دانلود مقاله ارشد عمران فاصله مورد نیاز ساختمانهای با قاب خمشی فولادی، به منظور جلوگیری از برخورد در حین زلزله،با تحلیل غیر خطی به روش ارتعاشات تصادفی
فصل اول
معرفی درز انقطاع وپارامترهای موثر بر آن
1ـ1ـ مقدمه
در هنگام زلزله در اثر حرکات زمین، ساختمانها تحت نیروهای دینامیکی قرار میگیرند و به ارتعاش در میآیند. در ساخت و سازهای شهری به مواردی برخورد میکنیم که ساختمانهای مجاور به هم چسبیده و یا با فاصله کم از یکدیگر قرار دارند. این سازهها بدلیل اختلاف خواص دینامیکی در یک جهت معین دارای زمان تناوبهای مساوی نمیباشند. تفاوت زمان تناوب در سازه باعث اختلاف در واکنشهای آنها نسبت به شتاب زمین خواهد شد و در نتیجه با توجه به تعییر مکانهای آنها در لحظات مختلف، در طول زلزله دو سازه گاهی به هم نزدیک و گاهی از هم دور خواهد شد. و اگر فاصله دو سازه به اندازه کافی بزرگ نباشد، در هنگام زلزله ممکن است با یکدیگر برخورد کرده و ضربهای به همدیگر وارد نمایند برای جلوگیری از این رخداد باید فاصله بین ساختمانهای مجاور قرار داده شود تا از برخورد آنها جلوگیری گردد، این فاصله را درز انقطاع گویند. در این پایان نامه درز انقطاع بین دو سازه با روش ارتعاشات تصادفی و فرض رفتار غیر خطی اعضاء محاسبه و اثر پارامتر های مختلف بر روی آن بررسی می شود.
ابتدا نیروی تنهای تعریف میشود. سپس، مطالبی در مورد اهمیت مسئله ذکر شده و استفاده از درز انقطاع به عنوان یکی از راهکارهای کاهش نیروی تنه ای معرفی میگردد. در فصل دوم تاریخچه نسبتاً مفصلی از تحقیقات صورت گرفته در طی سالیان گذشته برای تعیین درز انقطاع ارائه میگردد. در فصل سوم مدل تحلیلی مورد استفاده در تعیین پاسخ تغییر مکانی سازه معرفی و روش تحلیل به همراه توضیحات کامل در مورد فرضیات به کار گرفته شده ارائه میگردد. در فصل چهارم فاصله لازم بین مدلهای سازه ای مورد نظر با روش ارتعاشات پیشا محاسبه شده واثر پارامترهایی مثل زمان تناوب، میرایی، جرم و رفتار خطی و غیرخطی اعضاء سازه روی این فاصله بررسی میگردد. در فصل پنجم رابطه ای برای تعیین درز انقطاع با در نظر گرفتن رفتار غیر خطی اعضاء سازه ارائه میشود و با روابط آیین نامه های مختلف مقایسه می شود. در فصل هفتم نتایجی که از این تحقیق بدست آمده در قالب پیشنهاداتی ارائه می گردد.
نتایج نشان می دهند که با نزدیک شدن زمان تناوب دو سازه و همچنین افزایش میرایی، فاصله لازم برای درز انقطاع کاهش می یابد. همچنین درز انقطاع محاسباتی بر اساس استاندارد 2800 ایران برای سازه های تا 7 طبقه، کمتر و برای سازه های بیشتر از 7 طبقه، بیشتر ازمقدار بدست آمده بر اساس آیین نامه IBC2006 و روش استفاده شده در این تحقیق می باشد.
