ضریب رفتار سوله فلسفه هاي حاكم بر آيين نامه هاي طراحي موجود دنيا، به سازه اين اجازه را مي ندهد كه به هنگام ارتعاشات شديد زمين وارد محدوده تغيير شكلهاي غير الاستيك گردد.(کلیدواژه: رفتار سوله ها در آیین نامه 2800) به عنوان يك نتيجه از اين فلسفه طراحي، بايستي نيروهاي طراحي الاستيك بسيار كوچكتر از مقادير لازم براي حفظ سازه در محدوده خطي(هنگام زلزله) باشند[1]. (کلیدواژه:ضریب رفتار سوله، رفتار سوله ها در آیین نامه 2800)
مقدمه
كاهش در نيروهاي ايجاد شده، به علت ميرايي انرژي در رفتار غير خطي هيسترتيك پديد آمده و به وسيله ضرايب اصلاح مقاومت منظور ميگردد[2].
به هنگام اعمال نيروي جانبي به يك سازه، اعضاي آن بخشي از انرژي ناشي از نيرو را به خاطر عملكرد ارتجاعي و بخش قابل توجهي از اين انرژي را به خاطر عملكرد غير ارتجاعي مستهلك مينمايند. بنابراين منطقي آن است كه براي طراحي سازه علاوه بر قابليت ارتجاعي اعضا، حتماً قابليت غير ارتجاعي آنها نيز در نظر گرفته شود. رعايت نمودن دقيق اين امر مستلزم تحليل ديناميكي غير ارتجاعي است كه بسيار پيچيده و وقتگير بوده و انجام آن براي سازه هاي غیر متعارف اقتصادي ميباشد. اما در بسياري از آيين نامه ها به منظور پرهيز از تحليل ديناميكي غير خطي و در عين حال در نظر گرفتن رفتار غير خطي سازه، ضريبي را به نام ضريب رفتار معرفي ميكنند[3] .نحوه عملكرد اين ضريب بدين صورت است كه به هنگام تحليل ارتجاعي سازه، نيروي جانبي وارده به سازه كاهش مييابد تا به نحوي اثر آن ميزان از انرژي كه در اثر رفتار غيرخطي سازه مستهلك ميگردد، در نظر گرفته شود. اين ميزان انرژي مستهلك شده ناشي از عواملي نظير زمان تناوب سازه، شكلپذيري و مقاومت افزون است[3]. (کلیدواژه: ضریب رفتار سوله، رفتار سوله ها در آیین نامه 2800)
قاب شيبدار (سوله)
تجربه زلزله هاي گذشته نشان ميدهد كه قابهاي شيبدار فولادي(سوله) اغلب رفتار مناسبي در برابر زلزله از خود نشان ميدهند. سبكي اين سازه ها از جمله عواملي است كه موجب بهبود رفتار لرزهاي اين نوع سازه ها ميشود. گزارش تهيه شده از زلزله 5ديماه 1382بم[4] رفتار لرزهاي مناسب اين نوع سازهها را نشان ميدهد و خسارتهاي بوجود آمده را بيشتر از نوع غير سازهاي گزارش ميكند، به گونهاي كه سازه پس از زلزله پايداري خود را حفظ كرده و فقط ديوارهاي پيرامون آن تخريب جزئي داشته است. به دليل مزاياي ويژهاي از جمله ايجاد دهانه هاي بزرگ بدون ستون مياني، نصب سريع به علت اتصالات پيچ و مهرهاي، امكان انتقال سازه به مكان ديگر به علت اتصالات پيچ و مهرهاي و سبك بودن سازه،وزن امروزه به طور وسيعي از اين سازهها در شهركهاي صنعتي و بعضاً در شهرها براي كاربريهاي مختلفي از قبيل: آشيانه هواپيما، كارخانجات صنعتي، انبارها، مجموعه هاي ورزشي و… استفاده ميكنند. شكل 1 نمونه هايي از اين نوع سازه ها را نمايش ميدهد.(کلیدواژه: ضریب رفتار سوله ،رفتار سوله ها در آیین نامه 2800)
ضریب رفتار
ضريب رفتار يا ضريب اصلاح پاسخ سازه، كميتي است كه عملكرد غير ارتجاعي سازه را در بر داشته و نشانگر مقاومت پنهان سازه در مرحله غير الاستيك ميباشد. آیین نامه های طراحي لرزهاي كنوني، نيروهاي لرزهاي براي طراحي ارتجاعي ساختمان را از يك طيف خطي كه وابسته به زمان تناوب طبيعي ساختمان و شرايط خاك محل احداث ساختمان است، بدست ميآورند و براي لحاظ كردن اثر رفتار غيرارتجاعي و اتلاف انرژي بر اثر رفتار هيسترزيس، ميرايي و اثر مقاومت افزون سازه، اين نيروي ارتجاعي را به وسيله ضريب كاهش مقاومت (ضريب رفتار) به نيروي طراحي تبديل ميكنند[3].(کلیدواژه: ضریب رفتار سوله، رفتار سوله ها در آیین نامه 2800)
با توجه به شكل 2مقدار مقاومت الاستيك مورد نياز برحسب ضريب برش پايه (Ceu) از رابطه (1) بدست ميآيد.
