بخشی از مقاله
مطالعه رفتار لرزه اي انواع سیستم هاي مقاوم سازه اي در ساختمان هاي بلند مرتبه بتن آرمه
خلاصه
در دهه هاي گذشته سیستم هاي سازه اي مورد استفاده در ساختمان هاي بلند شامل سیستم هایی همچون قاب صلب، قاب مهاربندي شده، دیوارهاي برشی و یا ترکیبی از این سیستم ها بوده است. اما امروزه سیستم هاي نوینی همچون سیستم هاي لوله اي، کمربندهاي خرپایی و شبکه قطري تحولی در ساختمان هاي بلند هم از نظر معماري و هم از نظر سازه اي به وجود آورده است. در این مقاله علاوه بر معرفی اجمالی سیستم هاي مقاوم جانبی در ساختمان هاي بلند مرتبه بتنی، رفتار لرزه اي آن ها در یک ساختمان 20 طبقه با نسبت ابعادي (نسبت ارتفاع به عرض) 2/5 مورد بررسی قرار می گیرد. ابعاد پلان تمامی سازه ها 30 متر30 متر می باشد. سازه ها به صورت سه بعدي مدلسازي شده و نیروهاي لرزه اي بر اساس استاندارد 2800 زلزله ایران، ویرایش سوم، اعمال شده اند. هدف از طرح این مقاله بررسی رفتار لرزه اي انواع سیستم هاي مقاوم جانبی در ساختمان هاي بلند مرتبه بتنی و مقایسه ویژگی هایی از سازه همانند تغییرمکان جانبی طبقات، درصد جذب برش و نحوه عملکرد هسته داخلی و سیستم سازه اي پیرامونی می باشد. نتایج تحقیقات نشان می دهد، سیستم هاي لوله اي و شبکه قطري براي تأمین مقاومت جانبی و دست یافتن به سختی لازم، در ساختمان هاي بلند مرتبه مؤثرتر می باشند. از طرفی در این سیستم ها، دیوارهاي برشی هسته مرکزي در طبقات فوقانی برش منفی زیادي ایجاد می نماید که براي از بین بردن برش منفی، باید دیوارهاي برشی اطراف هسته مرکزي در آن طبقات قطع گردند.
1. مقدمه
از نظر سازه اي، ساختمانی را بلند می گویند که ارتفاع آن باعث شود که در طراحی آن شرایط ویژه لحاظ شود و یا سازهاي را که پریود آن از 0/7 ثانیه بیشتر باشد؛ سازه بلند میگویند. برخی هم نسبت ارتفاع به بعد سازه را ملاك این طبقهبندي دانسته و نسبت هاي ارتفاع به بعد 1/5π، π، π/2 و π/3 را به ترتیب مربوط به سازه بسیار بلند، بلند، متوسط و کوتاه میدانند .[1] در این مقاله علاوه بر معرفی آخرین طبقه بندي سیستم هاي مقاوم جانبی در ساختمان هاي بلند بتنی، تأثیر استفاده از این سیستم هاي سازه اي در ساختمان هاي بلند بررسی شده است. هدف از طرح این مقاله بررسی رفتار لرزه اي سیستم هاي مقاوم سازه اي در ساختمان هاي بلند مرتبه بتنی و مقایسه ویژگی هایی از سازه همانند تغییرمکان جانبی طبقات، درصد جذب برش و نحوه عملکرد هسته داخلی و سیستم سازه اي پیرامونی می باشد. به طور کلی یک فرم سازه اي کامل براي مهار کردن تأثیرات خمش، برش و نوسانات زیاد سیستمی است که پیوستگی عمودي داشته باشد و در دورترین بخش از مرکز هندسی ساختمان قرارگیرد. در سیستم هاي نوین سازه اي نیز با قراردادن المان هاي سازه اي در پیرامون ساختمان، کارایی سیستم سازه اي افزایش یافته است. در بخش هاي ذیل رفتار لرزه اي این گونه سیستم هاي بررسی می گردد.
