بخشی از مقاله
خلاصه
در آیین نامه موجود برای طراحی براساس تغییرمکان - DBD12 - رابطهای برای در نظر گرفتن اثرات پیچش در سازهها بیان گردیده است. از نواقص موجود در این رابطه، در نظر گرفتن نامنظمی و همچنین زلزله تنها در یک جهت است در حالیکه اغلب زلزلهها و نامنظمی موجود در هر دو جهت سازه وجود دارند. هدف از انجام این پژوهش اصلاح رابطهی موجود برای بار زلزله در دو جهت متعامد میباشد.
روند این پژوهش به صورت عددی و تحلیلی خواهد بود. در این مقاله سازههای فولادی با تعداد طبقات رایج 3 - ، 7 و 10 طبقه - ، با نامنظمیهای گوناگون و دیافراگمهایی صلب با سیستم سازهای قاب خمشی با رفتار غیرخطی تحت رکوردهای حاصل از 11 زلزله و با میانگینگیری از نتایج تحلیل میشوند. مقادیر چرخش طبقات در حالت زلزله متعامد محاسبه و در نتیجه رابطه آیین نامه با اعمال ضریب اصلاح مناسب برای زلزله با دو جهت متعامد اصلاح میگردد.
1. مقدمه
به طور کلی بارهای وارده بر سازههای متداول به دو دسته بارهای ثقلی و جانبی تقسیم می شوند، لذا برای طراحی سازهها، تحلیل سازه تحت این نیروها گریز ناپذیر است. مهندسین در تحلیل سازه تحت نیروهای ثقلی نسبت به تحلیل سازه تحت نیروی جانبی، با مشکل کمتری مواجهند. بنابراین برای تحلیل سازه تحت نیروی جانبی روش های گوناگونی از جمله روش های مبتنی بر نیرو و طراحی بر اساس عملکرد پیشنهاد شده است. به دلیل اینکه تغییرمکان پارامتر مناسبی برای تعیین عملکرد می باشد[6]، لذا روشهای طراحی براساس تغییر مکان در رسته روشهای طراحی بر اساس عملکرد از اهمیت ویژهای برخوردارند
امروزه برای تحلیل و طراحی سازه ها تحت بار جانبی، غالبا از روش های نیرویی استفاده می شود. در این روش ها ابتدا با فرض ابعاد و سختی الاستیک - عمدتا سختی اولیه - اعضای باربر، زمان تناوب سازه تخمین زده شده و در ادامه برش پایه محاسبه میشود و پس از اعمال ضریب کاهش نیرو، برش پایه اصلاح شده بین اعضا توزیع و بر اساس این نیروها اعضا طراحی میگردند و در انتها جابهجایی سازه کنترل میشود. در صورتی که جابهجایی ها کنترل نشوند، دستور عمل مشخصی برای اصلاح طراحی وجود ندارد و مراحل طراحی باید دوباره و با فرض جدید تکرار شوند.
در رویکردهای طراحی براساس تغییر مکان - مستقیم - ابتدا بر اساس عملکرد مورد نیاز برای سازه، تغییر مکان هدف - بیشینه تغییر مکانی که سازه قادر به تحمل آن است - تعیین شده سپس سازه n درجه آزادی به یک سازه تک درجه آزادی تبدیل و خصوصیات سازه جایگزین بوسیله سختی سکانتی در جابهجایی بیشینه و میرایی معادل - مجموع میرایی الاستیک و هیسترستیک - بیان میشود. با در دست داشتن سختی و جابهجایی سازه تک درجه آزادی، برش پایه به راحتی حساب شده و پس از توزیع مناسب بین اعضا و با استفاده از نیروهای طراحی، اعضا طراحی میشوند.
