X
تبلیغات
همه رشته عمران - میراگرها ۱

برای دریافت این مقاله بصورت کامل می توانید تنها با پرداخت 17000 تومان از این مقاله 170 صفحه ای استفاده کافی و وافی را ببرید . این مقاله بصورت فایل وورد می باشد و ضمانت شده است .

برای مطرح کردن تقاضای خرید می توانید با ایمیل  image preview  مکاتبه نمائید .

 


فصل اول:

 مقدمه ........................................................................................................................................5

1-1)         ميراگر چيست ..............................................................................................................6

1-2)         مروري بر ديناميک ساز ................................................................................................6

فصل دوم :

 ميرايي و انواع ميراگرها

2-1) انواع ميرايي .....................................................................................................................9

2-1-1) ميرايي خارجي ويکسوز (لخت)................................................................................... 9

2-1-2) ميرايي داخلي ويکسوز (لخت) .....................................................................................9

2-1-3) ميرايي اصطکاکي ........................................................................................................9

2-1-4) ميرايي هيترزيس...........................................................................................................9

2-1-5) ميرايي تشعشعي ..........................................................................................................10

فصل سوم :

 انواع سيستم هاي اتلاف انرژي

3-1) سيستم غيرفعال.................................................................................................................11

3-2) سيستم نيمه فعال...............................................................................................................11

3-3)  سيستم فعال.....................................................................................................................11

3-4)سيستم دوگانه...................................................................................................................11

فصل چهارم :

 انواع ميراگرها به عنوان عامل اتلاف انرژي غير فعال

4-1) ميراگر فلزي تسليم...........................................................................................................12

4-2) ميراگرهاي ويسکو الاستيک ...........................................................................................12

4-3) ميراگرهاي اصطکاکي ....................................................................................................13

4-4)ميراگزهاي مايع لزج ........................................................................................................14

4-5)ميراگر جرم هماهنگ شده................................................................................................15

4-6)ميراگر سيال هماهنگ شده...............................................................................................16

فصل پنجم    

ارزيابي رفتار لرزه اي ساختمانهاي بتني مسلح مقاوم شده با ميراگر فلزي جاري شونده براساس تحليل ديناميکي غير خطي.............................................................................................................................................18

فصل ششم 

 مقاوم سازي ساختمانهاي فلزي موجود...........................................................................................23

فصل هفتم     

مطالعه لرزه اي يک ساختمان بلند مجهز به ميراگرهايADAS........................................................35

 

فصل هشتم

استفاده از ميراگرهاي متاليک ADASوTADASدر مقاوم سازي ساختمان ها............................43 

فصل نهم   

طراحي و مقاوم سازي لرزه اي ساختمانها با استفاده از ميراگرهاي ويسکو الاستيک........................50

فصل دهم

رفتار ميراگرهاي ويسکوالاستيک در ساختمانهاي متداول در ايران.................................................57

فصل يازدهم

ارزيابي طيف طرح بار لغزش و نگرشي بر طراحي سيستم ميراگر اصطکاکي پال در تحليل خطي و مقايسه ان با تحليل ديناميکي غير خطي ...............................................................................................................64

فصل دوازدهم

  بررسي عملکرد سيستم ترکيبي ميراگرهاي ويسکو الاستيک و اصطکاکي در برابر زلزله هاي حوزه         نزديک..........................................................................................................................................76

فصل سيزدهم  

ميراگرهاي سيال لزج .....................................................................................................................83

فصل چهاردهم 

  کنترل پاسخ لرزه اي سازه ها با استفاده از ميراگر جرم هماهنگ شده.....................................................92

فصل پانزدهم   

نقش ميراگرهاي جرمي در سازه ها در زلزله و باد.............................................................................95

فصل شانزدهم

بررسي اثر تغيير جايگاه ميراگرهاي جرمي در پاسخ لرزه اي ساختمانهاي بتن مسلح............................103

فصل هفدهم     

مثال هايي از سيستم‌هاي ميراگرهاي جرمي تنظيم شده موجود...........................................................114

 

فصل هجدهم     

کنترل پاسخ لرزه اي سازه ها با استفاده از ميراگر مايع هماهنگ شده..................................................123

فصل نوزدهم

 بررسي تجربي ميراگر مايعي (TLD) جهت کاربرد در سازه ها .........................................................131

فصل بيستم  

بررسي اثر ميراگرهاي مايع در کاهش جابه جايي سازه ها..................................................................138

 

 

فصل اول:

مقدمه

با توجه به زلزله هاي اخير کشور و غير مقاوم بودن بخش وسيعي از ساختمان هاي موجود در کشور و با توجه به اهميت زياد و مسئله مقاوم سازي ساختمانها درمقابل لرزه هاي نيرو هاي لرزه اي و طراحي بهينه ساختمان ها در مقابل زلزله ، بحث جديدي که در سالهاي اخير ميان دانشمندان علوم ژئو تکنيک و مهندسين طراح سازه ها مطرح شده است طراحي نوع جديدي از ساختمانها است که شامل يک سيستم مهاربند لرزه اي باشند که فقط در مقابل ارتعاشات مختلف ناشي از زلزله عمل نموده و در تحمل بارهاي استاتيکي هيچ نقشي نداشته باشند که اين مسئله باعث ساده سازي پيش بيني رفتار سازه تحت بارگذاري لرزه اي مي شود .

با تعريف اعضا جديدي در سازه با نام ميراگر (Damper) که عامل اتلاف انرژي لرزه اي وارد به ساختمان هستند و به کار بستن انها در ساختمانها مي توانيم يک ساختمان بهينه سازي شده داشته باشيم که در مقابل انواع بار هاي ديناميکيناشي از زلزله رفتاري مناسب و مطلوب از خود ارائه مي دهد .

با پيشرفت علم مهندسي عمران و شروع طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله و مقاوم سازي ساختمانهاي موجود ، ايده هاي مختلفي توسط صاحبان عقيده در اين مورد بيان شده . تحقيقات بسيار وسيعي در کشورهايي نظير ژاپن ، نيوزلند و ايالات متحده انجام شد و نتيج اين تحقيقات در قالب ايده اي جديد مقاوم سازي لرزه اي ساختمانها اعلام شد . در اين روشها که از اوايل دهه 1960 پايه ريزي شد ، ممانعت از لرزش ساختمانها در هنگام زلزله در رأس کار قرار داشت . سيستم هايي که ارائه شد ، بر اين پايه استوار بودند که سازه را در مقابل زلزله جداسازي کنند .

هدف اصلي در اين روشها جلوگيري از انتقال مستقيم نيروي زلزله از پي به سازه مي باشد . در اين روشها اگر درست اجرا شوند مي توانيم نتايج قابل قبولي داشته باشيم که مزيت اصلي اين شيوه در مقابل شيوه هاي معمول مقاوم سازي از قبيل نصب بادبندها – قابهاي خمشي – ديوارهاي برشي و .... که همگي در صلب کردن بيشتر سازه ها در مقابل نيروهاي زلزله تلاش مي منند مي باشد . در اين روش چون نيروي زلزله به سازه وارد نمي شود و يا سهم اندکي از آن به سازع منتقل مي شود نتايج زير را مي توان انتظار داشت :

-         تغيير مکان  طبقات و تغيير مکانهاي نسبي طبقات (drift) کاهش يابد

-         کاهش قابل ملاحظه اي در شتاب طبقات بوجود ايد

-         خسارات سازه اي و نيز خسارات غير سازه اي به مقدار محسوس کاهش يابد

-         از مشکلات معماري در طراحي ساختمانها کاسته شود .

-         هزينه اجراي سازه ها بدليل استفاده از مقاطع با ظرفيت کمتر کاهش يابد .

همان طور که گفته شد اولين تلاشها در اين زمينه از اوائل دهه 1960 ميلادي صورت گرفت در اين زمان سيستمهاي انتخاب شده براي جداسازي لرزه اي بسيار محدود بودند اين سيستمها شامل ميراگرهاي تير فولادي و قطعات لاستيک لايه اي که در پي ساختمان نصب مي شوند بودند . در همان زمان با تحقيق در رفتار فلزات سيستم جديدي که بر پايه رفتار پلاستيک سرب بنا شده بود معرفي شد که انرا سيستم ميراگر سربي – تزريقي ناميدند و اولين بار در پل تقاطع يکي از خيابانهاي نيوزلند استفاده شد . روش منطقي ديگري که همزمان پيشنهاد شد استفاده از تغيير شکل پلاستيک تيرهاي فولادي براي ايجاد ميرايي داخلي لخت در ساختمان بود . اين روش در سال 1966 توسط پوپوف ارائه شد . اولين ميراگرهاي تيري فولادي که نسبت به اعضاء فولادي ديگر مقاومت بيشتري در مقابل پديده خستگي دارند با تلاشهايي که توسط کلي و هکاران در سال 1972 اسکينر 1974 و تيلور و همکاران در سال 1991 معرفي شدند . اصولا سه نوع ميراگر تير فولادي در ان سالها ارائه شد که عبارت بودند از ميراگرهاي پيچيشي – ميراگرهاي تيري با مقطع متغيير و ميراگرهاي با لنگر يکنواخت . در همه اين ميراگرها با استفاده از فولاد مناسب تر و شکل مناسب تر تيرها و جوشکاري در محلهايي دور  از ناحيه تغيير شکل پلاستيک ميرايي قابل قبولي حاصل مي شد .

