بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر روشهای پیشنهادی جدید طراحی براساس عملکرد، برتری خود را نسبت به روش مبتنی بر نیرو نشان دادهاست. هر چند کماکان اغلب آییننامههای طراحی ساختمان در برابر زلزله تمایل به استفاده از اعمال نیرو جهت تحلیل اثرات لرزهای بر سازه دارند، لیکن کنترل تغییرشکلها و تغییرمکانها را در طرح سازه ضروری میدانند. طراحی برمبنای عملکرد روشی مبتنی بر پذیرش تغییرمکان و شکلپذیری است. در این مقاله عملکرد لرزهای قابهای خمشی فولادی منظم با ارتفاع متوسط طراحی شده با دو روش طراحی مبتنی برتغییرمکان و روش نیرویی مورد ارزیابی قرار گرفتهاست. به این منظور دو قاب فولادی خمشی منظم 8 و 12 طبقه با دو روش متفاوت طراحی مستقیم مبتنی تغییرمکان و روش نیرویی مطابق ویرایش سوم استاندارد 2800 ایران طراحی شدهاند.
در ادامه برای مقایسه دو روش طراحی، قابها تحت هفت شتابنگاشت ساختگی که با طیف طرح ویرایش سوم استاندارد 2800 مقیاس شدهاند، مورد تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی قرار گرفته است. ارزیابی نتایج نشان میدهد قابهای طراحی شده به روش تغییرمکان در مقابل روش نیرویی در هنگام وقوع زلزله رفتار مناسبتر و قابل پیشبینی داشته و در موارد بیشتری اهداف عملکردی مورد نظر را تأمین مینماید.
-1 مقدمه
روشهای طراحی بر مبنای تغییرمکان سالهاست بخش عمدهای از تحقیقات مهندسی زلزله را به خود اختصاص دادهاست. اکثر تحقیقات انجام گرفته در راستای ارائه روشهای طراحی مبتنی بر تغییرمکان به سالهای بعد از 1990 مربوط میشود. این روشها از آخرین ابزارها جهت طراحی لرزهای سازهها براساس عملکرد میباشد. در 15 سال اخیر محققان مختلفی روشهایی جهت طراحی براساس تغییرمکان ارائه نمودهاند، که از مهمترین آنها روش طراحی مستقیم مبتنی بر تغییرمکان میباشد.
این روش برای اولین بار توسط پریستلی در سال1993 معرفی شد و در این زمینه تحقیقات قابل توجهی در آمریکای شمالی، اروپا و نیوزلند در طی سالهای اخیر صورت گرفتهاست .[1] پریستلی از سال 1993 تا 2007 مقالات و کتابهای مختلفی را در این زمینه تألیف کردهاست و در آخرین کتاب خود در سال 2007 این روش را برای سیستمهای سازهای مختلفی از قبیل سازههای بنایی، چوبی، قابهای ساختمانی، سازههایی با دیوارهای باربر گسترش دادهاست. از سال 2005 تا 2008 یک تیم تحقیقاتی بزرگ متشکل از یازده دانشگاه در سراسر ایتالیا به نام RELUIS مسئولیت گسترش و تهیه راهنمای روش طراحی مستقیم مبتنی بر تغییرمکان را به عهده گرفت. بعنوان نمونه مسئولیت تحقیق درباره سازههای فولادی را دانشگاه ناپلی ایتالیا به عهده گرفت .[2]
مفهوم طراحی مستقیم مبتنی بر تغییرمکان ابتدا برای پلها و ساختمانهای بتنی اعمال شده بود. با شروع سال 2000، محققان این روش و هر تئوری وابسته به آن را برای سازههای مقاوم لرزهای فولادی تطبیق دادند. از جمله این تحقیقات پیشنهاد این روش برای قابهای فولادی مهاربندی شده هم محور توسط کندی و مدهکر میباشد 4]،.[3 در ادامه این مطالعات، هریس در سالهای 2002 و 2004 در اصلاح روشهای پیشبینی تغییرشکلهای غیرخطی قابهای خمشی فولادی و اصلاح پارامترهای مرتبط با طراحی غیرخطی سازه یک درجه آزاد معادل و همچنین استهلاک معادل در سازههای چند درجه آزادی، تحقیقاتی را انجام داد .[5]گذشت و بهار نیز مقایسهای در زمینه رفتار لرزهای قابهای فولادی بلند مرتبه خمشی طراحی شده بر اساس روش طراحی مستقیم مبتنی بر تغییرمکان و روش نیرویی انجام دادهاند .[6]
این مقاله سعی دارد یک روش طراحی قابل اطمینان، برای طراحی لرزهای سازههای مقاوم خمشی فولادی منظم با ارتفاع متوسط را در سطح عملکرد معینی پیشنهاد نماید. بدین منظور عملکرد لرزهای دو سازه فولادی قاب خمشی 8 و 12 طبقه که با دو دیدگاه متفاوت تغییرمکانی و نیرویی طراحی شدهاند، مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفتهاست. در روش طراحی مبتنی بر نیرو، از نیروهای لرزهای ویرایش سوم استاندارد [7] 2800 و در روش طراحی مستقیم مبتنی بر تغییرمکان، از مطالعات انجام پذیرفته توسط پریستلی و همکاران [8] استفاده شده است. با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی دینامیکی غیرخطی عملکرد لرزهای این سازهها تحت اثر هفت شتابنگاشت ساختگی [9] که طیف پاسخ همگی آنها منطبق بر طیف تغییرمکان طرح ویرایش سوم استاندارد 2800 میباشد، مورد ارزیابی دقیق قرار گرفته و نتایج به دست آمده با یکدیگر مقایسه شده است.
