بررسی ضریب رفتار شبکه های فضاکار دو لایه

بررسی ضریب رفتار شبکه های فضاکار دو لایه

واژه های کلیدی : سازه های فضاکار، شبکه های فضاکار دولایه،آنالیز خطی،آنالیز غیرخطی،ضریب رفتار

چکیده

استفاده روزافزون ازسازه های فضاکاربدلایل مختلفی ازجمله:زیبایی،سبکی،خوشرفتاری دربرابرزلزله های بوقوع پیوسته وپوشش دهانه های بزرگ باعث جلب توجه محققین ومهندسین به اینگونه سازههاگردیده است.
معماری مناسب،اجرای سریع،تناسب قیمت،طراحی ایده آل و…. سبب شده تا شبکه های فضاکار دولایه ازتوجه خاصی دربین دیگرسازه های فضاکاربرخوردارباشند.
هدف از این مقاله بررسی ضریب رفتار شبکه های فضاکار دولایه، تحت تاثیر نیروهای قائم زلزله می باشد.

ابتدا شبکه هایی  با تغییر در ارتفاع بین دولایه، طول اعضا شبکه های فوقانی و تحتانی و همچنین نوع شبکه فوقانی و تحتانی با استفاده از نرم افزار FORMIAN تهیه و سپس مطابق با آیین نامه های موجود طراحی سازه های فولادی، طراحی و مقاطع بهینه اعضای سازه مشخص گردیدند.
در مرحله بعد با استفاده از روش های معمول آنالیز غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی و با بار استاتیکی زیاد شونده،آنالیز پوش آور روی سازه انجام گرفته تا سازه از حالت خطی خارج گردیده و وارد مرحله غیرخطی  شود که با افزایش بار،سازه به حالت ناپایدار در آمده و در نهایت خراب میشود که از حاصل نتایج این سری آنالیزها، منحنی های نیرو- تغییر شکل برای هر سازه در جهت قائم رسم شده و ضریب رفتار تک تک سازه ها و با یکدیگر مقایسه میشوند.

مقدمه

ضریب رفتار سازه(R)، در آیین نامه های زلزله نشانه مقاومت ،پایداری، شکل پذیری،نحوه خرابی سازه در زلزله، قدرت جذب انرژی نیروهای جانبی،مقاومت اضافه در تغییر شکل های زیاد،میرایی و رفتار کلی سازه در مقابل زلزله می باشد و به نوع سیستم ساختمان،سطح تکنولوژی مصالح، روش های طراحی،اجرا و نظارت همچنین مسائل اقتصادی، اجتماعی و فرهنگ ساختمان سازی بستگی دارد.

بدین معنی،هراندازه مقداراین ضریب کم باشدنیروی برشی پایه زیادتری برای طرح سازه منظورمیشودکه باعث اتلاف هزینه اضافی درساختمان میشود.
ولی هرچه مقداراین ضریب بیشتر باشدقابلیت اطمینان به جذب انرژی توسط سازه بیشتر وسازه سریعترازناحیه الاستیک خارج شده است
و تعداد مفاصل پلاستیک بیشتری تشکیل میشود که نشان دهنده شکل پذیری و قدرت جذب انرژی بیشتر سازه میباشد.
مقادیرزیادی یا کمی پارامترهایی همچون تغییر شکل سازه، پایداری، میرایی، شکل پذیری و …. هریک تاثیری بر سیستم سازه میگذارند.

پس بهترین آنها زمانی است که مقدار ضریب رفتار بهینه باشد.

ضریب Rازیک طرف تاثیرقابل توجهی درطراحی بهینه ساختمان داشته و ازطرف دیگر نقش مهمی درقابلیت سرویس دهی ساختمان درزلزله دارد.
پس این ضریب برای تعیین نیروهای زلزله به خصوص در سازه های فضاکار دولایه یکی از ضرایب مهم می باشد.

با توجه به مرجع [2] و مطابق تفسیر [National Earthquake Hazard Reduction Program] NEHRP ضریب R را بصورت یک ضریب تجربی برای تبدیل پاسخ و به منظور به حساب آوردن دو عامل میرایی و شکل پذیری در یک سیستم سازه ای، در تغییر مکان های بزرگ نزدیک به تغییر مکان های نهایی سیستم تعریف می کند که صفت “تجربی” در تعریف بالا یعنی هیچ تکنیک اساسی  برای محاسبه مقادیر R در آیین نامه های مختلف وجود ندارد.