در روشهای طراحی بر اساس نیرو، استفاده از فرضیاتی مانند سختی اولیه و ضریب کاهش نیروی ثابت - بدون توجه به ابعاد و مشخصات اعضا و... و صرفا بر اساس سیستم سازه ای - باعث میشود برش پایه و به تبع آن نیروهای طراحی نادرستی - بالاخص زمانی که سازه رفتار غیر خطی دارد - بدست آید. این در حالی است که روش های مبتنی بر تغییر مکان با استفاده از سختی سکانتی به جای سختی اولیه و عدم نیاز به ضریب کاهش نیرو، محدودیتهای ذاتی روش نیرویی را بر طرف کرده است.
2. سابقه و شرح مختصری بر تاریخچه موضوع
اساس روشهای طراحی مبتنی بر تغییر مکان عمدتا بر پایه روش “سازه جایگزین” ، که نخستین بار توسط سوزان و شیباتا پیشنهاد گردید، بنا شده است. [1] همچنین تحقیقات سوزان و گولکان در مورد ارائه روابط معادل برای میرایی و سختی سازه تک درجه آزادی کمک شایانی در پدید آمدن این روش نموده است.[2] کوالسکی و همکاران گزارشی تنظیم نمودند که در آن طراحی بر اساس تغییر مکان برای طراحی لرزهای که برای سازههای بتنی تک درجه آزادی توسعه داده شده بود، تشریح شد.
کندی و مدهکار روش طراحی بر اساس تغییر مکان را در دو مقاله جداگانه به صورت “نظریه طراحی براساس تغییر مکان” و “روش انجام طراحی براساس تغییر مکان” به صورت مفصل تشریح نمودند5]و.[4 آنها در مقاله اول در مورد محدودیتهای روش مبتنی بر طیف شتاب - طراحی براساس نیرو -
و همچنین مزیت طراحی براساس تغییرمکان نسبت به روش مورد استفاده در آیین نامهها - طراحی براساس نیرو - را بیان کرده اند، و در مقاله دوم برای نخستین بار این روش را برای یک سازه فولادی انجام داده و نتایج را با روش نیرویی مقایسه نمودند جیانگ ژو با همکاری چنگ چون چن روش طراحی براساس تغییر مکان را به عنوان شاخهای از روشهای طراحی براساس عملکرد بیان نمود
تحقیقات جیانگ ژو پیرامون استفاده از طیف ظرفیت، که توسط نیومارک -هال پیشنهاد شده بود، انجام پذیرفت که به موجب آن دیگر نیاز به استفاده از سازه معادل با رفتار خطی نبود و مستقیما سازه با رفتار غیرخطی مورد مطالعه و طراحی قرارگرفت. به موازات تحقیقات جیانگ ژو، بورزی و همکارانش نیز تحقیقات مشابهی در مورد طراحی براساس تغییرمکان برای سازهها با رفتار غیرخطی انجام دادند
پس از آنکه کلیات و مقدمات روش طراحی براساس تغییر مکان مشخص شد، لزوم مقایسه این روش با روش نیرویی بیش از پیش حس گردید. بر همین اساس آتاور رحمان و سری سریتاران مقایسهای بین روش نیرویی و تغییرمکانی و به صورت ویژه برای ساختمانهای پیش ساخته پسکشیده بتنی با سیستم دیوار برشی صورت دادند.[9] در ادامه گیلمور و گارسیا نیز مقالهای درباره مقایسه عملکرد لرزهای قاب خمشی فولادی با مهاربند طراحی شده با روش طراحی بر اساس نیرو و تغییرمکان را انجام دادند.
پس از آنها کوالسکی و همکارش در سال 2013 در ضمینههای مختلفی مانند دریفت، کرنش نهایی و شکل پذیری ساختمانهای بتنی مقایسهای بین روش طراحی بر اساس تغییرمکان و روش مبتنی بر نیرو انجام دادند.[
حال که تا حدود زیادی کلیات و تفاوتهای این روش نسبت به روشهای نیرویی مشخص گردید، رفته رفته نگاهی جزئیتر توسط محققین به این روش صورت پذیرفت به صورتی که این روش برای ساختمانها با سیستم سازهای متفاوت تعمیم داده شد - که عمدتا دو بعدی فرض شده اند - . در همین راستا جیانگ ژو این بار با همکارش چیا وی وو روشی برای تعیین ابعاد و مشخصات اولیهی اعضا در روش طراحی براساس تغییر مکان برای سازه های بتنی ارائه کردند. آنها در این تحقیق سازه ها را به دو دسته:-1کنترل شونده با تغییر شکل نسبی طبقات و -2کنترل شونده با شکل پذیری تقسیم کردند؛ و برای تعیین جزئیات اولیه دو روش به نامهای طراحی براساس مقاومت و طراحی براساس سختی برای این دو دسته به کار بردند.
