پایان نامه افزایش شکل پذیری قاب های مهاربندی شده هم محور با بکارگیری فولاد تنش تسلیم پائین در مهاربند ها

پایان نامه کارشناسی ارشد

مهندسی عمران - مهندسی زلزله

1391

چکیده

سازه های با قاب های دارای مهاربندهای هم محور از جمله سیستم های مقاوم در برابر زمین لرزه می باشند. این سازه ها به طور گسترده ای در ساختمان های کوتاه تا ساختمان های بلند به دلایلی از جمله محاسبات نسبتا" ساده، اجرای راحت وهزینه های مربوطه پائین کاربرد دارد. اما به دلیل وجود اعضای مستعد کمانش در مهار بند منجر به شکل پذیری کم و افت چشمگیر در حلقه های هیسترزیس بعد از چند دوره بارگذاری میشود. برای جلوگیری از پیش آمد این وضعیت نامطلوب تحقیقات بسیاری در زمینه ارائه عضو شکل پذیر در مهار بند های هم محور ارائه شده است. ایده این پروژه استفاده از عضو مستعد جاری شدن در قسمتی از باد بند می باشد که از آن به عنوان فیوز نام برده می شود. در این مطالعه از فولاد با تنش تسلیم پائین و آلومینیوم در قسمتی از عضو استفاده شده تا با جلوگیری از کمانش عضو منجر به چرخه های هیسترزیس کامل ، شکل پذیری و ظرفیت زوال انرژی بیشتر شود.

کلمات کلیدیمهاربندی هم محور، شکل پذیری، فولاد تنش تسلیم پائین، آلومینیوم

فصل اول

1-1-

از جمله سیستم های مقاوم در برابر بار جانبی، قابهای مهار بندی شده هم محور می باشد.  درصورتیکه اتصال  بین اعضای مختلف این نوع قاب به صورت مفصلی باشد از آن با نام قاب ساده (قاب مفصلی) با مهار بندی هم محور نام برده می شود. در قابهای با مهار بندی هم محور، محور تیرها ستونها و اعضای مهاری در یک نقطه مشترک با هم تلاقی می کنند. هسته مقاوم خرپایی یا شبکه مقاوم خرپایی عامل پایداری سیستم قاب ساده می باشد. ملزومات تشکیل شبکه خرپایی عناصر قائم یا همان ستون ها، عناصر قطری مورب یا همان مهار بندها و تیرها اگر سیستم مهار بندی دارای مهار بندی هایی باشد که با تیر اندر کنش دارند مانند سیتم مهار بندی هفتی وهشتی می باشد. در این نوع از قاب ها اعضای مقاوم در برابر بارهای جانبی، نیروی جانبی را از طریق عملکرد محوری اعضاء به زمین انتقال می دهند و به دلیل همین عملکرد محوری اعضاء این نوع از قاب ها دارای سختی زیاد و تغییر مکان کم می باشند.

مهار بندهای هم محور به طور گستردهای جهت تأمین سختی و مقاومت در ساختمانهای کوتاه و متوسط جهت مقاومت در برابر باد و زلزله به کار می روند. جهت پاسخهای لرزه ای مناسب این مهار بندها باید به گونه ای طراحی شوند که به مقاومت و شکل پذیری مناسبی دست یابند. در روشی که سازگار با فلسفه طراحی لرزه ای مقاوم می باشد توقع بر پاسخهای غیر الاستیک در مهار بندهای هم محور در خلال زلزله های شدید می باشد. طراحی مهاربندهای قطری هم محور باید به نحوی  باشد که توانایی تحمل تغییر شکلهای پلاستیک و قابلیت اتلاف انرژی در حالتی پایدار به صورت کمانش در فشار و تسلیم در کشش را داشته باشد. طراحی صحیح به نحوی می باشد که اطمینان حاصل شود که تغییر شکلهای پلاستیک تنها در مهار بندها اتفاق می افتد و اتصالات هیچ گونه آسیبی نمی بینند. بنابراین اجازه داده می شود که سازه قادر به تحمل زمین لرزه های قوی بدون از دست دادن مقاومت ثقلی خود باشد. زلزله های گذشته نشان داده است که رفتار شرح داده شده تحقق پیدا نخواهد کرد مگر آنکه قابهای مهار بندی و اتصالات آنها به طور صحیح طراحی شوند.

