بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهای اخیر محققان با مطالعه و بررسی تغییرشکلهای غیرالاستیک سعی در ارائه راهکاری برای طراحی بهینه ساختمان داشتهاند و روشهای مختلفی را برای طرح بهینه ساختمان تحت اثر "یک زلزله مشخص" ارائه دادهاند. از آنجا که زلزله ماهیتی نامعلوم دارد، طراحی بهینه و توزیع عناصر ساختمان بر اساس یک زلزله معین منجر به اطمینان از قابلیت سازه برای رفتار مناسب در سطوح عملکردی مختلف نمیشود.
در این تحقیق با بررسی رفتار سازههای برشی تحت سطوح خطر مختلف زلزله - سطوح خطر شهر لسآنجلس در پروژه - SAC و با استفاده از روش زمان دوام و بر اساس تئوری تغییرشکلهای یکنواخت، طرح بهینهای ارائه گردیده است که منجر به توزیع یکنواخت شکلپذیری در یکی از سطوح لرزهای مورد نظر میشود.
همچنین شکلپذیری سازه بهینه برای زمانهای معادل دو سطح لرزهای دیگر در روش زمان دوام، بررسی میشود. برای نشان دادن صحت روش ارائه شده، رفتار سازه بهینه برای سطوح مختلف خطر لرزهای شهر لسآنجلس، بررسی شده و پس از انجام آنالیزهای دینامیکی غیرخطی، بهینه بودن سازه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که روش زمان میتواند به صورت ابزاری مناسب برای طراحی لرزهای سازهها بر اساس عملکرد مورد استفاده قرار گیرد.
1. مقدمه
در دو دهه آخر قرن بیستم، یافته های علمی بشر در زمینه مهندسی زلزله و رفتار دینامیکی انواع سازهها و زلزلههای مخرب، کاستیها و ضعفهای روشهای سنتی را آشکار ساخت و این امر سبب شد تا تلاشهای گستردهای به منظور یافتن معیارهای منطقیتر، برای طراحی لرزهای آغاز گردد
در یک طراحی لرزهای معیارهای مختلفی را برای کنترل سازه میتوان در نظر گرفت. مطالعات انجام شده حاکی از آن است که طراحی بر اساس کنترل تغییر شکلها منطقیتر از طراحی بر اساس کنترل نیرو و تنش بوده است، چرا که آسیبهای سازهای بیشتر به تغییر شکلها وابسته هستند و طراحی بر اساس کنترل نیرو ممکن است همیشه منطقی نباشد، از این رو مفهوم طراحی بر اساس جابهجایی مطرح شده است که در آن به جای نیرو، تمرکز بر روی جابهجایی است.
در سازههای متعارف، معیار مد نظر خرابی سازه، تنها در بخشهایی از سازه به میزان حداکثر مجاز خود رسیده و از حداکثر ظرفیت آنها استفاده شده است. این در حالی است که ممکن است از بخش اعظم ظرفیت سازه استفاده نشده باشد و سازه ما غیر اقتصادی باشد. بر اساس تئوری تغییرشکلهای یکنواخت، در یک سطح عملکرد ثابت، سازهای که تغییرشکل طلب در تمام اعضاء به حداکثر مقدار مجاز رسیده است، سبکتر از سازهای است که تنها بعضی از اعضاء آن به حد مجاز خود رسیده باشند .[2] در سالهای اخیر محققان در جهت بهبود رفتار سازهها و بهینه کردن آنها روشهای گوناگونی را ارائه دادهاند.
در راستای تحقق این موضوع مطالعات بسیاری بر روی توزیع مناسب عناصر باربر در برابر یک زلزله مشخص شده است و روشهای مختلفی برای این منظور ارائه شده است 3]و.[4 مطالعات مقدم و عباسنژاد [5] و مقدم و حاجیرسولیها 6]و[7 نشان داده است که با استفاده از تئوری تغییرشکلهای یکنواخت میتوان برای یک زلزله مشخص، سازهای را طرح نمود که کارایی بهتری نسبت به سازه هم وزن طراحی شده با استفاده از روشهای پیشنهاد شده در آییننامههای موجود داشته باشد و از ظرفیت مصالح به صورت بهینهتر استفاده شود.
طراحی سازه بر اساس یک زلزله مشخص منجر به اطمینان از سازه در سایر زلزلهها نمیشود، لذا در آییننامههای طراحی لرزهای مفهوم طراحی بر اساس عملکرد عنوان شده است. به طور کلی در طراحی بر اساس عملکرد، با استفاده از علم آمار و علم زلزله، زلزلهها را میتوان با توجه به احتمال وقوع به چهار دسته ضعیف، متوسط، شدید و ماکزیمم دستهبندی کرد که برای هر کدام از این مجموعه زلزلهها، عملکرد خاصی از سازه انتظار میرود. به عنوان مثال، طراحی سازه را به گونهای انجام دهیم که سازه در زلزلههای متوسط دارای سطح عملکردی استفاده بیوقفه باشد، در زلزلههای شدید دارای سطح عملکرد ایمنی جانی باشد و در زلزله ماکزیمم برای سطح عملکرد آستانه فروریزش طراحی شود .[
در این مقاله با استفاده از تئوری تغییرشکلهای یکنواخت و همچنین استفاده از روش زمان دوام، سازهای طرح شده است که برای یک سطح عملکرد، بهینه بوده و از ظرفیت مصالح به صورت کامل استفاده شده است. همچنین کارایی سازه طراحی شده، با استفاده از آنالیز تاریخچه زمانی برای مجموعه رکورد زلزله پروژه SAC در همان شدت زلزله، ارزیابی شده است. نشان داده میشود که سازه طراحی شده به روش زمان دوام، برای 20 رکورد انتخابی نیز رفتار مناسبی دارد و میتوان از روش زمان دوام به عنوان ابزار مناسبی برای آنالیز سازهها در سطوح عملکردی مختلف استفاده کرد.