پس ازآنها احمد عامور و همکارش به صورت جامع در مورد استفاده از روش طراحی براساس تغییر مکان برای سازههای بتن آرمه صحبت کردند.[13] ملک پور و همکارانش در مقالهای این روش را برای انواع مختلفی از ساختمانهای بتنی تعمیم داد[14]؛ و در مقاله ای دیگر از این روش برای طراحی ساختمانهایی با قاب خمشی فولادی بهره جست.[15] در ادامه روند تعمیم این روش برای سیستمهای سازهای مختلف، این روش برای ساختمانهای فولادی با مهاربند ویژه توسط سولیوان مورد بررسی قرارگرفت
پس از این تحقیقات، لزوم جمعآوری این تحقیقات در قالب یک آیین نامه به وجود آمد. در نتیجه نخستین نمونه آیین نامه برای طراحی براساس تغییرمکان - - DBD09 در سال 2009 در کشور ایتالیا به چاپ رسید.[17] در سال 2012 نخستین بازنگری در آیین نامه - DBD12 - توسط سولیوان، کلوی و پرستلی انجام گردید.
پاولی برای نخستین بار این روش را برای ساختمانهای پیچشی مورد استفاده قرار داد.[19] در طی این تحقیق پاولی پیشنهاد داد اثر پیچش در سازهها را با کاهش تغییر مکان هدف در محاسبات دخیل کرد. به نوعی میتوان گفت اساس رابطه ارائه شده در آییننامه DBD12 برای سازههای پیچشی برگرفته شده از همین تحقیق است.
مازا نیز در طی دو مقاله به ترتیب اثر نا منظمی در پلان[20] - به تنهایی - و در ارتفاع - [21] با کمک همکارانش - را در طراحی براساس تغییر مکان برای مهاربندهای با میرایی هیسترستیک در سازههای قابی بتنی مقاوم سازی شده بررسی نمود.
با توجه به تحقیقات انجام پذیرفته نتیجه می شود، غالب مقالات موجود در دو دسته کلی:-1 تعریف و کلیات روش طراحی براساس تغییر مکان و-2 روش طراحی براساس تغییر مکان برای سازه های دو بعدی با سیستم سازهای مختلف بررسی شده و این روش کمتر برای ساختمانهای نامتقارن سه بعدی - با عملکرد پیچشی - مورد بحث واقع شده است. علاوه بر این در آییننامه طراحی براساس تغییرمکان اثر عملکرد پیچشی برای خروج از مرکزیت و زلزله در یک جهت رابطه بیان شده است که این موضوع در تضاد با سازههای موجود میباشد. بنابراین تعمیم این روش برای سازههای نامتقارن پیچشی در دو جهت متعامد و اصلاح روابط آییننامه لازم به نظر میرسد.
3. فرضیات و ملزومات تحقیق
.1 .3 مشخصات سازههای مورد بررسی
برای انجام این تحقیق سازههایی با تعداد طبقات چهار، هفت و ده طبقه، که ارتفاع هر طبقه برابر 3/3 متر میباشد و با ابعاد پلان 15×15 متر که شامل سه دهانه 5 متری هستند انتخاب گردیدهاند. خروج از مرکزیتهای صفر، 5، 10، 15، 20 و 30 درصد بعد پلان و به اندازه برابر در هر دو راستا در نظر گرفته شدهاند. سازهها از لحاظ هندسی کاملا متقارن بوده و خروج از مرکزیتهای در نظر گرفته شده با فرض جابهجایی مرکز جرم به دلیلی توزیع غیر یکنواخت بار - زنده - بوجود آمدهاند و مرکز سختی بر مرکز هندسی سازه منتطبق در نظر گرفته شده است. تمام سازهها فولادی با سیستم سازهای قاب خمشی ویژه میباشند.
