بخشی از مقاله
خلاصه
طراحی بر اساس عملکرد در یافتن طرح بهینه براي سازهها مستلزم آنالیزهاي سنگین و مکرر دینامیکی میباشد. در این مقاله با استفاده از روش زماندوام که به عنوان روشی نوین براي تعیین عملکرد سازه با حداقل تعداد آنالیز تاریخچهزمانی ارائه شده است، عملکرد سازه مورد ارزیابی قرار گرفته و از آن براي یافتن چینش بهینهي میراگرهاي ویسکوز در قاب فولادي ضعیف با هدف رسیدن به عملکرد مطلوب استفاده شدهاست. قابهاي مورد بررسی به صورت غیرخطی مدل شده، بهینهسازي با استفاده از الگوریتم ژنتیک انجام یافته و آییننامه ASCE41 معیار طراحی عملکردي بوده است.
1. مقدمه
در دهه گذشته اکثر آییننامههاي معتبر دنیا سعی کردهاند تا معیارهاي طراحی خود را به سمت طراحی سازهها بر اساس عملکرد پیش ببرند - . - 1 طراحی برپایه عملکرد داراي یک فلسفه طراحی عمومی است، در این روش سعی برآن است که سازه طراحی شده در یک منطقه با سطح لرزهخیزي خاص، قابلیت رسیدن به عملکرد مورد انتظار را داشته باشد. براي رسیدن به این هدف از ابزارها و شیوههاي مختلفی نیز استفاده شده که سیستمهاي جاذب انرژي و میراگرها نمونههایی از آن میباشد. این سیستمها به منظور بهبود عملکرد سازه و همچنین کاهش خرابی سازه در زلزله به کار برده میشوند - . - 2
در عینحال هزینه ساخت یکی از عوامل تاثیرگذار در طراحی سازههاي مختلف میباشد و میتوان سازه را به گونهاي طرح کرد که با هزینه یکسان ساخت، سازه بهترین عملکرد را در مقابل زلزله از خود نشان دهد . روشهاي مختلفی براي طراحی بهینه سازهها ارائه شده است . - 3 ; 4 - یکی از روشهاي تحلیل لرزهاي روش زماندوام میباشد که بعنوان یک روش دینامیکی افزاینده در سالهاي اخیر ارائه شده است - . - 5
در این پژوهش سعی داریم با استفاده از روش زماندوام دریافتی درست از رفتار سازه در سطوح عملکردي پیوسته با حداقل تعداد آنالیز تاریخچه زمانی بدست آورده و از آن براي یافتن چینش بهینهي میراگرهاي ویسکوز در قاب فولادي با هدف رسیدن به عملکرد مطلوب استفاده کنیم. در روش زماندوام، سازه تحت شتابنگاشت فزایندهاي که مدت زمانهاي مختلف اعمال آن نمایانگر شدتهاي مختلف زلزله در هر یک از سطوح عملکردي پیشنهاد شده توسط آییننامه است، قرار میگیرد. استفاده از روش زمان دوام و درنتیجه کاهش حجم آنالیزهاي انجام شده در هر گام امکان بهرهگیري از روشهاي مختلف بهینهسازي در تعیین پارامترهاي طراحی را فراهم میکند.
بدین منظور سیستمهاي مختلف قاب خمشی از نوع منظم و نامنظم با رفتار غیرارتجاعی داراي ضعف در طراحی اولیه با استفاده از نرم افزار Opensees به صورت غیرخطی مدل شده و با به کارگیري الگوریتم ژنتیک در نرمافزار MATLAB چینش میراگر در ارتفاع ساختمان به گونهاي تعیین شده است که با حداقل هزینه، سازه به عملکرد مجاز آیین نامه در دو سطح LS و CP دست یابد.
همچنین عملکرد سازه در سطوح عملکردي مختلف براساس جابجایی بین طبقات، قبل و بعد از بهسازي، با استفاده از رکوردهاي زلزله مورد ارزیابی قرار گرفته است. در تمامی موارد سازهي بهسازي شده داراي عملکرد قابل قبول تحت زلزلههاي اعمالی بوده و شتابنگاشت زماندوام پیشبینی مناسبی از رفتار سازه تحت رکوردهاي واقعی ارئه کرده است. در این تحقیق آییننامه ASCE41 به عنوان معیار طراحی عملکردي در نظر گرفته شده است.
