ارزیابی ساختمان های فولادی دوگانه(ترکیبی)

ورود

ثبت‌نام

نوشته شده توسط محمد علی برخورداری، میثم رستگار، حامد حمیدی

چهارشنبه, 20 خرداد 1388 ساعت 12:03

ارزیابی ساختمان های فولادی دوگانه(ترکیبی) طراحی شده مطابق ضوابط استاندارد 2800 ایران(ویرایش3)با دستورالعمل بهسازی لرزه ای
خلاصه
در این مقاله، ساختمان های فولادی دوگانه(ترکیبی) طراحی شده مطابق ضوابط استاندارد 2800 ایران(ویرایش3)با دستورالعمل بهسازی لرزه ای با استفاده از دو روش تحلیل ساز ه ها(دینامیکی خطی و استاتیکی غیرخطی) مورد ارزیابی قرار گرفته، عملکرد لرز ه ای آن ها در حوزه رفتارهای خطی و غیرخطی بررسی می گردد. بدین منظور در ابتدا از تحلیل ریسک احتمالاتی انجام شده در دو سطح خطر(1و2) در مرکز تهران، طیف ساختگاه استخراج شده، سپس سه مدل دو بعدی شامل سه ساختمان متعارف 5و10 و 15 طبقه انتخاب و طبق استاندارد 2800 طراحی شد. در ادامه این سه مدل تحت هدف بهسازی مبنا و مطلوب با روش های یاد شده تحلیل و کنترل گردید.
مطابق نتایج این تحقیق، اعضای سازه های مورد نظر با استناد به روش دینامیکی خطی معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا کرده اند در صورتی که برخی از همین اعضا طبق آنالیز استاتیکی غیرخطی در سطوح خطر مختلف معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نکرد هاند که با افزایش تعداد طبقات ساختمان این مساله بیشتر به چشم می آید.
1.مقدمه
پاسخ لرزه ای قابهای فولادی تحت بار تناوبی زلزله ناشی از حرکات نیرومند زمین طی مطالعاتی بررسی شده است(2). نتایج این مطالعات بیانگر آنست که مقاومت یک معیار ناکافی برای طراحی لرزه ای است، زیرا اغلب سازه ها در زلزله های قوی تسلیم شده و وارد ناحیه خمیری(پلاستیک)می گردند.
طراحی بر اساس عملکرد دارای فلسفه طراحی جامع تری است که در آن معیار طراحی بر حسب اهداف عملکردی بیان می شود. هدف عملکردی را می توان تراز مطلوب و مورد نظر عملکرد لرزه ای سازه نظیر تغییرشکلهای جانبی، تغیرمکانهای جانبی طبقه، شکل پذیری المان و شاخص خسارت المان در برابر تراز مشخصی از خطر زلزله دانست. به عبارت دیگر با ترکیب تراز عملکرد ساختمان و تراز زلزله، یک هدف عملکردی شکل می گیرد(2)
زیربنای تدوین آیین نامه ساختمانی بر مبنای طراحی بر اساس عملکرد در سال 1992 میلادی توسط گروه تصمیم گیرندگان SEAOC طی کمیته Vision 2000 (3) گسترش یافت و مقرر شد تا این کار قبل از سال 2000 انجام شود ولی به جز فعالیت های محدود اقدام خاصی در این باره صورت نگرفت. علت تشکیل این کمیته خسارت 8 میلیارد دلاری ناشی از زلزله 1989 لوماپریتا بود. در ژانویه 1994 زلزله نوتریج با بزرگی7/6 ریشتر به وقوع پیوست و خسارتی در حدود 20 میلیارد دلار به جای گذاشت. پیرو این مسأله طی مدت یک سال کمیته Vision 2000 پیشنهادهایی برای طراحی بر اساس عملکرد ارائه نمود. گزارش این کمیته در سال 1995 منتشر گردید که حاوی مباحث مفصل مهندسی زلزله در زمینه طراحی بر اساس عملکرد بود.(4) برترو در سال 1997 دستورالعمل SEAOC برای ساختمانهای جدید و NEHRP برای بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود (FEMA 273, 274, 1997) را بازنگری نمود(5). بدین ترتیب یک منبع اصلی و اولیه در رابطه با طراحی بر اساس عملکرد در اختیار قرار گرفت که شامل پیشنهادها و راهنماییهایی جهت طراحی ساختمانهای جدید و بهسازی ساختمانهای موجود می باشد.
