیله تئوری کلاسیک پلاستیسیته بصورت رابطه تنش-کرنش تعریف نمود و یا بطور دقیق از تقسیم سطح مقطع به رشتههای فیبری متعدد استخراج نمود. در این میان بهینهترین روش برای تعریف المان، استفاده از روش المان فیبردار2 است. مدلهای مبتنی بر المانهای فیبری از یک چارچوب المان محدود برای تعیین پاسخ لرزهای سازههای قابی استفاده مینمایند. ابتدا برای نشان دادن صحت مدلسازی، و توانایی این روش مدلسازی در برآورد پاسخ لرزهای سازههای فولادی؛ به مدلسازی رفتار هیسترتیک مهاربند پیشنهاد شده توسط یوریز و مهین در سال [13] 2008، پرداخته میشود. چون رفتار و عملکرد قابهای مهاربندی همگرا بستگی به رفتار المانهای مهاربندی دارد، لذا تعیین رفتار صحیح هیسترتیک مهاربندها ( شامل اثرات تسلیم شدگی، کمانش و یا انهدام) نقطه شروع خوبی برای تصدیق صحت مدل عددی برای شبیهسازی رفتار قابهای مهاربندی شدهی همگرا خواهد بود. برای تعیین فیزیک یک عضو مهاربندی از روش پیشنهادی یوریز و مهین[13] استفاده میگردد. در این روش لازم است که عضو مهاربندی حداقل به دو یا چند المان تقسیم گردد و در عین حال از یک خیز کم نیز به عنوان نقص اولیه استفاده گردد. در شکل.1 تصویر شماتیک این نوع مدلسازی نشان داده شده است. مدل پیشنهادی در مطالعات متعددی مانند سلمانپور و اربابی
[14]؛ و محبخواه و نصراله بیگی [15] مورد استفاده قرار گرفته و صحت آن اثبات شده است. در این مدل میتوان مقاومت
کمانشی، رفتار پس-کمانشی، مقاومت کششی، تغییر شکل خارج از صفحه و رفتار هیسترتیک مهاربندها با سطح مقطعهای
فشرده راشبیهسازی نمود. به دلیل ساده سازیهای انجام شده، امکان در نظر گرفتن کمانش موضعی وجود ندارد، بنابراین اید از مقاطع فشرده استفاده شود تا امکان وقوع این گونه کمانش، وجود نداشته باشد. در غیر
اینصورت با وجود آمدن مودهای کمانش موضعی قبل از کمانش کلی، رفتار مهاربند متفاوت خواهد بود. با مقایسه نتایج آزمایشگاهی بلک و دیگران [16] و نتایج تحلیلی آن توسط نرم افزار SeismoStruct برای یک نمونه در شکل 2، ملاحظه میگردد که منحنیهای هیسترتیک حاصله برای این میله مهاربندی ، از تطابق خوبی برخوردار هستند و به عبارت دیگر صحت این نوع مدلسازی تایید میشود.
شکل. 1 نمای شماتیک مدل بادبندهای پیشنهادی توسط سلمانپور و اربابی [14]
(الف)نتایج تحلیل عددی در این مطالعه (ب) نتایج آزمایشگاهی ارائه شده توسط بلک و دیگران،[16] 1980
شکل. 2 مقایسه نتایج تحلیل عددی و آزمایشگاهی
– 2 طراحی و تحلیل مدلهای مورد مطالعه
در شکل 3 و 4 نمای قابهای مورد بررسی و مقاطع اعضاء ارائه گردیده است. این قابها از سازههای سه و پنج طبقه با بار-
های معمول اجرایی میباشند. طراحی بر اساس ضوابط طراحی لرزهای مبحث دهم مقررات ملی با استفاده از روش LRFD
میباشد. طراحی قابهای همگرای ویژه مورد بررسی براساس آییننامه طراحی ساختمان ایران [2 , 1] بر اساس ساختگاه شهر تهران است. بر اساس آییننامه طراحی مذکور، ستونهای متصل به سیستم باربر جانبی بایستی برای ترکیب بارهای تشدید یافته زیر طراحی گردند:
بعد از طراحی سازههای مورد نظر و کنترل ترکیب بارهای فوق، آنالیز دینامیکی با استفاده از شتابنگاشتهایی که برای ساختگاه تهران مناسب هستند انجام میپذیرد. شتابنگاشتهای انتخابی بر اساس روش مذکور در مبحث ششم از مقررات ملی ساختمان انتخاب شدهاند. بر این اساس شتابنگاشت انتخابی بایستی نمایانگر حرکت واقعی زمین در محل بنا باشند و نیز آثار بزرگا، فاصله از گسل و سازوکار گسل در نظر گرفته شده باشد. همچنین مدت زمان حرکت شدید زمین بایستی حداقل برابر با 10 ثانیه باشد. این شتابنگاشتها بر اساس گزارش تحلیل خطر لرزهای ایران-تهران بزرگ [17] برای 375<Vs<750 (متر بر
ثانیه) و فاصلههای مناسب از گسل در پایگاه اینترنتی PEER، انتخاب شده است.
شکل. 3 طراحی قابهای منظم و نامنظم سه طبقه