مطابق آئین نامه 2800 ایران ]1[، استفاده از مهاربندهای هم محور در ساختمانهای تا ارتفاع 50 متر، در قابهای با اتصالات مفصلی و برای ساختمانهای بلندتر در قابهای مختلط مجاز می باشد. سهولت اجرا و هزینه های پائین اتصالات مفصلی  نسبت به اتصالات گیردار  موجب استفاده افزون تر این نوع از مهاربندی ها به عنوان عناصر مقاوم در برابر بارهای جانبی شده است.  پائین بودن میزان مصرف فولاد در هر متر مربع این سازه ها در مقایسه با سازه های خمشی از دیگر مزیت آنها است. بعلاوه حساسیت کمتر این قابها به میزان و کیفیت جوش یکی دیگر از محاسن این قابها نسبت به سازه های قاب خمشی است.

در کنار محاسن سازه های با مهاربندی هم محور باید از شکل پذیری کم آنها در مقایسه با سازه های قاب خمشی، به عنوان نقطه ضعف اصلی این نوع از قابها یاد کرد. سیستم مهار بندی هم محور با تحریک جانبی تغییر شکل می دهد در این حالت یکی از قطرها در فشار قرار می گیرد و در خلال زلزله با افزایش سطح انرژی وارد بر سیستم زمانیکه نیرو در قطری تحت فشار به حدود R برابر نیروی زمان طراحی می رسد این المان دچار تسلیم و کمانش می شود. با تشکیل مفصل پلاستیک روی این عضو سختی و ظرفیت باربری آن کاهش می یابد، زمانیکه  در سیکلهای بعدی این المان مجدداً در فشار قرار می گیرد به دلیل آسیبهای ایجاد شده قبلی و کاهش سختی و مقاومت ناشی از آن دچار کمانش بیشتری می شود و تغییر شکلهای خمیری در محل مفصل پلاستیک ایجاد شده تشدید می گردد. براساس تستهای بار گذاری لرزه ای سیستم های مهاربندی هم محور عنوان می شود سختی و مقاومت این مهاربندها پس از چند سیکل سنگین بارگذاری لرزه ای به 25% تا 35% شرایط اولیه تنزل می یابد. با استناد به موارد مشروح اگرچه مهاربندهای هم محور تحت بارهای نه چندان بزرگ و در محدوده جابه جایی های کوچک مقاومت مناسبی از خود نشان می دهند ولی در بارگذاریهای سنگین لرزه ای استعداد زیادی به کمانش و ناپایداری دارند.  به عبارتی قابلیت اعتماد پذیری لرزه ای آنها مناسب نمی باشد. شکل پذیری از رفتار غیر الاستیک اعضا و اتصالات سازه حاصل می شود. رفتار غیر الاستیک در سازه های خمشی با تسلیم شدن دورترین تارمقطع شروع شده و تا تشکیل کامل مفصل پلاستیک ادامه پیدا می کند. تشکیل مفاصل پلاستیک در نقاط مختلف سازه موجب جذب انرژی و تامین شکل پذیری سازه می گردد. در مقابل در سازه های با مهار بندی هم محور انتقال نیرو جانبی از طریق نیروی محوری اعضاء انجام می شود. نیروی محوری موجب کمانش مهار بندهای فشاری قبل از رسیدن آن به مرحله غیرالاستیک و جذب انرژی می باشد. در نتیجه منحنی هیسترزیس سازه های با مهاربندی هم محور کم عرض و میزان شکل پذیری آنها پائین می باشد.

سرعت باز سازی از جمله فاکتورهای مهم در ارزیابی سیستم های مقاوم در برابر زلزله است که در سالهای اخیر مورد مورد توجه فراوان قرار گرفته است. سازه های با مهاربندی هم محور، بدلیل محدود شدن خسارات سازه ای آنها به اعضاء و اتصالات مهاربندها، در مقایسه با سازهای خمشی از سرعت بازسازی بالا و هزینه پایینی برخوردارند. به عنوان جمع بندی محاسن سازه های با مهاربند هم محور را می توان به شرح زیر بیان نمود:

بازسازی و تعمیر این سازه ها، عموماً به اعضاء و اتصالات مهاربند خلاصه می شود و در نتیجه نواحی بازسازی آنها محدود، کم هزینه و سرعت بازسازی زیاد است.

حساسیت عملکرد این سازه ها به میزان و کیفیت جوش نسبت به دیگر سازه های فولادی کمتر است و در نتیجه قابلیت اعتماد آنها بیشتر خواهد بود.

خسارات غیر سازه ای  این سازه ها در مقایسه با سازه های خمشی کمتر و بهره برداری آنها بلافاصله بعد از زلزله امکان پذیر خواهد بود.

