۱-۴- سیستم باربر لرزهای
کیفیت پاسخ و بقای یک ساختمان در اثر رخداد زمینلرزه به نوع سیستم باربر جانبی و نحوه رفتار آن در برابر ارتعاشات وارده وابسته است. سیستم باربر جانبی باید توانایی جذب و استهلاک انرژی زلزله را بدون ایجاد خسارت و خرابیهای ماندگار در ساختمان داشته باشد. هر چه ظرفیت جذب انرژی در سیستم سازهای بالاتر باشد، اطمینان از بقا و حفظ آن در اثر خطرات لرزهای بالاتر خواهد بود. برای ایجاد چنین شرایطی در سیستم باربر جانبی باید از ایجاد مکانیسم های زوال ترد در اعضا جلوگیری کرد، به این معنی که عملکرد لرزهای اعضا باید به گونه ای باشد که با حفظ پایداری و پیوستگی، سیستم توانایی جذب انرژی را در چرخههای متناوب بارگذاری داشته باشد. همچنین سیستم باربر جانبی باید از سختی و مقاومت لازم جهت حفظ و کنترل تغییر شکلهای جانبی ساختمان برخوردار باشد. در صورت افزایش تغییرشکلهای جانبی ساختمان علاوه بر افزایش خسارت در عناصر غیرسازهای، امکان ناپایداری و خرابی کلی سازه نیز وجود دارد.
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
سیستم قاب خمشی به لحاظ رفتاری که در برابر بارهای جانبی از خود نشان میدهد در اغلب سازههای فولادی و بتنی بهکار برده می شود. مهمترین خاصیت این سیستم نحوه اتصال اعضای آن میباشد که به نحو موثری در رفتار سازهای و پایداری سیستم دخیل است. به طور کلی رفتار (تغییرمکان جانبی) ساختمانها به صورت ترکیبی از تغییرشکلهای برشی و تغییرشکلهای خمشی میباشد.
از مهمترین مزایای این سیستم میتوان به عدم تداخل در ایجاد فضاهای معماری و تعبیه بازشوها اشاره کرد. در این نوع سیستم تمام دهانهها برای تعبیه بازشو (در و پنجره) آزاد هستند. سیستم قاب خمشی به دلیل تعداد درجات نامعینی زیاد، سیستم پایدارتری نسبت به دیگر انواع سیستمهای سازهای میباشد؛ به این دلیل که برای مکانیسم شدن به تشکیل مفاصل پلاستیک بیشتری نیاز دارد. از لحاظ رفتاری نیز این سیستم نسبتاً شکلپذیر میباشد و قابلیت زیادی در استهلاک انرژی از خود نشان میدهد. سختی این سیستم نسبتاً کم است و در برابر بارهای جانبی دچار ضعف سختی میباشد. به همین علت برای تقویت این سیستم نیاز است که از مقاطع بزرگ استفاده شود که این امر باعث افزایش وزن سازه و غیراقتصادی شدن طرح خواهد شد. در طراحی قاب های خمشی در مناطق زلزلهخیز فلسفه طراحی تیر ضعیف - ستون قوی باید مد نظر قرار گیرد. یعنی تناسب بین سختی تیرها و ستونها طوری رعایت شود که تغییرشکلهای غیرارتجاعی و مفصلهای پلاستیک در تیرها ایجاد شوند و در ستونها مفصل پلاستیک ایجاد نشود تا به این طریق از تمرکز تغییر شکل در یک طبقه خاص جلوگیری شود. بنابراین در طراحی بر مبنای فلسفه تیر ضعیف-ستون قوی باید ستونها در حالت ارتجاعی باقی بمانند و تیرها زودتر از ستونها تسلیم شوند و با شکلپذیری مناسب خود انرژی زلزله را مستهلک کنند. اتصالات نیز باید بتوانند در بارهای حدی با شکلپذیری مناسب غیر ارتجاعی خود، ظرفیت تحمل قاب را بالا ببرند.
