مقاله شبیه سازی معتبر رفتار لرزه ای قاب فولادی دارای میانقاب

بخشی از مقاله

چکیده

یکی از مسائل مهم در مهندسی زلزله بررسی تأثیر میانقابها - دیوارهای جداکننده - بر رفتار لرزهای سازهها میباشد. به علت فراوانی استفاده از میانقابها در ساختمانهای متداول، مطالعه اثر آن بر رفتار سازه در هنگام زلزله یک امر ضروری خواهد بود. وجود میانقاب ممکن است اثرات مطلوب و یا نامطلوبی بر روی رفتار لرزهای سازهها داشته باشد. اغلب طراحان در فرآیند تحلیل و طراحی قابهای ساختمانی، از عملکرد دیوارهای میانقاب در رفتار لرزهای سازهها صرفنظر کرده و این میانقابها را مشابه اجزای غیر سازهای در نظر میگیرند.

دلیل این امر را میتوان نبود ضوابط آئیننامهای و همچنین عدم دقت روابط ارائه شده در تعیین سختی جانبی، شکلپذیری و مقاومت میانقابها دانست. از طرفی، مدلسازی ناصحیح مانع مشاهده رفتار دقیق اندرکنش ها و همچنین موجب اشتباه در تعیین توزیع تنش و الگوی گسترش ترک در میانقاب میشود. در این مقاله، به منظور آشنایی طراحان، روند مدلسازی صحیح میانقاب در سازه فولادی تشریح میشود. شبیه سازی با استفاده از نرمافزار Abaqus انجام و صحت آن از طریق مقایسه با نتایج آزمایشگاهی دیگر پژوهشگران کنترل میشود.

-1 مقدمه

یکی از مسائل مهم در مهندسی زلزله، بررسی تأثیر میانقابها - دیوارهای جداکننده - بر رفتار لرزهای سازهها میباشد. به علت فراوانی ا ستفاده از میانقابها در ساختمانهای متداول، مطالعه اثر آن بر رفتار سازه در هنگام زلزله یک امر ضروری خواهد بود. میانقابهای بنایی به دلایل معماری و سازهای به صورت گ ستردهای در ساختمانها مورد ا ستفاده قرار میگیرند. وجود میانقاب ممکن است اثرات مطلوب و یا نامطلوبی بر روی رفتار لرزهای سازهها داشته باشد. اغلب طراحان در فرآیند تحلیل و طراحی قابهای ساختمانی، از عملکرد دیوارهای میانقاب در رفتار لرزهای سازهها صرف نظر کرده و این میانقابها را مشابه اجزای غیر سازهای در نظر میگیرند.

دلیل این امر را میتوان نبود ضوابط آئیننامهای و همچنین عدم دقت روابط ارائه شده در تعیین سختی جانبی، شکلپذیری و مقاومت میانقابها دان ست - ماینا ستون، 1971؛ ت سنیمی و محبخواه . - 2011 چنانچه با تدابیر و جزئیات اجرایی مناسب، فاصلهای بین میانقاب و تیر و ستونها تعبیه شود که در اثر تغییرمکانهای جانبی هیچگونه اندرکنشی بین قاب و دیوار ایجاد ن شود، در این صورت میانقاب بر رفتار سازه تأثیرگذار نبوده و عدم لحاظ تأثیر میانقاب در رفتار سازه منطقی خواهد بود. این در حالی است که بسیاری از ساختمانها دارای میانقابهای متصل به تیر و ستونهای اطراف میباشند. هرچند جرم این میانقابها در تحلیل و طراحی لحاظ میشود، ولی سختی اضافی ناشی از وجود میانقاب لحاظ نمیشود.

مشاهدات تجربی در زلزله¬های گذشته نشان می دهد که وجود میانقابها باعث افزایش سختی جانبی، تغییر شکلپذیری سازه و کاهش زمان تناوب ارتعاش سازه نسبت به سازه بدون میانقاب شده که در این صورت، سازه دارای پاسخ متفاوتی به تحریکات زمین خواهد بود. با این وجود، تعداد اندکی از آیین نامه ها اثر وجود دیوارهای جداکننده را م ستقیماً در کاهش پریود طبیعی ساختمان، منظور می کنند - ماینا ستون، 1971؛ مقدم، . - 2004 به عنوان مثال، در ک شور ما ایران، تنها تو صیه آئین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله، کاهش پریود سازه به میزان 20 درصد میباشد، بدیهی است که با توجه به تعداد دیوارهای جداکننده، نوع و نحوه آرایش این دیوارها، این تو صیه برای همه حالتها در ست نمیبا شد، بلکه باید با در نظر گرفتن عملکرد واقعی قابهای میان پر در هر حالت ضوابط خاص خود را استفاده نمود.