در همین راستا در کشور ایران نیز بر اساس سیاست های اتخاذ شده از سوی دولت، سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور اقدام به تدوین و انتشار دستورالعملی(6) برای این منظور نموده که مبنای بهسازی لرزه ای ساختمانها قرار گرفته و در راستای جایگزینی فلسفه طراحی بر اساس عملکرد به جای روش طراحی بر اساس مقاومت بوده است. وجه تمایز اصلی این آیین نامه(که چهارچوب آن بر اساس گزارش های FEMA می باشد) با آیین نامه های قبلی همچون 2800(7) در استفاده از از روشهای غیرخطی است که شیوه نگرش به طراحی لرزه ای و نحوه تحلیل و طراحی سازه ها را به طور بنیادی دگرگون ساخته است.
2.روش انجام تحقیق
برای انجام این تحقیق، از نتایج تحلیل ریسک احتمالاتی (PSHA) انجام شده در دو سطح خطر در مرکز تهران(8) بهره گرفته شده است. در ادامه سه مدل دو بعدی شامل سه ساختمان متعارف 5و10و15 طبقه انتخاب و طبق استاندارد(2800ویرایش سوم) با نرم افزارETABS طراحی و سپس تیپ بندی شدند. در نهایت این سه مدل تحت هدف بهسازی مبنا و مطلوب مطابق با دستورالعمل بهسازی لرزه ای [ 6] با استفاده از دو روش دینامیکی خطی و استاتیکی غیرخطی(بند3) در نرم افزارSAP2000 تحلیل و معیارهای پذیرش برای اعضای این سازه ها کنترل گردید.
3.روش های مختلف تحیل سازه ها
در دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود(6)چهار نوع تحلیل مختلف آورده شده که عبارتند از:
1- تحلیل استاتیکی خطی،2- تحلیل دینامیکی خطی،3- تحلیل استاتیکی غیرخطی،4-تحلیل دینامیکی غیرخطی.
در ادامه شرح مختصری در ارتباط با دو روش دینامیکی خطی و استاتیکی غیرخطی که در این تحقیق استفاده شده اند، بیان خواهد شد.
3.1.تحلیل دینامیکی خطی
تحلیل دینامیکی خطی می تواند به دو روش طیفی یا تاریخچه زمانی انجام شود. فرضیات خاص این روش در محدوده رفتار خطی عبارتند از:
1- رفتار سازه را می توان به صورت ترکیب خطی از حالتهای مودهای ارتعاشی مختلف سازه که مستقل از یکدیگرند محاسبه نمود.
2- زمان تناوب ارتعاشات سازه در هر مود در طول زلزله ثابت است.
همانطور که بیان شد در این تحقیق از روش طیفی استفاده شده است. تعداد مودهای ارتعاش در تحلیل طیفی باید چنان انتخاب شود که جمع درصد مشارکت جرم موثر برای هر امتداد تحریک زلزله در مودهای انتخاب شده حداقل 90% باشد. به علاوه در هر امتداد، حداقل باید سه مود اول نوسان و حداقل تمام مودهایی که دارای زمان تناوب بیش از 4/0ثانیه هستند در نظر گرفته شوند. برای انجام این تحلیل از طیف های بدست آمده از تحلیل ریسک احتمالاتی در بند (8) استفاده گردید.
3.2.تحلیل استاتیکی غیرخطی
در این روش، بار جانبی ناشی از زلزله، استاتیکی و به تدریج به صورت فزاینده به سازه اعمال می شود تا آنجا که تغییر مکان در یک نقطه خاص (نقطه کنترل) تحت اثر بار جانبی، به مقدار مشخصی(تغییر مکان هدف) مطابق رابطه (1) برسد و یا سازه فرو ریزد(برای سازه های با دیافراگم صلب) (6)

