پایان نامه با موضوع ظرفیت تحمل، زمین لرزه، مدل سازی

به این مدل که در این پایان نامه در مدل سازی رفتار غیر خطی قاب‌های خمشی مورد استفاده قرار گرفته پایان بخش این فصل می باشد.
فصل ششم به انجام تحلیل‌های دینامیکی غیرخطی افزایشی بر پایه مفاهیم و موضوعات بحث شده در فصل سوم اختصاص یافته و پس از معرفی نرم افزار و شتاب نگاشت‌های مورد استفاده، منحنی‌های IDA بدست آمده برای پارامترهای شاخص شدت و تقاضای انتخاب شده مورد پردازش و بررسی قرار گرفته و در نهایت ظرفیت یا حالات حدی از این نمودارها برداشت شده است.
در فصل هفتم نتایج بدست آمده از تحلیل های مختلف ارائه و با یکدیگر مقایسه شده است.
در فصل هشتم که فصل انتهایی می‌باشد به بیان نتایج پژوهش و همچنین پیشنهاداتی برای تحقیقات آینده می‌پردازیم.

بررسی سیستم سازه‌ای قاب خمشی

فصل دوم
« بررسی سیستم سازه‌ای قاب خمشی »

مقدمه
در ساختمان‌ها از سیستم‌های باربر جانبی مختلفی برای مقابله با نیروی جانبی وارد بر ساختمان استفاده می‌شود که از آن جمله می‌توان به قاب‌های خمشی (MRF)10 اشاره کرد. سالیان متمادی هدف آیین نامه‌ها و دستورالعمل‌های لرزه‌ای فراهم آوردن ساختمانی با قابلیت مقاومت در برابر زلزله بدون ویرانی و یا آسیب‌های عمده سازه‌ای بود. برای رسیدن به این هدف یکی از اصول اساسی دست یافتن به مصالح و سیستم سازه ای شکل‌پذیر می‌باشد. منظور از شکل پذیر بودن سازه، قابلیت تحمل تغییر شکل‌های غیرخطی بزرگ بدون هرگونه کاهش در مقاومت و یا ناپایداری و ویرانی می‌باشد. به طور کلی سیستم‌های سازه‌ای با شکل‌پذیری بالا برای نیروی کمتری نسبت به سیستم‌هایی با شکل‌پذیری پایین طراحی می‌شوند، چرا که انتظار می‌رود سیستم‌های سازه‌ای با شکل‌پذیری بالا قابلیت مقاومت در برابر تقاضایی بسیار بزرگ‌تر از حد الاستیک خود را داشته باشند.
از مهم‌ترین مزایای این سیستم می‌توان به عدم تداخل در ملاحظات معماری از قبیل تعبیه‌ی بازشوها اشاره کرد. در این نوع سیستم تمام دهانه‌ها برای تعبیه‌ی بازشو آزاد هستند. از لحاظ رفتاری نیز این سیستم دارای شکل‌پذیری بسیار خوبی بوده و قابلیت بالایی در استهلاک انرژی از خود نشان می‌دهد. سختی این سیستم در مقایسه با سایر سیستم‌های مقاوم سازه‌ای در برابر بارهای جانبی، کم است. سختی نسبتاً کم این سیستم موجب می‌شود که در برخی مواردِ ارضای محدودیت‌های تغییر مکان جانبی در ساختمان‌های بلند، ممکن است منجر به استفاده از مقاطع بزرگ‌تر و در نتیجه افزایش وزن سازه و غیر اقتصادی شدن طرح در مقایسه با سایر سیستم‌های مقاوم لرزه‌ای شود.
در حالت کلی از لحاظ پیکربندی، این سیستم از شبکه‌های مستطیلی تیرهای افقی و ستون‌های قائم با اتصالات صلب تشکیل یافته است. این سیستم باید مقاومت و سختی لازم را جهت مقابله با بارهای ثقلی و نیروهای زلزله و تغییر شکل‌های ناشی از آن داشته باشد.

شکل 2- 1- ساختمان Davis Wing با سیستم قاب خمشی ویژه، ستون‌های W36 و تیرهایW30 [1].

