بخشی از مقاله
چکیده
در روشهای متعارف آییننامهای، نحوه توزیع بار جانبی در ارتفاع سازه معمولا با استفاده از پاسخ دینامیکی خطی تعیین میشود. این در حالی است که سازه در حین وقوع زلزلههای قوی، جابجاییهای غیر خطی بزرگی خواهد داد و پاسخ خطی نشان دهنده رفتار یک سازه واقعی در زلزله نخواهد بود، بنابراین استفاده از الگوی بار جانبی پیشنهاد شده در این آییننامهها اصولا فاقد یک بنیان منطقی بوده و بکارگیری آن متضمن استفاده بهینه از مصالح به کار رفته در طراحی سازه نمیباشد. در این مقاله یک نظریه نو ارائه شده که در آن برای اولین بار، بارگذاری لرزهای و توزیع نیروی زلزله بر یک پایه منطقی استوار گردیده و نشان داده شده است که میتوان الگوی توزیع نیروی زلزله را به گونهای انتخاب نمود که سازه در زلزله کمترین میزان خرابی را متحمل گردد.
در این مقاله همچنین نشان داده میشود که برای هر قاب بادبندی شده زیر اثر یک زلزله معلوم، یک الگوی بارگذاری جانبی منحصر بفرد و خاص وجود دارد که استفاده از آن منجر به ایجاد کمترین خرابی در سازه مورد نظر نسبت به سازه مشابه هم وزن ولی طراحی شده با هر الگوی بارگذاری دیگر خواهد شد. برای رسیدن به چنین الگویی از شبیه سازی قاب اصلی با سازه برشی استفاده شده، به کمک تحلیلهای مکرر بر روی سازه برشی معادل الگوی توزیع مقاومت بهینه برای طراحی قاب اصلی با دقت مناسبی تخمین زده میشود.
۱- مقدمه
هدف اصلی آئیننامههای بارگذاری لرزهای، طراحی سازههایی است که در زلزله های با شدت کم و متوسط بتوانند با کنترل خرابیهای سازهای و غیرسازهای، از آسیب جدی به ساکنان جلوگیری کرده و از فروپاشی کامل سازه در زلزلههای شدید ممانعت نمایند. زلزلههای شدیدی که در دههگذشته اتفاق افتاده است خرابیهای زیادی را در سازههای مهندسی ایجاد نمودند و نقاط ضعف شیوههای موجود در طراحی لرزهای سازهها را به خوبی مشخص ساختند ]۱.[ این امر سبب شد تا تلاش گستردهای به منظور یافتن معیارهای منطقیتر برای بارگذاری لرزهای آغاز گردد.
آئیننامههای طراحی لرزهای با توصیه یک الگوی بارگذاری خاص، در واقع توزیع مقاومت مشخصی را بر سازه دیکته میکنند که بیانگر رفتار لرزه ای سازه میباشد. استفاده از الگوی بار جانبی پیشنهاد شده در این آیین نامهها اصولا فاقد یک بنیان منطقی بوده و بکارگیری آن متضمن استفاده بهینه از مصالح به کار رفته در طراحی سازه نمیباشد. مطالعات مقدم و کرمی ]۲و۳[ نشان داد که میتوان با انتخاب نحوه مناسبی از توزیع مقاومت در سازه، خرابی وارد بر سازه تحت اثر زلزلههای قوی را تا حد زیادی کاهش داد.
دراین تحقیق سعی بر آن است در بارگذاری لرزهای قابهای فلزی بادبندی شده، روشی مطرح گردد که به کمک آن بتوان از سادگی مدلهای سازههای برشی برای ارائه الگوی توزیع مقاومت بهینه در طراحی قابهای مزبور استفاده کرد. اهمیت نحوه آرایش سختی و مقاومت در طبقات سازه بادبندی شده بررسی شده ونشان داده می شود که میتوان با وزن و تناوب اصلی یکسان، سازهای طرح کرد که نسبت به الگوی خطی آئیننامه UBC-97 ]۴[ خرابی کل سازه در زلزلههای قوی به میزان قابل توجهی کاهش یابد.
