بخشی از مقاله
خلاصه
آییننامههای زلزله به منظور تعیین نیروهای ساختمان درحالت نهایی، اثرشکلپذیری و نامعینی سازههارادر قالب ضریب رفتار در معادلات مربوط به برش پایه ساختمان اعمال میکنند. یکی از ایرادات وارد بر این روش، لزوم تکرار در انجام روند طراحی در صورت برآورده نشدن محدودیتهای تغییرمکانی است. در مطالعات اخیر سطح آسیب دیدگی ساختمانها به عنوان یک فاکتورتعیین کننده در روند طراحی لرزهای مورد توجه قرارگرفته است.براساس مطالعات صورت گرفته میزان آسیبدیدگی المانهای سازهای تابعی ازفاکتورشکلپذیری بوده و باکنترل این عامل میتوان برآورد مناسبی ازسطح خرابیهابهدستآورد.
در این مقاله سعی شده است تا با مبنا قرار دادن سطح شکلپذیری به عنوان یک پارامتر اصلی در روند طراحی، تعداد دفعات مورد نیاز برای کنترل و طراحی مجدد سازه کاهش یافته و این روند بهینه گردد. روش پیشنهادی بر اساس آنالیز غیرخطی دینامیکی سیستمهای یک درجه آزادی با ضریب سختشدگی کرنشی در محدودهی سازههای قاب خمشی فلزی است. محاسبات بر روی سیستمهای با زمان تناوب طبیعی ساختمانهای رایج 1 - تا 10 طبقه - و سطوح شکلپذیری 6/0 - تا - = 1/5 صورت میگیرد.
بدین منظور از رکوردهای 40 زلزله سازگار استفاده شده و با محاسبهی حداکثر شتاب به وجود آمده در سیستمهای فوق به صورت تابعی از شتاب حداکثر زمین و تحلیل نتایج بدست آمده، ضریبی موسوم به فاکتور غیرخطی شتاب محاسبه میگردد. در واقع فاکتور غیرخطی شتاب، ضریبی است که با تاثیر آن در شتاب طیفی طراحی، شتاب حداکثر سازه در زلزلهی طرح و بدون استفاده از ضریب رفتار، قابل محاسبه خواهد بود.در انتها ضرایب بدست آمده در قالب طیفهای طراحی در دسترس طراح قرار گرفته و روند پیشنهادی استفاده از آنها شرح داده شده است.
.1 مقدمه
طراحی لرزهای ساختمانها در چهارچوب آییننامههای مهندسی زلزله بر اساس تعیین نیروهای اینرسی حداکثر به وجود آمده در سیستم سازهای تحت زلزلهی طراحی است. بهمنظور تعیین این نیروها فاکتورهایی نظیر نامعینی و شکلپذیری سیستم مدنظر قرار میگیرد. آییننامههایزلزله بهمنظور تعیین نیروهای ساختمان در حالت نهایی، اثر شکلپذیری و نامعینی سازهها را در قالب ضریب رفتار، R، در معادلات مربوط به برش پایه ساختمان اعمال کرده و با پخش این نیروها در امتداد ارتفاع ساختمان، نیروهای اینرسی به وجود آمده در طبقات تعیین میگردد.
از طرف دیگر تجربهی به وقوع پیوستن زلزلههای بزرگ در مناطق شهرنشین باعث شده تا سطح آسیبدیدگی ساختمانها بهعنوان یک فاکتور تعیینکننده درروند طراحی لرزهای موردتوجه قرار گیرد. بر اساس مطالعات صورتگرفته میزان آسیبدیدگی المانهای سازهای تابعی از فاکتور شکلپذیری بوده و با کنترل این عامل میتوان برآورد مناسبی از سطح خرابیها به دست آورد. متأسفانه آییننامههای موجود فاقد سازوکار مناسب برای تأثیر این تقاضا در محاسبات لرزهای بوده و در راستای تحقق این امر روشهای جایگزین بر اساس کنترل میزان تغییرشکلهای طراحی پیشنهاد شده است.
همچنین با توجه به ایرادات وارد بر روشهای نیرویی موجود در آییننامههای طراحی، تلاشهای بسیاری برای ارائه روشهای نوین صورت گرفته که ایجاد تغییرات گسترده در مقررات طراحی لرزهای دور از انتظار نخواهد بود. در همین راستا و با مقایسهی دو دیدگاه موسوم به روش نیرویی و روش تغییرمکانی در طراحی لرزهای، هدف از انجام این پژوهش نیز مطالعه بر روی روشهای عملکردی، که مبنای آن در نظر گرفتن سطح شکلپذیری به عنوان یک پارامتر اصلی در روند طراحی میباشد، عنوان شده است. در واقع سعی شده تا با اصلاح روند موجود که اساس آن استفاده از ضریب رفتار است، روشی ساده شدهای که توانایی ارضای نیاز طراحی عملکردی را داشته باشد، ارائه گردد.
در راستای ارضای محدودیتهای تغییرمکانی وارد بر سازه، یک روش تخمینی که توسط آییننامههایی نظیر استاندارد 2800 پیشنهادشده است، استفاده از ضریب تشدید تغییر مکان بهصورت تابعی از پارامتر ضریب رفتار ساختمان است .[1] در آییننامهی IBC 2010 نیز ضریب تشدید تغییر مکان، Cd، برای انواع سیستمهای سازهای معرفی شده است .[2] با اعمال این ضریب در تغییر مکانهای الاستیک، نتایج بهدستآمده با مقادیر قابلقبول آییننامهای که تابع کاربری و اهمیت ساختمان هستند، کنترل میگردد. این روشها که بر پایهی تعیین نیروهای طراحی بوده و مابقی واکنشها بر اساس آنها به دست میآید به روشهای نیرویی موسوم هستند.
