بخشی از مقاله
چکیده
ضرایب رفتار موجود در آییننامههای طراحی لرزهای، مبتنی بر قضاوتهای مهندسی بوده و بر پایه مشاهدات عملکرد سیستمهای مختلف سازهای در برابر زلزلههای قوی گذشته ارائه شده است. برای ساختمانهای مرکب متشکل از ستونهای بتنی و تیرهای فولادی - - RCS، فقدان اطلاعات کافی و تجربه آسیب در زلزلههای گذشته و استفاده از ضرایب رفتار ارائه شده در استانداردهای حاضر در یک فرآیند طراحی لرزهای، نگرانی هایی بدنبال دارد که از چالش های اصلی طراحی این سازهها به روش نیرویی است.
در این مطالعه، ضمن تعریف و تشریح مراحل استخراج ضرایب رفتار طلب و ظرفیت، این دو پارامتر برای سازههای - - RCS، 5 و10 طبقه با پلان منظم که بر اساس آییننامههای موجود طراحی شدهاند، با استفاده از تحلیلهای دینامیکی افزایشی و بار افزون استخراج شده است.
مهمترین وجه تمایز این مطالعه با دیگر مطالعات مشابه، بیان چند سطحی ضریب رفتار و استخراج آن با توجه به میزان تقاضای زلزله و میزان آسیب قابل قبول به عنوان سطوح عملکردی مورد انتظار در طراحی سازه میباشد. نتایج نشان داد که انتخاب ضریب رفتار 5، جهت طراحی اولیه، بخوبی متضمن سطح عملکرد ایمنی جانی برای هر دو سازه تحت حداکثر سطح شدت زلزله طراحی آییننامه ایران است.
-1مقدمه
استفاده از سازههای مختلط - شامل المانهای سازهای فولادی و بتنی - از اواسط قرن 19میلادی آغاز شده است، در آن زمان تیر فولادی درون پوششی از بتن قرارداده میشد و هدف از این کار محافظت سازه در برابر آتش سوزی بود. در اواخر قرن 19، ایجاد پوشش بتنی برای المان های فولادی با هدف محافظت در برابر آتش سوزی در ساختمانها و پلها به امری متداول تبدیل شد و نقش بتن در افزایش سختی و مقاومت مقطع در نظر گرفته نمیشد. اولین تحقیقات در زمینه ی المان های مختلط بتن و فولاد در دانشگاه کلمبیا و ایلیندی در اوایل دههی 1900 انجام شد، با توجه به نتایج تحقیقات مشخص شد که مقاومت ستون مختلط برابر با مجموع مقاومت بتن و فولاد مقطع میباشد.
در دهه 20 میلادی در ژاپن استفاده از المانهای فولادی که با پوششی از بتن مسلح محصور میشدند در سازههای متوسط و بلند مرتبه گسترش یافت . این سیستم به نام SRC شناخته میشد . سیستم های مختلط در اویل دهه 60 میلادی در آمریکا به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. در ابتدا این نوع سیستم سازه ای در نواحی با خطر لرزهای کم مورد استفاده قرار می گرفت که در نتیجه نیروهای حاکم بر طراحی، نیروی باد و بارهای ثقلی بودند ، در این قابها از مزایای هر دو مصالح بتن و فولاد حداکثر استفاده شده است.
