بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي بهينه قاب فولادي مهاربندي شده واگرا با پيوند قائم برشي بر اساس نتايج تحليل غير خطي
چکيده :
در طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله دو فاکتور مهم مورد توجه طراحان سازه قرار مي گيرد.نخست تحت زلزله هايي با شدت ضعيف و تا حدودي متوسط سازه بايد با دارا بودن سختي مناسب تغيير مکان هاي جانبي را کنترل نمايد ودوم تحت زلزله هاي شديد پايداري و مقاومت کلي سازه حفظ گردد.مهاربند هاي واگرا از سختي جانبي کافي در حالت ارتجاعي و شکل پذيري بالا در محدوده غير ارتجاعي بر خوردارمي باشند. در ضمن باتوجه به روي آوردن مسکن روستايي از قالب سنتي به طرحهاي مهندسي در اين تحقيق روي نوع نسبتا "جديدي از اين نوع مهاربندها که درآن لينک قائم بين مهاربند شورون و تير کف طبقه بصورت قائم قرار ميگيرد تحليل غير خطي پوش آور در قابهاي ۳و۶وطبقه در نرم افزار sapانجام پذيرفته ونتايج وپارامتر هاي موثر بدست آمده از تحليل و منحني ظرفيت گواه بکار گيري و طراحي بهينه از نظر مطلوبيت رفتار و کاربرد آنرا به اثبات مي رساند ودر نهايت به مقايسه نتايج حاضر با تحقيق اندک صورت گرفته پرداخته مي شود.
کلمات کليدي : مهاربند واگرا - پيوند قائم – تحليل غيرخطي
۱- مقدمه :
در سازه هاي فولادي سيستم قاب خمشي و سيستم قاب مهارشده هم گرا جهت مقابله با نيروي زلزله پيشينه زيادي دارند و در سطح وسيعي مورد استفاده قرار گيرند. مي توان گفت که معظل سيستم قاب خمشي محدود نمودن تغيير مکان جانبي بخصوص در سازه هاي بلند مرتبه مشکل اصلي مهندسين طراح مي باشد.[۲] واز طرفي ديگر مشکل کمانش مهاربندي هاي همگرا و شکل پذيري نه چندان زياد آنها باعث گرديد که در دهه هاي اخير مطالعات و تحقيقات زيادي توسط مهندسين انجام پذيرد که آن هم دست يافتن به سيستم واگرا مي باشد که به علت داشتن پارامترهاي لرزه ايي مناسب بسيار سريع مورد استقبال وبکارگيري قرار گرفت که اين خود يک طراحي بهين از نظر مطلوبيت رفتار به شمار ميرود.
با وجود پيشرفت هايي که بواسطه استفاده اين نوع سيستم مهاربند به هنگام آزمايشات ودر زمان زلزله براي جامعه مهندسين سازه را به همراه داشت اما مهندسين را کاملا اقناع نکرده و همچنان طراحان سازه و زلزله در پي مطلوبتر بوده وخواهند بود تا جايي که در چند سال گذشته چندين مدل ديگر از خانواده مهاربند واگرا بررسي و مطالعه گرديدکه از آن جمله مي توان به مهاربند زانويي ويا سيستم مهاربند واگرا با پيوند قائم اشاره کرد. شکل (۱)
شکل (۱): انواع رايج مهاربند هاي واگرا
فلسفه طراحي پيوند يا لينک دراين نوع قابها به صورتي است که در هنگام زلزله ضعيف ترين بخش سازه باشند تا با ايجاد تغيير شکلهاي غير خطي در اين ناحيه علاوه بر استهلاک انرژي ناشي از زلزله از آسيب ديدن سايرقسمتها مانند تير و ستون جلوگيري به عمل آيد[۱]. طراحي قاب واگرا با پيوند قائم مانند قاب هاي واگرا با پيوند افقي به روش ظرفيت انجام مي پذيرد شکل (۲). که اين طراحي بايد به گونه اي صورت پذيرد که در زمان زلزله تمام عضوهاي خارج از پيوند در حالت الاستيک وخطي قرار داشته وفقط قسمت پيوند قائم از حالت الاستيک خارج شده و به نوعي تمرکز تمام تغيير شکلهاي غير خطي فقط در اين بخش مي باشد.
