شکل که عرض موثر بال کمترین دو مقدار نصف عرض قاب جان و یا ده جهت مقایسه رفتاری این دو سیستم در برابر بارهای جانبی دو سیستم

Transcript

1 امیرکبیر عمران مهندسی نشریه 7 تا 723 صفحات 1396 سال 4 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه DOI: /ceej سيستم با بلند سازههاي ديناميكي رفتار مقايسه و مکان تغيير بزرگنمايي و بازتاب ضرايب ارائه پذير انعطاف خاک روي بازويي مهاربند سيستم و لولهاي 2 مهاجری امیرهومان *1 بهنامفر فرهاد ایران اصفهان اصفهان صنعتی دانشگاه عمران مهندسی دانشکده 1 ایران یزد یزد دانشگاه 2 بلند ساختمانهاي در متعارف سيستمهاي عنوان به بازويي مهاربند و لولهاي سازهاي سيستم دو دنيا سرتاسر در امروزه چکیده: شناخته شديد طوفانهاي يا زلزله لرزش و نسبي مکان تغيير كنترل جانبی نیروهای برابر در الزم سختی و پایداری تامین جهت خاک پذيري انعطاف اهميت ساختمانها اينگونه در نیاز مورد جانبي سختي تامین و ارتفاع افزايش با ديگر سوي از است. شده اب بلند ساختمانهاي لرزهاي رفتار مطالعه مقاله اين هدف ميشود. بيشتر آن از ناشي مکانهاي تغيير و ساختمان گاهي تکيه و سخت خاكهاي روي جانبي مکان تغيير کنترل اساس بر محيطي کمربند دو یا یک با بازويي مهاربند و لولهاي سيستمهاي ديناميكي تحليل مورد سازهاي سيستم دو اين با فلزي طبقه 50 تا 10 ساختمانهاي از وسيعي طيف منظور اين براي است. نرم بیشتر مقایسه برای همچنین ميگردد. محاسبه آنها بام جانبي مكان تغيير و پايه برش حداکثر و گرفته قرار زمانی تاریخچه رد 2800 استاندارد طرح طیف که میشود گرفته نتیجه طرفی از و میگیرد قرار مقایسه مورد سیستم دو در مصرفی فوالد وزن و سختی مهاربازویی سیستم از اقتصادیتر لولهای سیستم مجموع در و بوده باال دست سیستم دو این برای بلند ساختمانهای میکند. تامین را نیاز مورد مقاومت داوری: تاریخچه 1394 دی 28 دریافت: 1395 دی 27 بازنگری: 1395 بهمن 10 پذیرش: 1395 بهمن 18 آنالین: ارائه کليدي: کلمات بلند ساختمانهاي بازويي بند مهار و لولهاي سيستمهاي پذير انعطاف خاک ديناميکي تحليل جانبي مکان تغيير و پايه برش 1-1 مقدمه و سختي محدوديتهاي بلند ساختمانهاي طراحي مهم ضوابط از مقابل در سازه پاسخ اساسي كميتهای از يكي جابجايي است. جابجايي در شده تعيين پيش از هدف يك عنوان به آن مجاز مقدار و است زلزله برای اولیه ابعاد ارزیابی ميشود. محسوب جديد سازههاي عملكردي طراحي بهینه طرح یک در چالشی خود جانبی بارهای برابر در مقاوم سازهای اجزای یلا 20 سازههای در مسئله این ]1[ مرجع در میباشد. بلند سازههای در انتخاب ساختمان ارتفاع افزايش با است. گرفته قرار بررسی مورد طبقه 60 جانبي شكلهاي تغيير كنترل در را طراح اهداف كه مناسبي سازهاي سيستم خواهد خاصي اهميت كند ارضاء نياز مورد مصالح كمترين بكارگيري و خاک روي بر که سازههايي خصوص به بلند سازههاي در معموال داشت. و بوده کننده تعيين و بزرگ عاملي جانبي مکان تغيير هستند واقع نرم نوزدهم قرن اواخر از داد. کاهش را جانبي حرکت سختي افزايش با بايستي سازهاي سيستمهاي تاكنون گرفت رونق جهان در سازي مرتبه بلند كه ميان اين در است. گرفته قرار استفاده مورد بلند ساختمانهاي براي گوناگوني شناخته سازهاي فرم بهترين بازويي مهاربند و لولهاي سازهاي سيستمهاي سازهي ايدهي ميباشند. مرتبه بلند ساختمانهاي در استفاده براي شده بیشتر در حاضر حال در و ]2[ گرديد ارائه فضلورخان توسط ابتدا لولهاي farhad@cc.iut.ac.ir مکاتبات: عهدهدار نویسنده * ارتفاع با دنیا در فعلی ساختمان بلندترین است. رفته بكار دنيا بلند سازههای و شده بنا امارات دبی در ساختمان این میباشد. خلیفه برج نام به متر 828 سیستم برج این در سازهای سیستم رسید. برداری بهره به 2010 سال در از استفاده با که است ضلعی شش مرکزی مقاوم هسته با لولهای ترکیبی انتهای در چکشی سر دیوارهای و شکل Y پالن رئوس تا خطی دیوارهای است. کرده تامین سازه برای را خوبی بسیار پیچشی و جانبی مقاومت آنها به داخلي صلب هستههاي اتصال طريق از بازوئي مهار سيستم در ستونهاي اتصال همچنين و قوي خرپاهاي توسط پيراموني ستونهاي سختي پالن پيرامون در کمربندي خرپاهاي توسط يکديگر به پيراموني کاسته آن جانبي مکان تغيير از و شده داده افزايش بسيار ساختمان جانبي با کمربندي خرپاي ترکيبي سيستم ديناميکي و استاتيکي تحليل ميشود. خرپاي سيستم با بلند سازههاي آزاد ارتعاش آناليز و لولهاي برشي هسته بلند سازهاي سيستمهاي رفتار خصوص در ديگر تحقيقات جمله از کمربندي )لوله-ديوار و )لوله-مهاربند( توام سيستم از استفاده [. 4 و ]3 ميباشد مرتبه تامين سبب دارند را جانبي بارهاي تحمل توانايي دو هر که فوالدي( برشي از استفاده كه شده داده نشان ميگردد. جانبي بارهاي مقابل در الزم مقاومت ميگردد اقتصاديتري طرح به منجر مهاربند جاي به فوالدي برشي ديوار روشها موثرترين از يکي عنوان به کمربندي خرپاي سيستم از استفاده ]5[. حاصل بازده مقدار است. مطرح بلند ساختمانهاي در سازه سختي افزايش در محيطي کمربند سختي از تابعي خارجي ستونهاي به مرکزي هسته بستن از 723

