بخشی از مقاله

*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***

معرفی یک سیستم مهاربندی با عملکرد دو سطحی
چکیده
بطور کلی طراحی هر سازهای بایستی در ضابطه کلی را پوشش دهد. اول آنکه در حین زلزله های متوسط، سازه بایستی مقاومت و سختی خود را حفظ نماید و تغییر مکان های سازه در حد متعارفی باقی بماند. دوم آنکه تحت زلزله های شدید، سازه با شکل پذیری مناسب، انرژی ورودی را متهلک نموده و از خرابی سازه جلوگیری شود. در این نوشتار، یک پیکربندی ترکیبی شامل، مهاربند برون محور بهمراه یک المان زانویی معرفی خواهد شد. در این پیکربندی یک متهای مهاربند به تیر پیوند و انتهای دیگر آن به یک المان زانویی متصل شده است. تحت زلزله های متوسط المان زانویی و تحت زلزله های شدید پر پرند نقش استهلاک انرژی را بر عهده خواهند داشت. مدل های ساخته شده توسط برنامه اجزاء محدود ANSYS مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج حاصل از این مطالعه نشان دهنده عملکرد لرزه ای مطلوب این سیستم، جذب انرژی مناسب و رفتار پایدار در نواحی غیرخطی می باشد.
مهاربند برون محور، مهاربند زانو ، استهلاک انرژی
1. مقدمه
سیستم های سازهای متعارف مانند قابهای خمشی، قاب های مهاربندی هم محور، قاب های مهاربندی برون محور و همچنین مهاربندهای زانویی تحت بارهای خفیف در حیطه ارتجاعی و در حین بارهای شدید با تشکیل مفاصل خمیری وارد حوزه غیرارتجاعی میشوند. قابهای خمشی دارای شکل پذیری خوبی بوده ولی به سبب سختی کم، کنترل تغییر شکل های نسبی بین طبقات با دشواری همراه است. قاب های مهاربند شده هم محور دارای سختی بالایی بوده ولی به سبب کمانش عضو فشاری شکل پذیری ضعیفی از خود نشان می دهند. استفاده از سیستم های لرزه بر فولادی که در زلزله های فراتر از زلزله سطح بهره برداری بایستی تغییر شکل های غیرارتجاعی را تجربه نماید یکی از راهکارهای موثر و پرکاربرد در جامعه مهندسی برای اتلاف انرژی ورودی و همچنین ارائه یک طرح اقتصادی است. ليكن تجربه زلزله های گذشته نشان میدهد که نوزهای موجود در سازه در زلزله های با شدت کمتر از زلزله شدید نیز وارد فاز غیر خطی نیز می شود و میزان سختی آنها و در نهایت میزان ظرفیت شکل پذیری آنها برای مقابله با زلزله های شدید آینده کاهش می یابد. تجربه غیر خطی شدن سازه در حین زلزله های با شدت کمتر از زلزله طرح را می توان به علت در نظر نگرفتن دو عامل در طراحی توجیه نمود. یکی در نظر نگرفتن مدت زمان زلزله در طراحی و دوم عدم توجه به محتوای فرکانسی زلزله میباشد [1].
بدین معنی که طبق آیین نامه های موجود تنها ملاک طراحی حداکثر شتاب مبنا برای منطقه می باشد. مطالعات انجام شده بر روی رفتار مهاربندهای خارج محور و زانویی نشان دهنده عملکرد مناسب این دو سیستم در برابر بارهای لرزه ای است. ولی به علت تغییر شکل های زیاد عضو پیوند در زلزله ها و مدفون بودن این عضو در سقف، برای تعویض آن با مشکل مواجه می شویم. در این تحقيق هدف، ارائه سیستم مهاربندی در سطحی است که در این سیستم