بخشی از مقاله
مقایسه عملکرد لرزهای مهاربندهای زانویی )KBF( ،کمانش ناپذیر (BRB) و ضربدری (CBF) در ساختمانهای با پلان منظم با استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی
چکیده
با توجه به کاربرد وسیع سازههای فولادی در کشور، توجه به سیستمهای استهلاک انرژی در پایداری سازه میتواند نقش مهمی را ایفا کند. ازجمله روشهای بهبود رفتار لرزهای سازهها استفاده از مهاربندهای کمانشناپذیر BRB و زانوییKBF را میتوان نام برد. در این تحقیق دوره تناوب دریفت طبقات، برش پایه و سایر پارامترهای تأثیرگذار مهاربندهای BRB و زانویی KBF با بادبندهای همگرای ضربدری (CBF) در سازههای فولادی 4 و 12 طبقه با پلان منظم بر اساس تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی موردبررسی و مقایسه قرار گرفت. بدین منظور ابتدا مقاطع در سازههای فولادی موردنظر با استفاده از نرمافزار ETABS 2013 طراحی شد و سپس سازههای موردنظر در نرمافزار PERFORM 3D تحت اثر 7 شتابنگاشت تحلیل گردید. از مقایسه مدلهای 4 و 12 طبقه با مهاربندهای BRB و زانویی KBF نسبت به مدل های با مهاربند CBF (ضربدری) نتایج زیر بدست آمده است. کاهش تغییر مکان نسبی طبقات (دریفت) در مدلهای با مهاربند KBF به مقدار 20 تا 30 درصد نسبت به مدلهای با مهاربند BRB و 40 تا 50 درصد نسبت به مدلهای با مهاربند CBF ، کاهش برش پایه در مدلهای با مهاربند BRB به مقدارقریباًت 15 تا 20 درصد نسبت به مدلهای با مهاربند KBF و 30 تا 40 درصد نسبت به مدلهای با مهاربند CBF ، افزایش زمان تناوب سازه در مدلهای با مهاربند BRB و KBF نسبت به مداهای با مهاربند CBF و درنتیجه کاهش سختی و افزایش شکلپذیری سازه، افزایش سطوح عملکرد سازه های با مهاربندهای BRB و زانویی KBF نسبت به سازه های با مهاربند .CBF
واژه های کلیدی: مهاربند کمانش ناپذیر BRB ، مهاربند زانویی، تحلیل دینامیکی غیرخطی
مقدمه
تغییر مکانهای جانبی در سازههای ساختمانی اهمیت زیادی برای مهندسین دارد. بهمنظور به حداقل رساندن اثر نیروهای زلزله و باد، مهاربندها بهصورت موفق مورداستفاده قرارگرفتهاند. آشناترین و مرسومترین سیستم مهاربندی در سازه های فولادی، مهاربند ضربدری هم مرکز )CBF( میباشد که با وجود سختی مناسب از لحاظ شکل پذیری و جذب انرژی، عملکرد عمدتأ ضعیفی دارد. از سوی دیگر قابهای خمشی (MRF) با وجود شکل پذیری بسیار بالا، از نظر سختی و کنترل تغییر مکان، به هیچ وجه رفتار مناسبی ندارند. همچنین رفتار نامطلوب عمدهای که در مهاربندها مشاهده میشود کمانش مهاربند فشاری میباشد ، که این امر باعث کاهش شکلپذیری و ظرفیت استهلاک انرژی در سازه به دلیل اثر ثانوی تغییرشکلهای غیرخطی هندسی میگردد. این موضوع در بارگذاریهای تناوبی مانند زلزله با توجه به ماهیت کاهش بیشتر سختی تحت بارهای دینامیکی لرزهای، از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. استفاده از مهاربندی که در فشار و کشش رفتار یکسانی داشته باشد و کمانش نکند ، همیشه مطلوب طراحان سازه بوده است[1]. از جمله سیستمهای مهاربندی که معایب مهاربند ضربدری را برطرف میکنند، سیستمهای مهاربندی کمانش ناپذیر )BRB( و سیستم مهاربندی زانویی )KBF( را میتوان نام برد. در حقیقت مهاربندهای BRB وKBF ، رفتارهای نامناسب زیر را اصلاح میکند:
