بخشی از مقاله
محاسبه ضريب رفتار سيستم باربر جانبي نوين تير- ستون صليبي
خلاصه
در طراحي ساختمانهاي مناطق زلزله خيز سيستم هاي سازه اي مقاوم در برابر زلزله از اهميت بالايي برخوردار هستند. در انتخاب يک سيستم مقاوم در برابر زلزله مقاومت و سختي جانبي از يک سو، شکل پذيري و ظرفيت اتلاف انرژي در حين زلزله ، از سوي ديگر ازجمله انتظارات طراح از آن سيستم به شمار مي آيد. سازه ها در هنگام وقوع زلزله هاي متوسط و شديد وارد محدوده غير خطي مي گردند و براي طراحي آنها نياز به يک تحليل غير خطي مي باشد. ولي به دليل سهولت روشهاي خطي، تحليل و طراحي هاي متداول ، بر اساس تحليل خطي سازه و با نيروي کاهش يافته زلزله صورت مي گيرد.کاهش مقاومت سازه از مقاومت الاستيک مورد نياز به نيروي طراحي ، عموما... از طريق استفاده از ضرايب کاهش مقاومت (ضريب رفتار) انجام مي شود. در اين مقاله با توجه به استفاده از يک سيستم مقاوم جانبي جديد در ساختمانهاي معمول ، ضريب رفتار اين سيستم لرزه بر مورد ارزيابي قرار مي گيرد. اين سيستم پيشنهادي از يک تير عميق I شکل فولادي که به صورت قائم در داخل دهانه قاب فولادي قرار مي گيرد و مانند يک ستون قوي از پايين ترين تراز تا طبقات بالا ادامه مي يابد، تشکيل شده است . با توجه به ضريب رفتار محاسبه شده به نظر مي رسد که استفاده از اين سيستم لرزه بر در قاب هاي فولادي با اتصالات صلب و در ساختمانهاي با اتصالات مفصلي به عنوان مهارجانبي، از امتيازات فراواني برخوردار است . در اين تحقيق از نرم افزارهاي ANSYS و SAP٢٠٠٠ استفاده گرديده است .
کلمات کليدي : ضريب رفتار، تير ورق فولادي، بارگذاري استاتيکي افزاينده ، رفتار غير خطي
١. مقدمه
در طراحي ساختمانها، انتخاب يک سيستم مقاوم در برابر بارهاي جانبي از ميان سيستم هاي مختلف لرزه بر و توجه به امتيازات و ضعف هاي هر يک از اين سيستم ها، امري ضروري است . اين انتخاب بايد تأمين کننده کليه نيازها مشتمل بر تأمين مقاومت و سختي جانبي کافي و شکل پذيري بالا باشد.
تأمين نيازهاي معماري، کاهش هزينه ها، راحتي و سرعت مناسب اجرا نيز اهميت خاص خود را دارد.
شايان ذکر است که فلسفه طراحي لرزه اي ساختمانها بدين صورت است که :
الف - ساختمان تحت ارتعاشات خفيف زمين ناشي از زلزله اي که ممکن است در طول عمر مفيد سازه بار ها بوقوع بپيوندد، در محدوده رفتار خطي خود باقي بماند. بطوريکه از بوجود آمدن خسارتهاي سازه اي و غير سازه اي جلوگيري به عمل آيد.
ب - ساختمان تحت ارتعاشات متوسط زمين ناشي از زلزله اي که ممکن است در طول عمر مفيد سازه بوقوع بپيوندد، به گونه اي مقاومت کند که از بوجود آمدن خسارتهاي سازه اي جلوگيري کرده و خسارتهاي غير سازه اي را به حداقل برساند.
پ - ساختمان تحت ارتعاشات شديد زمين ناشي از زلزله اي که ممکن است به ندرت در طول عمر مفيد سازه اتفاق افتد، به گونه اي مقاومت کند که سازه خسارتهاي سازه اي و غير سازه اي را متحمل گردد، اما پايداري کلي سازه حفظ شده و از فروريزش آن جلوگيري به عمل آيد.
به همين دليل مقاومت جانبي طراحي معين شده در آيين نامه ها ي طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله ، عموما... کمتر و در برخي موارد خيلي کمتر از مقاومت جانبي مورد نياز براي نگهداري سازه در محدوده رفتار خطي، در يک زلزله شديد مي باشد. سازه ها در هنگام وقوع زلزله هاي متوسط و شديد وارد محدوده غير خطي مي گردند و براي طراحي آنها نياز به يک تحليل غير خطي مي باشد ولي به دليل سهولت روشهاي خطي، روشهاي تحليل و طراحي متداول ، بر اساس تحليل خطي سازه و با نيروي کاهش يافته زلزله صورت مي گيرد. کاهش مقاومت سازه از مقاومت الاستيک مورد نياز از طريق استفاده از ضرايب کاهش مقاومت (ضرايب کاهش نيرو) انجام مي شود. بدين منظور آيين نامه هاي طراحي لرزه اي کنوني با فلسفه ذکر شده ، نيروهاي لرزه اي براي طراحي خطي ساختمان را از يک طيف خطي که وابسته به پريود طبيعي ساختمان و شرايط خاک محل احداث ساختمان است ، به دست مي آورند و براي ملحوظ کردن اثر رفتار غير خطي و اتلاف انرژي در اثر رفتارهيستريزيس ، ميرايي و اثر اضافه مقاومت سازه ، اين نيروي خطي را بوسيله ضريب کاهش مقاومت (ضريب رفتار) به نيروي طراحي تبديل مي کنند.
