ارزیابی احتمالاتی عملکرد قابهای فولادی با مهاربندی ویژه طراحی شده به روش حالت حدی آیین نامه ایران برای تحریکات نزدیک به گسل با استفاده از تحلیل دینامیکی افزاینده
چکیده
با گسترش روش های نوین آنالیز لرزه ای و استفاده روز افزون از طراحی لرزه ای سازه ها بر اساس عملکرد، بررسی لرزه ای ساختمان های طراحی شده بر اساس آیین نامه های موجود کشور لازم می باشد، به همین جهت در این پژوهش عملکرد لرزه ای قاب های فولادی دارای مهاربند ویژه که به روش حدی مطابق با مبحث دهم مقررات ملی ساختمان طراحی گردیده اند مد نظر قرار گرفت. به منظور تحلیل دقیقتر و درک بهتر از رفتار اعضا قاب در برابر نیروی زلزله از آنالیز دینامیکی فزاینده استفاده شد بدین منظور ۷ شتاب نگاشت زلزله های حوزه نزدیک گسل طبق ظوابط استاندارد ۲۸۰۰ و نشریه ۳۶۰ انتخاب گردید، و دو قاب مهاربندی شده دارای ۴ دهانه ۶ متری در چهارطبقه و شش طبقه که ارتفاع طبقات ۴ متر می باشد تحت آنالیز دینامیکی افزاینده قرار گرفتند در مجموع ۲۸۰ تحلیل تاریخچه زمانی بر روی مدل ها انجام گرفت در نتایج حاصله مشاهده شد که با افزایش تعداد طبقات از سختی الاستیک سازه کاسته شده و سازه رفتار نرمتری از خود نشان می دهد و با توجه به منحنیهای IDA ترسیم شده در تمامی قاب های مورد مطالعه، هرچه سازه ها بیشتر وارد ناحیه غیرخطی می شوند مقدار پراکندگی نتایج بیشتر شده و سازه بیشتر تحت تأثیر رکوردهای ورودی قرار میگیرد.
کلید واژه: تحلیل دینامیکی فزاینده، قاب فولادی، مهاربند ویژه، زلزله های حوزه نزدیک گسل.
مقدمه
کشور ما ایران بر روی یکی از کمربندهای زلزله قرار گرفته است و از این رو گاه گاه نقطه ای از پهنه سرزمین مان دستخوش لرزش های مرگبار زلزله میگردد، از نمونه های بارز آن زلزله (۵ دی ۱۳۸۲) بم ، (۳۱ خرداد ۱۳۶۹ ) منجیل و زنجان (۲۵ شهریور ۱۳۵۷) طبس و یا زلزله های قبل از آن در ناغان (۱۷ فروردین ۱۳۵۶) بوئین زهرا(۱۳۴۱)، فردوس(۱۳۴۷) و غیره را می توان نام برد.
گرچه دلایل بروز زلزله و یا زمان و مکان آن به روشنی مشخص نیست ولی در هر حال تا آنجاکه مشخص شده است تغییر شکلهای ناشی از حرکت های قاره ها نسبت به یکدیگر (عوامل تکتونیک) باعث افزایش انرژی ذخیره شده در پوسته جامد زمین گردیده و وقتی به حد گسیختگی رسید به ناچار این پوسته گسیخته شده وبخشی از انرژی ذخیره شده آزاد می گردد و در این زمان پدیده لرزش زمین بوجود می آید. چون انرژی آزاد شده بسیار زیاد و ناگهانی است باعث ارتعاش شدید زمین گردیده و ساختمانهائی که برای مقاومت در برابراین ارتعاش ها طراحی نشده اند دچار گسیختگی و انهدام میگردند. از آنجا که کشور ما در بین سه قاره واقع شده پوسته جامد زمین تحت تأثیر فشارهای جابجای قاره ها قرار گرفته و میزان لرزه خیزی آن بالا می رود.