2 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 4 سال 1396 صفحه 723 تا 7 ميباشد. در اين ارتباط نشان داده شده كه محل بهينه براي قرارگيري سيستم کمربندي حدودا وسط ارتفاع سازه خواهد بود ]6 و 7[. در پژوهش ديگر استفاده از ستونهاي محيطي با فاصله کم و با ابعاد بزرگ افزايش سختي ستونها و تيرهاي حمال متعادل سازي سختي بين تيرها و ستونها و استفاده از تيرهاي عميق جهت افزايش سختي به عنوان راه كارهايي براي به حداقل رساندن تاخير يا لنگي برشي بيان شده است ]8[. با انجام مطالعات عددی بر روی سازههای متعدد سازه قاب محیطی به صورت یک تیر قوطی شکل که عرض موثر بال کمترین دو مقدار نصف عرض قاب جان و یا ده درصد از ارتفاع سازه میباشد پیشنهاد شده است. همچنین روشهای شبیه سازی متعددی ارائه گردیده است که رفتار االستیک قابهای محیطی را به صورت پوستههای معادل در نظرمیگیرد ]11-13[. در سازههاي بلند به علت تأثير مودهاي باالتر در پاسخ سازه نيروهاي ناشي از زلزله از روشهاي آناليز ديناميكي مانند روش طيف پاسخ يا تحليل تاريخچۀ زماني محاسبه میگردند. همانگونه که مشاهده ميشود بيشتر تحقيقات انجام شده درباره سيستمهاي لولهاي و مهاربند بازويي در مورد بهينه یابی محل كمربند محيطي در سيستم مهاربند بازويي و همچنين روشهاي كاهندهي تأخير برش در سيستم لولهاي ميباشد و كمتر مقايسه مستقيمي بين اين دو سيستم سازهاي به عمل آمده است. در این تحقیق جهت مقایسه رفتاری این دو سیستم در برابر بارهای جانبی دو سیستم سازهاي فوق را برای 1 تا 50 طبقه با لحاظ همۀ مودهاي ارتعاش آنالیز دینامیکی تاريخچۀ زماني کرده و سپس نتایج حاصله مورد ارزیابی قرار گرفته است. انعطاف پذيري خاک تکيه گاه ساختمان نيز در نظر گرفته شده و با استفاده از روش پارامترهاي متمرکز تاثیر آن بر پاسخ سازه با فنرهاي مناسب مدل شده است. براي این منظور براي سازههاي يك تا 10 طبقه از سيستم قاب خمشي و براي سازههاي بلندتر 15 تا 50 طبقه از سيستمهاي لولهاي و مهاربند بازويي همراه با كمربند محيطي استفاده شده است. جهت مقایسه کارایی این دو سیستم نتايج به صورت نمودارهاي حداکثر شتاب و تغيير مکان و وزن اسکلت فوالدي ارائه میشود. 2-2 عملکرد سازهای در ساختمانهاي لولهاي در سيستم قاب لولهاي با استقرار ستونهاي قويتر در پيرامون پالن ساختمان صلبيت خمشي و پيچشي سيستم به حداكثر خود رسيده و از ممان اينرسي كل ساختمان براي تحمل بارهاي جانبي استفاده میگردد. رفتار سيستم لولهاي تحت اثر بارهاي جانبي مانند خمش يك طرۀ تو خالي است كه در اثر آن تارهاي سمت مخالف نيروهاي جانبي كوتاه شده و تارهاي سمت نيروهاي جانبي طويل ميگردد. عالوه بر اين تغيير شكلهاي برشي ناشي از خمش موضعي تيرها و ستونها نيز به اين تغيير شكلها اضافه ميشوند ]14[. قابهاي مياني عمدتا وظيفه تحمل بارهاي ثقلي را بر عهده دارند. در قابهائی پیرامونی در جهت عمود بر نیروی جانبی که عمل بال را انجام میدهند مشکل لنگی برش وجود دارد. این مشکل ناشی از این مسئله است که ستونهای وسط قابهای بال نسبت به ستونهای گوشه ای این بالها ناشی از تغییر شکل برشی تیرهای واسط تحت اثر تغییر شکل و تنش کمتری قرار میگیرند بنابراین از تمام ظرفیت ستونها در رفتار بال استفاده نمیشود. به منظور مقابله و نیز کاهش تاثیر پدیده لنگی برشی سیستمهای لولهای پیشرفته که دارای ساختار اصلی لوله قابی و از نوع تکامل یافته هستند ابداع شد که آن را میتوان قاب لولهای مهار شده نامید. مهار کردن قاب میتواند با استفاده از المانهای مورب بزرگی که کل قاب را فرا میگیرند مهاربندی در دهانههای کوچک قاب و پانلهای بتنی و لوله خرپایی انجام شود. در سيستم لولهای با مهاربند داخلي با اضافه كردن ديوارهاي برشي و هستههاي داخلي لولۀ قابي را از داخل تقويت ميكنند. اين مهاربندي به يكي از روشهاي لوله با ديوارهاي برشي موازي لوله در لوله و باالخره لولههاي دسته بندي شده انجام ميشود. 