بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقاوم سازي ساختمانهاي فلزي موجود با ميراگرهاي ADAS
چکيده
با توجه به افزايش روزافزون دانش لرزه خيزي و به تبع آن نياز به اصلاح ضوابط و مقررات آيين نامه اي و از طرف ديگر انبوه سازه هايي که بر اساس ضوابط آيين نامه هاي قديمي طراحي و اجرا شده اند، بررسي رفتاري و تحقيق در بارة نياز اين سازه ها به مقاوم سازي لازم و ضروري به نظر مي رسد. از طرفي مقاوم سازي ساختمانهاي مذکور با روشهاي معمول مانند استفاده از بادبند، مستلزم مصرف هزينه هاي بالا و در نوع خود داراي مشکلات اجرايي است که باعث کاهش انگيزه هاي مقاوم سازي در جامعه خواهد شد. در اين مقاله بررسي مشکلات موجود در ساختمانهاي طراحي شده با آيين نامه ۲۸۰۰ قديم و مقاوم سازي آنها با استفاده از ميراگرهاي ADAS (سختي و ميرايي افزوده ) يک بار ديگر با استفاده از مهاربند و سپس مقايسه رفتاري قابهاي مقاوم سازي شده با اين دو روش انجام شده است . به منظور بررسي دقيق عملکرد لرزه اي قابها، تحليل تاريخچه زماني غيرخطي انجام و ضريب رفتار قابهاي مقاوم سازي شده با ميراگرهاي ADAS محاسبه شده است . قابهاي مورد مطالعه از نوع قاب ساده همراه با مهاربندي با تعداد دهانه و طبقات متفاوت است . پس از انجام مطالعات و تحليلها، بهبود چشمگيري در عملکرد لرزه اي قابهاي مورد مطالعه نسبت به قابهاي اوليه مشاهده شد و نتايج حاصل حاکي از برتري روش استفاده از ميراگرهاي ADAS نسبت به روش تقويت به وسيله مهاربند است .
کليد واژگان : ميراگر ADAS، مقاوم سازي ، عملکرد لرزه اي، قاب ساده همراه با مهاربندي.
۱- مقدمه
تفکر کنترل ارتعاش ورودي به سازه و پاسخ آن ، تغييراتي اساسي را در روند معمول مقاوم سازي سازه ها در برابر زلزله ايجاد کرده است . در اين تفکر به جاي مقاوم سازي سازه به عنوان تنها راه ، وسايل و امکانات جنبي نصب مي شوند تا همراه با سازه و به صورت يک مجموعه در برابر زلزله مقاومت کنند. اين وسايل و امکانات با رفتار خاص خود باعث بهبود پاسخ سازه به هنگام زمين لرزه مي شوند.
سيستمهاي کنترل ارتعاش که براي بهبود پاسخ و کنترل خرابي سازه طراحي و نصب شده اند، به دو دسته کنترل غير فعال و کنترل فعال تقسيم مي شوند. هدف از اين روشها افزايش ايمني سازه در هنگام زلزله هاي شديد و کاهش خسارتهاي سازه اي و غير سازه اي در زلزله هاي متوسط و به طور کلي دستيابي به عملکرد مطلوب است .
از خاصيت جاري شدن فلزها در روشهاي مختلفي براي افزايش کارايي سازه در مقابل زلزله استفاده شده است که از آن جمله مي توان استفاده از سيستم ميراگرهاي ADAS را نام برد. در حقيقت با استفاده از اين سيستم ، تخريب بر نقطه اي مشخص از سازه متمرکز شده و موجب بروز خرابي موضعي مي شود. به طور کلي اساس ميراگرهاي تسليمي بررفتار غير الاستيک استوار است . در اين روش از استهلاک انرژي پسماند براي افزايش ميرايي سيستم استفاده مي شود. سطح زير منحني نيرو‐ تغييرمکان معرف مقدار انرژي مستهلک شده است .
در زلزله هاي با شدت کم يا متوسط ، سطح زير اين منحني به دليل سختي بالاي اعضا کم است ؛ اما با افزايش شدت زلزله تشکيل حلقه ها وسعت يافته و ميرايي اضافه مي شود. در اين ميراگرها از خاصيت تغيير شکل فولاد نرمه يا سرب براي جذب انرژي استفاده مي شود. بدين ترتيب با افزودن قطعه اي فلزي به سيستم و انتقال نيروي حساب شده به آن ، موجب جاري شدن آن در هنگام زلزله و در نتيجه مستهلک کردن مقدار زيادي از انرژي ورودي به سازه مي شود. لذا عمل تخريب بر روي اسکلت روي نمي دهد؛ بلکه بر روي قطعه اي از پيش تعيين شده روي مي دهد که پس از زلزله نيز قابل تعويض است .
