پایان نامه اثرات نامنظمی های عمودی در رفتار لرزه ای قاب های خمشی فولادی

پایان  نامه  برای دریافت  درجه  کار شناسی ارشد"M.Sc"

مهندسی عمران  - گرایش  سازه 

چکیده :

امروزه  با ورود دستورالعملها و فلسفه  های جدید طراحی که  از معیار عملکردی برای طراحی سازه  استفاده  می  کنند، موضوع  بررسی رفتار لرزه  ای سازه  ها از اهمیت  قابل  توجهی برخوردار شده  است  که  در نتیجه  تحقیقات  زیادی دراین  زمینه  در حال  انجام  می باشد.

رفتارساختمانهای نامنظم  در زلزله  های گذشته  نشان  می دهد که  رفتار نامناسبی درمقایسه  با ساختمانهای منظم  داشته  اند . در این  راستا در پایان  نامه  حاضر به  بررسی رفتار لرزه  ای قابهای خمشی فولادی ویژه  با توزیع  نامنظم  جرم  در ارتفاع  پرداخته  شده  است  . این  ارزیابی با روشهای تحلیل  سازه  ای خطی وغیر خطی همچون  تحلیل  های خطی، استاتیکی و دینامیکی مود ی  و تحلیل  های غیر خطی،استاتیکی و دینامیکی تاریخچه  زمانی و با کمک  نرم  افزارهای 9 Etabs ، Sap2000 انجام  گرفته  است .

به  همین  جهت ، ٢٨ قاب  که  در آنها پارامترهای تعداد طبقات  (٦، ١٢، ١٨، ٢٤) و موقعیت  طبقه  نامنظم  (پائین  ، وسط ، بالا ) ، نسبت  جرم   طبقه  نامنظم  به  طبقات  مجاور (٥٠% ،١٠٠%) متغیر بو ده  اند، به  صورت  مدل  دو بعدی مورد بررسی قرار گرفته  اند.

در این  راستا ، برای بررسی رفتار غیر خطی سازه  های فوق ، از مد ل  رفتار غیر خطی FEMA356 و تحلیل  دینامیکی غیر خطی با کمک   رکوردهای  زلزله  السنترو ، بم   و طبس و تحلیل  استاتیکی غیر خطی با دو نوع  توزیع  بار استفاده  شده  است .

هدف  از این  پایان  نامه  ، مشاهده  رفتار غیر خطی قابهای  نامنظم  جرم  در ارتفاع  و مقایسه   آن  با حالت  منظم بکمک  نتایج  تحلیل   دینامیکی غیرخطی  تاریخچه  زمانی وتحلیل استاتیکی غیرخطی می باشد . در این  تحقیق ، پارامترهای توزیع  مفاصل  پلاستیک  و تغییر مکان  نسبی، برش  پایه - تغییر مکان  بام  و رفتار لرزه  ای سازه  که  اهمیت  خاصی در برآورد میزان  آسیب  پذیری سازه  را دارد ، مورد بررسی قرار گرفته  اند .

نتیجه  این  پژوهش  حاکی از  آنست  که   افزایش  جرم طبقات  باعث  افزایش  تغییر مکان  نسبی طبقات   و افزایش  مفاصل  پلاستیک   در طبقه  نامنظم  به  خصوص   در حالت  نامنظمی طبقه  آخر  گردیده  است   و به  همین  دلیل  باید به  تقویت  تیر ها و ستون  های طبقه  نامنظم  و طبقات  اط راف  آن  و از افزایش  جرم  طبقه  بام  باید پرهیز نمود.

کلید واژه  ها:

قاب  خمشی فولادی ویژه ، نامنظمی جرم  در ارتفاع  ، تحلیل  استاتیکی غیر خطی، تحلیل  دینامیکی غیر خطی، توزیع  مفاصل  پلاستیک  و تغییر مکان  نسبی طبقات .

