امروزه بخش عمده ای از طراحی لرزه ای در آیین نامه ها براساس روش استاتیک معادل وتعیین برش پایه طراحی از طیف خطی می باشد. برای تعیین برش پایه طراحی از ضرایب به نام ضریب اصلاح رفتار و یا ضریب رفتار استفاده می شود. این ضریب در واقع اعمال کننده فلسفه طراحی لرزه ای می باشد. با تغییرکوچکی در این ضریب برش پایه می تواند به مقدار زیادی تغییرکند. در آیین نامه های کنونی این ضریب بیشتر براساس قضاوت مهندسی تعیین شده است و لزوم تبین علمی این ضریب احساس می شود. در این پایان نامه، ابتدا روش تعیین ضریب رفتار سازه بررسی شده و سپس چندین قاب فولادی با تعداد دهانه و طبقات گوناگون با سیستم قاب خمشی، قاب مهاربندی شده هم محور، قاب دوگانه خمشی همراه با بادبند هم محور تحت یک تحلیل رانشی استاتیک قرارگرفته و ضریب رفتار آنها محاسبه شده است
مطالعه رفتار دینامیکی ساختمانهای طرح شده با مهار بندی های هم مرکز و خارج از مرکز
مهاربندهای فولادی کاربرد روز افزونی دراحداث سازه های ساختمانی و صنعتی دارند. در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در مورد عملکرد و رفتار این نوع سازه ها در حالت های ارتجاعی و خمیری انجام شده است که نتایج حاصل در بهبود ضوابط طراحی و چگونگی اجرای آنها موثر بوده است. اخیراً کاربرد مهاربندهای خارج از مرکز با توجه به رفتار لرزه ای مناسب آنها در سازه ها توصیه می شود. در این پایان نامه ابتدا مطالعات انجام شده در مورد نحوه عملکرد قابهای فولادی، مرور شده و در نهایت بمنظور مطالعه رفتاری و اقتصادی قاب های با مهاربندی هم مرکز(CBF) و خارج از مرکز(EBF)، سه ساختمان بامهاربندی CBF و EBF طراحی شده و سپس با تحلیل های استاتیکی و دینامیکی غیرخطی مورد بررسی قرارگرفته اند.
نتایج نشان می دهد که قابهای EBF سبکتر از قابهای CBF می باشند و در ضمن قابهای EBF با توجه به قابلیت اتلاف انرژی مناسب خود در کلیه طبقات، می توانند انرژی زلزله را بطور مناسب، پایدار و یکنواخت تلف نموده بطوریکه تغییرمکان نسبی طبقات آنها با وجود سختی کم این نوع قابها نسبت به قابهای CBF تفاوت چندانی با این قابها نداشته و در عین حال نیز که حالت یکنواخت تری را دارند.در این پایان نامه ابتدا سه نوع ساختمان با تعداد طبقات 5 و 10 و 15 با سیستم قاب فضائی ساده که سیستم باربر جانبی آنها در یک مرحله مهاربند CBF و در مرحله بعدی مهاربند EBF می باشند انتخاب شده و براساس مقاطع موجود درایران طراحی شده اند و سپس تحلیل های استاتیکی غیر خطی و دینامیکی غیر خطی تحت شتابنگاشت های مختلف با بیشینه شتاب های مختلف قرارگرفته اند.
نتایج حاصل از طراحی ها و تحلیل ها بیانگر آن است که:
پروفیل های IPE موجود درایران با توجه به طول تیر پیوند در نظر گرفته شده ومقادیر کم سطح بال به نسبت سطح جان ملزومات طراحی را جوابگو نبوده و به عنوان تیر پیوند قابل استفاده نمی باشند. از نظر وزنی یک قاب لرزه بر EBF نسبت به قاب مشابه CBF بطور متوسط 20 درصد سبک تر بوده و در قیاس با وزن کل اسکلت ساختمان، سازه EBF بطور متوسط 5 درصد سبک تر از سازه CBF می باشد.با توجه به نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی قابها ملاحظه می شود که قابهای CBF بعد از جاری شدن نسبت به قابهای EBF بطور قابله ملاحظه و ناگهانی سختی خود را از دست می دهند.