چه ب سا سازه هایی که از نظر ا سکلت، و ضعیت خوبی دارند ولی به دلیل عدم توجه به دیوارهای پرکننده در فرآیند طراحی، در زمان زلزله آسیب دیدهاند. با بررسی تحقیقات انجام شده در زمینه میانقابها، مشاهده میشود که هرچند وجود میانقاب باعث افزایش سختی کل سازه می شود، اما این اثر همواره جنبه مثبت ندارد. این تغییر در سختی سازه، باعث تغییرات قابل ملاحظهای در رفتار آن می شود. اگر نحوه قرار گرفتن میانقاب ها در پلان سازه به طور نامتقارن با شد، میتواند منجر به تغییر مرکز سختی و همچنین تغییر توزیع لنگرهای پیچشی گردد. از طرفی، پراکندگی نامنظم میانقاب¬ها در ارتفاع سازه می تواند منجر به اختلاف قابل ملاحظه سختی طبقات و رفتار نامطلوب سازه از جمله ایجاد مکانیزم طبقه نرم گردد.

- ریدینگتون، ا سمیت، 1977؛ ا سمیت، ریدینگتون، . - 1978 وجود دیوارهای پرکننده باعث می شود که رفتار سازه ای از مکانیزم خمشی به محوری تبدیل شود - ماینا ستون، 1971؛ مقدم، . - 2004 از جمله مزایای تبدیل مکانیزم خم شی به کنش محوری میتوان سهم اندک قاب در باربری جانبی و کفایت طرح آن برای بار ثقلی - بعلاوه اندکی از بار جانبی - و همچنین محدود شدن تغییرشکل های جانبی را بیان نمود. از طرفی از معایب تبدیل مکانیزم خمشی به کنش محوری می توان به افزایش نیروی محوری در ستون و پی، ایجاد برش های متمرکز در بالا و پایین ستون، ایجاد برش های متمرکز در ابتدا و انتهای تیر و همچنین ایجاد برش های بزرگ در روی پی را اشاره نمود - ریدینگتون، اسمیت، 1977؛ اسمیت، ریدینگتون، 1978؛ لیاو، کوان، 1985؛ استاندارد اروپا، . - 2004

-1-1 مروری بر تحقیقات گذشته

به طورکلی میتوان کارهای انجام شده در زمینه میانقابها را در سه بخش تحقیقات آزمای شگاهی، کارهای تحلیلی- عددی برای و در نهایت ارزیابی رفتار سازههای دارای میانقاب برر سی نمود. سابقه مطالعاتی رفتار لرزهای قابهای میانپر به دهه 1950 باز میگردد - ماینا ستون، . - 1971 با توجه به پیچیدگی و ح سا سیت مو ضوع میانقابها، تحقیقات زیادی برروی این مو ضوع انجام شده است. در سال1961 هلمز با ارائه ایده جایگزینی میانقاب با یک دستک قطری معادل اولین مطالعات تحلیلی در این زمینه را ارائه نمود - هلمز، . - 1961 در طول چند دههی گذشته، اثر میانقابهای بنایی بر رفتار سازههای قابدار به شکلهای مختلفی مورد مطالعه تحلیلی قرارگرفته است.

در سال1962، استافورد، مطالعات آزمایشگاهی با هدف بررسی سختی جانبی و مقاومت قاب فولادی دارای میانقاب انجام داد - ا ستافورد، . - 1962 این پژوه شگر در ادامه به منظور شبیه سازی میانقابها، یک د ستک قطری معادل پیشنهاد نمود. خلاصهای کامل از تحقیقات انجام شده در زمینه میانقابها را میتوان در گزارش مقدم- اولینگ، آبرامز - 1994 - ، فردیس - 1996 - ، کری سافولی - 1996 - ود ستورالعملهایفِما 306 و - 2004 - 307 ملاحظه نمود . همچنین خلا صهای از نتایج آزمایشات انجام شده در زمینهی قابهای فولادی با میانقاب در سال 1989 توسط داو و سیح منتشر شد.

