بخشی از مقاله
چکیده
روشهای کنترل غیرفعال سازهها در برابر زلزله به عنوان جایگزین مناسب برای روشهای سنتی به کار برده میشوند. امروزه در میان این روشها استفاده از میراگرهای اصطکاکی جایگاه قابل توجهی یافته است. میراگرهای اصطکاکی میتوانند برای کاهش صدمات زلزله بر روی سازهها مورد استفاده قرار گیرند. هدف اصلی این پژوهش بررسی رفتار لرزهای سازههای فولادی با میراگرهای اصطکاکی و مقایسهی آن ها با بادبندهای فولادی است. مدلهای مورد استفاده در این پژوهش قابهای فولادی دو بعدی با ارتفاع 3، 5و 8 طبقه میباشند که یک بار بدون بادبند و بار دیگر با میراگرهای اصطکاکی و سپس بادبندهای فولادی مورد تحلیل قرار گرفتهاند.
یکی از نکات اساسی در مدل سازی بادبندهای فولادی، مدل سازی کمانش این بادبندها می باشد. با انجام تحلیل دینامیکی غیرخطّی توسط نرمافزار Opensees، پاسخ سازههای مدل شده مورد بررسی قرار گرفته است. رکوردهای زلزله مورد استفاده در این پژوهش نیز به تعداد 10 عدد میباشد که به سازه اعمال شدهاند. قابل ذکر است که رکوردهای مورد استفاده به مقدار PGA=0,6g نرمال شده و به سازه اعمال شدهاند. نتایج بررسیها نشان میدهد که میزان جابجایی طبقات در سازه های با میراگرهای اصطکاکی نسبت به سازه های با بادبندهای مرسوم بیشتر کاهش می یابد.
مقدمه
به هنگام وقوع زلزلههای شدید، مقدار زیادی انرژی جنبشی به سازه وارد میشود و آنرا با دامنهای متناسب با انرژی اعمالی به عقب و جلو میغلتاند. تمام آییننامههای ساختمانی تصدیق مینمایند که از لحاظ اقتصادی استفاده از ظرفیت الاستیک مصالح جهت مقابله با انرژی لرزهای امکان پذیر نیست، مگر آنکه سازه مورد نظر دارای اهمیت فوق العادهای باشد، که تعداد این نوع سازهها نیز اندک میباشد. اگر بتوان به طریقی بخش اعظمی از انرژی لرزهای را به صورت مکانیکی مستهلک کرد، پاسخ سازه بدون بوجود آمدن خسارت سازهای قابل کنترل است.
یکی از روشهای نیل به این هدف، استفاده از میراگرهای اصطکاکی است. فلسفه استفاده از این نوع وسایل، تبدیل انرژی جنبشی اعمالی به سازه و انرژی حرارتی - که طی غلبه بر نیروی اصطکاک بوجود میآید - و انرژی هیسترزیس ناشی از منحنی نیرو- تغییر مکان در میراگر میباشد. با تعداد نسبتاً کمی میراگر اصطکاکی میتوان حفاظت قابل ملاحظهای را در مقابل خسارت وارده به سازه ایجاد نمود. بر خلاف سایر وسایل کنترل لرزهای این میراگرها هزینه نگهداری نداشته و احتیاج به تعمیر در مدت عمر سازه ندارند و حتی در صورت جذب زیاد انرژی و از کار افتادن پس از زلزلههای شدید میتوان به راحتی آنها را تعویض نمود .[17]
یکی از قدیمیترین میراگرهای اصطکاکی، که توسط صنایع فلزی سومیتومو ژاپن ساخته شد، میراگر اصطکاکی سومیتومو بود که سالیان متمادی برای جذب انرژی ناشی از ضربههای وارده به ریل راه آهن بکار گرفته می شد. از سال 1980 کارایی این میراگر در زمینههای سازهای و مهندسی زلزله نیز مورد بررسی قرار گرفت. شرکت تکتون میراگر اصطکاکی مشابهی را ساخت که عناصر تشکیل دهنده آن سادهتر از میراگر اصطکاکی سومیتومو بود. این میراگرها شامل یک سری پیچهای قابل تنظیم هستند که با تنظیم آنها میتوان نیروی عمود بر سطح بالشتکهای اصطکاکی و در نتیجه نیروی اصطکاک میراگر، که طی آن لغزش صورت میگیرد، را کنترل نمود - شکل - 4 این میراگر در سال 1991 توسط رینهورن و همکاران و با هدف کاهش هزینه ساخت میراگر اصطکاکی طراحی شد.
رینهورن و همکاران در سال 1991 نوع دیگری از میراگر اصطکاکی را ارائه نمودند که به عنوان وسیله کنترل کننده تغییر مکان برای سازه پل دارای تکیه گاههای لغزشی متشکل از فولاد و برنز، عمل مینماید. این میراگر را میتوان برای تامین مقاومت مورد نیاز و استهلاک انرژی پایدار در سیکلهای متناوب زیاد، تنظیم نمود - شکل .[18] - میراگر EDR یا Energy Dissipation Restraint یکی دیگر از انواع میراگرهای اصطکاکی است که نسبت به سایر مستهلک کنندههای اصطکاکی از مکانیزم پیچیدهتری برخوردار است.