3-3 عملکرد سازهای در ساختمانهاي با مهاربازويي يك سازهی بلند با مهار بازويي شامل يك هستهی مركزي بتن مسلح يا قاب فوالدي مهاربندي شده است كه به وسيلهی خرپاهاي طرهاي افقي به ستونهاي خارجي متصل ميشود. در شکل 1 نمونهاي از اين سيستم نشان داده شده است. هنگامي كه ساختمان تحت اثر بارهاي افقي قرار ميگيرد مهارهاي بازويي از دوران آزادانۀ هسته جلوگيري كرده تغيير مكانهاي جانبي و لنگر واژگوني پاي هسته را كاهش ميدهند. با افزودن يك كمربند محيطي به ارتفاع يك يا دو طبقه در تراز مهارهاي بازويي سختي جانبي افزايش يافته و ستونهاي محيطي نيز عالوه بر بارهاي ثقلي در تحمل لنگرهاي واژگوني مشارکت نموده و بازوي مقاوم در برابر معماری باشد متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال به لحاظ کم کردن جابجایی بهترین موقعیت خرپای تکی در طبقه میانی ساختمان است. در مراجع ] 15 و 16[ موقعیت بهینه خرپاهای کمربندی در حالتهای دو خرپایی سه خرپایی و چهار خرپایی نمایش داده شده است در این سيستم مقاومت برشي عمدتا توسط هسته تحمل ميگردد. معموال اتصال بازوها به هسته صلب بوده و به ستونهاي خارجي به صورت ساده ميباشد كه ماحصل آن صرفا ايجاد نيروهاي محوري در آن ستونها است. با افزایش ارتفاع و همچنین بازتاب سازه در روی خاکهای نرم پریود ارتعاش سازه افزایش یافته و به جهت ارضای ضوابط طراحی در حد نهایی بهره برداری و کم کردن تغییر شکل جانبی الجرم سختی سازه بایستی افزایش داده شود و در نتیجه ضریب رفتار سازه برای رفتار شکل پذیر کاهش مییابد. با افزایش تقاضا برای محدود کردن تغییر شکل و یا سختی سازه تعداد کمربندهای خرپایی بایستی افزایش داده شود. در مرجع ]17[ نتیجه گرفته شده است که با افزایش تعداد کمربندهای خرپایی جابجایی نسبی و کلی سازه کاهش یافته و با کاهش وزن فوالد مصرفی راندمان و شکل پذیری سیستم سازهای افزایش مییابد. در این خصوص با مطالعه ظرفیت چند سیستم در یک آنالیز استاتیکی غیرخطی نتیجه گرفته شده است که به عنوان مثال در ساختمان 25 طبقه برای مهاربند X ضریب رفتار سیستم با 724

3 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 4 سال 1396 صفحه 723 تا 7 و بدون کمربند محیطی به ترتیب 3/8 و 3 میباشد. به دلیل تاثیر مودهای باالتر در پاسخ دینامیکی سازههای بلند آنالیز تاریخچه زمانی خیلی دقیق تر از آنالیز استاتیکی معادل پاسخ سازه را در برابر نیروهای جانبی ارزیابی میکند ]18[. چنانچه نیروی محوری ناشی از لنگر وازگونی در ستونهای طرفین سازه باعث افزایش تنش و یا بلند شدن پی در آن وجه شود ناگزیر در طراحی پی از شمع در پیرامون سازه و یا زیر هسته استفاده میشود. در طراحی سیستم مهاربازویی در حد نهائی مقاومت تغییر شکلهای جانبی به میزانی محدود میگردد که اثرات ثانویه ناشی از بارگذاری قائم )اثرات P- ( باعث شکست و انهدام سازه نشده و در حد بهره برداری تغییرشکلها به مقادیری محدود میشوند که اعضای غیرسازهای نظیر درها و آسانسورها به خوبی عمل کرده و برای جلوگیری از ترک خوردگی و افت سختی از ازدیاد و تشدید تنش در سازه جلوگیری شود. برای این منظور جابجایی سقف باالی ساختمان به ارتفاع آن )DRIFT( جهت کنترل حد بهره برداری سازه و کاهش اثرات ثانویه بایستی به 0/002 محدود گردد. چنانچه جابجائی سازه بیش از حد باشد می توان با اعمال تغییراتی در شکل هندسی سازه و در نتیجه تغییر مود مقاومت در برابر بارهای جانبی افزایش سختی خمشی اعضای افقی افزایش سختی با استفاده از دیوارهای ضخیم تر و یا اعضای هستهای سخت تر کردن گرهها و یا حتی با شیب دادن ستونهای خارجی جابجائی را کاهش داد. در شرایط بحرانی گاهی از میراگرهای محرک و مقاوم نیز برای کاهش جابجائی به عنوان فیوزهای سازهای در زلزله های شدید استفاده می کنند ] 19 و 20 [. یکی دیگر از مسائل تاثیرگذار در طراحی بارگذاری حرارتی است. تغییر شکل های حرارتی به لحاظ اینکه طبیعتی االستیک دارند و دارای تغییرات پیوسته فصلی و روزانه در طول عمر سازه هستند از تغییرشکلهای غیراالستیک ناشی از خزش و آبرفتگی متفاوت میباشند. حرارت عاملی برای کوتاه یا طویل شدن اعضای سازهای میباشد. اعضای سمت تابش آفتاب ساختمان دارای درجه حرارتی بیش از اعضای سمت سایه خواهند بود و لذا ساختمان متمایل به تغییرمکان در جهت خالف تابش را دارد. طبق مشاهدات و محاسبات در بعضی شرایط تغییرمکان تابشی باالی ساختمان میتواند تا 20 درصد جابجایی های ناشی از نیروی باد