که در آن Te ، زمان تناوب اصلی موثر ساختمان برای امتداد مورد نظر، Sa شتاب طیفی به ازای زمان تناوب اصلی موثر Te بوده و C0,C1,C2,C3 ضرایب اصلاح می باشند.
در این تحقیق دو نوع توزیع بار جانبی به شرح زیر بر روی سازه ها اعمال گردید:
1- توزیع نوع اول: توزیع متناسب با نیروهای جانبی حاصل از تحلیل دینامیکی خطی طیفی.
2- توزیع نوع دوم: توزیع یکنواخت که در آن بار جانبی متناسب با وزن هر طبقه محاسبه می شود، مطابق رابطه(2)

که در آن Fi نیروی وارد بر طبقه i، Wi وزن طبقه i، و V نیروی برشی پایه است.
4.مدل های مورد بررسی
سه ساختمان متقارن و منظم 5ف10 و15 طبقه فولادی دوگانه (قاب خمشی + مهاربندی) که نسبت ارتفاع به عرض آنها بین 5/1 و3 متر بوده و جزو ساختمانهای متعارف می باشند، انتخاب گردیده است. شایان ذکر است که این سه مدل به صورت دو بعدی بوده و تمامی مراحل تحلیل، طراحی و ارزیابی با همین مدل های دو بعدی صورت گرفته است. برای هر سه مدل:
اندازه دهانه ها در هر دو جهت برابر 4 متر می باشد.
ارتفاع طبقه اول 8/3 متر و بقیه طبقات برابر 2/3متر می باشد.
مهاربند استفاده شده از نوع ضربدری می باشد(به دلیل فراوانی کاربرد این نوع مهاربند در کشور)
نوع ساختمان، مسکونی با اهمیت متوسط و محل احداث در مرکز تهران در نظر گرفته شده است. نمای دو بعدی ساختمان های مورد بررسی در شکل(1) نمایش داده شده است.

شکل1- نمای دوبعدی مدل های مورد بررسی

5. مشخصات مصالح و نوع مقاطع اعضا
مشخصات مصالح به شرح زیر در نظر گرفته شده است:
تنش تسلیم فولاد Fy=2400 kgf/cm 2 مقاومت نهایی فولاد Fu=4000 kgf/cm 2 مدول الاستیسیته فولاد E=2.04 * 106 kgf/cm 2 ضریب پواسون ν= 0.3 مقاطع مورد استفاد برای ستون ها از نوع قوطی، برای تیرها از نوع IPE و برای مهاربندی ها از نوع قوطی بوده است.
6.نرم افزار تحلیل و طراحی
به منظور مدلسازی و طراحی مدل های مفروض از نرم افزار ETABS ver 8.5.4 (9) استفاده شده است. (اعضای هر سه مدل اولیه بعد از طراحیف تیپ بندی شده اند). بعد از طراحی، مدل ها به نرم افزار SAP2000 ver9.16 (10) منتقل گردید و 2 نوع تحلیل یاد شده توسط این برنامه انجام شد.
7.بارگذاری و طراحی بر اساس استاندارد2800
بارگذاری ثقلی ساختمان های مورد بررسی بر مبنای آیی ننامه بارگذاری ایران(11) و بارگذاری جانبی آنها بر اساس آیی ننامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله (7)(ویرایش3)، صورت گرفته است. بارهای سطحی مرده و زنده و بار دیوارهای جانبی در طبقات به ترتیب برابر 700-200-800 kgf/cm2 و در بام به ترتیب برابر 600-250-150 kgf/cm2 در نظر گرفته شده است. برای لحاظ نمودن اثرات بارگذاری زلزله، مطابق با بند(2-2-2) و (2-3) استاندارد 2800 ، از روش بارگذاری استاتیکی معادل استفاده شده است. مقادیر پارامترهای لرزه ای به شرح زیر انتخاب می گردد.
شتاب مبنای طرح: منطقه 1، پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد A=0.35 g
نوع زمین: Soil Type II (T0=0.1 , Ts=0.5 , S=: 1.5)
ضریب اهمیت: گروه 3، ساختمان با اهمیت متوسط،I= 1.0
به منظور طراحی اعضا از آیین نامه AISC-ASD 89 که برنامه مورد نظر نیز از آن پشتیبانی می کند، استفاده شده است. جهت دستیابی به طراحی اقتصادی و بهینه از خصوصیت انتخاب مقطع به صورت خودکار استفاده گردیده است.
همچنین ضوابط خاص برای ساز ه های فولادی مهاربندی شده مقاوم در برابر زلزله مطابق با استاندارد 2800 ایران (پیوست 2، بند(8-2))، به شرح زیر در طراحی لحاظ گردیده است:
کنترل لاغری حداقل اعضا مهاربند طبق بند(8-2الف)
کاهش تنش مجاز فشاری (7و12) در اعضای مهاربند طبق بند(8-2ب)
کنترل ستونها در ترکیبات بار زیر طبق بند(5-1)
فشار محوری و کشش محوری

8.استفاده از تحلیل ریسک احتمالاتی
همانطور که بیان شد از نتایج تحلیل ریسک احتمالاتی در مرکز تهران در دو سطح خطر 1و2 (10و2درصد در 50سال) استفاده شد تا ارزیابی لرزه ای ساختمانها برای این دو سطح خطر صورت گیرد. سطح خطر 1 بر اساس 10 ٪ احتمال رویداد زلزله در 50 سال (معادل دوره بازگشت 475 سال) و سطح خطر 2 بر اساس 2٪ احتمال رویداد زلزله در 50 سال(معادل دوره بازگشت 2475 سال) تعیین می گردد. در شکل (2) نمودار طیف طرح به دست آمده نشان داده شده است.