۱-۵- روشهای مختلف تحلیل غیر ارتجاعی
با توجه به ترکیب نوع مدل سازهای و مشخصات زمینلرزه روشهای تحلیلی متفاوتی می تواند تعریف شود. عوامل مختلفی همچون هدف تحلیل، هدف عملکردی سازه، میزان ریسک قابل قبول، در دسترس بودن منابع و کافی بودن داده ها در انتخاب روش تحلیل مناسب مؤثر هستند.
معمولاً تصمیم اولیه برای انتخاب روش تحلیل، تحلیل استاتیکی خطی است. زمانی که سطح زمینلرزه مورد انتظار به صورتی باشد که سازه در محدوده ارتجاعی باقی بماند یا نتایج طراحی پاسخ غیرخطی در ارتفاع سازه به صورت یکنواخت توزیع شده باشد، این نوع تحلیل می تواند استفاده شود. در مواردی از این قبیل میزان ریسک بسیار کم خواهد بود، اما اگر هدف عملکرد سازه در سطح پایینی مثل سطح ایمنی جانی باشد، دلالت بر تقاضای رفتار غیرارتجاعی بیشتری است که خطای روش خطی را افزایش میدهد.
۱-۵-۱- تحلیل دینامیکی غیرخطی
تحلیل دینامیکی غیرخطی به عنوان دقیقترین روش تحلیل شناخته می شود. در این روش سازه به صورت کامل و با جزئیات بیشتر مدل می شود و در معرض تعدادی زمینلرزه در جهات مختلف قرار میگیرد. برای سازههای با اهمیت زیاد و همینطور در سازههای نامنظم، که نتایج روشهای تقریبی با خطای زیادی همراه است، استفاده از این روش پیشنهاد می شود. جابجایی و جابجایی نسبی طبقات و مؤلفه های نیرویی در اعضای سازه از تحلیل نتیجه می شود، (شکل۱-۳).
شکل ۱- ۳ نمودار جریانی روش تحلیل دینامیکی غیرخطی ]۱۱[
۱-۵-۲- تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون
تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون[۳۲]، با توجه به سادگی نسبی و در نظر گرفتن رفتار غیرخطی سازه به عنوان روش تحلیلی ارجح برای اهداف طراحی و ارزیابی عملکرد لرزهای شناخته شده است. به هر حال، این روش شامل فرضیات و سادهسازیهایی است که باعث بروز مقداری اختلاف در پیش بینی تقاضاهای لرزهای می شود ]۱۲[.
اگر چه در مقالات نشان داده شده است که تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون قادر به در نظر گرفتن ویژگیهای پاسخ سازهای ضروری تحت اثر زمینلرزه میباشد، بررسی دقت و قابلیت اطمینان این روش در پیش بینی تقاضاهای لرزهای موضعی و کلی برای انواع سازهها همیشه یک موضوع قابل بحث بوده است و روشهای استاتیکی غیرخطی بارافزون اصلاح شدهای برای غلبه بر محدودیتهای مشخصی که در روشهای استاتیکی غیرخطی بارافزون سنتی وجود دارد ارائه شده است. به هر حال، اکثر روشهای اصلاح شده به قدری از نظر محاسباتی طاقتفرسا و از نظر مفهومی پیچیده هستند که استفاده از چنین روشهایی در حرفه مهندسی و آیین نامه ها غیر عملی میباشد.
۱-۵-۲-۱- توصیف تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون
تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون یک روش تحلیل تقریبی است. در این روش سازه تا زمان رسیدن به جابجایی هدف در معرض نیروهای جانبی که با الگوی ثابت در ارتفاع سازه توزیع شده و به صورت یکنواخت افزایش مییابند قرار میگیرد.
تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون از مجموعه ای از تحلیلهای ارتجاعی متوالی تشکیل شده است که این تحلیلها برای تخمین منحنی نیرو-جابجایی کل سازه با هم ترکیب میشوند. در ابتدا یک مدل دو یا سه بعدی که دربرگیرنده منحنیهای دوخطی یا سهخطی نیرو–جابجایی مربوط به همه عناصر مقاوم در برابر نیروهای جانبی باشد ساخته می شود و سپس نیروهای ثقلی به مدل اعمال میشوند. در مرحله بعد یک الگوی بار جانبی از پیش تعیین شده که در ارتفاع سازه توزیع شده است به کار برده می شود. نیروهای جانبی تا زمانی که بعضی از اعضا تسلیم شوند افزایش مییابند. سپس مدل سازهای به گونه ای اصلاح می شود که کاهش سختی ناشی از تسلیم شدن اعضا را در نظر بگیرد و نیروهای جانبی دوباره افزایش مییابند تا زمانی که تعداد بیشتری از اعضا تسلیم شوند. این فرایند تا زمانی که جابجایی کنترل کننده در قسمت بالای سازه به مقدار مشخصی از جابجایی برسد یا تا زمانی که سازه ناپایدار شود ادامه مییابد. جابجایی بام نسبت به برش سازه رسم می شود و به این ترتیب منحنی ظرفیت کل سازه بدست می آید (شکل ۱-۴).
شکل ۱- ۴ منحنی ظرفیت کلی (بارافزون) یک سازه ]۱۲[
تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون می تواند با کنترل نیرو یا کنترل جابجایی انجام شود. در روش تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون با کنترل نیرو[۳۳]، ترکیب بار کامل مشخصی به سازه اعمال می شود، به عبارتی این روش زمانی باید استفاده شود که بار شناخته شده است مانند بارگذاری ثقلی. علاوه بر این، در این روش امکان بروز برخی خطاهای محاسباتی وجود دارد که بر دقت نتایج اثر می گذارد، چرا که جابجایی هدف می تواند با سختی جانبی بسیار کم مثبت و یا حتی منفی همراه باشد که در اثر وقوع مکانیسم یا اثرات P-∆ اتفاق میافتد، لذا افزایش منظم بارجانبی نمیتواند رفتار سازه را به درستی بیان کند.
برای حل این مشکلات، عموماً تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون با کنترل جابجایی[۳۴] انجام می شود. در روش تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون با کنترل جابجایی، جابجایی نسبی معینی مدنظر بوده در حالی که مقدار بار اعمالی از ابتدا مشخص نیست. در این روش تا زمان رسیدن جابجایی کنترل کننده به مقدار مورد نظر، میزان ترکیب بار در صورت نیاز افزایش یا کاهش مییابد. معمولاً جابجایی مرکز جرم بام به عنوان جابجایی کنترل کننده انتخاب می شود.
نیروهای داخلی و تغییرشکلهای ایجاد شده در جابجایی هدف، به عنوان تخمینی از تقاضاهای مقاومت و تغییرشکل غیرخطی در نظر گرفته میشوند که برای بررسی عملکرد سازه میباید با مقادیر ظرفیت مقایسه شوند.
۱-۵-۲-۲- برخی از روشهای تحلیل استاتیکی غیرخطی
تعدادی از روشهای تحلیل استاتیکی غیرخطی در ادامه توضیح داده شده است ]۱۳[.
۱-۵-۲-۲-۱- روش طیف ظرفیت
در این روش اولین گام به دست آوردن منحنی ظرفیت سازه چند درجه آزادی (منحنی بارافزون) با این فرض که نیمرخ تغییرشکل سازه را میتوان با شکل تغییرمکان آن در مود اول ارتعاش نمایش داد میباشد. به کمک منحنی ظرفیت، مقدار میرایی مؤثر با هدف منظور کردن انرژی مستهلک شده به واسطه رفتار هیسترزیسی ساختمان در هنگام زمینلرزه، تعیین می شود. در گام بعدی به کمک طیف طرح، نمودار طیف شتاب در مقابل طیف تغییر مکان رسم شده و سرانجام از محل تقاطع دو منحنی ظرفیت و منحنی تقاضا (بر اساس میرایی مؤثر)، نقطه عملکردی که متناظر با تغییر مکان هدف است، به دست خواهد آمد (شکل ۱-۵).
