بخشی از مقاله
چکیده
یکی از ویژگیهاي اصلی دستاوردهاي نوین در زمینهي طراحی لرزهاي سازهها، افزایش انعطافپذیري و افزودن تجهیزات اتلاف انرژي است. انعطافپذیري سازه، به کاهش شتابها و نیروهاي ناشی از زلزله کمک میکند و با ایجاد تغییر شکلهاي نسبی زیاد، پتانسیل اتلاف انرژي در سیستم سازهاي را فراهم میآورد . لذا در طراحی لرزهاي بر این اساس، سیستم سازهامعمولاًي از دو زیرسیستم جرم و سختی تشکیلشده است که تجهیزات اتلاف انرژي مابین این دو زیرسیستم قرار میگیرند. انعطافپذیري زیرسیستم جرمی، به کاهش اثرات زلزله در این بخش از سازه کمک میکند. زیرسیستم سختی با ایجاد تکیهگاه مناسب براي تجهیزات اتلاف انرژي، درکنترل تغییر شکلهاي زیرسیستم جرمی نقش ایفا میکند.
در این تحقیق، سازهي جداسازي شدهاي با میراگرهاي ویسکوز خطی و غیرخطی، میراگر اصطکاکی، تحت اثر بارگذاري لرزهاي موردمطالعه قرارگرفته است و اثر هر یک از این میراگرها در کاهش پاسخ سازه - تغییر مکان، شتاب و برش پایه و ... - بررسیشده است.
نتایج نشان میدهد اتصال دو زیرسیستم جرم و سختی با فرکانسهاي مختلف، بهواسطهي میراگرها در کاهش پاسخ ناشی از زلزله در دو زیرسیستم جرم و سختی بسیار مؤثر است. همچنین میراگر اصطکاکی در رنجهاي پایین نیرو، در کاهش پاسخ لرزهاي در زیرسیستم جرمی مؤثرتر از میراگر ویسکوز خطی عمل میکند. همچنین افزودن درصدي از نیروي اصطکاكبه میراگرهاي ویسکوز میتواندعملکرد این میراگرها را بهبود بخشد.
مقدمه
درروند جدید طراحی سازهاي مقاوم در برابر زلزله، براي مقابله با انرژي ورودي به سازه، دو دیدگاه وجود دارد. در دیدگاه اول با افزایش پریود سازه، نیروهاي وارده به سازه کاهش مییابند که سیستمهاي جداسازي از پایه در این دسته قرار میگیرند .
دیدگاه دوم افزودن میرایی اضافی به میرایی ذاتی سازه است که شامل مکانیزمهاي اتلاف انرژي است. هدف از اضافه نمودن تجهیزات جاذب انرژي به ساختمانها، هدایت انرژي زلزله به عناصري که براي این منظور طراحیشدهاند تا بدین ترتیب انرژي ورودي به سیستم باربر ثقلی کاهش یابد. در اینحالت با قرار دادن میراگرها در محلهاي مناسب میتوان قسمت عمدهاي از انرژي زلزله را مستهلک و اثرات زلزله را به حداقل رساند.
ازآنجاییکه عناصر جاذب انرژي در سیستم باربر ثقلی ساختمان مشارکتی ندارند، میتوانند بعد از وقوع زلزله بهراحتی تعمیر یا تعویض گردند. در این سیستمها که بهعنوان روشهاي مدرن طراحی لرزهاي شناخته میشوند، کاهش پاسخ سازهها از طریق افزایش پریود و میرایی صورت میگیرد، نیازي به در نظر گرفتن رفتار غیرخطی سازه نمیباشد و تحلیل طراحی آنها در حالت خطی انجام میپذیرد که سبب میگردد محاسبات پیچیده و نیازمند دقت زیاد در انجام تحلیلها و تفسیر نتایج کاهش یابد و در ضمن تحلیل و طراحی سازههاي با سطح عملکرد بالاتر با استفاده از تجهیزات جاذب انرژي در عمل رواج یابد.
سازه هاي جداسازي شده جرمی
در روشهاي جداسازي لرزهاي همچون جداسازي پایه، نرمی لایههاي جداگر سبب افزایش پریود سازه و کاهش نیروهاي وارده به سازه میشود. در این روش علاوه بر جرم سازه، سیستم سختی جانبی آن نیز از زمین جدا میگردد
ازآنجاییکه جرم عامل اصلی جاذب انرژي در سازه است اگر بتوان فقط جرم را از منبع ایجاد انرژي - زمین - جدا نمود، میتوان کارایی سیستم را بالا برد و در ضمن هزینههاي ساخت را کاهش داد که در یک طبقهبندي با نام روشهاي جداسازي جرمی1 قرار میگیرند
واضح اینکه بتوان تمامی جرم ساختمان را از سیستم سختی جانبی آن جدا نمود غیرممکن است، اما راهحلهایی مناسبی وجود دارد که بتوان مقدار عمدهاي از جرم سیستم را جدا نمود. چندین نمونه از روشهاي جداسازي شده جرمی در شکل 2 آورده شده است.