عضو تطرى از یک طرف به تیر پیوند و از طرف دیگر به عضو زانویی متصل است. استفاده از این سیستم بدین منظور است که در زلزله های متوسط تنها یکی از سیستم های باربر جانبی و ارده محدوده تغییر شکل های غیرارتجاعی شده و این درحالی است که سیستم دوم بدون گسترش تسليم کارایی خود را برای عملکرد در زلزله های شدید حفظ نماید و در زلزله های شدید هر دو سیستم باربر جانبی اتلاف انرژی نمایند. به عبارت دیگر، هدف نهایی این تحقیق ارائه راهکاری برای جلوگیری از ورود نيوز اصلی سازه به ناحیه غیرخطی و استفاده از یک فیوز کمکی دیگر است که در زلزله های با شدت پایین تر از زلزله طرح، فيوز اصلي ارتجاعی و نیوز فرعی به صورت غیرارتجاعی عمل نماید. در مهاربندهای واگرا تير رابط به عنوان حلقه شكل پذیر سیستم عمل نموده و بقیه قسمت های سازه بصورت ارتجاعی باقی می مانند. برای رسیدن به این هدف، از طراحی ظرفیتی استفاده میشود. تاکنرن مطالعات زیادی در ارتباط با رفتار غیرارتجاعی قاب های مهاربندی شده برون محور و زانویی به انجام رسیده است. نتایج تحقیقات مرتبط با این سیستم های مهاربندی نشان دهنده عملکرد مطلوب این سیستم ها در برابر بارهای ناشی از زلزله می باشند. انگلهارد و پوپوف [2]
مطالعه تجربی بر روی سازه های قاب مهار شده و اگرا با تیر پیوند بلند که به ستون متصل شده بود را به منظور تحقیق درباره ناپایداری های محتمل قطعه تير خارج از تیر پیوند و در مکانیزم های جاری در تیرهای پیوند بلند انجام دادند. اوکازاکی و همکارانش [3] مجموعه ای از 23 آزمایش را برای بررسی عملکرد تیرهای پیوند در قابهای مهار شده واگرا فولادی مقاوم در برابر زلزله تحت بارگذاری متناوب انجام دادند. ریچارد و یانگ [4] در مقاله ای تاثیر نسبت عرض به ضخامت بال در عملکرد تیرهای پیوند را به وسیله مدل اجزای محدود مورد بررسی قرار دادند. خسروی و مفید [5] نشان دادند که رفتار غیر خطی مهاربند زانویی تحت بارهای جانبی در مودهای تسلیم خشي و برشی به پیکربندی آن وابسته است. حسین هاشمی و عالمی [6] در یک مطالعه رفتار قاب های مهاربندی شده زانویی را با مهاربندهای هم مرکز مقایسه نمودند. هونگ ژن و همکاران [7]
با تحلیل غیرارتجاعی مهاربندهای زانویی نشان دادند که سختی و جهت قرار گیری مهاربندهای زانویی بر روی میزان اتلاف انرژی آنها موثر است. زهرائي و جلالی [8] در یک مطالعه با استفاده از تحلیل غیر خطی اجزاء محدود رفتار ناب های مهاربندی شده با مهاربندهای زانویی دوطرفه (DKBF) را بررسی نمودند. میری و همکاران [9] نوع جدیدی از ترکیب مهاربندهای زانویی و مهاربندهای هم محور را تحت عنوان KB) ارائه دادند.
زهرایی و همکاران [10] به بررسی سیستمی جدید تحت عنوان «سیستم ترکیبی بادبند شورن زانویی و پانل برشی پرداختند. در این تحقیق، مهاربندهای شورن به همراه تیر پیوند قائم مورد بررسی قرار گرفت. نیر پیوند قائم به عنوان فیوز شماره یک و المان های زانویی به عنوان فیوز شماره 2 یک عملکرد دو سطحی را برای قاب تضمین نموده اند. حسینی هاشمی و محمدی [11]