این وسیله که توسط شرکت - Nims, 1993 - Flour Danil پیشنهاد و مورد آزمایش قرار گرفت، دارای قابلیت خودکار است که توسط فنر داخلی و فواصل باد خور انتهایی تامین میشود، به طوری که پس از باربرداری به موقعیت اولیه خود بر میگردد. هم چنین نیروی حداکثر میراگر با تغییر مکان آن متناسب است که اکثر میراگرها فاقد این خاصیت هستند. منحنی نیرو- تغییر مکان میراگر EDR به شکل X بوده به طوری که قابلیت جذب انرژی بالایی را فراهم میکند. شکل 2 جزئیات این میراگر را نشان میدهد 18] و .[19
در سال 1989، فیتزجرالد نوع دیگری از میراگرهای اصطکاکی را با بکارگیری اتصلات پیچی شیاردار در بادبندهای هم محور، پیشنهاد نمود. استهلاک انرژی در این نوع میراگرها، به واسطه غلبه بر اصطکاک ایجاد شده در سطح فولادی که در امتداد بادبندها الف میلغزند، تامین میگردد. پال در سال 1970 به فکر ابداع وسیلهای جهت مستهلک کردن انرژی ورودی به سازه - ناشی از حرکت زمین یا زمین لرزه - از طریق اصطکاک افتاد.
پال ایده ابداع چنین میراگری را از مکانیزم ترمز اتومبیلهای اولیه الهام گرفت. او معتقد بود که عمل توقف اتومبیلها کاملاً مشابه توقف حرکت ساختمان در حین لرزش زمین است. همان طوری که ترمز اصطکاکی وسیله نقلیه ب قسمتی از انرژی جنبشی حرکت وسیله را جذب میکند، حرکت ساختمان نیز میتواند توسط استهلاک انرژی ناشی از اصطکاک کنترل گردد. میراگر اصطکاکی پال در سال 1982 توسط دو محقق کانادایی پال و مارش ابداع گردید .[17]
میراگر اصطکاکی پال اساساً شامل یکسری صفحات فولادی است که به وسیله پیچهای پر مقاومت فولادی به یکدیگر متصل میشوند و مجاز به لغزش تحت بار از پیش تعیین شدهای هستند. در هنگام زلزله، میراگرهای اصطکاکی به ازای بار از پیش تعیین شده، قبل از اینکه قاب صدمه ببیند یا فرو بریزد، می لغزند. این امر اجازه میدهد که قسمت اعظم انرژی زلزله، به واسطه اصطکاک مستهلک شود. در حقیقت ساختمانها در محدوده الاستیک، باقی میمانند و قادر هستند نیروهای لرزهای زیادی را تحمل نمایند .[17]
اگر بادبندهای یک سازه قاب بندی شده معمولی طوری طراحی شوند که در فشار کمانش نکنند، یک گره اصطکاکی شیاردار ساده را میتوان در هر بادبندی قطری نصب کرد تا بتواند به واسطه اصطکاک مقداری از انرژی ورودی را مستهلک نماید. در این صورت هر گره لغزشی مستقل از دیگری عمل خواهد کرد. البته بار لغزش گره بایستی کمتر از بار جاری شدن بادبندها باشد؛مّا این روش برای طراحی بادبندهای فشاری اقتصادی نیست، از طرفی نیز اگر بادبندها کاملاً ضعیف - لاغر - و تنها برای اینکه در کشش موثر باشند طراحی گردند، گره اصطکاکی شیاردار ساده تنها در کشش میلغزد. به عبارت دیگر به هنگام تغییر جهت نیروی بادبند از کششی به فشاری، بادبند کمانه میکند و گره اصطکاکی نمیتواند به عقب بلغزد. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است گره اصطکاکی تا وقتی که بادبند بیش از مقدار افزایش طول قبلی خود کشیده نشود، نمیلغزد و در نتیجه جذب انرژی نسبتاً ضعیف میشود.
با استفاده از مکانیزم میرا کننده اصطکاکی پال، امکان بهبود جذب انرژی وجود دارد. با اتصال این مکانیزم در محل تقاطع بادبندها امکان لغزش همزمان در کشش و فشار به وجود خواهد آمد. مطابق شکل 5 بادبندها به یک مکانیزم میرا کننده اصطکاکی متصل میشوند. هنگامی که در یکی از بادبندها کشش به وجود آید، گره میلغزد و چهار عضو رابط را فعال میکند و در نتیجه این امر گره موجود در بادبند دیگر نیز مجبور به لغزش میشود.