در ادامه ابتدا به بررسی رفتار کلی سیستم قاب خمشی می‌پردازیم و پس از نگاهی مختصر بر تعاریف و مفاهیم کلی به فلسفه روابط آیین نامه ای در این سیستم‌ها اشاره می‌شود. از آنجا که مهم‌ترین موضوع در بحث قاب‌های خمشی، اتصالات آن‌ها می‌باشد پس از معرفی اتصالات از پیش تأیید شده در قاب‌های خمشی، به عوامل مؤثر بر عملکرد اتصالات پرداخته می‌شود.

رفتار قاب‌های خمشی در برابر بار جانبی
واکنش یک قاب خمشی در برابر بارهای زلزله در حقیقت چرخش گره‌ها و ایجاد تغییر شکل‌های خمشی در تیرها و ستون‌های آن می‌باشد. این تغییر شکل‌ها در اثر دو عامل عمده‌ی : الف- تغییر شکل ناشی از خمش طره‌ای و ب- تغییر شکل ناشی از خمش تیرها و ستون‌ها، به وجود می‌آیند. در ادامه اثرات دو عامل فوق در تغییر شکل قاب‌های خمشی تشریح می‌شوند [2].
تغییر شکل ناشی از خمش طره‌ای
در اثر واژگونی، قاب به صورت یک تیر طره‌ای عمل می‌کند و به دلیل تغییر شکل محوری، ستون‌های فشاری قاب کاهش طول می‌دهند و ستون‌های کششی در قاب افزایش طول پیدا می‌کنند. بررسی‌ها نشان داده‌اند که سهم این عامل حدود 20% از کل تغییر شکل قاب خمشی می‌باشد. در شکل 2- 2 تغییر شکل‌های قاب خمشی از جمله تغییر شکل طره‌ای قاب خمشی نشان داده شده است. در این نوع تغییر شکل در ستون‌های میانی، تغییر شکل محوری ناچیزی ایجاد می‌شود و نیروی محوری این ستون‌ها تقریباً برابر صفراست. در واقع ستون‌های میانی در محل تار خنثی تیر طره‌ای معادل قاب خمشی قرار می‌گیرند و کرنش در آن‌ها تقریباً برابر صفر خواهد بود [2].

تغییر شکل ناشی از خمش تیرها و ستون‌ها
این حالت نیز در شکل 2- 2 نشان داده شده است و در اثر خمش در تیرها و ستون‌ها ایجاد می‌شود. در این حالت دوران اتصال باعث ایجاد خمش در تیرها و ستون‌های متصل به آن می‌شود. در واقع تغییر مکان جانبی قاب در اتصالات به دوران تبدیل می‌شود. بنا بر بررسی‌های انجام شده سهم این عامل حدود 80% کل تغییر شکل قاب است که از این80% حدود 65% سهم خمش تیرها و 15% سهم خمش ستون‌ها می‌باشد. [2].

شکل 2- 2- تغییر شکل قاب‌های خمشی[2]
رابطه‌ی بار- تغییر مکان در قاب‌های خمشی
مطالعات بسیاری بر روی قاب‌های خمشی صورت گرفته است که نشان می‌دهد که روابط بار- تغییر مکان افقی قاب‌های خمشی وابسته به بارهای قائم می‌باشد. در شکل 2- 3 چند نمودار شماتیک از روابط بار- تغییر مکان افقی قاب‌های خمشی نشان داده شده است. در این نمودارها مشاهده می‌گردد که مقاومت یک قاب با افزایش بار قائم به دلیل اثر کاهش می‌یابد. بر این اساس در اکثر آیین‌نامه‌ها ضوابطی برای کنترل این اثر ارائه شده است. در برخی از آیین‌نامه‌ها در صورت بزرگ‌تر شدن جابه‌جایی نسبی طبقات از یک مقدار مشخص در نظر گیری اثر را لازم می‌دانند. در آیین‌نامه‌های جدیدتر مانند آیین‌نامه‌ی UBC97 به جای کنترل تغییر مکان الاستیک، تغییر مکان غیر الاستیک کنترل می‌شود.) شکل 2- 3([3].
اثرات نقش قابل توجهی در افزایش تغییر مکان جانبی قاب خمشی ایفا می‌کنند. بنابراین در تحلیل قاب‌های خمشی با توجه به محدودیت‌های آیین‌نامه‌ی ساختمانی مورد استفاده، حتماً باید اثرات لحاظ شود.