همچنین نشان داده شده است که بکارگیری چنین الگوئی به توزیع یکنواخت خرابی در طبقات میانجامد.گریز - جابجایی جانبی - بین طبقهای برای سازههای چند طبقه نمیتواند به خوبی بیانگر میزان خرابی اجزاﺀ غیر سازهای باشد و در اکثر مواقع سهم عمدهای از تغییر مکان افقی ایجاد شده در تراز هر طبقه ناشی از چرخش صلب طبقات بوده که از تغییر شکل محوری ستونهای طبقات پائینی حاصل گردیده و سبب ایجاد خرابی نخواهد شد. از این رو معیار خرابی در این تحقیق حداکثر گریز برشی بین طبقهای تعیین شده است]۵. [
۲- بهینه سازی به روش یکنواختی تغییر شکلها
مطالعات گذشته بر روی رفتار غیر ارتجاعی سازهها نشان میدهد که در حوزه غیر ارتجاعی، کاهش مقاومت در اکثر مواقع موجب افزایش جابجایی سازه می گردد. این موضوع درشکل - ۱ - نشان داده شده است. پس میتوان به یک اصل کلی رسید که اصل تلازم معکوس مقاومت وتسلیم نامیده میشود]۲: [ ”کاهش مقاومت وسختی در سازه، عموما موجب افزایش تغییر شکل غیر ارتجاعی اوج در سازه و در نتیجه ازدیاد ضریب نرمی اوج در زلزله است.“
UBC-97 در یک طراحی متعارف معمولاﹰ برخی اعضاﺀ به حد تغییر شکل مجاز میرسند و تغییر شکل بقیه اعضاﺀ ممکن است کمتر از حد مجاز باشد. با استفاده از اصل تلازم معکوس مقاومت و تسلیم میتوان نتیجه گرفت که اگر سختی ومقاومت این اعضا کاسته شود ضرایب نرمی افزایش یافته و سازه به سمت توزیع یکنواخت ضریب نرمی پیش میرود.
بنابراین در شرایط یکسان، سازه ای که ضرائب نرمی در سطح آن به طور یکنواخت توزیع شده و تغییر شکل همه اعضاﺀ به حد مجاز خود - ضریب نرمی هدف - رسیده باشد با داشتن وزن یکسان، تغییر شکلهای حداکثر آن کمتر از مقادیر مشابه برای سازهای است که توزیع تغییر شکلهای آن یکنواخت نباشد. براساس آنچه که بیان شد برای کاهش خرابی، میتوان توزیع سختی و مقاومت در سازه را بگونهای اختیار کرد که توزیع تغییر شکل یکنواختتر گردد.
۳- معرفی قابهای مورد مطالعه و زلزلههای استفاده شده
برای مقایسه عملکرد سازه بهبود یافته با سازه طراحی شده بر اساس الگوی بار پیشنهادی آئین نامههای رایج، قابهای فلزی ٥، ١٠و ١٥ طبقه با بادبندیهای هم محور ویژه مطابق با ضوابط آیین نامه بارگذاری و مطابق ضوابط آیین نامه AISC-ASD89 طراحی گردیدند. شکل - ۲ - هندسه قاب ٥ طبقه را نشان میدهد. عرض دهانهها، ارتفاع طبقات و عرض باربر قاب به ترتیب برابر با ٦، ٣ و ٦ متر میباشد.
خاک محل سازه از نوع SD و ناحیه لرزه خیزی منطقه، ناحیه ٤ آییننامه UBC-97 در نظر گرفته شده است. اعضاﺀ قابهای فوق به نحوی انتخاب شدهاند که هیچ گونه بیش مقاومتی در سازه وجود نداشته باشد و برای این منظور مقاطع فرضی با خصوصیات نسبتا پیوسته ساخته شده است. در انجام تحلیلها از مولفههای اصلاح شده زلزلههای: Imperial Valley 1979 - PGA=.44g - در ایستگاه 942-Elcentro Array #6، - Northridge 1994 - PGA=.59g در ایستگاه 24279-New Hall ، Cape Mendocino 1992 - PGA= .66g - در ایستگاه 89156-Petrolia و یک زلزله مصنوعی منطبق با طیف طراحی آییننامه UBC-97 ، Sim Eq - PGA=.44g - ، استفاده شده است.
