ارزيابي حاشيه ايمني يک قاب خمشي فولادي تحت زمين لرزه طبس همپايه شده به PGA هاي متفاوت

 

دکتر عبدالرضا سروقد مقدم، استاديار پژوهشگاه بين المللي زلزله شناسي و مهندسي زلزله

مهندس رامين روشن، كارشناس ارشد مهندسي زلزله

             

 

 

چكيده :

در اين تحقيق پاسخ يک قاب خمشي معمولي طرح شده بر اساس آيين نامه هاي متداول تحت زمين لرزه طبس همپايه شده به PGA هاي متفاوت بررسي مي شود. نحوه توزيع تغيير مکان، تغييرمکان ميان طبقه و مفاصل پلاستيك در اين قاب مطالعه و با مقادير مجاز آيين نامه هاي کنوني مقايسه مي شود. هدف از اين مطالعه بررسي حاشيه ايمني سازه هاي طراحي شده بر اساس آيين نامه هاي متداول كنوني مي باشد.

 

واژه هاي کليدي :آناليز ديناميکي غيرخطي، سطوح خطر زلزله، حاشيه ايمني سازه، پاسخ سازه

 

1- مقدمه :

در طي زلزله هاي اخير، سازه هاي طرح و اجرا شده براساس آيين نامه هاي لرزه اي كنوني با حفظ ايمني جاني، عملكرد رضايت بخشي داشتند. با مطالعه و ارتقاء اين آيين نامه ها مي توان خسارات سازه اي و غير سازه اي را به حداقل رساند و با حفظ و نگهداري بهتر اين سرمايه ملي، آسايش و امنيت بيشتري براي ساکنين فراهم آورد. از طرفي با توجه به احتمال وقوع زلزله هايي با شتابي بيش از شتاب مبناي طرح، بررسي رفتار سازه در سطوح خطر بالاتر شايان توجه است. لذا مي توان با ارزيابي پاسخ ساختمان هاي طرح شده بر اساس آيين نامه هاي متداول کنوني در سطوح خطر بالاتر، حاشيه ايمني اين آيين نامه ها را مورد مطالعه قرار داد.

2- سازه مورد مطالعه :

در اين مطالعه يك قاب خمشي معمولي كه مشخصات هندسي و مقاطع آن به ترتيب در شكل (1) و جدول (1) ارائه شده است مورد ارزيابي قرار مي گيرد. براي برآورد نيروهاي ثقلي و زلزله بترتيب از آيين نامه 519 ايران و استاندارد 2800 ايران ( ويرايش دوم ) استفاده شده است. سازه به روش الاستيك خطي و با استفاده از نرم افزار SAP تحليل شده است. عناصر سازه اي به روش تنش مجاز و با استفاده از آيين نامه AISC طراحي شده اند. مدلسازي غيرخطي قاب مورد نظر توسط برنامه DRAIN-2DX انجام شده است.


شكل(1) : مشخصات هندسي

 

جدول (1) : مشخصات مقاطع

مقطع

شاخص

مقطع

شاخص

2IPE180

C1

2IPE160

B1

IPE180+2PL80x6

C2

2IPE180

B2

IPE180+2PL120x6

C3

2IPE180+2PL100x10

B3

IPE180+2PL160x10

C4

2IPE180+2PL160x10

B4

2IPE180+2PL100x10

C5

2IPE180+2PL130x14

B5

2IPE180+2PL160x14

C6

 

 

3- نحوه توزيع و دامنه چرخش مفاصل پلاستيك :