1ـ2ـ نیروی تنهای و اهمیت آن
مقصود از نیروی تنهای (Pounding) نیروی حاصل از برخورد ساختمانها در هنگام زلزله می باشد. در بسیاری از زلزلههای بزرگ گذشته در اکثر کلان شهرهای موجود در سراسر دنیا، خرابی ناشی از نیروهای تنهای مشاهده شده است. بحث نیروی تنهای (Pounding) یکی از رایجترین و مرسوم ترین پدیدههای است که در خلال زلزلههای شدید قابل رویت است. نیروی تنهای میتواند باعث ایجاد خسارتهای سازهای و معماری در ساختمان شده و بعضاً باعث ریزش کلی ساختمان میگردد.
در خلال زلزله 1985 مکزیکوسیتی حدود 15% از 330 ساختمان تحت اثر نیروی برخورد (تنهای) تخریب شدند. همچنین در خلال زلزله 1989 لوماپریوتا، تا حدود 200 مورد شکل گیری نیروی تنهای مشاهده گردید. در این زلزله حدود 79 درصد از ساختمانها دچار تخریب معماری شدند ]1[.
در طی زلزله 1964 آلاسکا[1] برج هتل آنچوراگ وستوارد[2] دراثر برخورد با قسمتی از یک سالن رقص سه طبقه مجاور هتل، تخریب شد. همچنین، خرابی های ناشی از نیروی تنه ای در زلزله های 1967 ونزوئلا3 و 1971سانفرناندو4 نیز مشاهده گردید]2[.
از طرف دیگر برخورد بین عرشهها وپایههای کناری پلها در طی زلزله 1971 سانفرناندو مشاهده شد. در سال 1995در اثر زلزله هایاکو کن نانبو5 در ژاپن حرکت طولی المانهای پل هان شین[3] تا 3/0متر نیز رسید. از این زلزله به بعد تحقیقات اساسی بر روی نیروی تنهای شکل گرفت]2[.
جنبههای اساسی تحقیقات انجام گرفته در زمینه نیروی تنه ای شامل موارد زیر میباشد:
1- بررسی خسارتهای ایجاد شده در گذشته، شناخت و ارائه راهکارهای مقابله با این پدیده مبهم و پیچیده
2- تلاش جهت درک دینامیکی نیروی تنهای (عمده رفتار نیروی تنهای بصورت غیر خطی میباشد)
3- تلاش برای فراهم کردن یکسری ضوابط طبقهبندی شده جهت آموزش به مهندسین و کاربرد آنها در آیین نامهها معتبر
4- کاهش خسارتهای ناشی از نیروی تنهای به کمک روشهای مرسوم
نکته مهم اینکه نیروی تنهای بین دو ساختمان یکی از پیچیدهترین پدیدههایی است که منجر به شکلگیری تغییر شکلهای پلاستیک و همچنین گسیختگیهای موضعی و کلی میگردد. در دهههای گذشته روشهای مختلفی جهت کاهش نیروی تنهای توسط محققین مختلف معرفی شده است که از مهمترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
1- قرار دادن ساختمانهای جدید در فاصله مناسب از ساختمانهای قبلی (رعایت درز انقطاع)
2- متحد کردن پاسخ دو سازه از طریق یکسری فنرهای ارتباطی
3- استفاده از دیوارهای ضربه گیری (Bomber wall)
4- پر کردن فاصله ساختمانها با ملاتهای ضربه گیر
5- تعبیه عناصر مقاوم جانبی کافی جهت محدود کردن جابجایی سازه
از بین روشهای اعمال شده راحتترین و موثرترین روش، ایجاد درز انقطاع بین ساختمانها مجاور یکدیگر است. این فاصله بستگی به عوامل مختلفی از قبیل جرم و سختی طبقات، میرائی ساختمانها، ارتفاع طبقات و بزرگی و مدت زلزله مورد نظر دارد. علاوه بر آن نوع رفتار دو ساختمان هم جوار نیز از پارامترهای موثر بر تخمین این فاصله می باشد.
