دانشکده فنی و مهندسی
گروه مهندسی عمران
پایان نامه‌ی کارشناسی ارشد رشته مهندسی عمران گرایش سازه
ارائه مدل جدیدی از مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش و بررسی رفتار لرزهای آن
اساتید راهنما:
دکتر شهابالدین حاتمی
دکتر علی علیپور
استاد مشاور:
دکتر عبدالرضا زارع
پژوهشگر:
یونس صمدی میلانی
بهمن ۱۳۸۹
فصل اول: مقدمه
کلیات
یکی از مهمترین حوادث طبیعی که همواره زندگی انسانها را دچار دگرگونی کرده و گاهی تمدنهای بشری را با تخریب ساختگاه به نابودی کشانده، زلزله است. از این رو، انسان همواره سعی در شناسایی و مقابله با خطرات ناشی از زلزله داشته و هنوز هم موفق به مهار کامل این انرژی عظیم نشده است. حال با وجود آنکه محققین زیادی در زمینه ساخت و ساز ایمن و مناسب، تحقیقات ارزندهای انجام دادهاند، کماکان تعداد زیادی از ساکنین این کره خاکی هر ساله در زیر آوارهای به وجود آمده از زلزله مدفون میگردند و سازههای بسیاری کارایی خود را پس از زلزله از دست می دهند یا متلاشی میشوند.
ایران از نظر لرزهخیزی در منطقه فعال جهان قرار دارد و به گواهی اطلاعات مستند علمی و مشاهدات قرن بیستم، از خطرپذیرترین مناطق جهان در اثر زمینلرزههای پرقدرت محسوب می شود. در حال حاضر ایران در صدر کشورهایی است که وقوع زلزله در آن با تلفات جانی بالا همراه است و در سالهای اخیر به طور متوسط هر پنج سال یک زمین لرزه با صدمات جانی و مالی بسیار بالا در نقطهای از کشور رخ داده است. گرچه جلوگیری کامل از خسارات ناشی از زلزلههای شدید بسیار دشوار است لیکن با افزایش سطح اطلاعات در رابطه با لرزهخیزی کشور، شناسایی و مطالعه دقیق وضعیت آسیبپذیری ساختمانها، ایمنسازی و مقاومسازی صحیح و اصولی آنها، می توان تا حد مطلوب تلفات و خسارات ناشی از زلزلههای آتی را کاهش داد.]۱[
در راستای شناسایی و مهار این پدیده، محققین همواره سعی داشته اند تا آیین نامه های بسیاری را در سراسر دنیا برای محاسبه و ساخت سازههای مقاوم در برابر زلزله تهیه کنند و روشهای بسیاری برای محاسبه این نیرو و طراحی سازهها در برابر آن ارائه دهند. پس از محاسبه نیروی زلزله، روشهایی جهت طراحی ساختمان مقاوم در برابر زلزله مطرح میشوند که این روشها را میتوان به دو دسته کلاسیک (سنتی) و مدرن تقسیم بندی کرد.
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
در روشهای کلاسیک، طراحی بر اساس حداکثر نیروی اعمال شده به ساختمان، که با ترکیب نیروهای احتمالی بیانشده در آیین نامه های مختلف به دست می آید، انجام می شود. تکتک اجزای سازه را براساس روش مقاومت نهایی یا نیروی حداکثر طراحی می کنند. اما در روشهای مدرن، پایداری سازه با روش طراحی براساس عملکرد نیز مطرح شده است.]۲[
در سیستمهای سازهای معمولا دو عامل برای طراحان بسیار مهم است. اول ایمنی سازه و دوم راحتی ساکنین در برابر بارهای خارجی همچون باد و زلزله. برای رسیدن به این هدف دو عامل جابجایی و شتاب مطلق به ترتیب اثرگذارند و بایستی کنترل شوند. در این راستا سیستمهای مختلفی ارائه شده است که به طور کلی رفتار سازه را به گونه ای تغییر می دهند که انرژی ورودی زلزله، به اجزای اصلی سازه صدمهای وارد نکند.
بعضی از سیستمها را میتوان بر روی سازههای موجود نیز پیاده نمود که در صورت لزوم بعد از رخداد زلزله نیز قابل تعویض و یا تعمیر باشند. با توجه به اینکه سازههای غیرمقاوم در برابر زلزله در کشورمان زیاد یافت میشوند و با توجه به این نکته که استفاده از سیستمهای الحاقی به نحو بسیار مطلوبی پاسخ دینامیکی سازهها را کاهش میدهد، لذا استفاده از این سیستمها در کشورمان حائز اهمیت میباشد.
