این پایان نامه در شش فصل تنظیم شده است:
در فصل اول مقدمه بیان می گردد.
در فصل دوم سیستمهای مهاربندی همگرا (با بادبندی ضربدری)و ضوابط آیین‌نامه‌ای این نوع سیستم مورد بررسی قرار میگیرد.
در فصل سوم مفاهیم طراحی بر مبنای سطح عملکرد و تحلیل دینامیکی فزاینده تشریح میگردد.
در فصل چهارم عدم قطعیت و سطح اطمینان سازه‌ها مورد بررسی قرار میگیرد.
در فصل پنجم مدل‌سازی و مقایسه سطح اطمینان قاب‌های فولادی مهاربندی همگرا طراحی شده با ضوابط مبحث دهم (سال‌های ۱۳۸۴ و ۱۳۸۷) مورد بررسی قرار میگیرد.
در فصل ششم نتیجه گیری کلی از مباحث مطرح شده و پیشنهادات جهت تحقیقات آتی ارائه میگردد.
فصل دوم
بررسی سیستمهای مهاربندی همگرا (با بادبندی ضربدری)وضوابط آیین نامه ای
۲-۱- مقدمه
با بررسی اجمالی، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی‌باشد که در مناطق لرزهخیز ودر زلزله‌های معمولی، طراحی ساختمان به گونه‌ای باشد که رفتار سازه، در محدوده الاستیک باقی بماند. در گذشته رفتار سازه‌ها در محدوده الاستیک و بسته به شدت لرزه‌خیزی منطقه و اهمیت سازه طرح می‌شدند ولی اکنون در طراحی لرزه‌ای و مقرون به صرفه بایستی از رفتار جذب کنندگی انرژی با تغییرشکل‌های غیر‌ارتجاعی در مقابل زلزله شدید استفاده شود. طراحی لرزه‌ای سازه‌ها معمولاً بر این اساس صورت میگیرد که اعضایی در سازه باشند که در زلزله‌های شدید، رفتار غیر‌ارتجاعی از خود نشان داده و انرژی لرزه‌ای را جذب نمایند[۱۱].
عکس مرتبط با اقتصاد
۲-۲- مرور تاریخچه طراحی بادبندهای CBF و فلسفه طراحی لرزه‌ای
طراحی بر پایه اتلاف انرژی، مستلزم تعیین ضریب رفتار سازهای (ضریب کاهش نیرویی زلزله) از طریق ایده‌السازی طیف پاسخ الاستیک می‌باشد. در طراحی لرزه‌ای که مبتنی بر طرح ظرفیتی است، مودهای شکست برای اعضای سازهای کنترل می‌شود، طوری که سازه شامل مناطق شکل‌پذیر از پیش تعیین شده و ضریب افزایش مقاومت برای سایر اعضای سازهای می‌باشد.
به خاطر هندسه بادبندهای همگرا شکل۲-۱، این نوع سیستم عمل خرپایی را به طور کامل با اعضایی که در محدوده الاستیک و تحت بارهای محوری هستند، ایجاد کرده و با تأمین سختی و مقاومت جانبی زیاد و عملکرد مناسب آن در زلزله‌ها، از متداول‌ترین سیستمهای باربر جانبی است. از مزیت‌های دیگر سیستم بادبندی همگرا، تشکیل یک سیستم باربر جانبی مکمل با عملکرد مناسب به صورت سیستم مختلط می‌توان نام برد[۱۱].
طبق فلسفه طراحی لرزه‌ای، انتظار می‌رود که سیستم مهاربندی همگرا تحت زلزله‌های شدید و کمیاب بتوانند پاسخ غیر‌ارتجاعی پایدار و مداومی از خود نشان دهند. بادبندهای همگرا با شکل پذیری ویژه می‌توانند تغییرشکل‌های پلاستیک را تحمل نموده و انرژی هیسترزیس را با رفتار پایدار و در طی سیکل‌های متوالی با تسلیم کششی و کمانش غیر‌ارتجاعی در فشار جذب نمایند. فلسفه این طراحی به گونه‌ای است که تغییر شکل‌های پلاستیک فقط و فقط در بادبندها اتفاق می افتد و سایر قسمت‌های سازه مثل ستون‌ها و تیرها و اتصالات بدون پذیرفتن خرابی، زلزله‌های شدید را تحمل کرده و باربری ثقلی سازه را حفظ نمایند[۱۱].