باشد. برای حداقل نمودن حرکات نسبی ناشی از خزش و آبرفتگی در ساختمانهای بتنی بایستی طرح اختالط مناسب برای بتن طراحی شده و نظارت مناسب در مراحل بتن ریزی و عمل آوردن اعضای مختلف وجود داشته باشد. در صورت امکان در طراحی ستون ها و دیوارهای برشی مجاور تا حد امکان درصد فوالد مورد نیاز مشابه و تنش ها نزدیک به هم باشند. شکل 1: سازه با مهار بازويي ]14[ Fig. 1. Structure with outrigger braces [14] 4-4 سازههاي مورد مطالعه از آنجايي که در نظر است برش پايه و حداکثر تغيير مکان جانبي سيستمهاي مختلف براي محدودهي وسيعي از زمان تناوبها محاسبه گردد تعداد طبقات ساختمانها به صورت طبقه در نظر گرفته ميشود. به اين منظور براي سازههاي يك تا 10 طبقه از سيستم قاب خمشي و براي سازههاي 15 تا 50 طبقه يک بار از سيستم لولهاي و يک بار از سيستم مهار بازويي همراه با كمربند محيطي استفاده ميشود. در شكل هاي 2 و 3 به ترتيب پالن و نماي قابهاي سيستمهاي لولهاي و مهاربند بازويي نشان داده شده است. فرضيات در نظر گرفته شده به شرح ذیل میباشد. با توجه به تقارن سازه به صورت دو بعدي مورد تحليل قرار ميگيرد. روش تحليل لرزهاي براي طراحي سازهها آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی بوده و نتایج حداکثر پاسخ سازه استخراج شده است. فرض ميشود ساختمانهاي درنظر گرفته شده فلزي بوده و در همۀ آنها از مصالح مشابه )فوالدSt37 ( استفاده شود. با توجه به وجود ستونهاي مشترک % اثر مولفه متعامد زلزله به صورت همزمان در طراحي در نظر گرفته شده است. ارتفاع همه طبقات 3/2 متر فرض ميگردد. بارهاي مرده و زنده در طبقات 550 و 250 و در بام 650 و 150 كيلوگرم بر مترمربع فرض ميشود. سازهها به صورت قابهاي ويژه روي خاک نوع B )خاک نرم( و پهنه با خطر نسبي خيلي زياد طبق آيين نامه UBC طراحي شدهاند. محاسبات با نرم افزار ETABS انجام شده است. ديافراگم طبقات صلب فرض شده و اثر P-Δ در نظر گرفته شده است ]15[. به طور نمونه نتيجه طراحي به صورت ابعاد اعضاي سازهاي در جداول 1 و 2 براي سازههاي 50 طبقه در سیستم لولهاي و مهار بازويي ذکر شده است. مشخصات اعضاي سازه براي ساير ساختمانها در مرجع ]15[ ذکر گرديده است. زمان تناوب مود اول ساختمان لولهاي 50 طبقه روي خاک سخت 5/03 ثانيه و روي خاک نرم 7/92 ثانيه مي باشد. اين مقادير براي ساختمان مهار بازویی 50 طبقه به ترتيب 5/52 و 8/67 ثانيه ميباشند. 725

4 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 4 سال 1396 صفحه 723 تا 7 جدول 1: ابعاد اعضاي سازهاي ساختمان لولهاي 50 طبقه مشخصات سازه طبقات تيپ مقطع ستونها )BOX( کناري مياني مقطع تيرها )IPE( کناري مياني *40*1 60*60*1 80*80*1 95*95*1 105*105*1 115*115*1 1*1*1/5 135*135*2 145*145*2 145*145*2 25*25*1 **1/5 35*35*1/5 40*40*2 50*50*2 55*55*2 60*60*2 65*65*2 70*70*2/5 80*80*2/ جدول 2: ابعاد اعضاي سازهاي ساختمان مهار بازويي 50 طبقه مشخصات سازه طبقات تيپ مقطع ستونها )BOX( کناري مياني مقطع تيرها )IPE( مياني کناري شماره مقطع مهارها 5-5 ارزيابي رفتار لرزهاي سازهها براي هرسازهي سه بعدي با توجه به فرکانسهاي چند مود اول سازه که حداقل %90 جرم را فعال ميکنند و باند فرکانسي غالب نگاشتهاي موجود حداکثر 10 تحليل ديناميکي خطي تاريخچه زماني صورت گرفته است. پس از انجام آناليز ديناميكي سيستمها مقادير حداکثر تغيير مكان بام و برش پايه استخراج شده و به ترتيب به PGD )حداکثر تغيير مكان زمين( و W )وزن ساختمان( نرمال گشتهاند. اعداد حاصل به ترتيب ضريب بزرگنمايي تغيير مكان و ضريب زلزله )C( ناميده ميشوند. براي به دست آوردن ضريب بازتاب سازه )B( بايستي ضريب زلزله C در نسبت g/pga ضرب شود كه در آن g شتاب ثقل بوده و PGA حداكثر شتاب زمين ميباشد. مقادير به دست آمده از تحليل ديناميكي سيستمهاي فوق در اثر شتاب نگاشتهاي مختلف بايستي براي ارائه مقادير پاسخ حداکثر در هر نقطه پريودي به نحو مناسبي از نظر آماري مورد استفاده قرار گيرند تا عددي به دست آيد كه نماينده مقدار مورد انتظار شدت پاسخ سازه در زمان تناوب مورد نظر باشد. معموال توزيعهاي نرمال يا الگ نرمال براي اين منظور بكار برده ميشوند. در اين تحقيق از توزيع نرمال براي تركيب آماري نتايج در هر نقطه پريودي استفاده شده است. سپس نتايج پاسخ هاي سازه برای هر شتاب نگاشت به روش ترکیب مربعی کامل ترکیب شده و با یک تحلیل آماری پاسخ سازه برای شتاب نگاشتهای مختلف براي