· کاهش مقاومت
· کاهش سختی
· کاهش شکلپذیری
معرفی مهاربند کمانش ناپذیر (BRB)
ایده مهاربند مقاوم در برابر کمانش در اواسط دهه 70 در ژاپن شکل گرفت . انواع مختلفی از مهاربند BRB در فاصله سالهای 1980 تا 1990 در ژاپن ساخته شد . در سال 1998 این فنآوری به ایالاتمتحده آمریکا انتقال یافت و از سال 2000 بهعنوان یک عضو مؤثر لرزه بر مورداستفاده قرار گرفت. باوجود توسعهی اشکال مختلف از BRB همهی آنها دارای مفاهیم مشترکی هستند. ویژگی اصلی تمام آنها محصورسازی هسته فولادی توسط یک مکانیزم خارجی برای جلوگیری از وقوع کمانش است. عمومیترین شکل BRB شامل یک هسته فولادی است که درون یک غلاف فلزی قرار میگیرد.فضای خالی بین هسته و غلاف توسط یک ماده پرکنندهی مناسب مانند ملات پر میشود .قبل از ریختن ملات یک ماده لغزنده با یک گپ هوای کوچک بین هسته فولادی و ملات فراهم میشود .این ماده و همچنین گپ هوا، جهت جلوگیری از انتقال نیروی محوری از هسته مهاربندی به غلاف و ملات تعبیه میشود .در حقیقت غلاف فولادی و ملات فقط نقش جلوگیری از کمانش مهاربند را بر عهده دارد و تحمل نیروی محوری بر عهده هسته فولادی است.[ 2 ]
سابلی1 در سال 2001 یک مطالعه آماری بر روی پاسخ سازههای مهاربندیشده کمانش ناپذیر و سازههای مهاربندیشده همگرای متداول انجام داد، نتیجه اصلی مطالعه این بود که رفتار قابهای مهاربندیشده کمانش ناپذیر در اکثر موارد بهتر از قابهای مهاربندیشده همگرای متداول است.[3 ]کلارک2 و همکاران در سال 1999 عملکرد دو قاب 3 طبقه فولادی را که با سیستمهای قاب خمشی ویژه و قاب مهاربندیشده کمانش ناپذیر طراحیشده بودند را با یکدیگر مقایسه نمودند . نتایج نشان داد که سختی جانبی سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر نسبت به قاب خمشی ویژه، بیشتر شده و تغییر مکان تراز سقف در سیستم مهاربند کمانش ناپذیر نسبت به قاب خمشی ویژه،کاهش پیداکرده است.[1 ]
در شکل1، رفتار هیسترزیس یک مهاربند کمانش ناپذیر با مهاربند معمولی مقایسه شده است. درصورتیکه مکانیزم مقاوم در برابر کمانش ابعاد مناسبی داشته باشد، هسته میتواند در فشار نیز جاری شود و مقاومت فشاری و کششی یکسانی را با رفتار منظم هیسترزیسی تا کرنشهای بالای2 درصد از خود بروز دهد . این مهاربندها از نوع کنترل هیسترزیسی و غیرفعال میباشند و مزیت اصلی استفاده از آنها ، جذب انرژی در مهاربندها میباشد .با توجه به شکل 1، مهاربند کمانش ناپذیر دارای چرخه متقارن است، این به آن معناست که مهاربند در کشش و فشار رفتاری مشابه دارد و میتواند هم در کشش و هم در فشار جاری شود. همچنین چرخه هیسترزیس مربوط به مهاربند کمانشناپذیر نسبت به مهاربند متداول دارای مساحت بیشتری است، بنابراین مهاربند کمانش ناپذیر انرژی بیشتری را جذب و مستهلک میکند. مهاربند کمانش ناپذیر تنوع مقطع بسیاری دارد. شکل 2 نمونههایی از غلاف با مقطع لولهای شکل را نشان میدهد.