ADAS معمولا به عنوان بخشي از عضو بادبندي سيستم طراحي مي شود و به گونه اي نصب مي شود که تغيير مکان طبقه باعث ايجاد تغيير مکان نسبي در دستگاه شود .
نمونه اي از اين سيستم در شکل ۱ نشان داده شده است.
استهلاک انرژي در اين سيستم از طريق تغيير شکل خميري ورقهاي فولاد نرمه در خمش انجام مي شود . ميراگرهاي ADAS در قالب استفاده از ورقهاي فولادي براي اولين بار در يک نيروگاه هسته اي در آمريکا به کار رفت [۱]. در تحقيقي که شرکتهاي بکتل پاول و کانتر کويک در سال ۱۹۹۱ انجام دادند، يک قاب سه طبقه با اتصالات خمشي در جهت بارگذاري و بادبندي در جهت ديگر و يک قاب سه طبقه که با المانهاي ADAS بازسازي شده بود، مطالعه و خواص مکانيکي سه نوع ميراگر با ورقهاي x شکل بررسي شد.
شکل ۱ ميراگر ADAS
اضافه کردن سيستم ADAS همراه با بادبندها به روشني نشان داد که اين المانها باعث افزايش سختي و ميرايي و افزايش ظرفيت اتلاف انرژي و کاهش تغيير مکان نسبي طبقات در حدود ۵۰ تا ۷۰ درصد مي شوند [۲]. در سال ۱۹۸۹ ويتاکر تحقيقات خود را در زمينه ميراگرهاي ADAS در دانشگاه برکلي کاليفرنيا کامل کرد [۳]. او در سال ۱۹۹۳ ساختمان ده طبقه اداري را که در نزديکي پارک آلامدا در مرکز شهر مکزيکوسيتي واقع شده و در زلزله ۱۹۵۰ به دليل پديده تشديد با خاک محل خسارت ديد، بررسي کرد. او يک بار سازه را با مهاربندهاي اضافي به غير از مهاربندهاي موجود و بار ديگر با استفاده از ميراگرهاي ADAS مقاوم سازي کرد و نتيجه گرفت که استفاده از سيستم المانهاي ADAS رفتار ديناميکي بهتري را نتيجه مي دهد و جذب کننده هاي انرژي، سازه را به تغيير شکلهاي مناسب و کم شدن ميزان نيرو در اعضاي اصلي سازه در حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد سوق مي دهند و پاسخهاي غيرخطي عموما در المانهاي ADAS ايجاد مي شود که تحت تغيير شکلها و نيروهايي که در حد تحمل آنها است قرار دارند [۴]. در سال ۱۹۹۲ نيز تحقيقات کاملي توسط Tsai بر روي ميراگرهاي ADAS صورت گرفت [۵]. در تحقيقي ديگر که توسط محسن تهرانيزاده در دانشگاه صنعتي اميرکبير تهران انجام شد تأثير ميراگرهاي ADAS بر رفتار اتصالات خورجيني بررسي شد. نتايج حاصل از اين تحقيق نيز نشان دهنده بهبود رفتار سازه هاي مورد آزمايش بود؛ به طوري که وجود اين المانها باعث رسيدن عملکرد سازه ها به سطح مطلوب شد [۶].