مقدمه :

امروزه  در جهان ، تعداد زیاد ی  از ساختمانها در هنگام  بهره  برداری با تغییر کاربری مواجهه  می گردند . مثًلا ممکن  است  درطبقات  بالاتر، ادارات  ویا انبارها بکار روند که  به  دنبال  این  تغییر کاربری ها جرم  طبقات  دچار تغییر می گردد. بنابراین  احتمال  نامنظمی جرم  در پلان  و طبقات  ساختمان  وجود دارد. برای بررسی سازه  های فوق  باید رفتار لرزه  ای آنها مدنظر قرار گیرد. از آنجایی که  روشهای مرسوم  تحلیل  و طراحی سازه  بر اساس  معیار نیرو هستند یک  ضعف  ع مده  را در برآورد لرزه  ای سازه  ایجاد می کنند به  عبارتی درمحدوده  ای که  سازه  به  صورت  خطی رفتار می کند . یعنی مدل رفتاری نیرو- تغییر مکان  برای سازه  خطی است  می توان  از معیارنیرو برای کنترل  اعضا استفاده  کرد . ولی از آنجا که  اغلب  سازه  ها  به  خاطر ملاحظات  اقتصادی در هنگام  زلزله  وارد محدوده  غیر خطی می شوند. در این  محدوده  تغییرات  نیرو (مقاومت ) ناچیز می باشد و تغییر شکله ای (تغییر مکان  ها ) زیادی را ایجاد می کند . بنابراین  معیار تغییر مکان  به  عنوان  مناسب  ترین  شاخص  رفتاری مطرح  می شود . به  همین  جهت  دستورالعملها کنترل  تغییر مکان  جانبی و تغییر مکان  نسبی طبقات  را برای اینگونه  بررسی ها ضروری می دانند.

در این  تحقیق ، ابتدا به  معرفی  انواع  نامنظمی ها و رفتار قاب  خمشی فولادی ویژه  پرداخته  شده  است  و سپس  به  اصول  تحلیل  استاتیکی ودینامیکی غیر خطی اشاره  شده  و انواع  رکوردهای زلزله  مورد بررسی، معرفی گشته  اند و درنهایت  به  بررسی و مقایسه  نتایج  عددی و شکلها پرداخته  شده  است .

فصل  ١:

کلیات  تحقیق

فصل  ١:

کلیات  تحقیق

١-١- عنوان :

بررسی اثرات  نامنظمی عمودی در رفتار لرزه  ای قاب  خمشی فولادی

١-٢- بیان  مسئله :

برای بررسی رفتار یک  سازه  نامنظم  در ارتفاع  در برابر زلزله  باید تحلیل  های غیر خطی صورت  گیرد و در این  تحقیق  با استفاده  از تحلیل  های غیر خطی ،  سعی بر بررسی رفتار سازه  های قاب   خمشی  فولادی ویژه  نامنظم  جرمی در ارتفاع شده  است .

١-٣- هدف  از تحقیق :

هدف  مشاهده  رفتار قابهای خمشی فولادی با نامنظمی جرم  در ارتفاع  و مقایسه  نتایج  آن  با حالت  منظم   و به  کمک  روشهای تحلیل  تاریخچه  زمانی غیر خطی، تحلیل  استاتیکی غیر خطی می باشد.

١-٤- فرضیات  اصلی تحقیق :

چهار سازه  ، ٦، ١٢، ١٨، ٢٤ طبقه  دوبعدی که  دارای سیستم  قاب  خمشی فولادی ویژه  می باشند و با فرض  اثرات  نامنظمی جرمی ٥٠% و ١٠٠%  در ارتفاع   و در طبقات  اول  و میانی و آخر برای بررسی اثرات  نامنظمی در نظرگرفته  شده  است  وفولاد مصرفی از نوع   ٣٧  St  و Fy 2400kg. cm2   و

2.1106kgcm2 E می باشد .

١-٥- بیشینۀ تحقیق :