بررسي ديگري در سالهاي 1994 و 1995 توسط دانشمندان ژاپني صورت گرفت که در انها با انجام ازمايشات مختلفي روي ميراگرها و رسم منحني هسيترزيس انها اقدام به پايه ريزي سيستمهاي اتلاف انرژي کردند . تلاشهاي ديگري نيز در اين زمينه توسط محقيقن ژاپني و امريکايي و نيزلندي انجام شده است .

1-1            ) ميراگر چيست :

اصلاً در مورد همه ي مواردي که در طبيعت وجود دارند يکي از خصوصيات ذاتي ماده ، ميرايي ماده مي باشد. همانطور که با دانستن ضريب الاستيستيه يک ماده مي توانيم محاسبات مربوط به مصالح تشکيل شده از ان ماده را انجام دهيم ، با دانستن ميرايي يک ماده نيز مي توانيم به تحليل دقيقتري از سيستم هاي متشکل از ان ماده دستيابي کنيم . با توجه به اينکه ميرايي داخلي (که به جنس ماده بستگي دارد) در جامدات تحت تاثير عوامل مختلفي نظير تاثيرات حرارتي ، پديده خستگي و پديده باوشينگر تغيير مي کند براي اينکه بتواني مصالح با ميرايي معلوم داشته باشيم بايستي تاثيرات اين عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل برسانيم . روشهاي مختلفي براي توليد مصالح داراي ميرايي معلوم که اصطلاحاً ميراگر ناميده مي شوند ، وجود دارد که ذيلاً به بررسي انواع اين روشها و نشان دادن ميراگرهاي توليد شده به وسيله ي اين روشها مي پردازيم البته با توجه به اينکه ميراگرها به عنوان عوامل اتلاف انرژي زلزله در سازه ها استفاده مي شوند لازم است ابتدا توضيح مختصري پيرامون انواع کلي سيستمهاي اتلاف انرژي داده شود .

1-2  مروري بر ديناميک سازه :

 با توجه به اينکه نيروهاي ديناميکي ناشي از بارهاي وارده به سازه باعث ايجاد ارتعاش در سيستم مي شود . بايستي سيستم را مورد تحليل قرار داده و به بيان نحوه ارتعاش سيستم به زلزله بپردازيم .

اگر سازه را به عنوان يک سيستم يک درجه آزادي در حالت کلي در نظر بگيريم مي توانيم از طريق فرمول ارتعاشات سيستم يک درجه آزادي را مورد تحليل قرار داده و انرا مقاوم سازي کنيم سپس با تصميم نتايج بررسي براي سيستم چند درجه ازادي يک حالت کلي داشته باشيم که بتوانيم از طريق ان هر سيستم ديگري را تحت تحليل قرار مي دهيم  .

سيستم يک درجه ازادي (SDOF) متناظر با شکل I را در نظر مي گيريم . در اين سيستم که جرم m به صورت متمرکز در مرکز جرم ان در نظر گرفته شده و هرکدام از ستونها نيروي لاستيک 2/k را که از قانون هوک پيروي مي کند که به جرم وارد مي کنند ضريب ميرايي لخت (لزج) C توسط اتلاف کننده به سيستم اعمال مي شود .

 

 به اين ترتيب اگر جا به جايي اوليه x به سيستم اعمال شود نيروهاي زير به سيستم وارد مي شود .

(t)P : نيروي ديناميکي خارجي اعمال شده به سيستم را در اينجا بوسيله تابعي از زمان بيان مي کنيم

KX- : نيروي لاستيک فنر تابع قانون هوک (k مجموع دو نيروي لاستيک 2/k هر کدام از ستونهاست)

                       : دز اينجا c ضريب ميرايي لخت است که بيانگر نيرو به ازاي سرعت و در خلاف جهت جا به جايي مي باشد . به اين ترتيب نيروهاي وارده بر جسم طبق قانون دوم نيوتن مجموع جبري اين نيروها باعث ايجاد   شتاب در جرم جسم خواهد شد .

 

در    اينجا                      معرف نيروهاي اينرسي ايجاد شده در جرم جسم است.

 

از ديدگاه بسيار کلي سيستم اخير در هنگام بروز زلزله تحت اثر شتاب زمين Xg قرار مي گيرد .

در  اين  حالت  نيروهاي اينرسي  به  صورت                           بيان مي شوند و رابطه i به فرم زير در مي ايد :

رابطه 2:

 

با اندکي دقت در رابطه اخير و تعميم ان براي سازه ها و سيتم هاي مختلف متوجه مي شويم که هرچه شتاب xg (شتاب ناشي از نيروهاي زلزله) مقدار بزرگتري را اختيار کند . براي برقراري تعادل شتاب سيستم x نيز بالا مي رود که پديده اي مخرب در سازه مي باشد پس بايستي براي جلوگيري از اين مسئله به وسيله تغيير دادن ضرائب c , m  ,k تعادل رابطه 2 را براي مقادير بالايي از xg حفظ نماييم .

چون جرم m در دو طرف تساوي وجود دارد کم و زياد کردن آن نقشي در تعادل رابطه ايفا نمي کند پس به دو روش زير مي توانيم تعادل رابطه را برقرار کنيم .

1-    بالا برن سختي سيستم (k) :

در اين روش که روشي متعارف باشد بوسيله اضافه کردن اعضاء سخت

کننده سيستم سعي در بالا بردن سختي مي شود .

2-    بالا بردن ميرايي سيستم (C) :

در اين حالت مي توانيم از روشهاي گوناگوني استفاده کنيم . اين روش را در ادامه شرح داده و به بيان مزايا و معايب ان در مقايسه با روش اول مي پردازيم .

 

 

فصل دوم :

ميرايي و انواع ميراگرها

 

با توجه به اينکه هر سازه يا سيستم سازه اي ، به تناسب شکل و اجراي تشکيل دهنده ي آن داراي ميرايي خاص خود مي باشد ابتدا بايستي انواع ميرايي را شناخته و سپس درباره اعضايي که اين انواع ميرايي را تامين مي کنند بحث کنيم .

2-1) انواع ميرايي :

ميرايي سازه ها تحت تحريکات زلزله به صورت ترکيبي از ميرايي خارجي ويسکوز (لخت) ، ميرايي داخلي ويسکوز (لخت) ، ميرايي اصطکاکي ، ميرايي هيستريزيس و ميرايي تشعشعي مي باشد که در زير ، اين انواع ميراي را شرح مي دهيم .

2-1-1) ميرايي خارجي ويسکوز (لخت) :

نوعي از ميرايي است که توسط هوا ، آب و شرايط محيطي اطراف يک سازه بوجود مي ايد . و در طرف مقايسه با انواع ديگر ميرايي ها بسيار کوچک و در اکثر اوقات با تقريب خوبي قابل صرف نظر است .

2-1-2) ميرايي داخلي ويسکوز (لخت) :

اين ميرايي حاصل خاصيت ويسکوزيته (لختي) ماده بوده و متناسب با سرعت است به نحوي که نسبت ميراي متناسب با فرکانس طبيعي ساختمان افزايش مي يابد . ميرايي داخلي لخت به سادگي و عمدتاً در در روابط i و ii در تحليل ديناميکي مي تواند منظور شود . اين نوع ميرايي غالباً براي ارائه هر نوع ميرايي ديگر به کار مي رود و معروفترين نوع ميرايي است.

2-1-3) ميرايي اصطکاکي :

اين ميرايي که ميرايي کلمب هم ناميده مي شود به علت وجود اصطکاک در اتصالات و يا نقاط تکيه گاهي پديد مي ايد . بدون توجه به سرعت و جا به جايي ثابت است و بسته به مقدار جا به جايي به دو نحو با ان برخورد مي شود . اگرمقدار جا به جاي ها کوچک باشد به عنوان يک ميرايي داخلي لخت و اگر مقدار جا به جايي بزرگ باشد به عنوان يک ميراي هسترزيس در نظر گرفته مي شود . يک مثال در مورد اين ميرايي راجع به ديوارهاي مصالح بناتي ميانقاب است که در هنگام ترک خوردن ديوار ، اصطکاک جسمي زياد شده و مقاومت موثري در مقابل ارتعاشات به وجود مي ايد . بحث راجع به ميراگرهاي که از اين ميرايي بهره مي گيرند را در فصل آينده بررسي مي کنيم .