شکل۲- ۱٫ اشکال مختلف بادبندهای همگرا
بدین مفهوم که بادبندها به عنوان عضو کنترل شونده توسط تغییر مکان (Displacement Controlled) و سایر اعضای سازهای و اتصالات به عنوان عضو کنترل شونده توسط نیرو (Force Controlled) میشوند و در نتیجه رفتار شکل‌پذیر سازه تأمین می‌شود. در مقایسه با قاب‌های خمشی، در قاب‌های مهاربندی شده محدودیت‌هایی در تغییرشکل‌های غیر‌ارتجاعی برگشت‌پذیر وجود دارد و مطلوب است که مکانیسم غیر‌ارتجاعی در نقاط خاصی از سازه باشد. مفصل پلاستیک تا حد امکان در سطوح مختلف سازه پخش شود تا اینکه مقدار تغییرشکل پلاستیک در مکان‌های خاص کاهش یابد. در اولین سطح، بادبندها با کمانش غیر‌ارتجاعی یا تسلیم خود انرژی را جذب مینمایند و سایر اعضای سازه تقاضاهای (Demand) ناشی از رفتار غیر‌ارتجاعی بادبندها را تحمل کرده، پایداری آن ها را تأمین مینمایند[۱۱].
طراحی موجود که بر اساس روش تنش مجاز است و از آنالیز استاتیکی بهره میگیرد، ابهاماتی در این زمینه دارد. همچنین وجود خسارت‌های زیاد در قاب‌های مهاربندی شده (در زلزله های شدید) سبب میشوند تا تحقیقات و مطالعات در زمینه رفتار غیر‌ارتجاعی بادبندها هم به صورت تجربی و هم تئوریک افزایش یابد.
رفتار سیکلی بادبندها شامل پدیده‌های کمانش غیر‌ارتجاعی، تسلیم بادبند، کمانش موضعی، کاهش ظرفیت در رفتار پس از کمانش، اثرات بوشینگر و سخت شدگی کرنش در کشش می‌باشد. این پدیده‌ها تقاضای قابل توجهی در سایر اعضاء و اتصالات بادبندها به وجود می‌آورند.
زلزله‌های شدید گذشته نشان داده‌اند که سیستم بادبندی همگرا، گرچه یک سیستم مناسب در مقابل بار جانبی و زلزله می‌باشد ولی ممکن است عملکرد خوبی نداشته باشند و رفتار ایده‌ال آن ها که قبلاً ذکر شد، حاصل نشود مگر اینکه سایر اعضای قاب و اتصالات آن ها مطابق الزامات لرزه‌ای طرح شده باشد و رفتار پایدار و ایمن آن ها را در برابر مکانیسم‌های شکست طراحی نشده، تثبیت گردد. نمونه‌هایی در زلزله‌های واقعی وجود داشته که در آن تیرها، ستون‌ها، اتصالات جوشی و پیچی دچار خرابی شده‌اند و یا یکی از مکانیسم‌های شکست ترد در خود بادبند اتفاق افتاده است، که در نهایت با چنین رفتار غیرالاستیک کنترل نشده بادبندها، شکست کلی سازه به وجود آمده است(شکل های ۲-۲ ، ۲-۳ ، ۲-۴ و۲-۵) [۱۱].
شکل۲- ۲٫کمانش موضعی در بادبند
شکل ۲-۳٫ شکست مقطع خالص مقطع در پیچ
شکل۲-۴٫ اعوجاج شدید تیر، بدون تکیه گاه جانبی در محل اتصال به بادبندهای شورون
شکل۲- ۵٫گسیختگی اتصالات جوشی بادبندها
عملکرد غیرالاستیک قابل اطمینان بادبندها، نیازمند ایجاد مسیر مناسب و آزاد برای تغییرشکل‌های پس از الاستیک و قابل پیشگویی بودن رفتار کمانشی است. از آنجایی که استراتژی طرح لرزه‌ای در قاب‌های مهاربندی شده، اطمینان یافتن از رفتار غیر‌ارتجاعی فقط در بادبندهاست، زیرا که تغییرشکل غیر‌ارتجاعی پایدار بادبندها، منبع اصلی جذب انرژی زلزله است. برای این کار و برای محافظت سایر اعضای غیر‌شکل پذیر و کنترل شونده به نیرو در سازه مهاربندی شده، باید تخمین واقعی و صحیح از رفتار غیر‌ارتجاعی بادبندها و نیروهای به وجود آمده در آن ها هنگام زلزله‌های شدید، ایجاد گردد.
