بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه، ساختمانهای بلند به یکی از جنبههای مهم ساختوساز در دنیا تبدیل شدهاند و به دلیل افزایش ارتفاع، نوع سیستم مقاوم جانبی در آنها بسیار مهم است. استفاده از دیوار برشی فولادی در ساختمانهای بلند فلزی، یکی از راههای متداول برای محافظت سازهها در برابر بار زلزله است. طراحان برای بهرهگیری از تمام ظرفیت سازهها، علاقهمند به استفاده از روش طراحی بر اساس عملکرد جهت پیشبینی رفتار ساختمانهای بلند در برابر بار جانبی میباشند.
در این تحقیق، دو مدل 15 و 30 طبقه برای بررسی رفتار آنها در نظر گرفته شد. هر دو مدل مجهز به دیوار برشی فولادی بوده و در گام نخست مطابق مقررات ملی ساختمان ایران طراحی شده و سپس با توجه به روش طراحی بر اساس عملکرد، طراحی شدند. نتایج نشان داد که طراحی بر اساس عملکرد، تمام بندهای مقررات ملی را پوشش داده و در صورتیکه طراحان از روش طراحی بر اساس عملکرد استفاده نمایند، میتوانند نسبت به رعایت تمام بندهای مقررات ملی ساختمان مطمئن باشند. همچنین نتایج نشان داد که مقادیر تغییرمکان جانبی نسبی و تغییرمکان جانبی نسبی ماندگار، در سازههای بدون دیوار برشی فولادی بسیار بیشتر از سازههای دارای دیوار برشی فولادی هستند.
1. مقدمه
از سال 1970 در ایالات متحده آمریکا و ژاپن تعداد قابل ملاحظهای از ساختمانها با استفاده از دیوار برشی فولادی طراحی و ساخته شدهاند .[1] بسیاری از برنامههای تحقیقاتی تأیید کردهاند که دیوارهای برشی فولادی یک روش مؤثر برای مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی مانند نیروهای باد و زلزله میباشند. علاوه بر این، آنها نشان دادهاند که این سیستم یک راهحل مقرون به صرفه نیز محسوب میشود.
یک دیوار برشی فولادی معمولی از ورق فولادی نازک و سختنشده محدود به ستونها و تیرهای فولادی، تشکیل شدهاست. دیوارهای برشی فولادی میتوانند یک یا چند طبقه و یک یا چند دهانه باشند و نیز اتصال تیر به ستون در آنها میتواند به صورت گیردار یا ساده باشد. مکانیسم اصلی برای مقاومت در برابر برش طبقات، از بارهای جانبی حاصل از پسکمانش و حوزه میدان کشش ایجاد شده در ورق پرکننده ناشی میشود.
در علم مهندسی سازه و زلزله با ورود و جایگزینی روش طراحی براساس عملکرد بهجای روش قدیمی طراحی براساس نیرو، بسیاری از آییننامههای طراحی درحال گذر از یک سری تغییرات بنیادی بوده و هماکنون بسیاری از محققان و پژوهشگران سازه و زلزله برای رسیدن به تکامل و اطمینان در این روش، تحقیقات خود را در این زمینه متمرکز کردهاند. هدف از طراحی لرزهای براساس عملکرد، قادر ساختن مهندسان به طراحی سازههایی است که عملکرد آنها قابل پیشبینی باشد، یا در حقیقت وارد کردن کارفرما در انتخاب میزان آسیبپذیری ساختمان در سطوح مختلف زلزله است
امروزه کمتر نقاطی از جهان را میتوان مشاهده کرد که در آنها رد پایی از ساختمانهای بلند نباشد. از طرفی، تأثیراتی که این سازهها در صورت وقوع زلزله و ایجاد خرابی در آنها میتوانند بر سازههای مجاور خود و زندگی ساکنین آنها داشته باشند، حائز اهمیت فراوانی است. از این رو پیدایش و توسعه روشهای جدید طراحی که براساس آن بتوان به طور خاص تخمین مناسبتری از ظرفیت سازههای بلند داشته و عملکرد آنها را پس از وقوع زمین لرزه با اطمینان بیشتری پیشبینی کند، بسیار مهم مینماید.
2. دیوار برشی فولادی
تحقیقات بر روی دیوار برشی فولادی در اوایل دهه 1970 آغاز شد. مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی انجام شده نشان می دهد که یک دیوار برشی فولادی که به درستی طراحی شده باشد، می تواند یک سیستم باربر جانبی مؤثر و مقرون به صرفه، به خصوص برای استفاده در مناطق با خطر زلزله شدید باشد. دیوارهای برشی فولادی در چند ساختمان مورد استفاده قرار گرفته است که اغلب در ژاپن و ایالات متحده آمریکا واقع شدهاند. طراحیهای اولیه دیوارهای برشی فولادی بر مبنای جلوگیری از کمانش برشی ورق پرکننده تحت بارهای طراحی استوار بود، در نتیجه از هر گونه مقاومت پسکمانشی صرفنظر میشد. بر همین اساس، در ژاپن طراحیها بر مبنای استفاده از ورق های نازک سختشده استوار بود، در حالی که در آمریکا، طراحان از ورقهاینسبتاً ضخیم و سختنشده بهره میبردند
3. طراحی براساس عملکرد در سازههای بلند
هدف اصلی این پژوهش بررسی عملکرد رفتار سازههای بلندی است که براساس سطح عملکرد و مطابق راهنمای طراحی براساس عملکرد لسآنجلس - - 2014 LATBSDC طراحی و مورد بررسی قرار گرفتهاند. مقصود این راهنما فراهم کردن روشی جایگزین بر مبنای طرح عملکردی به منظور تحلیل و طراحی سازههای بلند است تا وقتی این سازهها در معرض زلزله قرار میگیرند، دارای عملکردی قابل پیشبینی و ایمن باشند. آییننامهها معمولاً حداقل سطح ایمنی را برای مهندسی ساختمان مد نظر قرار میدهند.