امروزه  آیین  نامه  ها ضواب طی  را ارائه  کرده  اند که  بنا بر آن ، چنانچه  میزان  نامنظمی درتوزیع  جرم  وسختی در ارتفاع  یا پلان  از  محدوده  ای فراتر رفت  ، به  جای تحلیل  استاتیکی معادل  از تحلیل  دینامیکی استفاده  شود . اثر توزیع  نامنظم  جرم  وسختی بر نحوه  توزیع  نیروی زلزله  توسط  محققان  مورد بررسی قرار گرفته  است . هومار یک  بررسی تحلیلی بروی میزان   مشارکت  مودهای بالا در سازه  های پس  نشسته  انجام  داد شهروز اثر پس  نشتگی را به  کمک  میز لرزان  بررسی و با ضوابط  آیین  نامه  یوبی سی مقایسه  نمود و به  این  نتیجه  رسید که  این  ضوابط  بیش  از حد سختگیرانه  است  . دلس  و سیمونینی اثرات  تغییر سختی در ارتفاع  را بروی ساختمان  ها ی   ٤ و ٨ و ١٦ طبقه  مطالعه  کرده  و نتیجه  گرفتند که  روش  های استاتیکی ومودی  تفاوت  چندانی ندارند . هیدالگو طی مطالعات  مشابهی ضوابط  یوبی سی را برای ساختمان  های شیلی نامناسب  دانست  ، زیرا این  ساختمان  ها علاوه  بر بی نظمی نسبی ، و اینکه  به  روش  استاتیکی طرح  شده  اند در زلزله  مارس  ١٩٨٥ شیلی خوب  عمل  کردند . تسو نشان  داد که  در جهت  عمود بر پس  نشتگی

، تحلیل  استاتیکی  به  وجود اثر پیچش  نا کافی است  . هاچینسون  نحوه  تاثیر توزیع  نامنظم  جرم  و سختی در ارتفاع  را بر بیرون  محوری دینامیکی ساختمان  های چند طبقه  بررسی و ضرایبی برای بزرگنمایی  برون  محوری طبقات  محاسبه  کرد . یانگ  و تسو اثر پس  نشتگی در ارتفاع  را بر تناوب  بر رسی  و رابطه   ای را برای محاسبه  تناوب  ساختمان  پس  نشسته  ارائه  دادند .

آیین  نامه  ها  ضوابطی را  د ر زمینه  توزیع  نامنظم  جرم  و سختی توصیه  ک رده  اند  . مثلاُ  طبق  ضوابط  استاندارد ٢٨٠٠ ویرا یش  سوم  چنانچه  اختلاف  جرم  دو طبقه  متوالی از ٥٠ % تجاوز نماید  ، باید سازه  را به  روش   دینامیکی مودی  یا تاریخچه  زمانی تحلیل  نمود . تحقیقات  بر روی سازه  هایی که  داری توزیع  نامنظم  جرم  وسختی در ارتفاع  هستند نشان  داده  است  که  استفاده  از تحلیل  استاتیکی معادل  موجب  ایجاد خطای چندانی در محاسبه  نیرو ها نمی شود. [٥ ] 

به همین  جهت  در این  پژوهش  به  بررسی رفتار سازه  های نامنظم  جرم  در ارتفاع  بر روی  سازه  های قاب  خمشی فولادی ویژه پرداخته  شده  است  .

فصل  ٢

مبنای نظری در مدلسازی و تحلیل  سازه  های

نامنظم

فصل  ٢

مبنای نظری در مدلسازی و تحلیل  سازه  های نامنظم

در این  فصل  به  بررسی مبنای نظری، پایه  و اولیه  مورد نیاز در این  پژوهش  پرداخته  شده  است .

٢-١- ساختمانهای نامنظم :

آئین  نامه  های بارگذاری و طراحی ساختمانها را به  دو دسته  منظم  و نامنظم  در پلان  ارتفاع  تقسیم  بندی نموده  اند که  در زیر به  بیان  مختصری از آنها پرداخته  شده  است .

٢-١-١- نامنظمی در پلان :

- آیین  نامه [16]UBC97 ساختمانهای منظم  در پلان  به  دسته  های زیر تقسیم  بندی کرده  است : الف  – بی نظمی پیچشی به  شرط  صلبیت  کفها محقق  می گردد. بی نظمی پیچشی را هنگامی  در نظر می گیریم  که  حداکثر گریز طبقه  (جابه  جایی افقی ) در کنج  سازه  و در جهت  عمود بر زلزله  بیش  از ١.٢ برابر متوسط  گریز دو انتهای سازه  باشد.

ب - کنج  مقعر : در صورتیکه  سازه  دارای کنج  مقعر (تو رفته  ) باشد به  طوریکه  که  تصویر ساختمان  در هر دو جهت  ١٥% بیش  از بعد مزبور باشد.