برای رسیدن به اهدافی که در بالا ذکر شد و نیز رسیدن به پاسخ شکل‌پذیر مورد نیاز باید بر رفتار هیسترزیس و غیر‌ارتجاعی بادبندها شناخت کاملی وجود داشته باشد زیرا با وجود آنکه تلاش‌هایی در جهت مشخص کردن رفتار هیسترزیس بادبندها صورت گرفته ولی در آیین نامه‌های لرزه‌ای نکات مبهم و ناسازگار وجود دارد، برخی از آن ها مطابق معیارهای طراحی اولیه می‌باشد و برخی نیز بر اساس روابط هندسی و محدودیت‌های ابعادی می‌باشد[۱۱].
بنا به دلایلی که ذکر شد و برای پیش بینی رفتار الاستوپلاستیک بادبندها، باید اطلاع دقیقی از روابط تغییر‌مکان- بار بادبندها تحت بارگذاری سیکلی داشت. هر چند که رفتار غیرالاستیک سیکلی بادبند کاملاً پیچیده است.
استفاده از جذب انرژی بادبند فشاری در قاب‌های مهاربندی همگرا، مفهوم جدیدی است که علاوه بر مزیت‌های اقتصادی، می‌تواند عملکرد لرزه‌ای مطمئن‌تری را در زلزله‌های شدید تضمین نماید. با کمانش بادبند، خمش در آن ایجاد می‌شود و در نهایت منجر به تشکیل مفصل پلاستیک در محل لنگر ماکزیمم (در وسط عضو) می‌شود. به وجود آمدن کمانش غیر‌ارتجاعی باعث می‌شود که بادبند فشاری به منبع مهمی برای جذب انرژی لرزه‌ای تبدیل شود. به عبارت دیگر از مهم‌ترین عوامل و پارامترهایی که بر رفتار لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی شده تأثیر می‌گذارد، اثر بادبند فشاری است که در بسیاری از موارد نادیده گرفته می‌شود، ولی تعیین منحنی هیسترزیس بادبند فشاری و مقدار جذب انرژی و نیز تأثیر آن بر عملکرد لرزه‌ای می‌تواند در شناخت بهتر و واقعی رفتار هیسترزیس مؤثر باشد[۱۱].
شاید متداول‌ترین نوع بادبندهای همگرا، شکل بادبندی ضربدری یا X شکل است. این نوع شکل بادبند که در حالت‌های مختلف طرح و اجرا می‌شود، نسبت به شکل بادبندی قطری، دارای مزیت‌ها و احتمالاً معایبی باشد که باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرد. عمده مزیت بادبندهای X شکل از اتصال وسط دو بادبند به یکدیگر ناشی می‌شود، که بادبند کششی به صورت قید در وسط بادبند فشاری عمل می‌کند و اتکای جانبی قابل توجهی به وجود می‌آورد و در نتیجه رفتار غیر‌ارتجاعی بادبند فشاری و مکانیسم تشکیل مفصل پلاستیک را تحت تأثیر قرار می‌دهد. همچنین با کاهش طول آزاد بادبند در این حالت و افزایش بار بحرانی آن ها در فشار، مقاومت جانبی بادبندهای X شکل نسبت به بادبندهای قطری افزایش چشمگیری می‌کند.
بنا به دلایل معماری و مقاومت جانبی زیاد، محبوبیت بادبندهای X شکل در استفاده بیشتر شده است ولی بیشتر تحقیقات و مطالعات در بررسی رفتار و مدل‌سازی بادبندهای قطری متمرکز شده است و فقط مطالعات تجربی اندکی در رابطه با بادبندهاX شکل تحت بارگذاری سیکلی انجام گرفته است[۱۱].
اطلاعات فنی و مهندسی موجود در آیین نامه‌ها و ادبیات فنی، رفتار لرزه‌ای و پارامترهای غیر‌ارتجاعی (k ضریب کمانش، R ضریب رفتار، Cd ضریب تغییرشکل پلاستیک و … ) بادبندهای X شکل را بر مبنای رفتار و عملکرد مهاربندی قطری قرار می‌دهد. در حالی که این رفتارها و معیارها برای هر دو نوع شکل بادبندی متفاوت از هم بوده و بسته به مقدار سختی انتقالی و سختی خمشی که بادبند مکمل (کششی) برای بادبند فشاری تأمین می‌کند منحنی هیسترزیس جذب انرژی کاملاً تغییر می‌یابد. رفتار سیکلی سیستم بادبندی X شکل، علاوه بر اینکه به رفتار بادبندهای انفرادی بستگی دارد بلکه به طور جدی به اندر‌کنش میان دو عضو بادبندی که به هم متصل‌اند، وابسته است. نوع و مقدار سختی که توسط اتصال وسط فراهم می‌شود، تأثیر مستقیم در رفتار بادبند می‌گذارد.