كه در آن W وزن سازه و Ve حداكثر برش پايه در صورتي كه سازه كاملاً در محدوده الاستيك باقي بماند، است. از آنجا كه يك سازه كه به صورت صحيح طراحي شده، معمولاً مقادير قابل ملاحظهاي از شكلپذيري را ميتواند تأمين كند، سازه ميتواند بصورت اقتصاديتري طراحي شود تا حداكثر مقاومت CyW را تأمين كند. براي اهداف طراحي، آيين نامه ها مقدار Cy را تا Cs که نمایانگر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در مجموعه سازه ميباشد، كاهش ميدهند. در طراحي با استفاده از روش بار نهايي در سازه هاي بتني و روش ضرايب بار و مقاومت در سازههاي فولادي از اين تراز نيرويي استفاده ميشود. اختلاف نيروي بين CyW و CsW را اصطلاحاً اضافه مقاومت مينامند. از آنجا كه در آييننامههاي طراحي سازههاي فولادي و بتني در بسياري از كشورها هنوز استفاده از روش تنش مجاز متداول است، آيين نامه 2800ايران مقدار Csرا به Cwكاهش ميدهد و لذا نيروي برشي پايه طراحي در اين آيين نامه ها برابر CwW ميباشد[3].
ضريب شكل پذيري كلي سازه (μ)
با ايده آل نمودن منحني رفتار كلي سازه به منحني الاستيك-پلاستيك كامل شكل (2)، ضريب شكل پذيري كلي سازه را ميتوان به صورت رابطه (2)بيان نمود
ضريب كاهش مقاومت در اثر شكل پذيري(Rμ)
بر اثر شكل پذيري، ساختمان ظرفيتي براي استهلاك انرژي هيسترتيك خواهد داشت. به دليل اين ظرفيت استهلاك انرژي، نيروي طراحي ارتجاعي(euC) را ميتوان به تراز مقاومت تسليم(Cy) كاهش داد، از اين رو ضريب شكل پذيري را ميتوان به صورت رابطه (3)نوشت.
ميراندا و برترو[1] سعي كردند با انتخاب تعداد نسبتاً زيادي از زلزلههاي ثبت شده، اثر شرايط خاك بر ضريب Rµ را مورد بررسي قرار دهند. بـه همـيـن منظور آنها 124 زلزله ثبت شده در محدوده وسيعی از شرايط خاك در هنگام زلزلـههاي گوناگون را در نظر گرفتند و بر اسـاس شرايـط محلي خاك در ايستگاه ثبت كننده، زلزله ها به سـه گروه ثبت شـده در زمين سنگي، زمين رسـوبي و خاك خيلي نـرم دسته بندي نمودند. آنها ضرايب Rµ را براي سيستم هاي با 5 درصد ميرايي و با ضرايب شكل پذيري كلي سازهاي بين 2تا 6محاسبه نمودند و متوسط ضرايب Rµ براي هر نوع خاك به صورت رابطه (4) ارائه نمودند. آنها علاوه بر تاثير شرايط خاك، تاثير بزرگي زلزله و فاصله مركز سطحي زلزله بر ضرايب Rµمورد بررسي قرار دادند و تحقيقاتشان نشان داد كه شرايط خاك بر ضرايب Rµ تاثير ميگذارد (به ويژه براي محلهايي كه داراي خاك نرم هستند)، اما بزرگي زلزله و فاصله مركز سطحي زلزله بر ضرايب Rµ تاثير ناچيزي دارند.(کلیدواژه: رفتار سوله ها در آیین نامه 2800)
كه در آن μضريب شكلپذيري و ϕبراي زمينهاي رسوبي از رابطه (5)بدست ميآيد
ضريب مقاومت افزون (Ω)
مقاومت ذخيرهاي كه بين تراز تسليم كلي سازه (Cy)و تراز اولين تسليم (Cs) وجود دارد به عنوان ضريب مقاومت افزون شناخته ميشود و از رابطه (6)بدست ميآيد[3].