- داو، سیح، . - 1989 در مطالعات آزمایشگاهی، برای شناخت رفتار و تعیین نحوه توزیع تنش و کرنش در قابهای میان پر، شناخت مکانیزمهای شکست، نحوه اندرکنش قاب و میانقاب، تأثیر میانقابها بر سختی و مقاومت و همچنین بررسی عوامل مؤثر بر آنها مانند جنس قاب و میانقاب، نسبت سختی میانقاب به قاب، تأثیر وجود بازشوها، درزها و دهانههای نیمه پر و… تحقیقات فراوانی بر روی نمونه های واقعی و یا مقیاس شده، انجام شده است.

تحلیلهای اولیه بی شتر بر پایه روشهای ساده بر ا ساس ا صول مقاومت م صالح بودند که بعدها برای انطباق بی شتر با نتایج مدلهای آزمایشگاهی به روشهایی بر پایه تئوری الاستیسیته، پایداری و انرژی، روش تفاضلهای متناهی، روش تحلیل خمیری و در نهایت روش المان محدود منتهی شد. در زمینهی ارزیابی رفتار سازه های دارای میانقاب، بر اساس نتایج بدست آمده از تحقیقات تجربی و تحلیلی، راهکارهای ساده برای تحلیل و طراحی سازه های دارای میانقاب مورد استفاده قرار گرفته و بر این ا ساس، رو شهای کاربردی جهت ا ستفاده عمومی و همچنین تو صیهها و پی شنهاداتی برای تعیین ضوابط آئین نامههای زلزله ارائه شده است.

نمونهای از این کارها را میتوان در آئیننامه زلزله اروپا و دستور العملهایفِما 306 ، 307، 356 و 357 ملاحظه نمود. علاوه بر این، شماری از پژوهشگران با توجه به اثرات مفید میانقابها بعنوان عضو باربر لرزهای، به بررسی مهاربندی سازه با این اعضا پرداخته و یا از آنها برای تقویت و ترمیم سازه ا ستفاده نموده اند. برر سی رفتار سازههای دارای میانقاب و اثر پرکنندهها بر زمان تناوب سازه میتواند به درک بهتری از رفتار سازه بینجامد.

بدینترتیب در سالهای 1997 تا 2000، گاول و چوپرا، رابطههایی برای زمان تناوب اصلی ساختمان پی شنهاد کردند که در آییننامههای آمریکا نیز از آن استفاده شد - گاول، 1997؛ چوپرا، . - 2000 رفتار ترکیبی دیوار پرکننده و قاب سازه ای طوری ا ست که میتوان دیوار پرکننده را به صورت ع ضو میلهای ف شاری مدل سازی نمود. با در نظر گرفتن این موضوع، در سال 2003 ال داخاخنی و همکارانش تکنیک جدیدی برای مدلسازی مصالح بنایی معرفی کردند که تحت عنوان روش سه د ستک شناخته می شود - ال داخاخنی و همکاران، . - 2003 مبانی این روش نیز بر پایهی نظریه د ستک معادل ا ستوار ا ست، با این تفاوت که در این مدل سازی، دیوار با سه د ستک معادل جایگزین میگردد - ها شمی، . - 2006 پژوه شگران راهکارهای متفاوتی از جمله مدل سازی میانقابها به صورت تک د ستک قطری ارائه دادهاند - ها شمی، 2006؛ آنیل، آلتین، . - 2007

در سال2004، مقدم روش تحلیل جدیدی برای ارزیابی مقاومت برشی و تعیین الگوی گسترش ترک میانقابهای بنایی ارائه نمود - مقدم، . - 2004 در سال 2006، سیوری و همکارانش باتحلیل تاریخچه زمانی، اعلام کردند که میانقاب تأثیر زیادی بر روی زمان تناوب سازه دا شته و عدم لحاظ آن ایمنی سازه را تحتال شعاع قرار میدهد - سیوری و همکاران، . - 2006 گولر و همکاران تحلیل عددی از دادههای ارتعاش آزمای شگاهی یک ساختمان که در آن دیوارهای میانقاب به عنوان د ستکهای قطری با عملکرد فشاری محسوب میشدند، انجام دادند.