در بیشتر بررسی‌های صورت گرفته، تنها اثرات نیروهای محوری در شرایط تسلیم بادبندها در نظر گرفته شده ولی به خمش به وجود آمده و تشکیل مفصل پلاستیک ناشی از تغییرشکل غیر‌ارتجاعی، توجه نشده است. نتایج آنالیزهای عددی در رفتار پس از کمانش بادبندهای فلزی نشان می‌دهد که تغییر شکل محوری پلاستیک در مفصل تشکیل شده، نقش اساسی در مشخصات بار- تغییر شکل بادبند دارد و باید اندر کنش پلاستیک برای ترکیب خمش و تغییرشکل محوری در نظر گرفته شود[۱۱].
همان‌طور که ذکر شد، یک سیستم مقاوم لرزه‌ای باید دو خصوصیت کلی زیر را داشته باشد:
الف – در زلزله‌های خفیف و متوسط، سازه بدون خسارت در محدوده الاستیک باقی بماند.
ب – در زلزله های شدید سازه با قبول خرابی تا یک سطح مشخص، نباید به مرز انهدام برسد.
برای تأمین خصوصیت اول، مقاومت و سختی سازه نقش اساسی دارد و برای تأمین خصوصیت دوم، شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی لازم است تا از انهدام کلی سازه جلوگیری شود. قاب‌های همگرا CBF مقاومت و سختی بالایی دارند که استفاده از آن ها هدف اول را به خوبی تأمین می‌کند. اما در مورد شکل‌پذیری و در زلزله‌های شدید اگر بادبند فشاری، کمانش غیر‌ارتجاعی نکند یا کمانش غیر‌ارتجاعی ناپایداری داشته باشد، در اثر بارهای سیکلی، با کاهش سریع سختی و زوال مقاومت، جذب انرژی صورت نگرفته و در نتیجه شکل‌پذیری سیستم کاهش می‌یابد.
در ارزیابی عملکرد بادبندها، بیشتر رفتار بادبند فشاری و ظرفیت جذب انرژی و کمانش پلاستیک آن مورد توجه قرارمی‌گیرد، زیرا که بادبندهای ضربدری زمانی عملکرد لرزه‌ای بهتری دارند که ضمن متحمل شدن تغییرشکل‌های پلاستیک، در تمام سیکل‌های متوالی، تسلیم در کشش و کمانش غیر‌ارتجاعی پایدار در فشار با هم در جذب انرژی لرزه‌ای و منحنی هیسترزیس شرکت کنند و به غیر از تسلیم، سایر مکانیسم‌های شکست (مانند کمانش موضعی) حاکم بر طرح نبوده و خللی در رفتار غیر‌ارتجاعی آن ایجاد نکند.
قبلاً بادبندهای X شکل بر این اساس طراحی می‌شدند که بادبندها فقط می‌توانند کشش را تحمل کنند ، در این روش طراحی، فرض می‌شود که بادبندهای فشاری تحت بارهای خیلی کم کمانش کرده و در نتیجه در آنالیز شرکت نمی‌کنند و سازه به صورت استاتیکی و معین در می‌آید و طراحی ساده‌تر می‌شود. همچنین این فرضیات اجازه می‌دهند برای بادبندها از اعضای خیلی لاغر استفاده می‌شود. مثل : میله، نبشی تکی، تسمه، کابل …
گرچه بادبندهای ضربدری از نوع فقط کششی توسط طراحان رواج یافت ولی در زلزله‌های گذشته عملکرد خوبی نشان ندادند و آیین نامه‌های ساختمانی معتبر آن ها را بجز برای ساختمان‌های کوچک و یا مناطق با خطر زلزله کم، لغو کردند. از طرفی، طراحی لرزه‌ای ایجاب می‌کند علاوه بر اینکه بادبند فشاری را باید در نظر گرفت بلکه در ظرفیت جذب انرژی سیستم بادبندی باید سهم قابل توجهی را به کمانش غیر‌ارتجاعی آن تخصیص داد[۱۱].
جهت دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت jemo.ir مراجعه نمایید.