2. روش زماندوام
مفهوم زماندوام را می توان با یک آزمایش فرضی توضیح داد به عنوان مثال عملکرد سازهاي سه سازه مختلف با خصوصیات نامشخص در برابر زلزله می خواهد مورد تحقیق قرار بگیرد. این سه سازه برروي میز لرزان قرار میگیرند. آزمایش با تهییج میز لرزان تحت ارتعاش اتفاقی که به تدریج شدت آن در طول زمان افزایش پیدا می کند - تابع شتاب - شروع می شود - شکل . - 1 با افزایش تدریجی شدت تهییج دامنه نوسان سازهها نیز به تدریج زیاد میشود.
به علت تقاضاي افزاینده تابع شتاب سازهها از تغییرشکلهاي الاستیک به حالت تسلیم و مرحله رفتار غیرخطی میرسند و در نهایت به ناپایداري دینامیکی کلی می رسند . - 6 - در طول آزمایش می توان مقادیر شاخصهاي خرابی را به طور مستقیم برحسب زمان رسم کرد. به عنوان مثال حداکثر نسبت تغییر مکان نسبی طبقات در شکل 1 رسم شده است. همانطور که مشاهده می شود به طور کلی دامنه شاخصهاي خرابی در قاب A از بقیه بیشتر و در قاب B از بقیه کمتر است. درنتیجه میتوان گفت که عملکرد سازه B نسبت به دو سازه دیگر در شدتهاي مختلف مطلوبتر است . - 7 -
نحوه استخراج منحنی هاي پاسخ – زمان در روش زماندوام بدین صورت است: پس از انجام تحلیل مقدار پاسخ مورد نظر مثلاً جابجایی بین طبقهاي براي هر طبقه در طول زمان بدست میآید. سپس درهر زمان ماکزیمم قدر مطلق پاسخ تا آن زمان بدست میآید. بعد از هموار کردن نمودار بدست آمده به روش حرکت متوسط نمودار نهایی رسم میشود .
مقدار پاسخ یا شاخص خرابی در هر زمان در این نمودار بیانگر تقاضاي زلزله با دوره بازگشت معادل هر زمان دوام از سازه میباشد . شکل 2 نحوه ترسیم نمودارهاي فزاینده روش زمان دوام را براي یک سازه 3 طبقه نشان میدهد. در این شکل حداکثر نسبت تغییر مکان نسبی طبقات با توجه به مقادیر حاصل براي هر طبقه بدست آمده است. منحنی هموار شده بدست آمده را می توان منحنی عملکرد سازه در نظر گرفت.
3. تابع شتاب زماندوام مورد استفاده
طبق ضوابط آییننامه ASCE41 در صورتی که براي تحلیل تاریخچهزمانی از تعداد 7 سري شتابنگاشت یا بیشتر استفاده گردد می توان از مقادیر میانگین پاسخ سازه استفاده کرد، درغیر این صورت حداکثر پاسخ سازه باید لحاظ گردد. پس از انتخاب مجموعه شتابنگاشتها طبق آییننامه این شتابنگاشتها بایستی درهرسطح خطر به گونهاي مقیاس شوند که طیف پاسخ متوسط آنها در بازه 0.2T تا 1.5T بالاي طیف پاسخ شتاب آییننامه در آن سطح خطر باشد که T زمان تناوب سازه میباشد.
براي این منظور 7 شتابنگاشت از بین مجموعه 20 تایی از رکوردهاي مورد استفاده در آیین نامه FEMA440 که برروي خاك نوع C ثبت شدهاند و طیف آنها انطباق بیشتري با طیف آیین نامه 2800 داشت انتخاب شدند.
در گام اول این 7 شتابنگاشت که با نام مجموعه GM1 شناخته میشوند بدون در نظر گرفتن سطح خطر به گونهاي مقیاس شدند که سطح زیر طیف شبهشتاب آنها با سطح زیر طیف آیین نامه 2800 برابر باشد. بازه پریودي براي این مقیاس از 0 تا 5 ثانیه میباشد. هدف از انجام این مقیاس این است که از آنجا که تحلیل غیرخطی به شدت و بزرگی زلزله حساس است بهتر است طیف هر یک از شتابنگاشتها نیز حتیالامکان به طیف آییننامه نزدیک باشد. در جدول 1 مشخصات شتابنگاشتهاي مجموعه GM1 و ضرایب مقیاس استفاده شده که از این پس با نام ضرایب استکانچی خوانده میشوند آورده شده است.
براي تخمین پاسخ غیرخطی زلزلههاي واقعی توابع شتابزمان دوام سري e با نام ETA20e01-03 منطبق با متوسط زلزلههاي واقعی ساخته شدند. به گونهاي که طیف این سري از توابع شتاب در ثانیه دهم بر روي طیف متوسط شتابنگاشتهاي مجموعه GM1 پس از اعمال ضرایب مقیاس اولیه منطبق میشود بهینهسازي تابع شتاب براي 200 نقطه بین پریود 0 تا 5 ثانیه و 20 نقطه بین پریود 5 تا 50 ثانیه انجام گردیده است.