ج - ناپیوستگی در کف  : ناپیوستگی در کف  یا تغییرات  سختی در کف  مانند بازشو ها که  سطح  آن بیش  از

٥٠% مساحت  کف  باشد.

د- جابه  جایی صفحه  عناصر لرزه  بر

ه - عدم  تقارن  و عدم  توازی عناصر لرزه  بر.

- استاندارد٢٨٠٠ ویرایش  (٣) ساختمان  های نامنظم  در پلان  را به  دسته  های زیر تقسیم  می کند

الف  ) پلان  ساختمان  دارای شکل  متقارن  یا تقریباً متقارن  نسبت  به  محورهای اصلی ساختمان  که  معموًلا عناصر مقاوم  در برابر زلزله  ، در امتداد آن  ها قرار دارند، باشد . همچنین ، در صورت  فرو  رفتگی یا پیش  آمدگی در پلان  ، اندازه  آنها در هر امتداد از ٢٥ درصد بعد خارجی ساختمان  در آن  امتداد تجاوز ننماید. ب ) در هر طبقه  فاصله  بین  مراکز جرم  و سختی در هریک  از دو امتداد متعامد  ساختمان  از ٢٠ درصد بعد ساختمان  در آن  امتداد بیشتر نباشد.

پ ) تغییرات  ناگهانی در سختی و دیافراگم  هر طبقه  نسبت  به  طبقات  مجاور از ٥٠% بیشتر نباشد وهمچنین  سطوح  باز باشد در آن  از ٥٠% سطح  کل  دیافراگم  تجاوز ننماید.

ت  ) در هر طبقه  حداکثر تغییر مکان  نسبی در انتهای ساختمان ، با احتساب  پیچش  تصادفی بیشتر از

٢٠% با متوسط  تغییر مکان  نسبی دو انتهای ساختمان  در آن  طبقه  اختلاف  نداشته  باشد.

٢-١-٢- نامنظمی در ارتفاع :

- آئین  نامه  (1997)UBC [١٦] ساختمان های نامنظم  در ارتفاع  را به  دسته  های زیر تقسیم  می

کند.

الف ) نامنظمی  درجرم : جرم  یک  طبقه  نسبت  به  جرم  طبقه  مجاور بیشتر از ١٥٠% درصد تغییر کرده  باشد. ب ) نامنظمی در سختی : سختی  جانبی یک  طبقه  نسبت - طبقه  مجاور ٧٠ درصد بیشتر تغییر کرده  باشد. پ  ) ناپیوستگی درظرفیت  طبقه  ضعیف  : مقاومت  جانبی یک  طبقه  کمتر از ٨٠% مقاومت  جانبی طبقه  روی خود باشد.

-استاندارد ٢٨٠٠ویرایش  (٣)[١] ساختمان  های منظم  در ارتفاع  را به  دسته  های زیر تقسیم  می

کند:

الف ) توزیع  جرم  در ارتفاع  ساختمان  تقریباً یکنواخت  باشد به  طوریکه  جرم  هیچ  طبقه  ای ، به  استثنای بام  وخرپشته  بام  نسبت  به  جرم  طبقه  زیر خود بیشتر از ٥٠ درصد تغییر نداشته  باشد.

ب )سختی  جانبی در هیچ  طبقه  کمتر از ٧٠ درصد سخ تی  جا نبی طبقه  خود وی ا کمتر از ٨٠ درصد متوسط  سختی  سه  طبقه  روی خود نباشد . طبقه  ای که   سختی جانبی آن  کمتر از محدوده   عنوان  شده  در این  بند باشد. انعطاف  پذیرتلقی شده  و طبقه  نرم  نامیده  می شود.

پ ) مقاومت  جانبی هیچ  طبقه   ای کمتر از ٨٠% مقاومت  طبقه   روی خود نباشد. مقاومت  هر طبقه  برابر با مجموع  مقاومت  جانبی کلیه  اجزای مقاوم تی  است  که  برش  طبقه  در جهت  مورد نظر تحمل  می نماید ، طبقه  ای که  مقاومت  جانبی آن  کمتر از حدود عنوان  شده  در این  بند باشد . ضعیف  تلقی شده  و طبقه  ضعیف  نامیده  می شود.

