بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقاوم سازي قاب خمشي فولادي متوسط با بادبند EBF يا شورون
خلاصه
سيستم قاب خمشي فولادي يکي از پر کاربرد ترين سيستم هاي مورد استفاده در صنعت ساختمان کشور مي باشد. اين سيستم به دلايل مختلف از جمله مسائل معماري و امکان ايجاد بازشو، بسيار مورد توجه بوده ولي در برخي موارد به دلايلي همچون ضعف در طراحي يا اجرا جوابگوي تغيير مکان جانبي مجاز آيين نامه ٢٨٠٠ نمي باشد. در اين مقاله براي مقاوم سازي اين گونه سازه هاي ضعيف از بادبندهاي EBF يا شورون استفاده شده است . براي مدلسازي از نرم افزار غيرخطي SAP٢٠٠٠ استفاده شده و بعد از تعيين منحني ظرفيت ، نقطه عملکرد قابها مشخص و نتايج با يکديگر مقايسه شده اند تا سيستم مناسب تر براي مقاوم سازي تعيين شود.بعد از بررسي بادبند EBFکارايي بهتري نسبت به شورون از خود نشان داده است .
کلمات کليدي : مقاوم سازي ، بادبند EBF، بادبند شورون ، روش طيف ظرفيت .
١. مقدمه
با توجه به موقعيت کشور و قرار داشتن روي کمربند زلزلهاي آلپ - هيماليا، توجه به بحث پايداري سازه ها در برابر زلزله ها امري اجتناب ناپذير و ضروري است . در کشور ما به دليل حضور بسياري از اشخاص غير متخصص در امر ساختمان سازي بسياري از سازه هاي موجود از لحاظ مقاومت در برابر زلزله چندان قابل اطمينان نيستند. به همين دليل در دستورالعمل بهسازي روشي به نام سطح عملکرد براي بررسي و بهسازي سازه هاي موجود ارائه شده است . پيشتر اين روش در آيين نامه هاي FEMA و ATC نيز ديده شده است .
ساختمانهاي فولادي با قاب خمشي در کشور ما به دليل مسائل معماري با استقبال زيادي روبه رو هستند، ولي اين ساختمانها عليرغم شکل پذيري خوب سختي چنداني ندارند. لذا معمولا در بحث جابجايي جانبي در طراحي آنها با مشکل بر خورد مي شود و به دليل عدم صرفه اقتصادي مقاطع تير و ستون افزايش داده نمي شوند و به عبارتي از کنترل جابجايي جانبي آنها صرف نظر مي شود. با توجه به اهميت بحث تغيير مکان جانبي ، نياز به بهسازي اين گونه سازه ها، که از لحاظ کنترل تغيير مکان جانبي کنترلهاي آيين نامه اي را جوابگو نيستند بخوبي احساس مي شود.
براي کنترل تغيير مکان جانبي در قابهاي خمشي فولادي معمولا از انواع بادبند استفاده مي شود، که با توجه به بحث معماري تنها در دو نوع از اين بادبندها امکان ايجاد بازشو را در دهانه مربوطه وجود دارد.که اين دو نوع بادبند عبارتند از بادبند واگرا و شورون . براي مقايسه اثر بادبندهاي واگرا و شورون در مقاوم سازي ، قابهايي دوبعدي با تعداد دهانه و تعداد طبقات مختلف درحالت اتصال تير به ستون صلب در نظر گرفته شد.اين قابها بر اساس آيين نامه ٢٨٠٠ ويرايش ٣ طراحي شده بودند، اما ضابطه مربوط به کنترل تغيير مکان جانبي يعني رابطه (١) را ارضا نمي کردند. به عبارت ديگر قابها با مشکل تغيير مکان جانبي بيش از حد مجاز رو به رو بودند.
M∆: تغيير مکان جانبي نسبي واقعي طرح در طبقه ،W∆: تغيير مکان جانبي نسبي طرح در طبقه ، R: ضريب رفتار سازه ،T: زمان تناوب اصلي ساختمان ،H: ارتفاع طبقه مي باشد.
٢. سطوح عملکرد و روش طيف ظرفيت
روش طراحي بر اساس مقاومت به دليل بيان رفتار اجزاي سازه از طريق تک پارامتر مقاومت در بسياري از موارد پاسخ مناسبي ارائه نمي کند.
در اين روش امکان ارزيابي دقيق سازه ها بر اساس عملکرد مورد انتظار آنها وجود ندارد. به همين دليل در سالهاي اخير روش طراحي بر اساس عملکرد و تمرکز به بحث عملکرد به جاي مقاومت مطرح شده است . اين روش نوين طراحي، سه سطح عملکرد اصلي را براي اعضاي سازه اي مشخص کند(شکل ١)[٢]. در اين روش با توجه به سطح عملکرد مورد انتظار، نقطه عملکرد سازه تعيين مي شود.براي تعيين نقطه عملکرد روشهاي مختلفي در آيين نامه ها ذکر گرديده که از مهمترين آنها روشهاي طيف ظرفيت و ضرائب تغيير مکان مي باشند. روش طيف ظرفيت که در اين مقاله از آن استفاده شده است توسط موسسه ATCآمريکا در نشريه شماره ٤٠ [٣] ارائه شده است . در اين روش نقطه برخورد طيف ظرفيت سازه و طيف نياز لرزه اي کاهش يافته به عنوان نقطه عملکرد١ سازه معرفي مي گردد.