درز انقطاع بین دو ساختمان باید مطابق اصول موجود در آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله تعیین و در هنگام اجرا رعایت گردد. نکته اصلی این است که آیا این فاصله که توسط ضوابط آیین نامه تعیین میگردد مناسب است یا خیر و آیا آییننامه ها کلیه پارامترهای موثر بر درز انقطاع را در نظر می گیرند یا خیر؟
عمده معایب استفاده از درز انقطاع عبارتند از:
1- دشوار بودن تهیه و اجرای دیتیلهای اجرایی مطابق نقشه های سازها
2- بالا بودن قیمت زمین در کلان شهرهاو عدم رضایت مالکین به کاهش زمین
3- محدودیت زمین در مراکز پر جمعیت کلان شهرها
روشهای موجود در محاسبه درز انقطاع شامل موارد زیر می باشند:
1- روش ارتعاشات تصادفی
2- روش تاریخچه زمانی
3- روش ضرایب لاگرانژ
4- روش تفاضل طیفی
5- روش طیف پاسخ
فصل دوم
مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه درز انقطاع
2ـ1ـ تاریخچه تحقیقات:
2ـ1ـ 1ـ آناگنو ستوپولس[4] ،]1[، در سال1988، در تحقیق خود از سه سازه ایدهآل سازی شده به شکل سیستم چند درجه آزاد با جرم متمرکز مطابق شکل (2ـ1) استفاده نمود.
شکل (2ـ1) مدل ایده آل سازی شده دو ساختمان هم جوار ـ آناگنوستوپولس 1988]1[
فرضیاتی که ایشان در مدلسازی خود در نظر گرفت به صورت زیر میباشد.
1- نوع رفتار سیستم سازهای، برشی با جرم متمرکز و درجه آزادی انتقالی در مرکز جرم و رفتار دو خطی (Bilinear) برای اعضاء سازه فرض نمود.
2- میرایی مجموعه را 5% در نظر گرفت.
3- ارتفاع طبقات را برای تمامی سازه یکسان فرض کرد، لذا نیروی تنهای در محل جرم متمرکز سازه اعمال میشود.
4- جهت مدلسازی نیروی ضربهای از یک مجموعه فنر و میراگر جهت اتصال استفاده نمود.
5- در فرضیات اعمالی هرگونه تأثیر تغییرات محیطی شتاب زلزله در تقابل خاک و سازه را نادیده گرفت.
ایشان
برخورد سازه ها را در اثر زلزله بررسی کرد و معادله حرکت به فرم ماتریسی
را بصورت زیر در نظر گرفت .
که در آن R نیروی تنهای است.
معادله حرکت فوق را به کمک روش عددی تفاضل مرکزی با مقادیر اولیه محاسبه شده بر اساس ضرایب نیومارک حل نمود. در نهایت موارد زیر را در تحقیق خود مورد بررسی قرار داد.
1- شکل و چیدمان ساختمانها
2- ساختمانهای مجاور هم با ارتفاعهای نامساوی
3- تاثیر جرمسازه
4- تاثیر مشخصات عناصر رابط بین سیستمهای سازهای
5- بررسی روابط آیین نامه ای ( Eurocod-8وUBC 97)
نتایج کلی که ایشان بدست آورد عبارتند از:
1- نیروی تنه ای باعث تغییر در پاسخ سازه های مجاور می شود و این تغییر می تواند به صورت افزایش یا کاهش پاسخ باشد. پارامترهای موثر در تغییرپاسخ سازه عبارتند از:
1 ـ1 جرم و پریود اصلی سازه و ارتباط آن با جرم و پریود ساختمانهای مجاور
2 ـ2 موقعیت ساختمان به شکلی که ساختمان مورد نظر در انتها یا در بین یک
ردیف ازساختمانهای مجاور باشد.
2- چنانچه ارتفاع دو سازه همجوار با هم برابر نباشد و ساختمان کوتاهتر دارای سختی و جرم بیشتری در مقایسه با ساختمان بلندتر باشد نیروی تنهای سبب ایجاد رفتاری مشابه با نیروی شلاقی زلزله در ساختمان بلندتر میگردد و همین مسئله افزایش در تغییر مکان جانبی و نیاز شکلپذیری را به همراه دارد.