در شکل زیر طیف میانگین زلزلههاي مجموعه GM1 که بعنوان تابع هدف بوده و طیف توابع شتاب سري e در ثانیه دهم نشان داده شده است که نشانگر انطباق خوب آنهاست. قابلیت این سري از توابع شتاب زماندوام در پیشبینی رفتار سازه تحت 7 شتابنگاشت انتخاب شده در تحقیقات و بررسیهاي قبلی استکانچی و همکاران به اثبات رسیده است . - 5 - بنابراین می توان انتظار داشت تا با مقیاس کردن صحیح و انتخاب زمان مناسب اعمال این سري از توابع شتاب زمان دوام تخمین مناسبی از رفتار سازه بدست آورد.
4. سطوح عملکردي
آییننامه ASCE41–06 تحت عنوان بهسازي لرزهاي ساختمانهاي موجود توسط موسسه ASCE منتشر شده است که یکی از آییننامههاي طراحی براساس عملکرد میباشد. در این آییننامه شش سطح عملکرد سازهاي و پنج سطح عملکرد غیر سازهاي تعریف شده است. با ترکیب این دو سطح عملکرد، سطح عملکرد هدف براي کل ساختمان به صورت سطح خدمت رسانی - 1-A - ، سطح استفاده بیوقفه - 1-B - یا IO، سطح ایمنی جانی - 3-C - یا LS، سطح آستانه فروریزش - 5-E - یا CP تعریف میشود. از طرف دیگر در این آییننامه سطوحی از شدت زلزله نیز تعریف شده است که با عنوان سطح خطر بیان میشوند. سطح خطر BSE-2 که نمایانگر شدیدترین زلزله محتمل با احتمال رخداد %2 در 50 سال یا دوره بازگشت 2475 ساله میباشد.
سطح خطر BSE-1 با احتمال رخداد و %10 در طی 50 سال یادوره بازگشت 474 سال. دو سطح خطر فرعی %20/50y با احتمال رخداد %20 درطی 50 سال معادل دوره بازگشت 225 سال و %20/50y زلزله با احتمال رخداد %50 در طی 50 سال معادل دوره بازگشت 72 سال نیز تعریف شده است. در این پژوهش طبق آییننامه، اهداف طراحی k و p را معیار بهسازي قرار میدهیم، بنابراین سازه میبایستی در سطح خطر BSE-2 سطح عملکرد CP و در سطح خطر BSE-1 سطح LS را ارضا نماید که این معادل هدف بهسازي BSO یا Basic safety objective خواهد بود. طبق آییننامه ASCE41 دریفت مجاز گذرا براي سطح CP یرابر %5 و براي سطح LS برابر %2/5 تعیین شده است.
5. میراگرهاي ویسکوز
طی زلزلههاي شدید انرژي زیادي به سازه اعمال میشود و اگر این انرژي از ظرفیت بیشتر گردد موجب ایجاد خرابی در عضو و در نهایت خرابی کل سازه میگردد. بدین منظور از سیستمهاي جاذب انرژي استفاده میشود تا قسمتی از انرژي اعمال شده به سازه به این دستگاه منتقل شده بدین ترتیب خرابی خود سازه به حداقل برسد. در حالت کلی این سیستم ها براي رسیدن به اهدافی مانند کاهش احتمالی خرابی سازه، کاهش خرابی ناشی از زلزله و هزینههاي تعمیر، کاهش وزن سازه و همچنین بهسازي لرزهاي سازههاي موجود مورد استفاده قرار میگیرند.
یکی از اهداف استفاده از میراگرها کاهش وزن سازه در نتیجه هزینه آن با حفظ قابلیت اعتماد میباشد. بنابراین سازهاي که داراي میراگر است میبایست به صورت بهینه طراحی شود تا هزینه استفاده از میراگر توجیه شود. از طرف دیگر میدانیم سازههاي داراي میراگر رفتار غیرخطی دارند و میراگرها در حالت بارگذاري استاتیکی مفهومی نخواهند داشت، بنابراین هرگونه الگوریتم بهینهسازي که براي این سازهها استفاده شود باید در گامهاي متوالی تحلیل دینامیکی غیرخطی انجام گیرد و حجم بسیار بالاي محاسبات عملاً این گونه الگوریتم ها را ناکارآمد می نمایاند بخصوص زمانی که هدف طراحی سازه براساس آییننامههاي جدید و عملکرد سازه باشد.
