بخشی از مقاله
کاربرد میراگر شکافدار لوله ای فولادی (CSSD) بر رفتار خرابی شبکه های تخت دو لایه فضاکار و ارزیابی خرابی پیشرونده در آنها
چکیده:
امروزه استفاده از تجهیزات جاذب انرژی در سازه ها به منظور بهبود رفتار آنها، به اموی اجتناب ناپذیر تبدیل شده است. اما همانطور که می دانیم هزینه بالای ساخت و بکارگیری آنها، استفاده از این تجهیزات در سازه ها را با مشکل روبرو کرده است. یکی از تجهیزات جاذب انرژی مناسب، میراگر شکافدار لوله ای فرلادی است که با ترجه به بکار گیری از مقطع دایره ای در ساخت آن، موجب اقتصادی شدن قطعه، سهولت ساخت و افزایش بهره وری آن شده است. در این مقاله سعی شده است با توجه به مفهوم خرابی پیشرونده در شبکه های تخت دو لایه فضاکار، به بررسی عملکرد بکارگیری این میراگر بر روی سازه پرداخته شود. به گونه ای که در پایان شاهد آن خوعیم بود که بکارگیری میراگر شکافدار لوله ای فرلادی بر روی شبکه های تخت دو لایه فضاکار سبب افزایش شکل پذیری و ظرفیت بایر بری آن شده است. واژههای کلیدی: شبکه تخت دو لایه فضاکار، میراگر شکافدار لوله ای فولادی، ظرفیت باربری، شکل پذیری
1. مقدمه
شبکه های دو لایه فضاکار، سیستم های متشکل از دو شبکه موازی بالایی و پایینی هستند که اتصال این دو شبکه توسط اعضای مورب یا قائم جان انجام می گیرد و انتقال بارها به صورت سه بعدی توزیع می شود. این نوع سازه ها به خاطر مزایایی چون سختی بالا، وزن کم، هزینه پائین، ساخت مریع، شکل معماری مطبوع و قابلیت پوشش دادن فضاهای وسیع در چند دهه اخیر به نحو گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند. این سازه ها غالبا دارای رفتار خرابی ترد هستند. از عوامل تاثیر گذار بر رفتار کلی سازه شبکه دو لایه فضاکار می توان به عواملی مانند مشخصات هندسی و مصالح سیستم سازه ای، سطح مقطع اعضا، نوع اتصالات و روش اجرای آنها اشاره کرد [1و2].
خرابی پیشرونده عبارت است از گسترش خرابی موضعی از یک عضو به یک عضو دیگر که در نهایت منجر به خرابی کلی سازه یا بخش بزرگ نامتناسبی از آن شود. شواهد تجربی موجود در زمینه خرابی ناگهانی شبکه های دو لایه فضاکار نشان دهنده آسیب پذیری این سازه ها در برابر خطر خرابی پیشرونده است که به عنوان یک نمونه مهم می توان به خرابی سقف سالن ورزشی شهر هارتفورد در سال 1978 اشاره کرد. خرابی در این سازه تنها در چند ثانیه و بدون هیچ گونه هشدار قبلی اتفاق افتاد. در شبکه های دو لایه فضاکار انتقال بار عمدتا به صورت نیروی محوری بوده و خرابی اعضا در آنها بر اثر تسلیم در کشش و یا کمانش در فشار صورت می گیرد. با ارزیابی مشخصات پس بحرانی رفتار اعضای کششی و فشاری، تعیین رفتار سازه پس از خرابی عضو و یا اعضایی از آن امکان پذیر بوده و می توان به بررسی و مطالعه رفتار خرابی سازه و امکان وقوع خرابی پیشرونده در این سازه ها پرداخت [ 3 و4. این نوع سازه ها معمولا از درجه نامعینی استاتیکی بالایی برخوردار بوده و بر همین اساس تصور می شود که پس از خرابی عضو یا بخشی از سازه، سایر قسمت های آن بتوانند نیروهای بازتوزیع شده را به راحتی جذب کرده و حتی بار بیشتری را نیز تحمل نمایند گو6]. آزمایشات انجام گرفته روی شبکه های دو لایه فضاکار نشان می دهد که درجه نامعینی زیاد در خرپاهای فضایی نه تنها باعث جلوگیری از خرابی پیشرونده در این سازه ها نمی شود بلکه به خاطر وجود ناکاملی در طول اعضا ، نیروی اولیه ای در این اعضا به وجود خواهد آمد که ممکن است باعث خرابی زودرس تعدادی از اعضای بحرانی شده و منجر به خرابی کل سازه گردد [7]. به همین خاطر نباید انتظار داشت که ماهیت نامعینی زیاد شبکه های دولایه باعث افزایش ضریب اطمینان شود. به عبارت بهتر سازه های فضاکار دو لایه دارای نامعینی استاتیکی قابل توجهی هستند که نباید آن را با نامعینی سازه ای که توانایی سازه برای تحمل بارهای طراحی با از بین رفتن یک یا چند عضو است اشتباه گرفت [8]. توجه به ماهیت دینامیکی پدیده خرابی پیشرونده در شبکه های دو لایه فضاکار سبب شده است تا با کمک روش های کنترل رفتار سازه ، عملکرد سازه را تحت بررسی و کنترل قرار دهیم تا از اثرات بازتوزیع نیروها که نه استاتیکی و نه یک مؤلفه ای هستند در امان باشیم. برای این نوع بارها اثرات اینرسی با اهمیت بوده و باعث بزرگنمایی دینامیکی و پاسخ سیکلی میشوند. در مقایسه با بارهای ثقلی، پیش بینی بزرگی این بارها، به دلیل آنکه مقیاس زمانی و مکانی این پدیده ها کوچک هستند، بسیار مشکل تر هستند. در نتیجه از نقطه نظر دینامیکی، مفاهیم جدیدی در ارتباط با حفاظت از سازه ها بدست آمده اند و در مراحل مختلفی از پیشرفت قرار دارند. امروزه روش کنترل ارتعاشات سازه، شیوه جدیدی در روند بهسازی سازه ها و یا طراحی سازه های مقاوم در برابر بارهای دینامیکی می باشد. در این روش با تعبیه وسایل و تجهیزات سناسبی در سازه، باعث