2-1-4) ميرايي هيسترزيس :

اين ميرايي هنگامي اتفاق مي افتد که رفتار ماده تحت بار رفت و برگشتي در محدوده الاستيک قرار مي گيرد مساحت چرخه ي هيسترزيس در واقع بيان گر مقدار انرژي اتلاف شده در هر سيکل از بارگذاري مي باشد . همان طور که در شکل II)) مشاهده مي کنيم با تزريق انرژي از نقطه D تا A و حرکت سازه از  D تا A انرژي زير سطح BAE حذف مي شود . با تعميم همين مسئله براي فواصل B تا C و  C تا Dنتيجه مي گيريم که اتلاف انرژي در هر سيکل از بارگذاري معادل سطح ABCDمي باشد .

 

تحليل چگونگي عملکرد اين سيستم و مدل کردن آن از طرق مختلفي لنجام مي شود که بيان آنها نيازمند حجم بالايي از مطالب است .

2-1-5) ميرايي تشعشعي :

هنگامي که يک سازه ساختماني ارتعاش مي کند ، امواج الاستيک در محيط نامتناهي زمين زير ساختمان منتشر مي شود . انرژي تزريق شده به سازه از همين طريق ميرا مي شود . اين ميرايي تابعي از ضريب الاستيک يانگ (خطي) ، نسبت پواسون (U) و چگالي (P) زمين بوده و نيز به جرم بر واحد سطح سازه (A/M) و ضريب سختي به جرم ان (m/k) بستگي دارد .

 

فصل سوم :

انواع سيستمهاي اتلاف انرژي

 

3-1) سيستم غير فعال (Dissipation energy Passive)

در اين سيستم هرگونه واکنش سيستم ، متناسب با مقدار کنش وارده به سيستم مي باشد .

3-2) سيستم نيمه فعال (Semi active Energy Dissipation)

در اين سيستم مي توانيم ميزان واکنش را توسط کنترل کننده هايي مهار کنيم .

3-3) سيستم فعال (active Energy dissapation)

دراين سيستم توسط اعضاء مخصوص که روي سازه نصب مي شوند مي توانيم نيروهايي را به سازه وارد کنيم اين نيروها مي تواند در خلاف جهت نيروهاي مخرب به سازه وارد شده و نقش ميراگر را بازي کنند . کنترل اين سيستم نيازمند محاسبات رياضي پيچيده و کامپيوتر هاي کنترلر دقيق مي باشد .

3-4) سيستم  دوگانه : (Hybrid system)

اصولاً در صورتي که در مهار بندي از دو سيستم فعال و غير فعال به صورت همزمان استفاده مي کنيم ، سيستم دگانه به وجود مي ايد . در نگاه اول ، اين سيستم از همه ي سيستمهايي که تا کنون معرفي کرديم بهتر است اما با دقت بيشتر متوجه مي شويم که مثلاً در صورتي که سيستم کنترل فعال ، نيرويي را در جهتي که به پايداري سازه کمک مي کند به سيستم وارد کند و انرژي اين نيرو توسط سيستم غيرفعال اتلاف شود ، تضادي در سيستم پديدار مي شود . با توجه به جديد بودن مسئله و اينکه دانشمندان زيادي هم اکنون مشغول مطالعه و بررسي موضع هستند ، بررسي بيشتر را به اينده موکول مي کنيم .

ساير سيستمهاي اتلاف انرژي

در مقوله تحليل مکانيکي و طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله ، بحث هاي بسياري مطرح شده است . در زمينه اتلاف انرژي مي توانيم به سيستمهاي جداساز اشاره کنيم که باعث اتلاف زلزله در پي سازه و مانع از ارتعاش سازه مي شوند .

 

فصل چهارم:

انواع ميراگرها به عنوان عامل اتلاف انرژي غير فعال

4-1) ميراگر فلزي تسليم (Metallic yield damper) :

با دانستن ساختمان کريستالي فلزات مختلف مي توانيم رفتار ميرايي اين فلزات را در شرايط بارگذاري تناوبي بررسي نموده و خواص ميرايي مطلوب در محدوده قبل از نقطه تنش تسليم (poin yield t) مشاهده کنيم . مي توانيم با فرم دادن يک قطعه فلز به حالتي که در بارگذاري ديناميکي سازه رفتار ميراي از خود نشان دهد (عموماً به شکل مثلث متساوي الساقين) و قرار دادن ان در محل اتصال اعضاء سازه به يکديگر از اين خاصيت به نحو مطلوب در اتلاف و پراکنده سازي انرژي زلزله استفاده نماييم .

همان طور که در تعريف ميراگر گفته شد بايستي جنس و شکل و محل استفاده اين دسته از ميراگرها را طوري انتخاب کنيم که در طول عمر سازه ، خواص ميرايي انها تحت عوامل مختلف تاپير گذارنده دچار اختلال نگردد .

فلزي که براي ساخت اينگونه ميراگرها به کار مي رود ، عموماً بايستي داراي رفتار مناسب تغيير هيسترزيس ، دامنه خستگي بالا ، استحکام نسبي بالا و عدم حساسسيت زياد نسبت به تغييرات درجه حرارت باشد . اصولا ميراگرهاي فلزي ، با تکيه بر تغيير شکلهاي الاستيک فلز و ميرايي ناشي از اتلاف انرژي به صورت اصطکاک داخلي کريستالها مي شود .

در پايان اين طور به نظر مي رسد که استفاده از اين گونه ميراگرها در سازه به عنوان تنها سيستم مهار بندي داراي ريسک زياد باشد اما به عنوان يک سيستم تکميلي در تعامل با سيستم هاي مهار بندي معمول مي تواند مفيد واقع شوند .

4-2) ميراگرهاي ويسکوالاستيک (Viscoelastic Dampers)

اين گونه ميراگرها از نظر عامليت ميرايي دقيقا مانند ميراگرهاي فلزي عمل مي کنند با اين تفاوت که به دليل ساختمان کوپوليمري يا کريستالي خود و خواص ايزوتروپيکي که دارند در بارگذاري هاي مختلف ، از طريق تغيير شکلهاي برشي باعث اتلاف انرژي مي شوند . اينگونه ميراگرها را عموما طوري در سيستم نصب مي کنند که تنشهاي وارد به انها نوع برشي باشد تا خاصيت ميرايي خود را نشان بدهند . کاربرد عمومي اين گونه ميراگرها در سازه پلهاي بلند مي باشد . اين ميراگرها باعث جلوگيري از ايجاد پديده مخرب تشديد در ساختمان پل شده و مانع از تخريب پل در اثر بارهاي باد مي شود . اين گونه ميراگرها اکثر ميراگرهاي ديگر به دليل تاثير گذاري عوامل مختلف روي ميزان ميرايي از تاريخ مصرف برخوردارند و در پايان تاريخ مصرفشان بايستي تعويض شوند . ممکن است در طول عمر يک سازه ، چندين بار تعويض ميراگرها صورت گيرد که بزرگترين نقطه ضعف اينگونه ميراگرها همين امر مي باشد شکل شماتيکي و نمودار رفتار هيستر زيس نمونه اي از .

 

4-3) ميراگرهاي اصطکاکي (Friction Dampers)

خواص ميرايي يک ماده ، همان طور که گفته شد جزيي از ذات ماده مي باشد که با بوجود امدن برخي شرايط و تحت تاثير برخي از پديده ها ، دچار اختلال مي شود . در صورتي که اين اختلال براي سيستمي که ميراگرهايي با خواص ميرايي دروني در ان وجود دارند ايجاد شود ، سيستم دچار اشکال مي شود که اين مسئله بزرگترين نقطه ضعف ميراگرهاي ويسکوالاستيک و متاليک مي باشد .

با تحقيقات نسبتاً خوبي که در سال 1980 توسط پال و همکاران صورت گرفت طرحي جديد که بيانگر نسل جديد سيستمهاي اتلاف انرژي غير فعال بود ارائه شد . در اين سيستم ميرايي توسط اصطکاک خطي موجود ميان ورقه هاي فلزي روي هم سوار شده به وجود ميايد اين نوع از ميراگرها به دليل اينکه به خصوصيات دروني ماده بستگي ندارد مي توانند حالتي ايده آل باشند که با دانستن فاکتور اصطکاک خطي موجو ميان سطوح مختلف ، ضرايب ميراي ميراگرها را حاصل مي کند . به عنوان اولين ميراگر سازه اي تجارتي شرکت هاي آمريکايي اقدام به طراحي و ساخت انواع مختلف اين ميراگرها نمودند که بسته به تقاضاي مشتري در نقاط دلخواه از سازه قابل نصب مي باشد . اين دسته از ميراگرها به دليل اينکه طول عمري تقريباً برابر با اعضائ سازنده دارند ، مشکل تعويض و خرابي را نيز تا حدود قابل قبولي مرتفع کرده اند .

در شکل (IV) انواع مختلف اين ميراگرها را مشاهده مي کنيم . ميرايي در کليه اين ميراگرها از طريق ايجاد اصطکاک مابين ورقه هاي متصل به هم پين به وجود مي ايد اين پديده اولين بار توسط پال در سال 1980 تدوين و ارائه شد . مهمترين ويژگي ميراگرهي اصطکاکي اين است که مي توانيم توسط انها انواع ديگر ميراگر را شبيه سازي و مدل کنيم . .

