مقاله مدلسازی لرزهای سازه های فولادی با قاب های خمشی صلب

بخشی از مقاله

مدلسازی لرزهای سازه های فولادی با قاب های خمشی صلب

چکیده

زلزله یکی از حوادث طبیعی بسیار مهم در کشور ما ایران است که هر چند سال یک بار جان هزاران نفر را بدلیل ضعف ساخت و ساز در کشور و عدم رعایت نکات آئیننامههای طراحی ساختمانها در برابر زلزله میگیرد. قابهای خمشی صلب یکی از سیستمهای مهم مقاوم در مقابل نیروهای زلزله است. از این میان مقاومت و رفتار اتصالات در رفتار کلی سازه و قاب خمشی صلب تأثیر اصلی و درجه اول را دارد. در این مقاله با طراحی مقطع قوطی شکل برای ستونها و IPE و CPE برای تیرها سه نوع اتصال صلب خمشی ویژه، متوسط و معمولی طراحی، مدلسازی و تحلیل شده و پس از محاسبه مقاومت نهایی این سه نوع اتصال با مدل نمودن اتصال با المان فنر غیر خطی در کل قاب، به محاسبه تأثیر مقاومت نهایی این اتصالات در رفتار قاب از نظر شکلپذیری، قابلیت جذب انرژی، دریفت ها و تغییر شکل طبقات و ... پرداخته شده است.

واژگان کلیدی: زلزله، قاب خمشی، صلب، مدلسازی

-1 مقدمه

با قرار گرفتن ایران در بخشی از کمربند کوهزایی آلپ- هیمالیا که به عنوان آخرین و جوانترین نواحی کوهزایی جهان شناخته شده است، پدیدههای دگرشکلی به اشکال گوناگون در آن متظاهر میگردند. باز شدن دریای سرخ و در نتیجه حرکت پهنه عربستان به سوی ایران و جابجایی بستر اقیانوس هند در نواحی عمان و حرکت به سوی شمال- شمال شرقی و همچنین حرکت دیگر صفحات لیتوسفری پیرامون ایران، موجب فراهم شدن شرایطی گردیده است که هر چند گاه با آزاد شدن انرژی ناشی از تمرکز تنشها در راستای گسلهای فعال، شاهد زمین لرزه ای ویرانگر در میهنمان ایران باشد.

بررسی زلزلههای مختلف نشان میدهد که حدود 99 درصد مرگ و میرهای زلزله به دلیل ویران شدن ساختمانهایی است که بشر از آن بعنوان سر پناه زندگی خود استفاده کرده است لذا چگونگی ویرانی ساختمانها تحت تحریکات زمین از مهمترین مباحث آسیب شناسی زلزله است.

سیستم قاب خمشی فولادی از سیستمهای سازهای متداول در برابر بارهای جانبی است. در این سیستم فرض بر این است که اتصال کاملاً صلب تیر به ستون این اجازه را به اعضای قاب میدهد تا با سختی و مقاومت خمشی خود در برابر بارهای جانبی در زلزله مقاومت نمایند. این سیستم سازهای دارای شکل پذیری بالایی میباشد و به همین دلیل برای مناطق با خطر زلزله بالا و ضریبهای لرزهای زیاد ایدهآل فرض میگردند. در حالیکه در زلزله نورتریج در سال 1994مشاهده گردید ساختمانهای با سیستم قاب خمشی فولادی بواسطه شکست اتصالاتشان دچار خسارتهای نسبتاً زیادی شدهاند. بنابراین با تشکیل چندین گروه تحقیق، مطالعات آزمایشگاهی زیادی را روی اتصالات گیردار متداول در آمریکا انجام دادند و روشهای طراحی جدیدی را که امروزه و طی چند سال اخیر به عنوان اتصال خمشی ویژه شناخته میشود ارائه دادند .[1]