2. طبقه بندي سیستم هاي سازه اي در ساختمان هاي بلند مرتبه بتنی
قبل از مطالعه رفتار لرزه اي انواع سیستم هاي سازه اي در ساختمان هاي بلند مرتبه، شرحی مختصر از سیستم هاي مقاوم جانبی در ساختمان هاي بلند مرتبه؛ ذکر می گردد:
.1-2 قاب صلب: ساختار قاب صلب شامل ستون ها و شاه تیرهایی است که به وسیله اتصالات خمشی به یکدیگر متصل شده اند. به کارگیري این سیستم در ساختمان ها ي بتنی رایج تر اس زیرا در این سیستم اتصال بین تیرها و ستون ها بایستی گیردار (صلب) باشد که اجراي این نوع اتصال در ساختمان هاي بتنی ساده تر است. البته به کارگ یري قاب صلب در سازه هاي بتنی معایبی از جمله قال ب بندي پرهزینه و سرعت پایین اجرا را دارد .[2]
.2-2 سیستم دیوار برشی : سیستم دیوارهاي برشی در مقایسه با قاب صلب، بسیا ر سخت تر می باشند و به همین جهت انتظار می رود که در اثر زلزله تحت نیروهاي جانبی بزرگت ري قرارگیرند. در مقابل، تغییرمکان جانبی ساختمان ها با دیوار برشی به مراتب کمتر از قاب هاي صلب خواهد ب ود .[3]
.3-2 سیستم ترکیبی قا ب خمشی و دیوار برشی: در این سیستم مقاومت در برابر بارگذاري افقی توسط ترکیبی از دیوارهاي برشی و قاب هاي صلب فرآهم می گردد. دی وارهاي برشی اغل پیرامون آسانسو و هسته هاي خدماتی قرار می گیرند؛ در حالی که قاب ها با تیرهاي نسًبتا عمیق در اطراف ساختمان قرار دارند. در سیستم قاب خم شی، تغییرشکل هاي جانبی به صورت برشی می باشند در حالتی که در سیستم مختلط قاب و دیوار برشی، تغییرشکل هاي جانبی ترکیبی از تغییرشکل هاي برشی و خمشی هستند. حالت کلا سیک بر هم کنش بین یک دیوار برشی منشوري و یک قاب خمشی و ترکیب مد برشی و خمشی ، در شکل 1 نشان داده شده است 2] و .[3
.4-2 سیستم سازه اي با مهار بازویی (ک مربندهاي خرپایی): ساختمانهاي مرکب از قاب و دیوار برشی، براي ساختمانهاي بیش از 40 طبقه بازدهی مناسبی ندارند؛ زیرا براي این که مهارندي به قدر کافی سخت و قوي باشد، مقادیر زیادي م صالح لازم می گردد. بازده یا کارآیی سازه را می توان با استفاده از مهارهاي بازویی افقی که قاب را به هسته می بندد تا حدود 30 در صد افزایش داد. در این سیستم مهارها با ستون هاي پیرامو نی، هنگامی که در معرض بارهاي جانبی قرار می گیرند در برابر چرخش هسته مقاومت می کنند و سبب می شود تا تغییر شکل هاي جانبی و ممان ها از حالتی که هسته آزادانه حرکت می کنند؛ کوچکتر باشد. این مهارهاي بازویی در ساختمان هاي بتن آرمه از دیوار هاي بتنی عمیق و در ساختمان ها ي فولادي از مهاربندهاي قطري ساخته می شوند 1] و [4 (شکل .(2 با این حال انتخاب دیگر، استفاده از شاه تیرهاي ماهیچه اي1 (شاه تیرهایی که عمق آنها در قسمت میانی دهانه کاهش می یابد) در هر طبقه می باش د (شکل .(3
.5-2 سیستم هاي سازه اي لوله اي: این سیستم ها شکل ت کامل یافته سازه هاي قابی معمولی م باشد. این سیستم گسترشی منطقی از قاب مقاوم خمشی ا ت که در نتیجه آن سختی تیرها و تون ها به طور بر جسته اي به وسیله کاهش ابعاد دهانه آزاد و افزایش عمق عضو، افزایش داده می شود.