کاهش تغییر مکان و بهبود پاسخ دینامیکی سازه می شوند که از آن جمله می توان افزودن وسایل جاذب انرژی به سازه یا جداساز لرزه ای را نام برد. با به کارگیری دستگاه های اتلاف انرژی در سازه، قسمت بزرگی از انرژی وارد شده تلف می شود و در نتیجه آسیب به سازه اصلی به حداقل می رسد. [9 و 0 l]. در دهه اخیر، چندین روش برای کنترل رفتار خرپاهای فضایی توسعه داده شده است [ 11]، که یکی از بیشترین روشهای رایج استفاده از ابزارهای محدود کننده نیرو (FLDS) است. روش پیشنهاد شده در اینجا، ایجاد یک عضو جدید شکل پذیر (میراگر شکافدار لوله ای) تحت بارگذاری فشاری و فشاری می باشد، که یک پاسخ بار - جابجایی الاستیک پلاستیک را ارائه می دهد. وقتی که بیشتر عضوهای فشاری در شبکه های دو لایه فضاکار تحت تنش قرار می گیرند، عضو های شکل پذیر جدید جایگزین آنها می شوند و در نتیجه یک توزیع مجدد نیرو در سازه رخ می دهد و این منجر به افزایش ظرفیت حمل بار و بهبود شکل پذیری فرا ارتجاعی آن خواهد شد [2[]. هدف اصلی در این تحقیق اعمال رفتاری شکل پذیر به رفتار خرابی شبکه های دو لایه فضاکار با بکارگیری میراگر شکافدار لوله ای است، چراکه در صورت تامین شکل پذیری کافی، خرابی های ایجاد شده به صورت موضعی باقی مانده و از انتشار خرابی در کل سازه جلوگیری بعمل می آورد. لازم به ذکر است که کلیه آنالیزهای سازه ای در این تحقیق در قالب نرم افزار المان های محدودOpenSeeS) صورت گرفته است [3 [].
2 معرفی میراگر شکافدار لوله ای فولادی " ( CSSD)
این میر اگر مشابه میر اگر های SSD است با این تفاوت که به جای ایجاد شکاف هایی در جان پروفیل های I شکل، شکاف هایی در جدار لوله ایجاد می شود. استفاده از این میر اگر ها هزینه کمی در بر دارد، زیرا ساخت آن ها ساده بوده و حتی از لوله های موجود در بازار می توان برای تولید این نوع میراگر استفاده کرد. میراگرهای شکاف دار در شکل های مختلفی به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته شده اند اما با توجه به هزینه بالای ساخت آن ها (اقتصادی نبودن) و همچنین دشواری ساخت آن ها به علاست نوع شکل به کار گرفته شده، مورد استفاده نیستند. اما بکار بردن مقطع دایره ای موجب اقتصادی شدن قطعه، سهولت ساخت و افزایش بهره وری آن شده است. از این اتلاف کننده انرژی می توان برای بهسازی رفتار خرابی شبکه دو لایه فضاکار استفاده کرد. چرا که لوله ای بودن مقطع این میر اگر به ما این امکان را می دهد تا براحتی این میر اگر را به عنوان یکی از اعضای شبکه دو لایه فضاکار بکار بریم. شکل (1) طرح کلی از میر اگر بکار گرفته شده CSSD را نشان می دهد. مطابق شکل (2) استوانه فلزی نشان داده شده در شکل (1) توسط دو استوانه داخلی و خارجی در بر گرفته می شود تا ظرفیت بیشتری از خود نشان داده و از خارج شدن نوارهای فولادی اتلافگر انرژی از صفحه بارگذاری جلوگیری به عمل آورد. برای اینکه بتوان تأثیر میراگر مورد نظر را بر پاسخ سازه بررسی کرد، باید الگوی رفتاری میر اگر تعیین شود که این الگو با استفاده از پاسخ نیرو- جابجایی حاصل از تحلیل های انجام شده بر روی آن توسط نرم افزارABAQUS بدست می آید [
به جهت کوتاه شدن زمان تحلیل ها، فقط میراگر مدل شده و از جدار های داخلی و خارجی صرف نظر شده است و به جای آن ها از حرکت جدار میر اگر در راستای شعاعی، به وسیله تعریف شرایط مرزی در مدل، جلوگیری به عمل آمده است. لازم به ذکو است، برای اینکه صحت این عمل تأیید شود، مطابق شکل 3، نمودار بار- جابجایی یک مدل با در نظر گرفتن جدارهای نگهدارنده و مدل دیگر بدون نگهدارنده ها مقایسه شده است که تطابق بسیار خویی با هم دارند. طبق بررسی های انجام شده [10]، مطابق جدول (I) مشخصات بهترین نمونه از این نوع میراگر را که رفتار بهتری نسبت به سایر نمونه ها داراست، آورده شده است. سختی بزرگتر، نیروی تسلیم بیشتر و در نتیجه اتلاف انرژی بالاتر (منحنی بار جابجایی چاق) از جمله ویژگی های مناسب این نمونه می باشد.