در ایران با توجه به یک سری محدودیتها در تولید یا واردات مقاطع سنگین فولادی مثل IPB، بناچار مقاطع دوبل که ممکن است با ورق نیز تقویت شده باشند جهت ساخت ستونها بکار گرفته میشوند و این در حالیست که تحقیقات انجام گرفته توسط دکتر سیمونیان نشان داده که در صورت عدم مراعات جزئیات مناسب درصد صلبیت اتصال این مقاطع حتی با بکارگیری سخت کنندههای زیر سری و روسری و ورقهای پیوستگی ستون، تا حد مطلوب صلبیت کامل (بالای (%90 فاصله زیادی دارد .[2] از طرفی تحقیقات انجام گرفته توسطH.M oh, S.M. K.M [3] برروی یک نوع اتصال صلب متداول در کره و تأثیر آن بر روی عملکرد قاب خمشی فولادی و همچنین مطالعات,D.A Foutche [4] s.y. Yun روی مدل اتصال صلب متداول در آمریکا قبل از زلزله نورتریج و بررسی رفتار سازه با لحاظ کردن مشخصات اتصال بررسی شده، همگی نشان دهنده تأثیر رفتار واقعی اتصال بر عملکرد قاب خمشی فولادی تحت بارهای جانبی بودند. در تحقیق حاضر پس از مدلسازی و تحلیل و بررسی عملکرد سه نوع اتصال صلب خمشی با شکلپذیری ویژه، متوسط و معمولی و مشخص شدن لزوم بکارگیری و طراحی اتصالات صلب خمشی با شکلپذیری ویژه، بدلیل کارایی بالا و عملکرد مناسب و جذب انرژی زیاد، در نهایت دو نوع اتصال صلب که اولی آن مدل آزمایش شده توسط دکتر سیمونیان میباشد و دومی مدل اتصال پیشنهادی جایگزین است به بررسی ظرفیت این دو نوع اتصل پرداخته شده است. پس از تعیین مقاومت و ظرفیت این نوع اتصالات، با مدل سازی اتصال تیر به ستون با المان فنر پیچشی غیر خطی قاب خمشی فولادی (طراحی شده براساس آئین نامه) با در نظر گرفتن رفتار اتصال ها ابتدا تحت آنالیز استاتیکی غیر خطی قرار گرفته و سپس همان قاب تحت آنالیز دینامیکی غیر خطی قرار داده شده است تا پاسخ سازه خمشی فولادی با لحاظ نمودن رفتار واقعی این دو نوع اتصال تحت بارهای جانبی مورد مقایسه قرار گیرد تا در نهایت نتیجه گیری صورت بگیرد.

-2 مروری بر تحقیقات انجام شده
زلزله نورتریج (Northridge) در اوایل سال 1994 در آمریکا باعث آسیب های گسترده ای در ساختمان های با سیستم مقاوم قـاب خمشـی، گردیـد. از طرفی مشاهده گردید بیشتر آسیبها و خسارتها نیز در اتصال تیرها به ستون ها و در نزدیکـی سـتون متمرکـز شـده اسـت. بنـابراین در اواسـط 1994 گروهی متشکل از جامعه مهندسی سازه کالیفرنیا و مهندسی زلزله دانشگاه کالیفرنیا شکل گرفته تا به تحقیق و بررسی روی آسیبهـای بوجـود آمـده در اتصالات جوشی قاب های خمشی پرداخته و به دنبال آن راهکارهایی جهت تعمیر آنها و همچنین روشهای طراحی جدیدی جهـت کـاهش آسـیبهـا در زلزله های آینده ارائه کنند. این گروه با ارائه روش طراحی جدید، اقدام به بررسی ویژگی مصالح، عملکرد اتصالات و عملکرد سیستم های سـازه ای نمودنـد. مهمترین بخش تحقیقات آنها، بر روی عملکرد اتصالات قاب خمشی فولادی که با ورق های تخت فولادی مسلح شده، متمرکـز شـده بـود. ایـن ورقهـای تخت بر مبنای همان روشهای طراحی جدیدی که ارائه نمودهاند، برای دور کردن محل تشکیل مفصل پلاستیک از برستون، بکار گرفته میشوند.[1]

در همین زمینه، افراد دیگری مثل [5] Engelhard, Sabol در سال 1995 و [4] Popov در سال 1996 نیز آزمایشهـا و تحقیقـاتی انجـام دادنـد کـه نتـایج کـار آنها نیز در گزارشهای ارائه شده توسط SAC موجود میباشد.

یکی دیگر از تحقیقاتی که اخیراً در زمینه عملکرد رفتار اتصالات صلب انجام گرفته است، مطالعات دکتر مقدم و مهندس پیرایه گر میباشد (سـال (1387 کـه بـه بررسـی اثرات پدیده جهش کرنش1، در اتصالات فولادی گیردار پرداخته شده است.[3] در تحقیق مقدم و پیرایه گر، ابتدا پدیده جهـش کـرنش معرفـی شـده اسـت و پـس از آن روی رفتار اتصال گیردار و ارتباط آن با شکست اتصالات صلب جوشی در زلزله نورتریج بیان گشته است.