از نظر اقتصادی ستون های بتن مسلح دارای مقاومت محوری و سختی بیشتری در مقایسه با ستونهای فولادی می باشند، همچنین وجود ستون بتنی باعث بالا رفتن میرایی به خصوص در ساختمانهای بلند مرتبه میشود. از طرف دیگر استفاده از سیستم سقف مختلط در مقایسه با سیستم های سقف بتنی دارای وزن کمتری میباشد که این موضوع به کاهش ابعاد و هزینه ی فونداسیون سازه کمک کرده و علاوه بر آن باعث کم شدن هزینه قالببندی و افزایش سرعت ساخت نیز میشود
-2قاب های خمشی RCS
از دلایل استفاده از قابهای خمشی RCS ، رفتار غیر خطی مصالح و پدیده ایجاد مفصل پلاستیک در رفتار این قابها می باشد . در بعضی حالت ها در سازههای فولادی ، ستون فولادی دارای مقطعی به نسبت کوچکتر از مقطع تیر میباشد - بیشتر در قاب های با دهانه های بزرگ - ، که در این حالت ستون در برابر نیروی محوری و ممان خمشی انتقال یافته تیر دچار ضعف میباشد . .علاوه بر این چنین ستونی در محل اتصال کافی نخواهد بود . چنانچه مشخص است ، بر اثر اعمال نیروی جانبی به سازه و چرخش اتصال ، عضو ضعیف تر متصل به اتصال در ابتدا دچار مفصل پلاستیک شده و خرابی در آن حاصل می گردد . به دلیل اهمیت کمتر تیر نسبت به ستون در یک سازه ، ترجیح داده می شود مفصل پلاستیک ، درون تیر تشکیل شود تا تغییر شکل های بزرگ به جای ستون ها در سیستم سقف به وجود آید که در این صورت احتمال کمتری برای کاهش پایداری کل سازه وجود دارد .
همچنین در اتصالات قاب های خمشی RCS ، به علت ممتد بودن تیر های فلزی ، جوشکاری تیر به ستون به حداقل رسیده و بدین وسیله از ایجاد نقطه ضعف در سازه جلو گیری می شود علاوه بر این در طبقات با ارتفاع کم مثل پارگینگ ها و یا فاصله زیاد میان ستون ها ، د ر صورت استفاده از تیر بتنی ، عمق زیاد برای این تیر لازم خواهد بود که این امر برای ایجاد فضای معماری مناسب و انجام فعالیت های دیگر ایجاد مشکل خواهد کرد و بنابر این با استفاده از تیر فولادی که دارای رفتار مناسب تری در خمش بوده و ارتفاع کمتری دارد ، نتیجه مطلوب حاصل می شود .
در این قاب ها به دلیل استفاده از ستون بتنی و وجود تکیه گاه گیر دار در پای ستون و دارا بودن رفتار صلب تر نسبت به ستون فولادی ، جا به جایی سازه در محدوده مناسب قرار می گیرد . همچنین در این قبیل قاب ها به دلیل وجود سقف مختلط به جای سقف معمول و تیر بتنی ، به مقدار قابل توجهی از وزن سازه کاسته می شود . از مزیت های دیگر این قاب ها ، توانایی تطبیق یافتن با روش های نوین ساخت است که هزینه و زمان ساخت را کاهش می دهند .
مشکل اساسی در طراحی اعضای قاب های خمشی مختلط RCS مشکل اتصال واحد بین تیر فولادی و ستون بتنی می باشد که تمرکز اصلی تحقیقات گذشته روی این اتصالات بوده است که منجر به تدوین آیین نامه ASCE در سال 1994 برای طراحی اتصال بین تیر فولادی و ستون بتنی برای نواحی با لرزه خیزی کم و متوسط شده است .[3] نتایج این تحقیقات نشان می دهد که اتصالات RCS مقاومت و سختی مناسبی از خود نشان می دهند .
[4] Kanno در سال 1993 چندین اتصال را بدون در نظر گرفتن دال بتنی تیر مورد آزمایش قرارداده است . در این تحقیق به پیچیدگی مکانیزم انتقال نیرو های داخلی در قاب های مختلط با توجه به متفاوت بودن مصالح مورد استفاده در تیر ها و ستون های این قاب ها اشاره گردیده و به ضرورت تحقیق در خصوص مقاومت و تغییر شکل این اتصالات اشاره شده است . این تحقیق نشان دهنده ی نتایج آزمایشات انجام یافته بر روی رفتار لرزه ای اتصالات مختلط می باشد که در دانشگاه کرنل انجام گرفته بود .
