بهسازی لرزه ای قاب خمشی فولادی

با شکل پذیری ویژه با استفاده از میراگر ویسکوز

1-علت استفاده از میراگرها

در روش های مرسوم، ساختمان با استفاده از ترکیبی از سختی و شکل پذیری و همچنین استهلاک انرژی در برابر زلزله از خود مقاومت نشان میدهد، مقدار میرایی در این ساختمان ها بسیار کم بوده از این رو انرژی مستهلک شده در محدوده رفتار الاستیک سازه ناچیز می باشد. بنابراین در هنگام زلزله های قوی، ساختمان از محدوده رفتار الاستیک خارج شده و با تغییرمکان های چرخهای غیرالاستیک در عضوها سبب جذب و اتلاف انرژی انتقال یافته به سازه شده و مانع از انهدام سازه میشود.

در این روش به وجود آمدن مفاصل پلاستیک در برخی از نقاط خاص موجب وارد شدن خساراتی به سازه شده که در برخی موارد شدت خسارت به اندازهای است که قابل تعمیر و ترمیم نمیباشد. برای این منظور، ایده استفاده از میراگرهای انرژی در سازه به منظور کنترل ارتعاشات لرزه ای در سال 2790 با مطلاعات تحلیلی و آزمایشگاهی آقای کلی و همکارانش مطرح شد. همچنین تلاشهای انجام یافته در این زمینه و نتایج حاصله در مورد چگونگی کاربرد سیستم های جاذب انرژی، منجر به ارائه ضوابط معتبری در خصوص کاربرد این نوع سیستم ها شده است.

به طوری که انجمن مهندسین آمریکا در آیین نامه 7ASCE- ، تحلیل سیستم های میراگر را با استفاده از سه روش طیف پاسخ، نیروی جانبی معادل و روش های غیرخطی ارائه نموده و به نحوه طراحی اینگونه سیستم ها و شرایط بارگذاری لرزه ای آنها پرداخته است. این سیستم ها براساس استفاده از منابع انرژی به سه دسته کلی سیستم های کنترل غیرفعال، فعال و نیمه فعال تقسیم میشوند. در میان این سیستم ها، سیستم های کنترل غیرفعال بیشترین کاربرد را دارند، زیرا در این سیستم ها اثر میرایی بدون اعملا انرژی خارجی بر روی سیستم میراگر حاصل میگردد و عملکرد این وسایل به واسطه حرکت ناشی از زلزله صورت میگیرد که رفتاری در جهت استهلاک انرژی از خود نشان میدهند.

خدمات طراحی سازه:

2-نحوه مدل سازی میراگر ویسکوز

 برای تعریف میراگر در نرم افزار SAP2000 از یک مقطع از نوع Damper و اختصاص آن به به المان Link استفاده شده است. و همچنین برای مدل سازی میراگر ویسکوز در نرم افزار Opensees با استفاده از ماده Damper Viscous استفاده کرده و آن را به المان Link Node Two اختصاص دادهایم. برای صحت سنجی نحوه مدل سازی میراگر ویسکوز و تحلیل انجام شده یک قاب یک دهانه در نرم افزار SAP و همچنین در نرم افزار Opensees مدل شده و به مقایسه پاسخ ها پرداخته شده است. مشخصات سازه مدل شده در شکل |1 |نشان داده شده است.

مشخصات مقطع برای ستونهای این مدل BOX200x200x20 و برای تیر آن از IPE160 استفاده شده است. در این مدل تحت بار گسترده mm/KN 05.0 قرار گرفته و زمان تناوب مدل برابر s 8.0=T بدست آمده است و همچنین مدل سازه تحت رکورد زلزله کوبه با ضریب مقیاس 5.0 قرار گرفته و تحلیل تاریخ چه پاسخ بر روی سازه انجام شده است. همانطور که در شکل |2|و شکل |3|مشخص است پاسخ های سازه در هر دو نرم افزار بر هم انطباق داشته که این امر صحت مدل میراگر ویسکوز را دارد.

3–طراحی و مدل سازی سازه

در این مقاله برای طراحی سه سازه فولادی با طبفات 6 ، 8 و 12 طبقه با شرایط پلان منظم تحلیل و طراحی شده است. به این صورت که ابتدا سازه های مورد بررسی را در نرم افزار SAP2000 مدل سازی کرده و در انتهای قاب از مدل انتخاب شده و وارد نرم افزار Opensees شده است. همانطور که در شکل |4 |نشان میدهد در چهار طرف بیرونی سازه از قاب خمشی استفاده شده است و تمام قاب های درونی همگی ثقلی بوده و تمام اتصالات تیر به ستون از نوع مفصلی میباشد. قاب های پیرامونی در دو دهانه وسط به صورت خمشی بوده و در دهانه های کناری از نوع قاب ساده میباشد.

 در بررسی سازه های دارای میراگر، میراگرها در دهانه های کناری که از نوع قاب ساده هستند قرار گرفته اند. شرایط پلان سازه به صورت منظم و متقارن میباشد و ارتفاع کلیه طبقات 4 متر بوده و طول هر دهانه 6 متر میباشد. منطقه مورد مطالعه شهر لس آنجلس در آمریکا میباشد که مشخصات آن از طریق آیین نامه 10-ASCE7 بدست آمده است که مشخصات منطقه در جدول |1 |نشان داده شده است.

4- طراحی سازه ها

1-4-طراحی سازه بدون میراگر

سازه های بدون میراگر با 100 %برش پایه سازه طراحی میشوند. در این سازه ها جابجایی نسبی طبقات کنترل شده و همچنین طراحی آنها بر اساس آیین نامه 341 AISC رعایت شده است.