مقاوم سازی سازه های فولادی یا بتنی با مهاربند هم محور به عنوان یک راه حل ساده و اقتصادی همیشه مورد توجه است. فراوانی این سازه ها باعث شده است که تجربه پیمانکاران ساختمانی در ساخت این سازه ها بیشتر باشد. میزان کمتر مصرف فولاد در هر متر مربع این سازه ها در مقایسه با سازه های قاب خمشی نیز از جمله نکات مثبت این سازه ها می باشد.

علیرغم محاسن زیاد سازه های با مهار بند هم محور، شکل پذیری کم آنها موجب شده است که استفاده از آنهامحدود باشد. بدیهی است، هر گونه اصلاحی که منجر به افزایش شکل پذیری این سازه ها گردد، امکان بهره مندی از ویژگیهای مثبت آنها را فراهم خواهد کرد. در دو دهه اخیر تحقیقات و پژوهشهای گسترده ای به منظور افزایش شکل پذیری مهار بند های هم محور انجام شده است. در هریک از این تحقیقات کوشش شده است، که با اصلاح اتصالات یا تعبیه عضو شکل پذیر در مهار بندهای هم محور شکل پذیری آنها افزایش یابد. به اختصار پژوهشهای صورت گرفته در این زمینه را می توان به سه دسته تقسیم کرد:

الف- استفاده از اتصالات اصطکاکی در مهاربندهای هم محور.

ب- استفاده از غلاف به منظور افزایش بار کمانش مهاربند.

ج- استفاده از عضو شکل پذیر در محلی از مهار بند.

پژوهش های انجام شده در هریک از این روش ها، بهبود عملکرد و افزایش شکل پذیری مهار بندهای هم محور را موجب شده است. بطوریکه پژوهش در بعضی از روش ها به تولید صنعتی هم رسیده و در مقاوم سازی تعدادی از ساختمانها نیز استفاده شده اند. با این وجود غالب این روشها نیازمند تخصص و مهارتهای خاصی است که در توان پیمانکاران ساختمانی نیست و بعلاوه بعضی از این روشها از محدودیتهایی برخوردارند که استفاده از آنها به نوعی خاص از مهار بندها محدود می شود به همین دلیل موجب عدم استقبال از آنها شده است. هدف از این پایان نامه معرفی عضو شکل پذیری است که با تعبیه در مهار بندهای هم محور باعث افزایش شکل پذیری آنها گردد. ضمن برخورداری از ویژگیهای زیر:

1-نصب و تعویض آسان در انواع مهار بندهای هم محور.

2-شکل پذیری مناسب

3-عدم نیاز به مصالح و تکنولوژی خاص.

4-ارزان قیمت بودن و اجرای ساده

پس از بررسی تحقیقات انجام شده ایده  استفاده از یک المان محوری برای تعبیه در انواع مهار بندهای هم محور  مطابق شکل (1-2) پیشنهاد گردید. اگرچه قرار دادن این المان در مهاربندها برای افزایش شکل پذیری آنها انجام می شود، ولی از آن می توان به عنوان فیوز کمانش مهاربند نیز استفاده کرد. نصب یا تعویض این المانها نیازمند تخصص خاصی نمی باشد و نصب این المانها در انتهای مهاربند موجود نیز موجب افزایش افزایش شکل پذیری آنها می شود .

1-2-

همانگونه که در مقدمه اشاره گردید، نقطه ضعف مهار بندهای هم محور پائین بودن میزان شکل پذیری آنها است. این نقطه ضعف از تفاوت رفتار آنها در کشش و فشار حاصل می شود. مهاربند فشاری قبل از رسیدن به رفتار غیر الاستیک و جذب انرزی کمانش کرده و در نتیجه شکل پذیری سازه تأمین نمی شود. هدف این پایان نامه، افزایش شکل پذیری مهار بندهای هم محور می باشد که در ابتدا ایده استفاده از حلقه فولادی ساخته شده از فولاد تنش تسلیم  پائین مطرح شده و نتایج بدست آمده از آن با نتایج آزمایشگاهی  بدست آمده از حلقۀ فولادی ساخته شده از فولاد معمولی مقایسه شده است. در ادامه ایده استفاده از المان محوری مطرح شده و میزان جذب انرژی و شکل پذیری این المان مورد بررسی قرار می گیرد. ظرفیت باربری این نوع المان به گونه ای طراحی می شود که قبل از کمانش مهار بند به ظرفیت نهائی رسیده و خرابی ها را به خود محدود کند.

1-3-

مطالعات این پایان نامه با استفاده از مدل سازی عددی توسط نرم افزارهای المان محدود انجام می شود.