در تحقیق دکتر مقدم یک تیپ اتصال گیردار که بال تیر با جوش به ستون متصل گردیده است مطابق آنچه در شکل (1) نشان داده شده بوسـیله مـدل اجزاء محدودی که ساخته شده است تحت بارگذاری یکنواخت و دوره ای مشخصی قرار گرفت. نتایج تحلیل نشان دهنـده تمرکـز تـنش در وسـط جـوش نفوذی بوده و همین امر به همراه پدیده جهش کرنش باعث بروز ترک در جوش و به دنبال آن شکست اتصال گردیده است.

- 1 طبق قضیو نوبر حاصلضرب ضریب مترکز تنش (k ) و ضریب مترکز کرنش ( (k در طول بارگذاری ثابت و برابر جذور ضریب مترکز تنش
ىندسی ( (k t میباشد. ، حال وقتی کو تنش در حل مترکز تنش )مثالً لبو سوراخ( بو تنش تسلیم برسد و از طرفی تنش

در کل ورق مهچنان افزایش یابد، با باز توزیع تنش در حل مترکز تنش میزان تنش شروع بو کاىش میکند کو این امر مهراه با افزایش کرنش خواىد بود کو این امر بو خوبی طبق قضیو نوبر توجیو پذیر است.

شکل -1 پروفیل کرنش فون- میزس در طول جوش نفوذی بال تیر به ستون [6]

در تحقیق دکتر مزروعی و سیمونیان اتصالات صلب جوشی متداول در ایران مورد ارزیابی قرار گرفته است (سال .[2] (1378 در این مطالعه، اتصال و مقاطع متداول در ایران که به صورت مقطع دوبل IPE یا CPE به عنوان تیر و مقطع دوبل IPE با یا بدون ورق تقویتی به عنوان ستون فرض گشته است، تحت بررسی قرار گرفته است. در ایـن تحقیق 7 اتصال صلب با جزئیات متفاوت مورد آزمایش قرار گرفته است.

-3 طراحی لرزه ای و بررسی پارامتر های آن
-1-3 طراحی لرزهای و هدف از آن

طرح ساختمانهای مقاوم در برابر زلزله، همچون طرح سازهها برای سایر حالات بار گذاری، اساساً بـه معنـی مشـخص نمـودن نیروهـا و تغییـر شـکلهای متناظر و همچنین تعیین اندازه و جزئیات اعضاء برای تحمل این نیروها و تغییر شکلها است. در برخی ساختمانهای خاص مثـل راکتورهـای اتمـی، طـرح سازه در مقابل زلزله عمدتاً بر رفتار ارتجاعی استوار بوده و تنشهای بحرانی در سازه باید کمتر از تنشهای حد تسـلیم باشـد. امـا در طراحـی سـاختمانهای متداول، مخصوصاً قابها، یک طرح اقتصادی با مجاز دانستن تسلیم بعضی از اعضا طی زلزلههای شدید بـه دسـت مـیآیـد. ضـوابط موجـود دراکثـر آیـین نامههای زلزله .[7] به طور ضمنی هدف از طراحی لرزهای برای ساختمانها را بصورت زیر بیان میدارند:

-1 زلزله های با شدت کم را بدون ایجاد خسارت تحمل کنند؛ از یک سازه انتظار میرود که این تحریکهای کوچک را که در طول عمـر سـازه بـه دفعـات اتفـاق میافتد، بصورت ارتجاعی و بدون ایجاد تسلیم تحمل کند.

-2 زلزله های با شدت متوسط را با ایجاد خسارات بسیار جزئی سازه ای و مقداری خسارات غیر سازهای تحمل نمایند؛ با طرح و اجرای مناسب، انتظار مـیرود کـه خسارات سازهای در این محدوده قابل تعمیر باشد.
-3 زلزلههای شدید را بدون فروریزی تحمل کنند.