بطور کلی مطالعات دقیق لرزه شناسی در منطقه زلزله خیز مانند ایران به لحاظ احتراز از هدر رفتن سرمایه های مالی و جانی موردی است که نباید به آسانی از آن گذشت. در هشتاد سال گذشته در سطح جهان (۵/۱) میلیون و در ایران حدود صد هزار نفر در اثر خرابیهای ناشی از زلزله جان خود را از دست داده اند، این رقم در مقایسه با کل تلفات جهان (۷/۶ درصد) می باشد. حال آنکه جمعیت ایران حدود (۱%) جمعیت دنیا است. این میزان خسارت قابل توجه نشان میدهد که ما نسبت به مساحت کشورمان تلفات سنگینی داشته ایم. در سال۱۹۲۰و۱۹۲۳ ژاپن در حدود صد هزار تلفات ناشی از زلزله داشت که پس از چهل سال با آماده شدن و ساختن ساختمانهای مقاوم در برابر زلزله در اثر وقوع زمین لرزه های شدید، تعداد تلفات به ۲۶ نفر تقلیل پیدا کرد و از همین جا نقش به انجام رسانیدن مطالعات دقیق برای انتخاب محل و تأمین ایمنی تاسیسات شهری، صتعتی و عمرانی در برابر زلزله محسوس تر میگردد.
استفاده از سیستم قاب فولادی مهاربندی شده همگرا به منظور مقاوم سازی سازه ها در برابر زلزله، در بسیاری از کشورها از جمله ایران، بسیار متداول بوده و به همین دلیل بررسی رفتار این سیستم ها تحت اثر نیروی زلزله در محدوده غیر الاستیک ضروری می باشد.
فهرست مطالب
چکیده ۱
مقدمه ۲
فصل ۱- مقدمه و ادبیات فنی.. ۴
۱-۱- پیشگفتار ۴
۱-۲- تاریخچه سازه های فولادی.. ۴
۱-۳- انوع متداول قابهای فولادی.. ۶
۱-۳-۱- قاب مقاوم خمشی فولادی ( MRF ) 7
۱-۳-۲- قاب مهاربندی شده همگرا ( CBF ) 8
۱-۳-۳- قاب مهاربندی شده واگرا ( EBF ) 9
۱-۴- قابهای مهاربندی شده همگرای ویژه ( SCBF ) 9
۱-۴-۱- مکانیزم رفتاری مهاربند همگرای ویژه ۱۰
۱-۴-۲- الزامات طراحی اعضاء مهاربند ویژه ۱۲
۱-۴-۳- توزیع نیروهای جانبی.. ۱۳
فصل ۲- رفتار لرزه ای سازه ها ۱۵
۲-۱- پیشگفتار ۱۵
۲-۲- سطوح مختلف زلزله. ۱۶
۲-۳- سطوح عملکرد ساختمان.. ۱۸
۲-۴- ظرفیت و نیاز در مباحث لرزه ای.. ۱۹
۲-۵- مفصل و لنگر پلاستیک…. ۲۰
۲-۶- رفتار غیر خطی سازه ها ۲۱
۲-۷- شکل پذیری سازه ها ۲۴
۲-۸- اهمیت شکل پذیری در سازه ها ۲۵
۲-۹- تأثیر سختی و جرم سازه ها درانتقال حرکت زمین به سازه ۲۷
۲-۱۰- رفتار چرخه ای سازه و منحنی های هیسترسیس…. ۲۸
۲-۱۱- اثر زوال ها ۳۰
۲-۱۲- معیارهای تعیین حد خرابی سازه ۳۱
۲-۱۲-۱- معیار خرابی موضعی یا خرابی اعضا ۳۲
۲-۱۲-۲- معیار خرابی کلی.. ۳۲
۲-۱۳- رفتار غیر خطی.. ۳۳
۲-۱۳-۱- علل رفتار غیر خطی سازه ۳۴
۲-۱۴- ضوابط کلی تحلیل.. ۳۶
۲-۱۴-۱- انتخاب روش تحلیل.. ۳۶
۲-۱۴-۲- روش مدلسازی ۳۶
۲-۱۴-۳- اثر پیچش در تحلیل لرزه ای.. ۳۸
۲-۱۴-۴- اثر همزمان مولفه های زلزله. ۴۰
۲-۱۴-۵- بررسی اعتبار فرضیات طراحی.. ۴۱