هنگام مطالعه رفتار غيرخطي سازه ها، بررسي نحوه توزيع و ميزان چرخش مفاصل پلاستيک، اطلاعات قابل ملاحظه اي از عملکرد سازه در اختيار قرار مي دهد. در قاب هاي خمشي، جاري شدن هاي قابل ملاحظه در اطراف اتصالات تير به ستون، ممكن است در دو انتهاي تير، ستون       ( بالا و پايين اتصال ) و يا چشمه اتصال رخ دهد. بنابراين توزيع خسارت در سازه در قالب ميزان چرخش مفاصل پلاستيك در تيرها و ستون ها و اعوجاج پلاستيك چشمۀ اتصال (در اثر تنش برشي ) خلاصه مي شود. نحوه توزيع و دامنه چرخش مفاصل پلاستيك حاصل از آناليزهاي ديناميكي غيرخطي براي قاب مورد مطالعه تحت زمين لرزه طبس همپايه شده به PGA هاي متفاوت در شكل هاي (2) الي (6) ارائه شده است . ضمناً واحد چرخش مفاصل پلاستيك در شكل هاي مذکور راديان است.


شکل (2) : نحوه توزيع و دامنه چرخش مفاصل پلاستيك – زمين لرزه طبس همپايه شده به .2g

 

 

 


 شکل (3) : نحوه توزيع و دامنه چرخش مفاصل پلاستيك – زمين لرزه طبس همپايه شده به .4g

 

 


شکل (4) : نحوه توزيع و دامنه چرخش مفاصل پلاستيك – زمين لرزه طبس همپايه شده به .6g

 

 

 

 

 


شکل (5) : نحوه توزيع و دامنه چرخش مفاصل پلاستيك – زمين لرزه طبس همپايه شده به .8g

 

 


 شکل (6) : نحوه توزيع و دامنه چرخش مفاصل پلاستيك – زمين لرزه طبس همپايه شده به  g

 

 

4- شاخص هاي مرتبط با تغييرمكان :


با توجه به اينكه آناليزهاي غيرخطي رفتار واقعي سازه را به هنگام زمين لرزه ارائه مي دهند لذا بررسي شاخص تغييرمكان و تغييرمكان ميان طبقه در ارتفاع سازه در مقايسه با سطح نيرو در اعضاء از اهميت ويژه اي برخوردار است. زيرا به هنگام زمين لرزه نيروهايي چندين برابر نيروهاي طراحي به سازه اعمال مي شوند كه انتظار مي رود اين نيروهاي اضافي با افزايش مقاومت و شكل پذيري كنترل شوند. پس حتي زمين لرزه هاي متوسط مي توانند سازه را به محدوده غيرخطي هدايت كنند كه در اين ناحيه بدليل باز توزيع نيرو در اعضاء، سطح نيرو در عضو از اهميت كمتري برخودار است. بنابراين پاسخ سازه مورد مطالعه، حاصل از آناليزهاي ديناميكي غيرخطي تحت زمين لرزه طبس همپايه شده به PGA هاي متفاوت، در قالب تغييرمكان و نسبت تغييرمكان ميان طبقه در شکل هاي (7) و (8) بررسي و با مقادير مجاز استاندارد 2800 مقايسه مي شود.

شكل(7) : نحوه توزيع تغييرمكان در ارتفاع سازه


شكل (8) : نحوه توزيع تغييرمكان ميان طبقه در ارتفاع سازه

5- حداكثر چرخش مفاصل پلاستيك :

نحوه جذب انرژي زمين لرزه در هر سازه با توجه به نوع سيستم باربر جانبي آن متفاوت است. در قاب مورد مطالعه انرژي زمين لرزه با تشكيل مفاصل پلاستيك در تيرها و ستون ها مستهلک      مي شود. بنابراين مطالعه حداكثر چرخش مفاصل پلاستيك اين اعضاء از اهميت ويژه اي برخوردار است. بدين منظور حداكثر چرخش مفاصل پلاستيك ستون ها و تيرها در سطوح عملكرد متفاوت حاصل از آناليز ديناميكي غيرخطي زمين لرزه طبس در شکل هاي (9) و (10) با يكديگر مقايسه مي شوند.


