تحقیق در مورد بررسی تغییر مکان نسبی سازه های بلند فلزی با تغییر سیستم مها ربندی در ارتفاع

بررسی تغییر مکان نسبی سازه های بلند فلزی با تغییر سیستم مهاربندی در ارتفاع

چکیده:
دستورالعمل FEMA جهت کنترل خسارت در سازه های بلند مقادیر تغییر مکان نسبی سازه ها را محدود نموده است . سازه های فولادی بلند با سیستم مهاربندی، معمولا مهاربند ها به صورت مشخص و بدون تغییر در ارتفاع استفاده می شود و بیشتر تغییرات در پلان سازه می باشد.با توجه به اینکه تحقیقات جدید برروی انواع گوناگون مهاربندی و رفتار لرزه ای سیستمهای ترکیبی در پلان سازه متمرکز است لیکن تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع سازه کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.اگر بتوان با تغییر نوع مهاربند در ارتفاع ساختمان، رفتار لرزه ای آنرا بهبود بخشید می توان نسبت به عملکرد لرزه ای آن اطمینان بیشتری حاصل کرد. همچنین می توان نسبت به بهینه نمودن مصرف مصالح فولادی در ساختمانهای فلزی اقدامی جدی نمود . در این مطالعه تعدادی از قابهای خمشی فولادی با ارتفاع های مختلف، پس از بارگذاری و طراحی بر اساس استانداردهای ایران، تحت 3 زلزله طبس، ناغان و رودسر مورد تحلیل دینامیکی غیر خطی تاریخچه زمانی قرار گرفته و با تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع این قابها و بررسی در حداکثر تغییر مکان نسبی سازه از تحلیل، تراز مناسب جهت تغییر نوع مهاربندی پیشنهاد گردیده است . در انتها نتیجه گردید که تغییر در نوع سیستم مهاربندی در تراز مشخصی از ارتفاع می تواند درکاهش حداکثر تغییر مکان نسبی سازه تحت زلزله موثر باشد .

کلمات کلیدی : قابهای مهاربندی شده فولادی ، تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع، تحلیل دینامیکی غیر خطی

مقدمه و تاریخچه تحقیقات :
یکی از سیستمهای متداول سازه ای در سازه های بلند فولادی، سیستم دو گانه یا سیستم ترکیبی می باشد . هر یک سیستمهای مهاربندی رفتاری متفاوت در برابر زلزله دارند که به همین سبب این سیستمها دارای مزایا و معایبی می باشند . طراحی سازه های بلند و همچنین درک درست از رفتار مهاربندی ها جهت اطمینان حاصل کردن از رفتار و عملکرد مناسب دوگانه، بویژه در هنگام زلزله، از اهمیتی خاص برخوردار است . به همین دلیل می بایست در انتخاب نوع سیستم مهاربندی و همچنین چیدمان آن در سازه جهت برآوردن ملزومات آیین نامه ای دقتی خاص نمود . به طورکلی سیستمهای متداول جهت مقاوم نمودن سازه های فولادی در برابر نیروهای جانبی همانند زلزله عبارت است از : قاب خمشی، قاب مهاربندی شده و قاب خمشی مهاربندی شده .
هر یک از این سیستمها با توجه به ارتفاع سازه در برابر نیروهای جانبی دارای مزایا و معایبی می باشند .
در سیستم قاب خمشی، اتصالات خمشی می بایست سختی لازم جهت ثابت نگهداشتن زاویه میان اعضاء را تحت اثر بار داشته باشند . فواصل آزاد بین ستونها از نظر معماری و تحمل نیرو بلافاصله پس از اجرا از عمده مزایای این نوع قاب شمرده می شود . این سیستم دارای شکل پذیری مناسب ولی سختی محدود می باشد .
قاب مهاربندی شده به عنوان یک سیستم جهت بهبود عملکرد قاب خمشی می باشد به این ترتیب که با حذف عملکرد خمشی و افزودن یک سیستم خرپایی، برش وارد به سازه ناشی از زلزله، توسط اعضای قطری جذب می شوند و به صورت کشش و فشار به سیستم منتقل می گردد . از انواع این سیستم می توان مهاربند X شکل، مهاربند 7 و …. را نام برد . قابهای مهاربندی شده به دو صورت همگرا و واگرا می باشند . سختی مهاربندهای همگرا بیشتر از مهاربندهای واگرا می باشد ولی در عوض شکل پذیری مهاربندهای واگرا بیشتر و استهلاک انرژی آنها بیشتر می باشد . سیستم قاب خمشی مهاربندی شده با نامهای سیستم دوگانه یا ترکیبی نیز بکار برده می شود در این سیستم درصدی از نیروی زلزله به مهاربندها و درصدی دیگر به قاب خمشی منتقل می شود . در حقیقت قاب خمشی جهت تحمل نیروهای ثقلی و درصدی از نیروی زلزله تحلیل می شود . به دلیل سختی محدود قابهای خمشی و لزوم کنترل تغییر مکانهای جانبی، کاربرد سیستم مهاربندی همگرا که دارای سختی زیادی می باشد به همراه قاب خمشی دارای امتیازاتی است . اما شکل پذیری سیستم به دلیل کمانش مهاربند قطری محدود می شود .
اخیرا قاسمی و صفری و ماهری [ 1 ] مطالعاتی در رابطه با مکان یابی محل مهاربندها در قابهای فولادی و بهینه یابی محل مهاربندها انجام داده اند که در آن با جابه جا نمودن محل مهاربندها در ترازهای مختلف و بررسی رفتارهای قابهای متفاوت به نتایجی دست یافته اند . آنها مقدار تنش در المانها، مقدار جابه جایی طبقات، در کشش نیفتادن پی ها، تعداد مهاربند در هر طبقه و نیز از لحاظ معماری، وجود یا عدم وجود مهاربند در دهانه خاص را در نظر گرفتند . برای کنترل مقدار تنش در المانها آنها با کمک از آیین نامه AISC-ASD89 مقدار تنش در روی المانها را به مقادیر تنش مجاز آیین نامه محدود کردند .
برای کنترل اثرات P-Δ و کنترل جابه جایی نسبی در زلزله سطح بهره برداری، جابه جایی نسبی هر طبقه را به 015/0 متر محدود کردند .
از لحاظ معماری به جهت اینکه بعضا به دلیل وجود بازشو در یک دهانه خاص امکان قرار گیری مهاربند در آن دهانه وجود ندارد، وجود بازشو در بعضی دهانه های خاص در طبقه محدود شده است .
ریاحی و عبدلی [ 4 ] نیز اخیرا مطالعاتی راجع به بهینه سازی موقعیت مهاربندها در قابهای فولادی دو بعدی داشته اند در مطالعه صورت گرفته هدف، تاثیر بهره گیری از تئوری گرافها در تعیین موقعیت مهاربندها در رفتارسازه ای قاب ( مانند تغییر شکل جانبی و یا وزن ) نسبت به حالتهای مهاربندی متداول است . پارامترهای مورد بررسی آنها وزن، تغییر مکان طبقات و نیروی بر کنش یا Uplift، بوده است .
روند انجام پژوهش :
قابهای دو بعدی 4، 7، 10، 15، 20 و 25 طبقه در دو مرحله 3 و 7 دهانه مطابق شکل (1) مورد بررسی قرار گرفت .