۲-۱۴-۶- تلاش های تغییرشکل کنترل و نیرو کنترل.. ۴۲
۲-۱۵- روشهای تحلیل خطی.. ۴۴
۲-۱۵-۱- محدوده کاربرد روشهای خطی.. ۴۴
۲-۱۵-۲- محاسبه سختی در روش های تحلیل خطی.. ۴۶
۲-۱۵-۳- روش تحلیل استاتیکی خطی.. ۴۶
۲-۱۵-۴- روش تحلیل دینامیکی خطی.. ۴۹
۲-۱۵-۵- کنترل واژگونی در روشهای خطی.. ۵۱
۲-۱۶- روشهای تحلیل غیرخطی.. ۵۲
۲-۱۶-۱- محدوده ی کاربرد روشهای غیرخطی.. ۵۲
۲-۱۶-۲- محاسبه سختی و مقاومت در روشهای غیرخطی.. ۵۳
۲-۱۶-۳- روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (Pushover) 53
۲-۱۶-۴- روش تحلیل دینامیکی غیرخطی.. ۵۸
۲-۱۶-۵- کنترل واژگونی ۵۹
۲-۱۶-۶- معیارهای پذیرش برای روش های خطی.. ۵۹
۲-۱۶-۷- معیارهای پذیرش برای روش های غیرخطی.. ۶۱
۲-۱۶-۸- پیوستگی سازه ۶۲
فصل ۳- تحلیل دینامیکی غیرخطی فزاینده (IDA). 63
۳-۱- پیشگفتار ۶۳
۳-۲- شتاب نگاشت… ۶۳
۳-۲-۱- ضریب مقیاس ۶۵
۳-۳- اندازه شدت حرکت زمین ( IM ) 65
۳-۴- شدت خرابی یا تغییر پذیری شرایط سازه ( DM ) 66
۳-۵- منحنی آنالیز دینامیکی غیر خطی فزایده ۶۷
۳-۶- ظرفیت و سطوح عملکرد در آنالیز دینامیکی فزاینده ۷۲
۳-۷- خلاصه کردن منحنی ( IDA ) 73
فصل ۴- اثر زلزله حوزه نزدیک گسل.. ۷۵
۴-۱- پیشگفتار ۷۵
۴-۲- معرفی زلزله و مشخصات آن.. ۷۶
۴-۲-۱- امواج طولی ( P ) : 76
۴-۲-۲- امواج عرضی ( S ) : 76
۴-۳- مشخصات زلزله حوزه نزدیک و تفاوت آن با زلزله حوزه دور ۷۷
۴-۳-۱- خصوصیات مؤلفه های افقی ارتعاش زمین در زلزله های نزدیک گسل.. ۷۸
۴-۳-۲- خصوصیات مؤلفه قائم ارتعاش زمین در زلزله های نزدیک گسل.. ۸۱
فصل ۵- اصول تحلیل و صحت سنجی نرم افزار. ۸۷
۵-۱- بارگزاری مرده و زنده ۸۹
۵-۲- بارگذاری لرزه ای ساختمان.. ۸۹
۵-۳- مدلسازی در نرم افزار ETABS. 92
۵-۳-۱- مشخصات مصالح فولاد. ۹۲
۵-۳-۲- نتایج طراحی اعضا برای قاب ۴ طبقه. ۹۲
۵-۳-۳- نتایج طراحی اعضا برای قاب ۸ طبقه. ۹۴
۵-۳-۴- مشخصات مقاطع تیر ، ستون و بادبند در قاب های مورد مطالعه. ۹۶
۵-۴- رکوردهای زلزله حوزه نزدیک : ۹۶
۵-۴-۱- استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم. ۹۶
۵-۴-۲- مقیاس کردن رکوردها ی زلزله. ۹۷
۵-۴-۳- آیین نامه FEMA P695 ۹۷
۵-۴-۴- انتخاب رکوردها : ۹۹
۵-۵- صحت سنجی نرم افزار ۱۰۴
فصل ۶- نتایج تحلیل.. ۱۰۷
۶-۱- نتایج مربوط به قاب ۴ طبقه. ۱۰۸
۶-۱-۱- رسم منحنی های IDA برای قاب ۴ طبقه. ۱۱۶
۶-۲- نتایج مربوط به قاب ۸ طبقه. ۱۲۰
۶-۲-۱- رسم منحنی های IDA برای قاب ۸ طبقه. ۱۲۷
نتیجه گیری ۱۳۱
پیشنهادات ۱۳۳
فهرست منابع فارسی.. ۱۳۴
فهرست منابع لاتین.. ۱۳۵
سایت های اطلاع رسانی.. ۱۳۷
فهرست جداول
جدول ۲‑۱ نمونه هایی از تلاشهای نیروکنترل و تغییرشکل کنترل.. ۴۴
جدول ۲‑۲ ضریب α برای محاسبه زمان تناوب سازه ۴۷
