بخشی از مقاله
مقایسه رفتار تیر پیوند (خمش وبرش) در ساختمان هاي بتنی مقاوم سازي شده با بادبند برون محور
چکیده
امروزه سازه هاي بتن مسلح در کشور از جایگاه ویژه اي برخوردار است و بیشترین خطري که این سازه ها را تهدید میکند ضعف در ساخت واجرا است که باعث خسارت هاي جبران ناپذیر جانی و مالی در هنگام زلزله میشود. در این مقاله چند نمونه قاب خمشی بتن مسلح موجود با شکل پذیري متوسط که براي بارهاي لرزهاي برآورد شده براساس »استاندارد 2800 ـ ویرایش دوم« طراحی گردیدهاند، مدل سازي شدند. به منظورتحتارزیابی قابها بارهاي لرزهاي اصلاح شده، مدلها براساس »استاندارد 2800 ـ ویرایش سوم«مجدداً بارگذاري لرزهاي گردیدند.
تحلیل مجدد قابها حاکی از آن است که نسبت تنشها در اکثر ستونها از یک تجاوز کردهبتناست. قابهاي مسلح به کمک مهاربندهاي برون محور بهسازي لرزهاي شدند. قابهاي مقاوم سازي شده با انجامهايتحلیل استاتیکی غیرخطی منطبق بر دستورالعمل بهسازي لرزهاي مورد ارزیابی لرزهاي قرار گرفته و نحوهي تشکیل مفاصل پلاستیک و سطوح عملکرد تامین شده توسط اعضا، یک بار با عملکرد برشی تیر پیوند و بار دیگر با عملکرد خمشی تیر پیوند در سازه ارزیابی شده است. نتایج تحقیق نشان میدهد تیر پیوند با عملکرد برشی نتایج قابل قبول تري را در بهبود شکل پذیري سازه ، کاهش تغییر مکان بام و تغییر مکان نسبی طبقات از خود نشان میدهد.
-1 مقدمه
آسیب دیدن بسیاري از ساختمانهاي طراحی و احداث شده براساس آیین نامههاي جدید طراحی لرزهاي در زلزلههاي اخیر نشان دهندهي این واقعیت است که روشهاي طراحی و اجراي سازهها جهت مقابله با نیروهاي زلزله هنوز نیاز به بهسازي و تکمیل دارند. بیشترین خطر زمین لرزه، به علت سیستمهاي سازهاي ضعیف، قدیمی و آسیب پذیر است. از زمین لرزهي 1995 کوبه مشخص شد که اکثر قربانیان 5500) نفر) در ساختمانهایی سکونت داشتند که از آیین نامههاي قدیمی در طراحی آنها استفاده شده بود. در طرح کلاسیک سازهها، ایمنی سازه با محدود نمودن تنشها در حد جاري شدن مصالح حاصل میشود، اما حتی زلزلههاي متوسط ممکن است باعث جاري شدن بعضی اعضاي سازهاي شوند. بنابراین براي پیشبینی عملکرد ساختمانها در مقابل زلزله نیاز به روشهاي تحلیلی غیرخطی حساس میشود. هدف طراحی در آیین نامههاي فعلی حفظ ایمنی جانی تحت شرایط زلزله هاي شدید میباشد و سرویس دهی نیز به طور ضمنی کنترل میشود. این هدف یک هدف حداقل است که براي سازههاي معمول لازم الاجرا میباشد. محققین روشهاي مختلفی را براي مقاوم سازي لرزهاي قابها پیشنهاد کردند که هر کدام از آنها داراي مزایا و معایبی میباشد. یکی از این روشها افزودن اعضاي سازهاي جدید مانند دیوار برشی یا مهاربندهاي فولادي به ساختمان میباشد. استفاده از مهاربندهاي فولادي برون محور با تیر قائم در مقاوم سازي سازه ها با استفاده از تحلیل غیره خطی میتواند مورد توجه قرار گیرد؛ چرا که این روش حداقل اضافه وزن را به سازه اعمالو میکند ضمناً اجراي آن نسبت به سایر روشها سادهتر میباشد. هم چنین بابه کارگیري مهاربندهاي برون محور دو پارامتر مهم شکل پذیري و سختی در ساختمان ها براورده میشود. از طرفی به دلیل اینکه تیر پیوند قایم در هنگام زلزله وظیفه مستهلک کردن انرژي رابر عهده دارد و به احتمال بسیار زیاد وارد فاز غیره خطی شده و ازبین میرود. بعد از وقوع زلزله میتوان بدون ابن که به سازه اصلی صدمه اي بخورد آن را تعویض کرد. در این مطالعه به منظور دستیابی اهداف ابتدا قابهاي بتن مسلح براي مقاوم سازي، براساس ویرایش دوم »آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله« بارگذاري لرزهاي گردیده و طراحی شدند. سپس بارهاي لرزهاي افزایش یافته که براساسویرایشاستاندارد 2800 ـ سوم محاسبه شده به قابها اعمال گردیدند(.