 

الف. ميراگر نصب شده به پايه پل راه اهن شهري در نيوزلند .

ب. ميراگر طراحي شده براي استفاده

ج. نوعي ميراگر مناسب جهت استفاده در محل اتصال تير به ستون .

د. ميراگر اصطکاکي مخصوص نيروهاي برشي .

ه. نوع جالبس از ميراگر اصطکاکي .

و. ميراگر مناسب براي استفاده در سازه هاي حساس .

4-4) ميراگرهاي مايع لزج (Viscous fluid Damper)

ايده اين دسته از ميراگرها نيز همان طور که ايده ميراگرهاي اصطکاکي از ترمز اتومبيل گرفته شده است از اتومبيل سرچشمه مي گيرد . سيستم تعليق اتومبيل از يک نفر و يک کمک فنر (ميراگر) استفاده مي کند که در تعامل با يکديگر ، ضربان وارده به اتومبيل از سوي زمين را جذب و انرژي استفاده مي کند که در تعامل با يکديگر ، ضربات وارده به اتومبيل از سوي زمين را جذب و انرژي انها را اتلاف مي کنند . اگر ستونهاي يک سازه را به عنوان فنر در نظر بگيريم ، در واقع با ايجاد کمک فنر (ميراگر) در کنار انها مي تونيم انرژِي وارده به سازه در اثر زلزله را اتلاف کنيم .

ساختمان ميراگرهاي مايع لزج عموماً از يک پيستون و يک سيلندر تشکيل شده است مايع لزج داخل سيلندر توسط پيستون فشرده مي شود ، با توجه به اينکه درون پيستون ، سيلندر ديگري وجود دارد . که به وسيله سوراخهاي ريزي مي تواند مايع را به درون پمپ کند ، با اعمال فشار به سيستم مايع لزج با سرعت کمي بين دوسيلندر مبادله مي شود و مقدار زيادي انرژي را اتلاف مي کند . ساختمان کلي اين ميراگرها در شکل (V) نشان داده شده است . استفاده از اين نوع ميراگر مدتي است که در کشورهاي آمريکا و نيوزلند و ژاپن در ساختمانهاي مختلف رايج شده است .

لازم به ذکر است که اين ميراگر حساسيتي نسبت به تغييرات حرارتي نداشته و به دليل عدم دارا بوده و ساختمان جامد مورد اثر پديده هاي خستگي و اثر باوشينگر قرار نخواهد گرفت اما طول عمر آن نسبت به طول عمر سازه کم است .

 

شکل (V) . ساختمان ميراگر سيال لزج

4-5) ميراگر جرم هماهنگ شده (Tuned mass damper)

در اين ميراگر ، سازه و ميراگر نقش يک سيستم دو قسمتي را باز مي کنند . جرم ميراگر ، روي سازه قرار مي گيرد ولي ميراگر توسط غلتک هايي مي تواند در جهت افقي حرکت آزادانه داشته باشد . در هنگام زلزله ، طبق رابطه زير ، نيروي جديدي توسط ميراگر در جهت ميراسازي انرژي زلزله به سيستم اعمال مي شود .

 

4-6) ميراگر سيال هماهنگ شده (Tuned liquid dampers)

با توجه با حالت سختي و رفتار مايع سيالات ، اگر يک ظرف بزرگ محتوي يک سيال سخت را روي سازه قرار دهيم با ارتعاش سازه ، مقدار زيادي انرژي توسط رفتار لخت سيال و نيروهاي هيدرو ديناميکي ناشي از ان اتلاف مي شود .

اکنون با شناختي از انواع ميراگرها و نحوه عملکرد آنها داريم مي توانيم در جهت تدوين سيستمهايي که بر مبناي اين اصول بنيادين طراحي مي شوند گام برداريم .

 

 

 

فصل پنجم:

ارزيابي رفتار لرزه اي ساختمانهاي بتني مسلح مقاوم شده با ميراگر فلزي جاري شونده براساس تحليل ديناميکي غير خطي

کليات :

از تجربيات به دست امده در زلزله هاي گذشته ، چنين به نظر مي رسد که بسياري از سازه هاي بتني مسلح کشورمان در برابر زلزله ، اسيب پذير مي باشند . يکي از روشهاي متداول در مقاوم سازي سازه هاي موجود ، استفاده از ميراگرهاي جذب انرژي است . به کارگيري ميراگرهاي فلزي جاري شونده در نواحي لرزه خيز جهان به دلايلي چون کارائي مناسب ، عدم حساسيت به حرارت و عوامل محيطي ، رفتار مطمئن و پايدار و مقاومت مطلوب ، مورد توجه قرار گرفته است .

در اين قسمت به منظور ارزيابي رفتار لرزه اي ساختمانهاي بتني مسلح مجهز به ميراگرهاي فلزي جاري شونده از سه ساختمان با تعداد طبقات مختلف استفاده شده است . ساختمانهاي مذکور به گونه اي که در برابر بارگذاري جانبي ، ضعيف باشند ، طراحي شده و سپس ميراگر فلزي جاري شونده (TADAS) براي مقاوم سازي آنها طراحي و مورد استفاده قرار گرفته است . آنگاه رفتار لرزه اي ساختمانهاي فوق در دو حالت با ميراگر و بدون آن مقايسه شده است . بررسي انجام شده عمدتاً براساس تحليل هاي غير خطي تاريخچه زماني مي باشد

براي تحليل خسارت از شاخص خسارت پارک وانگ که بر مبناي تغيير شکل حداکثر اعضا و انرژي هيسترتيک تلف شده انها مي باشد ، استفاده شده است . مطالعات انجام شده بيانگر ان است که ميراگرهاي فلزي جاري شونده عمدتاً باعث بهبود رفتار لرزه اي و کاهش پاسخهاي ديناميکي ساختمانهاي مجهز به انها مي گردند و همچنين شاخصهاي خسارت را نيز اکثراً کاهش مي دهند . به نظر مي رسد استفاده از اين نوع ميراگرها براي مقاوم سازي ساختمانهاي بتني بلندتر و به ازاي شدتهاي بالاتر مناسبتر باشد .

کشور ايران يکي از مناطق لرزه خيز دنيا مي باشد و در سالهاي گذشته زلزله هاي بزرگ و ويرانگري را تجربه کرده است . نياز به مقاوم سازي لرزه اي ساختمانهاي موجود ، امري است که توجه جدي و گسترده مالکان و مهندسان را طلب مي کند . يکي از روشهاي مرسوم و مناسب در مقاوم سازي لرزه اي ساختمانها استفاده از ميراگرهاست . ميراگرها اجزايي هستند که اغلب به منظور افزايش ميرايي و مستهلک نمودن انرژي زلزله مورد استفاده قرار مي گيرند . تحقيقات متعدد تحليلي و ازمايشگاهي نشان مي دهد که ميراگرها مي توانند بخ طرز موثري تغيير مکانهاي ناشي از زلزله را کاهش دهند . بدين صصورت عملکرد بيشتر اعضاي باربر سازه ، در محدوده ارتجاعي باقي مي ماند . پذيرفتن تغيير شکلهاي غير ارتجاعي که ائين نامه هاي طراحي بواسطه شکل پذيري سازه ها مجاز مي دانند ، به مفهوم ايجاد خسارت قابل توجه در اعضاي سازه اي و غير سازه اي مي باشد . لذا به کار گيري ميراگرها مي تواند عامل کاهش خسارت از هر دو جنبه سازه اي و غير سازه اي باشد و اين مسئله در کاهش هزينه مقاوم سازي سازه هاي آسيب ديده از زلزله ، تاثير بسزايي دارد .

ميراگر فلزي جاري شونده يکي از انواع ميراگرهاي فلزي است که به علت خواص مطلوبي چون کارايي مطلوب ، عدم حساسيت به حرارت و شراسط محيطي ، رفتار پايدار و مطمئن و مقاومت مناسب ، مورد توجه قرار گرفته است .

ميراگر (Triangular Added Damping & Stiffness)TADAS يکي از انواع ميراگرهاي فلزي جاري شونده است که از صفحات مثلثي موازي يکديگر ، تشکيل شده است. شرايط مرزي صفحات به گونه اي است که جلوي کمانش را در زير بار قائم گرفته مي شود . تصوير اين ميراگر و رفتار هيسترتيک ان در شکل (1) آمده است .

در مورد به کار گيري ميراگرها در سازه هاي فولادي ، تحقيقات متعددي انجام گرفته است ولي اين موضوع در سازه هاي بتني مسلح نياز به بررسي هاي بيشتري دارد ، لذا در اين بخش گوشه هاي از ان پرداخته مي شود .

 

 2)شرح ساختمان وطراحي ميراگر

در اين بخش به منظور ارزيابي آسيب پذيري سازه هاي بتني مسلح داراي ميراگرهاي فلزي جاري شونده از مدل سه ساختمان بتني مسلح با تعداد طبقات مختلف (4 ، 7 و 10 طبقه) استفاده شده است .