اضافه مقاومت سازه در نتيجه باز توزيع نيروهاي داخلي، بيشتر بودن مقاومت واقعي مصالح نسبت به مقاومت اسمي، سخت شوندگي كرنشي، محدوديتهاي آيين نامهاي در مورد تغيير مكان جانبي، اثرات اجزاء غير سازهاي و غيره ميباشد[3].
ضريب تنش مجاز (Y)
اين ضريب بر اساس نحوه برخورد آيين نامههاي مصالح با تنشهاي طراحي(بار مجاز يا بار نهايي) تعيين ميشود و مقدار آن مطابق رابطه (7) عبارتست از نسبت نيرو در حد تشكيل اولين لولاي خميري ،(Cs)به نيرو در حد تنشهاي مجاز(Cw) .[3]
كه در آن Zو Sبه ترتيب مدول هاي خميري و ارتجاعي بوده و ضريب 4/3 اضافه تنش مجاز به هنگام اثر نيروهاي زلزله است. بنابراين ضريب رفتار مطابق با روش طراحي بر اساس تنش مجاز را ميتوان از رابطه ی (9) تعيين كرد[3].
مدلهای مطالعه شده
در اين مقاله، 6مدل با دهانه هاي 22.5 ،20 ،17.5 ،15 ،12.5و 25و ارتفاع تاج 9متر مطابق جدول 1مورد مطالعه قرار گرفت. روند كار به اين صورت بود كه ابتدا كليه اين مدلها بر اساس مبحث ششم بارهاي وارد بر ساختمان[6] و ويرايش سوم استاندارد [7]2800براي منطقه با برف متوسط، سرعت مبناي باد 110كيلومتر بر ساعت و سطح خطر نسبي زلزله كم، بارگذاري و سپس بر اساس ضوابط آييننامه [5] AISC-ASD 89 و تركيبات بار ارائه شده در مبحث دهم طرح و اجراي ساختمانهاي فولادي[8] به كمك نرم افزار (SAP 2000 v.14.1) طراحي شدندآيين نامه فولاد ايران انطباق قابل ملاحظهاي با روش تنش مجاز آيين نامه AISC-ASD 89دارد لازم به ذكر است كه كليه مقاطع مورد استفاده براي ستون و رفترها براي مدلهاي مطالعه شده، تير ورق بوده و غير منشوري ميباشند. سيستم سازهاي اين نوع سازه ها معمولاً در راستاي طولي مهاربندي ساده و در راستاي صفحه قاب از نوع قاب خمشي متوسط است.
فولاد مصرفي كليه مدلهاي مطالعه شده از نوع فولاد ST 37با مقاومت جاري شدن Fy=2400 kg/cm2ميباشد. بارگذاري ثقلي اين مدلها بر اساس بار مرده: 60 kg/m2و بار زنده)برف:( 100 kg/m2انجام شده است و با توجه به اينكه فاصله قابها در طول سوله، 6متر فرض شده است، اين بار به صورت گسترده خطي بر رفترها وارد شده است. شكل 3سوله هاي مدل شده در (SAP 2000 v.14.1) را نشان ميدهد.
مدلسازی رفتار غيرخطی
به منظور مدلسازي رفتار غير خطي و تعريف مفاصل، از مشخصات مفاصل ارائه شده در [9] FEMA-356استفاده شده است. مدلهاي اشاره شده بهصورت دو بعدي و در نرم افزار SAP2000(v.14.1) كه قابليت در نظر گرفتن همزمان اثرات غيرخطي هندسي اثرات (P-Δ) و غير خطي مصالح را دارا است، مدلسازي و سپس به منظور انجام روش تحليل استاتيكي غير خطي(پوش آور)، مفاصل پلاستيك اندركنشي محوري- خمشي (P-M3) در ابتدا و انتهاي ستونها و رفترها معرفي شدند. به منظور لحاظ كردن اثرات بارهاي ثقلي مرده و زنده(برف)، تركيب بار ثقلي تعريف شده در FEMA 356به صورت (DL + LL) 1.1 در نظر گرفته شد. كه در آن DL و LL به ترتيب بارهاي مرده و زنده(برف) هستند. پس از اعمال بار ثقلي، بار جانبي مطابق الگوي بار مثلثي معكوس و در چندين گام به سازه اعمال شد. الگوي بارگذاري اشاره شده در مطالعات مواي و الناشاي [10] ،مقدم و حاجي رسوليها [11] ،ماهري و اكبري [12] و كيم و چوي [13]به عنوان يك روش معتبر براي تحليل سازههاي كوتاه شناخته شده است. لازم به ذكر است كه نقطه كنترل در نظر گرفته شده در همه مدلهاي مورد مطالعه، تاج سوله ها مطابق شكل 3در نظر گرفته شده است.