(1 آنگاه مهاربندهاي فولادي برون محور با تیر پیوند عمودي به قابهاي بتنی اضافه شدند. تیر پیوند داراي دو نوع عملکرد خمشی یا برشی میباشد. ساختمان هاي مورد نظریک بار به تیر پیوند با عملکرد برشی و بار دیگر به تیر پیوند با عملکرد خمشی مجهز شده. تحقیق حاضر به ارزیابیايلرزه قاب بتنی مقاوم سازي شده براساس مفاهیم و ضوابط دستورالعمل بهسازي لرزهاي ساختمانهاي موجود پرداخته و وسه شاخص مهم در ارزیابی سازه ها (تغییر مکان بام ، تغییر مکان نسبی طبقات و برش پایه ) را در سازه هاي مورد ارزیابی با هم مقایسه می کند(.(2
-2 معرفی مدلهاي مورد مطالعه
در انتخاب مدلهاي مورد بررسی در این تحقیق سعی گردیده است مدلها به گونهاي انتخاب شوند که محدودهي وسیعی از ساختمانها را در بر بگیرند. بدین ترتیب نتایج به دست آمده براي بسیاري از ساختمانها قابل بسط و استفاده میباشد. به همین جهت از سه دسته قاب 3 دهانه به صورت 3 طبقه براي در نظر گرفتن تاثیر پارامترها بر روي ساختمانهاي کوتاه و 5 طبقه براي ارتفاع متوسط و 10 طبقه براي ساختمانهاي بلند در انجام تحلیلها استفاده گردیده و با در نظر گرفتن ارتفاع متوسط طبقات برابر 3/1 متر قابهایی با ارتفاع 9/1، 21/7، 31 متر را خواهیم داشت که بدین ترتیب محدودهي پریودي وسیعی را در بر میگیرند. در انجام این تحلیل از قابهاي منظم استفاده گردیده و مهار بندها در دهانهي وسط قرار گرفتهاند و از در نظر گرفتن اثرات بی نظمی صرفه نظر گردیده است.
بارهاي مردهي طبقات برابر 650 kg/m2 و بارهاي زندهي آنها برابر 200 kg/m2 در نظر گرفته شده است.هم چنین مقادیر بارهاي مرده و زندهي سقف به ترتیب برابر 550 kg/m2 و 150 kg/m2 میباشد(.(3 مقاومت فشاري بتن Mpa
28 و مقاومت جاري شدن فولاد 350 Mpa لحاظ گردید. ابعاد تیرها و ستونها و نیز سطح مقطع میلگردهاي اعضاي بتن مسلح براي قاب طرح شده در برابر بارهاي لرزهاي برآوردي استاندارد 2800 ـ ویرایش دوم میباشد. در طرح این قابها ابعاد و مقاطع میلگردها چنان به دست آورده شده تا نسبت تنشها در برخی ستونها کمی بیشتر از یک گردد تا اثر گذشت زمان بر کاهش مقاومت بتن لحاظ شود. ابعاد تیرها، ستونها و مقادیر میلگردهاي محاسبه شده در شکل (1) نشان داده شده است. ضرایب بارهاي لرزهاي براساس ویرایش سوم استاندارد 2800 محاسبه شده، آنگاه بارهاي لرزهاي جدید بر قاب بتن مسلح طرح شدهي موجود اعمال گردید. تحلیلهاي انجام گرفته حاکی از آن است که ستونها دروضعیت جدید پاسخگوي بارهاي لرزهاي نمیباشند و نسبت تنش در اکثر آنها از یک تجاوز میکند. لذا مهاربندهاي فولادي به نحوي که در شکل (1) نشان داده شده است به قاب اضافه گردید. ازموردآنجا که قابهاي بررسی قاب خمشی بتن مسلح در نظر گرفته شده است، لذا ظرفیت تیرها در آنها قابل اقدامملاحظه میباشد.بنابراین به نصب بادبند هاي برون محور میکنیم.البته در طراحی این نوع بادبند ها باید به این نکته توجه شود که قسمت پایین بادبند که به صورت 8 است در هنگام وارد شدن نیروي زلزله به هیچ عنوان کمانش نکند و ضوابط مربوط به آن کنترل شود در غیر این صورت انتظاري که از تیر پیوند در مستهلک کردن انرژي میرود براورده نخواهد شد و عملا تیر پیوند تاثیر خود را در مقابله با بار هاي جانبی از دست می دهد. طراحی اولیه با استفاده از نسخهي غیرخطی نرم افزار SAP2000 انجام گردیده(. (6
-2 تیر پیوند عمودي
