رفتار لرزه ای مهاربند زانویی در مقایسه با مهاربند ضربدری و شورون درسازه های فوالدی

Transcript

1 59 فصلنامه آنالیز - زلزله بررسی رفتار لرزه ای مهاربند زانویی در مقایسه با مهاربند ضربدری و شورون در های فوالدی محمد حقایق دانشجوی دکترای عضو باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران مرکز جعفر عسگری مارنانی عضو هیأت علمی دانشکده فنی مهندسی دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران مرکز استادیار گروه عمران محمد صادق روحانی منش عضو هیأت علمی دانشکده فنی مهندسی دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران مرکز استادیار گروه عمران M_Haghayegh@yahoo.com تاریخ پذیرش نهایی: 1394/03/05 تاریخ دریافت: 1394/02/22 چکیده دراین مقاله با معرفی نوعی نوین از مهاربندها موسوم به مهاربند زانویی به بررسی رفتار لرزه ای قاب های فوالدی مهاربندی شده با مهاربند زانویی در مقایسه با قاب های مهاربندی ضربدری و شورون پرداخته شده است. بدین منظور های فوالدی مهاربندی شده با تعداد طبقات سه پنج هشت و با سه دهانه با طول ثابت هر دهانه برابر چهار متر با استفاده از روش بارافزون مورد تحلیل قرارداده شده و به دلیل اینکه تغییر مکان جانبی پارامتری موثر بر خرابی اعضای ای و غیر ای می باشد مقدار تغییرمکان جانبی قاب های فوالدی مهاربندی شده با انواع مختلف مهاربند و همچنین با توجه به اهمیت شکل پذیری ها ضریب رفتار اینگونه قاب های فوالدی مهاربندی شده با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج نشان دهنده آن است که زانویی شکل پذیری و سختی را توامان تامین می نماید. کلیدواژگان: قاب فوالدی مهاربند زانویی تحلیل بارافزون تغییر مکان جانبی ضریب رفتار ها مقدمه 1- رفتار و عکس العمل ها در حین اعمال زلزله دقیقا مشخص نیست. هایی که برای مناطق با لرزه خیزی باال طراحی میشوند باید دو معیار داشته باشند. اول اینکه باید دارای سختی کافی برای کنترل تغییر مکان جانبی بوده تا از وقوع هر گونه خسارت سرازه ای و غیر سرازه ای در طی زمین لرزه های متوسرط ولی مکرر جلوگیری به عمل آید و دوم اینکه باید مقاومت و شکل پذیری کافی داشته باشد تا تحت زلزله های شدید از فروریزش آن جلوگیری