1-4-

در ابتدای بررسی عملکرد خمشی حلقه فولادی با استفاده از روابط مقاومت مصالح انجام می گردد و سپس عملکرد آن با نرم افزار Abaqus و در محدوده های الاستیک و پلاستیک به صورت منفرد ودر انتهای یک مهار بند قطری مطالعه خواهد شد. سپس نتایج بدست تحلیلی بدست آمده از حلقه فولادی ساخته شده از فولاد تنش تسلیم پائین با نتایج تحلیلی و نتایج آزمایشگاهی حلقه فولادی معمولی مقایسه می شود. برای المان محوری عملکرد  عضو با استفاده از روابط مقاومت مصالح و سپس عملکرد آن با نرم افزار Abaqus مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.

1-5-

مطالعات انجام شده در این پایان نامه در طی 5 فصل انجام که رئوس و مطالب آن به شرح زیر است:

کلیات: شامل کلیات پایان نامه، موضوع هدف و روش تحقیق.

مرور ادبیات فنی و مطالعات گذشته : مرور  بر تحقیقات و مطالعات انجام شده در رابطه با موضوع پایان نامه.

راستی سنجی نرم افزار.

مطالعات تئوریک: شامل تحلیل ها و نتایج تئوریک جهت بررسی شکل پذیری دو المان معرفی شده.

نتیجه گیری: شامل نتیجه گیری، پیشنهادات و مراجع پایان نامه.

1-               فصل دوم

مرور ادبیات فنی و مطالعات گذشته

1-1-

زمین لرزه پدیده ای است که باعث می شود در مدت زمانی کوتاه انرژی زیادی در زمین آزاد شود. انرژی آزاد شده باعث ایجاد تکانهای شدید در سطح بالایی زمین می گردد. با وقوع زلزله انواع مختلف موجها در جهت های  گوناگون منتشر می شود. موجهای منتشر شده باعث ایجاد حرکتهای افقی و قائم در سطح زمین می گردد که حرکت و شتاب زمین در جهت افقی بیشتر از قائم می باشد. به همین دلیل است که نیروی جانبی وارد بر سازه بیشتر از نیروی قائم وارد بر آن می باشد. با حرکت زمین پی سازه شروع به حرکت کرده و حرکت زمین را به بخشهای بالائی سازه انتقال می دهد.

بخاطر تفاوت زمانی دریافت این حرکات و جرمهای متفاوت تمام اجزای ساختمان با هم حرکت نمی کنند و نسبت به هم تغییر مکانهای مختلف دارند. این پدیده به عنوان تغییر شکل ساختمان و یا پاسخ ساختمان نامیده می شود. تغییر شکل ایجاد شده در ساختمان ایجاد تنش نموده و اگر این تنش ها از مقاومت مصالح به کار رفته بیشتر باشد باعث ترک و گسیختگی اجزای ساختمان می گردد. لازم به ذکر است هرچه پریود ساختمان به پریود زلزله نزدیکتر باشد اثرات زلزله بر روی ساختمان بیشتر است.

اگر بخواهیم برای زلزله های متوسط و شدید سازه ها را به صورت ارتجاعی تحلیل و طراحی کنیم طرح غیر اقتصادی بدست می آید. به همین دلیل از خواص مصالح در حالت غیر خطی استفاده می شود و به سازه ها اجازه داده می شود وارد مرحله غیر خطی شود که همین غیر خطی شدن ابعاد اجزاء را کاهش می دهد. در شکل (2-1) نمودار نیرو- تغییر شکل برای مصالح شکل پذیر و غیر شکل پذیر آمده است. مسأله شکل پذیری در آئین نامه های ساختمان در ضریب رفتار دیده شده است.

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

مراجع:

کمیته دائمی بازنگری آئین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله، "آئین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله، استاندارد 84-2800"، ویرایش 3، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، 1384.

2. Anil K. Chopra (2002). “Dynamics of Structures”, Hall.

3- مجتبی ازهری، رسول میر قادری(1390). " طراحی سازه های فولادی"، جلد اول،  انشارات ارکان دانش.

4. M. Farshid (1994). “ Stability of Structures”, Elsevier.

5. Pall, A.S and Marsh, C. (1982). ”Response of friction damped braced frames”, Journal of Structural Division ASCE, Vol. 108, No. ST6.

6. Avtar Pall, Serge Vezina, Pierre Proulx, and Rashmipall (1993). “Friction damper for seismic control of Canadian space agency headquarters”, J. Earthquake Spectra, Vol. 9, No. 3.

7. C.E. Grigorian, T.S. Yang, and E.P. Popov, M. EERE (1993). “Slotted bolted connection energy dissipaters”, Journal of Earthquake Spectra, Vol. 9, No. 3.