2-4-طراحی سازه با میراگر ویسکوز

برای طراحی سازه های دارای میراگر از روابط ارائه شده در آیین نامه 10-7 ASCE استفاده شده است. برای مشخصات میراگر از جمله ضریب میرایی و سختی المان فنر، ابتدا باید یک چیدمان مناسی برای میراگر انتخاب نمود و از آن ضریب بزرگنمایی را محاسبه کرد. چپیدمان میراگر برای سازه مورد مطالعه به صورت قطری میباشد.

در محاسابه ضریب میرایی برای رسیدن به جواب دقیقتر مخصوصا در سازه های با ارتفاع زیاد علاوه بر جابجایی افقی باید جابجایی عمودی نیز لحاظ شود. در جدول|2 |ضرایب بزرگنمایی برای انواع نشان داده شده است. و در جدول |3 |خلاصه مشخصات سازه مییاشد.

با توجه به اینکه سازه های دارای میراگر حدود 7 کیلوگرم در هر متر مربع سبکتر از سازه های اصلی طراحی شده اند پریودهای آنها بزرگتر از سازه بدون میراگر بدست آمده است.

یکی از نکاتی که باید به آن توجه کرد این است که پریود سازه سه بعدی با پریود سازه دو بعدی باید برابر باشد زیرا پریود بر رفتار میراگر تاثیرگذار است و دلیل اینکه تمام اتصالات داخلی به صورت مفصلی انتخاب شد نیز همین مسئله بود که قاب های داخلی تنها باربری ثقلی داشته و تاثیری بر مقاومت جانبی نداشته باشند تا هم پریود سازه دو بعدی برابر سازه سه بعدی شود و هم تاثیر قاب های داخلی از آنلایز دینامیکی افزاینده حذف گردد تا جواب بدست آمده توسط قاب در Opensees از دقت کافی برخوردار باشد

 برای کنترل پاسخ سازه های طراحی شده از روشی که در آمده است استفاده میگردد. به این ترتیب که سازه دارای میراگر را یک بار با میراگر و بار دیگر بدون میراگر و با میرایی معادل تحت آنلایز تاریخچه زمانی قرار داده و پاسخ های بدست آما ده را کنترل مینماییم در واقاع این روش نشان میدهد که میراگر طراحی شده توانایی ایجاد میرایی مورد نظر را دارا می باشد. دو رکورد مورد استفاده در این بخش شامل Northridge Hills Beverly و Fernando San میباشد که به طیف DBE مقیاس شدهاند. در شکل|5 |تاریخچه پاسخ سازه 6 طبقه با میراگر و سازه با میرایی معادل نشان داده شده است.

همانطور که شکل|5 |نشان میدهد پاسخ بدست آمده از سازه با میراگر خطی تقریبا بر روی پاسخ بدست آمده از سازه با میرایی معادل افتاده است که این نشان از کارکرد صحیح میراگر و ایجاد میرایی هدف توسط آن میباشد.

5-ساخت مدل دو بعدی غیر خطی با نرم افزار Opensees

برای مدل کردن رفتار غیرخطی تیر و ستونها از مدل پلاستیسته متمرکز در نرم افزار Opensees استفاده شده است. همچنین برای لحاظ کردن زولا سختی و مقاومت از مدل اصلاح شده ایبارا کراوینکلر برای فنرهای پیچشی استفاده گردیده است.شکل|6|

افزاینده، 22 جفت رکاورد حوزه دور میباشد که در آییننامه FEMA آورده شده است. شاخص فروریزش در این مقاله دو معیار زیر می باشد.شکل |7 و 8|

1. وقوع شیبی برابر 02 % شیب الاستیک اولیه در نمودار
2. IDA-فراتر رفتن حداکثر تغییر مکان نسبی بین طبقهای از مقدار1/0

7-نتیجه گیری

نتیجه گیری بدست آمده از این مقاله به صورت زیر ارائه میگردد

1.  در مقایسه احتملا فروریزش سازه های دارای میراگر در مقابل سازه های بدون میراگر مشاهده شد که با استفاده از میراگر احتمالا فروریزش کاهش مییابد این در حلای است که در سازه های کوتاه مرتبه تحت رکوردهای زلزله حوزه نزدیک عکس این نتیجه بدست آمده است
2. در طراحی میراگر و بدست آوردن مشخصات آن، چون که ارتفاع سازه ها زیاد میباشد لازم است تااثیر جابجاییهای قائم موجود در دو انتهای میراگر مد نظر قرار گرفته شود
3. نتایج حاصل از آنلایز دینامیکی افزاینده بر روی سازه ها نشان داد که با افزایش ارتفاع سازه احتملا فروریزش در 50 % رکوردها در Sa کوچکتری اتفاق میافتد. در واقع تحت زلزله های حوزه دور با افزایش ارتفاع و متعاقبا افزایش اثر Delta-P احتملا فروریزش سازه افزایش مییابد
4. برای مدل سازی میراگر ویسکوز در Opensees از المانی که به تازگی توسط لیگنوس ساخته شده است. بارای صحت سنجی مدل استفاده شده، با ایجاد یک مدل در SAP و Opensees به بررسی عملکرد این المان پرداخته و مشاهده شد که نتایج بدست آماده از SAP با Opensees کاملا تطابق دارد
5. سازه های دارای میراگر که ابتدا با 75 % برش پایه طراحی شده و در ادامه برای نیروهای بدست آمده از آیین نامه 10-7 ASCE کنترل شدهاند، حدود 7 کیلوگرم در هر متر مربع از سازه بدون میراگر سبک تر طراحی شده است.