شکل ۱- ۵ روش طیف ظرفیت و نمودارهای ظرفیت و تقاضا نمونه ]۱۴[
۱-۵-۲-۲-۲- روش ضرایب
در روش ضرایب، تغییرمکان هدف از حاصلضرب تغییرمکان طیفی ارتجاعی متناظر با دوره تناوب[۳۵] اول ارتعاش ساختمان در مجموعه ای از ضرایب مختلف به دست می آید که این ضرایب معرف موارد زیر هستند:
-
- نسبت تغییرمکان طیفی به تغییرمکان بام
-
- نسبت تغییرمکان ارتجاعی به تغییرمکان فرا-ارتجاعی
-
- اثرات مربوط به شکل هیسترزیس پاسخ تغییرمکان سازه
-
- اثرات مربوط به پدیده P-Δ دینامیکی بر روی پاسخ تغییرمکان
۱-۵-۲-۲-۳- روش N2
روش N2 بر این اساس استوار است که برای تعیین تغییرمکان لرزهای تقاضا از تحلیل طیفی سیستم یک درجه آزادی معادل با فرض مدل دوخطی و نمایشدهنده مد اول ارتعاش سازه اولیه استفاده می شود. این روش تقریباً مشابه روش طیف ظرفیت بوده و به تدریج با توسعه روش N2 و ترکیب آن با روش طیف ظرفیت، اصلاحاتی بر روی آن انجام گرفت به گونه ای که به جای طیف پاسخ با میرایی مؤثر از طیف پاسخ غیرارتجاعی استفاده شد، به این ترتیب نمودارهای تقاضا به جای اینکه به نسبت میرایی وابسته باشند به مقدار شکلپذیری (مربوط به تغییرمکان) مرتبط شده اند، (شکل ۱-۶).
شکل ۱- ۶ منحنی نمونه طیف تقاضا برای شکلپذیریهای ثابت در روش N2 ]15[
۱-۵-۲-۳- شکل توزیع بار جانبی در ارتفاع ساختمان
میتوان گفت انتخاب شکل مناسب توزیع بار در برآورد رفتاری یک ساختمان، به نوعی مهمتر از تعیین دقیق تغییرمکان هدف است. شکل بارگذاری جانبی در واقع نشاندهنده و عامل توزیع نیروهای اینرسی در یک زمینلرزه طرح است. واضح است که نحوه توزیع نیروهای جانبی بر اساس شدت زمینلرزه و در طول زمان تحریک زمین تغییر مییابد. بنابراین اگر تنها یک شکل بارگذاری به کار برده شود، فرض اساسی این خواهد بود که توزیع نیروهای اینرسی در طول زمینلرزه ثابت بوده و بیشترین مقدار تغییرشکلهای به دست آمده می تواند با آنچه که وقوع آن در زمینلرزه طرح انتظار میرود مقایسه شود. این فرضیات در بعضی موارد نزدیک به واقعیت و در برخی موارد دور از واقعیت است. این فرضیه ها زمانی به واقعیت نزدیک هستند که:
اول- پاسخ سازه به صورت قابل ملاحظهای از مودهای ارتعاش بالاتر تأثیر نپذیرد.
دوم- تنها یک نوع مکانیزم کلی جاری شدن برای ساختمان وجود داشته باشد.
به صورت کلی، شکلهای رایج توزیع بار جانبی مورد استفاده در روش تحلیل استاتیکی غیرخطی شامل موارد زیر میباشند ]۱۳[:
۱-۵-۲-۳-۱- مود اول (First Mode)
در این روش نیروهای جانبی وارده به طبقات با دامنه شکل مود اول سازه در حالت ارتجاعی و با جرم هر طبقه متناسب است (شکل ۱-۷- الف).