ضریب تنش مجاز قابهای CBF بیشتر از قابهای EBF بوده در حالی که شکل پذیری قابهای EBF بیشتر از CBF می باشد. توزیع شکل پذیری در طبقات قاب EBF بطورکلی مناسب تر و یکنواخت تر می باشد. از طرف دیگر با بررسی های چرخه های پسماند قابهای CBF و EBF ملاحظه می شود که چرخه های EBF پایدارتر و یکنواخت تر و دارای قابلیت اتلاف انرژیبهتر و توزیع مناسب تر در طبقات نسبت به قاب CBF می باشد. در ضمن جذب انرژی در طبقات فوقانی قابهای EBF کمتر از بقیه طبقات است.
نتایج نشان می دهد که اولاً با توجه به سختی بیشتر قابهای CBF نسبت به EBF ملاحظه می شود که قابهای CBF در اثر شتابنگاشتهای مختلف نیروی بیشتری وارد شده است و از طرف دیگر به علت قابلیت جذب انرژی بیشتر قاب های EBF در شتابنگاشتها با بیشینه شتابهای مختلف این قابها تغییر مکان کمتری نسبت به قابهای CBF دارند. ثانیاً با افزایش شتاب ورودی در سازه های EBF مفاصل پلاستیک، اکثراً در تیرهای پیوند بوجود می آید در حالی که در سازه های CBF مفاصل پلاستیک در ستونها و مهاربندی ها بوجود می آید که در نهایت کل سیستم باربر جانبی خسارت می بیند. ثالثاً ضوابط آئین نامه ای طرح قاب EBF تضمین کننده بوجود نیامدن مفصل پلاستیک در عضوهای غیر از تیر پیوند نمی باشد. رابعاً در قابهای EBF با ارتفاع زیاد مفاصل پلاستیک در تیرهای خارج از پیوند در طبقات فوقانی تشکیل شده است که بنظر می آید که تیرهای پیوند طبقات فوقانی قاب EBF باید برای نیروی بیشتر طراحی گردند.
تأثیر رفتار غیر خطی سازه ها در توزیع نیروی برشی و لنگر واژگونی طبقه تحت چند مولفه زلزله
توزیع نیروهای زلزله در ارتفاع در آیین نامه های طراحی در برابر زلزله براساس رفتار خطی، مود اول و منظم بودن سازه است و برای در نظر گرفتن اثر مودهای بالا در سازه های با دوره تناوب بالا از نیروی شلاقی استفاده می شود. در صورتی که در نظرگرفتن مواردی چون رفتار غیر خطی سازه ها، چند مؤلفه زلزله، پانل های پرکننده با مصالح بنائی، بیشینه شتاب زلزله و بیشینه سرعت زلزله می توانند در توزیع نیروی برشی و لنگر واژگونی طبقات تأثیر بگذارند.
در این تز(مطالعه) ابتدا با جمع آوری تحقیقات انجام شده در زمینه های تأثیر چند مؤلفه زلزله با رفتار سازه ها، پارامترهای مؤثر در تحلیل غیر خطی سازه ها( سختی، میرایی، پانل های پرکننده با مصالح بنائی) و دیدگاه آیین نامه های جهان در رابطه با تحلیل سازه ها تحت ند مؤلفه زمین لرزه، توزیع نیروی برشی و لنگر واژگون طبقات مورد بررسی قرارگرفته است. سپس جهت بررسی عوامل مؤثر در توزیع نیروی برشی و لنگر واژگونی طبقات برای مدلهای مختلف سازه ای فولادی(خمشی، بادبندی X وK و خمشی با پانل های پرکننده) تحلیل دینامیکی(خطی و غیر خطی) تحت شتابنگاشتهای طبس، ناغان و اسلام و ال سنترو انجام شده و با توزیعی که آیین نامه ایران مطرح کرده مقایسه شده است.