تراز هاي ميانگين )%50 سطح منحنی گاوس( و فوق ميانگين )متوسط به اضافه يك انحراف معيار )%84/1 سطح منحنی گاوس(( بر حسب زمان تناوب اصلي سازههاي تحليل شده ترسيم گشته اند. 6-6 شتاب نگاشت هاي مورد استفاده با توجه به اينکه استان خراسان يکي از استان هاي لرزه خيز مهم کشور مي باشد براي رعايت مشابهت چشمه هاي لرزه زا در اين تحقيق از 44 نگاشت اصالح شده استان خراسان استفاده شده است که مورد تصحيح خطاهاي فرکانس باال و فرکانس پايين قرار گرفته است. جهت حذف نويزهاي فرکانس باال و پايين براي هر رکورد يک پنجره سيگنال )از بخش اصلي نگاشت( و يک پنجره نويز )معموال قسمت انتهايي نگاشت( انتخاب مي شوند و طيف فوريه نرمال شده آنها محاسبه مي شود. سپس نسبت سيگنال به نويز محاسبه مي گردد و پس از عبور هر نگاشت از فيلتر ميان گذر به دست آمده نگاشت اصالح شده به دست مي آيد ]21[. مشخصات تعدادی از اين شتاب نگاشت ها در جدول 3 ذکر گرديده است. شتاب نگاشت های انتخاب شده قبل از آنالیز بایستی مقیاس شوند. برای این منظور هر شتاب نگاشت به مقدار حداکثر خود )PGA( مقیاس میشود. چون هدف از محاسبات این تحقیق تولید طیف هایی برای پارامترهای طرح لرزه ای در یک استان لرزه خیز است الزم است از مخلوطی از زلزله های منطقه صرفنظر از شدت و فاصله استفاده شود. Table 1. Structural members of the 50-story tubular IPE16 IPE16 IPE24 IPE24 IPE IPE IPE40 IPE40 IPE45 IPE structure Table 2. Structural members of the 50-story outrigger-bracing structure 95*95*1 95*95*1 110*110*2 110*110*2/5 115*115*3/5 120*120*3/5 137*137*3 137*137*3/5 150*150*3/5 155*155*4 45*45*1 47*47*1 52*52*1 65*65*2 70*70*3/5 72*72*2 75*75*2 90*90*2 100*100*2 110*110*2/

5 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 4 سال 1396 صفحه 723 تا 7 شکل 2: پالن تيپ و نماي سازه لولهاي Fig. 2. Typical plan and elevation of the tubular structures شکل 3: پالن تيپ و نماي سازه مهار بازويي Fig. 3. Typical plan and elevation of the outrigger structures 727

6 7 تا 723 صفحه 1396 سال 4 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه استفاده مورد هاي نگاشت شتاب از تعدادی مشخصات 3: جدول Table 3. Characteristics of the ground motions Spec. Int. (cm) *** DURATION sec** PGD cm PGV cm/sec PGA cm/sec 2 نگاشت شماره 37/40 4/ 0/04 1/53 69/ /38 10/7 0/075 2/29 83/ /27 5/74 0/08 2/41 81/ /87 17/2 2/26 9/24 63/ /06 15/6 2/31 10/08 89/ / 9/42 0/24 4/15 100/ /14 8/59 0/16 3/10 91/ /92 5/08 0/22 5/24 157/5 8 42/70 7/20 0/26 7/25 261/5 9 /25 9/42 1/38 8/75 217/ /66 9/42 1/98 7/38 86/ /76 6/68 2/48 9/96 79/ /84 18/8 0/044 1/60 63/ /87 13/60 0/043 1/72 72/ /49 8/52 0/12 2/53 76/ /63 /5 0/4 2/41 105/ 16 58/90 /9 0/5 3/58 104/8 17 تکيهگاه پذيري انعطاف 7-7 اعمال همه پي سيستم شده طراحي ساختمانهاي طبقات تعداد به توجه با است. شده گرفته نظر در گسترده پي صورت به سهولت براي ساختمانها نباشد منطبق واقعيت با است ممکن طبقه 1 و 5 ساختمانهاي براي فرض اين صلب گسترده پي است. منطقي مطالعه اين ساختمانهاي ساير براي ولي روي و شده مدل سازه با همراه پذير انعطاف تکيهگاه حالت در و شده فرض در فنرها اين سختي است. شده داده قرار آن سطح مرکز در متمرکز فنرهاي استخراج ASCE41-06 نشريه از )گهوارهاي( چرخشي و افقي راستاي ضريب جداول اين مقادير محاسبه براي است. شده ارائه 4 جدول در و ديناميکي صورت به ASCE41-06 ضوابط طبق خاک برشي ارتجاعي B و A گروه دو به خاکها است. آمده دست به خاک نوع هر براي و بندي گروه طبق II و I نوع خاكهاي شامل A گروه شدهاند. بندي تقسيم ميباشد. IV و III نوع خاكهاي شامل B گروه و ايران 2800 استاندارد است. گرديده استفاده فوق سيستم براي معادل ميرايي از همچنين آزادي درجه پي فنرهاي سختي 4: جدول Table 4. Stiffness coefficients of the foundation springs Horizontal سختي رابطه )9.2Ga) (2-ν( )4.0Ga 3 ) (1-ν( Rocking نتايج 8-8 بررسي گاه تکيه و صلب گاه تکيه فرض براي ترتيب به 5 و 4 شكلهاي در نمودارهاي در ميانگين فوق تراز در واکنش حداکثر مقادير پذير انعطاف اول مود پريود حسب بر مكان تغيير بزرگنمايي ضريب و بازتاب ضريب شده ارائه 2800 استاندارد بازتاب ضريب طيف همراه به شده آناليز سازههاي فوالد كل وزن نمودار سيستم دو بين اقتصادي مقايسه براي همچنين است. داده نمايش 6 شکل در و محاسبه نيز سيستمها از يك هر طراحي در الزم ضمن 4( )شکل بازتاب ضریب برای حاصله طیف کلی طور به است. شده تناوبهای زمان در طیف مقادیر نظر از ایران زلزله نامه آیین با خوانی هم در نزولی روند و داشته نامه آیین مشابه تغییراتی هم شکلی نظر از مختلف 728