2 فصلنامه آنالیز - زلزله 60 شود در این حالت خ سارت ساز ه ای محدود و غیر ای مجاز است. سرریسررتم های م هارب ندی هم محور ( Braced Centrically ) Frames که از رایج ترین سیستمهای مهاربندی می باشد علیرغم د ا شت ن س ختی ب سی ا ر ب اال م شکالتی د ر ر ابط ه ب ا م عم ا ری و شک ل پذیری دارند. در سرررال 1978 سرریسررتم قابهای مهاربندی واگرا Roeder و Popov توسررط )Eccentrically Braced Frames( پیشنهاد شد ]4[. این سیستم علیرغم شکل پذیری بسیار باال سختی مناسب و همچنین تسهیالتی که به لحاظ ایجاد بازشو در فرم و نمای م ع م ا ری ای ج ا د می ک ند و این ک ه د ر ا کثر آیی ن ن ا م ه ه ا پذیرف ت ه شرررده اسرت دارای معایب و نقطه ضرعفهایی نیز می باشرد. از جمله اینکه اسرتهالک انرژی در قاب های برون محور در اثر تسرلیم قسرمتی از ا ع ض ای ا ص لی س ا زه صو ر ت گرفت ه و ای ن ا مر م شکالتی ر ا ب ه ل حا ظ امکان تعویض و بهره برداری مجدد از سرررازها ایجاد می کند. برای رفع مشکالت موجود در سیستم EBF در سال 1986 سیستم مهاربند زانویی ک مانش پذیر) DKB ( توسررط Aristizabal Ochoa مطرح گردید] 5 [. اوچوا پیشرنهاد کرد عضرو قطری طوری طراحی شرود که فقط کشش را تحمل کند و سختی و شکل پذیری هر دو توسط عضو زانویی تآمین گردد. در این سرریسررتمالمان زانویی به عنوان یک فیوز شرکل پذیر برای جلوگیری از فروریزش سرازه تحت زمین لرزه های شدید ب ا جذ ب انرژی د ر طی ت س لی م خم شی عم ل می کند. م شک ل عمده سیستم پیشنهادی اوچوا الغری عضو قطری بود که در فشار سرریعا کمانش می نمود و برای طرح لرزه ای مناسرب نبود در سرال Balendra 1990 و همکارانش سریسرتم قاب مهاربند زانویی اصرالح شده را پیشنهاد کردند] 7 6 [. در این سیستم پیشنهادی از یک عضو قطری جهت جلوگیری از کمانش عضو زانویی ا ستفاده شده ا ست.در سی ست م مه ا ربند ز انویی شک ل پذیری و ب ه تب ع آن ا ستهالک انرژی توسط المان زانویی تامین شده است. از طرف دیگر به علت اینکه در این نوع سی ستم ناحیه غیر ارتجاعی محدود به یک المان کوتاه می شود می توان رفتار لرزه ای کنترل شده تری را فراهم کرد] 8 [. تعبیه یک مهاربند قطری با حداقل یک المان زانویی متصررل در انتهای آن بیشرتر سرختی االسرتیک جانبی را تامین می کند. در این سریسرتم مهاربند قطری برای ف شار طراحی ن شده و کمانش می کند در نتیجه رفتار چرخه ای این سررازه با پدیده فشررار در حلقه های هسرریترزیس روبرو است که عملکرد جذب انرژی مناسبی نخواهد داشت. از میان انواع مختلف مهاربند های زانویی که طرح کلی آنها در شکل ( 1 ) ن شان داده شده ا ست با ا ستفاده از نتایج تحلیلهای غیر خطی ابعاد بهینه مدل ساز ه ای انتخاب می گردد. شکل - 1 انواع قابهای مهاربند زانویی در سال 1999 Mofid و همکارانش به بررسی رفتار االستیک سیستم مهاربند زانویی با آرایش و زوایای مختلف پرداخته و بر روی رفتار غیرخطی مهاربندهای زانویی تحقیقات گسترده ای را انجام دادند. یک سیستم قاب با مهاربند زانویی متشکل از تیر ستونها باد بندهای زانویی و باد بندهای قطری است. تحقیقات Mofid نشان داده است چنانچه المان زانویی و مهاربند مایل موازی با قطر قاب مطابق شکل )2( باشد می تواند ماکزیمم مقاومت لرزه ای را داشته باشد ]9[. شکل 2 -نمایش حالت بهینه قرارگیری مهاربند زانویی در قاب در سال 2003 Kimو Seo یک مدل تحلیلی را در پروسه تعیین سرطح عملکرد لرزه ای در سریسرتم مهاربند زانویی گسرترش داده] 10 [ بطوریکه اتصاالت و اعضای خمشی از قبیل تیرها و ستون ه ا ر ا فقط بر ای ب ا ر ه ای ثق لی و م ه ا رب ند ز انویی ر ا بر ای حفظ پ ا ید اری در مقابل همه بارهای جانبی از قبیل بار باد و زلزله طراحی نموده اند. با استفاده از میزان میرایی مورد نیاز طرح سطح مقطع مهاربند زانویی تخمین زده شررده و بر طبق نتایج تحلیل تاریخچه زمانی سررازه پنج