با توجه به بررسی انجام شده در این مطالعه نتیجه شده است که سازه ها با افزایش بیشینه شتاب زلزله رفتار غیر خطی بیشتری نشان می دهند که باعث تغییر توزیع نیروی برشی و لنگر واژگون طبقات سازه ها می شود. مؤلفه گهواره ای زلزله ها باعث افزایش نیروی برشی و لنگر واژگون طبقات سازه ها می شود. همچنین در نظرگرفتن پانل های پرکنند با مصالح بنائی می تواند باعث افزایش نیروی برشی و لنگر واژگونی طبقات پایینی سازه ها شود.
آزمایش ارتعاش اجباری برروی ساختمان جدید مؤسسه و اثر دامنه نیروی ورودی بر فرکانسهای طبیعی آن
خصوصیات دینامیکی سازه ها از قبیل پریودهای طبیعی ارتعاش، شکل مودهای ارتعاشی و میزان میرایی در ردیف مهمترین عوامل هستند که نحوه رفتار سازه را در برابر زلزله مشخص می کنند. در مورد مدلهای ریاضی و تئوری با توجه به اینکه در آنها از فرضیات ساده کننده استفاده می شود و از اثر اجزاء غیر سازه ای صرفنظر می گردد و همچنین با توجه به اینکه میزان میرایی در سازه ها به نوع مصالح مصرفی و روش ساخت بستگی دارد باید دقت این مدلها را از طریق آزمایشهای لرزه ای برروی سازه ها بررسی کرد. جهت بررسی میزان هماهنگی نتایج بدست آمده از تحلیل مدلهای ریاضی و تئورتی با آزمایشهای واقعی، ساختمان جدید مؤسسه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله ابتدا به صورت ریاضی و تئورتی تحلیل شده است و سپس تحت آزمایش تحریک سینوسی پایا قرارگرفته است.
برای این منظور از یک دستگاه لرزاننده که قادر به اعمال یک نیروی سینوسی در ساختمان توسط لرزاننده تحریک شده است رکوردهای پاسخ طبقات ساختمان به دست آمده اند و بعد از پردازش رکوردها و از بین بردن نوفه های آنها طیفهای فرکانس- پاسخ در هر طبقه رسم گردیده اند. با توجه به این طیفها و نیز با توجه به نسبت دامنه ها واختلاف فاز شتابنگارها درهر فرکانس تشدید مودهای تغییرشکل ساختمان رسم شده اند و همچنین مقادیر میرایی مودی برای هر مود با استفاده از روش پهنای نوار در طیفهای پاسخ بدست آمده اند. نتایج به دست آمده از تحلیل و آزمایش با هم مقایسه شده اند و سعی شده است که مدل ریاضی به گونه ای اصلاح شود که نتایج حاصل از آن با نتایج حاصل از آزمایش تطابق داشته باشد. در ابتدا در مدل کامپیوتری از اثر سختی میانقابها صرفنظر شده بود لذا بین نتایج مدل کامپیوتر ی و آزمایش اختلاف بسیار قابل ملاحظه ای به دست آمد.
بعد از آنکه سختی میانقابها در مدل کامپیوتری اثر داده شد نتایج حاصل از تحلیل کامپیوتری و آزمایش بهم نزدیکتر شده و تطابق بیشتری با هم داشتند. با توجه به اینکه آزمایشها بسته به شرایط، تحت اثر نیروهای مختلف انجام شده اند اثر دامنه نیروی ورودی بر فرکانسهای تشدید بررسی شده و مشخص گردیده که مقدار فرکانسهای تشدید مستقل از مقدار نیروی ورودی می باشد. مطلبی که از مقایسه نتایج آزمایش با مدل کامپیوتری مشخص می شود این است که میانقابها در رفتار سازه دارای نقش اساسی هستند و باید سختی آنها را در تحلیلهای کامپیوتری در نظر گرفت.