بر طبق معیارهای فوق، توجه اصلی در مقاوم سازی در برابر زلزله به ایمنی جانی معطوف است؛ یعنی جلوگیری از فروریزی تحت شـدیدترین زلزلـهای کـه در طـول عمر سازه محتمل است. سازهای که براساس چنین فلسفهای طراحی شده باشد، تحت نیروهای زلزلهای قرار میگیرد که آن را به محدوده پلاستیک سـوق مـیدهـد. چرا که طرح سازهها برای رفتار الاستیک تحت لزرشهای ناشی از زلزلههای بزرگ اساساً اقتصادی نیست. لذا اکثر ساختمانها برای نیـروی برشـی بـه مراتـب کـوچکتر از نیروی برشی حد تسلیم نظیر قوی ترین زمین لرزهای که احتمال وقوع آن میرود، طراحی میشوند. این موضوع در شکل (2) به وضـوح نشـان داده شـده اسـت که در آن ضریب برش پایه الاستیک با ضریب برش پایه آیین نامه 1UBCمقایسه شده است. این اختلاف نشان میدهد اگر ساختمانی بـا نیروهـای حاصـل از آیـین نامه محاسبه شده باشد، وقتی که تحت زمین لرزهای با حداکثر شتاب مبنای طرح (در این مثال( 0/4 g قـرار گیـرد، تغییـر شـکلهای فراتـر از تسـلیم در آن ایجـاد خواهد شد. بنابراین صدمه دیدن ساختمانها تحت تحریکات بزرگ زمین، چندان تعجب آور نیست و تلاش مهندسی در این جهت است که طراحـی طـوری صـورت گیرد که میزان خسارت به درجه قابل قبولی محدود گردد. در حالت کلی تلاش میشود که نیل به اهداف فـوق بـا فـراهم آوردن مقاومـت، سـختی، شـکل پـذیری، قابلیت اتلاف انرژی و ... به مقدار لازم صورت گیرد.[3]

شکل -2 مقایسه ضرایب برش پایه آیین نامه UBC و طیف طرح الاستیک .[3]

-2-3 رفتار نیرو- تغییر شکل

همانطور که عنوان شد، در بیشتر ساختمانها یک طرح اقتصادی با پذیرش ایجاد تسلیم در برخی اعضاء تحت نیروهای ناشی از زلزلههای متوسط تا شـدید بـه دسـت می آید. بنابراین پاسخ تغییر شکلی سازه در هر دو محدوده ارتجاعی و غیر ارتجاعی، دارای اهمیت است و آزمون های آزمایشـگاهی متعـددی نیـز بـرای تعیـین ایـن پاسخ تحت شرایط زلزله انجام شده است.

-4 مراحل مدلسازی اتصال

قبل از مدلسازی، ابعاد اجزای اتصالها بایستی مشخص گردد؛ که برای این منظور، مقطع تیر و سـتون و ابعـاد ورقهـای روسـری و زیرسـری، سـخت کننـدههـای اتصال و تیر و ستون با توجه به مراحل طراحی که در توضیحات فصول قبل آمده است، انتخاب شدهاند. مشخصه هندسهای که هنوز معلوم نشده اسـت، طـول تیـر و ستون است که در مدل اتصال وارد میشوند. بدین منظور یک تراز تیر و ستون در محل اتصال مدل می شود به چند دلیـل ایـن انـدازه از تیـر و سـتون مـدل شـده است. یکی اینکه هرچه طول تیر و ستون بزرگتر باشد تأثیر تغییر مکان و تنشهای داخل آنها بر عملکرد اتصال بیشتر مـیشـود (از لحـاظ میـزان چـرخش) و دیگـر اینکه طول زیاد باعث افزایش تعداد المانها و به دنبال آن زیاد شدن زمان تحلیل میشود در حالیکه چندان تأثیری در دقت مدلسازی نخواهد داشت.

بعد از مشخص شدن ابعاد هندسی مدل اتصال، براساس ضخامتهای موجود(ضخامت بـال و جـان تیـر و سـتون، ورقهـای روسـری و زیرسـری،...) تعـداد و مقـدار ثابتهای حقیقی (Real Constant) معین میگردند. بنابراین مطابق ابعاد تعیین شده در مرحله اول سه تیپ اتصال با مقـاطع سـتون قـوطی شـکل و تیـر IPE مدلسازی شده تا ظرفیت اتصالات صلب ویژه، متوسط و معمولی به دست آید و در مرحله دوم مطابق ابعاد تعیین شده 2 مدل اتصال به شرح زیـر سـاخته مـیشـود تا هدف اصلی این تحقیق که بررسی صلبیت و ظرفیت این نوع اتصال گیردار است، محقق گردد.

-1-4 مدلسازی تیپهای اتصال مرحله اول


شکل -4 نمودار تنش – کرنش مصالح معرفی شده به نرم افزار ANSYS

با توجه به شکلهای 3و 4، در بررسی رفتار اتصال در عملکرد کل قاب نتیجه میشود که اولاً تغییر شکل قـاب خمشـی ویـژه بـه مراتـب بیشـتر از قـاب خمشی معمولی و متوسط است و این نشان دهنده شکل پذیری و جذب اتلاف انرژی زلزله و قابلیت رفتار خمیری بیشتر در قاب خمشی ویـژه مـیباشـد. در عوض سختی اولیه و مقاومت تسلیم قاب خمشی معمولی از متوسط و ویژه بیشتر است. البته در زلزلههای ضعیفتر رفتـار سـه مـدل نزدیـک بـه هـم است.