بخشی از مقاله
چکیده
امروزه طراحی اغلب ساختمان ها بر اساس پاسخ دینامیکی خطی صورت می گیرد، این در حالیست که سازه در حین وقوع زلزله هاي قوي جابجایی هاي بزرگی خواهد داشت و پاسخ خطی نشان دهنده رفتار واقعی سازه در هنگام زلزله نخواهد بود بنابر این استفاده از الگوي بار جانبی پیشنهاد شده توسط آیین نامه هاي طراحی لرزه اي متضمن استفاده بهینه از مصالح سازه اي بکار رفته در طراحی سازه نمی باشد.
در این تحقیق تلاش شده است تا با استفاده از تئوري تغییر شکل هاي یکنواخت که در آن با یکسان سازي پارامترهاي عملکردي، مصالح سازه اي به تدریج از بخش هاي قوي تر سازه به قسمت هاي ضعیف تر آن منتقل شده تا زمانی که به یک تغییر شکل یکنواخت در سازه دست یابیم به عبارت دیگر در این مطالعه بطور اختصاصی قاب هاي خمشی فولادي با طبقات مختلف تحت آنالیز تاریخچه زمانی قرار گرفته و با استفاده از روش مذکور به تدریج عملیات بهینه سازي لرزه اي تحت زلزله هاي مختلف روي آنها انجام می گیرد و در نهایت نشان داده می شود که این قاب هاي بهینه شده رفتار و عملکرد لرزه اي بهتري در برابر زلزله از خود نشان خواهند داد.
-1 مقدمه
امروزه طراحی اغلب ساختمان ها با استفاده از نیروهاي معادل استاتیکی که توسط آئین نامه هاي ساختمانی تعیین شده اند صورت می گیرد. در نتیجه به نظر می رسد توزیع ارتفاعی این نیروهاي استاتیکی - و در نتیجه توزیع ارتفاعی سختی و مقاومت در سازه - تلویحا بر مبناي مدهاي ارتعاشی الاستیک آنها باشد. این در حالیست که سازه در زلزله هاي شدید در محدوده ارتجاعی باقی نمی ماند و متحمل تغییر شکل هاي غیرخطی بزرگی می شود. بنابراین، بکارگیري چنین توزیع ارتفاعی دلخواهی براي نیروهاي لرزه اي ممکن است به استفاده بهینه از مصالح سازه اي منجر نشود .[1]
در زلزله هاي شدیدي که در دهه هاي گذشته اتفاق افتاده است، مانند زلزله نورثریج در کالیفرنیا - 1994 - ، زلزله کوبه در ژاپن - - 1995 ، زلزله ازمیت در ترکیه - 1999 - ، زلزله چی چی در تایوان - 1999 - و زلزله سنترال وسترن در هند - 2001 - ، علی رغم آنکه سازه هاي مهندسی توانسته اند امنیت جانی ساکنین را تا حد زیادي حفظ کنند اما خسارت مالی فراوان و خرابی هاي زیاد ایجاد شده نقاط ضعف شیوه هاي موجود در طراحی لرزه اي سازه ها را به خوبی مشخص ساخته است 2]، .[3 از طرف دیگر زلزله هاي فوق نشان دادند که کنترل پارامتر هاي عملکردي نظیر جابجایی نسبی طبقات و چرخش گره ها کم اهمیت تر از جزئیات اعضاي مقاوم در برابر بارهاي از پیش تعیین شده نمی باشند، که بر همین اساس آیین نامه هاي عملکرد مبنا نظیر ATC-40 ، SEAOC Vision 2000 و FEMA 356 توسعه یافتند. هم اکنون نیز اکثر آیین نامه ها در حال مبدل شدن به این نوع از آیین نامه هاي لرزه اي می باشند.
در زمینه بهینه سازي لرزه اي سازه ها تحقیقات متعددي انجام گرفته است. مقدم و اسماعیل زاده حکیمی [4] نشان دادند که براي دسترسی به یک سطح عملکرد خاص - به عنوان مثال حداکثر ضریب شکل پذیري مجاز - جواب هاي قابل قبول متعددي می تواند وجود داشته باشد که لزوما مشابه با یکدیگر نمی باشند . این نتیجه بعدها توسط انجام تحلیل هاي دینامیکی غیرخطی بر روي مدل هاي برشی مورد تائید قرارگرفته است . [5] نتایج حاصل از این مطالعات نشان داده است که استفاده از روش هاي طراحی لرزه اي متعارف به توزیع یکنواخت شکل پذیري در سازه منتهی نخواهد شد.
