پایان نامه ارائه مدل جدیدی از مهاربند های مقاوم در برابر کمانش و بررسی رفتار لرزه ای آن

پایان نامه‌ی کارشناسی ارشد رشته‌ی مهندسی عمران گرایش سازه
 

بهمن 1389

فصل اول: مقدمه

1-1.  کلیات

یکی از مهمترین حوادث طبیعی که همواره زندگی انسان­ها را دچار دگرگونی کرده و گاهی  تمدن­های بشری را با تخریب ساختگاه به نابودی کشانده، زلزله است. از این رو، انسان همواره سعی در شناسایی و مقابله با خطرات ناشی از زلزله داشته و هنوز هم موفق به مهار کامل این انرژی عظیم نشده است. حال با وجود آنکه محققین زیادی در زمینه ساخت و ساز ایمن و مناسب، تحقیقات ارزنده­ای انجام داده­اند، کماکان تعداد زیادی از ساکنین این کره خاکی هر ساله در زیر آوارهای به وجود آمده از زلزله مدفون می­گردند و سازه­های بسیاری کارایی خود را پس از زلزله از دست می­دهند یا متلاشی می­شوند.

ایران از نظر لرزه­خیزی در منطقه فعال جهان قرار دارد و به گواهی اطلاعات مستند علمی و مشاهدات قرن بیستم، از خطرپذیرترین مناطق جهان در اثر زمین­لرزه­های پرقدرت محسوب می­شود. در حال حاضر ایران در صدر کشورهایی است که وقوع زلزله در آن با تلفات جانی بالا همراه است و  در سال­های اخیر به طور متوسط هر پنج سال یک زمین لرزه با صدمات جانی و مالی بسیار بالا در نقطه­ای از کشور رخ داده است. گرچه جلوگیری کامل از خسارات ناشی از زلزله­های شدید بسیار دشوار است لیکن با افزایش سطح اطلاعات در رابطه با لرزه­خیزی کشور، شناسایی و مطالعه دقیق وضعیت    آسیب­پذیری ساختمان­ها، ایمن­سازی و مقاوم­سازی صحیح و اصولی آن­ها، می توان تا حد مطلوب تلفات و خسارات ناشی از زلزله­های آتی را کاهش داد.]1[

در راستای شناسایی و مهار این پدیده، محققین همواره سعی داشته­اند تا آیین­نامه­های بسیاری را در سراسر دنیا برای محاسبه و ساخت سازه­های مقاوم در برابر زلزله تهیه کنند و روش­های بسیاری برای محاسبه این نیرو و طراحی سازه­ها در برابر آن ارائه دهند. پس از محاسبه نیروی زلزله، روش­هایی جهت طراحی ساختمان مقاوم در برابر زلزله مطرح می­شوند که این روش­ها را می­توان به دو دسته کلاسیک (سنتی) و مدرن تقسیم­بندی کرد.

در روش­های کلاسیک، طراحی بر اساس حداکثر نیروی اعمال شده به ساختمان، که با ترکیب نیروهای احتمالی بیان­شده در آیین­نامه­های مختلف به دست می­آید، انجام می­شود. تک­تک اجزای سازه را براساس روش مقاومت نهایی یا نیروی حداکثر طراحی می­کنند. اما در روش­های مدرن، پایداری سازه با روش طراحی براساس عملکرد نیز مطرح شده است.]2[

در سیستم­ های سازه­ای معمولا دو عامل برای طراحان بسیار مهم است. اول ایمنی سازه و دوم راحتی ساکنین در برابر بارهای خارجی همچون باد و زلزله. برای رسیدن به این هدف دو عامل جابجایی و شتاب مطلق به ترتیب اثرگذارند و بایستی کنترل شوند. در این راستا سیستم­های مختلفی ارائه شده است که به­طور کلی رفتار سازه را به گونه­ای تغییر می­دهند که انرژی ورودی زلزله، به اجزای اصلی سازه صدمه­ای وارد نکند.

بعضی از سیستم­ها را می­توان بر روی سازه­های موجود نیز پیاده نمود که در صورت لزوم بعد از رخداد زلزله نیز قابل تعویض و یا تعمیر باشند. با توجه به اینکه سازه­های غیر­مقاوم در برابر زلزله در کشورمان زیاد یافت می­شوند و با توجه به این نکته که استفاده از سیستم­های الحاقی به نحو بسیار مطلوبی پاسخ دینامیکی سازه­ها را کاهش می­دهد، لذا استفاده از این سیستم­ها در کشورمان حائز اهمیت می­باشد.