شکل 2- 3- روابط بار- تغییر مکان برای قاب خمشی تحت بار ثقلی[3]

رفتار چرخه‌ای قاب‌ها
چرخه‌های هیسترزیس با بارگذاری رفت و برگشتی سازه بدست می‌آیند و نمودار بار- تغییر مکان حاصل از این بارگذاری نشان دهنده‌ی شکل‌پذیری و قابلیت استهلاک انرژی در سیستم سازه‌ای می‌باشد. شکل 2- 4 روابط بار- تغییر مکان برای قاب‌های خمشی پرتال با مقیاس حقیقی را تحت یک بار افقی سیکلی نشان می‌دهد. اگر یک قاب تحت اثر بار قائم نباشد، منحنی بار- تغییر مکان تحت بار سیکلی به صورت شکل 2- 4-الف خواهد بود که مشاهده می‌شود که منحنی دوکی شکل و کاملاً پایدار است. به عبارت دیگر ظرفیت استهلاک انرژی قاب خمشی زیاد است. هنگامی که قاب خمشی تحت بار ثقلی قرار می‌گیرد، در منحنی بار- تغییر مکان شیب منفی ظاهر می‌شود که نمایانگر اثرات می‌باشد که در شکل 2- 4-ب به خوبی دیده می‌شود. [2].

شکل 2- 4- روابط بار- تغییر مکان قاب‌های خمشی پرتال[2]

شکل‌پذیری قاب‌های خمشی
یکی از عوامل مؤثر در بررسی رفتار قاب‌ها، شکل‌پذیری آن‌ها می‌باشد. شکل‌پذیری یک قاب بیش از همه‌ی عوامل تابعی از نسبت سختی تیرهای استفاده شده در قاب می‌باشد. ضریب شکل‌پذیری را می‌توان به صورت زیر برای یک قاب تعریف نمود:
2- 1 μ=δ_cr/δ_y =0.7+(0.3π√((E/E_y ) ))/(√((P/P_y ))(KL/r))
در شکل 2- 5 پارامترهای مورد استفاده در معادله‌ی (2-1) نشان داده شده است.

شکل 2- 5- روابط شکل‌پذیری برای قاب خمشی پرتال[2].

مفاصل پلاستیک در قاب‌های خمشی
تغییر شکل‌های غیرخطی قاب‌های خمشی در نواحی مشخصی از سازه روی می‌دهد. در کرنش‌های غیر الاستیک زیاد این نواحی می‌توانند تبدیل به مفصل شوند که این مفاصل قابلیت تحمل دوران‌های زیاد با نیروی تقریباً ثابتی را دارند. نواحی فوق معمولاً در انتهای تیرها و ناحیه‌ی چشمه‌ی اتصال واقع شده است. طراحی سازه می‌بایست به گونه‌ای صورت گیرد که از تشکیل مفاصل در ستون‌ها جلوگیری شود چرا که ممکن است به ایجاد مکانیزم طبقه نرم و انهدام سازه منجر گردد. تشکیل مفاصل در ستون‌ها قابلیت استهلاک انرژی را بسیار کاهش می‌دهد.[2]
اتصالات معرفی شده در آیین نامه های UBC و NEHRP تا قبل از زلزله‌ی نورتریج بر مبنای تشکیل مفصل پلاستیک در انتهای تیر و در وجه ستون با تغییر شکل محدود چشمه‌ی اتصال، استوار بود. توسعه‌ی تغییر شکل‌های زیاد در چشمه‌ی اتصال منجر به ایجاد تنش‌های ثانویه‌ی بالایی در ناحیه‌ی اتصال بال تیر به بال ستون می‌شود که می‌تواند باعث گسیختگی ترد در اتصال گردد. [2].
توسعه‌ی مفصل پلاستیک در انتهای تیر و در وجه ستون، منجر به ایجاد کرنش‌های غیر الاستیک بزرگی روی جوش، ناحیه‌ی سوخته (Heat Affected Zone) و بال ستون می‌گردد که مجموعه‌ی این عوامل سبب گسیختگی ترد اتصال می‌شود.
برای بدست آوردن عملکرد قابل اطمینان تر، پیشنهادها و راه کارهای متعددی در طراحی‌ها ارائه شده است. یکی از این پیشنهادها این است که اتصال تیر به ستون طوری طراحی و آرایش داده شود که مفصل پلاستیک با مقداری فاصله از بر ستون در تیرها تشکیل گردد. این عمل می‌تواند با تسلیح عرضی اتصال یا کاهش سطح مقطع تیر در آن فاصله صورت گیرد. مفاصل پلاستیک در تیرهای فولادی طول محدودی دارند و به صورت عمومی طول آن‌ها برابر نصف ارتفاع مقطع در نظر گرفته می‌شود. بنابراین محل تشکیل مفصل بایستی حداقل به اندازه‌ی نصف ارتفاع مقطع از وجه ستون فاصله داشته باشد. [2].