فرضيات به کار رفته در طراحي و مقاوم سازي انها به صورت يکسان انتخاب گرديده است تا نتايج تحليل هاي هرچه بيشتر قابل قياس  باشند . اين ساختمانها مشابه ساختمانهاي متداول در ايران هستند . ظرفيت باربري جانبي انها کمتر از ضوابط آئين نامه طراحي لرزه اي ايران (2800) لحاظ شده است تا ضرورت مقاوم سازي انها بديهي باشد . طراحي اعضاي بتن ارمه بر اساس ضوابط آئين نامه ACI صورت گرفته است .

تغيير مقطع اعضا در هر دو طبقه يکبار انجام گرفته است و فقط سه طبقه فوقاني سازه 7 طبقه ، مقاطع يکساني دارند . مدل اين سازه ها در شکل (2) قابل مشاهده است .

 

براي طراحي ميراگرها روشهاي گوناگوني پيشنهاد شده است . در اين پژوهش ، روش پيشنهادي تساي و همکاران جهت طراحي ميراگر TADAS بکار گرفته شده است [4و5] . در اين روش سختي المان ميراگر (Ka) و تغيير مکان تسيليم ان (∆y1)

Ka = SR . Kf                                                                                 (1)    

 (2)                                                  1+SR.SHRA) ∆y1=1+((1+SR)(U-1)/ / ∆y2

در اين روابط ، SR نسبت سختي افقي المان ميراگر به قاب تنها ، Kf سختي جانبي طبقه ، ∆y2 تغيير مکان تسليم قاب تنها ، U نسبت مقاومت و SHRA نسبت سخت شدگي پس از تسليم مي باشد .

3-    تحليلهاي غير خطي

تحليل آسيب پذيري ساختمانهاي انتخابي به کمک نرم افزار IDARC2D نگارش چهار انجام گرفته است . اين نرم افزار با در نظر گرفتن مدلهاي ماکرو براي المان هاي ستون، تير ، ديوار برشي ، ستون لبه و تير عرضي ، قادر به مدلسازي انواع سازه هاي بتني مسلح بوده و مي تواند پاسخهاي دقيق تري نسبت به ساير نرم افزارهاي غير خطي همچون DRAIN و SAFE ارائه نمايد[6و7] . نگارش هاي جديد اين برنامه داراي توانايي هايي چون تحليل استاتيکي غير خطي ، تحليل ديناميکي غير خطي ، تحليل شبه استاتيکي و شبه ديناميکي ، مدل سازي انواع ميراگرها ، ديوارهاي پر کننده ، اثراتP-∆ ، محاسبه شاخص هاي خسارت و توانايي هاي ديگر مي باشد .

براي ارزيابي اسيب پذيري ساختمان ها از تحليل غير خطي تاريخچه زماني استفاده شده است . اين تحليل ها شامل هرسه ساختمان و هر دو حالت با ميراگر و بدون ان مي باشد . به اين منظور از مولفه افقي شتابنگاشت هاي سه زلزله ي طبس ، ناغان و السنترو و با شتاب هاي حداکثر زمين نرمال شده به مقادير 0/50g , 0/35 g , 0/20g , 0/05g استفاده گرديده است . اثرات بارهاي ثقلي p-∆ نيز ملحوظ شده است .

مدلي که براي بيان رفتار المان ها مورد استفاده قرار مي گيرد ، مدل سه پارامتري است . اين مدل توانايي توصيف مناسب طيف وسيعي از المان هاي بتني را دارا مي باشد . پارامترهايي که در اين مقاله به کار رفته اند مقادير متوسط پيشنهاد شده در راهنماي نرم افزار است که معرف ميزان متوسط در زوال سختي ، زوال مقاومت و باريک شدگي مي باشد . مدل سازي رفتار ميراگر فلزي جاري شونده نيز توسط مدل هموار ون – بوس انجام گرفته است [7] .

تاريخچه زماني پاسخ تغيير مکان جانبي بام در شتاب 0/35 g براي سازه هاي با ميراگر و بدون ان در شکل (3) آورده شده است . در اينجا اثر ميراگر در کاهش پاسخ تغيير مکان ملاحظه مي شود . مشاهده مي شود که تاثيرات جالب توجهي در پاسخ سازه مجهز به ميراگر ، نسبت به حالت بدون ميراگر به وجود امده است . پاسخ سازه هاي داراي ميراگر ، کاهش يافته اند و اين کاهش در سازه بلندتر محسوس تر است .

پريود سازه هاي داراي ميراگر نيز کوچکتر شده است که علت ان ، اثر ميراگر در افزايش سختي مي باشد . سازه هاي بدون ميراگر نه تنها پريود بزرگتري نشان مي دهند، بلکه در طي رخ داد زلزله ، خسارت قابل توجهي مي بينند و نرم تر مي شوند . اين مطلب باعث به وجود امدن سيکل هاي بازتر در ميانه بار گذاري مي گردد . اثر خسارت ديدگي در منتقل شدن محور نوسان به خطي فرضي موازي با محور افقي نيز تا حدي مشاهده مي شود ، که دليل بر به وجود امدن تغيير مکان ماندگار در سازه هاست . اين مطلب باعث بزرگتر بودن پاسخ در انتهاي بارگذاري نيز شده است .

 

 

تغيير مکان حداکثر طبقات و تغيير مکان نسبي حداکثر انها در PGAهاي مختلف در شکل هاي (4) و (5) ارائه شده است . ان گونه که از اين شکلها پيداست تغيير شکلها با افزايش PGA افازيش يافته است . در اينجا تاثير ميراگر در کاهش تغيير شکلها واضح تر است . اين اثر در سازه هاي بلندتر ، بيشتر است و با بالا رفتن PGA موثر تر مي کگردد ، و نيز در طبقات مياني ، مطلوب تر است . حتي در PGA برابر 0/05 g اندکي افزايش تغيير مکان نسبي حداکثر مشاهده مي شود که دليل بر فعال نشدن ميراگرها مي باشد . جالب توجه ان است که تغيير مکان حداکثر بام در هيچ يک از حالات ، بالا نرفته است . در نهايت به نظر مي رسد تغيير مکان هاي نسبي حداکثر در سازه هاي مجهز به ميراگر ، يکنواخت تر شده است .

 

مقادير شاخص کلي خسارت پارک و انگ در شکل (6) ملاحظه مي شود . مطابق شکل ، تاثير ميراگر در کاهش شاخص خسارت کلي سازه ها و خصوصا در PGA بالا جالب توجه و مطلوب است . اين کاهش در سازه هاي بلندتر ، بهتر از سازه 4 طبقه است . در PGA برابر 0/20 g بهبود شاخص خسارت در سازه 4 و 7 طبقه وجود دارد ، ولي در سازه 10 طبقه منحصر به زلزله ناغان است . اين مطلب ، وابستگي چگونگي تاثير ميراگر در شاخص خسارت به محتوي فرکانسي را نشان مي دهد . اين اثر در PGA برابر 0/0 5 g بيشتر شده است و در سازه 4 طبقه ، کمتر ، در سازه 7 طبقه اندکي بيشتر و در سازه 10 طبقه بيشتر است . ولي باز هم در زلزله ناغان ، هيچ افزايشي مشاهده نمي شود . لذا مي توان گفت که در اين پديده محتوي فرکانسي زلزله ، نقش به سزايي دارد [8] .

 

فصل ششم

مقاوم سازي ساختمانهاي فلزي موجود يا ميراگرهاي ADAS

کليات : با توجه به افزايش روز افزون دانش لرزه خيزي و به تبع ان نياز به اصلاح ضوابط و مقررات ايين نامه اي و از طرف ديگر انبوه سازه هايي که بر اساس ضوابط ايين نامه هاي قديمي طراحي و اجرا شده اند ، بررسي رفتاري و تحقيق درباره نياز اين سازه ها به مقاوم سازي لازم و ضروري به نظر مي رسد . از طرفي مقاوم سازي ساختمانهاي مذکور با روش هاي معمول مانند استفاده از باد بند ، مستلزم مصرف هزينه هاي بالا و در نوع خود داراي مشکلات اجرايي است که باعث کاهش انگيزه هاي مقاوم سازي در جامعه خواهد شد . در اين بخش بررسي مشکلات موجود در ساختمانهاي طراحي شده با ايين نامه 2800 قديم و مقاوم سازي انها با استفاده از ميراگرهاي ADAS (سختي و ميرايي افزوده) يک بار ديگر با استفاده از مهار بند و سپس مقايسه رفتاري قاب هاي مقاوم سازي شده با اين دو روش انجام شده است . به منظور بررسي دقيق عملکرد لرزه اي قاب ها ، تحليل تاريخچه زماني غير خطي انجام و ضريب رفتار قاب هاي مقاوم سازي شده با ميراگرهاي ADAS محاسبه شده است . قاب هاي مورد مطالعه از نوع قاب ساده همراه با مهاربندي با تعداد دهانه و طبقات متفاوت است . پس از انجام مطالعات و تحليل ها ، بهبود چشمگيري در عملکرد لرزه اي قاب هاي مورد مطالعه نسبت به قاب هاي اوليه مشاهده شد و نتايج حاصل از حاکي از برتري روش استفاده از ميراگرهاي ADAS نسبت به روش تقويت به وسيله مهاربند است .