7 7 تا 723 صفحه 1396 سال 4 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه تغییرمکان بزرگنمایی ضریب مورد در موضوع همین دارد. باالتر پریودهای در دیگر سیستمهای با مقایسه قابل آن مقادیر اوال یعنی میشود دیده هم 4 شكل در است. افزایشی پریود با آن تغییرات روند ثانیا و است نامه آیین تغيير و نيرو بازتاب طيفهاي پريودي نقاط اكثر در كه ميشود مشاهده نيروي بازتاب طيف نقاط بعضي در و دارند پوشاني هم سيستم دو مکان 2 هاي )پريود است بیشتر لولهاي سيستم از كمي بازويي مهاربند سيستم از %20 (. کمتر طبقه تا 15 ساختمانهاي معادل ثانيه 5.4 تا 4 و 3 تا در نيرو بازتاب ضريب ميشود ديده شكلها اين در كه همانگونه همچنين هر در باال( به طبقه 15 نرم خاک )براي باال به طبقه 10 ساختمانهاي فوق تراز در حتي باشد. مي 1 از كمتر لولهاي و بازويي مهاربند سيستم دو ساختمانهاي براي را نيرو بازتاب ضريب 2800 استاندارد 4 شکل در ميانگين )خاكهاي هستند واقع سخت خاك يا سنگ روي بر كه كوتاهتر يا طبقه 5 ولي ميكند برآورد پايين دست %18 حدودا استاندارد( اين در II و I تيپ تغيير بازتاب ضريب چه اگر ميباشد. باال دست بلندتر ساختمانهاي براي بازويي مهاربند سيستم مساوي يا بزرگتر عمدتا لولهاي سيستم در مكان 4 شکل در طبقه 25 ساختمان مورد در كه اختالف بيشترين براي ولي است سيستم از كمتر %9 اندازه به تنها بازويي مهاربند سيستم ميشود مشاهده سيستم كه ميشود ديده 6 شكل از نقطه همين در دارد. مكان تغيير لولهاي براي لولهاي سيستم نهايتا پس نموده مصرف كمتري فوالد %33 لولهاي مهاربند سيستم از تر اقتصادي مصرفی فوالد وزن نظر از طبقه 25 ساختمان طبقات تعداد با ساختمانها ساير براي مشابهي نتايج است. كرده عمل بازويي باال به طبقه 15 ساختمانهاي در اساس اين بر ميآيد. دست به نيز ديگر از بيشتر بازويي مهاربند سيستم در شده مصرف فوالد وزن 6 شکل طبق به است طبقه 45 ساختمان به مربوط اختالف حداكثر است. لولهاي سيستم 1140 بازويي مهاربند سيستم در رفته كار به فوالد وزن اينجا در كه طوري بازويي مهاربند سيستم در يعني ميباشد تن 940 لولهاي سيستم در و تن انتها در منحنيها شيب مقايسهي با است. شده مصرف فوالد بيشتر %21 در لولهاي سيستم در نياز مورد فوالد ميزان احتماال که ميشود بيني پيش باشد. بازويي مهاربند سيستم از بيشتر طبقه 50 از بلندتر ساختمانهاي ميانگين فوق تراز در صلب گاه تکيه با سيستمهاي براي C( d ( مکان تغيير و )B( نيرو بزرگنمائي ضريب 4: شکل Fig. 4. The force (B) and displacement (C d ) amplification factors for the rigid-base systems at the average plus one Sigma level ميانگين فوق تراز در پذير انعطاف گاه تکيه با سيستمهاي براي C( d ( مکان تغيير و )B( نيرو بزرگنمائي ضريب 5: شکل Fig. 5. The force (B) and displacement (C d ) amplification factors for the flexible-base systems at the average plus one Sigma level 729

8 7 تا 723 صفحه 1396 سال 4 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه و لولهاي سيستمهاي در رفته کار به فوالد وزن مقايسهي 6: شکل صلب تکيهگاه با بازوئي مهار Fig. 6. Comparison of the utilized steel in the systems on rigid base واقع سيستمهاي به مربوط واکنش نمودارهاي مقايسه سهولت براي 10 الی 7 شکلهاي در توام صورت به پذير انعطاف و صلب گاه تکيه بر ضريب سازهاي سيستم دو هر در كه ميشود مشاهده است. شده داده نشان براي كوتاه( )ساختمانهاي كوچك پريودهاي محدوده در مكان تغيير بازتاب تکيه مورد در ولي است نيرو بازتاب ضريب از كوچکتر صلب گاه تکيه بزرگتر مكان تغيير بازتاب ضريب پريودي نقاط تمام در پذير انعطاف گاه ضريب باال به طبقه 15 ساختمانهاي در ميباشد. نيرو بازتاب ضريب از پذير انعطاف گاه تکيه از بزرگتر صلب گاه تکيه روي بر مكان تغيير بازتاب استثناي )به ميشود بيشتر اختالف اين ساختمان ارتفاع افزايش با و است بيشتر قدري پذير انعطاف گاه تکيه براي كه طبقه 35 و ساختمانهاي نقاط همه در پذير انعطاف گاه تکيه براي نيرو بازتاب ضريب همچنين است(. طبقه 10 تا 1 ساختمانهاي در ميباشد. صلب گاه تکيه از بزرگتر