گرچه بارهای دینامیکی وارد بر سیستم­های سازه­ای ممکن است ناشی از عوامل مختلفی مانند اثر باد و موج و حرکت خودروها باشد، بدون شک یکی از انواع این بارهای دینامیکی که برای مهندسین سازه از بیشترین اهمیت برخوردار بوده، تحریکی است که توسط زلزله­ها ایجاد می­شود. البته اهمیت مساله زلزله تا حدودی به علت نتایج زیان­باری است که یک زلزله در یک منطقه پرجمعیت به­جا     می­گذارد. از آنجا که طراحی سازه­های اقتصادی با معماری­ها و ابعاد گوناگون که قادر به تحمل نیروهای حاصل از یک زمین­لرزه قوی باشند، توانایی بالایی را در هنر و علم مهندسی طلب می­کند، منطقی به نظر می­رسد که رشته مهندسی زلزله به عنوان چارچوبی که در آن کاربرد تئوری­ها و تکنیک­های ارائه شده در دینامیک سازه­ها و ... به نمایش گذاشته می­شود، مورد استفاده قرار گیرد.

توانایی روش­های متداول طراحی و ساخت سازه­های موجود بسیار محدود می­باشد و پاسخگوی نیازهای روزافزون طراحی سازه­های جدید نیست. به عنوان مثال بلندتر شدن ساختمان­ها به دلیل کمبود زمین در کلان شهرها و برآورده کردن نیازهای معماری جدید با فرم­های غیر معمول از جمله مشکلاتی است که نیاز به تکنولوژی­های جدید در امر ساخت و ساز را در کشورمان نمایان    می­کند.

1-2.  لزوم انجام تحقیق حاضر

سیستم ­های سازه­ای مختلفی جهت مقابله با نیروهای جانبی ناشی از زلزله در ساختمان­های فولادی مورد استفاده قرار گرفته است که می­توان به سیستم قاب­ خمشی مقاوم، سیستم     مهاربندی­شده همگرا و سیستم­ مهاربندی­شده واگرا اشاره کرد. هر یک از این سیستم­ها به نوبه خود دارای معایب و محاسن مربوط به خود می­باشند که در طول سال­های اخیر موضوع تحقیق علم مهندسی زلزله بوده است.

در کشور ایران استفاده از سیستم­های مهاربندی همگرا در بین مهندسین سازه بسیار رایج می­باشد. لذا پرداختن به این موضوع و بیان معایب این سیستم­ها و ارائه راهکارهای کاربردی در زمینه رفع این معایب، می­تواند کمک شایانی در پیشرفت صنعت ساختمان­سازی ایران در جهت ایمن­تر شدن ساختمان­ها نماید.

یکی از انواع سیستم­های مهاربند همگرا، سیستم مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش یا به اختصار BRB[1] می­باشد. این سیستم یکی از قویترین سیستم­های موجود در امر کنترل ارتعاشات نامطلوب سازه­ها در برابر نیروهای جانبی می­باشد و امروزه در اکثر نقاط جهان از این سیستم جهت مستهلک کردن انرژی ناشی از زلزله، به وفور استفاده می­شود.

در این نوع مهاربندها، هدف رسیدن مهاربند تحت بار محوری فشاری به حد تسلیم با جلوگیری کردن از کمانش عضو می­باشد که این امر توسط یک مکانیزم خارجی انجام می­شود. بنابراین مهاربند هم در کشش و هم در فشار بدون اینکه کمانش کند، تسلیم می­شود. همچنین از آنجایی­که کمانش مهاربند جهت استهلاک انرژی مطلوب نیست، این سیستم که رفتار الاستو­پلاستیک دارد، جهت مستهلک کردن انرژی زلزله بسیار موثر عمل می­کند.]3[

در تحقیق حاضر، مطالعاتی بر روی مهاربندهای مقاوم در برابرکمانش به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر نیروهای ناشی از زلزله انجام شده است. از آنجایی­که نصب     سیستم­های مقاوم در برابر زلزله از نظر اقتصادی و مقاوم­سازی، کمک شایانی به رفتار مناسب سازه در برابر بارهای دینامیکی می­کند، تحقیق بر روی این سیستم­ها دارای اهمیت زیادی می­باشد.

مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش دارای محاسن زیادی نسبت به مهاربندهای همگرای معمولی می­باشند و از نظر سازه­ای نیز رفتار مطلوبی در برابر نیروهای جانبی از خود نشان     می­دهند. در کنار این محاسن، یک سری معایب برای این مهاربندها بیان شده است که در زیر به این معایب اشاره می­شود:

ساخت مهاربندهای BRB تا حدودی پیچیده و پرهزینه بوده و نیاز به تکنولوژی روز دارد.