3 61 فصلنامه آنالیز - زلزله طبقه میزان حداکثر جابجایی مدل ای مطابق با جابجایی هدف را بوسیله مهاربند زانویی کمانش ناپذیر پیشنهاد شده کنترل نموداند. در این مقاله رفتار قاب های فوالدی مهاربندی شررده با مهاربند زانویی با قاب های مهاربند ضررربدری و همچنین مهاربند شررورون )هفت معکوس( مقای سه شده ا ست. به دلیل اینکه تغییر مکان جانبی پارامتری موثر بر خرابی اع ضای ای و غیر ای می باشررد مقدار تغییر مکان جانبی قاب های فوالدی مهاربندی شررده با انواع مختلف مهاربند و همچنین با توجه به اهمیت شرر کل پذیری ها ضریب رفتار اینگونه قاب های فوالدی مهاربندی شده با استفاده از روش تحلیل بار افزون با یکدیگر مقایسه شده است تحلیل اسررتاتیکی غیرخطی ( بارافزون ) روش موثری برایارزیابی عملکرد ها در هنگام زلزله می با شد. در این روش طرح شده تحت الگوی بارگذاری جانبی م شخ صی قرار می گیرد و بارهای جانبی تا ر سیدن به تغییر شکل نهایی به طور تدریجی افزایش می یابد. با اسررتفاده از این روش منحنی برش پایه در برابر تغییر مکان جانبی بام ر سم می گردد که به آن منحنی ظرفیت می گوی ند د ر ن ه ا یت ب ا تو ج ه ب ه ن ت ایج ب ه د سرررت آ مده ا ز من حنی ها ارزیابی هایی به منظور کنترل رفتار در نقطه عملکرد تعیین شده برای آن انجام می پذیرد. بارگذاری ثقلی قابهای مورد بررسی و نیز تعیین نیروی جانبی به ترتیب براساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ]1[ و آئین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله استاندارد 2800 ایران )ویرایش سوم( صورت گرفته است ]2[. طراحی قابها نیز مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران صورت گرفته است ]3[. 3 -مدلسازی و آنالیز به منظور بررسرری رفتار غیر خطی و برآورد ضررریب رفتار قابهای فوالدی مهاربندی شده با مهاربند زانویی ضربدری و شورون)هفت معکوس( از مدل تحلیلی با تعداد طبقات سه پنج و ه شت و با سه دهانه با طول ثابت هر دهانه برابر 4 متر ا ستفاده شده ا ست. با توجه به اینکه تعویض المان زانویی پس از زلزله های شرر دید امکان پذیر می باشررد در روند طراحی اعضررا سررعی بر آن اسررت که مفاصررل پالستیک ابتدا در عضو زانویی تشکیل شود. جهت مدلسازی تحلیل و طراحی تمام مدل های ای از نرم افزار 2000SAP اسرتفاده گردیده اسرت. مقاطع اسرتفاده شرده برای سررتون ها از نوع IPB و برای تیر ها از نوع IPE و برای مهاربند از نوع مقاطع دوبل ناودونی می باشررد. انواع مقاطع اسررتفاده شررده در جدول 1 آورده شده است. 2 -بارگذاری جدول 1- فهرست مقاطع استفاده شده در این پژوهش مقاطع UNP 2 UNP 60 2 UNP 70 2 UNP 90 2 UNP UNP 120 مقاطع IPE IPE 100 1PE 120 1PE 140 IPE 160 IPE 180 IPE 200 IPE 220 IPE 240 IPE 270 مقاطع IPB IPB 100 1PB 120 1PB 140 IPB 160 IPB 180 IPB 200 IPB 220 IPB تحلیل استاتیکی غیر خطی قاب سه طبقه: جهت قاب سه طبقه با سه دهانه سه مدل تحلیلی در نظر گرفته شررده مطابق شررکل )3( می باشررد. این مدل های تحلیلی بر اساس نوع مهاربند استفاده شده در قاب فوالدی انتخاب شده اند.

4 فصلنامه آنالیز - زلزله 62 شکل 3- مدل های تحلیلی قاب سه طبقه با سه دهانه 4 متری نتایج بدست آمده از تحلیل استاتیکی غیر خطی قاب فوالدی. با مهاربند زانویی جدول 2 آورده شده. جدول 2- پارامترهای تحلیل استاتیکی غیر خطی جهت قاب سه طبقه با سه دهانه Item Knee Brace X Brace Chevron Brace C C C C Sa Te Ti Ki Ke Alpha Rμ Vy Weight Cm در مقایسه با مهاربند ضربدری و شورون در مقایسه میزان شکل پذیری و ضریب رفتار سه مدل تحلیلی برای قاب سه طبقه با سه دهانه در جدول 3 نشان داده شده است. همانگونه که مشرراهده میشررود قاب مهاربند ضررربدری دارای کمترین میزان ضریب رفتار و قاب مهاربند زانویی باشد. دارای بی شترین ضریب رفتار می جدول 3 - ضریب رفتار و شکل پذیری قاب سه طبقه با سه دهانه Knee Brace X Brace Chevron Brace Vy Vs Ve Ω Rμ Ru R