m5/3

m 5×7 m 5×3
شکل (1) : مشخصات قابها
در بارگذاری ثقلی از مبحث 6 مقررات ملی و در بارگذاری لرزه ای از استاندارد 2800 ایران (ویرایش سوم) کمک گرفته شد . طول دهانه ها ثابت و برابر 5 متر، ارتفاع طبقات ثابت و برابر 5/3 متر و عرض بارگیر قابها 5/4 متر در نظر گرفته شده است . همچنین فرض گردیده است که قابها بر روی خاک نوع 2 قرار گرفته باشند و از نظر اهمیت در رده متوسط قرار دارند . کلیه قابها دارای خطر نسبی زیاد هستند و از سیستم دو گانه خمشی فولادی ویژه همراه با مهاربند هم محور با R=9 بکار گرفته شده است .
پس از تحلیل و طراحی قابها، مهارهای هفتی به ترتیب جایگزین مهارهای ضربدری در ارتفاع سازه شدند (جایگزینی از بالا به پایین صورت گرفت) و پس از جایگزینی مجددا قابها مورد تحلیل و طراحی قرار گرفتند . بدین ترتیب 174 قاب متفاوت مورد تحلیل و طراحی قرار گرفت تا نیاز دریفت طبقات آنها بر اساس تحلیلهای دینامیکی غیر خطی که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد مورد ارزیابی قرار گیرند .
شاخص Drift :
نیاز Drift طبقه یکی از شاخصهای اصلی ارزیابی خسارت لرزه ای است و همچنین در طراحی قابها به دلایل مختلف حائز اهمیت می باشد . تخمین Drift برای تعیین درز انقطاع به منظور ممانعت از ضربه سازه ها به یکدیگر، لازم می باشد . Drift های طبقات سهم زیادی در ایجاد صدمه به اجزای سازه ای و غیر سازه ای دارند . توجه روز افزون به هزینه های ناشی از خسارت لرزه ای و مشکلات ناشی از آن ( در حوزه ورود سازه به رفتار غیرخطی ) به ضرورت کنترل میزان خسارات و قابلیت تعمیر سازه در مرحله طراحی تاکید می کنند .
Kumar and Kalyanaraman [ 2 ] و Qiang Xie [ 3 ] نیز در مطالعه خود جهت بررسی قابهای مهاربندی شده هم مرکز و همچنین ظرفیت اتلاف انرژی این نوع قابها، پارامتر Drift را جهت مقایسه قابهای متفاوت مورد مطالعه قرار داده است.