علاوه بر آن نتایج آزمایش برروی ساختمان عدم صلبیت و انعطاف پذیر بودن کف را نشان می دهد و این بر خلاف فرضیات به کار رفته در مدل کامپیوتری می باشد. قبل از اینکه میان قابها در مدل کامپیوتری اضافه شوند نتایج از حاصل از تحلیل کامپیوتری نشان داد که در فرکانس 98/1 هرتز در ساختمان پیچش بوجود می آید اما بعد از اینکه اثر میانقابها در مدل کامپیوتری اضافه شد در محدوده فرکانسی 0/12-0/0 هرتز پدیده پیچش مشاهده نشد و این موضوع توسط نتایج آزمایش هم تأیید گردید به این ترتیب که در محدوده فرکانسی مورد آزمایش در ساختمان پیچش بوجود نیامد.
بررسی رفتار ستونهای قوطی فولادی پرشده با بتن تحت بارگذاری جانبی زلزله در ساختمانهای بلند
با توجه به کاربرد روزافزون ستونهای قوطی پرشده با بتن در ساختماهای بلند و عملکرد مناسب این ستونها در برابر زلزله از یک طرف و لرزه خیزی اکثر مناطق کشور از طرف دیگر سعی شده است در این مطالعه رفتار این ستونها در برابر بارگذاری جانبی زلزله بررسی شود. در این مطالعه علاوه بر بررسی رفتار خمشی این ستونها در برابر ترکیب بارگذاری ثقلی و جانبی سیکلیک رفتار برشی آنها نیز بررسی شده است. با توجه به اهمیت شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی اعضا سازه ای در برابر زلزله، این مقادیر نیز به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با توجه به لزوم پیوستگی و هماهنگی فولاد و بتن در مقاطع مرکب، چسبندگی و پارامترهای مؤثر بر مقاومت چسبندگی در ستونهای مرکب نیز مورد بررسی قرارگرفته است.
روشی سازگار با آیین نامه های معتبر برای طراحی ستونهای قوطی پرشده با بتن در هر دو حالت ستون کوتاه و ستون لاغر نیز ارائه گشته است. نشان داده شده است که ستون که ستون قوطی پرشده با بتن علاوه بر مقاومت و رفتار خمشی و برشی مطلوب شکل پذیری خوبی داشته و از ظرفیت جذب انرژی قابل توجه ای نیز برخوردار است.
به علاوه از روند طراحی ساده ای برخودار بوده و برای طراحی دفتری کاملاً مناسب است. خصوصیات فوق ستونهای قوطی پرشده با بتن را به صورت اعضا سازه ای بسیار مناسب و ممتاز برای ساختمانهای بلند در مناطق زلزله خیز معرفی می کند. رفتار خمشی و شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی ستونهای قوطی پرشده با بتن، در فصول دوم و سوم مورد بررسی قرارگرفته است و نشان داده شده است که این مقادیر به پارامترهای زیادی منجمله نسبت عرض به ضخامت ورق فولادی، ضریب لاغری ستون، طول پرشدگی بتن در ستون ، نوع بتن و فولاد، تعداد سیکل بارگذاری، بار محوری، گل میخ برشگیر بر پوسته فولادی بستگی داشته و نحوه ارتباط آنها نیز بررسی شده است.
با توجه به ضخامت قوطی فولادی در ستون مرکب، این ستونها معمولاً ظرفیت برشی بسیار بالایی از خود نشان داده و عمدتاً در مورد خمشی گسیخته می شوند. رفتار برشی ستونهای قوطی پرشده با بتن در ستونهای کوتاه که در آنها برش بیشترین تأثیر را دارد، در فخصل پنجم مورد مطالعه و بررسی قرارگرفته است و نشان داده شده است که حتی در این حالت نیز ستونهای قوطی پرشده با بتن، از نظر برشی رفتار بسیار مناسب از خود نشان می دهند. با توجه به فرم سازگاری کرنشها در نقاط تماس بتن و فولاد، چسبندگی بین فولاد و بتن در ستونهای مرکب در فصل چهارم بررسی شده است و نحوه تأثیر پارامترهایی چون سن بتن سایز، دما، شرایط نگهداری بتن و انقباض بر مقاومت چسبندگی مشخص شده است.