نتایج تحلیل ها
براي بدست آوردن ضريب مقاومت افزون(Ω) ،شكل پذيري (μ) و نهايتاً ضريب رفتار مدلهاي مورد مطالعه شده، بايد منحني پوش آور هر مدل را داشته باشيم. بدين منظور از منحنيهاي پوش آور بدست آمده براي 6مدل مطالعه شده كه در شكل 4نمايش داده شدهاند، استفاده گرديد. البته براي استخراج اين مقادير، منحنيهاي رفتار غيرخطي سازه بايد مطابق ضوابط [FEMA 356.9] به صورت دو خطي درآورده شوند.
جدول ،2مقادير ضريب شكل پذيري، ضريب مقاومت افزون، پريود، ضريب كاهش بر اثر شكل پذيري و ضريب رفتار محاسبه شده بر اساس منحني پوش آور دو خطي شده را نشان ميدهد.
همانطور كه از جدول 2ملاحظه ميشود، با افزايش طول دهانه سوله، مقادير ضريب شكلپذيري (μ) ،ضريب كاهش بر اثر شكل پذيري(Rμ) و ضريب رفتار (R) سوله افزايش ميابد. اين تغييرات در شكلهاي 6 ،5و 7نشان داده شده است. همچنين در شكل 8تغييرات ضريب مقاومت افزون در برابر طول دهانه سوله نمايش داده شده است.
در آخر اين مقاله رابطه اي براي برآورد ضريب رفتار سوله با دهانه مورد نظر ارائه شده است. اين رابطه مطابق شكل 9 از برازش درجه سوم مقادير ضريب رفتار بدست آمده براي مدلهاي مطالعه شده، بدست آمده است. رابطه(10) اين معادله را نشان ميدهد.
كه در آن، Lطول دهانه سوله مورد نظر بر حسب متر و Rضريب رفتار است.
به منظور بررسي دقت رابطه(10) در برآورد ضريب رفتار، مقادير ضريب رفتار بدست آمده از اين رابطه با مقادير واقعي، در جدول 3مقايسه شده است. همانطور كه ملاحظه ميشود، درصد خطاي بدست آمده در حد قابل قبولي بوده و ميتوان از رابطه پيشنهاد شده رابطه (10) براي برآورد ضريب رفتار سوله هاي با دهانه 12.5تا 25و ارتفاع 9متر استفاده نمود.
نتیجه گیری (کلیدواژه: ضریب رفتار سوله)
در اين مطالعه، ضرايب كاهش بر اثر شكلپذيري، شكلپذيري، مقاومت افزون و ضريب رفتار براي 6مدل با دهانه هاي 22.5 ،20 ،17.5 ،15 ،12.5و 25 و ارتفاع 9متر مورد مطالعه قرار گرفت. اين مطالعه با استفاده تحليل پوشآور و به كمك نرمافزار ( SAP 2000(v.14.1با توجه به ضوابط [9] FEMA-356 انجام گرفت، نتايج بدست آمده از اين مطالعه را ميتوان به صورت زير خلاصه نمود:
1) ضريب شكلپذيري بدست آمده براي 6سوله مورد مطالعه به ترتيب براي سولههاي با دهانه 12.5و 25متر داراي مقادير حداقل و حداكثر است و اين ضريب بين 2.740-4.644 متغير بوده و با افزايش طول دهانه سوله، افزايش مييابد.
