مقاله رفتار لرزه ای مدلهای سه بعدی ساختمان های بنایی جداسازی شده با مصالح بنایی

بخشی از مقاله

خلاصه

جداسازي لرزهاي یکی از روشهایی است که بطور همزمان جابجایی و شتاب طبقات را کاهش می دهد. یکی از شیوههاي رایج در این زمینه براي ساختمانهاي بنایی، جداسازي تراز پایه توسط مصالح بنایی میباشد. از مهمترین ویژگیهاي این روش پایین بودن هزینههاي اجرا و دسترسی آسان به مصالح میباشد. در این مقاله، رفتار دینامیکی ساختمانهاي بنایی 1 تا 4 طبقه براي پایههاي ایزوله شده با مصالح بنایی و نیز پایههاي ثابت با ایجاد مدل سه بعدي سازه بررسی شده است.

بدین منظور از تحلیل استاتیکی غیرخطی فزاینده جهت بررسی پاسخ لرزهاي و تعیین سطح عملکرد دو سیستم استفاده گردیده است. نتایج این مطالعه بیانگر عملکرد مناسب سازههاي جداسازي شده با مصالح بنایی نسبت به سازههایی با پایههاي ثابت میباشد. در سازههاي جداسازي شده، به دلیل وجود لایه لغزشی بین روسازه و پی، کاهش قابل ملاحظهاي در مقدار برش پایه رخ میدهد. دلیل این امر، عملکرد فیلتر مانند لایه لغزشی است که شتاب ورودي به سازه را به مقدار ضریب اصطکاك مصالح محدود مینماید. علاوه بر آن، استفاده از مصالح بنایی موجب افزایش محدوده عملکرد خطی سازه میگردد.

. 1 مقدمه

مسئلهي مهمی که مهندس سازه به منظور تأمین مقاومت لرزه اي یک ساختمان با آن روبروست، چگونگی به حداقل رساندن تغییر مکان نسبی1 و شتاب طبقات میباشد. تغییر مکان هاي بین طبقه اي زیاد سبب خسارت دیدگی جدي اجزاي سازه اي و غیر سازه اي میشود. هرچند تغییر مکان بین طبقه اي را میتوان با افزایش سختی سازه کاهش داد، اما این عمل به نوبه ي خود موجب افزایش شتاب طبقات و در نتیجه خسارت دیدگی تجهیزات حساس داخلی می گردد.

در مقابل، شتاب طبقات را میتوان با نرم تر کردن سیستم کاهش داد، اما این کار منجر به تغییر مکان هاي نسبی بزرگی میشود. تنها راه عملی کاهش همزمان تغییر مکان بین طبقهاي و شتاب طبقات، استفاده از سیستم هاي کنترلی و از آن جمله جداسازهاي لرزه اي است. سیستم جداساز لرزه اي2 با متمرکز کردن تغییر مکان هاي حاصله در تراز جداساز، نرمی مورد نیاز سازه را فراهم میکند. نخستین و ساده ترین سیستم جداسازي، یک سیستم لغزنده ي خالص بود که در سال 1909 به وسیله ي یک پزشک انگلیسی به نام کلانتارینتز پیشنهاد شده است. او پیشنهاد کرد که ساختمان به وسیله ي یک لایه تالک از پی جدا شود .[1] حدود 51 سا بعد، در 13 آوریل 1960 زلزله ي بزرگی روستاي توگایو3 چین را به شدت لرزاند.

تنها یک خانه از این زلزله جان سالم بدر برد، با بررسی این خانه ي قدیمی یک مقطع باریک در پاي دیوارهاي خانه که به علت فرسایش آب و هوائی به وجود آمده بود مشاهده شد. به علت وجود این ترك قسمت بالائی ساختمان بر روي این مقطع لغزیده و نتیجتاً نیروي کمتري به ساختمان منتقل شده و بدون تخریب کلی باقی مانده بود. با توجه به مشاهدات زلزلههاي توگایو، تانگ شان و ...، سیستم پی لغزشی به عنوان ابزاري براي حفظ ساختمان هاي بنائی در برابر زمین لرزه مورد آزمایش هاي گوناگون قرار گرفت .[2] در پژوهش هاي انجام شده در دانشگاه ایوانستون ایل شمال غرب1 ، ضریب اصطکاك استاتیکی و دینامیکی لایه ي لغزشی روي میز لرزان بدست آمده است .[3]