در فصل ششم، سعی شده است روش برای طراحی ستونهای قوطی پرشده با بتن،ارائه شود که علاوه بر هماهنگی با آیین نامه های معتبر، برای طراحی دفاتر مهندسی کاملاً عملی و مناسب باشد. بدین منظور روش گام به گام طراحی ستون قوطی پرشده با بتن در دو حالت ستون کوتاه و ستون لاغر آورده شده است و نشان داده شده است که با استفاده از ستون قوطی فولادی پرشده با بتن در مقایسه با قوطی فولادی از تغییرمکان جانبی کمتر و شکل پذیری بیشتری برخوردار بوده و رفتار لرزه ای مناسبتری از خود نشان می دهند. در بخش پایانی علاوه بر جمع بندی و نتیجه گیری کلی از مطالب ارائه شده در فصول قبل ، نیازهای پژوهشی آینده نیز ارائه گردیده است.
طراحی لرزه ای ساختمانهای فولادی بلند با استفاده از جاذبهای انرژی ویسکوالاستیک( VEP)
میراگرهای ویسکو الاستیک در بسیاری از کشورها همچون ایالات متحده، ژاپن، تایوان، مورد آزمایش واقع شده اند و در تعدادی از ساختمانهای بزرگ همچون مرکز تجارت جهانی نیویورک، کلمبیا سنتر، برج دوقلوی سی ونت و... به صورت موفقیت آمیزی مورد استفاده واقع شده اند. در ابتدا از این میراگر جهت مقابله با باد استفاده می شده است، اما با تحقیقات حاصله در طول سالیان اخیر، استفاده از این میراگرها در ساختمانها جهت مقابله با زلزله نیز مورد توجه واقع شده است. تحقیقات نشان می دهند که خواص مکانیکی این میراگرها وابستگی شدید به دما، فرکانس بارگذاری و کرنش برشی دارند.
این مطالعه جهت بررسی رفتار لرزه ای ساختمانهای مجهز به میراگر صورت گرفته استف بدین منظور ساختمان 22 طبقه فلزی که به صورت ساختمان مقاوم خمشی در شرایط ایران طراحی گردیده است، یکبار جهت مقاوم سازی مجهز به میراگر گردیده است و یکبار با کاهش مقاطع( طرح جدید) به میراگر مجهز گردیده است و رفتار ساختمانهای مزبور در تحلیل خطی و یک قاب از آنها در تحلیل غیر خطی، تحت اثر زلزله های با محتوای فرکانسی متفاوت مورد بررسی واقع شده اند. نتایج نشان می دهند که به گارگیری میراگر باعث کاهش قابل توجه پاسخ ( خصوصاً تغییر شکلها)می گردد و احتمالاً اثر مودهای بالاتر کاهش می یابد و در ساختمان طرح جدید حدود 5/16% کل فولاد، صرفه جویی گردیده است.
در بررسی اثر دما بر عملکرد میراگر و پاسخ سازه ، نتیجه گرفته شد که افزایش دما باعث کاهش جدب انرژی در میراگرهای گردیده و نتیجتاً افزاییش پاسخ را نیبت به دماهای پایین به دنبال دارد. همچنین مشاهده گردید که به کارگیری میراگرها در کاهش نیاز شکل پذیر تیرها مؤثر بوده و باعث کاهش قابل توجه این نیاز می گردند. نتایج این مطالعه نشان می دهند که انرژی پسماند سازه به علت رفتار غیر خطی اعضاء، در اثر استفاده از میراگر کاهش چشمگیری داشته است و مفمصلهای پلاستیک تحت اثر دو زلزله طبس و ال سنترو کاهش چشمگیری داشته اند. نتایج این مطالعه نشان می دهند که به گارگیری روشهای طراحی میراگر براساس کنترل میرایی مودی، برای ساختمانهای بلند احتمالاً نامناسب بوده و نتایج غیر اقتصادی به همراه دارد.