2) ضريب كاهش بر اثر شكلپذيري بدست آمده از روابط ميراندا و برترو [1] مشابه ضريب شكلپذيري با افزايش طول دهانه سوله، افزايش مي یابد. اين ضريب در مدلهاي مورد مطالعه بين 3.333- 5.418متغير است
3) ضريب مقاومت افزون بدست آمده در مدلهاي مطالعه شده در اين مقاله روند منظمي نداشته و ابتدا با افزايش طول دهانه سوله تا دهانه 17.5متر افزايش و سپس كاهش داشته است و مجدداً در دهانه 25متر به حداكثر مقدار خود رسيده است. علت اين تغييرات را ميتوان در تفاوت در نسبت تنشهاي طراحي هر سوله دانست.
4) ضرايب رفتار بدست آمده براي 6سوله مورد مطالعه به ترتيب براي سوله هاي با دهانه 12.5و 25متر داراي مقادير حداقل و حداكثر است و اين مقادير در محدوده 6.074-11.413 متغير هستند. به طور متوسط مقدار ضريب رفتار در مدلهاي مطالعه شده، 8.808ميباشد كه اين مقدار بيشتر از ضريب رفتار ارائه شده در آييننامه 2800براي قابهاي خمشي فولادي متوسط(R=7) است. به عبارت ديگر ضريب رفتار پيشنهادي آيين نامه [7] 2800در حاشيه اطمينان ميباشد.
5) با برازش مقادير ضرايب رفتار بدست آمده بر حسب طول دهانههاي مختلف براي 6 سوله مطالعه شده، رابطه درجه سوم (رابطه (10)) با ضریب همبستگي 0.98717 براي برآورد رفتار سوله پيشنهاد گرديد.(کلیدواژه: ضریب رفتار سوله)
در سوله ساز عضو شوید و درخواست برآورد اولیه قیمت ساخت سوله ثبت کنید
مراجع (کلیدواژه: ضریب رفتار سوله)
1. Miranda, E., and Bertero, V.V., (1994), “Evaluation of Strength Reduction Factors for EarthquakeResistant Design,” Earthquake Spectra, EERI, 10(2), pp 357-380
2. Uang, C.M., (1991), “Establishing R (or Rw) and Cd Factors for Buildin Seismic Provisions, ” Journal of Structural Engineering, ASCE, 117(1), pp 19-28.
3.تسنيمي، ع. و معصومي، ع.، ،(1385محاسبه ضريب رفتار قابهاي خمشي بتن مسلح، نشريه شماره گ- ،436تهران: مركز تحقيقات ساختمان و مسكن.
4. عشقي، س. و ديگران،()1382 گزارش مقدماتي شناسايي زلزله 5دي ماه1382بم” تهران: پژوهشگاه بين المللي زلزلهشناسي و مهندسي زلزله
5.American Institute of Steel Construction, AISC-ASD89, (1989), “Manual of steel Construction”, Chicago.
6. دفتر تدوين و ترويج مقررات ملي ساختمان)وزارت مسكن و شهرسازي ،(1385مبحث ششم بارهاي وارد بر ساختمان، تهران: توسعه ايران.
7. كميته دائمي بازنگري آيين نامه طراحي ساختمانها در برابر زلزله (1384)، آيين نامه طراحي ساختمانها در برابر زلزله، استاندارد 2800-84 (ویرایش سوم) نشريه شماره ض-،253چ ،3تهران: مرکز تحقيقات ساختمان و مسكن.
8. دفتر تدوين و ترويج مقررات ملي ساختمان)وزارت مسكن و شهرسازي ،(1385مبحث دهم طرح و اجراي ساختمانهاي فولادي، تهران: توسعه
ايران.
9. FEMA 356-Prestandard and Commentary for the seismic Rehabiliation of buildings, (2000), Federal
Emergency Management Agency, Washington, D.C.
10. Mway, A.M., Elnashai, A.S.(2000), “Static pushover versus dynamic collapse analysis of RC buildings,
Engineering Structure, 23(50), pp 407-424.
11. Moghaddam, H., Hajirasouliha, I., (2005),”Toward more rational criteria for determination of design
earthquake forces”, International Journal of Solids and Structures, 43, pp 2631–2645.
12. Maheri, M.R., Akbari, R., (2003), “Seismic behaivior factor R for steel X-braced and knee-braced RC
buildings, Engineering Structures, 25(15), pp 1505-1513.
13. Kim, J., Choi, H., (2005), “Response modification factors of chevron-braced frames,” Engineering Structures, 27, pp 285-300.
نویسندگان:
محمد امين عرب ، فرامرز خوشنوديان
آخرین دیدگاهها