2 - مدلهاي مورد مطالعه
در اين بخش چندين مدل سازه اي با سيستم قاب ساختماني ساده انتخاب و بر اساس آيين نامه زلزله ۲۸۰۰ ويرايش اول [۷] طراحي و بررسي شده است . فلسفه انتخاب سيستم قاب ساختماني ساده اين بوده است که بيشتر ساختمانهاي ساخته شده و در حال ساخت در ايران ، اين نوع سيستم سازه اي را دارند. چند مدل ساختماني مختلف (از ۳ تا ۱۰ طبقه ) از نظر تعداد طبقات و دهانه بررسي شده که همگي بر اساس ضوابط اين آيين نامه (ويرايش اول) طراحي شده است . سپس عملکرد آنها بر اساس طيف طرح آيين نامه ويرايش دوم [۸] به روش طيف ظرفيت بررسي شده است . ابعاد سقف براي مدلها، سه مدل مختلف و به صورت متقارن در نظر گرفته شده که هر مدل از نظر تعداد طبقه به سه دسته تقسيم مي شود. از آنجا که استفاده از ميراگرهاي ADAS
در بادبندهاي شورون (۷ يا ۸) معمول است ، سيستم سازه اي در جهت اصلي قاب ساده به علاوه مهاربند ۸ و در جهت عمود بر آن که بررسي عملکرد لرزه اي مورد نظر نبوده و محدوديتي از لحاظ سيستم سازه اي وجود نداشته نيز، از قاب ساده به علاوه مهاربند ۸ استفاده شده است . جدول ۱ خلاصه اي از خصوصيات مدلها نشان مي دهد. مدلهاي مذکور به صورت سه بعدي طراحي شده و نوع کاربري ساختمانها از نوع مسکوني و با اهميت متوسط فرض شده است . همچنين ساختمانهاي مورد مطالعه در منطقه با خطر لرزه خيزي بالا و خاک نوع يک فرض شده است . ارتفاع تمامي طبقات يکسان و برابر ۳.۰۰ متر و همچنين نوع اتصالات ستونها به پي از نوع مفصلي در نظر گرفته شده است . سيستم سقفي تمامي مدلها از نوع تيرچه بلوک است . بارگذاري ثقلي ساختمانها بر اساس آيين نامه بارگذاري استاندارد ۵۱۹ ايران [۹] انجام شده است ، لذا بر اساس اين استاندارد بار مرده سقف که از نوع تيرچه بلوک است برابر با 2 و بار زنده واردشونده بر سطح طبقات براي طبقات برابر 2 و براي بام برابر 2 در نظر گرفته شده است . همچنين بار ديوارهاي جانبي طبقات با در نظر گرفتن سطوح بازشوها و کسر آنها برابر 600 kg/mو براي جان پناه برابر kg.m 250 فرض شده است . سيستم سقفها از نوع صلب بوده ، لذا تمامي نقاط روي يک طبقه با يکديگر حرکت مي کنند و در نتيجه هيچ گونه نيرو و تغيير شکل محوري در آنها ايجاد نخواهد شد. مقاطع مورد استفاده در ستونها و مهاربندها از نوع قوطي و براي تيرها از نوع IPE در نظر گرفته شده است . فولاد مصرف شده در ساختمانها از نوع فولاد نرمه ساختماني با تنش تسليم و مدول الاستيسيته است . طراحي مدلها نيز بر اساس آيين نامه سازه هاي فولادي ايران و بر اساس روش تنشهاي مجاز انجام شده است .
3 - روش تحقيق
روش انتخاب شده براي بررسي عملکرد لرزه اي مدلها، روش طيف ظرفيت و معيارهاي ارائه شده در آيين نامه هاي ٢٧٣-FEMA و ATC٤٠ ملاک بررسي عملکرد لرزه اي مدلها بوده است [۱۰،۱۱]. تراز عملکرد انتخابي سطح عملکرد ايمني جاني و طيف نياز استفاده شده طيف طرح آيين نامه ۲۸۰۰ ايران است . سپس با توجه به نتايج حاصل ، مقاوم سازي مدلها به دو روش تقويت به وسيله مهاربند و تقويت به وسيله ميراگرهاي ADAS شده و در نهايت مدلهاي تقويت شده به روش تحليل ديناميکي غيرخطي تحت سه رکورد نرماليزه شده طبس و ناغان و السنترو بررسي شده است .