-2 تئوری طراحی مستقیم مبتنی بر تغییرمکان
روش طراحی مستقیم مبتنی بر تغییرمکان را میتوان یک روش گام به گام منتهی به نیروهای حدی اعضا دانست. در این روش با بهره گیری از روش سازه جایگزین، به جای قاب اصلی چند درجه آزاد، یک سازه یک درجه آزاد تحلیل میگردد. در روش طراحی مبتنی بر تغییرمکان، جابجایی حدی انتخاب شده برای سازه چند درجه آزاد تبدیل به جابجایی مؤثر سازه جایگزین میشود. پریود مؤثر سازه جایگزین را بعنوان تابعی از جابجایی مؤثر و میرایی ویسکوز معادل از یک طیف پاسخ تغییرمکان طرح - DRS - 1 که در این مطالعه از طیف تغییرمکان طرح استاندارد 2800 استفاده شده است، میتوان بدست آورد. با داشتن سازه جایگزین و منحنی DRS، پریود مؤثر که نشانگر پاسخ دینامیکی سازه جایگزین و پاسخ کلی - شامل پاسخ غیرارتجاعی - ، سازه چند درجه آزاد است، بدست میآید.
در این روش سختی مؤثر را میتوان بر اساس پریود مؤثر به دست آورد. با داشتن سختی مؤثر، برش پایه سازه جایگزین و بنابراین برش پایه طراحی سازه چند درجه آزاد قابل محاسبه است. در گام نهایی، برای پیدا کردن نیروی اعضا جهت طراحی، یک تحلیل استاتیکی بر روی قاب با نیروهای جانبی بدستآمده از توزیع برشپایه و با در نظرگرفتن مقادیر پیش فرض لنگر درتراز ستون پایه متناسب باضریب تناسب سختی تیر به ستون انجام میشود. تعیین لنگرهای پیشفرض برای ستونهای تراز پایه اساسیترین قسمت از روش سازه جایگزین میباشد .[10]
-3 فرضیات کلی قابهای طراحی شده
مدلهای سازهای مورد مطالعه دو بعدی و دارای سه دهانه به عرض 6 متر و ارتفاع مشابه 3 متر میباشد. فولاد مصرفی از نوع ST37 بوده و فرض شدهاست که قابهای انتخاب شده، قابهای ساختمانهایی با اهمیت متوسط مطابق استاندارد 2800 ایران و کاربری مسکونی و محل ساخت تهران میباشد. بارگذاری قائم مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان انجام شده است. همچنین مقدار نسبت تغییرمکان طبقات بر اساس آیین نامه [11] FEMA -356 برای مطابقت با سطح عملکرد ایمنی جانی، مقدار 2 درصد در نظر گرفته شده است.
بارهای جانبی ناشی از زلزله در روش نیرویی، بر اساس آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله - استاندارد 2800 ویرایش سوم - بدست آمدهاند. مدلهای 8 و 12 طبقه با استفاده از آیین نامه طرح و اجرای ساختمانهای فولادی ایران - مبحث دهم - طراحی شدهاند .[12] مقادیر نیروی برش پایه در روش مستقیم مبتنی بر تغییرمکان به ترتیب در قاب 8 و 12 طبقه برابر با 170 و 179 کیلونیوتن و در طراحی به روش آیین نامه 2800 به ترتیب برای قابهای 8 و 12 طبقه عبارت از 77 و 78 کیلونیوتن میباشد. مقاطع نهایی بدست آمده از طراحی قابها با روشهای تغییرمکان و نیرویی در جدول - 1 - نشان داده شده است.