ر اين مقاله مقادير ضريب رفتار براي يک سيستم مقاوم جانبي جديد مورد محاسبه قرارمي گيرد. اين سيستم از قابليت شکل پذيري و استهلاک انرژي برخوردار بوده و تأمين کننده نيازهاي ياد شده مي باشد. اين سيستم مقاوم جانبي از يک تير عميق I شکل فولادي (.P.G.Br) که به صورت قائم در داخل دهانه قاب فولادي قرارمي گيرد و توسط تيرهاي بالا و پايين دهانه محصور مي شود، تشکيل شده است . مشخصات مقطع اين تير ورق تأثير بسزايي بر ميزان شکل پذيري و استهلاک انرژي دارد. به جهت آسانتر شدن اجرا مي توان اين تيرورق را مانند ستون از پايين ترين تراز تا بام ساختمان به شکل ممتد در نظر گرفت . در ادامه ابتدا يک ساختمان نمونه مدلسازي و تير عميق فولادي آن طراحي مي گردد و سپس اقدام به تعيين ضريب رفتار مي گردد.
٢. فرضيات و هندسه مدلسازي
بدليل عدم وجود مطالعات آزمايشگاهي و نظري در زمينه رفتار اين سامانه باربر جانبي، با استفاده از طرح مسأله اي رفتار اين سيستم را در يک ساختمان منظم در پلان و ارتفاع مورد بررسي قرار مي دهيم .
مدل مورد بررسي شکل (١) در يک ساختمان ٥ طبقه مسکوني واقع در شهرستان تهران به عنوان سيستم باربر جانبي يکي از جهات اصلي پلان ساختمان انتخاب شده است . در امتداد ديگر ساختمان ، سيستم قاب ساده با مهاربندي هم محور استفاده شده است .
در شکل (٢) پلان طبقات ساختمان ، جهت تيرچه ريزي سقف و موقعيت سيستم باربر جانبي مورد نظر (هاشورخورده ) ديده مي شود.
شکل ١- قاب باربر جانبي محور C شکل ٢- پلان ساختمان
ابعاد انتخابي دهانه ها براساس طول دهانه و ارتفاع معمول در ساختمانهاي مسکوني اتخاذ گرديده است . اتصال تير به ستون و پاي ستونها در قاب شکل (١) گيردار مي باشد. تحليل و طراحي با استفاده از نرم افزار SAP٢٠٠٠ انجام گرفته است .
فرضيات تحليل و طراحي ساختمان مزبور به شرح زير مي باشد:
الف ) آئين نامه هاي مورد استفاده :
بارگذاري ثقلي : مبحث ششم مقررات ملي ساختماني ايران [١]
محاسبه بارهاي ناشي از اثر زلزله : استاندارد ٢٨٠٠ ايران ، ويرايش سوم [٢] طراحي ساختمانهاي فولادي : مبحث دهم مقرران ملي ساختماني ايران [٣] انجام تحليل غيرخطي : دستورالعمل بهسازي لرزه اي ساختمانهاي موجود[٤].
ب ) فرضيات بارگذاري ثقلي، فرضيات ژئوتکنيکي زمين محل اجراي ساختمان و بارهاي ناشي از اثر زلزله :
ج ) فولاد مصرفي ٣٧-st، تنش تسليم و تنش نهايي مدول الاستيسيته و ضريب پوآسون ٠.٣ = u.
د) براي طراحي ساختمان مزبور از تحليل ديناميکي طيفي (طيف طرح استاندارد ٢٨٠٠) استفاده شده است . به دليل منظم بودن ساختمان ، در محاسبه برش پايه ديناميکي از ٩٠ درصد برش پايه استاتيکي استفاده شد[٢].
نتايج طراحي براي مقاومت و محدودکردن جابه جايي هاي نسبي طبقات به گونه اي است که مقدار مصرف فولاد در حدود ٥٠ کيلوگرم بر متر مربع زير بناي ساختمان تخمين زده شده است که بيانگر اقتصادي بودن استفاده از اين سيستم باربر جانبي در قياس با قاب خمشي است .