طيف انعطاف و صلب گاه تکيه حالت دو در نيرو بازتاب طيف مقادير بين اختالف كوچك اختالف اين طبقه 35 تا 15 بين ساختمانهاي در ولي است زياد پذير 35 پريودي محدوده به مربوط ساختمانهاي در مزبور اختالف ميباشد. انعطاف گاه تکيه براي نيرو بازتاب طيف مييابد. افزايش مجددا باال به طبقه در که حالي در است باالتر بسيار ميانگين تراز از ميانگين فوق تراز در پذير تغيير بازتاب طيف مقدار حداكثر ميباشد. کمتر اختالف اين صلب گاه تکيه حدود ميانگين تراز در و ميانگين فوق تراز در نرم خاک مورد در مکان فوق تراز در نرم خاک مورد در نيرو بازتاب طيف بيشينه همچنين است طبقه 15 ساختمان حدود از ميباشد ميانگين تراز در و 70.3 ميانگين بازتاب ضريب برابر 5 از بيشتر ميانگين فوق تراز در بازتاب ضريب باال به ميرسد نظر به بنابراين باشد. مي کمتر اندکي ميانگين تراز براي و بوده نيرو طراحي دارند قرار محدودهاي چنين در آنها پريود که ساختمانهايي براي که باشد. معقولتر مکان تغيير اساس بر لولهاي سيستمهاي مکان تغيير و نيرو بزرگنمائي ضرايب 7: شکل پذير انعطاف و صلب گاههاي تکيه براي ميانگين فوق تراز در Fig. 7. The force and displacement amplification factors for the tubular systems at the average plus one Sigma level for rigid and flexible bases لولهاي سيستمهاي مکان تغيير و نيرو بزرگنمائي ضرايب 8: شکل پذير انعطاف و صلب گاههاي تکيه براي ميانگين تراز در Fig. 8. The force and displacement amplification factors for the tubular systems at the average level for rigid and flexible bases 7

9 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 4 سال 1396 صفحه 723 تا 7 شکل 9: ضرايب بزرگنمائي نيرو و تغيير مکان سيستمهاي مهاربند بازويي در تراز فوق ميانگين براي تکيه گاه هاي صلب و انعطاف پذير Fig. 9. The force and displacement amplification factors for the outrigger systems at the average plus one Sigma level for rigid and flexible bases شکل 10: ضرايب بزرگنمائي نيرو و تغيير مکان سيستمهاي مهاربند بازويي در تراز ميانگين براي تکيه گاه هاي صلب و انعطاف پذير Fig. 10. The force and displacement amplification factors for the outrigger systems at the average level for rigid and flexible bases 9-9 نتيجهگيري در اين مقاله مقايسهاي بين دو سيستم سازهاي مورد کاربرد در سازههاي بلند يعني سيستم لولهاي و سيستم مهار بازويي از نقطه نظر رفتار ديناميکي به عمل آمد. برای اين منظور ضريب بازتاب نيرو و ضريب بزرگنمايي تغيير مکان جانبي براي ساختمانهاي تا 50 طبقه در هر يک از دو سيستم فوق با لحاظ انعطاف پذيري تکيه گاه يا اندرکنش خاک و سازه در آناليز ديناميکي خطي محاسبه شد. در اين محاسبه از نگاشت هاي اصالح شده استان خراسان استفاده گرديد و نتايج با استفاده از روشهاي آماري و بر حسب پريود مود اول سازهها به صورت طيف ارائه شدند. از بررسي طيفهاي حاصل نتيجه گرفته شد که در محدوده مورد مطالعه اين دو سيستم از نظر مقاومت تقريبا يکسان بوده ولي از نظر سختي سيستم مهار بازويي با توجه به استفاده از مولفه سختی محوری ستونهای خارجی اندکي بهتر عمل مينمايد. اما از نقطه نظر وزن فوالد مصرفي سيستم لولهاي از ساختمان 15 طبقه به باال با توجه به تعداد بسیار کمتر اعضا در آن به طرز قابل توجهي بر سيستم مهار بازويي برتري داشته است. اين موضوع با توجه به اين نکته که تعداد اتصاالت در سيستم لولهاي که يک سيستم خمشي است از سيستم خرپايي مهار بازويي بسيار کمتر است نيز برجستهتر ميگردد. ضريب بازتاب نيروي زلزله در استاندارد 2800 در محدوده ساختمانهاي کمتر از 5 طبقه براي هر دو نوع تکيه گاه صلب و انعطاف پذير دست پايين ميباشد و در ساختمانهاي بلندتر طيف مزبور تا میزان 48 درصد دست باالست که اين اختالف براي خاک نرم بيشتر ميباشد. از نقطه نظر شرايط تكيه گاه ضريب بازتاب تغيير مکان در سيستمهاي مهار بازويي در تکيه گاه صلب با افزايش دوره تناوب سازه افزايش مييابد در حالي که در تکيه گاه انعطاف پذير اين ضرايب با افزايش دوره تناوب پس از افزایش تا پریود خاصی روند کاهشي دارند. این موضوع به دلیل افزایش زمان تناوب اصلی سازه با پای انعطاف پذیر است به گونهای که همانگونه که به خوبی شناخته شده است پس از عبور از زمان تناوب مشخصی ضریب بزرگنمایی تغییرمکان به سمت واحد میل خواهد نمود. همچنين ضريب بازتاب نيرو در اين دو نوع سيستم در تکيه گاه انعطاف پذير اندکی بيشتر از تکيه گاه صلب ميباشد که میتواند به دلیل اثر P-Δ باشد. مراجع [1] K.-S. Moon, J.J. Connor, J. E.Fernandez, Diagrid Structural Systems For Tall Buildings; Characteristics and Methodology for Preliminary design, Struct. Design Tall Spec. Buildings, 16 (2007)