شکل 2- نمودار طیفهاي بدست آمده از تحلیل ریسک (سطح خطر 1 و 2) و استاندارد 2800

شکل 2- نمودار طیف های بدست آمده از تحلیل ریسک (سطح خطر 1 و 2) و استاندارد 2800

9.بحث و بررسی نتایج آنالیز مدل ها بر اساس دستورالعمل بهسازی لرزه ای
نمونه های طراحی شده با استاندارد 2800 ، بر اساس دستورالعمل بهسازی لرزه ای تحت هدف بهسازی مبنا (ایمنی جانی در سطح خطر1) و مطلوب (ایمنی جانی در سطح خطر1 + آستانه فروریزش در سطح خطر2) با استفاده از دو روش استاتیکی غیرخطی، دینامیکی خطی تحلیل و آنالیز شدند. در تحلیل با روش استاتیکی غیرخطی دو نوع توزیع بار جانبی (توزیع نوع اول و نوع دوم) بر روی سازه ها اعمال شد. در تحلیل دینامیکی خطی از روش طیفی استفاده شده است.
9.1.روش دینامیکی خطی
مدل های مفروض با طیف های بدست آمده از تحلیل ریسک احتمالاتی در بند (8) تحلیل گشته و مورد ارزیابی قرار گرفتند. پارامترهای مورد نیاز درجدول (1) آمده است. معیارهای پذیرش طبق بند(3-4-1-2) دستورالعمل بهسازی لحاظ گردید که خلاصه آن در زیر آمده است
1- تلاش ها در اعضای اصلی و غیر اصلی که کنترل شونده توسط تغییر شکل هستند:

2- تلاش ها در اعضای اصلی و غیر اصلی که کنترل شونده توسط نیرو هستند:

که در آن mضریب اصلاح مورد استفاده در معیار پذیرش اعضا و اجزای کنترل شونده توسط تغییرشکل، مبین قابلیت شکل پذیری جزء می باشد.
فرضیات عمومی زیر در ارزیابی کلیه مدل ها در نظر گرفته شده است:
ضریب آگاهی: K= 1(اطلاعات در سطح متعارف)
هدف بهسازی: بهسازی مبنا و مطلوب

جدول 1- مقادیر پارامترهای مورد استفاده در تحلیل دینامیکی خطی

نتایج این ارزیابی در جدول (2) آورده شده است. همانطور که مطابق این روش پیداست کلیه مهاربندها و تیرها معیار پذیرش را ارضا کرده اند ولی عدم پذیرش این معیار در درصدی از ستونها در سطح خطر 2 مشهود است.

جدول 2- نتایج تحلیل دینامیکی خطی، درصد اعضایی که معیار پذیرش را ارضا نمی نمایند

9.2.روش استاتیکی غیرخطی
مدل های مفروض به روش استاتیکی غیرخطی(شیوه تغییرمکان هدف)، تحلیل گشته و مورد ارزیابی قرار گرفتند. در جدول (3) پارامترهای مورد نیاز جهت انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی آورده شده است.

جدول 3- پارامترهای مورد نیاز جهت انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی، توزیع نوع اول و دوم

به منظور مد لسازی سختی اعضا در روش استاتیکی غیرخطی از ضوابط بند(5-3-1-2) دستورالعمل بهسازی استفاده م یگردد، که در آن برای مدل سازی منحنی نیرو- تغییر شکل اعضا، نشان داده شده در شکل ( 3) از مقادیر a, b, c آورده شده در جدول ( 4) استفاده می گردد. اثرات سخت شوندگی کرنشی با در نظر گرفتن شیبی معادل 3 درصد شیب قسمت ارتجاعی منظور می گردد.

