پایان نامه مقایسه سطح اطمینان قاب های فولادی مهاربندی همگرا طراحی شده با ضوابط مبحث دهم

پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران - گرایش سازه

بهمن ماه‌ 1393

چکیده:

عملکرد ساختمان در حین زلزله به عوامل بسیاری بستگی دارد، در نتیجه پیش­بینی عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها، به عنوان بخشی از طراحی یا ارزیابی باید چه صریحاً و چه ضمناً  مد نظر قرار گیرد. پیش­بینی پاسخ لرزه‌ای سازه بسیار پیچیده است، که این امر نه تنها به دلیل تعداد زیاد عوامل دخیل در عملکرد بلکه به سبب پیچیدگی رفتارهای فیزیکی نیز می­باشد. به علاوه به دلیل عدم دقت کافی برای شبیه‌سازی دقیق رفتار فیزیکی، و همچنین عدم در دست داشتن دانش در ارائه تعریفی دقیق از ویژگی­های سازه و طبیعت تغییر پذیر زلزله‌های آتی، پیش بینی عملکرد لرزه‌ای به خودی خود مشمول عدم قطعیت‌های چشمگیری می‌شود. این عدم قطعیت‌های ذاتی در پیش بینی بارگذاری­ها و پاسخ‌های احتمالی آینده تنها مختص رفتار لرزه‌ای نیست و به بسیاری از این موضوعات کم و بیش در آیین نامه‌های جاری از طریق استفاده از فاکتورهای بارگذاری و مقاومت اشاره شده است.

در مهندسی زلزله براساس عملکرد برای ارزیابی عملکرد سازه لازم است ظرفیت و نیاز لرزه‌ای آن تعیین گردد. با توجه به پیشرفت‌های اخیر در زمینه تحلیل‌های کامپیوتری، امروزه امکان استفاده از آنالیزهای دینامیکی غیرخطی برای رسیدن به این منظور میسر است. در این روش پاسخ سازه با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی مصالح و رفتار غیرخطی هندسی سازه تحت اثر زلزله مشخص تعیین می‌شود. در سالهای اخیر روش طراحی بر اساس ظرفیت و تقاضا مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است که باتوجه به قابلیت بیان در قالب احتمالاتی می‌تواند برای تعیین سطح اطمینان و بهبود عملکرد سازه‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

هدف از این پژوهش مقایسه سطح اطمینان قاب‌های فولادی مهار‌بندی همگرا طراحی شده با ضوابط مبحث دهم (سال‌های 1384 و 1387) می باشد. با توجه به تحقیقات گذشته سطح اطمینان برای تحلیل عملکرد سازه ، در ابتدا طراحی قاب های مورد مطالعه(5 ، 8 و11) با نرم افزارEtabs انجام و روی مقاطع طراحی شده، درنرم افزارOpenSees تحلیل دینامیکی غیر خطی فزاینده(IDA)صورت گرفته و سپس با استفاده از دستورات آیین نامه FEMA351 مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان دهنده‌ی این مطلب است که سطح اطمینان در سیستم‌های مهاربندی شده هم محوری فولادی با ضوابط مبحث دهم سال 1384 بیش از سیستم‌های مهاربندی شده هم محوری فولادی با ضوابط مبحث دهم سال 1387 می‌باشد.

کلمات کلیدی: عملکرد سازه  - سطح اطمینان -  مهار‌بندی همگرا  -  تحلیل دینامیکی غیر‌خطی فزاینده

فصل اول

  مقدمه

1-1- مقدمه

امروزه سیستم مهاربندی همگرا، متداول‌ترین سیستم سازه‌ای برای مقابله با بار‌های لرزه‌ای در ساخت و سازهای فولادی می­باشد و استفاده از آن به دلیل صرفه اقتصادی، طرح و اجرای آسان روز به روز رواج بیشتری می­یابد. تمایل مهندسین به استفاده از این سیستم پس از زمین لرزه (1994) Northridge و خسارت­های غیر‌منتظره­ای که در جریان آن به قاب­های خمشی فولادی وارد آمد، به طور چشمگیری در سراسر دنیا افزایش یافته است. ضوابط طراحی لرزه­ای قاب­های مهاربندی­شده همگرا، در دهه گذشته تغییرات زیادی یافته است. آیین­نامه­های ساختمانی پیش از (1994) UBC، با قاب­های مهاربندی شده همگرا مانند خرپاهای الاستیک رفتار می­کردند. در این آیین نامه­ها، سعی می­گردید تا با محدود نمودن لاغری و کاهش مقاومت فشاری مهاربند از کمانش آن جلوگیری شود. در نتیجه سازه­هایی که با استفاده از این آیین­نامه­ها طراحی می­شد، از شکل پذیری محدودی برخوردار بودند. [1]

در سال­های اخیر روش "مهندسی زلزله بر اساس سطح عملکرد" توسعه زیادی یافته و پیشرفت­های بزرگی در تحلیل خطر لرزه­ای، شبیه­سازی رفتار لرزه­ای و ارزیابی عملکرد لرزه­ای سازه­ها ایجاد شده است. بنابراین با توجه به کاربرد گسترده سیستم مهاربندی همگرا در ساخت و ساز­ها و نگرانی­های زیادی که درباره عملکرد این سیستم وجود دارد. ارزیابی عملکرد لرزه­ای سیستم مهاربندی همگرا با استفاده از روش­های نوین، ضروری به نظر می­آید.

1-2- بیان مسئله و لزوم بررسی موضوع

در مبحث دهم سال 1384 ضوابط مربوط به طراحی بادبندها مطابق1997 UBC می باشد[2]که در آن تنش مجاز فشاری بر اساس لاغری با ضریب B اصلاح می‌شود.در حالی‌که این ضریب در مبحث دهم سال 1387 وجود ندارد و تأثیر لاغری در ضوابط لرزه‌ای بادبندها وارد نشده است. همچنین، ترکیب بارهای تشدید یافته (ویژه) در دو نسخه سال‌های 1384 و 1387 مبحث دهم متفاوت می‌باشد که در مکانیزم مفصل شدن ستون‌های اطراف مهاربند و همچنین ترتیب مفصل‌ها تأثیر گذار است[3و4].

 در این آیین نامه‌ها سعی می‌گردید تا با محدود نمودن لاغری و کاهش تنش مجاز فشاری مهاربند، از کمانش در سیکل‌های رفت و برگشتی زلزله جلوگیری شود، در نتیجه این سازه‌ها از شکل‌پذیری محدودی برخوردار بودند که این امر در ضوابط لرزه‌ای آیین نامه‌های جدید رعایت نشده و باعث افزایش تنش مجاز فشاری بادبندها و تأثیر در مکانیزم مفصل شدن ستون‌های اطراف مهاربند شده که به نظر می‌رسد سطح اطمینان در حالت اول بیشتر از حالت دوم می‌باشد که این موضوع مستلزم به انجام تحقیق می‌باشد.

1-3- هدف تحقیق

در این تحقیق با عنوان "مقایسه سطح اطمینان قاب های فولادی مهاربندی همگرا طراحی شده با ضوابط مبحث دهم" سعی گردیده با تعیین عملکرد سازه­ بر طبق ضوابط مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بارهای وارده بر ساختمان) [5]، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طراحی ساختمان­های فولادی) سال های 84و87 [3و4] طراحی وآنالیز دینامیکی فزاینده(IDA)[6]ودستورات آیین نامه FEMA351[7] تحلیل شده­اندرا مورد بررسی قرارداده وبا توجه به ضوابط آن‌ها ویرایشی که سطح اطمینان بیشتری را در ارزیابی لرزه‌ای بادبند مذکور دارا می­باشد، معرفی گردد.

1-4- فرضیات تحقیق

فرضیات مربوط به این تحقیق را می‌توان به دو بخش فرضیات مربوط به مدل‌سازی و رفتار سازه و بخش مربوط به مدل عدم اطمینان در نظر گرفته شده تقسیم‌بندی نمود لذا این فرضیات را می‌توان به صورت زیر بیان نمود:

مهاربند به صورت مهاربند همگرای ضربدری در نظر گرفته شده است.

بارگذاری به صورت یکطرفه در نظر گرفته شده است.

ساختمان با پلان ومهاربندی منظم در نظر گرفته شده است.

اتصال تیر و ستون در تمامی قاب ها مفصلی می باشد.

تحلیل­ دینامیکی انجام شده از نوع غیرخطی فزاینده (IDA) می­باشد.

مقایسه سطح اطمینان برابر مفهوم ودستورالعمل FEMA351 در نظر گرفته شده است.

تحلیل غیرخطی قاب­ها به صورت دو بعدی انجام شده است.

پاسخ سازه با در نظرگرفتن رفتار غیر‌خطی مصالح ورفتار غیرخطی هندسی تحت اثر زلزله‌ی مشخص تعیین می‌شود.

سخت شوندگی کرنش در این مدل ها برابر 3% در نظر گرفته شده است[8].

 شدت حرکات خاک برای ساختمان­ها برابر با  g35/0 مد نظر قرار گرفت.

1-5- روش انجام تحقیق

این تحقیق بر اساس مراحل ذیل با استفاده از روش تحلیل دینامیکی فزاینده برای بدست آوردن سطح عملکرد و ارزیابی سطح اطمینان انجام گرفته است.         

ساختمان­ مورد بررسی با کاربری مسکونی، در منطقه­ای با خطر لرزه‌ای زیاد و بر روی خاک نوع II در نظر گرفته شده است. در این پژوهش بارگذاری ثقلی بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و بارگذاری لرزه‌ای بر اساس آئین نامه 2800 انجام می‌شود.

طراحی سه قاب سه دهانه، پنج، هشت ویازده طبقه با ارتفاع طبقات 2/3 و طول دهانه 5 متر، براساس ضوابط مبحث دهم سال های 1384و 1387 با استفاده از نرم افزار Etabs[9].

استخراج قاب های دوبعدب (براساس بحرانی بودن).

تحلیل قاب هابر اساس آنالیز دینامیکی غیر‌خطی فزاینده با استفاده از نرم افزار OpenSees[10].

محاسبه سطح اطمینان با توجه به مفهوم عملکردی سازه براساس دستور العمل Fema351 و منحنی IDA

ارزیابی و مقایسه سطح اطمینان سیستم های قاب های مهاربندی همگرا طراحی شده با ضوابط مبحث دهم سال 84 و 87.

1-6- سازمان­دهی مطالب پایان نامه

این پایان­نامه در شش فصل تنظیم شده است:

در فصل اول مقدمه بیان می گردد.

در فصل دوم‌ سیستم‌­­­های مهاربندی همگرا (با بادبندی ضربدری)و ضوابط آیین‌نامه‌ای این نوع سیستم ­مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در فصل سوم مفاهیم طراحی بر مبنای سطح عملکرد و تحلیل دینامیکی فزاینده تشریح می‌گردد.

در فصل چهارم عدم قطعیت و سطح اطمینان سازه‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در فصل پنجم مدل‌سازی و مقایسه سطح اطمینان قاب‌های فولادی مهاربندی همگرا طراحی شده با ضوابط مبحث دهم (سال‌های 1384 و 1387) مورد بررسی قرار می­گیرد.

در فصل ششم  نتیجه­گیری کلی از مباحث مطرح شده و پیشنهادات جهت تحقیقات آتی ارائه می­گردد.

فصل دوم

بررسی سیستم­های مهاربندی همگرا (با بادبندی ضربدری)وضوابط آیین نامه ای

2-1- مقدمه

با بررسی اجمالی، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی‌باشد که در مناطق لرزه­خیز ودر زلزله‌های معمولی، طراحی ساختمان‌ به گونه‌ای باشد که رفتار سازه‌، در محدوده الاستیک باقی بماند. در گذشته رفتار سازه‌ها در محدوده الاستیک و بسته به شدت لرزه‌خیزی منطقه و اهمیت سازه طرح می‌شدند ولی اکنون در طراحی لرزه‌ای و مقرون به صرفه بایستی از رفتار جذب کنندگی انرژی با تغییرشکل‌های غیر‌ارتجاعی در مقابل زلزله شدید استفاده شود. طراحی لرزه‌ای سازه‌ها معمولاً بر این اساس صورت می‌گیرد که اعضایی در سازه باشند که در زلزله‌های شدید، رفتار غیر‌ارتجاعی از خود نشان داده و انرژی لرزه‌ای را جذب نمایند[11].

2-2- مرور تاریخچه طراحی بادبندهای CBF و فلسفه طراحی لرزه‌ای

طراحی بر پایه اتلاف انرژی، مستلزم تعیین ضریب رفتار سازه‌ای (ضریب کاهش نیرویی زلزله) از طریق ایده‌ال­سازی طیف پاسخ الاستیک می‌باشد. در طراحی لرزه‌ای که مبتنی بر طرح ظرفیتی است، مودهای شکست برای اعضای سازه­ای کنترل می‌شود، طوری که سازه شامل مناطق شکل‌پذیر از پیش تعیین شده و ضریب افزایش مقاومت برای سایر اعضای سازه­ای می‌باشد.

به خاطر هندسه بادبند های همگرا شکل2-1، این نوع سیستم عمل خرپایی را به طور کامل با اعضایی که در محدوده الاستیک و تحت بارهای محوری هستند، ایجاد کرده و با تأمین سختی و مقاومت جانبی زیاد و عملکرد مناسب آن در زلزله‌ها، از متداول‌ترین سیستم‌های باربر جانبی است. از مزیت‌های دیگر سیستم بادبندی همگرا، تشکیل یک سیستم باربر جانبی مکمل با عملکرد مناسب به صورت سیستم مختلط می‌توان نام برد[11].

طبق فلسفه طراحی لرزه‌ای، انتظار می‌رود که سیستم مهاربندی همگرا تحت زلزله‌های شدید و کمیاب بتوانند پاسخ غیر‌ارتجاعی پایدار و مداومی از خود نشان دهند. بادبندهای همگرا با شکل پذیری ویژه می‌توانند تغییرشکل‌های پلاستیک را تحمل نموده و انرژی هیسترزیس را با رفتار پایدار و در طی سیکل‌های متوالی با تسلیم کششی و کمانش غیر‌ارتجاعی در فشار جذب نمایند. فلسفه این طراحی به گونه‌ای است که تغییر شکل‌های پلاستیک فقط و فقط در بادبندها اتفاق می­ افتد و سایر قسمت‌های سازه مثل ستون‌ها و تیرها و اتصالات بدون پذیرفتن خرابی، زلزله‌های شدید را تحمل کرده و باربری ثقلی سازه را حفظ نمایند[11].

بدین مفهوم که بادبندها به عنوان عضو کنترل شونده توسط تغییر مکان (Displacement Controlled) و سایر اعضای سازه‌ای و اتصالات به عنوان عضو کنترل شونده توسط نیرو (Force Controlled) می‌شوند و در نتیجه رفتار شکل‌پذیر سازه تأمین می‌شود. در مقایسه با قاب‌های خمشی، در قاب‌های مهاربندی شده محدودیت‌هایی در تغییرشکل‌های غیر‌ارتجاعی برگشت‌پذیر وجود دارد و مطلوب‌ است که مکانیسم غیر‌ارتجاعی در نقاط خاصی از سازه باشد. مفصل پلاستیک تا حد امکان در سطوح مختلف سازه پخش شود تا اینکه مقدار تغییرشکل پلاستیک در مکان‌های خاص کاهش یابد. در اولین سطح، بادبندها با کمانش غیر‌ارتجاعی یا تسلیم خود انرژی را جذب می‌نمایند و سایر اعضای سازه تقاضاهای (Demand) ناشی از رفتار غیر‌ارتجاعی بادبندها را تحمل کرده، پایداری آن‌ها را تأمین می‌نمایند[11].

طراحی موجود که بر اساس روش تنش مجاز است و از آنالیز استاتیکی بهره می‌گیرد، ابهاماتی در این زمینه دارد. همچنین وجود خسارت‌های زیاد در قاب‌های مهاربندی شده (در زلزله های شدید) سبب می‌شوند تا تحقیقات و مطالعات در زمینه رفتار غیر‌ارتجاعی بادبندها هم به صورت تجربی و هم تئوریک افزایش یابد.

رفتار سیکلی بادبندها شامل پدیده‌های کمانش غیر‌ارتجاعی، تسلیم بادبند، کمانش موضعی، کاهش ظرفیت در رفتار پس از کمانش، اثرات بوشینگر و سخت شدگی کرنش در کشش می‌باشد. این پدیده‌ها تقاضای قابل توجهی در سایر اعضاء و اتصالات بادبندها به وجود می‌آورند.