سیستم سقف سازهها تیرچه بلوک در نظر گرفته شده است - هرچند به دلیل فرض صلب بودن نقشی در نتایج نداشته و صرفا به دلیل محاسبه بار مرده و جرم سازه اهمیت دارد - . تمامی سازهها در منطقه با لرزهخیزی بسیار زیاد مفروض گشتهاند. به دلیل اینکه سختی سازهها در رابطه - 8 - دخیل است، سازهها ابتدا با استفاده از آییننامه رایج مبتنی بر نیرو - به طور مشخص آییننامه - 2800 طراحی شدهاند و پس از آن در روند تحلیل براساس تغییرمکان مورد استفاده قرار گرفتهاند. خاک بستر سازهها از نوع خاک II، معرفی شده در آییننامه - 2800خاک خیلی متراکم - ، میباشد.
.2 .3 تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی - NLTH -
برای تعیین خطای روابط آییننامه و همچنین پیشنهاد روابط اصلاحی نیاز به تحلیل دقیق سازهها وجود دارد. به همین منظور تمام سازهها به روش تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی - - NLTH تحلیل شدهاند. برای این منظور 11 جفت شتاب نگاشت انتخاب و به نحو مناسب با طیف طرح مقیاس شدهاند. برای تحلیل سازهها از نرمافزار OpenSees 2.4.0 بهره جسته شده است. نتایج مورد استفاده از این تحلیل به صورت میانگینگیری از حداکثر نتایج هر زلزله حاصل شده است.
4. مروری مختصر بر روند تحلیل سازه پیچشی در آییننامه DBD12
در این آیین نامه روند تحلیل و در نتیجه طراحی برای انواع سازهها بدین شرح است که ابتدا لازم است بسته به میزان خسارت مورد قبول - سطح عملکرد مورد نظر - مقدار دریفت متناظر انتخاب شود. این مقادیر در فصل دوم آیین نامه برای انواع سازه ها و سطوح عملکرد ارائه گردیده است. پس از آن تغییر مکان هر طبقه که تابعی از دریفت و ارتفاع طبقات است محاسبه میگردد. این روابط در فصل ششم آیین نامه برای برخی از سازه ها از جمله سازههای فولادی با قاب خمشی ارائه شده است.
در این مرحله با در دست داشتن چرخش هر طبقه میتوان تغییرمکان متناظر هر طبقه را اصلاح کرد - تغییر مکان مورد نیاز، تغییر مکان مرکز جرم است - . پس از انجام این مراحل بایستی تغییرمکان معادل سازه تک درجه آزادی و جرم موثر سازه را حساب کرد. در این مرحله با استفاده از طیف تغییرمکان، زمان تناوب موثر سازه استخراج شده و به راحتی سختی موثر و برش پایه محاسبه خواهد شد. ادامه روند مشابه سایر روشهای رایج میباشد. روابط و سایر توضیحات حین تحلیل سازهها بیان خواهد شد.
5. تحلیل سازهها به روش آییننامه DBD12
به طور خلاصه روند تحلیل را میتوان، بدان شکل که در آییننامه DBD12 ذکر گردیده، در گامهای زیر بیان نمود.
· گام اول؛ تعیین دریفت مجاز: با توجه به جدول - 2-5 - آیین نامه مقدار دریفت حداکثر برای سازههای مورد بررسی تعیین میگردد. دریفت حداکثر برای سازههای مورد بررسی برابر 0/025 خواهد بود.
· گام دوم؛ تعیین تغییرمکان هر طبقه: در آیین نامه روابطی برای سیستمهای سازهای پیشنهاد شده است. برای سازه های با قاب خمشی فولادی، رابطه - - 1 عنوان گردیده است