3- درز انقطاع محاسبه شده توسط آیین نامههای پیشرفته، برای جلوگیری از پدیده برخورد کافی و مناسب میباشد. اگر چه ممکن است در برخی موارد نیروی تنهای شکل گیرد.
4- افزایش تغییر مکان محاسبه شده بر اثر نیروی تنهای در مقابل تغییر در سختی عناصر رابط (Spring Dashpoint) که برای شبیهسازی تأثیر نیروی تنهای استفاده می شوند حساس نمیباشند.
5- افزایش شدید در پاسخ تغییر مکانی یک سازه بر اثر نیروی تنهای تنها متاثر از وجود تمایز دو ساختمان هم جوار در پارامترهای ارتفاع سازه، زمان تناوب و جرم دو سازه است. سایر پارامترها از اهمیت درجه دوم برخوردار است.
2ـ1ـ2ـ وسترمو[5] ،]3[، در سال 1989 برای کاهش اثر نیروی برخورد و یکی کردن پاسخ دو ساختمان، ساختمانهای مجاور را با یک تیرمطابق شکل (2-2) به هم وصل کرد. برای این منظور چهار حالت در نظر گرفت.
در دو حالت اول، ساختمان سمت چپ پنج طبقه و ساختمان سمت راست شش طبقه فرض شد و تیر متصل کننده دو ساختمان از یک طرف به طبقه پنجم (بام) ساختمان سمت چپ و از طرف دیگر به طبقه پنجم ساختمان سمت راست متصل شده است. برای این دو حالت شرایط مختلف جرم و سختی طبقات را به عنوان پارامترهای مهم در نظر گرفته شده است.
در دو حالت دیگر مطابق شکل (2-2 ب) ساختمان سمت چپ سه طبقه و ساختمان سمت راست هشت طبقه در نظر گرفته شد و تیر متصل کننده دو ساختمان از یک طرف به طبقه سوم (بام) ساختمان سمت چپ و از طرف دیگر به ستونهای واقع شده در بین طبقات سوم و چهارم ساختمان سمت راست متصل شد و در این حالت نیز شرایط مختلف جرم و سختی طبقات را به عنوان پارامترهای مهم بررسی شده است.
شکل (2-2) مدل تحلیلی وسترمو ]2[
نتایج عمده تحقیقات ایشان عبارتند از :
1- برای ساختمانهایی با خصوصیات دینامیکی نزدیک به هم، اتصال بین دو ساختمان، باعث کاهش درز انقطاع مورد نیاز بین دو ساختمان میگردد.
2- هر چه نسبت سختی تیر متصل کننده به سختی ستونی که تیر به آن متصل است بیشتر باشد درز انقطاع بیشتری لازم است.
2-1-3-آناگنوستوپولس[6] ،]4[، در سال 1991، برخورد یکسری از ساختمانها را که بصورت زنجیر وار به هم متصل میباشند را در اثر زلزله بررسی کرد. ایشان ساختمانها را بصورت سیستم یک درجه آزاد SDOF ایدهآل سازی شده مدل کرده و میرایی ساختمان را %3 در نظر گرفتند. جهت مدلسازی نیروی تنه ای از مجموعه المانهای ویسکو الاستیک خطی ( فنر های نقطه ای ) استفاده شده است. در محاسبه پاسخ سیستمهای سازه از مد ارتعاشی اول کمک گرفته شده و مجموعه سیستمهای مورد نظر در معرض تحریکات مشابه زمین قرار داده شده است. همچنین در مدلسازی، ایشان تاثیر اختلاف فاز حرکت امواج را نادیده گرفتهاند. جهت در نظر گرفتن سختی ساختمانها نمودار نیرو تغییر مکان، بصورت شکل (2ـ3) در نظر گرفته شده است.