بارزترین مشخصه این سیست م استفاده از ستون هاي پیرامونی با فواصل نزدیک بوده که این اعضا، با تیرهاي عمیق به یکدیگر متصل می گردند؛ بنابراین کل ساختمان به عنوان یک طره قائم بسیار بزرگ در برابر ممان واژگونی مقاومت م ی کند. معمولاً فاصله ستون هاي خار جی براي ساختمان هاي لوله اي 2 تا 3 متر می باشد و عمق تیرهاي محیطی بین 0/6 تا 1/3 متر تغییر می کند. نمونه اي از این نوع سیستم سازه اي در شکل 4 نشان داده شد ه است 2] و .[18 به طور کلی سیستم ها ي لوله اي در چهار دسته، طبقه بندي می گردند :[2]
1. سیستم لوله قابی (قاب محیطی):2 در این سیستم لوله اي دیوارهاي خارجی ساختمان از شبکه اي از تیرها و ستون هاي نزدیک به هم تشکیل می شوند که با اتصالات صلب به یکدیگر متصل می باشند 1] و .[2
2. سیستم لوله مها ربندي شده:1 یک سیستم لوله مهاربندي شده کارآیی لوله قابی را با افزایش دادن پتانسیل آن براي استفاده در ساختمان هاي بلند تر ارتقاء م ی دهد و اجازه می دهد فاصله ستون ها بیشتر باشد. این اثر با اضافه نمودن مهاربندهاي قطري بر روي وجوه لوله حاصل می شود. در ساختمان هاي بتن آرمه ا پرنمودن بخش هایی از نماي خارج ی ساختمان از بتن آرمه، مهاربندهاي قطري ایجاد می گردد (شکل .(5
3. سیستم لوله در للوله:2 در این حالت لوله خارجی با ه سته هاي برشی داخل به شکل لوله در لوله ترکیب می شود. به بیانی دیگر آرایش هسته داخلی با هسته خارجی، باعث سختی بیشتر شده و امک ان ساخت ساختمان ها با ارتفاع بیشتر را به وجود می آو رد.
4. سیستم لوله دسته بندي شده:3 در این حالت سازه را می توان به صورت یک گروه قاب محیطی که با پانل هاي مشترك داخل ی به یکدیگر متصل شده اند، در نظر گرفت. قا ب هاي در جهت باد، برش هاي ناشی از بار باد و قاب هاي بال بیشتر لنگرهاي ناشی از بار باد را تحمل می کنند. در این فرم سازه اي فاصله ستون ها بیشتر و عم ق تیرهاي کناري کمتر است .[3]
شکل .2 سیستم سازه اي مهار بازویی با مهار ایی در دو طرف هسته [2] شکل .3 استفاده از شاه تیرهاي ماهیچه اي به عنوان مهار بازویی [2]
شکل .4 سیستم سازه اي لوله اي 2] و [3 شکل .5 نماي مهاربندهاي قطري بتنی [3]
.6-2 شبکه قطري: در این سیستم، ستون هاي به کار رفته در سازه هاي لوله اي حذف شده و تنها از مهاربندهایی در پیرامون ساختمان استفاده می شود. نمونه اي از این نوع سیستم در سازه ها ي بلند مرتبه بتنی در شکل 6 مشاهده می گردد. این سیستم سازه اي به دلیل قرارگیري در پیرامون سازه، عملکرد معماري مناسبی دارد و موجب تغییرا ت اساسی در معیار زیبایی شناختی گردیده است. همچنین استفاده از اعضاي قطري، مقاومت برشی مورد نیاز را تأمین می کند. توزیع بار در محل گره ا ضاي قطري نیز در شکل 6 آمده است 2] و .[3
3. مشخصات و خ صوصیات سازه ها
در این مقاله با مطالعه سازه بتنی 20 طبقه با ارتفاع 76 متر با پلانی با ابعاد 30 متر30 متر، رفتار لرزه ا ي انواع سیستم هاي مقاوم جانبی در ساختمان هاي بلند بتنی بررسی می گردد. مطابق شکل 7، سازه مورد مطالعه در پلان داراي سه دهانه 10 متري در جهت طولی و سه دهانه 10 متري در ج هت عرضی می باشد. همچنین هسته مرک زي به ابعاد 10 متر10 متر منظور شده است. پلان ساخ تمان شرایط یک ساختمان منظم در پلان و ارتفاع را دارا می باشد و دیگر شرایط مندرج در آیین نامه 2800 را نیز رضا می نماید .[5] ارتفاع طبقات در این سازه ها 3/8 متر است. همچنین ن سبت ابعادي ساختمان مورد نظر (نسبت ارتفاع به عرض) برابر با 2/5 می باشد. پارامترهاي انتخابی جهت مطالعه رفتار لرزه اي عبارتند از: تغییرمکان جانبی طبقه، دریفت هر طبقه، درصد جذب بر ش ناشی از نیروي زلزله بین هسته مرکزي داراي دیوار برشی بتنی و سیستم سازه اي پیرامونی.