شکل :1 نمایش شماتیک روشهاي جداسازي لرزهاي
در شکل - 2-1 - جرم تکتک طبقات از سازه اصلی توسط ایزولاتورهاي لرزهاي جداشده که موجب افزایش پریود و ایجاد ظرفیت افزایش میرایی در محل اتصال سازه به جرم طبقات شده است. شکل - 2-2 - سازه به دو زیرسیستم سخت و نرم تقسیم شدهاست، در نتیجه پریود زیرسیستم نرم افزایش یافته و تغییر مکان سازه نرم توسط میراگر موجود بین دو سیستم کنترل میشود؛ که در این مطالعه به بررسی رفتار لرزهاي این نوع سازههاي جداسازي شده جرمی پرداخته شدهاست.
شکل - 2-3 - سازه به دو قسمت سخت و نرم تقسیم شده است که یک هسته سخت مرکزي که در بام به یک خرپا توسط کابل متصل شده است نقش تحمل وزن طبقات پایین را عهدهدار است. طبقات آویزان بهصورت آونگ عمل کرده و پریود ارتعاشی بالایی دارند و تغییر مکانهاي طبقات توسط میراگرهاي متصل به هسته سخت کاهش مییابد.
در شکل - 2-4 - و - 2-5 - طبقات سازه در مجموعهاي بزرگتر با پریودهاي بلند که توسط میراگر به سازه اصلی - سخت - وصل شدهاند . در شکل - 2-6 - هستهي T شکل، به اجزاي سازهاي سخت - ستونهاي قائم - توسط میراگرها متصل شده است. شکل - 2-7 - دو قسمت سخت و نرم در داخل یکدیگر قرار دارند که در ساختمانها متداول است. قسمت نرم قاب اصلی سازه با رفتار خمشی است که توسط میراگر به قسمت سخت این سیستم که مهاربندها هستند، متصل شده است.
شکل :2 روشهاي مختلف جداسازي جرمی
مدلسازي سازه جداسازي شده جرمی بررسی مدل
ابتدا یک مدل ساده مطابق شکل - 3 - براي بررسی رفتار کلی سازههاي موردمطالعه، در نرمافزار سپ مدل شده است.
شکل :3 مدل کلی سازهي موردمطالعه
در این مثال، سازهي مبنا شکل -3 - الف - کوتاه بوده و پریود ارتعاش آن در محدودهي 0.6 ثانیه است. با جداسازي قسمت سخت و نرم سازه شکل -3 - ب - ، دو زیر سازه حاصل میشود که پریود زیرسیستم سخت در محدودهي 0.5 ثانیه و زیرسیستم نرم 2.5 ثانیه است. سپس این دو بخش از سازه بهوسیلهي میراگرهاي مختلف به هم متصل میشوند. در مشابهسازي با سازهي اولیه فرض میشود که ثابت میرایی میراگر به بینهایت میل میکند. در این حالت دو سازهي نرم و سخت به هم متصل شده که پریود سازهي حاصله همان 0.6 ثانیه خواهد شد. بررسی رفتاري و عملکردي سازهي جداسازي شده در مقایسه با سازهي مبنا، در سه فاز انجامگرفته است:
- در مرحله نخست عملکرد سازهي جداسازي شده هنگامیکه دو زیرسیستم جرم و سختی توسط میراگر ویسکوز خطی، غیرخطی - 0.3 - و اصطکاکی به هم متصل شدهاند، بررسی میشود.
- در مرحلهي دوم با افزودن درصدي از نیروي اصطکاك 5 - تن - به میراگر ویسکوز، بهبود در عملکرد رفتاري سازهي جداسازي شده، در صورت استفاده از این نوع میراگرها موردبررسی قرار میگیرد.
- در مرحلهي سوم، نتایج حاصل از دو گام پیشین به بهبود عملکرد لرزهاي قاب هفتطبقه، تعمیم داده میشود.
بررسی میراگرهايمورد استفاده
شکل - 4 - منحنی چرخهاي یک میراگر اصطکاکی را نشان میدهد. در شکل - 5 - مقایسه منحنی نیرو-تغییرمکان میراگر ویسکوز خطی و غیرخطی به فرم F C V آورده شده است.
سطح زیر منحنی در میراگر ویسکوز غیرخطی - 1 - به مستطیل نزدیکتر است و در اتلاف انرژي ورودي مؤثرتر از میراگرهاي خطی - 1 - عمل میکند.
معادلهي حرکت دو سازهي متصل شده با میراگر ویسکوز و با میراگر اصطکاکی به ترتیب در رابطهي - 1-6 - و رابطهي - 2-6 - آورده شده است:
در رابطهها K ,C , M به ترتیب ماتریس جرم، میرایی و سختی دو سازه متصل شده با میراگر، Mx g نیروي زلزله، FD نیروي ایجادشده در میراگر اصطکاکی است که به کاهش نیروي ناشی زلزله در دو زیرسیستم جرم و سختی کمک میکند.Cd میرایی افزودهشده به سیستم ناشی از حضور میراگر ویسکوز بین دو زیرسیستم جرم و سختی است.
مطالعات تاریخچهي زمانی مدل جداسازي شده
در این بخش رفتار لرزهاي سازهي جداسازي شده در مقایسه با سازهي مبنا - قسمت نرم و سخت بهصورت صلب به یکدیگر متصل هستند - ، تحت زلزله السنترو موردبررسی قرارگرفته است.