آزمایشات بر روی 9 نمونه اتصال بین تیر فولادی و ستون بتنی در مقیاس بزرگ ، که تحت اثر بارگذاری چرخه ای معکوس قرار گرفته اند ، انجام شده بود . هدف از این آزمایشات بررسی مقاومت ، تغییر شکل ، مقاومت لرزه ای اتصالات ، و فراهم سازی اطلاعات عددی برای توسعه و ارزیابی معادلات طراحی و راهنمای طراحی بوده است
آزمایشات به طور کمی و کیفی مورد تحلیل قرار گرفته اند برای اینکه بتوان مکانیزم های داخلی حاکم بر مقاومت لرزه ای اتصال را روشن نمود . یکی از مهمترین نتایج این تحقیق عبارتنداز اینکه بار محوری ستون ، مقاومت بتن یا نوع جزییات اتصال مورد استفاده ، به طور مستقیم در مقاومت لرزه ای اتصال موثر نمی باشد . تاثیرات اصلی مربوط به مود کلی خرابی و مشارکت نسبی المان داخلی و یا پانل جان فولادی در مقاومت اتصال می باشد .
در سال Tsai 2002 ، Lai ، Chen از مرکز تحقیقات زلزله تایوان ، به همراه Cordovaو Deierlein از دانشگاه استنفورد ، یک پروژه مشترک بین مرکز ملی تحقیقات مهندسی زلزله در تایوان - NCREE - و دانشگاه استنفورد برای آزمایش یک قاب سه دهانه با قاب خمشی RCS با مقیاس واقعی انجام داده اند . نمونه آزمایش دارای 12 متر ارتفاع و 21 متر طول در 3 طبقه و 3 دهانه با قاب خمشی RCS شامل ستون های بتنی و تیر های فولادی بوده است .
قاب مورد آزمایش بزرگترین قاب آزمایش شده از نوع خود تا آن زمان ، که تحت بارگذاری شبه دینامیکی قرار گرفته می باشد . طراحی اولیه این قاب 3 طبقه بر اساس مقررات آیین نامه ساختمانی ملی 2000 برای منطقه با لرزه خیزی بالا ، انجام گرفته بود . در طول آزمایش این قاب تحت اثر بارگذاری شبه دینامیکی ناشی از رکورد های زلزله Chi-Chi در سال 1999 و Loma Prieta در سال 1989 قرار گرفته بود .[5] نتایح آزمایشات که در دو بخش ارایه گردیده ، نشان داده اند که علاوه بر اقتصادی بودن استفاده از سیستم RCS به دلیل استفاده موثر از مصالح نسبت به سیستم های فولادی و بتنی خالص ، امکان ایجاد مقاومت تیر - ستون در سیستم های RCS بیشتر از قاب های خمشی بتنی و فولادی متداول می باشد .
این آزمایش فرصت های بیشتری را برای آزمایش روش های پیش ساخته و ارزیابی عملکرد مدل های مشابه سازی شده ایجاد نموده است . قاب مورد نظر تحت بارگذاری شبه دینامیکی قرار گرفته بود ، که این کار به منظور مشابه سازی پاسخ سازه ای تحت حرکات زمین متناظر با خطر لرزه خیزی بالا با احتمال زلزله %50 ، % 10 و %2 در 50 سال بوده است . در حین آزمایشات شبه دینامیکی ، قاب تحت اثر فشار یکنواخت با تغییر مکان نسبی بین طبقه ای در حدود %1 قرار گرفته بود
شکل -1جزییات اتصال استاندارد .[5] RCS
مرور ادبیات فنی و تحقیقات پیشین، حاکی از آن است که بیشتر مطالعات انجام شده در زمینه سیستم RCS محدود به اتصالات تیر به ستون بوده و تا کنون مطالعاتی جهت استخراج ضریب رفتار لرزهای سازههای با سیستم نامبرده صورت نپذیرفته است.