۲-۳- انواع بادبندهای X شکل
در طراحی سازه دو روش را پیش میگیرند:
سازه را در حد تغییر شکل‌های الاستیک طرح می‌دهند و هیچ گونه خرابی را نمی‌پذیرند، در نتیجه اعضا قوی طرح میشوند. این نوع طراحی در CBF باعث می‌شود که سازه به صورت طره‌ای تغییر شکل پیدا کند. در این‌حالت، بادبندها تغییرشکل‌های غیر‌ارتجاعی ندارند و یک ستون کشیده و ستون دیگر فشرده می‌شود. شکل۲-۶ با قبول خرابی تا یک سطح مشخص، شرایط غیر‌ارتجاعی ر ا ایجاد کرده و سازه را طوری طرح می‌دهند که یک سری اعضاء وارد تغییرشکل‌های غیرالاستیک شده و انرژی لرزه‌ای تنها در آن ناحیه جذب شود. این نوع طراحی در سازه CBF باعث می‌شود که ستون‌ها تغییر شکل کمی داشته و در حالت الاستیک باقی بماند ولی بادبندها جابجایی زیادی داشته ودرکشش تسلیم و در فشار کمانش غیر‌ارتجاعی یابند.درنتیجه انرژی لرزه‌ای رافقط بادبندها جذب مینمایند و اتصالات و تیرها و ستون‌ها در حد الاستیک باقی میمانند (شکل۲-۷) [۱۱].
شکل۲- ۶٫رفتار قاب به صورت طره ای شکل۲- ۷٫رفتار قاب در حد الاستیک
۲-۳-۱- از نظر مقاومتی
الف) بادبندها فقط قادر به تحمل کشش هستند.
ب) بادبندها کششی- فشاری هستند.
جزئیات این تقسیم‌بندی و معایب ذکر شده برای بادبندهای فقط کششی، در مورد بادبندهای X شکل نیز صادق است. آیین نامه کاربرد این بادبندها را جز برای ساختمان‌های کوچکی مناطق با خطر زلزله کم، مجاز ندانسته است و انتظار رفتار غیر‌ارتجاعی از این نوع بادبندها نمی‌توان داشت. شکل ۲-۸ منحنی هیسترزیس بادبندهای فقط کششی را نشان می‌دهد.
همان‌طور که از شکل۲-۸ پیداست، اگر سیستم بادبندی فقط کششی تحت بارهای تکراری با دامنه تغییر مکان ثابت قرار گیرد که منجر به تغییر طول پلاستیک نشود، اتلاف انرژی هم روی نخواهد داد. این سیستم که لاغری اعضا در آن زیاد است برای جذب مقدار انرژی مورد نظر، باید تغییر‌مکان جانبی زیادی داشته باشد که ممکن است به علت اثرات ثانویه گسیخته شود. (پدیده ضربه)
اگر بادبندهای X شکل کششی – فشاری باشند (نوع ب) برای تأمین حداقل لاغری مورد نیاز آیین نامه‌ها طرح میشوند که در نتیجه اعضای بادبند قطور و کاملاً سنگین می شود و بحث طول مؤثر برای طرح بادبند فشاری مطرح می‌شود[۱۱].
⇓
شکل۲- ۸٫ منحنی هیسترزیس بادبندهای X شکل فقط کششی
۲-۳-۲- تقسیم بندی از نظر شکل پذیری
بادبندها X شکل نیز از نظر شکل پذیری به دو گروه تقسیم میشوند:
الف) شکل پذیری ویژه SCBF
ب) شکل پذیری عادی OCBF
با توجه به فلسفه طراحی، SCBFدر زلزله های شدید رفتار غیر‌ارتجاعی خواهد داشت و الزامات طراحی آن نیز باید بر اساس شکل‌پذیری باشد ولی در OCBFاساس مقاومت است و ضوابط شکل‌پذیری آزادتر و ضوابط مقاومت سخت گرانه تر شده، ابعاد اعضای سازه بالاتر می‌رود SCBF طوری طرح می‌شود که نسبت عرض به ضخامت اعضای بادبندی کمتر بوده و کمانش موضوعی در آن ها حاکم نباشد و اتصال انتهایی و ورق اتصال باید به طور کافی مقاوم باشند تا رفتار غیر‌ارتجاعی بادبندها مثل کمانش پلاستیک یا تسلیم کششی بدون هیچ محدودیتی تضمین شود[۱۱].
۲-۳-۳- رفتار هسیترزیس بادبندی‌های X شکل