تفکر کنترل ارتعاشي ورودي به سازه و پاسخ آن ، تغييراتي اساسي را در روند معمول مقاوم سازي سازه ها در برابر زلزله ايجاد کرده است . در اين تفکر به جاي مقاوم سازي سازه به عنوان تنها راه ، وسايل و امکانات جنبي نصب مي شوند تا همراه با سازه و به صورت يک مجموعه در برابر زلزله مقاومت کنند . اين وسيله و امکانات با رفتار خاص خود باعث بهبود پاسخ سازه به هنگام زمين لرزه مي شود .

سيستم هاي کنترل ارتعاش که براي بهبود پاسخ و کنترل خرابي سازه طراحي و نصب شده اند ، به دو دسته کنترل غير فعال و کنترل فعال تقسيم مي شوند . هدف از اين روش ها افزايش ايمني سازه در هنگام زلزله هاي شديد و کاهش خسارت هاي سازه اي و غير سازه اي در زلزله هاي متوسط و به طور کلي دستيابي به عملکرد مطلوب است . از خاصيت جاري شدن فلزها در روش هاي مختلفي براي افزايش کارايي سازه در مقابل زلزله استفاده شده است که از آن جمله مي توان استفاده از سيستم هاي ميراگرهاي ADAS را نام برد در حقيقت با استفاده از اين سيستم ، تخريب بر نقطه اي مشخص از سازه متمرکز شده و موجب بروز خرابي موضعي مي شود . به طور کلي اساس ميراگرهاي تسليمي بر رفتار غير الاستيک استوار است . در اين روش از استهلاک انرژي پسماند براي افزايش ميرايي سيستم استفاده مي شود . سطح زير منحني نيرو – تغيير مکان معرف مقدار انرژي مستهلک شده است .

در زلزله هاي با شدت کم يا متوسط ، سطح زير اين منحني به دليل سختي بالاي اعضا کم است ؛ اما با افزايش شدت زلزله تشکيل حلقه ها  وسعت يافته و ميرايي اضافه مي شود . در اين ميراگرها از خاصيت تغيير شکل فولاد نرمه يا سرب براي جذب انرژي استفاده مي شود .بدين تريتب با افزودن قطعه اي فلزي به سيستم انتقال نيروي حساب شده به ان ، موجب جاري شدن ان در هنگام زلزله و در نتيجه مستهلک کردن مقدار زيادي از انرژي ورودي به سازه مي شود . لذا عمل تخريب بر روي اسکلت روي نمي دهد ؛ بلکه بر روي قطعه اي از پيش تعيين شده روي مي دهد که پس از زلزله نيز قابل تعويض است .

سيستم ADAS معمولا به عنوان بخشي از عضو بادبندي طراحي مي شود و به گونه اي نصب مي شود که تغيير مکان طبقه باعث ايجاد تغيير مکان نسبي و در دستگاه شود .

نمونه اي از اين سيستم در شکل 1 نشان داده شده است . استهلاک انرژي در اين سيستم از طريق تغيير شکل خميري ورق هاي فولاد نرمه در خمش انجام مي شود .

ميراگرهاي ADAS در قالب استفاده از ورق هاي فولادي براي اولين بار در يک نيروگاه هسته اي در امريکا به کار رفت [1] . در تحقيقي که شرکت هاي بکتل پاول و کانتر کويک در سال 1991 انجام دادند ، يک قاب سه طبقه با اتصالات خمشي در جهت بارگذاري و بادبندي در جهت ديگر و يک قاب سه طبقه که با المان هاي ADAS بازسازي شده بود ، مطالعه و خواص مکانيکي سه نوع ميراگر با ورق هاي Xشکل بررسي شد .

 

اضافه کردن سيستم ADAS همراه با بادبندها به روشني نشان داد که اين المان ها باعث افزايش سختي و ميرايي و افزايش ظرفيت اتلاف انرژي و کاهش تغيير مکان نسبي طبقات در حدود 50 تا 70 درصد مي شوند [2] . در سال 1989 ويتاکر تحقيقات خود را در زمينه ميراگرهاي ADASدر دانشگاه برکلي کاليفرنيا کامل کرد [3] او در سال 1993 ساختمان ده طبقه اداري را که در نزديکي پارک آلامدا در مرکز شهر مکزيکوسيتي واقع شده و در زلزله 1950 به دليل پديده تشديد با خاک محل خسارتي ، بررسي کرد . او يک بار سازه را با مهاربندهاي اضافي به غير از مهاربندهاي موجود و بار ديگر با استفاده از ميراگرهاي ADAS مقاوم سازي کرد و نتيجه گرفت که استفاده از المان هاي ADAS رفتار ديناميکي بهتري را نتيجه مي دهد و جذب کننده هاي انرژي ، سازه را به تغيير شکل هاي مناسب و کم شدن ميزان نيرو در اعضاي اصلي سازه در حدود 40 تا 60 درصد سوق مي دهند و پاسخ هاي غير خطي عموما در المان هاي ADAS ايجاد مي شود که تحت تغيير شکل ها و نيروهايي که در حد تحمل انها است قرار دارند [4] . در سال 1992 نيز تحقيقات کاملي توسط Tsai بر روي ميراگرهاي ADAS صورت گرفت [5] . در تحقيقي ديگر که توسط محسن تهراني زاده در دانشگاه صنعتي اميزکبير تهران انجام شد تاثير ميراگرهاي ADAS بر رفتار اتصالات خورجيني بررسي شد . نتايج حاصل از اين تحقيق نيز نشان دهنده بهبود رفتار سازه هاي مورد ازمايش بود ؛ به طوري که وجود اين المان ها باعث رسيدن عملکرد سازه ها به سطح مطلوب شد .

2-            مدل هاي مورد مطالعه

در اين بخش چندين مدل سازه اي با سيستم قاب سازماني ساده انتخاب و بر اساس آئين نامه زلزله 2800 ويرايش اول [7] طراحي و بررسي شده است . فلسفه انتخاب سيستم قاب ساختماني ساده اين بوده است که بيشتر ساختمان هاي ساخته شده و در اين حال ساخت در ايران ، اين نوع سيستم سازه اي رادارند . چند مدل ساختماني مختلف (از 3 تا 10 طبقه) از نظر تعداد طبقات و دهانه بررسي شده که همگي بر اساس ضوابط اين ايين نامه (ويرايش اول) طراحي شده است . سپس عملکرد انها بر اساس طيف طرح ايين نامه ويرايش دوم [8] به روش طيف ظرفيت بررسي شده است . ابعاد سقف براي مدلها، سه مدل مختلف و به صورت متقارن در نظر گرفته شده که هر مدل از نظر تعداد طبقه به سه دسته تقسيم مي شود  . از انجا که استفاده از ميراگرهاي ADAS در بادبندهاي شورون (7 يا 8) معمول است ، سيستم سازه اي در جهت اصلي قاب ساده به علاوه مهاربند 8 و در جهت عمود بر انکه بررسي عملکرد لرزه اي مورد نظر نبوده و محدوديتي از لحلظ سيستم سازه اي وجود نداشته نيز ، از قاب ساده به علاوه مهاربند 8 استفاده شده است .جدول 1 خلاصه اي از خصوصيات مدل ها نشان مي دهد . مدل هاي مذکور به صورت سه بعدي طراحي شده و نوع کاربري ساختمانها از نوع مسکوني و با اهميت متوسط فرض شده است . همچنين ساختمان هاي مورد مطالعه در منطقه با خطر لرزه خيزي بالا و خاک نوع يک فرض شده است . ارتفاع تمامي طبقات يکسان و برابر       

 00/3 متر و همچنين نوع اتصالات ستونها به پي از نوع مفصلي در نظر گرفته شده است . سيستم سقفي تمام مدل ها از نوع تيرچه بلوک است . بارگذاري ثقلي ساختمانها بر اساس آئين نامه بار گذاري استاندارد 519 ايران [9] انجام شده است ، لذا برا اساس اين استاندارد بار مرده سقف که از نوع تيرچه بلوک است برابر با 650 kg/m2 و بار زنده وارد شونده بر سطح طبقات براي طبقات برابر 200kg/m2 و براي بام برابر 150kg/m2 در نظر گرفته شده است . همچنين بار ديوارهاي جانبي طبقات با در نظر گرفتن سطوح باز شو ها و کسر انها برابر 600kg/m و براي جان پناه برابر 250kg/m فرض شده است . سيستم سقف ها از نوع صلب بوده ، لذا تمامي نقاط روي يک طبقه با يکديگرحرکت مي کنند و در نتيجه هيچ گونه نيرو و تغيير شکل محوري در انها ايجاد نخواهد شد . مقاطع مورد استفاده در ستون ها و مهاربندها از نوع قوطي و براي تيرها از نوع IPE در نظر گرفته شده است . فولاد مصرف شده در ساختمانها از نوع فولاد نرمه ي ساختماني با تنش تسليم 2400kg/cm2 و مدول الاستيسيته 2/05 * 106 kg /cm2 است . طراحي مدل ها نيز بر اساس آئين نامه سازه هاي فولادي ايران و بر اساس روش تنش هاي مجاز انجام شده است.