5 63 فصلنامه آنالیز - زلزله ضربدری از همه کمتر می باشد. در این حالت مهاربند زانویی ترکیبی مناسب از شکل پذیری و سختی را فراهم می آورد. مطابق با شکل )4( میزان تغییر مکان جانبی قاب فوالدی مهاربندی شده با مهاربند شورون )هفت معکوس( ازهمه بیشتر و قاب مهاربند شکل 4- تغییر مکان جانبی قاب های فوالدی مهاربندی سه طبقه با سه دهانه قاب پنج طبقه : جهت قاب پنج طبقه با سه دهانه سه مدل تحلیلی در نظر گرفته مهاربند ا ستفاده شده در قاب فوالدی انتخاب شده ا ست. که شامل شده مطابق شکل )5( می باشد. این مدل های تحلیلی بر اساس نوع سه نوع مهاربند زانویی ضربدری و شورون می باشد. نتایج بدسرررت آمده از تحلیل اسرر تاتیکی غیر خطی قاب فوالدی مهاربندی شرررده با مهاربند زانویی در مقایسررره با مهاربند شکل 5 - مدل های تحلیلی قاب پنج طبقه با سه دهانه ضربدری و شورون )هفت معکوس( در جدول 4 آورده شده است.. جدول 4 - پارامترهای تحلیل استاتیکی غیر خطی جهت قاب پنج طبقه با سه دهانه Item Knee Brace X Brace Chevron Brace C C C C Sa Te Ti Ki Ke Alpha Rμ Vy Weight Cm 1 1 1

6 فصلنامه آنالیز - زلزله 64 مقایسه میزان شکل پذیری و ضریب رفتار سه مدل تحلیلی برای قاب پنج طبقه با سرره دهانه در جدول 5 نشرران داده شررده اسررت. همانگونه که م شاهده می شود قاب مهاربند ضربدری دارای کمترین میزان ضریب می باشد. جدول 5 - ضریب رفتار و شکل پذیری قاب پنج طبقه با سه دهانه Knee Brace X Brace Chevron Brace Vy Vs Ve Ω Rμ Ru R رفتار و قاب مهاربند زانویی دارای بیشترین ضریب رفتار در شرر کل )6( نیز میزان تغییر مکان جانبی قاب فوالدی مهاربندی شررده با مهاربند شررورون )هفت معکوس( ازهمه بیشررتر و قاب مهاربند ضرربدری از همه کمتر می باشرد. در این حالت مهاربند زانویی ضررمن تامین سررختی الزم دارای شرر کل پذیری خوبی می باشد. شکل 6- تغییر مکان جانبی قاب های فوالدی مهاربندی پنج طبقه با سه دهانه قاب هشت طبقه جهت قاب هشت طبقه با سه دهانه سه تیپ در نظر گرفته شده مطابق شکل )7( می باشد. این مدل های تحلیلی بر اساس نوع مهاربند استفاده شده در قاب فوالدی انتخاب شده است. شکل 7- مدل های تحلیلی قاب هشت طبقه با سه دهانه

7 65 فصلنامه آنالیز - زلزله نتایج بدسررت آمده از تحلیل اسررتاتیکی غیر خطی قاب فوالدی م هارب ندی شرررده با م هارب ند زانویی در م قایسررره با م هارب ند است. ضربدری و شورون ( هفت معکوس ) در جدول 6 آورده شده مقایسه میزان شکل پذیری و ضریب رفتار سه مدل تحلیلی برای قاب هشت طبقه با سه دهانه در جدول 7 نشان داده شده است. همانگونه که مشراهده میشرود قاب مهاربندضرربدری دارای کمترین جدول 6 - پارامترهای تحلیل استاتیکی غیر خطی جهت قاب هشت طبقه با سه دهانه Item Knee Brace X Brace Chevron Brace C C C C Sa Te Ti Ki Ke Alpha Rμ Vy Weight Cm میزان ضریب رفتار وقاب مهاربندزانویی است. دارای بی شترین ضریب رفتار همانگونه که در شرکل )8( نشران داده شرده میزان تغییر مکان جانبی قاب فوالدی مهاربندی شده با مهاربند شورون )هفت معکوس( از همه بیشتر و قاب مهاربند ضربدری از همه کمتر می باشد. جدول 7 - ضریب رفتار و شکل پذیری قاب هشت طبقه با سه دهانه Knee Brace X Brace Chevron Brace Vy Vs Ve Ω Rμ Ru R شکل 8- تغییر مکان جانبی قاب های فوالدی مهاربندی هشت طبقه با سه دهانه