در مطالعات انجام شده توسط کرمی محمدي [5] نشان داده شده است که می توان با انتخاب نحوه مناسبی از توزیع مقاومت در سازه، حداکثر شکل پذیري ایجاد شد در سازه تحت اثر زلزله هاي قوي را تا حد زیادي کاهش دارد. این یافته به نوبه خود نشان از واقعیت گسترده اي دارد و آن اینکه اصولا نحوه آرایش خصوصیت هاي مختلف سازه اي از جمله - مقاومت، سختی، ظرفیت شکل پذیري و حتی میرائی - دراعضا، بخش ها و طبقات مختلف یک سازه می تواند به گونه اي انتخاب شود که با استفاده از تعداد مشخص مصالح و با صرف هزینه یکسان، عملکرد لرزه اي بهتر را از سازه تحت تاثیر زلزله هاي مخرب بدست آورد . بنابر این از میان همه ترکیب ها وآرایش هاي ممکن، آنکه بهترین وضعیت را ایجاد کند راه حل بهینه خواهد بود.
مقدم و حاجی رسولی ها [6] روش جدیدي براي بهینه سازي پاسخ دینامیکی سازه هایی که در معرض تحریکات لرزه اي قرار می گیرند ارائه دادند. روش پیشنهاد شده توسط آنها بر مبناي مفهوم توزیع یکنواخت تغییر شکل ها بود. آنها نشان دادند که الگوهاي بار پیشنهادي آیین نامه ها به توزیع یکنواخت پشکل پذیري نیاز در سازه ها منجر نمی شود و با انتقال مصالح از قسمت هاي قوي به قسمت هاي ضعیف سازه می توان به هدف مورد نظر رسید. مقدم، حاجی رسولیها و راحمی [7] روش مذکور را بر روي قاب هاي خمشی انجام دادند و نشان دادند که می توان با استفاده از روش مذکور خرابی موجود در قاب هاي خمشی را تا حد زیادي کاهش داد.
از تحقیقات اخیر می توان به مطالعات حاجی رسولیها، پیلاکوتاس و مقدم [8] اشاره نمود، آنها با استفاده از تئوري تغییر شکل هاي یکنواخت یک روش کاربردي براي بهینه سازي سازه هاي خرپایی در برابر تحریکات لرزه اي ارائه دادند که در آن وزن سازه تا حد زیادي نسبت به روش هاي استاتیکی معادل تقلیل می یابد. حاجی رسولیها و پیلاکوتاس [9] براي طراحی بهینه قاب هاي برشی روش جدیدي بر اساس توزیع یکنواخت خرابی ها ارائه نمودند که در آن می توان با یافتن توزیع بهینه بارهاي وارد بر سازه خرابی بوجود آمده در سازه هاي برشی را تا حد زیادي کاهش داد.
در این مقاله تلاش شده است تا با استفاده از تئوري تغییر شکل یکنواخت به صورت خاص به بهینه سازي رفتار لرزه اي قاب هاي خمشی فولادي بر اساس پارامتر تغییر شکل نظیر چرخش گره هاي پلاستیک در محل اتصال تیر به ستون که تحت زلزله هاي مختلف قرار داده می شوند پرداخته شود. به منظور بررسی کارایی روش بهینه سازي لرزه اي فوق قاب هاي خمشی فولادي 3 ، 5 ، 7 ، 10 ، 15 طبقه مطابق با ضوابط آیین نامه [10] IBC2006 بارگذاري و مطابق الزامات آیین نامه AISC360-05 طراحی شده و سپس با استفاده از تئوري تغییر شکل هاي یکنواخت مصالح سازه اي بتدریج از قسمت هاي قوي سازه به بخش هاي ضعیف آن انتقال داده می شوند تا زمانی که یک سازه بهینه حاصل گردد.
ضریب تغییرات تغییر شکل نیاز، براي ارزیابی کفایت روش بهینه سازي مذکور براي استفاده بهینه از مصالح تعریف شده است و نشان داده شده است که با کاهش ضریب تغییرات علاوه برکاهش وزن سازه ها عملکرد لرزه اي آنها نیز به مراتب بهتر می گردد. لازم به ذکر است که در تمامی مراحل بهینه سازي لرزه اي قیود آیین نامه FEMA356 آنچنان رعایت شده که هیچ یک از ضوابط آیین نامه مذکور نقض نگردد.