جدول ( 4): پارامترهای مدلسازی و معیارهای پذیرش اعضای مهاربندی در تحلیل استاتیکی غیرخطی

شکل 3- منحنی نیرو- تغییر شکل تعمیم یافته برای اعضا و اجزای فولادی(13)

نتایج این ارزیابی در جدول (5) آورده شده است. همانطور که مشهود است درصدی از مهاربندها و ستونها معیار پذیرش را ارضا نکرده اند ولی کلیه تیرها معیار پذیرش را ارضا کرده اند.

جدول 5- نتایج تحلیل استاتیکی غیرخطی، درصد اعضایی که معیار پذیرش را ارضا نمی نمایند

11.نتیجه گیری

1- نتایج آنالیز دینامیکی خطی تا حدود بسیار زیادی منطبق با استاندارد 2800 می باشد.
2- عدم انطباق نتایج آنالیز استاتیکی غیرخطی با استاندارد 2800 مشهود می باشد که این عدم انطباق با افزایش تعداد طبقات کاسته می شود.
3- علت عدم انطباق نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی با استاندارد 2800 ، در نظر گرفتن رفتار غیر خطی اعضا در روش استاتیکی غیر خطی می باشد.
4- با استناد به آنالیز دینامیکی خطی، برای مدل های طراحی شده بر اساس استاندارد 2800 ، نتایج زیر بدست آمده است:

الف: ساختمان 5 طبقه:
سطح خطر1: کلیه اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا می نمایند.
سطح خطر2: 8/17درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.
ب: ساختمان 10 طبقه:
سطح خطر1: کلیه اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا می نمایند.
سطح خطر2: 5/1درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.
ج: ساختمان 15 طبقه:
سطح خطر1: همه اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا می نمایند.

سطح خطر2: همه اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا می نمایند.

5- با استناد به آنالیز استاتیکی غیرخطی، برای مدل های طراحی شده بر اساس استاندارد 2800 ، نتایج زیر به دست

آمده است:

الف: ساختمان 5 طبقه:
الف: ساختمان 5 طبقه:
توزیع نوع:I
سطح خطر1: 5/15 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند
سطح خطر2: 8/28 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.
توزیع نوع:II
سطح خطر1: 7/17 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند
سطح خطر2: 7/17 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.

ب: ساختمان 10 طبقه:
توزیع نوع:I
سطح خطر1: 3/22 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند
سطح خطر2: 46/28 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.
توزیع نوع:II
سطح خطر1: 92/16 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند
سطح خطر2: 46/18 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.
ج: ساختمان 15 طبقه:
توزیع نوع:I
سطح خطر1: 92/3 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند
سطح خطر2: 11درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.
توزیع نوع:II
سطح خطر1: 5/5 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند
سطح خطر2: 2/10 درصد اعضا معیار پذیرش دستورالعمل بهسازی را ارضا نمی نمایند.

مراجع:

[1] Fragiacomo, M., Amadio, C. and Macorini, L., “Seismic response of steel frames under repeated earthquake
ground motions”, Engineering structures , Vol.26, Issue. 13, pp. 2021-2035. 2004
[2] Daniel Grecca, Florea Dinu, and Dan Dubina., “Performance criteria for MR steel frames in seismic zones”,
Journal of constructional steel research, Vol.60, Issue. 3-5, pp. 739-749. 2004
[3] Vision 2000, Performance Based Seismic Engineering of buildings, 1995
[4] Bertero, V.V., “Performance-based seismic engineering: conventional vs. Innovative approaches”. Proc. 12th
WGEE Newzealand. 1995
[5] Bertero, V.V., “Performance-based seismic engineering: A critical review of proposed guidelines in seismic
design methodologies for the next generation of codes”, 1-31. 1997

(6) پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله "دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود"، 1381 (7)مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن "آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله(استاندارد 2800 ویرایش سوم)"، 1384(8)حمیدی ح.، قدرتی امیری غ.، تاثیر نوع تحلیل بر نتایج پاسخ سازه های فولادی مهاربندی شده در بهسازی لرز های، پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران-مهندسی زلزله، دانشگاه علم و صنعت ایران، بهمن 1385

[9] Computers & Structures, Inc., “ETABS, Extended 3D Analysis of Building Systems”, Berkeley, California.
[10] Computers & Structures, Inc., “SAP2000, Structural Analysis Program”, Berkeley, California.

(11)دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان "مبحث ششم، بارهای وارد بر ساختمان"، 1380(12)دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان "مبحث دهم، طرح و اجرای ساختمانهای فولادی"، 1379

[13] FEMA 356, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, 2000