.2 معرفی روش زمان دوام
روش زمان دوام یک آنالیز تاریخچه زمانی بر اساس روش پوشآور دینامیکی است که در آن سازه تحت اثر یک تحریک دینامیکی افزاینده که شدت آن به تدریج در طول زمان مطابق شکل 1 افزایش پیدا میکند قرار داده میشود و دوام سازه متناسب با میزان زمانی که سازه میتواند در مقابل شتاب فزاینده مقاومت کند، در نظر گرفته میشود. پاسخ سازه در طول زمان بررسی شده و با توجه به پاسخ متناظر با سطوح مختلف شدت تحریک، نقاط قوت و ضعف و عملکرد سازه ارزیابی میگردد
مفهوم روش زمان دوام را میتوان به صورت شماتیک با آزمایش فرضی میز لرزان بیان کرد. برای این منظور سه سازه با مشخصات مختلف مطابق شکل 2 بر روی میز لرزان قرار میدهیم و میز لرزان تحت ارتعاش تصادفی که شدت آن به تدریج افزایش مییابد قرار میگیرد و میزان زمان تحمل سازهها تحت این ارتعاش افزاینده، به عنوان زمان دوام آنها در نظر گرفته میشود
شکل -1 - الف - تابع شتاب افزاینده [9 ]، - ب - نمایش میز لرزان به صورت شماتیک [11]
.3 معرفی مدل سازه برشی
در مدل سازه برشی مطابق شکل 3 هر طبقه به صورت یک جرم متمرکز در نظر گرفته میشود که با یک فنر به طبقات دیگر متصل شده است. از آنجا که انجام تحلیلهای غیرخطی زمانبر بوده و حجم محاسبات زیادی دارد، از دیرباز به دلیل راحتی استفاده از مدل سازه برشی مورد توجه محققان بوده است. سازههای برشی از آن جهت که امکان کنترل سختی، مقاومت و جرم طبقات را به طور مستقیم فراهم میسازد، به راحتی قابل استفاده در الگوریتم های بهینه-یابی است و برای بررسی رفتار غیر ارتجاعی سازههای ساختمانی بسیار مناسب میباشد
.4 مدلسازی و فرضیات
همانطور که در قسمت قبل توضیح داده شده، استفاده از مدل سازه برشی برای بررسی رفتار غیر ارتجاعی سازههای ساختمانی مناسب است. در این مقاله به منظور بررسی سازههای ساختمانی از مدل سازههای برشی استفاده شده است. در این مدلها جرم طبقات به صورت یکنواخت و برابر 100 تن در نظر گرفته شده است. برای مدل کردن سختی و مقاومت طبقات از فنر الاستیک-پلاستیک با کرنش سختی %3 استفاده شده است. میرایی رایلی با ضریب استهلاک %5 متناسب با جرم و سختی فرض شده [12] و به منظور تحلیلهای دینامیکی غیرخطی از نرمافزار OpenSees استفاده گردیده است.
.5 طراحی لرزهای بهینه سازههای برشی تحت یک رکورد زلزله
در این مقاله با استفاده از تئوری تغییرشکلهای یکنواخت و با کمک گرفتن از الگوریتم پیشنهاد شده توسط مقدم و حاجیرسولیها [14] طرح بهینهای ارائه شده است که یکنواختی شکلپذیری مناسبی را برای تمامی طبقات برای یک رکورد زلزله ایجاد میکند و منجر به توزیع بهینه سختی و مقاومت میشود. الگوریتم پیشنهاد شده توسط مقدم و حاجی رسولیها به صورت زیر است:
-1 یک الگوی اولیه برای توزیع مقاومت و سختی در ارتفاع ساختمان در نظر گرفته میشود.
-2 سختی سازه به نحوی مقیاس میشود که تناوب سازه برابر تناوب مورد نظر باشد.
-3 سازه تحت اثر زلزله قرار میگیرد و حداکثر شکلپذیری طبقات محاسبه میشود و با مقدار هدف مقایسه شود، سپس الگوی مقاوت طبقات به نحوی مقیاس شود که حداکثر شکلپذیری طبقات به مقدار هدف برسد.
-4 ضریب تغییرات شکلپذیری طبقات محاسبه شده و در صورت کوچکتر بودن آن از حد قابل قبول - به عنوان مثال - 1/100، بهینهیابی متوقف میشود
-5 طبقاتی که شکلپذیری آنها کمتر از مقدار هدف هستند، مشخص شده و با کاهش مقاوت و سختی ضعیف میشوند. برای همگرایی شکل-پذیری طبقات به شکلپذیری هدف از معادله زیر استفاده میشود.
این الگوریتم تا آنجا ادامه پیدا میکند تا ضریب تغییرات به اندازه قابل قبول برسد - هرچقدر ضریب تغییرات کوچکتر باشد، پراکندگی کمتر است و جوابها یکنواختتر میباشند - .
لازم به ذکر است که الگوریتم فوق در این مقاله با حذف مرحله سوم صورت گرفته است و در مقابل، در مرحله پنجم سختی و مقاومت تمام طبقات بازتوزیع میشوند. همانطور که از جدول 1 مشخص است، در هر دو صورت نتایج یکسان بوده است.