برای مدل کردن میراگر اصطکاکی پال در نرم افزار " 5$,1-2 " مدل سازهای را ارائه نمودند.امّا به دلایل متعددی دستیابی به چنین رفتاری عملی نیست. در نتیجه این مدل نمیتواند به خوبی بیانگر کارایی وسیله باشد، به عبارت دیگر مقادیر به دست آمده از این مدل در خلاف جهت اطمینان است. مدل دیگری توسط شری و فیلیاتروت پیشنهاد شد که در بر گیرنده جزئیات بیشتری از این میراگر بود. همان طور که انتظار میرفت نتایج به دست آمده با مدل ساده اول دارای اختلاف - حداکثر اختلاف 30 درصد - بود.
همچنین ملاحظه گردید این اختلاف با بزرگی تحریک ورودی کمتر میشود. - مقدار نیروی به وجود آمده در بادبندها به قدر کافی بزرگ است که سبب فعال شدن گرههای اصطکاکی شود تا رفتار فرض شده حاصل شود - بنابراین برای بررسی کارایی این میراگرها در زلزلههای شدید، استفاده از مدل اول - که به ازای آن درجات آزادی کمتری تعریف میشود، و در نتیجه زمان لازم برای تحلیل کامپیوتری کوتاهتر است - از دقت مناسبی برخوردار است.
مطالعات آزمایشگاهی قابهای مدل شده بر روی میز لرزه کارایی مناسب قابهای میرا شده اصطکاکی را در برابر زلزلههای شدید تأیید می کند. در برخی از این مطالعات مشاهده گردید حتی زلزلههای با PGA=0,9g هم نتوانستند سبب فروپاشی این سیستم شوند. هم چنین نتایج نشان میدهند که میراگرهای اصطکاکی میتوانند به نحو مناسبی رانش نسبی و شتاب طبقات سازه - مهمترین مکانیزمهای خرابی سازهها - را کنترل نمایند. به علاوه کارایی وسایل اصطکاکی با افزایش PGA - بزرگی زلزله ورودی - بهتر میشود چون در این حالت به خاطر لغزش بیشتر - تحت نیروی تقریباً ثابت لغزش - قادر به استهلاک بیشتر انرژی هستند. در این پژوهش از نرم افزار بسیار معتبر Opensees برای انجام تحلیل های دینامیکی غیرخطی استفاده شده و معیار مورد بررسی جابجایی نسبی طبقات می باشد.
فرضیات مدل سازی
با توجه به هدف اصلی این تحقیق، که بررسی و مقایسه رفتار میراگرهای اصطکاکی میباشد، سعی بر این بوده است که مدلهای مورد استفاده معرف ساختمانهای متعارف و معمولی با ارتفاع متوسط باشند. از این رو مدل اصلی، یک سازه سه بعدی با تعداد طبقات3، 5و 8 و با تعداد دهانههای 3 میباشد. که پلان سازه در شکل 6 آمده است. بارگذاری ثقلی سازه بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، بارهای وارد بر ساختمان، انجام گرفته است. مبنای بارگذاری لرزهای، استاندارد 2800 ویرایش سوم میباشد. بدین گونه که با مشخص بودن ارتفاع سازه زمان تناوب اصلی سازه به دست میآید و سپس با فرض قرار داشتن سازه در تهران و احداث بر خاک نوع 2، نیروهای جانبی طبقات آن بدست میآید.
طراحی اعضا نیز به گونهای صورت گرفته است که نسبت تنش در آنها بیشتر از 0/8 و کمتر از 1/10 باقی بماند. همچنین در طراحی رانش بین طبقه ای و همچنین جابجایی بام ساختمان، که بر اساس آیین نامه نباید از حد معینی تجاوز نماید، کنترل نشده است. محدود نمودن جابجاییهای حداکثر بین طبقهای در طراحی اولیه بر عهده میراگرهای الحاقی گذارده شده است.
برای ستونها مقطع قوطی با ابعاد مربعی و برای تیرها از مقطع IPE استفاده شده است. دلیل استفاده از مقطع قوطی برای ستون ها داشتن مقاومت خمشی یکسان در دو جهت به منظور ایجاد سختی جانبی یکسان در دو جهت X و Y میباشد.
در کل سازه یک تیپ تیر تعریف شده است. برای سازه های 3 طبقه از مقطع 2IPE160 و برای سازه 5 طبقه از مقطع 2IPE180 و برای سازه 8 طبقه از مقطع 2IPE200 استفاده شده است. مشابه بودن تیرها در دو جهت X و Y به دلیل توزیع شطرنجی بار ثقلی در کفها میباشد. همانگونه که در قسمت قبلرذکشد، در طرّآحی اوّلیه سازهها محدودیتهای مربوط به جابجائی بین طبقات رعایت نشد تا این وظیفه بر عهده بابندها گذاشته شود. بنابراین بابندهای فولادی به گونهای طرّاحی شدهاند که مقادیر جابجائی بین طبقات سازهها کمتر از مقادیر ذکر شده در آئیننامه باشد. پسطرّاحیاز اوّلیه و مشخص شدن اعضای سازهای نوبت به انجام تحلیلهای دینامیکی تاریخچه زمانی و انجام مطالعات پارامتریک میرسد. نرمافزار اصلی مورد استفاده برای انجام این تحلیلها نرمافزار پژوهشی OpenSees Ver 2,4,0 میباشد.