-2 مفهوم تئوري تغییر شکل هاي یکنواخت
مطالعات بر روي رفتار غیر ارتجاعی سازه ها نشان می دهد که در حوزه غیر ارتجاعی، کاهش مقاومت در اکثر مواقع موجب افزایش جابجایی می گردد به نحوي که کاهش مقاومت و سختی، عموما باعث افزایش تغییر شکل غیر ارتجاعی اوج در سازه و در نتیجه ازدیاد ضریب نرمی اوج در زلزله می باشد11]،.[1 در یک طراحی متعارف معمولا برخی از اعضا به حد تغییر شکل مجاز می رسند و تغییر شکل بقیه اعضا ممکن است کمتر از حد مجاز باشد.
حال اگر سختی و مقاومت این اعضا کاسته شود ضرایب نرمی افزایش یافته و سازه به سمت توزیع یکنواخت ضریب نرمی پیش می رود. از آنجا که کاهش سختی و مقاومت با کاهش وزن همراه است، سازه اي که ضرایب نرمی در سطح آن به طور یکنواخت توزیع شده و تغییر شکل همه اعضا به حد مجاز خود - ضریب نرمی هدف - رسیده باشد سبکتر از سازه اي است که برخی از اعضا به ضریب نرمی هدف نرسیده باشند.
بر عکس، تغییر شکل هاي حداکثر چنین سازه اي کمتر از تغییر شکل سازه هم وزن است که در آن تغییر شکل ها بصورت یکنواخت توزیع نشده باشد. بر اساس آنچه که بیان شد می توان توزیع سختی و مقاومت در سازه را به گونه اي انتخاب کرد که توزیع تغییر شکل در آن یکنواخت تر گردد. بنابراین بصورت کلی می توان به این مهم دست یافت که وضعیت تغییر شکل یکنواخت نتیجه اي مستقیم از استفاده بهینه از مصالح می باشد. این موضوع به عنوان تئوري تغییر شکل هاي یکنواخت ارائه گردیده است [6] که مبناي مطالعات حاضر می باشد.
-3 فرضیات و مدلسازي
براي مقایسه عملکرد لرزه اي سازه هاي بهینه شده با سازه هایی که بر اساس الگوي بار پیشنهادي آیین نامه هاي رایج طراحی شده اند، پنج قاب خمشی فولادي 3، 5 ، 7 ، 10 ، 15 طبقه مطابق با ضوابط آیین نامه IBC2006 بارگذاري و طبق الزامات آیین نامه AISC360-05 براي ساختمان هاي با اهمیت خیلی زیاد طراحی شده اند. در همه قاب ها عرض دهانه ها، ارتفاع طبقات و عرض باربر قاب بترتیب 5 ، 3 ، 5 متر و وزن سقف طبقه آخر %25 سبکتر نسبت به سایر طبقات می باشد. خاك محل سازه از نوع D آیین نامه IBC2006 در نظر گرفته شده است. اعضاء قاب به نحوي انتخاب شده اند که هیچ گونه بیش مقاومتی در سازه وجود نداشته باشد و براي این منظور مقاطع فرضی با خصوصیات نسبتا پیوسته ساخته شده اند. شکل 1 هندسه کلی قاب هاي مفروض را نشان می دهد.
براي تحلیل استاتیکی معادل و طراحی به روش هاي متداول از نرم افزار [12] SAP2000 و براي انجام آنالیز تاریخچه زمانی و بهینه سازي لرزه اي سازه از نرم افزارهاي [13] OpenSees و [14] MATLAB استفاده بعمل آمده است. بمنظور در نظر گرفتن میرایی سازه، میرایی رایلی با نسبت %5 براي مد اول و مدي که بیش از %95 جرم موثر مدي حاصل گردد ملحوظ شده است. براي تیر ها و ستون ها از المان تیر ستون غیر خطی با پلاستیسیته گسترده با در نظر گرفتن سخت شدگی کرنشی - nonlinearBeamColumn - استفاده شده است که در مقاطع آن از مصالح فولادي با سخت شوندگی ایزوتروپیک - Steel02 - استفاده بعمل آمده است.