۱-۵-۲-۳-۲- شکل مثلث معکوس (Inverted Triangular)
این شکل توزیع بار که هم اکنون در آیین نامه کشور ما نیز استفاده می شود به این صورت است که نیروی جانبی طبقات با افزایش ارتفاع به صورت خطی افزایش مییابد (شکل ۱-۷- ب).
۱-۵-۲-۳-۳- مستطیلی (Rectangular)
در این نوع توزیع بار، مقدار نیروی طبقاتی در ارتفاع ساختمان ثابت است (شکل ۱-۷- ج).
۱-۵-۲-۳-۴- بار جانبی معادل ([۳۶]ELF )
بار جانبی معادل در آیین نامه های زیادی از جملهFEMA356 ]7[ موجود میباشد. در این شکل توزیع بار جانبی مقدار و نحوه توزیع بار با توجه به دوره تناوب سازه از شکل مثلث معکوس برای دوره تناوبهای کمتر از ۵/۰ ثانیه تا شکل یک سهمی برای دوره تناوبهای بزرگتر از ۵/۲ ثانیه تغییر می کند که این تغییرات در میزان و شکل توزیع بار به دلیل اثرات ناشی از مودهای بالاتر سازه در نظر گرفته شده است (شکل ۱-۷- د).
۱-۵-۲-۳-۵- شکل متناسب با نیروی حاصل از تحلیل طیفی خطی (SRSS)
در این روش با بهره گرفتن از برش طبقات به دست آمده از تحلیل پاسخ طیفی سازه در حالت ارتجاعی توزیع بار مورد نظر حاصل می شود؛ به این صورت که برای همه مودها یا تعداد مودهای لازم، نیروهای جانبی طبقات با بهره گرفتن از طیف شتاب ارتجاعی در هر مود محاسبه می شود، سپس با داشتن نیروی جانبی طبقات، برش طبقه در هر مود و در هر طبقه به دست می آید. با ترکیب برش طبقات با بهره گرفتن از روش جذر مجموع مربعات (SRSS)، برش مودال طبقات به دست می آید که با بهره گرفتن از این برش میتوان نیروی جانبی هر طبقه را محاسبه کرد و برای انجام تحلیل به سازه اعمال نمود (شکل ۱-۷- ﻫ).
۱-۵-۲-۳-۶- شکل مود اول متغیر تطابق یابنده (Adaptive First Mode)
هیچ کدام از توزیع بارهای غیر متغیر قادر به در نظر گرفتن اثر بازتوزیع نیروهای اینرسی زمینلرزه ناشی از تسلیم برخی از اجزای سازهای و نیز تغییراتی که در مشخصات ارتعاشی سازه به وجود می آید نیستند، لذا تعدادی از محققین با هدف برطرف کردن نارساییهای ذکر شده روش توزیع بار متغیر تطابق یابنده را ارائه کرده اند تا نیروهای وارده هر چه بیشتر به توزیع نیروهای اینرسی متغیر با زمان نزدیک شوند. در این فرایند تعیین توزیع بار جانبی، نرمشدگیهای به وجود آمده در منحنی ظرفیت در هر گام بارگذاری که در واقع به علت کاهش سختی سازه در اثر رفتار غیرخطی اعضا میباشد و باعث تغییر دائمی شکل مود اول ارتعاش سازه می شود منظور میگردد؛ بدین ترتیب در هر گام بارگذاری جانبی، مقدار نیروی جانبی در هر طبقه متناسب با جرم طبقه و دامنه حاصل از شکل مود اول ارتعاش سازه که پس از کاهش سختی سازه (در اثر تشکیل مفصلهای پلاستیک سازه) مجدداً محاسبه شده است تعیین می شود. به هر حال تحقیقات اخیر نشان داده است که این روش با توجه به پیچیدگیها و دشواریهایی که در انجام محاسبات آن وجود دارد، نسبت به روشهای مرسوم پیشرفت قابل ملاحظهای را ارائه نمیکند.
۱-۵-۲-۳-۷- ترکیب چند مود (Multimode)