جدول ۲‑۳ مقادیر ضریب Cm.. 48
جدول ۲‑۴ مقدار تقریبی ضریبC0 57
جدول ۲‑۵ مقادیر پیشنهادی J برای سطوح عملکرد مختلف ساختمان.. ۶۱
جدول ۵‑۱ میزان بار مرده و بار زنده منتقل شده به تیرهای قاب… ۸۹
جدول ۵‑۲ محاسبه ضرایب C و K طبق استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم برای قاب ۴ طبقه. ۸۹
جدول ۵‑۳ محاسبه ضرایب C و K طبق استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم برای قاب ۸ طبقه. ۹۰
جدول ۵‑۴ مشخصات مصالح فولاد. ۹۲
جدول ۵‑۵ مقاطع تیر ، ستون در قاب ها ۹۶
جدول ۵‑۶ رکوردهای زلزله حوزه نزدیک FEMA p695. 98
جدول ۵‑۷ طبقه بندی نوع زمین استاندارد ۲۸۰۰٫ ۱۰۰
جدول ۵‑۸ رکوردهای منتخب جهت تحلیل.. ۱۰۱
جدول ۵‑۹ مشخصلات رکوردهای منتخب… ۱۰۱
جدول ۵‑۱۰ مقیاس سازی رکوردها برای قاب ۴ طبقه. ۱۰۳
جدول ۵‑۱۱ مقیاس سازی رکوردها برای قاب ۸ طبقه. ۱۰۳
جدول ۶‑۱ تغییرات برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر شتاب نگاشت های مختلف… ۱۰۹
جدول ۶‑۲ تغییرمکان نسبی طبقه بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر شتاب نگاشت های مختلف… ۱۱۲
جدول ۶‑۳ تغییرات برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر شتاب نگاشت های مختلف… ۱۲۰
جدول ۶‑۴ تغییرمکان نسبی طبقه بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر شتاب نگاشت های مختلف… ۱۲۳
فهرست نمودار
نمودار ۵‑۱ طیف پاسخ شتابنگاشتها و میانگین آنها ۱۰۲
نمودار ۵‑۲ مقیاس سازی طبق طیف استاندارد ۲۸۰۰٫ ۱۰۲
نمودار ۶‑۱ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله کپه مندوچینو. ۱۰۹
نمودار ۶‑۲ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله لوماپریتا ۱۱۰
نمودار ۶‑۳ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله مونتنگرو ۱۱۰
نمودار ۶‑۴ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله نیگاتا ۱۱۰
نمودار ۶‑۵ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله نورتریج.. ۱۱۱
نمودار ۶‑۶ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله سن سیمون.. ۱۱۱
نمودار ۶‑۷ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله طبس…. ۱۱۱
نمودار ۶‑۸ مقایسه بیشینه برش پایه برای قاب ۴ طبقه تحت اثر ۷ رکورد زلزله. ۱۱۲
نمودار ۶‑۹ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله کپه. ۱۱۳
نمودار ۶‑۱۰ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله لوماپریتا ۱۱۳
نمودار ۶‑۱۱ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله مونتنگرو ۱۱۳
نمودار ۶‑۱۲ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله نیگاتا ۱۱۴