3-            روش تحقيق

روش انتخاب شده براي بررسي عملکرد لرزهه اي مدلها ، روش طيف ظرفيت و معيارهاي ارائه شده در ايين نامه هاي FEMA – 273 و ATC40ملاک بررسي عملکرد لرزه اي مدلها بوده است [10،11] . تراز عملکرد انتخابي سطح عملکرد ايمني جاني و طيف نياز استفاده شده طيف طرح ايين نامه 2800 ايران است . سپس با توجه يه نتايج حاصل از مقاوم سازي مدلها به دو روش تقويت به وسيله مهاربند و تقويت به وسيله ميراگرهاي ADAS  شده و در نهايت مدلهاي تقويت شده به روش تحليل ديناميکي غير خطي تحت سه رکورد نرماليزه شده طبس و ناغان و السنترو بررسي شده است .

جدول 1 مشخصات مدلهاي ساختماني مورد مطالعه

نام مدل

شماره مدل

تعداد طبقه

تعداد دهانه

سيستم سازه اي در جهت طولي

سيستم سازه اي در جهت عرضي

BF3-2BAY

1

3

2

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF4-1BAY

2

4

1

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF4-3BAY

3

4

3

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF5-2BAY

4

5

2

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF6-1BAY

5

6

1

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF7-3BAY

6

7

3

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF8-2BAY

7

8

2

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF9-3BAY

8

9

3

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

BF10-1BAY

9

10

1

قاب ساده+مهاربند8

قاب ساده+مهاربند8

 

4-            پارامترهاي مرتبط با خصوصيات فيزيکي ميراگرهاي ADAS

هر صفحه ميراگر ADAS با سه پارمتر طول و عرض و ارتفاع مشخص مي شود . مشخصات مکانيکي اين ميراگرها ، مقاومت برشي و سختي الاستيک و همچنين جا به جايي تسليم است . بنابر اصول مقاومت مصالح داريم :

(1)               ∆y = Vy/Ke                                                                                

                                                                        

که در ان y∆ جا به جايي تسليم و y∆ مقلومت برشي و Ke سختي الاستيک است . اگر شکل هندسي صفحات به صورت ضربدري در نظر گرفته شود يا به بيان ديگر از ضخامت موجود در وسط المان صرفنظر شود (حداقل ضخامت به منظور انتقال تنش برشي در المان در نظر گرفته مي شود)و همچنين از تغيير شکلهاي محوري و برشي که بسيار کم است و صرفنظر شود و با فرض شرايط تکيه گاهي دو انتهاي آن به صورت گيدار و همچنين در نظر گرفتن رفتار منحني نيرو – تغيير شکل به صورت الاستو – پلاستيک با سخت شدگي مي توان براي هر صفحه از ورقهاي فولادي با در نظر گرفتن تعادل لنگر در مقطع نوشت :

 

 

(2)               ΣM = 0→My = 1/2 * Vy                                            

از طرفي ظرفيت خمشي پلاستيک مقطع برابر است با حاصلضرب اساس مقطع پلاستيک در مقدار تنش تسليم :

(3)               My = Z * σy                                                                            

با در نظر گرفتن شکل مقطع به صورت مستطيلي مي توان نوشت :

(4)               Z = 1/4 bt2                                                                                

                                                                               

جا به جايي نسبي ارتفاع صفحه نيز برابر است با :

 

(5)               ∆ y = 3σ y l2 /4ET                                                                          

مقاومت برشي مقطع چنين به دست مي ايد :

(6)               Vy = 2 My/l= σy bt2 /2l                                                                                                 

                                                        

با توجه به روابط حاصل ، صفحه سختي المان فولادي را مي توان به صورت زير به دست اورد :  

(7)               Ke = 2nbE/3 ( t/l )2                                                                                                             

روابط فوق براي ميراگر ADAS که مجموعه اي از صفحات فولادي است ، عبارت است از :

(8)               ∆ y = 3nσyl2 /4Et                                                                               

                                                                                         

(9)               Vy =nσy bt2 /2l                                                                              

                                                                                                                

(10)                                                                                                                                                                                                              Ke = 2nbE/3( t/l )3                                                                                                                        

که در ان ∆ y تغيير مکان تسليم ميراگر ، l ارتفاع ميراگر εy کرنش تسليم ، t ضخامت هريک از ورق هاي فولادي ، b عرض صفحات فولادي ، σy تنش تسليم صفحه ، E مدول ارتجاعي مصالح و n تعداد صفحه هاي فولادي موجود در ميراگر است .

5-تحليل استاتيکي

پس از طراحي قابها ، به منظور بررسي عملکرد انها تحليل غير خطي استاتيکي قابها به وسيله نرم افزار Sap2000 انجام شده است . روش طيف ظرفيت براي بررسي عملکرد قابها در نظر گرفته شده، لذا لازم است که هر دو منحني طيف نياز و ظرفيت فرمت ADRS (طيف پاسخ شتاب-تغيير شتاب )ترسيم شده و محل تلاقي هر دو منحني به دست ايد. سپس با توجه به ضوابط ارائه شده در ايين نامه هاي ATC40,FEMA-273 کفايت مقاومت و سختي مدلها بررسي شده است. براي نمونه ، اين منحني براي يکي از قابها در شکل2 نشان داده شده است.

 

سازه هاي مورد بررسي از نظر کفايت مقاومت و سختي بررسي شده است. پس از تحليل غير خطي استاتيکي مدلها نتيجه گرفته شد که به دليل شکل پذيري کم سيستم مهاربندي و به دليل سختي بالاي ان و نيز کمانش زود هنگام مهاربندهاي فولادي-که منجر به تسليم و کمانش ستونها مي شود- قابهاي مورد مطالعه تحمل طيف زلزله طرح آئين نامه جديد ايران را با شتاب موثر 0/35 g در محدوده ايمني جاني نخواهند داشت . به بيان ديگر حداکثر شتاب موثر قابل تحمل انها کمتر از شتاب موثر مورد انتظار است . لذا مدل هاي مورد بررسي از نظر مقاومت توانايي لازم را ندارند . در برخي موارد براي اطمينان بيشتر مشاهده شد که اعضاي سازه هاي مورد مطالعه  در نقطه عملکرد خود ، تغيير شکل هاي غير مجاز در محدوده ايمني جاني از خود نشان مي دهند . همچنين تغيير مکان نسبي طبقات اين قاب ها در نقطه عملکرد بيش از حد مجاز تعيين شده در آئين نامه 2800 ايران ويرايش دوم بوده و سختي لازم را ندارند . در نتيجه ساختمان هاي مورد مطالعه براي بررسي پارمترهاي فوق مقاوم سازي شد .

6 – تقويت مدل هاي مورد مطالعه

قاب هاي مورد مطالعه با استفاده از مهار بند و ميراگرهاي ADAS ، مقاوم سازي و سعي شد با انجام مراحل سعي و خطا طرح تقويت ، به وسيله مهاربند کاملاً بهينه و اقتصادي شده و با توجه به حداقل مقدار فولاد به دست امده براي اين طرح ، با مقدار فولاد کمتري مقاوم سازي به وسيله المان هاي ADAS انجام و در نهايت مقايسه اي بين اين دو روش مقاوم سازي از نظر فولاد مصرفي و مقدار حداکثر شتاب موثر قابل تحمل انجام شود . به طور کلي هدف مقاوم سازي سازه ها براي رسيدن به سطح عملکرد ايمني جاني است . در هر مورد پس از تقويت سازه ، مقايسه عملکرد لرزه اي هر دو روش تقويت انجام شده است . در مورد روش تقويت به وسيله ADAS موارد زير به عنوان اصول کلي و لازم الاجرا در طرح تقويت در نظر گرفته شده است :

1-اولين اعضايي که ه حد تسليم مي رسند اعضاي ADAS هستند به اين ترتيب منحني ظرفيت سازه داراي دو شکستگي خواهد بود که اولين شکستگي مربوط به تسليم اعضاي ميراگر و دومين شکستگي مربوط به تسليم ساير اعضا است .

2-مهار بند هايي که ميراگرها به انها متصل شده اند به اندازه اي قوي طراحي شده اند که بعد از اينکه ميراگرها به حد ايمني جاني خود برسند ، تسليم شوند تا اعضاي ميراگر به وظيفه اصلي خود که استهلاک انرژي ورودي است ادامه دهند .

3-تناسب بين مقاطع طراحي شده ميراگرها طوري حفظ شود که همه ي ميراگرها در تمام طبقات در يک زمان تسليم شوند تا در هيچ يک از طبقات  ، ساز و کار طبقه ي نرم اتفاق نيفتد .