زمان تناوب مدل عددی تطابق خوبی با نتایج مطالعه آزمایشگاهی داشت - گولر و همکاران، . - 2008 در سالهای اخیر نیز تحقیقاتی برای شبیهسازی عددی میانقابها انجام شده که از آنها میتوان به تحقیق سال 2011 کوترومانز و همکارانش اشاره نمود. در این تحقیق، اثر میانقاب بر رفتار لرزهای قاب بتنی با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی بتن و میانقاب مد نظر قرار گرفته است. پس از تشریح روند مدلسازی عددی در این تحقیق، نتایج حاکی از دقت روش مدلسازی و همچنین مشارکت قابل توجه میانقاب در توزیع بار جانبی است. تسنیمی و محبخواه، به صورت عددی و آزمایشگاهی، رفتار لرزهای داخل صفحه قاب فولادی با میانقاب و دارای بازشو را بررسی نمودند.

مطابق نتایج این تحقیق، میانقابها در حالت با و بدون باز شو منجر به بهبود عملکرد لرزهای قاب فولادی می شود. برخلاف سایر پژوهشها در این تحقیق بیان شد کهلزوماً وجود باز شو منجر به افزایش شکلپذیری سازه نخواهد شد. در این مورد، شکل پذیری به مکانیزم خرابی پانلهای میانی مرتبط شده است. در سال2013، مارکولاک و همکارانش رفتار لرزهای قاب فولادی با میانقابهای مختلف را به صورت آزمایشگاهی و به عنوان بخشی از پروژه "طراحی لرزهای قابهای میانپر " تحت اثر بارهای شبه استاتیکی بررسی نمودند. علاوه بر این در سالهای اخیر، برای درک رفتار واقعی سازه دارای میانقاب، ساختماهای واقعی چند طبقه نیز با صرف هزینههای قابل توجه، مورد آزمایش قرار گرفتهاند که نتایج حاصل از آنها، جهت ارزیابی روشهای مدلسازی عددی میانقابها بسیار سودمند بوده است - مارکولاک، . - 2013

-2-1 اهداف تحقیق

دیوارهای جدا کننده می توانند رفتار کلی سازه را تحت تاثیر قرار دهند. تغییر در سختی و میزان جذب انرژی، پیچش و نامنظمی در سازه و پدیده ستون کوتاه از جمله آثاری است که به علت وجود میانقاب ها میتواند بوجود آید. علیرغم اهمیت شناخت رفتار و خسارت المان های غیر سازه ای حین زلزله، اطلاعات فنی در زمینه عملکرد المانهای غیر سازهای حین زلزله ب سیار محدود ا ست. این اطلاعاتاکثراً کیفی و بر ا ساس م شاهدات از زلزلههای گذ شته ا ست وا صولاً اجازهی شنا سایی رفتار المانهای غیر سازهای و در پی آن پیشبینی آسیبهای وارده در زلزله آتی را به مهندسین نمیدهند. مطالعات آزمایشگاهی و عددی زیادی در مورد عملکرد لرزهای دیوارهای جداکننده و تأثیر آن بر رفتار سیستم سازهای انجام شده است، هرچند روابطی در این خصوص وجود دارد، اما بدلیل پیچیدگی رفتار میانقابهای با مصالح بنایی و تعدد عوامل مؤثر در آن، پیشبینی پاسخ این گونه سازهها در برابر زلزله، نیاز به مطالعات وسیعتری دارد.

همانطور که ا شاره شد، میانقابها باعث تغییر م شخ صات لرزهای سازه از جمله دوره تناوب، شکلپذیری و همچنین ضریب رفتار سازه میشوند. این در حالی است که همهی ساختمانها، در کشور ما ایران، بدون در نظر گرفتن اثرات میانقابهای آجری در رفتار لرزه ای سازه ها، تحلیل وطراحی میشوند. مطالعات نشان داد که نمیتوان تأثیر میانقاب بر رفتار لرزهای سازه را نادیده گرفت، بلکه با توجه به نحوه آرایش میانقابها و سختی آنها، در هر حالت، با توجه به رفتار متفاوت سازه، باید نکات خا صی را در هنگام تحلیل و طراحی مورد توجه قرار داد. به عبارتی، تعیین رفتار سی ستم؛ نیازمند ارزیابی دقیق نقش میانقاب در پا سخ سازه نسبت به بارگذاری وارده خواهد بود.