استفاده از روشی نوین در طراحی سازهها که تقاضای شکلپذیری سازه را بهعنوان فاکتور اصلی در تعیین نیروهای طراحی مدنظر قرار میدهد، اولین بار توسط آییننامهی نیوزیلند معرفی شده است. در این آییننامه برخلاف روشهای نیرویی که محاسبات مربوطه در محدودهی الاستیک انجام میشود، روابط ارائهشده بر اساس پارامترهای سازه در حالت نهایی بوده و طراحی المانهابا توجه به تقاضای برش پایه و چگونگی مکانیزم پلاستیک صورت میگیرد.
طبق ضوابط موجود، شکلپذیری برابر نسبت جابجایی نهایی به جابجایی حد تسلیم سازه بوده و بهعنوان معیاری برای تعیین میزان خرابی ساختمانها معرفی شده است که با محدود کردن آن میتوان برآورد مناسبی از عملکرد سازه به دست آورد .[3] درروشی که توسط آییننامه نیوزیلند و موارد مشابه ارائه شده است اصول طراحی از ابتدا بر پایهی تقاضای شکلپذیری و جابهجاییهای سازه بوده و بر این اساس به روشهای تغییرمکانی موسوم هستند.
در پژوهشی دیگر، پریستلی1 و همکاران در سال 2007 با تأکید بر این موضوع که تغییر مکان جانبی حد تسلیم ساختمان تابعی ازارتفاع ونوع سیستم سازهای بوده و با تغییرمقاومت و سختی المانها این پارامتر همچنان ثابت است روشی را بر پایه فاکتور شکلپذیری سازه و تغییرمکان نسبی طبقات ارائه نموده است. در این شیوهی طراحی تقاضای تغییر مکان جانبی ساختمان در حالت نهایی با تخمین اولیه از پارامترهای سیستمیک درجه آزادی معادل محاسبه شده و به کمک نمودارهای موسوم به - YPS2 - تقاضای برش پایه سازه به دست میآید.
درنهایت مقاومت المانها بر اساس مکانیزم پلاستیک سازه تعیین و پس از تشکیل مدل ریاضی از سازه مقدار دقیق پارامترهای تخمین زده شده بهمنظور کنترل با مقادیر اولیه محاسبه میگردد؛ که با توجه به ثابت بودن پارامتر تغییر مکان جانبی حد تسلیم ساختمان در طول طراحی تعداد تلاشهای موردنیاز کاهش مییابد .>4@ همچنین گریگوریان3 و همکارش در سال 2011 در مقالهای با عنوان کنترل عملکرد در طراحی لرزهای قابهای خمشی، به بررسی شیوهای از طراحی لرزهای بر اساس سطح خسارات وارده به ساختمان پرداختند.
آنها در این پژوهش متذکر شدند که سختی و مقاومت المانها با توجه به اهداف عملکردی از پیش تعیینشده مشخص شده و نه بر اساس محدودیتهای طراحی که در انتها کنترل میشوند. در واقع آنها با معرفی روابط پارامتریک بر اساس شاخص خسارت که منجر به حل و تسریع در دستیابی به موقعیت مفاصل پلاستیک میشود، روش پیشنهادی خود را ارائه نمودند. همچنین آنها نشان دادند روش پیشنهادی در طراحی پلاستیک سازهها قابلیت اعمال اثرات p-و اثر کاهش سختی را دارا بوده و میتواند به عنوان روشی جامع جایگزین روش کنونی شود.[5]
وامواتسیکوس4 و همکارش نیز در سال 2014 به بررسی امکان طراحی لرزهای سازهها با یک سری از اهداف عملکردی مشخص، پرداختند. آنها با معرفی طیف فرکانس تسلیم به عنوان ابزار طراحی درصدد بر آمدند تا از این طیفها بر اساس عملکرد از پیش تعیین شده برای سازه در محاسبهی مقاومت برشی طراحی سازهی مورد استفاده کنند. همچنین آنها نشان دادند از این روش میتوان تقریبا برای همهی سیستمهای سازهای که عملکرد آنها قابل تعمیم به سیستمهای یک درجه آزاد معادل است، استفاده نمود.[6]
2. سیستم یک درجه آزاد غیرخطی
به منظور تعیین پاسخ سازه با در نظر گرفتن رفتار غیر خطی آن در زلزله از سیستمهای یک درجه آزاد با رفتار دو خطی معادل استفاده شده است. در چنین سیستمی در سادهترین حالت، شیب قسمت ثانویه نمودار می تواند برابر صفر باشد. در حقیقت برای سیستمهای قاب خمشی با درجه نامعینی زیاد، این مقدار مثبت و برای سازههای با رفتار طرد این مقدار منفی خواهد بود.پارامترهایی که که مشخص کنندهی نوع رفتار سیستم یک درجه آزاد تحت آنالیز میباشند عبارتند از: سختی اولیه سیستم یک درجه آزاد مورد نظر و یا زمان تناوب متناسب با آن، نسبت میرایی، تغییر مکان حد تسلیم سیستم، سختی ثانویه و تغییر مکان نهایی سیستم.
3. انتخاب شتابنگاشتهای مناسب زلزله
به منظور انجام آنالیز دینامیکی افزایشی سیستمهای یک درجه آزاد بایسیتی رکوردهای مناسب زلزله انتخاب و در آنالیز تاریخچه زمانی مورد استفاده قرار گیرند.انتخاب این رکوردها از سایت PEERانجام شده است.[7] به منظور جامع بودن نتایج، رکوردها در دو بخش زلزلههای حوزهی دور و زلزلههای حوزهی نزدیک انتخاب شدهاند. مشخصات اولیه انتخاب رکوردها از مرجع مذکور در جدول زیر آورده شده است.