8 فصلنامه آنالیز - زلزله 66 در شکل) 9 ( ضرایب رفتار قاب مهاربند زانویی در طبقات مختلف با مهاربند ضربدری و شورون مقای سه شده. همچنین در شکل )10( میزان حداکثر تغییرمکان جانبی بام در انواع مهاربند مقایسرره شررده است. شکل 9- ضرایب رفتار قاب و حداکثر تغییرمکان ها نسبی مهاربند زانویی مهاربند ضربدری و شورون در قاب های سه پنج و هشت طبقه 5 -نتیجه گیری در محاسرر به ضررر یب رفتار نه مدل تحلیلی قاب های فوالدی مهاربندی شده با مهاربند زانویی ضربدری و شورون مشخص گردید که عالوه بر اینکه سی ستم ای موثر بر ضریب رفتار می باشررد هندسرره سررازه ابعاد سررازه تعداد طبقات و همچنین نحوه طراحی اعضررا بر این پارامتر موثر می باشررند. حال انکه در آی نی نامه فعلیزلزله ایران )2800( تنها علت تفاوت در ضررریب رفتار سررازه ها سیستم ای آن ها بیان شده است. همچنین برر سی ها ن شان داد که قاب فوالدی با مهاربند زانویی به نسربت مهاربند ضرربدری و شرورون میزان سرختی الزم و شرکل پذیری را توامان تامین می نماید.مهاربند زانویی یک سرریسررتم جدید اسرتهالک انرژی در قابهای فوالدی اسرت که ضرمن تامین شرکل پذیری الزم دارای سختی جانبی ب سیار خوبی می با شد. در طی یک زلزله شدید عضو زانویی همانند یک فیوز ای عمل کرده و زودتر از اعضای دیگر به حد تسلیم می رسد به طوریکه اعضای ا صلی ( تیرها و ستون ها ) دچار آ سیب و خ سارت های شدید نمی شروند و با تعویض عضرو زانویی بعد از زلزله سرازه مجددا قابل استفاده می باشد. 6 -منابع ]1[ - مبحث ششم: بارهای وارد بر ساختمان دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان ]2[ کمیتةدائمی بازنگری آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله " آیین نامةطراحی ساختمانها در برابر زلزله" استاندارد 2800 مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن ویرایش سوم 1384 ]3[ وزارت مسکن و شهرسازی معاونت نظام مهندسی و اجرای ساختمان " مقررات ملی ساختمانی ایران مبحث دهم طرح و اجرای ساختمانها فوالدی " دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان [4]-Popov,E. P, Eccentrically Braced Steel Frames for Earthquake,j. of structural Division,Vol.104 NO.St [5]-Aristizibal Ochoa,J.D. Disposable knee bracing improvement in seismic design of steel frames j. of struc. eng.vol. 112(7).1986 [6]-Balendra,T.Sam,M.T.Liaw,C.Y, Diagonal brace with ductile knee anchor for a seismic steel frame,earthquake Eng and Structure Dynamics,Vol

9 67 فصلنامه آنالیز - زلزله [7]-Balendra, T, Chih-Young. Liaw, Earthquake resistant steel frame with energy dissipating knee elements.department of civil Engineering :National University of Singapore.1990 [8]-Balendra,T.Sam,M.T.,Liaw,C.Y.,Lee,s.L, Preliminary studies into the behavior of structure knee raced frames subject to seismic loading,eng. struct. vol.13,pp [9]-Massood Mofid, Peyman Khosravi, Nonlinear analysis of disposable knee bracing, Elsevier Science Ltd,1999 [10]- Jinkoo Kim,Youngill Seo,Seismic design of steel structures with buckling-restrained knee braces, Journal of Constructional Steel Research 59 (2003)

10 فصلنامه آنالیز - زلزله 68

11 69 فصلنامه آنالیز - زلزله Assessment of seismic behavior knee brace compared with X and Chevron bracing in steel frame M. hagayeg Department of Civil Engineering, Young Researchers and Elite Club, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran J. Asgari marnani Assistant Professor, Department of Civil Engineering,Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran M. rohani manesh Assistant Professor, Department of Civil Engineering,Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran ABSTRACT In this paper, with the introduction of a new Knee Brace Frame investigate the seismic behavior of steel frames braced with knee brace compared with X and Chevron brace frame are discussed. For this purpose, the brace steel structures, with the number of floors three, five and eight-story frame with four meters three-span by using pushover analysis, and because the lateral displacement structures parameter is the failure of structural and non-structural members, The amount of lateral displacement steel frames braced with different types of braces, and also given the importance of ductility coefficient such behavior braced steel frames are compared with each other. Studies have shown that, the Knee Brace Frame, ductility and stiffness conjoined provides.