شکل به منحنی بار -جابجایی این نمونه را نشان می دهد.
میر اگر در سازه باید به نحوی جاگذاری گردد که در اثر جابجایی المان های سازه ای تحت تغییر شکل قرار بگیرد. نحوه طراحی نیز باید به گونه ای باشد که میر اگر قبل از عضو های سازه وارد مرحله پلاستیک شود. در صورت عدم دقت در جاسازی و طراحی این نوع میر اگر ها، میر اگر مانند یک المان سازه ای به جذب نیرو خواهد پرداخت و رفتار پلاستیک برای استهلاک انرژی از خود نشان نمی دهد [10]. بنابراین در ادامه علاوه بر مطالعه اثر حضور این میراگر در شبکه تخت دو لایه فضاکار بر روی رفتار آن، به نحوه مدل سازی و نصب آن در شبکه تخت دو لایه فضاکار نیز پرداخته شده است. 3. مدل سازی میر اگر شکافدار لوله ای فولادی ( CSSD) در شبکه تخت دو لایهه فضاکار در نظر است برای پوشش محوطه ای به مساحت 20 X 20 متر مربع، از سیستم شبکه تخت دو لایه فضاکار استفاده شود. این شبکه تخت دو لایه فضاکار از نوع انحراف دار با پلان مربعی و متشکل از 5 ×5 چشمه مریعی و به ارتفاع 2/828 متر است. این سازه در محل چهار گره گوشه ای لایه پایینی بر روی چهار تکیه گاه مفصلی ساده قرار گرفته و طراحی سازه به روش LRFD و ضوابط آئین نامه AISC انجام شده است. طراحی سازه به ازای kPa 50 بار مرده، kPa 150 بار زنده و kPa 25 بار زلزله صورت پذیرفته است. بارگذاری مزبور به صورت بارهای متمرکز گره ای در محل گره های لایه بالایی بر سازه اعمال شده است. کلیه اعضا از نوع نیمرخ لوله ای" با تنش تلیم Mpa 340 و ضریب الاستیک Mpa 210000، مطابق جدول (2) انتخاب شده اند.
رفتار اعضای فشاری تاثیر تعیین کننده ای بر نحوه رفتار خرابی سازه های شبکه تخت دو لایه فضاکار دارند. لذا با تحلیل هر عضو از اعضای مدل سازه، رفتار بار- تغییر شکل هر کدام از اعضا را بدست آورده و با وارد کردن رفتار هر عضو بر روی مدل، به انجام تحلیل مدل به روش عناصر محدود با استفاده از نرم افزار OpenSees می پردازیم.
برای انجام تحلیل های غیر خطی بایستی اثرات غیرخطی مصالح و هندسی را بر سازه اعمال کنیم. بدین منظور برای تحلیل واکنش خرابی سازه ابتدا بایستی مدل رفتار غیر خطی هر یک از اعضای سازه تعیین شود.
در این تحقیق رفتار بار محوری - تغییر مکان محوری اعضا در کشش، به صورت الاستیک - پلاستیک کامل در نظر گرفته شده است و برای تعیین رفتار اعضا در فشار فرض شده است که عضو دو سر مفصلی خرپایی از انحنای اولیه کوچکی که از آن به عنوان ناکاملی هندسی اولیه تعبیر می شود، برخوردار باشد. ناکاملی هندسی اولیه به شکل یک نیم موج سینوسی فرض گردیده است به طوری که حداکثر انحراف اولیه آن از تار وسط در محل وسط دهانه برابر مقدار متداول L) A = 0.00II = طول عضو) در نظر گرفته شده است. عضو فشاری مذکور در نرم افزار OpenSeeS با بیست المان تیر - ستون غیر خطی (-Displacement