اخیراً در ایران نیز تحقیقات گسترده اي در خصوص استفاده از سیستم لغزشی خالص صورت پذیرفته است که عمدتاً بر پایه ي آنالیز دینامیکی قاب هاي دوبعدي و مدل سازي هاي آزمایشگاهی بر روي میز لرزان استوار بوده و در آن سعی گردیده است تا ضمن اثبات فواید سیستم لغزشی، بهترین ماده براي کاربرد به عنوان لایه ي لغزنده تعیین گردد. از مهم ترین این تحقیقات می توان به مطالعات دکتر حسنی، دکتر تهرانی زاده و مهندس محمدي تهرانی [4] و [5] و همچنین تحقیقات دکتر قدرتی امیري و مهندس بگدلو اشاره کرد .[6] از آنجائیکه در تحقیقات گذشته کمتر به جنبه ي رفتار غیر خطی این سیستم پرداخته شده است، در این تحقیق از روش آنالیز استاتیکی غیر خطی2 جهت بررسی پاسخ لرزه اي و تعیین سطوح عملکردي سازه در محدوده غیرخطی استفاده شده است.

به علت تعداد فراوان سازههاي بنایی در کشور و قرار گرفتن آنها در مناطق با لرزه خیزي زیاد، نیاز به مقاوم سازي آنها امري اجتناب ناپذیر می- باشد. سیستم جداسازي لغزشی ماسه اي3 پی و روسازه در سازه هاي بنایی، که در واقع نوعی ایزولاسیون لرزه اي براي این نوع از سازه ها محسوب می شود می تواند به عنوان یکی از روشهاي کارا و مؤثر جهت مقاوم کردن و کاهش خسارات سازه اي در این نوع ساختمان ها بکار برده شود.

در این روش پی سازه توسط یک لایه ي لغزشی از مصالح مختلفی مانند شن و ماسه از قسمت روسازه جدا میشود تا بدین ترتیب در هنگام تحریک لرزه اي سازه قسمت روسازه بر روي لایه ي لغزشی لغزیده و نیروي کمتري به سازه وارد گردد. در واقع لایه ي لغزشی با افزایش پریود قسمت روسازه و کاهش تغییر مکان نسبی طبقات روسازه باعث کاهش نیروي وارده میگردد. جداسازي سازه هاي بنایی توسط لایه هاي لغزشی شن و ماسهاي، در عین اینکه می تواند به بهترین شکل ممکن نیروها و جابجایی سازه را در برابر تحریکات لرزه اي کاهش دهد، داراي صرفه اقتصادي نسبتاً مناسبی نیز می باشد، زیرا مصالح مورد استفاده ارزان قیمت بوده و در تمامی نقاط به مقدار زیاد یافت می شوند. در شکل 1 یک نمونه ازجزئیات سیستم جداسازي لغزشی ماسهاي ارائه گردیده است.

. 2 روش تحقیق

دراین مقاله از آنالیز استاتیکی غیرخطی جهت بررسی رفتار مدل هاي مختلف سازه هاي بنایی استفاده شده است. نرم افزار مورد استفاده SAP2000.Ver.12 می باشد. مدل هاي مورد بررسی در این تحقیق شامل 24 مدل سازه اي شامل 1، 2، 3 و 4 طبقه که هر کدام به صورت جداگانه به صورت 1، 2 و 3 دهانه می باشند، مورد آنالیز پوش آور قرار گرفته اند.12 مدل از 24 مدل داراي پایهي ثابت و 12 مدل باقی مانده داراي پایهي لغزشی و ابعاد دهانه ها و ارتفاع طبقات نیز برابر 3 متر درنظر گرفته شده است. با توجه به متایج بدست آمده از تحلیلها، عملکرد سازه هاي با پایه ي ثابت با عملکرد سازه هاي جداسازي شده با لایه ي لغزشی، مقایسه گردیده است، بدین ترتیب کارایی سیستم لغزشی براي تعداد طبقات مختلف نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.

. 3 مدل سازي لایه ي لغزشی

به دلیل کفایت لازم جهت مدل سازي لایه ي لغزشی، از المان چند خطی پلاستیک سینماتیک 1 استفاده شده است. این المان در حقیقت یک جزء سه بعدي می باشد که در آن تغییر مکان ها در هر جهت به صورت مستقل بوده و بر روي تغییرات انجام شده در جهات دیگر اثر نمی گذارد. علاوه بر آن،این المان قادر است فقط در جهاتی خاص، بنابه تشخیص طراح به صورت غیرخطی عمل نموده و در جهات دیگر رفتار خطی از خود نشان می دهد.