طراحی سازه ها با استفاده از انرژی بر اساس مکانیسم تسلیم
1- چکیده
در این مقاله روش طرح خمیری بر اساس عملکرد برای قابهای فولادی، با استفاده از پارامتر نیاز لرزه ای انرژی مطرح و نقش طرح خمیری (Plastic) در طرح لرزه ای سازه ها نشان داده شده است. برش پایه طرح نهایی برای تحلیل خمیری با استفاده از انرژی ورودی از طیف سرعت، یک مکانیسم تسلیم از پیش انتخاب شده و یک جا به جایی نسبی هدف نهایی به دست میآید. در این روش، نیازی به کنترل تغییر مکان نسبی جانبی (آن گونه که در آیین نامه های جاری انجام میگیرد) و عوامل تغییرشکل نیست؛ زیرا، خصوصیات بار تغییرشکل سازه شامل نرمی و رفتار کرنش-سخت شدگی در محاسبه بارهای طراحی به گونه ای صریح استفاده میگردند. در مقاله حاضر نتایج تحلیل استاتیکی غیرخطی و دینامیکی غیرخطی قابهای طرح شده با استفاده از روش مذکور ارائه گردیده است.
۲- مقدمه
میان وارد آمدن خسارت سازه ای و تشکیل مکانیسم شکست در سیستم های ساختمانی با مفهوم رفتار غیر ارتجاعی و در نتیجه انرژی هیسترتیک ارتباط تنگاتنگی وجود دارد. از آنجایی که این رفتار سازه در سطح آستانه فرو ریزش برای سازه های معمولی قابل قبول است، نتیجه می شود که انرژی هیسترتیک در حد فرو ریزش، معیاری قابل توجه برای طراحی و یا کنترل میتواند باشد. بستگی زیاد انرژی هیسترتیک با خسارات سازه ای موجب شده تا این مفهوم در روشهای جدید طراحی سازه ای توسط محققان و مهندسان مورد توجه قرار گیرد.
اخیرا روشهایی کاربردی برای استفاده مستقیم از انرژی در طراحی ارائه گشته است. به عنوان مثال، روشی برای طراحی قابهای فولادی توسط آکباس [۱] ارائه شده است که در آن ابتدا ظرفیت اتلاف انرژی اعضای قاب، مانند تیر و ستون بر اساس مطالعات آزمایشگاهی قبلی بر روی قابهای صلب با مقیاس بزرگ، به دست می آید. سپس با استفاده از منحنی های ارائه شده به ازای شتاب بیشینه حرکت زمین و تعداد طبقات ساختمان و جرم آن، میزان انرژی ورودی به ساختمان محاسبه می گردد. در نهایت با استفاده از فرمولی تجربی میزان انرژی میرایی به صورت درصدی از انرژی ورودی حساب شده و تفاضل انرژی ورودی و انرژی میرایی به عنوان انرژی هیسترتیک بیان میگردد. با توزیع این انرژی در ارتفاع ساختمان و محاسبه سهم هر تیر از انرژی هیسترتیک، مقاطع تیرها به دست آمده و ستونها نیز بر اساس فلسفه طرح ظرفیت، طرح میگردند.
روش دیگری توسط سوتات لی لاتاویوات و همکاران [۲] ارائه شده است. در این روش، با فرض یک مقدار هدف برای تغییرمکان نسبی طبقات یک قاب و بر اساس روابط تعادل انرژی و با اتخاذ یک مکانیسم تسلیم دلخواه، اعضای سازه طرح میشوند. در این مقاله روش مذکور مطرح و ارزیابی شده است.
۳- استفاده از انرژی در روش طراحی بر اساس
مکانیسم تسلیم و تغییرمکان نسبی جانبی هدف در سالهای اخیر فلسفه طرح جدیدی برای آیین نامه های ساختمان مطرح شده است . آیین نامه های جدید ساختمان دارای چهارچوب طرح بر اساس عملکرد می باشند. هدف یک روش طرح بر پایه عملکرد، ساخت سازه ای است که تحت سطوح لرزه ای چندگانه عملکرد قابل پیش بینی داشته باشد. به منظور این امر، مهم است که رفتار سازه، در ابتدا در محدوده های رفتار ارتجاعی و غیر ارتجاعی هدفمند گردد. در نتیجه تعیین مقاومت عضو، مکانیسم خرابی و مقاومت سازه، ابتدایی ترین بخش روش طرح بر پایه عملکرد می شوند. علی رغم تمام این مقاصد واضح طراحی، در حال حاضر اغلب کارهای طرح لرزه ای در جهان به وسیله روشهای ارتجاعی با استفاده از بارهای جانبی استاتیکی معادل صورت میگیرد. کنترل صریحی برای تعیین الگوی تسلیم، مقاومت نهایی و تغییرشکلهای مورد انتظار در تحلیل غیر ارتجاعی مورد نیاز نمی باشد؛ بنابراین، وقتی زمین لرزه شدیدی رخ می دهد، سازه ها تغییرشکلهای غیر ارتجاعی شدیدی را با رفتارهای کنترل نشده متحمل می شوند. عمل غیر ارتجاعی می تواند به صورتی غیر اتفاقی و گسترده در سازه پراکنده گردد . این امر ممکن است به پاسخی ضعیف و غیر مطمئن در تعمیر پذیری منجر گردد.
به منظور ارضاء اهداف طرح بر پایه عملکرد، مطلب اساسی این است که روش طرح باید از طرح ارتجاعی به طرح خمیری انتقال داده شود . این امر به طراح اجازه می دهد به صورتی واضح رفتار سازه را در سطوح طرح مختلف پیش بینی کند. در این بخش روش طرح خمیری بر اساس عملکرد برای قابهای خمشی فولادی که کمبودهای اشاره شده در روشهای طرح جاری را در نظر میگیرد، ارائه شده است.
۴- سطح انرژی طراحی
در مهندسی زلزله، استفاده از انرژی به عنوان معیاری در طراحی، امر جدیدی نیست. در اغلب روشهای انرژی، از مفهوم ارائه شده توسط هاوزنر [۳] استفاده شده است. مطالعات دیگری نیز توسط برخی از محققان [5،4 و 6] صورت گرفته است.
اغلب روشهای طراحی، بر اساس فرض قابل پیش بینی بودن نیاز انرژی استوار هستند؛ بنابراین، ابعاد اعضای سازه ای به گونه ای انتخاب می گردند که توانایی اتلاف این میزان انرژی ورودی را در محدوده حالت حدی قابل قبول داشته باشند.
هاوزنر [۳] نشان داد که دامنه طیف سرعت زمین لرزههای نوعی، تقریبا در محدوده عریضی از پریود، ثابت می ماند. این امر بویژه درباره طیفی که با میانگین چندین طیف پاسخ زمین لرزههای با شدت مشابه به دست آمده است، مصداق دارد. بر اساس این فرض، حداکثر انرژی ورودی برای یک سیستم به طور متوسط برابر است با:
در رابطه (1)، M کل جرم سیستم می باشد. برای اهداف کاربردی، می توان فرض کرد E از پریود طبیعی سازه T مستقل است.
برای طرح بر پایه انرژی، سطح انرژی ورودی بر اساس رابطه (۱)، با استفاده از طیف طرح شتاب ارتجاعی که در آیین نامه ها آمده است، به دست می آید. در این روش، از طیف ارتجاعی UBC [7] استفاده شده است که در آن:
در رابطه (2)، SA شتاب طرح، Z فاکتور منطقه، Iضریب اهمیت، C ضریب لرزه ای ارتجاعی بر اساس تعریف UBC و g شتاب ثقل می باشد. شتاب طیفی ارتجاعی بر اساس استاندارد ۲۸۰۰ ایران (ویرایش جدید) از رابطه (۳) به دست می آید:
در رابطه (3)، A شتاب مبنای طرح، B ضریب بازتاب و I ضریب اهمیت ساختمان می باشد. شبه سرعت طراحی نیز به صورت رابطه ( ۴) به دست می آید:
در رابطه (4)، ω فرکانس طبیعی و :
میباشد. طیف شبه سرعت طراحی برای A=0.35 ( پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد )، I=1 و خاک نوع 2 در شکل (1) نشان داده شده است. مشاهده میشود که طیف شبه سرعت طراحی، بعد از پریود 0.5 ثانیه دارای شیب بسیار کمتری نسبت به محدوده قبل از 0.5 ثانیه می شود ( حدودا 7:1) به عبارت دیگر، حساسیت مقادیر طیف شبه سرعت نسبت به تغییر پریود، بعد از پریود 0.5 ثانیه بسیار کم می گردد.
شکل ( ۱): طیف شبه سرعت طراحی (آیین نامه ۲۸۰۰ ایران)
برای مقاصد طراحی، یک مقدار متوسط شبه سرعت در طول یک محدوده پریودی قابل استفاده است . یک روش برای محاسبه مقدار شبه سرعت طراحی، این است که به علت ثابت بودن نسبی آن در محدوده ای بزرگ از پریود، از پریور تخمینی T در رابطه (1) استفاده شود. آیین نامه 2800 برای قابهای فولادی رابطه (6) را پیشنهاد می کند:
در رابطه (6)، h ارتفاع ساختمان بر حسب متر می باشد.
پاسخ با نقل قول