٣. کليات طراحي مقطع تير عميق فولادي (.P.G.Br)
براي تعيين مشخصات مقطع .P.G.Br و دستيابي به يک نتيجه بهينه ، از تحليلي غير خطي استاتيکي استفاده شده است . بدين ترتيب پس از طراحي ساختمان و تخمين زدن ابعاد مقطع .P.G.Br، قاب مياني ساختمان براي انجام تحليل غيرخطي استاتيکي در SAP٢٠٠٠ مدل شد. با توجه به مقاطع قاب براي تعيين مشخصات مفاصل پلاستيک خمشي تيرها و برشي .P.G.Br و خمشي ستونها (با توجه به مقدارP.Pcl ) از پارامترهاي مدلسازي مفاصل پلاستيک دستورالعمل بهسازي لرزه اي ساختمان هاي موجود[٤] استفاده شد. بارهاي ثقلي نيز به طور کامل در مدل قاب اعمال شد. با توجه به منحني Pushover که از تحليل استاتيکي بار افزون و با توجه به توصيه هاي دستورالعمل بهسازي بدست آمد، مشخصات .P.G.Br براي دستيابي به شکل پذيري مناسب تعيين گرديد. با وجود اينکه شاخص پايداري قاب از ١٠ درصد کوچکتر است ، در تنظيمات پارامترهاي غيرخطي هندسي از اعمال اثر تغيير شکلهاي بزرگ و P-Delta نيز استفاده گرديد. براي اجتناب از کمانش زود هنگام ستونها از IPB٤٠٠ به جاي IPB٣٠٠ در قاب شکل (١) استفاده شد.
استفاده از اين مقطع براي ستونهاي قاب باربر جانبي ساختمان موجب سبک تر شدن مقاطع استفاده شده در طراحي ساختمان گرديد. در شکل (٣) مشخصات مقاطع .P.G.Br و تيرها شامل ١.P.G و ٢.P.G نمايش داده شده است .
٤. مدلسازي اجزاء محدود
به منظور محاسبه ضريب رفتار سيستم باربر جانبي مورد نظر، از مدلسازي و تحليل قاب شکل (٤) (اولين طبقه سيستم مقاوم جانبي) در نرم افزار اجزاء محدود ANSYS نسخه ١٠ استفاده شده است . براي مدل سازي قاب از المان پوسته چهار گرهي (١٨١ SHELL) با شش درجه آزادي (٣ درجه انتقال و ٣ درجه دوران ) در هر گره استفاده شده است . اين المان توانايي خوبي در پذيرش خصوصيات پلاستيک ، تغيير شکلها وکرنشهاي بزرگ دارد[٥]. تمام مصالح به کار رفته در مدل بصورت ايزوتروپيک با رفتار غيرالاستيک سخت شونده دوخطي مي باشد. مدل پلاستيسيته به کار برده شده بر اساس جاري شدگي سطحي فون ميسز است . مقدار مدول الاستيسيته فولاد برابر kg cm١٠٦٢×٢١ ، مدول مماسي برابر با kg cm١٠٤٢×٢١ و ضريب پوآسون برابر ٠.٣ مي باشد. تنش تسليم و تنش کششي نهايي به ترتيب برابر با kg cm٢٤٠٠٢ و kg cm٣٧٠٠٢ مي باشد. شکل (٥) نحوه المانبندي مدل را نمايش مي دهد.
به عنوان بارگذاري ثقلي با توجه به سطح بارگيري در پلان ساختمان (شکل ٢) بار قائمي برابر با ٦٧.٤٢٢ تن بر هريک از ستونها و ٢٧.١١٠ تن بر .P.G.Br اعمال مي شود. همچنين بار خطي برابر ٢٧٠٠ کيلوگرم بر متر بر روي تير اعمال مي گردد. نحوه اعمال بارگذاري جانبي بر روي مدل به صورت بارگذاري يکطرفه است . بارها با تحميل جابجايي عرضي در گره هاي انتهاي تير در محل اتصال به ستون ، در بازه هايي که نرم افزار بر اساس سرعت همگرايي آناليز تنظيم مي کند، اعمال شده است .
با به کار گرفتن گزينه غيرخطي هندسي و مصالح (Nonlinear behavior and large displacement effects) در بارگذاري يکطرفه و همچنين در بارگذاري شبه استاتيکي چرخه اي، در هر مرحله از آناليز، المان ها بر اساس پيکره بندي و موقعيت جديد گره ها فرمول بندي مي شوند. با استفاده از اثر تغيير مکان هاي بزرگ در آناليز ، کمانش موضعي و رفتار پس کمانش مي تواند در نظر گرفته شود .
٤. روش تعيين ضريب رفتار
به منظور تعيين ضريب رفتار سيستم از تحقيقات يوآنگ استفاده شده است . در شکل (٦)، رفتار کلي سازه و شکل ايده آل آن تحت بارگذاري استاتيکي که به تدريج افزايش داده مي شود ،نشان داده شده است [٦]. اگر فرض شود که سازه در هنگام زلزله رفتار خطي داشته باشد، نيروي حداکثر اعمالي به آن خواهد بود، ولي با توجه به اين که رفتار واقعي به صورت غير خطي است و مقدار قابل توجهي از انرژي زلزله در اثر عملکرد غير ارتجاعي سازه مستهلک مي گردد ، نيروي کمتري در حد (نيروي متناظر با حد تسليم عمومي سازه ) به سازه وارد مي گردد.