٢-١-٣- نامنظمی مورد بررسی در این  پژوهش :

در این  پژوهش  به  بررسی نامنظمی عمودی از نوع  جرمی پرداخته  شده  است .

٢-٢- قاب  خمشی فولادی ویژه   و کنترل  ضوابط  طراحی قاب  خمشی ویژه  :

قابهای خمشی به  لحاظ   رفتاری که  در برابر بارهای جانبی از خود نشان  می دهند در اغلب  سازه  های فولادی بکار برده  می شوند . مهمترین  خاصیت  این  سیستم  نحوه  اتصال  اعضای آن  می باشد که  به  نحو موثری در رفتار سازه  ای و پایداری سیستم  آن  دخیل  است .

قبل  از سالهای حدود ١٩٣٥ ، طراحی برای نیروی زلزله  در آئین  نامه  های مختلف  ساختمانی الزامی نبوده ، و معموًلا در طراحی قابهای ساختما نی از آن  صرف  نظر می شد . طراحی درمقابل  بارهای باد، با استفاده  از مهاربندی مرکزی یا صفحات  ل چکی  مثلثی  سخت  کننده  با ارتفاع  زیاد که  در هر دو  سر اتصال  تیر به  ستون  در بالا و پائین  تیر نصب  می شد، صورت  می گرفت  . روشهای تحلیل  کلاسیک  برای سازه  های نامعین  بیش  از صد سا ل  قبل  از سال  ١٩٣٥ شناخته  شده  بود و از تطبیق  های تقریبی این  روش  ها، در پلهای فولادی و ساختمانها ، قبل  از پایان  قرن  پیش  استفاده  می شد. در طی این  دوره  ساختمان های فولادی بسیاری، بر اساس  فرض  تیر ساده  برای بارهای گرانشی ، و با گیرداری تامین  شده  توسط  مهاربندی ها یا صفحات  لچکی که  به  روشهای تقریبی مورد تحلیلی قرار می گرفتند ، ساخته  شد.

در حدود سال  ١٩٣٥، مهندسان  سازه  کالیفرنیا لزوم  طراحی ساختمان  برای مقاومت  در برابر زلزله  را پذیرفتند خوشبختانه  در همان  زمان  پروفسور هار دی  کراس  روش  ساده  ای را برای تحلیل  سازه  های نامعین  ارائه  کرد . در طی چند سال  بعد این  پیشرفتها ، با دسترس  پذیر  شدن  تحلیل  کامپیوتری دنبال  شد و به  استفاده  عمومی تر از قاب  خمشی در اجرای ساختمانها منجر شد.

در حالت  کلی از لحاظ  پیکربندی ، این  سیستم  از شبکه  های مستطیلی تیرهای افقی و ستون  های قائم  با اتصالات  صلب  میان  آنها تشکیل  شده  است  . این  سیستم  باید مقاومت  و سختی لازم  را جهت  مقابله  با بارهای ثقلی و جانبی و تغییر شکلهای مربوطه  را داشته  باشد. [١٤]

٢-٢-١- رفتار ناشی  از بار گرانشی :

در طراحی قابهای خمشی، معمول  است  که  سازه  را برای بارهای مرده  و زنده  به  صورت  جداگانه  تحلیل  نمایند به  طوریکه  بتوان  ترکیبات  مختلف  آثار این  بارها را باضرایب  بار منظور کرد.

می بایستی دقت  کرد که  بارهای گرانشی نامتوازن  در قابهای خمشی باعث  ایجاد لنگرها وبرش  هایی بر اثر تغییر مکان  جانبی می شود که  باید آنها را در طراحی قابها در نظر گر فت  . اثر دیگر کوتاه  شدگی الاستیک  ستونها است  . این  اثر برای نیروهای واژگونی نا شی  از باد و زلزله  بسیار چشمگیر است  . تحلیل  به  کمک  محاسبات  دستی پیچیده  است  . اما خوشبختانه  هم  برای تحلیل  های استاتیکی وهم  برای تحلیل  های دینامیکی برنامه  های کامپیوتری متعددی وجود دارند که  می تواند این  امر را منظور کنند.[١٤]