شکل (2-3) مدل آناگنوستوپولس]3[
بدین ترتیب معادله حرکت بصورت زیر نوشته شد:
(2-2)
که در آن:
: جرم سازهها
: میرایی
R : نیروی غیر خطی ساختمان
: نیروی برخورد جرم i ام بخاطر برخورد با ساختمانهای i-1,i+1
: شتاب زمین
جهت حل معادله فوق از روش تفاضل مرکزی و شتاب خطی استفاده شده است. برای بررسی تاثیر محاسبات دو نوع گام زمانی را لحاظ شده:
1- گام زمانی بزرگ 01s = t∆
2- گام زمانی کوتاه 005s = t∆
زلزلههای مورد استفاده ایشان مطابق جدول(1-2) میباشد
جدول (2-1) زلزله های مورد استفاده در آنالیز آناگنوستوپولس]3[
Earthquake
component
Max acceleration (g s)
Duration (sec)
Scale
El Centro
1940
NS
5
10
1
Taft
1952
S69E
18
15
1.75
Eureka
1954
N79E
26
10
33
Olympia
1949
N86E
28
23
25
Park field
1966
N65E
49
10
82
حالتهای زیر در تحلیل در نظر گرفته شده است:
1- ساختمان مورد نظر در مجاورت ساختمانهای انعطافپذیر واقع شده باشد.
2- ساختمان مورد نظر در مجاورت ساختمانهای صلب واقع شده باشد.
ایشان در مقاله خودپارامترهای زیر را مورد بررسی قرار دادهاند:
تاثیر مقاومت سازه ای
ایشان جهت بررسی این پارامتر (مقاومت سیستم R) بر افزایش دامنه پاسخ سازه، یک سیستم ساز ه ای متشکل از چهار سازه یک درجه آزاد (SDOF) با T= 0.5 & 2 و مقاومت سازه ای را به شکل:
الف)=خیلی بزرگ (پاسخ الاستیک)
ب) = که برش پایه بر اساس ATC میباشد
در نظر گرفت.
تاثیر میرایی اعضاء
میرایی سازه میزان انرژی تلف شده در ساختمان را نشان میدهد. در بررسی این پارامتر مجدداً همان مجموعه چهار سازه ای قبل را در نظر گرفت. نسبت میرایی را به ترتیب 0.0، 0.14، 0.35، 1.0 لحاظ کرد. که بجز در سیستم کاملاً الاستیک دامنه پاسخ نظیر سیستمهای سازهای با میراییهای مختلف بسیار به هم نزدیک بودند.
2-1-3-3- تاثیربزرگی جرم سازه
آنچه واضح است اینکه هنگامی که دو جسم دچارمکانیسم می شوند، نتایج خرابی حاصل برای یک سیستم با افزایش جرم سازه دیگر افزایش می یابد. برای بررسی تاثیر جرم سازهای، ایشان از مدل چهار سازهای حالت قبل استفاده نمود و جرم سازه میانی را متغیر گرفت ولی جرم سازه خارجی ثابت ماند و مشاهده نمود که افزایش جرم سازه درونی سبب افزایش دامنه پاسخ سازه خارجی میگردد. در ساختمانهای صنعتی و یا ساختمانهایی که بر روی آنها متعلقات جانبی قرار دارد این مسئله اغلب مشاهده میشود.
به طورخلاصه نتایج بدست آمده از تحقیق ایشان بصورت زیر میباشد:
1ـ نیروی تنهای که در اثر زلزله روی ساختمانهایی که در کنار هم در یک ردیف قرار گرفتهاند به وجود می آید، به عوامل زیر بستگی دارد.
1-1 ویژگیهای دینامیکی ساختمان مورد نظر، و ساختمانهایی که در دو طرف آن واقع شدهاند.
1-2 ساختمان مورد نظر ساختمان کناری باشد و از یک طرف تحت تاثیر نیروی تنهای قرار گیرد یا اینکه یک ساختمان میانی باشد که از دو طرف در معرض نیروی تنهای میباشد.