سیستم پانل برشی یا تیر پیوند عمودي یکی از سیستم هاي غیر فعال انرژي است که به صورت قائم بین گره دو مهاربند شورون و قسمت پایین تیر کفی بالا نصب میشود. با جاري شدن جان تیر پیوند عمودي انرژي زلزله مستهلک شده. با استهلاك انرژي توسط این قطعه سایر اعضاي سازه الاستیک باقی مانده و از خرابی مصونمزیت می مانند. از هاي این سیستم نسبت به تیر پیوند افقی در مهاربند هاي واگرا این است که تیر پیوند افقی بخشی از قسمت اصلی سازه است. و معمولا از مقاطع سنگین طراحی شده اند و فقط هنگام زلزله هاي قوي وظیفه خود که جاري شدن و مستهلک کردن انرژي سازه است را انجام میدهد و ممکن است در هنگام زلزله هاي معمولی به مرز جاري شدن نرسد. و از طرفی در صورت جاري شدن قسمتی از تیر اصلی سازه کاملا خراب شده و به سختی قابل تعویض و بازسازي است. در صورتی که تیر پیوند عمودي را به راحتی میتوان تعویض کرد و به هر نیروي تسلیم دلخواهی میتوان دست یافت،(.(4 5 رفتار سیستم EBF چه در ناحیه خطی و چه در ناحیه غیر خطی متاثر از طول تیر پیوند میباشد. تحت یک زلزله شدید مفصل هاي خمیري در سیستم ایجاد میشود که نوع این مفصل ها بیانگر رفتار خمشی یا برشی میباشد.
-1.2 تعیین مرز پیوند هاي برشی و خمشی
طراحی ها بر اساس آیین نامه AISC-LRFD1997 و مقررات لرزه اي مربوط به آن انجام میشود(.(7 مقاومت برشی لازم تیر پیوند Vu نباید از مقاومت برشی طراحی تیر پیوند ØV n تجاوز کند و تیر هاي که تیر پیوند به آن متصل شده باید کنترل شوند چون به عنوان یک تیر ستون محسوب شده که باید تحمل فشار محوري و خمش ناشی از تیر پیوند را داشته باشند. مرز بین خمش و برش با روابط زیر تعیین میشود طول تیر پیوند در هر دو حالت پس از انجام مراحل
لازم در جدول شماره 1 آورده شده است،.((8 4
-3 ارزیابی لرزهاي قاب هاي موجود و مهاربندي شده
بعد از مدل سازي قابها و قبل از انجام تحلیلهاي غیرخطی باید بارهاي جانبی براساس دستورالعمل محاسبه و به سازه اعمال گردد. هم چنین پارامترهاي مدل سازي غیرخطی و نیز معیارهاي پذیرشدستورالعملبراساس ضوابط » بهسازي لرزهاي ساختمانهاي موجود« تعریف گردیده است.
-1.3 بارگذاري لرزهاي قابها
به منظور ارزیابی لرزهاي قابها و روش بهسازي به کار گرفته شده، قابهاي مهاربندي شده براساس دستورالعمل بارگذاري لرزهاي گردیدند. بر این اساس باید حداقل دو نوع توزیع بار جانبی بر سازه اعمال گردد:
الف ـ توزیع متناسب با بار جانبی در روش استاتیکی خطی براي قابها با پریود زیر یک ثانیه و توزیع متناسب با تحلیل دینامیکی خطی طیفی براي قابهاي با پریود بالاي یک ثانیه.
ب ـ توزیع یکنواخت متناسب با وزن طبقه.
-4 تعریف مفاصل پلاستیک و سطوح عملکرد
منحنی مفاصل پلاستیک تغییر مکانی قبل از انجام تحلیلهاي غیرخطی تعریف میگردد. این مفاصل براي مدل سازي غیرخطی اعضا به کار میرود. چنان که در شکل (2) نشان داده شده است نمودار نیرو در برابر تغییر مکان، امکان مدل سازي غیرخطی بتن محصور نشده در محل تشکیل مفاصل پلاستیک را فراهم آورده است. این مفاصل به صورت الاستوپلاستیک کامل در نظر گرفته شده و لنگر حد جاري شدن مقطع به عنوان لنگر نهایی مقطع به کار گرفته شده است. براي تعریف مفاصل پلاستیک ستون نمودار نیروي محوري ـ لنگر خمشی براي هر ستون تهیه شده و به هر یک از ستونها اختصاص یافته است. سایر پارامترهاي مورد نیاز براي تعریف مفاصل پلاستیک ستون با توجه به نیروي محوري، برش طراحی و نیز خصوصیات هندسی و مکانیکی مصالح تعریف گردید. از آنجا که سطح مقطع میلگردها براي تیرها طبقات متفاوت میباشد، لذا ظرفیت لنگر مثبت و منفی براي هر تیر محاسبه شده و به اعضاي تیري اختصاص یافته است.