گرچه بارهای دینامیکی وارد بر سیستمهای سازهای ممکن است ناشی از عوامل مختلفی مانند اثر باد و موج و حرکت خودروها باشد، بدون شک یکی از انواع این بارهای دینامیکی که برای مهندسین سازه از بیشترین اهمیت برخوردار بوده، تحریکی است که توسط زلزلهها ایجاد می شود. البته اهمیت مساله زلزله تا حدودی به علت نتایج زیانباری است که یک زلزله در یک منطقه پرجمعیت بهجا می گذارد. از آنجا که طراحی سازههای اقتصادی با معماریها و ابعاد گوناگون که قادر به تحمل نیروهای حاصل از یک زمینلرزه قوی باشند، توانایی بالایی را در هنر و علم مهندسی طلب می کند، منطقی به نظر میرسد که رشته مهندسی زلزله به عنوان چارچوبی که در آن کاربرد تئوریها و تکنیکهای ارائه شده در دینامیک سازهها و … به نمایش گذاشته می شود، مورد استفاده قرار گیرد.
توانایی روشهای متداول طراحی و ساخت سازههای موجود بسیار محدود میباشد و پاسخگوی نیازهای روزافزون طراحی سازههای جدید نیست. به عنوان مثال بلندتر شدن ساختمانها به دلیل کمبود زمین در کلان شهرها و برآورده کردن نیازهای معماری جدید با فرمهای غیر معمول از جمله مشکلاتی است که نیاز به تکنولوژیهای جدید در امر ساخت و ساز را در کشورمان نمایان می کند.
لزوم انجام تحقیق حاضر
سیستمهای سازهای مختلفی جهت مقابله با نیروهای جانبی ناشی از زلزله در ساختمانهای فولادی مورد استفاده قرار گرفته است که میتوان به سیستم قاب خمشی مقاوم، سیستم مهاربندیشده همگرا و سیستم مهاربندیشده واگرا اشاره کرد. هر یک از این سیستمها به نوبه خود دارای معایب و محاسن مربوط به خود میباشند که در طول سالهای اخیر موضوع تحقیق علم مهندسی زلزله بوده است.
در کشور ایران استفاده از سیستمهای مهاربندی همگرا در بین مهندسین سازه بسیار رایج میباشد. لذا پرداختن به این موضوع و بیان معایب این سیستمها و ارائه راهکارهای کاربردی در زمینه رفع این معایب، می تواند کمک شایانی در پیشرفت صنعت ساختمانسازی ایران در جهت ایمنتر شدن ساختمانها نماید.
یکی از انواع سیستمهای مهاربند همگرا، سیستم مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش یا به اختصار BRB[1] میباشد. این سیستم یکی از قویترین سیستمهای موجود در امر کنترل ارتعاشات نامطلوب سازهها در برابر نیروهای جانبی میباشد و امروزه در اکثر نقاط جهان از این سیستم جهت مستهلک کردن انرژی ناشی از زلزله، به وفور استفاده می شود.
در این نوع مهاربندها، هدف رسیدن مهاربند تحت بار محوری فشاری به حد تسلیم با جلوگیری کردن از کمانش عضو میباشد که این امر توسط یک مکانیزم خارجی انجام می شود. بنابراین مهاربند هم در کشش و هم در فشار بدون اینکه کمانش کند، تسلیم می شود. همچنین از آنجاییکه کمانش مهاربند جهت استهلاک انرژی مطلوب نیست، این سیستم که رفتار الاستوپلاستیک دارد، جهت مستهلک کردن انرژی زلزله بسیار موثر عمل می کند.]۳[
در تحقیق حاضر، مطالعاتی بر روی مهاربندهای مقاوم در برابرکمانش به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر نیروهای ناشی از زلزله انجام شده است. از آنجاییکه نصب سیستمهای مقاوم در برابر زلزله از نظر اقتصادی و مقاومسازی، کمک شایانی به رفتار مناسب سازه در برابر بارهای دینامیکی می کند، تحقیق بر روی این سیستمها دارای اهمیت زیادی میباشد.
مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش دارای محاسن زیادی نسبت به مهاربندهای همگرای معمولی میباشند و از نظر سازهای نیز رفتار مطلوبی در برابر نیروهای جانبی از خود نشان می دهند. در کنار این محاسن، یک سری معایب برای این مهاربندها بیان شده است که در زیر به این معایب اشاره می شود:
ساخت مهاربندهای BRB تا حدودی پیچیده و پرهزینه بوده و نیاز به تکنولوژی روز دارد.
به دلیل پیچیده بودن ساخت، تولید مهاربندهای BRB در انحصار شرکتهای خاصی است.
در صورت استفاده از فولاد با بازه جاری شدن وسیع به عنوان هسته مقطع، نیروهای اضافه به سازه اعمال خواهد شد.]۳[
اهداف تحقیق
هدف اصلی این مطالعه، تحقیق بر روی یک نوع مهاربند مقاوم در برابرکمانش با طرح جدید است که معایب ذکر شده برای مهاربندهای BRB، در این طرح رفع شده است. طرح این مهاربند در واقع برگرفته از شکل مهاربند مقاوم در برابرکمانش پیشنهاد شده توسط سریدهارا[۲] است.]۱۶[ مهاربند جدید دارای تکنولوژی ساخت سادهای بوده و نیازی به تکنولوژیهای پیچیده در ساخت ندارد. همچنین با اصلاحات در نظر گرفته شده، این مهاربند جدید در زلزلههای شدیدتر پایداری سازه را بیشتر از مهاربند کنونی حفظ خواهد کرد. همچنین از ظرفیت باربری مصالح بکار رفته نیز بیشتر از مدلهای موجود کنونی استفاده خواهد شد.
در این طرح، هسته مقطع از فولاد جدار نازک[۳] میباشد. غلاف نیز طوری طراحی می شود که در زلزلههای شدید وقتی کاهش طول ناشی از نیروی فشاری وارد شده در هسته از یک حد معینی بیشتر شد، مقطع غلاف به عنوان یک عضو فشاری کمکی، درصدی از نیروهای فشاری هسته را تحمل کند. به اینترتیب که یک خلاصی بین اتصال و غلاف ایجاد می شود که در تغییر شکلهای مورد نظر با به هم چسبیدن اتصال و غلاف، درصدی از نیروی فشاری توسط غلاف تحمل شود. همچنین طراحی غلاف بایستی طوری باشد که مقطع غلاف تحت نیروهای فشاری به تسلیم برسد، به عبارت دیگر بایستی از کمانش جانبی غلاف جلوگیری شود. در این حالت، استهلاک انرژی نسبت به مهاربند مقاوم در برابرکمانش کنونی بیشتر خواهد بود و در نتیجه، سازه در مقابل نیروهای جانبی از پایداری بیشتری برخوردار خواهد بود.
بنابراین در این مطالعه با توجه به نیروهای وارد بر هسته، درابتدا یک مقطع بهینه برای هسته طراحی شده و در مرحله بعد، غلاف طوری طرح می شود که در زلزلههای شدیدتر وارد عمل شده و پایداری سازه را حفظ کند.
در این تحقیق جهت حصول نتایج مطلوب، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
با طراحی بهینه شکل مقطع هسته، امکان استفاده از ظرفیت استهلاک انرژی آن بدون بکارگیری پرکننده فراهم می شود.
با طراحی غلافی با شکل بهینه و فاصله مناسب با هسته، تسلیم هسته در بارهای لرزهای طراحی امکان پذیر می شود.
استهلاک انرژی در زلزلههای شدید با طراحی سیستمی برای استفاده از ظرفیت باربری فشاری غلاف نسبت به مهاربندهای ضد کمانش کنونی بیشتر می شود.
فصول پایان نامه
در این تحقیق، در فصل دوم سیستمهای باربر جانبی در ساختمانهای فولادی مورد بررسی قرار گرفته، مزایا و معایب آنها بیان شده است. در فصل سوم به معرفی سیستم مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش پرداخته و با مطالعه تحقیقات انجام شده در گذشته، محاسن این سیستم مهاربند در برابر سیستمهای قدیمی مورد ارزیابی قرار گرفته است. در ادامه محدودیتهای اجرای سیستم مهاربند مقاوم در برابر کمانش، در ایران ذکر شده است. در جهت رفع این کاستیها، در فصل چهارم ایده مهاربند جدید مقاوم در برابر کمانش بیان شده و با ارائه روش طراحی به بررسی رفتار لرزهای این مهاربند پرداخته شده است. در نهایت در فصل پنجم با تحلیل و بررسی بر روی پارامترهای مختلف مهاربند جدید مقاوم در برابر کمانش، یک مدل بهینه برای این سیستم ارائه شده است.