در یک تحقیق مشابه، سیستم ارائه شده در این نوشتار، به بررسی رفتار غیر خطی سیستم ترکیبی مهاربند برون محور و زانویی پرداختند تا از عملکرد دو سطحی آن اطمینان حاصل نمایند.
و مشخصات پیکربندی پیشنهادی
پیکربندی مورد نظر در این تحقیق در شکل (1) نشان داده شده است. در این پیکربندی در ابتدا با انتخاب یک سطح جابجایی به عنوان سطح خطر پایین تر برای سازه، المان زانویی طوری طراحی می شود که جاری شود . برای طراحی اولیه بجای استفاده از نیرو، از جابجایی هدف استفاده شده است.

با توجه به پیکربندی نشان داده شده در شکل (1) که تلفیقی از دو سیستم برون محور و زانویی می باشد، که آن را از این پس سیستم EKB مینامیم) پارامترهای موثر در سختی پیکربندی پیشنهادی تابعی از عوامل مختلف بوده که می توان آنها را بصورت زیر خلاصه نمود:

که در رابطه فرق: - بA A A و A به ترتيب سطح مقطع ستون، تير، مهاربند و المان زانویی - عمل بها و يا به ترتیب ممان اینرسی ستون، تير و المان زانوی - e ، b h B H ما و E به ترتیب ارتفاع طبقه، عرض دهانه، تصویر قائم المان زانویی، تصوير افقي المان زانویی، طول تیر پیوند، طول مهاربند و ضریب ارتجاعی می باشد. بطور کلی سازه ها باید دو معیار اصلی را بر آورده نمایند. اول آنکه سازه بایستی دارای سختی و مقاومت قابل قبولی در برابر زلزله های خفیف باشد تا تغییر مکان سازه در محدوده مجاز قرار بگیرد و خسارات سازهای ایجاد نشود. دوم آنکه سازه از شکل پذیری مناسبی برخوردار باشد تا در زلزله های شدید و نادر بتواند پایداری خود را حفظ نماید. سختی الاستیکی قطعات مونتاژ شده در درون صفحه تاب طبق رابطه زیر محاسبه می شود
مهم که در آن k Brace ، Link و kinet به ترتیب سختی تیر پیوند، سختی مهاربند و سختی المان زانویی می باشد. همانطور که از رابطه فرق پیداست، تركيب میراگرهای انعطاف پذیر در سختی نهایی سیستم تاثیر بسزایی دارد و جهت ایستادگی سازه تحت بارهای سرویس باید بگونه ای طراحی شوند که سختی مناسبی از ترکیب این قطعات حاصل گردد. خصوصیات یک میراگر فولادی جهت جذب انرژی باید بدین صورت باشد که اولا دارای سختی الاستیک مناسبی باشد تا توان ایستادگی در برابر بارهای مروی (مثل باد) را داشته باشد و همچنین نمودار پسماند تولید شده پایدار و چاق باشد. هدف نهایی این تحقیق ارائه راهکاری برای جلوگیری از ورود نيوز اصلي سازه به ناحیه غیرخطی و استفاده از یک فیوز کمکی دیگر است که در زلزله های با شدت پایین تر از زلزله طرح فيوز اصلی ارتجاعی و فیوز فرعی به صورت غیرارتجاعی عمل نماید. برخی از مزایای پیکربندی پیشنهادی را می توان بصورت زیر خلاصه نمود: 1- افزایش قابلیت اعتماد و داشتن یک فیوز رزرو برای زلزله های شدید 2سختی بالا نسبت به قاب های خمشی 3- تعویض و مرمت ساده و افزایش شکل پذیری سیستم به واسطه وجود فیوزهای بیشتر 5- افزایش مقاومت افزون و تخفیف در نیروی محوری تیر پیوند. برای جلوگیری از سری شدن سختی اجزای قاب، از یک سیستم قفل شونده در پشت المان زانویی استفاده شد (شكل (1) را ببینید).
تیر و ستون بایستی طوری طراحی شوند که تحت هر شرایطی ارتجاعی باقی بمانند. به همین دلیل برای آنها به ترتیب پروفیل های بال پهن معمولی PB200 استفاده شده است. طول تیر 440 و طول ستون 330 سانتیمتر در نظر گرفته شده است. برای مقطع مهاربند از توطى 120x120x12 و برای المان زانویی از یک تیرورق با بال 12xl سانتیمتر و جان 16xl سانتیمتر استفاده شده است. جهت حصول اطمینان از برشي جاری شدن المان زانویی باید طول قطعه، زانویی رابطه زیر را ارضاء نماید:

که در رابطه فوق M و V به ترتیب ظرفیت لنگر خمیری کاهش یافته و ظرفیت برش خمیری است. برای مقطع زانویی بکار گرفته شده، این طول برابر 70 سانتیمتر می باشد که مقدار در نظر گرفته شده برابر 50 سانتیمتر است. سیستم طوری طراحی شده که در تغییر مکان های کمتر ابتدا المان زانویی جاری شود و در تغيير شکل های زیادتر تیر پیوند جاری شود. بدین منظور ابتدا المان زانویی طراحی شده و سپس برای ظرفیت برشی المان زانویی، تیر پیوند مورد طراحی قرار گرفت. سپس بقیه اجزای قاب با توجه به ظرفیت برشی تیر پیوند طراحی شدند. برای طراحی المان زانویی و تعیین نیروهای طراحی از جدول 3-1 آیین نامه FEMA356 استفاده شد. در این جدول سطوح مختلف عملکردی برای ساختمانهای مختلف داده شده است. مقدار نسبت تغيير مكان طبقه برای ساختمان های مهاربندی شده به نقل از FEMA356 بصورت زیر است [12]

جهت تخمین درستی از مقاطع، عملکرد مابين 10 و LS به عنوان سطح عملکرد المان زانویی و سطح عملکرد CP به عنوان سطح عملکرد تیر پیوند در نظر گرفته شد. با استفاده از گزارشات FEMA356، میزان تغییر مکان نسبی در هر سطح عملکرد تعیین شد. با استفاده از جدول 3-C1 این گزارش، تغير مكان نسبی برای بکار افتادن المان زانویی 1% و برای بکار افتادن تیر پیوند 2% در نظر گرفته شد. قاب مورد نظر تا تغییر مکانی برابر 1 ارتفاع آن کشیده شد و مقدار نیروی ایجاد شده در المان زانویی به عنوان نیروی طراحی در نظر گرفته شد.

3 مدل های اجزاء محدود
برای بررسی عملکرد لرزه ای سیستم ترکیبی و تفاوت های رفتاری با سیستم های پیشین چهار نمونه قاب یک طبقه و یک دهانه با سیستم های بادبندی برون محور (EFB)، هم محور (CBF)، زانویی (KBF) و سیستم ترکیبی (EKB) مورد بررسی قرار گرفتند. مشخصات تکمیلی نمونه ها در جدول (2) آورده شده است. باید اشاره نمود که
صرفا رفتار میراگرهای فولادی جاری شونده با توجه به طراحی آنها مد نظر می باشد. به همین خاطر مشخصات هندسی اعضاء اصلی قاب نظر تیر، ستون و مهاربند بدون تغییر می باشد.
برای قطعات جاری شوند و اعضای قاب از فولاد ST37 با مدول یانگ 21100 kg /cm2 استفاده شد. نسبت پواسون برای فولاد 0 / 3، تنش جاری شدن kgcm2 2400 و تنش نهایی kg3700 در نظر گرفته شد. جهت مدل سازی از المان SHELL181 استفاده شد. این المان دارای چهار گره بوده که هر گره دارای شش درجه آزادی میباشد. از المان SHELL181 می توان برای مدلسازی رفتار خطی، کرنش های زیاد غیرخطی و دوران های بزرگ استفاده نمود. همچنین برای مدلسازی برخورد المان زانویی به یتم قفل شوند از المان TARGET170 و CONTA174 استفاده شد.
4. بارگذاری
نمونه ها تحت بارگذاری تناوبی در تراز طبقه به صورت جابجایی جانبی قرار گرفتند. بارگذاری تناوبی شبه استاتیکی مطابق با پیشنهاد SAC بصورت شکل (2) می باشد.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید