پایان نامه بررسی تأثیر تیپ بندی المان های سازه ای در رفتار لرزه ای سازه های بتن آرمه

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.SC“

مهندسی عمران -  سازه 

چکیده

یکی از مسائلی که رفتار لرزه ای سازه ها را تحت تأثیر قرار داده و طراحی را بدان وابسته می سازد تیپ بندی المان های سازه ای به هنگام آنالیز و طراحی سازه می باشد. این نوع تیپ بندی بیشتر به خاطر سهولت اجرا و سادگی کار صورت می گیرد. در این پایان نامه به بررسی تاثیر این تیپ بندی در سازه های قاب خمشی بتن آرمه پرداخته شده است . در این تحقیق به بررسی تاثیر تیپ بندی اعضاء بتنی شامل ستونها بر روی رفتار غیر خطی سازه های ٤، ٨ و ١٢ طبقه بتن آرمه و پاسخ های سازه نظیر حد اکثر تغییر مکان ، شاخص های خسارت و ... (با تیپ بندی و بدون تیپ بندی ) پرداخته شده است تا نتایج مثبت و منفی این تیپ بندی ها که هم اکنون در طراحی و اجرای سازه کاملاً مرسوم می باشد روشن گردد. سازه های مورد نظر تحت رکورد زلزله طبس با شتاب های حداکثر (PGA) متفاوت مورد تحلیل دینامیکی غیرخطی قرار گرفته و شاخص های خسارت به تفکیک طبقات و شاخص های کلی خسارت بر مبنای  شاخص خسارت

Park-Ang-Wen محاسبه و ارائه شده است . از نتایج تحلیل مشاهده می شود، تاثیر تیپ بندی در PGAهای کمتر از 0.5g در خسارت کلی سازه غیر محسوس ، اما در

PGAهای بزرگتر سازه های تیپ بندی شده عمدتاً دچار خسارت های بیشتری می شوند.

تیپ بندی المان های سازه ای باعث تمرکز انرژی و خسارت در المان هایی می شود که نسبت نیروی موجود به ظرفیت المان (DE.CE) در تراز بالاتری قرار دارند؛ این پدیده باعث ایجاد طبقات نرم در سازه گردیده و در غالب اوقات باعث افزایش خسارت کلی سازه می گردد. 

فصل اول

مقدمه

فصل اول - مقدمه

١-١- کلیات

به طور کلی مقصود از طراحی یک سازه بر مبنای اصول مهندسی برآورده شدن اهدافی چون تامین ایمنی سازه ، اقتصادی بودن طرح و همچنین متناسب بودن با کاربری سازه می باشد. هنگام طراحی یک سازه واقعی لازم است طراح علاوه بر موارد ذکر شده به قابلیت اجرا، سهولت و سرعت اجرا و به طور کلی بهینه بودن طرح از هر جهت توجه داشته باشد.

تیپ بندی و یکسان سازی المان های سازه ای از مواردی است که به هنگام اجرای سازه موجب سهولت و سرعت اجرا شده و باعث افزایش کیفیت ساخت می گردد. این نوع تیپ بندی هم اکنون در طراحی و اجرای سازه ها کاملاً مرسوم می باشد. تیپ بندی المان های سازه ای ، گرچه باعث سهولت اجرا شده ، خطای حین ساخت را کاهش داده و مزایای دیگری را نیز دارد اما از سویی دیگر رفتار سازه را به هنگام زلزله تحت تأثیر قرار داده و تیپ بندی نامناسب المان ها ممکن است هدف اصلی طرح ، یعنی ایمنی سازه را تحت الشعاع قرار دهد.

١-٢- هدف کلی پایان نامه

تیپ کردن المان های سازه ای رفتار خطی و غیرخطی سازه را به هنگام وقوع زلزله تغییر داده و رفتار لرزه ای سازه را تحت تأثیر قرار می دهد. تیپ بندی نامناسب المان ها می تواند باعث بروز رفتاری نامطلوب و افزایش خرابی در سازه گردد.

توجه به این موضوع انگیزه تحقیق و تحریر این پایان نامه بوده و تأثیر این نوع تیپ بندی در طراحی سازه مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت . مقایسه پاسخ های حداکثر سازه نظیر تغییرمکانهای نسبی طبقات ، حداکثر تغییر مکان بام ، شاخص های کلی خسارت و ... در سازه های تیپ بندی شده و تیپ بندی نشده از اهداف این پایان نامه می باشد.

١-٣- ساختار پایان نامه

در این پایان نامه ، بعد از ارائه مقدمه و بررسی هدف کلی آن در فصل اول ، سایر

مطالب به شرح زیر در فصل های بعدی ارائه می گردد.

فصل دوم با عنوان "تعریف مسئله و روش تحقیق " به معرفی و بررسی ساختمان های انتخاب شده برای مطالعه ، همچنین سیستم باربر جانبی و بارگذاری به کار رفته در تحلیل خطی و طراحی سازه ها و نیز فرضیات تحلیل خطی و غیرخطی سازه ها می پردازد. نحوه تیپ بندی ، حجم تحلیل های غیرخطی انجام شده ، راستای انتخابی تحلیل غیرخطی سازه ها از دیگر مباحث ارائه شده در این فصل می باشد.

در فصل سوم با عنوان " معرفی و مروری بر ویژگی های برنامه IDARC در تحلیل غیرخطی سازه های بتن مسلح " به معرفی المان های سازه ای موجود در برنامه ، مدل های هیسترتیک ، گزینه های موجود در برنامه برای انواع تحلیل های استاتیکی و دینامیکی و سایر قابلیت های این نرم افزار در تحلیل های غیرخطی سازه های بتن آرمه پرداخته شده است .

فصل چهارم این پایان نامه با عنوان "مروری بر شاخص های خسارت در ارزیابی آسیب پذیری سازه ها" به معرفی انواع شاخص های خسارت رایج در برآورد آسیب پذیری سازه ها اختصاص یافته است . جزئیات محاسبه شاخص خسارت به کار رفته در این پایان نامه (شاخص خسارت اصلاح شده Park-Ang-Wen) در این فصل ارائه می گردد.

در فصل پنجم نتایج به دست آمده از آنالیزها و تحلیل های انجام شده بر روی سازه های تیپ بندی شده و تیپ بندی نشده مورد بررسی قرار گرفته است . پاسخ های حداکثر، شاخص های خسارت ، تاریخچه شاخص های خسارت و زمان تناوب اصلی سازه و نتایج بدست آمده از نمودارهای ارائه شده ، از مطالب ارائه شده در این فصل می باشد.

فصل ششم با عنوان " تشکیل طبقات نرم در سازه های تیپ بندی شده "  به دلایل

ایجاد و نحوه تشکیل طبقات نرم در سازه های تیپ بندی شده می پردازد. همچنین در این فصل رفتار خاص و متضاد سازه های تیپ بندی شده با یک ستون مورد بررسی قرار گرفته و دلایل این رفتار ارائه خواهد شد.

در فصل هفتم با توجه به نمودارها، آنالیزهای کامپیوتری و مطالعات تئوری ، به ارائه

نتایج ، توصیه ها و پیشنهاداتی پرداخته شده است .

فصل دوم

 تعریف مسئله و روش تحقیق

فصل دوم - تعریف مسئله و روش تحقیق

٢-١- مقدمه

در این بخش به تعریف مسئله و محتوا و روش تحقیق پرداخته شده است .

برای سهولت در ارائه نمودارها و گرافها، سازه های طراحی شده به نحو مناسبی کدبندی گردیده ، و در نمودارهای ارائه شده در این پایان نامه از این کدبندی استفاده خواهد شد.

٢-٢- معرفی و بررسی ساختمان های انتخاب شده برای مطالعه

پلان سازه های بتن مسلح مورد مطالعه به صورت یکسان (شکل ٢-١) فرض گردیده تا مقایسه نتایج بین حالات تیپ بندی شده و تیپ بندی نشده منطقی و صحیح باشد. این سازه ها از لحاظ ارتفاع شامل ساختمان های با ارتفاع کوتاه (٤ طبقه )، ارتفاع متوسط (٨ طبقه ) و ارتفاع نسبتاً بلند (١٢ طبقه ) می گردد. هر یک از سازه های یاد شده یک بار بدون تیپ بندی و بر حسب مورد چند بار با در نظر گرفتن تیپ بندی طراحی شده اند.

(تصاویرو نمودار در فایل اصلی موجود است)

ارتفاع طبقات سازه نیز از کف تا کف برابر ٣ متر فرض گردیده است .

٢-٢-١- سیستم باربر جانبی

سیستم باربر جانبی (سیستم لرزه بر) کلیه سازه ها بر طبق آئین نامه ٢٨٠٠ (ویرایش دوم ) از لحاظ شکل پذیری از نوع قاب خمشی بتنی متوسط (ضریب رفتار برابر ٨) انتخاب شده است .

٢-٢-٢- بارگذاری به کار رفته در تحلیل خطی و طراحی سازه ها

کلیه بارهای وارد بر سازه بر اساس آئین  نامه ٥١٩ ایران [١٣] و بارگذاری لرزه ای

سازه نیز بر طبق آئین نامه استاندارد ٢٨٠٠ [١٤] انجام شده است .

محل احداث ساختمان ها در شهر تهران و کاربری آنها مسکونی فرض گردیده

است .

جزئیات بارگذاری به کار رفته در طراحی سازه ها به شرح ذیل می باشد:

الف - بارگذاری ثقلی

 Kg.m ٣٠٠ = بار مرده + بار گسترده تیغه بندی

 (بدون احتساب تیرچه و دال )

نوع سقف تیرچه و بلوک ، ضخامت دال بتنی روی بلوک ها cm ٥، فاصله تیرچه ها

cm ٥٠ و ارتفاع بلوک ها برابر cm ٢٥ در نظر گرفته شده است .

 Kg.m ٢٠٠ = بار زنده طبقات

 Kg.m ١٧٥ = بار زنده بام

ب- بارگذاری لرزه ای

ساختمان در پلان و ارتفاع منظم محسوب گردیده و بارگذاری لرزه ای از روش

استاتیکی معادل انجام شده است .

محل احداث ساختمان ها در تهران (خطر نسبی خیلی زیاد؛ 0.35=A) و سیستم باربر جانبی نیز در هر دو جهت قاب خمشی متوسط (8=Rx=Ry) در نظر گرفته شده است . همچنین گروه بندی ساختمان ها از نظر اهمیت ، مسکونی (1=I) و نوع زمین بر مبنای آئین نامه ٢٨٠٠ تیپ II فرض شده است .

ضریب زلزله برای ساختمان های ٤ ، ٨  و ١٢ طبقه به شرح زیر محاسبه و به کار

رفته است :

ب-١ : سازه ٤ طبقه :

پریود اصلی نوسان : sec ٠.٥٦٤ =T

B= 2.5⎜⎛0 ⎞⎟2 . 3 =2.5⎜⎛0.5 ⎞⎟2 . 3  =2.308

T

T                                                                                                        0.564

C= ABI= 0.101

R

ب-٢ : سازه ٨ طبقه :

پریود اصلی نوسان : sec ٠.٩٤٩ =T

B= 2.5⎜⎛0 ⎞⎟2 . 3 =2.5⎜⎛0.5 ⎞⎟2 . 3  =1.631

T

T                                                                                                        0.949

C= ABI= 0.0714

R

ب-٣ : سازه ١٢ طبقه :

پریود اصلی نوسان : sec ١.٢٨٦ =T

B= 2.5⎜⎛0 ⎞⎟2 . 3 =2.5⎜⎛0.5 ⎞⎟2 . 3  =1.332

T

T                                                                                                        1.286

C= ABI= 0.0583

R

٢-٣- نحوه تیپ بندی و تعریف مسئله

ساختمان های بررسی شده برای مطالعه اثر تیپ بندی در رفتار لرزه ای سازه های بتن آرمه شامل سازه های ٤ طبقه ، ٨ طبقه و ١٢ طبقه می گردد. هر یک از سازه های ذکر شده یک بار بدون در نظر گرفتن تیپ بندی و  چند بار با در نظر گرفتن تیپ بندی های متفاوت طراحی شده اند. طراحی های صورت گرفته برای سازه ٤ طبقه به صورت یکبار بدون تیپ بندی و سه بار با در نظر گرفتن تیپ بندی و برای سازه های ٨ طبقه و ١٢ طبقه یک بار بدون تیپ بندی و چهار بار با در نظر گرفتن تیپ بندی انجام شده است .

در طراحی های هر دسته از سازه ها (٤ طبقه ها، ٨ طبقه ها و ١٢ طبقه ها) تیرها

بصورت مشابه طراحی شده و تنها تیپ بندی ستون ها مد نظر بوده است .

جزئیات تیپ بندی های انجام شده برای حالات ذکر شده به شرح زیر می باشد:

الف - سازه های ٤ طبقه :

١- سازه با طراحی بدون تیپ بندی

٢- تیپ بندی هر یک طبقه (٤ طبقه )

٣- تیپ بندی هر دو طبقه (٢ تیپ ستون )

٤- تیپ بندی تنها با یک تیپ ستون

ب - سازه های ٨ طبقه :

١- طراحی بدون تیپ بندی

٢- تیپ بندی هر دو طبقه (١٢ تیپ ستون )

٣- تیپ بندی هر دو طبقه (٤ تیپ ستون )

٤- تیپ بندی هر چهار طبقه (٢ تیپ ستون )

٥- تیپ بندی تنها با یک تیپ ستون

ج - سازه های ١٢ طبقه :

١- طراحی بدون تیپ بندی

٢- تیپ بندی هر دو طبقه (٦ تیپ ستون )

٣- تیپ بندی هر چهار طبقه (٣ تیپ ستون )

٤- تیپ بندی هر شش طبقه (٢ تیپ ستون )

٥- تیپ بندی تنها با یک تیپ ستون

برای ارائه نتایج تحلیل های انجام شده و واضح بودن نمودارها و گرافهای ارائه شده ، به هر یک از سازه های طراحی شده مذکور، کدهایی اختصاص داده شده است . کدهای اختصاص یافته به هر سازه از دو عدد تشکیل شده ؛ که عدد اول نشان دهنده تعداد طبقه سازه و عدد دوم شماره ردیف درج شده در کنار هر یک از سازه های مزبور می باشد. 

Abstract

One of the problems that influence on seismic behavior of structures and associate

designing to itself is the grouping of structural element within analyzing and design of

structures. Generally this grouping is due to facilitate of performing and building the

structures. This paper investigates these grouping effects on concrete bending frame

systems. This investigation is related to effect of concrete element grouping design such

as columns on nonlinear behavior of 4, 8 and 12 story RC buildings and maximum

responses such as maximum displacements, damage indices, …(with grouping and

nongrouping design) to realization result of this designing method. The selected

structures are analyzed with nonlinear dynamic analyzing method under Tabas

earthquake record using several peak ground accelerations (PGA); the damage indices

are presented for elements, stories and also overall damage indices based on “Park-Ang-

Wen” damage model. Increases analytical results show that the effect of grouping in

PGA less than 0.5g is not sensible, but in bigger PGA the grouped designed structures

suffer more damages. The grouping of structural elements cause to concentration of

energy and damage in element that their demand to capacity ratio (DE.CE) is greater

than others. This subject causes to generate soft and weak story in the structure and

increment the overall damage indices