ظرفیت دوران پلاستیک
ظرفیت دوران پلاستیک یک اتصال باید منعکس کننده‌ی کل جابه‌جایی نسبی ایجاد شده در اثر بارهای زلزله و چگونگی هندسه‌ی قاب باشد. برای قاب‌های معمولی و زمین لرزه های تعریف شده در آیین‌نامه‌ها، حداقل ظرفیت دوران پلاستیک به صورت زیر پیشنهاد می‌شود:
2- 2 θ=0.025(1+(L-L^’)/L^’ )
در شکل 2- 6 دوران مفاصل پلاستیک به صورت شماتیک نشان داده شده است. دوران پلاستیک مورد نیاز در صورت استفاده از وسایل مستهلک کننده‌ی انرژی کاهش می‌یابد [2].

شکل 2- 6- ظرفیت دوران پلاستیک مورد نیاز قاب‌های خمشی[2]
تعیین موقعیت مفاصل پلاستیک
برای تیرهایی که در آن‌ها بار ثقلی نسبت کمی از کل مقاومت خمشی تیر می‌باشد، می‌توان تشکیل مفصل پلاستیک را در فاصله‌ی حدود 3/d از انتهای لبه‌ی مسلح شده‌ی تیر فرض کرد، که d عمق تیر است، مگر این که آزمایش‌ها موقعیت دیگری را نشان دهند (شکل 2- 7). موقعیت پیشنهاد شده برای مفصل پلاستیک واقع روی طول تیر، بر اساس نتایج آزمایش‌های صورت گرفته روی تیرهای دارای بارگذاری ثقلی می‌باشد. اگر مقاومت خمشی مورد نیاز برای تیر جهت مقابله با بار ثقلی بیشتر از این مقدار باشد، تعیین موقعیت مناسب برای مفصل پلاستیک باید بر اساس تحلیل پلاستیک بدست آید. [2].
در نواحی با لرزه‌خیزی بالا مانند نواحی 1و 2 استاندارد 2800 و یا نواحی 3و 4 آیین‌نامه‌ی UBC اثرات بار ثقلی روی تیرهای مقاوم در برابر نیروهای زلزله عموماً کمتر از مقدار ذکر شده می‌باشد. [2].

شکل 2- 7- محل تشکیل مفاصل پلاستیک[2].

شکل 2- 8- تلاش‌های وارده در محل تشکیل مفاصل پلاستیک[2].
مشخص کردن لنگر پلاستیک محتمل در مفصل پلاستیک
مقدار لنگر پلاستیک (یا ظرفیت تحمل لنگر) از رابطه‌ی زیر حاصل می‌شود:
2- 3 M_pr=βM_p=βZ_b F_y
که در معادله‌ی فوق:
M_pr: لنگر پلاستیک محتمل
β: این ضریب اثرات اختلاف ناشی از لنگر پلاستیک اسمی با لنگر پلاستیک حاصل از واقعی تیر و اثرات سخت‌شدگی مجدد فولاد را در بر