به دلیل پیچیده بودن ساخت، تولید مهاربندهای BRB در انحصار شرکت­های خاصی است.

در صورت استفاده از فولاد با بازه جاری شدن وسیع به عنوان هسته مقطع، نیروهای اضافه به سازه اعمال خواهد شد.]3[

1-3.    اهداف تحقیق

هدف اصلی این مطالعه، تحقیق بر روی یک نوع مهاربند مقاوم در برابرکمانش با طرح جدید است که معایب ذکر شده برای مهاربندهای BRB، در این طرح رفع شده است. طرح این مهاربند در واقع برگرفته از شکل مهاربند مقاوم در برابرکمانش پیشنهاد شده توسط سریدهارا[2] است.]16[ مهاربند جدید دارای تکنولوژی ساخت ساده­ای بوده و نیازی به تکنولوژی­های پیچیده در ساخت ندارد. همچنین با اصلاحات در نظر گرفته شده، این مهاربند جدید در زلزله­های شدیدتر پایداری سازه را بیشتر از مهاربند کنونی حفظ خواهد کرد. همچنین از ظرفیت باربری مصالح بکار رفته نیز بیشتر از مدل­های موجود کنونی استفاده خواهد شد.

در این طرح، هسته مقطع از فولاد جدار نازک[3] می­باشد. غلاف نیز طوری طراحی     می­شود که در زلزله­های شدید وقتی کاهش طول ناشی از نیروی فشاری وارد شده در هسته از یک حد معینی بیشتر شد، مقطع غلاف به عنوان یک عضو فشاری کمکی، درصدی از نیروهای فشاری هسته را تحمل کند. به این­ترتیب که یک خلاصی بین اتصال و غلاف ایجاد می­شود که در تغییر شکل­های مورد نظر با به هم چسبیدن اتصال و غلاف، درصدی از نیروی فشاری توسط غلاف تحمل شود. همچنین طراحی غلاف بایستی طوری باشد که مقطع غلاف تحت نیروهای فشاری به تسلیم برسد، به عبارت دیگر بایستی از کمانش جانبی غلاف جلوگیری شود. در این حالت، استهلاک انرژی نسبت به مهاربند مقاوم در برابرکمانش کنونی بیشتر خواهد بود و در نتیجه، سازه در مقابل نیروهای جانبی از پایداری بیشتری برخوردار خواهد بود.

بنابراین در این مطالعه با توجه به نیروهای وارد بر هسته، درابتدا یک مقطع بهینه برای هسته طراحی شده و در مرحله بعد، غلاف طوری طرح می­شود که در زلزله­های شدیدتر وارد عمل شده و پایداری سازه را حفظ کند.

در این تحقیق جهت حصول نتایج مطلوب، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:

با طراحی بهینه شکل مقطع هسته، امکان استفاده از ظرفیت استهلاک انرژی آن بدون بکارگیری پرکننده فراهم می­شود.

با طراحی غلافی با شکل بهینه و فاصله مناسب با هسته، تسلیم هسته در بارهای لرزه­ای طراحی امکان­پذیر می­شود.

استهلاک انرژی در زلزله­های شدید با طراحی سیستمی برای استفاده از ظرفیت باربری فشاری غلاف نسبت به مهاربندهای ضد کمانش کنونی بیشتر می­شود.

1-4.  فصول پایان­نامه

در این تحقیق، در فصل دوم سیستم­ های باربر جانبی در ساختمان­های فولادی مورد بررسی قرار گرفته، مزایا و معایب آن­ها بیان شده است. در فصل سوم به معرفی سیستم مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش پرداخته و با مطالعه تحقیقات انجام شده در گذشته، محاسن این سیستم مهاربند در برابر سیستم­های قدیمی مورد ارزیابی قرار گرفته است. در ادامه محدودیت­های اجرای سیستم مهاربند مقاوم در برابر کمانش، در ایران ذکر شده است. در جهت رفع این کاستی­ها، در فصل چهارم ایده مهاربند جدید مقاوم در برابر کمانش بیان شده و با ارائه روش طراحی به بررسی رفتار لرزه­ای این مهاربند پرداخته شده است. در نهایت در فصل پنجم با تحلیل و بررسی بر روی پارامترهای مختلف مهاربند جدید مقاوم در برابر کمانش، یک مدل بهینه برای این سیستم ارائه شده است.