شكل (9) : حداكثر چرخش مفاصل پلاستيک در ستون ها

 


شكل (10) : حداكثر چرخش مفاصل پلاستيک در تير ها

 

6- نحوه توزيع تغييرمكان در ارتفاع سازه  :

در ساختمان هاي داراي ستون قوي و تير ضعيف، نحوه توزيع تغييرمكان جانبي در ارتفاع سازه تقريباً مشابه شكل (11-ب) مي باشد. از طرفي در ساختمان هاي داراي تير قوي و ستون ضعيف تغييرمكان در يك طبقۀ ضعيف مطابق شکل (11-ج) متمرکز و به طور قابل ملاحظه اي توسط اثرات P- D تشديد مي شود. حداكثر تغييرمكان بام و حداكثر تغييرمكان ميان طبقه براي سازه مورد مطالعه حاصل از آناليزهاي ديناميكي غيرخطي تحت زمين لرزه طبس همپايه شده به    PGA هاي متفاوت در شکل هاي (12) و (13) ارائه شده است. خط منقطع در شکل هاي مذکور حداكثر مجاز آيين نامه را نشان مي دهد.

 

 

 

 

 

 

 

شكل (11) : نحوه توزيع تغييرمكان در ارتفاع سازه

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل (12) : حداكثر تغييرمكان بام براي مقادير متفاوت PGA ( زمين لرزه طبس )

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل (13) : حداكثر تغييرمكان ميان طبقه براي مقادير متفاوت PGA ( زمين لرزه طبس )

 

با توجه به شکل هاي (12) و (13) براي قاب خمشي مورد مطالعه، ميانگين کسر A/B ارائه شده در جدول (2) عدد 57/4 است. همانطور که در جدول (2) مشاهده مي شود مقدار کسر A/B تا شتاب 0.8g سير صعودي دارد .

 

جدول (2) : (ارتفاع قاب/حداكثر تغييرمكان بام) / حداكثر تغييرمكان ميان طبقه

 

0.2g

0.4g

0.6g

0.8g

g

حداكثر تغييرمكان ميان طبقه = A

021/0

0327/0

0545/0

0905/0

132/0

ارتفاع قاب/ حداكثر تغييرمكان بام =B

005/0

0076/0

011/0

0176/0

031/0

A / B

2/4

3/4

95/4

14/5

25/4

 

7- نتيجه :

مقادير مجاز آيين نامه در قاب مورد مطالعه تقريباً متناظر با پاسخ سازه تحت نگاشت طبس همپايه شده به 0.5g مي باشد. بنابراين با توجه به شتاب مبناي طرح (0.35g)  انتخابي براي طراحي قاب مورد مطالعه مي توان نتيجه گرفت که قاب مذکور تحت زمين لرزه طبس رفتار محافظه كارانه اي دارد. به منظور قضاوت بهتر بايد پاسخ سازه تحت تعداد زيادي از نگاشت زمين لرزه هاي متفاوت براي ايجاد ميانگين و ميانگين بعلاوه يك انحراف معيار استاندارد از پاسخ سازه، مطالعه شود.

 

از طرفي با مطالعه کسر A/B براي سازه هاي متفاوت مي توان به معياري براي متمايز نمودن ساختمان هاي داراي ستون قوي و تير ضعيف از ساختمان هاي داراي تير قوي و ستون ضعيف    پي برد. شناخت اين معيار نيازمند تحقيق وسيعي براي سازه هاي متقارن، نامتقارن، بلند مرتبه،    ميان طبقه، كوتاه مرتبه و … مي باشد.

 

8- فهرست منابع و مأخذ :

[1] آيين نامه طرح ساختمان ها در برابر زلزله، ويرايش دوم - 1376

[2] Farzad Naeim (1989), “ The seismic design handbook " , Published by Van Nostrand Reinhold, 450 Pages.

[3] V.Prakash & G.H.Powell & F.C.Filippou (1992), " DRAIN-2DX : User Guide”, Report No. UCB/SEMM-92/29, Structural Engineering Mechanics and Materials, University of california, Berkeley.