فصل دوم: بررسی سیستمهای باربر جانبی در ساختمانهای فولادی
مقدمه
برای اینکه یک سازه بتواند در مقابل زلزله مقاوم باشد باید سه خاصیت مقاومت، سختی و شکلپذیری در آن سیستم در معادله اساسی طراحی که به صورت زیر بیان می شود، صدق کند:]۴[
ظرفیت ( Capacity ) ≥ نیاز ( Demand )
حال میخواهیم بدانیم پارامترهای فوق در سیستمهای سازهای چگونه تأمین شده و رفتار چرخهای سازهها در برابر بارهای رفت و برگشتی زلزله چه ارتباطی با شکلپذیری سازهها دارد.
همانطوریکه میدانیم سازهها در برابر زلزله با وارد شدن به مرحله پلاستیک و پذیرفتن تغییر شکلهای غیرخطی میتوانند مقدار زیادی از انرژی زلزله را جذب کرده و باعث کاهش مقدار نیروی وارده به سازه شوند. ولی بایستی پارامتر اساسی دیگری نیز مد نظر قرار گیرد و آن ایناست که سازه در مرحله بازگشت ( بار زلزله به صورت رفت و برگشتی است ) باید بتواند تغییرشکلهای ایجاد شده در مرحله رفت را جبران نماید و یا به عبارت دیگر انرژی جذب شده در مرحله رفت را مستهلک نماید تا سازه آماده دریافت انرژی در سیکل بعدی باشد. اگر سیستمی دارای خاصیت استهلاک انرژی نباشد تغییر شکلهای غیرخطی در هر سیکل به صورت تجمعی بر روی هم انباشته شده و باعث انهدام سازه می شود.
سیستمهایی که مودهای جاری شدن در آنها به صورت خمشی و یا برشی هستند نسبت به سیستمهای فشاری-کششی دارای خاصیت جذب و استهلاک انرژی بهتری هستند. در سیستمهای فشاری-کششی تغییر شکلهای ایجاد شده در مرحله رفت ( به صورت کششی ) در مرحله برگشت به علت کمانش اعضا نمی توانند به صورت فشاری جبران شوند و در سیکلهای مختلف این تغییر شکلها بر روی هم جمع میشوند. بنابراین در بررسی سیستمهای مقاوم در برابر زلزله علاوه بر سه پارامتر مقاومت، سختی و شکلپذیری، باید سیستم در جذب و استهلاک انرژی نیز بررسی شود و برای این منظور از منحنی چرخهای[۴] استفاده می شود که در ادامه توضیح داده خواهد شد.]۵[
همانطوریکه در بالا ملاحظه شد بایستی سازه طی زلزلههای شدید تغییرشکلهای غیرارتجاعی از خود نشان دهند. این تغییر شکلها به میزان زیادی به مشخصات نیرو- تغییر شکل سازه بستگی دارد و ممکن است بسته به تعداد دفعات رفت و برگشتی و بزرگی هر کدام تغییر کند. چنین رفتار اعضای سازهای، بصورت نمایش نیرو در برابر تغییر مکان و یا به طور مشابه لنگر در برابر دوران و یا انحنا نمایانگر رفتار چرخهای عضو است.
برای یک دوره تصاعدی بارگذاری و باربرداری، خطوط متصلکننده منحنی بار- تغییرمکان هر دوره بارگذاری، منحنی اسکلتون[۵] نامیده می شود. منحنی حاصل تحت بار رفت و برگشتی، منحنی هیسترزیس نامیده می شود (شکل ۲-۱). بزرگی و کوچکی سطح حلقههای این منحنی نشانگر ظرفیت اتلاف انرژی از طریق تغییر شکل میباشد.]۵[
شکل۲-۱ : منحنی هیسترزیس
عواملی نظیر مصالح بکار رفته، جزئیات و ابعاد طراحی، نوع سیستم سازهای و اتصالات در رفتار چرخهای سازهها ( منحنی هیسترزیس ) مؤثر میباشند.]۵[