1-3 فاصله بین ساختمانها ( اندازه درز انقطاع)
2ـ ساختمانهایی که از یک طرف تحت تاثیر نیروی تنهای قرار میگیرند (ساختمانهای کناری) میتواند تغییر مکانهای بزرگی را داشته باشند. در مقابل سازههای درونی که از دو طرف تحت تاثیر دو سازه همجوار است با توجه به نسبت پریود ساختمان به ساختمانهای هم جوار میتواند افزایش یا کاهش در پاسخ تحت اثر نیروی تنهای داشته باشد. اگر این نسبت کوچکتر از یک باشد در اکثر موارد نیروی تنهای تغییر مکان ساختمان داخلی را بزرگ میکند و اگر این نسبت بزرگتر از یک باشد در اکثر موارد تغییر مکانهای ساختمانهای داخلی را کوچک میکند.
3ـ با افزایش درز انقطاع اثرات برخورد ساختمانها کمتر شده و اگر با روش مجذور مجموع مربعات پاسخ (SRSS) درز انقطاع محاسبه شود از برخورد ساختمانها جلوگیری میگردد.
4ـ در ساختمانهایی با اختلاف جرم زیاد اثرات برخورد ساختمانها نسبت به ساختمانهایی دارای جرم یکسان بیشتر میباشد.
5ـ افزایش دامنه تغییر مکان سازه در هنگام تشکیل نیروی تنهای در مقابل تغییر در پارامترهای المان ارتباطی در سازه چندان حساس نمیباشد.
6ـ استفاده از یک ماده ویسکو الاستیک نرم برای پر کردن فاصله درز انقطاع بین دو سازه جهت کاهش تاثیر نیروی تنهای در اکثر موارد موثر میباشد و میتواند اثرات نیروی تنهای را به اندازه کافی کاهش دهد، اگر چه تاثیری در مکانیزم کاهش حرکت ندارد.
2 -1-4-میسون، کاسائی، جنگ[7] ،[5]، در سال 1992 از روش تفاضل طیفی برای محاسبه تغییر مکان نسبی بین دو ساختمان استفاده کردند. ایشان در مدل سازی خود فرض نمودند که میرایی دو ساختمان برای تمامی مودها یکسان میباشد، در نتیجه تغییرمکانهای نسبی ساختمانهای مجاورa و b از رابطه زیر بدست میآید.
(2-3)
: تغییر مکان مود اول ساختمان a که براساس طیف پاسخ زلزله بدست میآید.
: تغییر مکان مود اول ساختمان b که براساس طیف پاسخ زلزله بدست میآید.
: ضریب همبستگی مد اول ساختمان a وb که از رابطه زیر بدست میآید.
(2-4)
(2-5)
: زمان تناوب ساختمان a
: زمان تفاوت ساختمان b
: نسبت میرایی ساختمانها
نتایجی که ایشان بدست آوردند بصورت زیر میباشد:
تاثیر میرایی بر روی میزان فاصله بین ساختمانها مهم است.
روش تحلیل طیفی در مقایسه با روش تاریخچه زمانی سادهتر است.
فاصله مورد نیاز بدست آمده از این روش در مقایسه با دیگر روشها مثل جمع مقادیر مطلق و روش جذر مجموع مربعات دقیقتر است.
2- 1-5- لین[8] ،]6[، در سال 1997 جهت تعیین فاصله بین دو ساختمان از روش ارتعاشات تصادفی (Random Vibration) استفاده نمود. فرضیاتی که ایشان در مدل خود انجام دادند بصورت زیر میباشد.
مدل مفروض به گونهای است که میتوان جرم آن را بصورت متمرکز در طبقه در نظر گرفت.
رفتار اعضاء در مدل ایشان خطی است.
میرایی مدل خیلی کم است (سیستم باند باریک)
تحریکات زلزله از نوع فرایند پیشای گوسی با میانگین صفر میباشند.