سیستم سقف طبقات در این سازه ها از نوع دال تخت به ض خامت 25 تا 35 سانتی متر است. مقاومت تسلیم فولاد Fy=2400 Kg/cm 2 و مقاومت فشاري بتن Fc= 250 Kg/cm2 در نظر گرفته شده است. براي بارگذاري ثقلی سازه بر اساس مبح ث ششم مقرارت ملی ساختمان، با د ر نظر گرفتن
1. کاربري مسکونی، بار زنده طبقات برابر با 200 کیلوگرم بر مترمربع و بار مرده برابر با 500 کیلوگرم بر مترمربع اعمال شده است .[6] توزیع نیروي جانبی
2. در ارتفاع ساختمان بر اساس استاندارد 2800 زلزله ایران (ویرایش سوم)، انجام گرفته است .[5] همچنین فرض شده اس ت، سازه در محل با خطر نسبی
3. زلزله خیزي زیاد (A =0.35g) قرار دارند؛ خاك محل از نوع (II بوده و ضریب اهمیت سازه I=1 می باشد. در این مقاله اثر بارگذاري باد بر سازه
4. مورد مطالعه بررسی نشده ا ست. سازه ها با اس فاده از نرم افزار SAP200 به صورت سه بعدي مدلسازي شده اند . [7] پس از بارگذاري ، قاب ها بر
5. اساس آیین نامه ACI 318-99 و با برنامه SAP2000 طراحی و با مبحث نهم مقرارت ملی ساختمان (طرح و اجراي ساختمان هاي بتنی) ک نترل شدند.
6. در این تحقیق اثر استفاده از انواع سیستم هاي مقاوم جانبی در ساختمان ها ي بلند بتنی با در نظ ر گرفتن شش مدل بررسی شده اس ت. مدل هاي
7. استفاده شده به شرح زیر می باشند: سیستم تماماً بتن ی با قاب هاي خمشی پیرامونی بتنی و هسته مرکزي با دی وارهاي برشی بتنی (Model 1)
8. سیستم دوگانه تماماً بتنی با لوله قابی پیرامونی بتنی و هسته مرکزي با دیوارهاي برشی بتنی (Model 2)
9. سیستم دوگانه تماماً بتنی با لوله مهاربندي شده پیراموی بتنی و هسته مرکزي با دیوارهاي ب شی بتنی (Model 3)
10. سیستم دوگانه تماماً بتنی با شبکه قطري پیرامونی بتنی و هسته مرکزي با دیوارهاي برشی بتنی (Model 4)
.5 سیستم تماماً بتن ی با قاب هاي خمشی پیرامونی بتنی و هسته مرکزي با دی وارهاي برشی بتنی با افزودن کمربندهاي خرپایی (Mo del 5)
.6 سیستم دوگانه تماماً بتنی با لوله قابی پیرامونی بتنی و هسته مرکزي با دیوارهاي برشی بتنی با افزودن کمربندهاي خرپایی (Mo del 6)
جه ت مقایسه سازه ها سعی شده است تا مشخصات هندسی ، نحوه بارگذاري، خصوصیات لرزه اي، سیستم باربري جانبی و قائم، نوع خاك منطقه و … در تمامی سازه ها تا حد امکان یکسان باشد. در بخش هاي بعد نتایج آنالیز سازه ها مورد بررسی قرار می گیرند. در مدل اول به منظور مقایسه سیستم هاي پیشین با سیستم هاي نوین سازه اي از قاب هاي خمشی و دیوار برشی بتنی در پیرامون هسته مرکزي استفاده شده است که ضخامت دیوارها از 10 سانتی متر تا 25 سانتی متر متغیر می باشد (شکل -8الف). در مدل 2 از سیستم لوله قابی که یک ی از مؤثرترین سیستم هاي مقاوم جانبی در سازه هاي بلند در پیرامون سازه ا ستفاده شده است. اصله ستون ها در این مدل 2 متر می باشد (شکل -8ب). در مدل سوم در پیرامون سازه از لو له مهاربندي شده استفاده شده است. آراایش بادبند هاي قطري مدل سوم در شکل -8ج نشان داده شده است. در مدل چهارم نیز در پیرامون سازه از سیستم شبکه قطري استفاده شده است که در شکل -8د م اهده می گردد. مدل پنجم مشابه مدل اول می باشد با این تفاوت که از مهارهاي بازویی و کمربندهاي خرپایی ب نی در اطراف سازه استفاده گردیده است (شکل -8و). همچنین مدل ششم مشابه با مدل دوم است که علاوه بر لوله قابی در پیرامون سازه از کمربندهاي خرپایی بتنی استتفاده شده است (شکل -8ه).