10 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 4 سال 1396 صفحه 723 تا 7 [13] A. Kheiroddin, H. Jamshidi, Study of tubular resisting structural systems in tall buildings, in: National Conference on Structural Strengthening, Yazd, [14] S.S. B., A. Cool, Analysis and Design of Tall Buildings, University of Mashhad Publications, [15] A.H. Mohajeri, Base shear and roof displacement variation of tubular and outrigger-brace tall buildings on flexible base, University of Yazd, [16] S.a.C.C.C.P. B. Taranath,, Group, 2012, Structural Analysis and Design of Tall Buildings, Taylor & Francis, [17] R. Razani, M. Keivani, Effect of outrigger bracing on the behavior factor of steel structures, in: Fourth International Conference on Seismology and Earthquake Engineering, Tehran, [18] D. Nimmy, R. Renjith, Analytical Investigation on the Performance of Tube-in-Tube Structures Subjected to Lateral Loads, International Journal of Technical Research and Applications, July-August [19] G.W.M. HO, The Evolution of Outrigger System in Tall Buildings, International Journal of High-Rise Buildings, 5(1) (2016) 21-. [20] J.M.W. Brownjohn, T.C. Pan, Response of a tall building to long distance earthquakes, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, (2001) [21] M. Jami, Calculation of the design spectrum based on the seismic records of Khorasan province using the Newmark-Hall method, International Institute of Earthquake Engineering and Seismology, [22] Standard 2800, Seismic Design Regulations for Buildings, in: Building and Housing Research Center, [2] F.R. Khan, N.R. Amin, Analysis and Design of Framed Tube Structures for Concrete Buildings, ACI, Pub, (1973) [3] R. Rahgozar, A. Ahmadi, O. Hosseini, M. Malekinejad, A simple mathematical model for static analysis of tall buildings with two outrigger-belt truss systems, International Journal of Structural Engineering and Mechanics, 40(1) (2011) [4] M. Malekinejad, R. Rahgozar, Free vibration analysis of tall buildings with outrigger-belt truss system, An International Journal of Earthquakes and Structures, 2(1) (2011) [5] M. Tajasem, Seismic performance of tubular tall structures., Islamic Azad University Yazd branch [6] B.S. Taranath, Optimum belt truss locations for high-rise structures AISC Engineering Journal, 11(First Quarter) (1974) [7] B.S. Taranath, Stractural analysis and design of tall buildings in, McGraw-Hil, 1988, pp [8] H. Kazemi Niakarani, F. Khoshnoudian, Seismic behavior of tall buildings and a solution for the shear lag phenomenon, in: National Congress of Civil Engineering, Mashhad University, [9] P. Uniform Building Code, CA., in: International Conference of Building Officials, [10] J.M.W. Brownjohn, T.-C. Pan, X.Y. Deng, Correlating dynamic characteristics from field measurements and numerical analysis of a high-rise building, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 29(4) (2000) [11] F.R. Khan, N.R. Amin, Optimal Design of Frame Tube Structures for Tall Concrete Buildings, Structural Engineering, 51(3) (1973) [12] A. Coull, B. Bose, Simplified Analysis of Frame Tube Structures, J. struct. Div., ASCE,, 101(11) (1975) براى ارجاع به این مقاله از عبارت زیر استفاده کنید: Please cite this article using: F. Behnamfar, A.H. Mohajeri, Base Shear Coefficients and Displacement Amplification Factors of Tall Buildings with Tubular and Outrigger Bracing Systems on Flexible Soil. Amirkabir J. Civil Eng., 49(4) (2018) DOI: /ceej