۴‐ پارامتر های مرتبط با خصوصویات فیزیکی میراگر های ADAS
هر صفحه میراگر ADAS به سه پارامتر طول و عرض و ارتفاع مشخص میشود . مشخصات مکانیکی این میراگر ها ، مقاومت برشی و سختی الاستیک و همچنینجابه جايي تسليم است . بنابر اصول مقاومت مصالح داريم :
که در آن y∆ جابه جايي تسليم و Vy مقاومت برشي و k e سختي الاستيک است . اگر شکل هندسي صفحات به صورت ضربدري در نظر گرفته شود يا به بيان ديگر از ضخامت موجود در وسط المان صرفنظر شود (حداقل گضرخفتاه مت مي بشه ودم)نظوورهامنتچقانيلن تنازش تغبيريرشيشکدلرهاايلمامن حدورينظر برشي که بسيار کم است صرفنظر شود و با فرض شرايط تکيه گاهي دو انتهاي آن به صورت گيردار و همچنين در نظر گرفتن رفتار منحني نيرو تغييرشکل به صورت الاستو پلاستيک با سخت شدگي مي توان براي هر صفحه از ورقهاي فولادي با در نظر گرفتن تعادل لنگر در مقطع نوشت :
از طرفی ظرفیت خمشی پلاستیک مقطع برابر است با حاصلضرب اساس مقطع پلاستيک در مقدار تنش تسليم :
با در نظر گرفتن شکل مقطع به صورت مستطيلي مي توان نوشت :
جابجايي نسبي ارتفاع صفحه نيز برابر است با:
مقاومت برشي مقطع چنين به دست مي آيد:
با توجه به روابط حاصل ، سختي صفحه المان فولادي را مي توان به صورت زير به دست آورد:
روابط فوق براي ميراگر ADAS که مجموعه اي از صفحات فولادي است ، عبارت است از:
که در آن تغيير مکان تسليم ميراگر، l ارتفاع ميراگر، εy کرنش تسليم ، t ضخامت هر يک از ورقهاي فولادي، b
عرض صفحات فولادي، تنش تسليم صفحه ، E مدول ارتجاعي مصالح و n تعداد صفحه هاي فولادي موجود در ميراگر است .
۵- تحليل استاتيکي
پس از طراحي قابها، به منظور بررسي عملکرد آنها تحليل غيرخطي استاتيکي قابها به وسيله نرم افزار Sap2000 روش طيف ظرفيت براي بررسي انجام شده است .
عملکرد قابها در نظر گرفته شده ، لذا لازم است که هر دو منحني طيف نياز و ظرفيت در فرمت ADRS (طيف پاسخ شتاب ‐ تغيير مکان ) ترسيم شده و محل تلاقي هر دو منحني به دست آيد. سپس با توجه به ضوابط ارائه شده در آيين نامه هاي 273-FEMA و ATC40 کفايت مقاومت و سختي مدلها بررسي شده است . براي نمونه ، اين منحني براي يکي از قابها در شکل ۲ نشان داده شده است .
سازه هاي مورد بررسي از نظر کفايت مقاومت و سختي بررسي شده است . پس از تحليل غيرخطي استاتيکي مدلها نتيجه گرفته شد که به دليل شکل پذيري کم سيستم مهاربندي و به دليل سختي بالاي آن و نيز کمانش زودهنگام مهاربندهاي فولادي که منجر به تسليم و کمانش ستونها مي شود‐ قابهاي مورد مطالعه تحمل طيف زلزله طرح آيين نامه جديد ايران را با شتاب مؤثر 0.35g در محدوده ايمني جاني نخواهند داشت . به بيان ديگر حداکثر شتاب مؤثر قابل تحمل آنها کمتر از شتاب مؤثر مورد انتظار است . لذا مدلهاي مورد بررسي از نظر مقاومت توانايي لازم را ندارند. در برخي موارد براي اطمينان بيشتر مشاهده شد که اعضاي سازه هاي مورد مطالعه در نقطه عملکرد خود، تغيير شکلهاي غير مجاز در محدوده ايمني جاني از خود نشان مي دهند. همچنين تغيير مکان نسبي طبقات اين قابها در نقطه عملکرد بيش از حد مجاز تعيين شده در آيين نامه ۲۸۰۰ ايران ويرايش دوم بوده و سختي لازم را ندارند. در نتيجه ساختمانهاي مورد مطالعه براي بررسي پارامترهاي فوق مقاوم سازي شد.
۶- تقويت مدلهاي مورد مطالعه
قابهاي مورد مطالعه با استفاده از مهاربند و ميراگرهاي ADAS، مقاوم سازي و سعي شد با انجام مراحل سعي و خطا طرح تقويت ، به وسيله مهاربند کاملا بهينه و اقتصادي شده و با توجه به حداقل مقدار فولاد به دست آمده براي اين طرح ، با مقدار فولاد کمتري مقاوم سازي به وسيله المانهاي ADAS انجام و در نهايت مقايسه اي بين اين دو روش مقاوم سازي از نظر فولاد مصرفي و مقدار حداکثر شتاب مؤثر قابل تحمل انجام شود. به طور کلي هدف مقاوم سازي سازه ها براي رسيدن به سطح عملکرد ايمني