شکل-1 مقایسه رفتار چرخهای بادبند کمانش ناپذیر با بادبند هممرکز معمولی[4]
شکل -2 تنوع مقاطع مهاربند کمانش ناپذیر و مهاربند کمانش ناپذیر با غلاف لولهای[3]
معرفی مهاربند زانوییKBF
در سال 1986 یک مهندس طراح به نام اچوا 3 سیستمی را تحت عنوان بادبند زانویی قابل تعویض معرفی کرد خصوصیات رفتاری آن در مجله (ASCE.Stru.jor) در همان سال چاپ سد . در این سیستم انتهای بادبند بجای اتصال به محل تلاقی تیر و ستون به نقطهای از یک عضو زانویی وصل میشود که بین تیر و ستون تکیهگاه قرار گرفته است.این ابتکار باعث میشود که اولا تحت اثر لرزشها و نیروهای جانبی کوچک، سختی سازه توسط بادبندهای قطری تأمین شود و ثانیاً در زلزلههای شدید با تسلیم عضو زانویی در دو انتها و در نقطه تماس با بادبند قطری شکلپذیری کافی تأمینشده و اتلاف انرژی صورت گیرد.[ 5] قاب با مهاربند زانویی از جمله
سیستم های مقاوم فولادی با سختی و شکل پذیری مناسب می باشد .مطابق شکل 3، سیستم مهاربند زانویی از دو جزء اصلی زانویی و قطری تشکیل شده است .عضو زانویی به تیر و ستون متصل شده و عضو قطری از یک طرف به عضو زانویی تیر متصل می گردد .در این نوع بادبند عضو قطری تأمین مننده سختی سیستم است در حالیکه عضو زانویی با جاری شدن خود در زلزله های شدید شکل پذیری لازم را فراهم نموده و مانع کمانش عضو قطری می شود .بدین طریق سختی و شکل پذیریتواماً برای سازه فراهم می گردد.[6] در این سیستم المان زانویی به عنوان یک فیوز شکل پذیر برای جلوگیری از فرو ریزش سازه تحت زلزله های شدید با جذب انرژی در طی تسلیم خمشی یا برشی عمل میکند. [7]
شکل-3 قاب با مهاربند زانویی [7] KBF
معرفی مدلهای موردمطالعه و مشخصات لرزهای آن
مدل مطالعاتی طرحشده در این پژوهش 2 ساختمان 4 و 12 طبقه با مهاربندهای BRB و زانویی KBF که ارتفاع تمامی طبقات 3/2 متر میباشد. طراحی سازهها بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، مبحث ششم بارهای وارد برساختمان، آییننامه طراحی ساختمان در برابر زلزله (استاندارد (2800 ویرایش سوم انجامشده است. ضریب رفتار برای ساختمان با مهاربند ضربدری مطابق استاندارد 2800 (ویرایش سوم) 7 در نظر گرفتهشده است، همچنین ضریب رفتار ساختمان با مهاربند کمانش ناپذیر BRB ، مطابق آییننامه AISC 2005 برابر 8 در نظر گرفتهشده است، مشخصات مصالح مصرفی، ویژگیهای لرزهای و بارگذاری ثقلی، پلان و نحوه چیدمان مهاربندها در مدل ساختمانی به ترتیب در جداول 1 و 2 و شکل 4 ، نشان دادهشده است.