                                                          فصل دوم: بررسی سیستم­های باربر جانبی در ساختمان­ های فولادی

مقدمه

برای اینکه یک سازه بتواند در مقابل زلزله مقاوم باشد باید سه خاصیت مقاومت، سختی و    شکل­پذیری در آن سیستم در معادله اساسی طراحی که به صورت زیر بیان می­شود، صدق کند:]4[

ظرفیت ( Capacity )    ≥      نیاز ( Demand )

حال می­خواهیم بدانیم پارامترهای فوق در سیستم­های سازه­ای چگونه تأمین شده و رفتار   چرخه­ای سازه­ها در برابر بارهای رفت و برگشتی زلزله چه ارتباطی با شکل­پذیری سازه­ها دارد.

همانطوری­که می­دانیم سازه­ها در برابر زلزله با وارد شدن به مرحله پلاستیک و پذیرفتن تغییر شکل­های غیر­خطی می­توانند مقدار زیادی از انرژی زلزله را جذب کرده و باعث کاهش مقدار نیروی وارده به سازه شوند. ولی بایستی پارامتر اساسی دیگری نیز مد نظر قرار گیرد و آن این­است که سازه در مرحله بازگشت ( بار زلزله به صورت رفت و برگشتی است ) باید بتواند تغییر­شکل­های ایجاد شده در مرحله رفت را جبران نماید و یا به عبارت دیگر انرژی جذب شده در مرحله رفت را مستهلک نماید تا سازه آماده دریافت انرژی در سیکل بعدی باشد. اگر سیستمی دارای خاصیت استهلاک انرژی نباشد تغییر شکل­های غیر­خطی در هر سیکل به صورت تجمعی بر روی هم انباشته شده و باعث انهدام سازه می­شود.

سیستم­هایی که مودهای جاری شدن در آنها به صورت خمشی و یا برشی هستند نسبت به    سیستم­های فشاری-کششی دارای خاصیت جذب و استهلاک انرژی بهتری هستند. در سیستم­های فشاری-کششی تغییر شکل­های ایجاد شده در مرحله رفت ( به صورت کششی ) در مرحله برگشت به علت کمانش اعضا نمی­توانند به صورت فشاری جبران شوند و در سیکل­های مختلف این تغییر شکل­ها بر روی هم جمع می­شوند. بنابراین در بررسی سیستم­های مقاوم در برابر زلزله علاوه بر سه پارامتر مقاومت، سختی و شکل­پذیری، باید سیستم در جذب و استهلاک انرژی نیز بررسی شود و برای این منظور از منحنی چرخه­ای[4] استفاده می­شود که در ادامه توضیح داده خواهد شد.]5[

همان­طوری­که در بالا ملاحظه شد بایستی سازه طی زلزله­های شدید تغییر­شکل­های غیر­ارتجاعی از خود نشان دهند. این تغییر شکل­ها به میزان زیادی به مشخصات نیرو- تغییر شکل سازه بستگی دارد و ممکن است بسته به تعداد دفعات رفت و برگشتی و بزرگی هر کدام تغییر کند. چنین رفتار اعضای سازه­ای، بصورت نمایش نیرو در برابر تغییر مکان و یا به­طور مشابه لنگر در برابر دوران و یا انحنا نمایانگر رفتار چرخه­ای عضو است.

برای یک دوره تصاعدی بارگذاری و باربرداری، خطوط متصل­کننده­ی منحنی بار- تغییرمکان هر دوره بارگذاری، منحنی اسکلتون[5] نامیده می­شود. منحنی حاصل تحت بار رفت و برگشتی، منحنی هیسترزیس نامیده می­شود (شکل 2-1). بزرگی و کوچکی سطح حلقه­های این منحنی نشانگر ظرفیت اتلاف انرژی از طریق تغییر شکل می­باشد.]5[

مراجع

] 1[ دستورالعمل بهسازی لرزه­ای ساختمان­های موجود - نشریه 360. ( 1385). تهران.

[2]. Soong, T.T. (1997). “Passive Energy Disssipation System in Structural Engineering.” John Wiley & Sons, Inc.

[3]. Uang, C.M., and Nakashima, M. (2003). “Steel Buckling-Restrained Frames in Earthquake Engineering: Recent Advanced and Applications.” Chapter 16, Y. Bozorgnia and V.V. Bertero, Eds. CRC Press. Publication.

[4]. Bertero, V.V., and Vany, C.M., (1992). “Issues and Futore Directions in the Use of an Energy Approach for Seismic-Resistant Design of Structures.” P.Fajfar and H.Krawinkler Editors, Elsevier Applied Science, pp.3-22.

[5]. Wakabayashi, M., (1994). “Design of Earthquake-Resistant Building.” New York: McGraw Hill, Inc.

] 6[ عادلی، حجت­اله ( 1376). سازه­های ساختمان بلند. چاپ پنجم. تهران: انتشارات کتابفروشی دهخدا.