ارزیابی زاویه دریفت طبقات سازه های مورد بررسی با تحلیل دینامیکی غیرخطی :
پس از تحلیل و طراحی قابها، تمامی قابها به کمک نرم افزار DRAIN-2DX مورد تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی قرار گرفت . در تحلیل غیرخطی سازه ها از 3 شتابنگاشت طبس با بیشینه شتاب زمین 0.93g، زلزله ناغان با بیشینه شتاب زمین 0.72g و رودسر با بیشینه شتاب زمین 0.78g استفاده شده است .
با تحلیل قابها و ثبت نتایج مقدار جابه جایی طبقات در گامهای زمانی، مقدار دریفت در هر طبقه محاسبه گردید . این مقدار از تفاضل جابه جایی دو طبقه متوالی صورت میگیرد . با تقسیم مقدار دریفت بدست آمده بر ارتفاع هر طبقه، زاویه دریفت طبقات محاسبه می گردد . اما چون این مقدار در گامهای متفاوت زمانی محاسبه گردیده است، بیشینه مقدار آن در طول تاریخچه بارگذاری مورد استفاده قرار گرفته است.
نمودارهای مربوط به نیاز زاویه دریفت طبقات به عنوان نمونه و برای قاب 20 طبقه تحت 3 رکورد در ادامه نمایش داده شده است . در این نمودار ستون عمودی مربوط به ارتفاع نسبی و ستون افقی مربوط به بیشینه نیاز زاویه دریفت به درصد می باشد . منحنی های مختلف مربوط به تغییر در تراز تغییر نوع مهار از ضربدری به هفتی بوده و در هر شکل نتایج برای 3 زمینلرزه مورد بررسی به تفکیک ارائه شده است .

ج-بررسی در قاب 20 طبقه با ب- بررسی در قاب 20 طبقه با الف- بررسی در قاب 20 طبقه
مهاربندی x در 18 طبقه مهاربندی x در 19 طبقه با مهاربندی x در تمام ارتفاع

و-بررسی در قاب 20 طبقه با ه- بررسی در قاب 20 طبقه با د- بررسی در قاب 20 طبقه
مهاربندی x در 15 طبقه مهاربندی x در 16 طبقه با مهاربندی x در 17 طبقه

ی-بررسی در قاب 20 طبقه با ط- بررسی در قاب 20 طبقه با ح- بررسی در قاب 20 طبقه
مهاربندی x در 12 طبقه مهاربندی x در 13 طبقه با مهاربندی x در 14 طبقه

م-بررسی در قاب 20 طبقه با ل- بررسی در قاب 20 طبقه با ک- بررسی در قاب 20 طبقه
مهاربندی x در 9 طبقه مهاربندی x در 10 طبقه با مهاربندی x در 11 طبقه

ف-بررسی در قاب 20 طبقه با ع- بررسی در قاب 20 طبقه با س- بررسی در قاب 20 طبقه
مهاربندی x در 6 طبقه مهاربندی x در 7 طبقه با مهاربندی x در 8 طبقه

ر-بررسی در قاب 20 طبقه با ق- بررسی در قاب 20 طبقه با ص- بررسی در قاب 20 طبقه
مهاربندی x در 3 طبقه مهاربندی x در 4 طبقه با مهاربندی x در 5 طبقه

ث-بررسی در قاب 20 طبقه با ت- بررسی در قاب 20 طبقه با ش- بررسی در قاب 20 طبقه
مهاربندی v در تمام طبقات مهاربندی x در 1 طبقه با مهاربندی x در 2 طبقه

شکل (2) : حداکثر نیاز drift طبقات تحت زمینلرزه های مختلف در قاب 20 طبقه با 7 دهانه با تغییر در تراز تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع

از بررسی نمودارهای شکل (2-الف) که در آن درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت هر طبقه نسبت به ارتفاع نسبی آن ( برای قاب 20S7 ) ترسیم گردیده است، نتایج زیر حاصل می گردد :
الف – درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقات بالایی دچار تغییر شده است . بیشترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه هفدهم رخ داده است .
ب – کمترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه اول مشاهده گردیده است .
ج – درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت تا طبقه هشتم آهنگی رو به رشد داشته اما پس از آن این آهنگ هم کاهشی و هم افزایشی بوده است .
از بررسی نمودارهای شکل (2-ل) که در آن درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت هر طبقه نسبت به ارتفاع نسبی آن ( برای قاب 20S7bas10 )ترسیم گردیده است، نتایج زیر حاصل می گردد :
الف – درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقات پایینی، میانی و بالایی دچار تغییر شده است . بیشترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه دوازدهم رخ داده است .
ب – کمترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه اول مشاهده گردیده است .
ج – درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت تا طبقه هشتم آهنگی رو به رشد داشته اما پس از آن این آهنگ هم کاهشی و هم افزایشی بوده است .
از بررسی نمودارهای شکل (2-ث) که در آن درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت هر طبقه نسبت به ارتفاع نسبی آن ( برای قاب 20S7bas20 )ترسیم گردیده است، نتایج زیر حاصل می گردد :
الف – درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقات پایینی و میانی دچار تغییر شده است . بیشترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه دوم رخ داده است .
ب – کمترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه یازدهم مشاهده گردیده است .
ج – مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقات با آهنگ افزایشی یا کاهشی منظمی تغییر نکرده است .
با بررسی نمودارهای شکل (2) که مربوط به سازه 20 طبقه با 7 دهانه می باشد نتایج زیر حاصل می گردد :
الف – با افزایش جایگزینی مهار هفتی به جای مهار ضربدری در ارتفاع سازه ( از بالا به پایین ) تغییرات در درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقات پایینی، میانی و بالایی دیده می شود .
ب – بیشترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت هنگامی رخ می دهد که تمامی مهارهای هفتی جایگزین مهار ضربدری شود . علاوه بر آن زمانی که نوزدهمین مهار هفتی نیز جایگزین مهار ضربدری می شود این مقدار به حداکثر خود می رسد .
ج – کمترین مقدار درصد بیشینه نیاز زاویه دریفت هنگامی رخ می دهد که چهاردهمین مهار هفتی جایگزین مهار ضربدری شود . این روند هنگامی که هشتمین و یا نهمین مهار هفتی جایگزین مهار ضربدری می شود نیز دیده می شود .

نتیجه گیری :
هدف از این تحقیق یافتن تراز مناسب جهت تغییر نوع مهاربند در ارتفاع سازه می باشد . بدین منظور سازه های دو بعدی 4، 7، 10، 15، 20 و 25 طبقه توسط نرم افزار DRAIN-2DX تحت 3 رکورد رودسر، ناغان و طبس مورد تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی قرار گرفت . با بررسی بیشینه نیاز زاویه دریفت طبقات نتایج زیر در عملکرد لرزه ای سازه با تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع حاصل گردید :
1- در سازه 20 طبقه و 7 دهانه کمترین مقدار ماکزیمم بیشینه نیاز زاویه دریفت تحت دو رکورد طبس و ناغان زمانی که یازدهمین مهار هفتی جایگزین مهار ضربدری می شود رخ می دهد و در رکورد رودسر کمترین مقدار ماکزیمم بیشینه نیاز زاویه دریفت زمانی که نهمین مهار هفتی جایگزین مهار ضربدری می شود رخ می دهد .
2- در سازه 20 طبقه و 7 دهانه ماکزیمم بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه هفدهم رخ داده است ( تحت 3 رکورد ) . با جایگزینی سومین مهار هفتی به جای مهار ضربدری مقدار بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه هفدهم تحت رکورد رودسر 90% و تحت رکورد ناغان 70% و در رکورد طبس 57% کاهش یافته است .
3- در سازه 25 طبقه و 7 دهانه کمترین مقدار ماکزیمم بیشینه نیاز زاویه دریفت در دو رکورد طبس و ناغان زمانی که تمام مهارها ضربدری هستند و در رکورد رودسر زمانی که دومین مهار هفتی جایگزین مهار ضربدری می شود رخ می دهد .
4- در سازه 25 طبقه و 7 دهانه ماکزیمم بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه دوازدهم رخ داده است ( تحت هر 3 رکورد ) . در رکورد رودسر با جایگزینی آخرین مهار هفتی به جای مهار ضربدری بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه دوازدهم 14% کاهش یافته است و در دو رکورد ناغان و طبس با جایگزینی دوازدهمین مهار هفتی به جای مهار ضربدری بیشینه نیاز زاویه دریفت در طبقه دوازدهم کاهش یافته است ( ناغان 10% و طبس 11% ) .
مراجع :
1- Mahmoud, Mehri, D.Safari, (2007), "Topology optimization of bracing in steel structures by genetic algorithm, Fourth international conference on advances in steel structures .
2- Kumar, Gravia. Kumar, Satish, (2006) "Behavior of frames with non Buckling bracing under earthquake loading" journal of constructional steel research, volume 63, issue 2, February 2007, pages 254-262 .
3- Xie, Qiang, (2007) "Dual system design of steel frames incorporating buckling restrained braces ", Fourth international conference on advances in steel structures .
4- ریاحی، حسام، عبدلی، نادر، 1385، "بهینه سازی موقعیت بادبندها در قابهای فولادی دو بعدی با استفاده از نظریه گرافها" .

8