نمودار ۶‑۱۳ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله نورتریج.. ۱۱۴
نمودار ۶‑۱۴ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله سیمون.. ۱۱۴
نمودار ۶‑۱۵ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر زلزله طبس…. ۱۱۵
نمودار ۶‑۱۶ مقایسه تغییر مکان نسبی بام برای قاب ۴ طبقه تحت اثر ۷ رکورد زلزله. ۱۱۵
نمودار ۶‑۱۷ نمودار IDA بیشینه دوران طبقه به بیشینه برش پایه در قاب ۴ طبقه. ۱۱۶
نمودار ۶‑۱۸ نمودار IDA برای قاب مهاربند شده ۴ طبقه. ۱۱۷
نمودار ۶‑۱۹ نمودار IDA ستو نهای قاب ۴ طبقه. ۱۱۸
نمودار ۶‑۲۰ نمودار IDA تیرها قاب ۴ طبقه. ۱۱۸
نمودار ۶‑۲۱ نمودار IDA مهاربندهای قاب ۴ طبقه. ۱۱۹
نمودار ۶‑۲۲ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله کپه مندوچینو. ۱۲۰
نمودار ۶‑۲۳ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله لوماپریتا ۱۲۱
نمودار ۶‑۲۴ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله مونتنگرو ۱۲۱
نمودار ۶‑۲۵ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله نیگاتا ۱۲۱
نمودار ۶‑۲۶ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله نورتریج.. ۱۲۲
نمودار ۶‑۲۷ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله سن سیمون.. ۱۲۲
نمودار ۶‑۲۸ نمودار تاریخچه زمانی برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله طبس…. ۱۲۲
نمودار ۶‑۲۹ مقایسه بیشینه برش پایه برای قاب ۸ طبقه تحت اثر ۷ رکورد زلزله. ۱۲۳
نمودار ۶‑۳۰ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله کپه. ۱۲۴
نمودار ۶‑۳۱ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله لوماپریتا ۱۲۴
نمودار ۶‑۳۲ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله مونتنگرو ۱۲۴
نمودار ۶‑۳۳ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله نیگاتا ۱۲۵
نمودار ۶‑۳۴ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله نورتریج.. ۱۲۵
نمودار ۶‑۳۵ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله سیمون.. ۱۲۵
نمودار ۶‑۳۶ نمودار تاریخچه زمانی تغیر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر زلزله طبس…. ۱۲۶
نمودار ۶‑۳۷ مقایسه تغییر مکان نسبی بام برای قاب ۸ طبقه تحت اثر ۷ رکورد زلزله. ۱۲۶
نمودار ۶‑۳۸ نمودار IDA بیشینه دوران طبقه به بیشینه برش پایه در قاب ۸ طبقه. ۱۲۷
نمودار ۶‑۳۹ نمودار IDA برای قاب مهاربند شده ۴ طبقه. ۱۲۸
نمودار ۶‑۴۰ نمودار IDA ستو نهای قاب ۴ طبقه. ۱۲۹
نمودار ۶‑۴۱ نمودار IDA تیرها قاب ۴ طبقه. ۱۲۹
نمودار ۶‑۴۲ نمودار IDA مهاربندهای قاب ۴ طبقه. ۱۳۰
هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.