] 7[ شاکری، کاظم، ( 1379). "بررسی رفتار لرزه­ای بادبندهای زانویی"، پایان نامه کارشناسی ارشد زلزله، تهران: دانشگاه علم و صنعت ایران.

] 8[ ناطق­الهی، فریبرز و اکبرزادگان، حسین ( 1375). رفتار و طراحی لرزه­ای قاب­های خارج از محور. چاپ اول. تهران: موسسه بین­المللی زلزله­شناسی و مهندسی زلزله.

[9]. Fujimoto, M. (1988). “A Study on Brace Enclosed in Buckling-Restrained Mortar and Steel Tube: Part 1 and 2.” Structural Engineering Section, pp. 1339-1342.

[10]. Nagao, N. and Takahashi, S. (1990). “A Study on the Elasto-Plastic Behavior of Unbonded Composite Bracing (Part 1: Experiments on Isolated Members Under Cyclic Loading).” Journal of Structural Engineering, vol. 415, pp. 105–115.

[11]. Inoue, K. Sawaizumi, S. and Higashibata, Y. (1992). “Bracing Design Criteria of the Reinforced Concrete Panel Including Unbonded Steel Diagonal Braces.” Journal of Structural and Construction Engineering, vol. 1, pp. 41–49.

[12]. Horie, T. and Yabe, Y. (1993). “Elasto-Plastic Behavior of Steel Brace with Restraint System for Post Buckling.” Annual technical papers of steel structures, vol. 1, pp. 187–194.

[13]. Suzuki, N. Kono, R. Higashibata, Y. Sasaki, T. and Segawa, T. (1994). “Experimental Study on the H-Section Steel Brace Encased in RC or Steel Tube.” Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,  pp. 1621-1622.

[14]. Tada, M. and Kuwahara, S. (1993). “Horizontally Loading Test of the Steel Frame Braced with Double-Tube Members.” Annual technical papers of steel structures, vol. 1, pp. 203–208.

[15]. Shimizu, T. Fujisawa, K. Uemura, K. and Inoue, K. (1997). “Design Method to Prevent Buckling of Low Yield Strength Steel Tube Brace and Fracturing of Joints: Part 1 and 2.” Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,  pp. 781-784.

[16]. Sridhara, B.N. (1990). “Sleeved Column-as a Basic Compression Member.” Procced of the 4th International Conference on Steel Structures & Space Frames, pp. 181–188.

[17]. Iwata, M. Katoh, T. and Wada, A. (2001). “Performance Evaluation of Buckling-Restrained Braces on Damage Controlled Structures: Part 1 and 2.” Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,  pp. 659-662.

[18]. Sabelli, R. Mahin, S. and Chang, C. (2003). “Seismic Demand on Steel Braced Frame Building with Buckling-Restrained Braces.” Journal of Engineering Structures, Vol. 25, pp. 655-666.

[19]. Yamaguchi, M. Yamada, Y. Matsumoto, Y. and Takeuchi, T. (2002). “Full-Scale Shaking Table Test of Damage Tolerant Structure With a Buckling Resistant Brace.” Journal of Structural and Construction Engineering, vol. 558, pp. 189-196.

[20]. Ochoa Escudero, E. and Nakashima, M. (2003). “Comparative Parametric Study on Normal and Buckling-Restrained Steel Braces”. Universita degli studi di Pavia.

[21].Dasse Design INC. (2009). Cost Advantages of Buckling Restrained Braced Frame Building, San Francisco.

[22]. AISI (1996). “Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members.” D.C: American Iron and Steel Institute, Washington.

[23]. Yu, W.W. (2000). Cold-Formed Steel Structures. John Wiley & Sons, Inc.

[24]. FEMA 450 (2004). NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures Part1: Provisions, Prepared by the Building Seismic Safety Council for the Federal Emergency Management Agency, Washington.

[25]. Sridhara, B.N. (1990). “Design of Optimum Weight Compression Members.” International Conference on Steel and Aluminium  Structures, pp. 195–206, Singapore.

[26]. Schafer, B.W., Ádány, S. (2006). “Buckling analysis of cold-formed steel members using CUFSM: conventional and constrained finite strip methods.” 18th International Specialy Conference on Cold-Formed Steel Structures, Orlando, FL.

[27]. FEMA 369 (2004). Primere for Design Professionals: Communicating with Owners and Managers of New Buildings on Earthquake Risk, Washington.

[28]. SEAOC, 1999, Recommended Lateral Force Requirements and Commentary, prepared by the Structural Engineers Association of California, published by the International Conference of Building Officials, Whittier, California.