جدول-1 مشخصات مصالح مصرفی
شکل-4 پلان مدل مطالعاتی و نحوه چیدمان مهاربندهای CBF و KBF
نحوه طراحی و مدلسازی اعضا در نرمافزارهای ETABS و :PERFORM-3D
طراحی اعضا توسط نرمافزار ETABS2013 VER13.1.3 و از طریق روش استاتیکی معادل انجامشده است. مدلسازی رفتار غیرخطی تیرها و ستونها با استفاده از ضوابط آییننامه FEMA 356 و نشریه 360 و بهصورت مدل دوخطی تیر و ستون FEMA انجامشده است. مدلسازی مهاربند ضربدری در پرفورم با استفاده از المان SimpleBar با ماده فولادی غیر الاستیک و کمانشپذیر4 انجامشده است، برای بدست آوردن پارامترهای غیرخطی مهاربندها تغییر شکل محوری در بار نظیر کششی حد تسلیم((∆T، تغییر شکل محوری در بار کمانشی مورد انتظار((∆c، مطابق آییننامه FEMA356 و AISC2005 محاسبه شده است. مهاربندیهای BRB محصول شرکت Starseicmic آمریکا از نوع PowercatTM میباشد. در طراحی مهاربندها طول هسته جاری شونده با توجه به نوع مقاطع BRB و اندازه دهانههای مدلها، بین 0/7 تا 0/8 طول کل مهاربند در نظر گرفتهشده است.[8] با توجه به مقاطع بدست آمده در نرمافزار ETABS 2013، از مقاطع مختلفی که توسط شرکت همراه با مدلهای آزمایشگاهی آنها معرفیشده، استفاده شده است. نکته مهم طراحی سیستم مهاربند زانویی مشخص شدن نوع شکست (برشی یا خمشی) برای المان زانویی است. از معیارهای مهمی که حالت رفتار عضو زانویی را مشخص میکند، طول عضو زانویی است که با توجه به کارهای قبلی بالندرا، برای وقوع تسلیم خمشی طول عضو زانویی بزرگتر از 4MP/VP در نظر گرفته میشود، برای تسلیم برشی طول عضو زانویی باید از 4MP/VP کوچکتر باشد. در این پژوهش برای مدلسازی قابهای با مهاربند زانویی، فرض شده است که حالت تسلیم خمشی باشد و طول عضو زانویی از مقادیر توصیهشده آییننامهای بیشتر نشود.
نحوه انتخاب شتابنگاشت و مجموعه رکوردهای انتخابی برای تحلیل دینامیکی مدلهای ساختمانی
در این تحقیق از 7 رکورد زلزله (مطابق سناریوی جدید مبتنی بر دادههای ایران که توسط غفوری آشتیانی و همکاران تهیهشده) برای انجام تحلیل تاریخچهی زمانی غیرخطی استفاده شده است. این رکوردها نوع مناسبی از دادهها را برای برآورد درست از فرکانس بالا و پایین امواج لرزهای وارده به سازهها را فراهم آورده زیرا پراکندگی نتایج احتمالی در پاسخهای دینامیکی غیرخطی را به حداقل میرساند. .[9] با توجه به اینکه وقوع بسیاری از زلزلههای مخرب در ایران پیرامون بزرگای 6/5 ریشتر((M=6.5 حادثشده است؛ دادههایی مبتنی بر بزرگای حرکات زمین 6/5 ریشتر برای تجزیهوتحلیل سازهها در حوزه رفتار غیرخطی تعریف شده است. طبق توصیههای غفوری آشتیانی و همکاران، رکوردها باید بر اساس پریود اول سازه به مدلها اعمال شود. بنابراین در این پژوهش از 2 سری
از رکوردها برای تحلیل مدلهای 4 و 12 طبقه استفاده شده است که برخی نیز مشترک میباشند و در جداول 3 و 4 به نمایش درآمدهاند.
جدول -3 رکوردهای انتخابی برای مدل 12 طبقه
جدول -4 رکوردهای انتخابی برای مدل 4 طبقه
بررسی و مقایسه نتایج
بیشینه تغییرمکان نسبی طیقات
بیشینه تغییرمکان نسبی طیقات ازجمله شاخصههای مهم برای ارزیابی عملکرد سازه و خدمت پذیری آن به شمار میآید و بااینکه بهطور مستقیم با تغییر شکل اعضای سازهای در ارتباط نیست، ولی میتوان توسط این شاخص بر روی خرابی سازه ناشی از تغییر شکل اعضای سازهای قضاوت صحیحی انجام داد.در شکل 5 ، مقادیر تغییرمکان نسبی طیقات برای مدل های 4 و 12 طیقه با مهاربندهای ضربدری، BRB و KBF نشان داده شده است. نتایج نشان دهنده کاهش تغییر مکان نسبی طبقات به ترتیب در مدلهای با مهاربندهای KBF و BRB نسبت به مدلهای با مهاربند CBF میباشد.