8. Egor P. Popov, Carl E. Girgorian and Tzong-Shuoh Yong (1995). “Development in seismic structural analysis and design”, J. Engineering Structures, Vol. 17, No. 3, PP. 187-197.

9. J. W. Butterworth (1999). “Seismic damage limitation in steel frames using friction energy dissipaters”, 6th International conference on steel and space structures, 2-3 September.

10. John Butterworth (2000). “Ductile concentrically braced frames using slotted bolted joints”, SESOC journal, Vol. 13, No. 1.

11. Imad H. Mualla, Borislav Belev (2002). “Performance of steel frame with a new friction damper device under earthquake excitation”, J. Engineering Structures, Vol. 24, pp. 365-371.

12. Tehranizadeh M. (2000). “Passive energy dissipation devise for typical steel frame building in Iran”, J. Engineering Structures, Vol. 23, pp. 643-655.

13. Clark W. Kasia K. Aiken I. D., Kimura I. (2000). “Evaluation of design methodologies for structures incorporating steel unbounded braces for energy dissipation”, Proceedings of the 12th world conference on earthquake engineering, Upper Hunt, New Zealand, pp. 22-44.

14- محمد قاسم وتر، علیرضا رضائیان(1381). "بهبود رفتار لرزه ای قابهای مهار بندی شده هم محور از طریق شکل پذیر نمودن آنها"، پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران گرایش سازه، دانشکده عمران دانشگاه علم وصنعت

15- فریدون اربابی، سلمان کریمی(1388). "بررسی طرح و تولید مهار بندهای کمانش ناپذیر"، پایان نامه کارشناسی ارشد، پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله.

16. Park J. , Kim J. (2009). “Cyclic test of Buckling Braces Made of Steel Rod and Hollow Steel Tube”, The 5th International Symposium on Steel Structures, p. 1062-1069.

17. Mazzolani M., Della Corte G., D Aniello M. (2009). “Exprimental analysis of steel dissipative bracing system for seismic upgrading”, Journal of Civil Engineering and Management, 15(1), pp. 7-19.

18. Della Corte G., Mazzolani M. (2006). “Full-scale test of advanced seismic upgrading techniques for RC structures”, Proceeding of the second fib congress, Naples(Italy), paper No. 0433

19. Della Corte G., Fiorino L., Mazzolani M. (2008). “Lateral loading tests on real RC building including masonry infill panels with and without FRP strengthening”, Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol. 20, No. 6.

20. Della Corte G., D Aniello M., Mazzolani M. (2009). “All-steel buckling-restrained braces for seismic upgrading of existing reinforced concrete building”, Proceeding of XXIC.T.A Conference, Bologna (Italy).

21. Korzekwa A., Tremblay R. (2009). “Numerical simulation of the cyclic inelastic behavior of buckling restrained braces”, Proceeding of international specialty conference on behavior of steel structures in Seismic Area, US.

.

22. M. R. Maheri, R. Akbari (2003). “Seismic behavior factor R for steel X-braced and knee-braced RC buildings”, Engineering Structures, Vol. 25, pp. 1505-1513.

23. Z. Rakicevic, M.Sc. & D. Jurukoshi Ph.D. (1998). “behavior factor (q-factor) for non-standard  dual steel frame structures”, 11th European Conference on Earthquake Engineering.

24. A. Roufegarinejad & S. Sabouri (2002). “Nonlinear behavior of yielding damped bracing frames”, 15th ASCE Engineering Mechanics Conference, Columbia University, New York.

25. M. Vetr (1997). “Seismic behavior analysis and design of vertical sheering”, Ph.D. Dessertation, T.U. Darmeatadt Germang.

26. Keh-Chyuan Tsai, M. EERI, Huan-Wei Chen, Ching-Ping Hang, Yang-Feng Su. (1993). “design of steel triangular plate energy absorbers for seismic resistant construction”, Journal of Earthquake Spectra”, Vol. 9, No. 3.

27. Black, G. R., Wenger, B. A., and Popov, E. P. (1980). “Inelastic Buckling of Steel Struts Under Cyclic Load Reversals.” UCB/EERC-80/40, Earthquake Engineering Research Center,Berkeley, CA.

28- محمد قاسم وتر، محمد علی کافی(1387). "بررسی آزمایشگاهی و تحلیلی تاثیر حلقه ی فولادی بر شکل پذیری مهار بند های هم محور" پایان نامه دکتری مهندسی عمران گرایش سازه، دانشکده علم وصنعت.

29. Raymond J. Roark (1990). “ Formulas for stress and strain”, Mc graw-HILL Book Company.