مقایسه روشهای خطی و غیر خطی در تعیین آسیب پذیری سازه های موجود
تعیین آسیب پذیری و مقاوم سازی سازه های موجود فصلی است که تقریباً به تازگی ودر دو دهه اخیر مطرح سده و به سرعت پیشرفت کرده است. بسیاری از سازه های موجود ارزش فراوانی داشته و یا به علل مختلفی نمی توان آنها را تخریب کرد و مجدداً ساخت، به همین دلیل نیز باید به مقاوم سازی آنها پس از تعیین نقاط ضعفشان پرداخت. به طور کلی دو روش خطی و غیر خطی در تعیین آسیب پذیری ساختمانها در زلزله وجود دارد. استفاده از روشهای غیر خطی مستلزم صرف زمان و هزینه های زیادی است و از آنجا این برنامه های به بررسی دوبعدی قابهای ساختمان می پردازند، درسازه های با پلان نامنظم که تحت پیچشهای بزرگ قرار دارند ارزیابی با این روشها دقیق نمی باشد.
اما روشهای خطی با وجود اینکه رفتار واقعی و الاستوپلاستیک سازه را در نظر نمی گیرند به واسطه نداشتن محدودیت در ابعاد ساختمان سهولت وسرعت در مدلسازی آشنایی کلیه مهندسین با این روشها، امکان تهیه مدل سه بعدی و ملحظ نمودن پیچشها دارای مزایای بسیاری هستند.
هندبوک ATC22 با ارائه ضرائب و تمهیدات خاصی به ارزیابی خسارت پذیری ساختمانهای موجود با استفاده ازروشهای خطی می پردازد که در این پایان نامه با مدلسازی ساختمان جدید موسسه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله به مقایسه روش خطی ATC22 با روش غیر خطی پرداخت شده است. مدلسازی خطی با برنامه SAP90 و آنالیز غیر خطی نیز توسط برنامه DRAIN 2D پرداخته شده است.
مقایسه کلیه نتایج در جداول و نمودارهای فصل آخر آورده شده و با توجه به تطابق خوب نتایج دو روش با یکدیگر می توان نتیجه گیری کرد که در تعیین آسیب پذیری ساختمانهای معمولی در زلزله استفاده از روشهای خطی نیز امکان پذیر بوده و نسبت به روشهای غیر خطی سرعت و قابلیتهای بیشتری دارد. البته این مسئله بدین معنی نیست که روشهای خطی نتایج دقیقتری نسبت به روشهای غیر خطی ارائه می کند زیرا همانطور که قبلا نیز اشاره شد بهترین روش مدلسازی رفتار واقعی و الاستو پلاستیک سازه هنگام زلزله می باشد که این امر تنها با آنالیز غیر خطی امکان پذیر بوده و روشهای خطی تنها به واسطه سهولت و عدم محدویت درمدلسازی توصیه می گردند.
در این مقایسه و در فصل نتایج با نشان دادن المانهایی که در هر دو روش به عنوان ضعیف شناخته شده اند روی شکل شماتیک قاب، ملاحظه می شودکه تعداد المانهای بادبندی بیشتری در روش خطی دچار ضعف شده اند که این مطلب نشانگر اثرات پیچش در آنالیز خطی می باشد. همچین نمودار مقایسه پوش تغییرمکان طبقات نیز تغییرمکانهای بزرگتری را در روش خطی نشان می دهد که با توجه به قرارگرفتن قابهای تحت بررسی در روش غیر خطی روی محیط پلان، می توان این موضوع را به لحاظ شدن اثرات پیچش در روش خطی نسبت داد چراکه بیشترین تغییرمکان ها در اثر پیچش در دورترین نقطه از مرکز سختی اتفاق می افتد.