پس از انجام تقويت و تحليل غير خطي استاتيکي مدل ها از انجا که احتمال کمانش ستون ها  در سازه  تقويت شده به وسيله ميراگر بسيار کم است ، مشاهده شد که سازه تقويت شده به وسيله ميراگر با مقدار فولاد مصرفي يکسان و حتي کمتري قابليت تحمل زلزله با بيشينه شتاب موثر يبيشتري را نسبت به سازه تقويت شده به وسيله ي مهاربند دارد . از انجا که سازه تقويت شده به وسيله ميراگر به مراتب سختي کمتر و شکل پذيري بيشتري در مقايسه با سازه تقويت شده به وسيله مهاربند دارد ،لذا قابليت تغيير شکل هاي بزرگتري را نسبت به سازه ي تقويت شده به وسيله ي مهاربند دارد . در شکل 3 مقايسه حداکثر شتاب موثر قتبل تحمل مدل هاي تقويت نشده و تقويت شده به وسيله مهاربند و ميراگر آورده شده است .

 

شکل3-مقايسه بين حداکثر شتاب موثر قابل تحمل قابها

 

همان طور که ملاحظه مي شود مدل هاي تقويت شده به وسيله ميراگر به دليل ظرفيت بالاي جذب انرژي و تحمل تغيير مکان هاي بزرگتر در محدوده ايمني جاني ، توانايي تحمل زلزله هاي با حداکثر شتاب موثر بالاتر را نسبت به سازه تقويت شده به وسيله مهاربند دارد .

به عنوان مثال براي مدل شماره 6 بيشينه شتاب موثر قابل تحمل به وسيله سازه تقويت شده با ميراگر بيش از دو برابر بيشينه شتاب موثر قابل تحمل به وسيله سازه تقويت شده با مهاربند است . مقايسه بين پريد مد اول سازه تقويت نشده و تقويت شده به وسيله مهاربند و ميراگر در شکل 4 آورده شده است .

 

با توجه به اين شکل ، از انجا که تعداد مهاربندها و ستون هايي که در مدل تقويت شده به وسيله مهاربند تقويت شده اند ، از مدل تقويت شده با ميراگر بيشتر است و در نتيجه سازه تقويت شده با مهاربند ، سخت تر از سازه تقويت شده با ميراگر و داراي مقاطع قوي تري است . لذا پريد سازه تقويت شده با مهاربند در تمامي حالت ها کمتر از سازه تقويت شده با ميراگر است . همچنين ملاحظه مي شود که قرار دادن ميراگرها در سازه کاهش قابل توجهي را در پريد سازه ايجاد نخواهد کرد . در شکل 5 مقايسه حداکثر تغيير مکان مجاز سازه تقويت نشده و تقويت شده با مهاربند و ميراگر انجام شده است . از انجا که سازه تقويت شده با ميراگر شکل پذيري بيشتري دارد ، لذا مي بينيم که قابليت تغيير مکان مجاز بيشتري در محدوده ايمني جاني ارد . به عنوان مثال براي مدل شماره 2 تغيير مکان مجاز سازه تقويت شده يا ميراگر حدود پنج برابر تغيير مکان مجاز سازه تقويت شده با مهاربند است .

 

لذا ملاحظه مي شود که سازه تقويت شده به وسيله ميراگر از دو جنبه مقاومت و سختي ، عملکرد لرزه اي بسيار بهتري نسبت به روش تقويت به وسيله مهار بند دارد .

مقايسه فولاد مصرفي براي دو روش مقاوم سازي ، در شکل 6 ارائه شده است . همان طور که ملاحظه مي شود در تمامي موارد ، فولاد مصرفي براي طرح تقويت با ADAS کمتر از فولاد مصرفي در طرح تقويت با مهاربند است .

 

7- تحليل تاريخچه زماني غير خطي قاب ها

به منظور بررسي دقيق عملکرد لرزه اي مدل ها ، تحليل غير خطي تاريخچه زماني مدل ها با استفاده از نرم افزار Drain – 2dx براي رکورد نرماليزه شده طبس ،ناغان و السنترو انجام شده است . رکوردهاي مورد استفاده بايد منطبق بر طيف زلزله طرح آئين نامه ايران باشند . لذا بر طبق توصيه در محدوده Tm  + 0.5 , Tm – 0.5 به مقياس 0.35 g در اورده شده اند؛ که Tm پريود مودهايي است که جرم موثر انها حداقل 90 درصد باشد [12] .

پس از تحليل تاريخچه زماني مدل ها ، نتيجه گرفته شد که مدلهاي اوليه مقاومت کافي در مقابل رکورد نرماليزه شده ندارند ، اما مدل هاي تقويت شده به وسيله ADAS نسبت به مدل تقويت نشده ، حداکثر تغيير مکان طبقات کمتري دارند (شکل هاي 7- 9) . همچنين تغيير شکل هاي به وجود امده در اعضاي مدل هاي تقويت شده در محدوده ايمني جاني قرار دارد .

 

شکل 7-مقاسه حداکثر تغيير مکان طبقات براي رکورد نرماليزه شده السنترو

 

با توجه به نتايج حاصل ملاحظه مي شود که در سازه تقويت نشده بيشتر انرژي حاصل از زلزله به وسيله ي اعضاي مهاربندي و ستون ها جذب شده است در صورتي که در سازه تقويت شده به وسيله ADAS ، درصد انرژي جذب شده به وسيله ستون ها ، به صفر و انرژي جذب شده به وسيله مهاربندها به صفر تا 20 درصد تقليل يافته و بيشتر انرژي وارد شده به وسيله اعضاي ميراگر جذب شده است (شکل 10) .

 

8- محاسبه ضريب رفتار

به منظور بررسي ظرفيت جذب انرژي مدل ها ، تحليلذ استاتيکي غير خطي قاب هاي اوليه و قاب هاي تقويت شده با ADAS به وسيله نرم افزار drain2dx انجام شده و سپس ضريب رفتار انها بر مبناي روش توصيه شده به وسيله ناسار و کراوينکلرمحاسبه شده است .

ضريب رفتار سازه با ترسيم منحني دو خطي الاستو پلاستيک تغيير مکان – برش پايه سازه (شکل 11) و محاسبه ضرايب کاهش نيرو (Rų) ، شکل پذيري کلي (ų) ، تنش مجاز (Y) و اضافه مقاومت ( Ω ) با استفاده از روابط زير تعيين مي شود :

(11)                                                                                                                                                                                                              μ = Max/y                                                                  

(12)                                                                                                                                                                                                              Ω = Vy/Vs                                                           

بر اسا مطالعات اين دو محقق ، روابط زير براي تخمين ضريب کاهش نيرو به دست امده است [13] .

 

با توجه به روابط فوق ضريب سازه – که براي تبديل نيروي اعمال شده به سازه به نيروي اعمال شده به سازه به نيروهاي طراحي به کار مي رود – از رابطه زير محاسبه مي شود .

(13)                                                                                                                                                                                              Rw  = R μ * Ω * Y                                                                                

در روابط فوق

∆max تغيير مکان حداکثر بام ،  ∆ y تغيير مکان تسليم در منحني دو خطي (شکل 11) ، μ ضريب شکل پذيري کلي سازه ، Vv نيروي برشي تسليم ، Vs نيروي برشي متناظر با اولين مفصي پلاستيک ، Ω ضريب اضافه مقاومت ، b , a ضرايب ثابتي که بر اساس جداول ارائه شده به وسيله ناسار و کراوينکلر با توجه به خواص فولاد محاسبه مي شود ، c ضريبي است که با توجه پريد سازه و ضرايب b , a محاسبه مي شود ، T پريد سازه ، a نسبت سخت شوندگي فولاد Y ضريب تنش مجاز که بر اساس نحوه برخورد ائين نامه مصالح با تنش هاي طراحي (بار مجاز و يا بار نهايي) تعيين مي شود ، Rtμ ضريب کاهش نيرو و Rw نيز ضريب رفتار سازه است . مقايسه ضريب رفتار محاسبه شده براي مدل هاي اوليه و مدل تقويت شده در شکل 12 ارائه شده است . همان طور که ملاحظه مي شود مدل تقويت شده به وسيله ي ADAS ضريب رفتار به مراتب بالاتري نسبت به مدا تقويت نشده (دو تا سه برابر) دارد . اين مسئله از انجا ناشي مي شود که سازه هاي مهاربندي – به دليل کمانش زود هنگام مهاربندها و به دنبال آن کمانش ستون ها – به سرعت دچار افت مقاومت شده و توانايي تحمل سيکل هاي کتري را در ناحيه غير خطي دارد. اما در سازه تقويت شده با ADAS – به دليل ظرفيت بالاي جذب انرژي در اين اعضا – سازه انرژي بيشتري را به وسيله رفتار غير خطي از اعضا مي تواند جذب کند .

 ادامه دارد ...

+ نوشته شده در 89/05/18ساعت 4:4 PM توسط علی محمد میرزائی |