در ضمن روابط تجربی آییننامهها معیارهای طراحی ایمن را برای طیف وسیعی از سازهها، از سازههای یک یا دو طبقه گرفته تا بلندترین سازهها را در بر میگیرند. در نتیجه این دامنه وسیع کاربرد، آییننامهها حاوی الزاماتی هستند که به طور خاص برای سازههای بلند قابل استفاده نبوده و منجر به طراحی غیر مطلوب آنها از نقطه نظر ایمنی و اقتصادی میگردد. اما اکنون، پیشرفت در روشهای طراحی براساس عملکرد و بلوغ اصول طراحی براساس ظرفیت، اجازه طراحی و تحلیل سازههای بلند با رویکردهای جدید و منطقی را فراهم کرده است
در راهنمای مذکور، سازههای بلند به سازههایی اطلاق میشود که ارتفاع آنها از متوسط سطح زمین مجاور بیش از 160 فوت - 48/8 متر - باشد. البته هیچ دلیلی برای عدم استفاده از این راهنما برای سازههای کوتاهتر، وجود ندارد
در راهنمای لسآنجلس، سازه باید برای دو سطح عملکرد ارزیابی شود. در ابتدا، سازه باید برای زلزلههای با شدت کم ولی با احتمال رخداد زیاد 50 - درصد در طول 30 سال - طراحی شود و اعضای سازهای و غیرسازهای در محدوده قابلیت استفاده - Serviceable - باقی بمانند. یعنی در صورت وقوع چنین زلزلهای اعضای سازهای و غیرسازهای کارکرد کلی خود را در حین زلزله و پس از آن حفظ کنند و اگر نیازی به تعمیر و ترمیم باشد در حد جزیی و بدون مختل کردن بهرهبرداری از سازه باشد. در مرحله بعد، سازه باید برای زلزلههایی با شدت زیاد و با احتمال رخداد نادر 2 - درصد در طول 50 سال- - ارزیابی شود و طی چنین زمینلرزهای نباید دچار فروریزش - Collapse - گردد
4. مدلسازی
در این مطالعه دو سازه 15 و 30 طبقه با اسکلت فولادی که در هر دو جهت اصلی دارای سیستم بار بر جانبی دیوار برشی فولادی سختنشده است، مورد بررسی قرار گرفتهاند. شکل 1، پلان سازه و محل قرارگیری دیوارهای برشی فولادی را نشان میدهد. لازم به ذکر است که مقاطع ستونهای به کار رفته در هر دو سازه به صورت باکس - Box - بوده و ابعاد آنها در سازه 15 طبقه از Box15×1 تا Box50×1 و در سازه 30 طبقه ازBox18×1,5 تا Box 70×4 متغیر هستند. مقاطع مورد استفاده برای تیرها نیز از نوع تیرورقهای I شکل و نیمرخهای نورد شده استاندارد بوده و از IPE180 تا IPE360 متغیر هستند. جزئیات مربوط به بارگذاری ثقلی و همچنین مشخصات دیوارهای برشی فولادی در بخش 1-4 بیان خواهد شد.
شکل - 1 پلان سازه و موقعیت دیوارهای برشی فولادی
.1,4 بارگذاری ثقلی
بارگذاری ثقلی هر دو مدل 15 و 30 طبقه بر مبنای مبحث ششم مقررات ملی ایران و آییننامه 2800، ویرایش چهارمصورت گرفته است. لازم به ذکر است که طبق ویرایش جدید - - 1392 مبحث ششم، بار پارتیشنها جزو بارهای زنده محسوب میشوند .بارهای وارد بر سازهها و سایر مشخصات آنها در جداول 1 و 2 بیان شدهاند. شایان ذکر است که کاربری مدلها مسکونی بوده و در منطقه با خطر لرزهخیزی زیاد واقع شدهاند و خاک زمین از نوع ، میباشد.
.2,4 تحلیل سازه در برابر زلزله
برای بررسی عملکرد لرزهای مدلها، ابتدا تحلیل طیفی و سپس تحلیل تاریخچه زمانی روی آنها انجام شد. البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که برای هم پایه کردن برش پایه طیفی با برش پایه استاتیکی، یک تحلیل استاتیکی معادل نیز برای هر مدل انجام شدهاست. در ادامه به جزییات تحلیلهای اشاره شده خواهیم پرداخت