شکل ١ -سطوح عملکرد سازه اي[١]
براي بدست آوردن طيف ظرفيت که در حقيقت منحني بار-جابجايي سازه مي باشد ، يک سري آناليزهاي مرحله اي انجام مي شود. مدل رياضي سازه در هر مرحله به گونه اي اصلاح مي شود که کاهش مقاومتهاي ناشي از تشکيل مفصل پلاستيک مد نظر قرار گيرد. اين فرايند تا جايي ادامه پيدا مي کند که سازه به محدوديتهاي از پيش تعيين شده برسد. طيف نياز همان طيف طراحي آيين نامه مي باشد که در ناحيه غير خطي به دليل افزايش ميرايي موثر سازه ، مقدار آن کاهش يافته است . بر اين اساس نشريه ٤٠-ATC بسته به ميزان وارد شدن سازه در ناحيه غير خطي ضرايب کاهشي براي نواحي شتاب ثابت و سرعت طيف به شرح زير معرفي مي کند.
βeff=ميرايي موثر،β0=ميرايي ويسکوز معادل ناشي از رفتار هيسترزيس سازه مي باشد.
شايان ذکر است که در اين روش طيف نياز و ظرفيت هر دو بايد به صورت نمودار Sa در برابر تبديل شوند. با توجه به اينکه مقدار ميرايي موثر نقاط روي طيف ظرفيت متفاوت است لذا ضريب کاهش طيف نياز نيز براي نقاط مختلف ، متفاوت خواهد بود، به همين دليل بدست آوردن نقطه عملکرد سازه روندي تکراري و توام با سعي و خطا مي باشد.
شکل ٢-فرايند تعيين نقطه عملکرد[١]
در حالتي که از اين روش براي بدست آوردن پارامترهاي لرزه اي سازه استفاده مي شود، نقطه عملکرد مشخص و در حقيقت همان نقطه انهدام سازه با حفظ حاشيه ايمني مي باشد. در ٤٠-ATC حداکثر تغيير مکان مجاز جانبي براي تامين ايمني جاني که مشابه ساختمانهاي با اهميت متوسط در آيين نامه ٢٨٠٠ مي باشد ٠.٠٢ ارتفاع سازه مي باشد.
٣. بادبند واگرا(EBF)
پوپوف و همکارانش در اواسط دهه ٧٠ سيستم مقاوم جانبي واگرا را در دانشگاه کاليفرنيا ابداع کردند که مي تواند به طور اقتصادي هم معيار شکل پذيري و هم معيار سختي کافي را ارضا کند.اين نوع سيستم مقاوم در برابر نيروي جانبي هم خصوصيت اتلاف انرژي سيستم هاي قاب گيردار و هم سختي مناسسب قابهاي مهار شده همگرا را همزمان داراست که از نظر اقتصادي بسيار مطلوب مي باشد.وظيفه جذب انرژي وارده در اثر بار زلزله بر عهده تير پيوند،يعني قسمتي از تير که مابين دو مهار بند قرار مي گيرد،گذاشته شده است .در واقع تير پيوند همانند فيوزي عمل مي کند که با جذب انرژي از طريق تغييرشکلهاي غير ارتجاعي از وارد شدن ساير اعضاي قاب به ناحيه پلاستيک جلوگيري مي کند[٤].
تيرهاي پيوند بر اساس طول به سه دسته کوتاه ،متوسط و بلند طبقه بندي مي شوند.تيرهاي پيوند کوتاه از رابطه (٥) پيروي و بصورت برشي عمل مي کنند ، از ديدگاه جذب انرژي و تغيير شکلهاي ارتجاعي عملکرد مناسبتري نسبت به تيرهاي پيوند بلند که بصورت خمشي عمل مي کنند، دارند.در اين نوع تير پيوند جذب انرژي از طريق جاري شدن برشي جان تير پيوند انجام مي گيرد و بنابراين تغيير شکلهاي ارتجاعي در جان تير پيوند به وجود مي آيند[٥].
MP و VP به ترتيب لنگر پلاستيک و برش پلاستيک مقطع مي باشند.
٤. بررسي و تحليل قابهاي مورد مطالعه
بدين ترتيب قابهاي زير(شکل ٣) با استفاده از نرم افزار SAP٢٠٠٠ و بر اساس مبحث ششم مقررات ملي ساختمان (بارهاي وارد بر ساختمان )و آيين نامه ٢٨٠٠ ويرايش ٣ طراحي شد، به گونه اي که اعضاي ساختمان قابليت باربري کافي را دارا بوده ولي ضابطه تغيير مکان جانبي را ارضا نکنند. تا با استفاده از بادبندهاي واگرا يا شورون مقاوم سازي شده و نتايج با يکديگر مقايسه و سيستم مناسب تر تعيين گردد.