دراين ميان اثر طول پيوند به واسطه طراحي مناسب تاثير عمده واصلي برسختي و شکل پذيري اين قاب دارد[۲] متأسفانه با وجود مزايايي فراوانيکه اين نوع سيستم دارد در آئين نامه ايران اشاره ايي به اين نوع سيستم سازه اي نشده است . شکل (۲)
(۲):مهاربندواگراموسوم به پيوندقائم برش
از طرفي ديگررخداد زمين لرزه هاي شديد طي دهه گذشته و مشاهده آثار زيانبار آنها، نقايص و کاستيهاي موجود در روشها طراحي و اجراي سازه ها را بار ديگر نمايان ساخت . روش قبلي طراحي سازه ها، بر مبناي طراحي به روش مقاومت بود که شامل تخمين برش پايه در سازه و توزيع آن در ارتفاع و تعيين مقاومت مورد نياز اجزاي سازه اي در برابر اين بار مي باشد. صرفنظر از کاستيهايي که در اين روش وجود دارد، بيان رفتار اجزاي سازه اي از طريق تک پارامتر مقاومت (مقاومت تسليم يا مقاومت طراحي بسته به روش طراحي ) در بسياري موارد منطقي به نظر نمي رسد.
تعيين ظرفيتها بر اين اساس ، رفتار واقعي سازه را مشخص نمي کند، زيرا رفتار سازه ، ترکيب به هم آميخته و در هم تنيده اجزاي آن است و اجزاي سازه هر کدام بسته به کارايي مورد نظر و جنس خود داراي ويژگيهاي رفتاري متفاوتي هستند (رفتار هيسترتيک ، مقاومت ، شکل پذيري ، خستگي کم چرخه و...) بدين ترتيب ، يافتن روشي هماهنگ با اين ويژگيها ضروري مي باشد، همان گونه که مدنظر قرار دادن پارامترهاي بيان کننده عملکرد و قابليت سازه اهميت بسزايي دارد. همچنين رفتار سازه ها پس از محدوده ارتجاعي با روشهاي تحليل ديناميکي غير خطي بسيار پيچيده و وقت گير مي باشد و به صورت يک روند محاسباتي کاربردي در طرحهاي متفاوت مهندسي قابل استفاده نيست .
در طرح کلاسيک سازه ها، ايمني سازه ها با محدود نمودن تنشها در حد جاري شدن مصالح حاصل مي شود، اما حتي زلزله هاي متوسط ممکن است باعث جاري شدن بعضي از عناصر سازه اي شوند. بنابراين براي پيش بيني عملکرد ساختمانها در مقابل زلزله نياز به روشهاي تحليل غير خطي احساس مي شد.
با رعايت مفاد آيين نامه انتظار مي رود ساختمانها در زلزله هاي خفيف و متوسط بدون وارد شدن خسارت عمده سازه اي و در زلزله هاي شديد بدون فروريختن ، قادر به مقاومت باشند. براي رسيدن به اين هدف مهندسان احتياج به اطلاعاتي درباره نحوه توزيع نيروها
و تغيير شکل ها در اعضاي سازه هنگام زلزله دارند که مستلزم تحليل غيرخطي و پيش بيني مفاصل پلاستيک و شناخت خصوصيات مود انهدام مي باشد.
آناليز لرزه اي استاتيکي غير خطي فزاينده (پوش آور) يکي از روشهاي ارزيابي سازه ها بخصوص در محدوده تغيير شکلهاي غير خطي مفيد واقع مي شود.
آيين نامه هاي FEMA وATC روش تحليل غير خطي استاتيکي (push over) را جهت مطالعه رفتار سازه در حوزه رفتار غير خطي پيشنهاد مي دهند، اين روش در عين سادگي از دقت بالايي برخوردار است و فرضيات اوليه در محاسبات به راحتي اعمال مي شوند. به صورت خلاصهاز مزاياي آناليزاستاتيکي غير خطي مي توان به موارد زير اشاره کرد:
- روش استاتيکي غير خطي حد وسط روش بسيار ساده و دست بالاي استاتيکي خطي و روش بسيار دقيق ديناميکي غير خطي مي باشد.
- حساسيت بسيار زيادروشهاي ديناميکي به داده هاي ورودي و همچنين نياز به تخصص زياد و زمان بر بودن .
- نزديک بودن رفتار مدل در اين روش به مدل واقعي .
- عدم نياز به اصلاح نتايج خروجي و استفاده مستقيم نتايج جهت کنترل و طراحي در صورتي که در روشهاي خطي و همچنين در روشهاي ديناميکي غير خطي نتايج خروجي نياز به اصلاح داشته و بايستي توسط کارشناس مجرب بررسي گردد.
- وجود دقت مناسب در تعيين رفتار نهايي سازه از نظر نحوه توزيع مفاصل پلاستيک ، نوع و نحوه تشکيل حالت مکانيزم خرابي ، تغيير مکانهاي کلي و نسبي تقاضا، نيروهاي نهايي اعضا و...
- به کمک اين روش مي توان مقايسه بسيار خوبي از رفتار سازه ، قبل و بعد از تقويت و مقاوم سازي آن به عمل آورده و ميزان پاسخگويي و کارايي باز طراحي انجام شده بر روي مدل اوليه سازه برآورد گردد(که اين امر در بحث حفظ بنا هاي ضروري بسيار پر کاربرد ميباشد).
- به کمک اين روش مي توان ميزان ايمني سازه را هم از لحاظ مقاومت و هم از لحاظ تغيير مکانهاي نهايي طبقه و يا سازه ، با مقايسه با مقادير مجاز متناظر مربوط به اعضاي سازه اي و غير سازه اي سنجيد.
٢- شرح مطالعه
۲-۱ - هدف
هدف اصلي از اين مقاله طراحي قاب فولادي مهاربندي شده واگرا همراه با پيوند قائم با تأکيدبر نتايج آناليزغيرخطيپوش آور از بابت مطلوبيت رفتار بهينه دانست که بواسطه هندسه منحصر به فرد بادبند در امر بهسازي و مقاوم سازي سازههاي داراي اهميت شهري و روستايي مي تواند پرکار برد باشد.
۲- ۲ - طراحي قاب مهاربندي شده واگرا با پيوند قائم
طراحي قاب واگرابا پيوند قائم مانند قاب هاي داراي پيوند افقي بر اساس طراحي به روش ظرفيت انجام مي پذيرد. در واقع هدف اين روش طراحي تمرکز تمام تغيير شکل هاي غير خطي فقط در بخش پيوند است . اين بدان معناست که تمام عضوهاي خارج از پيوند در زمان زلزله درحالتالاستيک باقي ممانند. که جهت نيل به اين مهم بايد عضوهاي ديگر براي نيروي متناظر با ظرفيت برش پيوند با اعمال ضرائب لازم طراحي شوند[۵].بنابراين رفتار لرزه اي اين قاب ها متأثر از خصوصيات طول و ساير پارامترهاي لينيک قائم مي باشد. حاکم بودن مفصل برشي در لينک هاي کوتاه و مفاصل خمش در طولهاي بلند با آزمايشات رفتاري و تحليلي نرم افزاري صحت سنجي شده است . ودر بينابين اين دو نوع مفصل امکان تشکيل همزمان هر دو نوع مفصل بسيار محتمل است . نتايج تحقيقات متعددصورت گرفته حاکي از آنست که تشکيل مفصل برشي در مقايسه با مفصل خمشي پايداري و عملکرد مناسبتري از بابت سختي و شکل پذيري را بهمراه دارد که براي دستيابي به اين رفتار آئين نامه هاي] ٧٦,AISE,UBC] طول لينک را به رابطه (۱) محدود نموده اند.
براي پيوندهاي قائم و با توجه به اينکه ممان هاي تشکيل شده در دوانتهاي پيوند برابر نمي باشد طول مناسب براي ايجاد شرايط لازم براي رفتار برشي بصورت رابطه (۲) وبا توجه به شکل (۳)پيشنهاد مي گردد.[۶]