درایران تحقیقات وبررسی های زیادی دراین موردانجام  نشده وضرایبRپیشنهاد شده درآیین نامه زلزله ایران باتوجه به سیستمهای مشابه سازه ای درآیین نامه های سایرکشورهاانتخاب شده است.
و با توجه  به قضاوت مهندسی تهیه کنندگان اولیه، این مقادیر تعدیل شده اند.
درمحاسبه ضریب رفتارپارامترهای زیادی که بعضی دربالا گفته شدموثرندامابدلیل پیچیدگی محاسبه فقط درسه ضریب خلاصه گردیده کلیه عوامل راشامل میگردد.
دراین مقاله،تاثیرات ارتفاع بین دولایه،طول عضولایه های تحتانی وفوقانی ونوع شبکه درضریب رفتار سازه های فضاکار دولایه بررسی شده است.

مدل سازی سازه فضاکار دولایه

اعمال تحلیل غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی ابتدا باید توسط تک عضو صورت پذیرد.
پس جهت آنالیزغیرخطی مصالح بایستی از المان غیرخطی در نرم افزار ANSYS استفاده شود.
که بعدازتحقیق وبررسی رفتارهرکدام ازالمانها نتایج حاصل گردیدکه بایستی برای آنالیز ازالمانهایBeamاستفاده شودکه این المانهاهریک رفتارغیرخطی وخطی مخصوص بخود رادارند.

برای مدل سازی تک عضو ازالمان سه بعدی غیرخطیBeam189استفاده میشود.این المان رفتارغیرخطی داشته وتوسط چهار گره(دو انتها،وسط وخارج ازالمان)تعریف میشود.

عیب عمده این المان قابلیت آزاد سازی درجات آزادی چرخشی انتهایی المان است.
چون درسازههافضاکارهمه اعضای خاصیت دوسرمفصل رادارند،به ناچارمی بایست این مشکل توسط دوالمانBeam44که خاصیت آزادسازی درجات آزادی چرخشی رادوانتها دارند،حل گردد.
پس در هر تک عضو از یک المان Beam 189 و دو المان Beam44 استفاده می شود.

رفتارفولاد بصورت غیرخطی درنظرگرفته شده است که در سازه های فضاکار اعضا بامقاطع لوله ای توخالی تعریف میشوند.
و برای در نظرگرفتن رفتار کمانشی عضو در اثر نیروی محوری بایستی یک انحنای اولیه به المان  وسطی عضو(Beam 189) داده شده باشد تا پس از وارد شدن،اولین گام نیروی محوری، همزمان کمانش در عضو صورت پذیرد.

برای دستیابی به این مهم ابتدا چندین نمونه از عضو ساخته شده از یک، دو و سه المان Beam 189 با لاغری های مختلف توسط نرم افزار کامپیوتری مورد آزمایش قرار گرفته و مقادیر خطای آن ها با مقادیر تئوری مقایسه شده و کمترین خطای ممکن حاصل از آن عبارتست از : عضوی با دو المان خطی Beam44 به طول b/10(b طول عضو) از دو انتهای عضو و یک المان غیر خطی Beam 189 در وسط با انحنای اولیه  004/0 .

حال برای مدل کردن شبکه های فضاکار دو لایه، ابتدا شکل یک سازه فضاکار دو لایه که لایه فوقانی آن شبکه قطری و لایه تحتانی آن شبکه مستطیلی میباشد با ارتفاع و طول عضوهای مختلف تولید (شکل 2) و سپس آنالیز و طراحی بهینه روی آن صورت میگیرد. مقاطع اعضا به سازه تخصیص داده شده و دوباره سازه آنالیز می گردد و این سیکل تا طرح بهینه سازه ادامه می یابد.

کلیه مقاطع بدست آمده، به یک نرم افزار آنالیز غیرخطی سازه ها برده شده و تمام شرایط مدلسازی از جمله شرایط تکیه گاهی و شرایط مفصلی دو سراعضا تعریف میشوند و با آنالیز پوش آور و با روش حل معادلات غیرخطی نیوتن – رافسون آنالیز غیرخطی انجام میگردد.
نتایج بصورت نمودارهای نیرو – تغییر مکان برای ارتفاع و طول اعضای مختلف ترسیم میشوند.
همین روندبرای دیگرشبکه های دولایه بالایه تحتانی مستطیلی،لایه های فوقانی قطری وچهارطرفه انجام گرفته ودرنهایت نمودارنیرو–تغییرمکان باشرایط بالاترسیم میشوند.

بررسی آنالیز غیر خطی سازه های فضاکار دو لایه

رفتارغیر خطی سازههای دولایه دربرگیرنده خرابی اعضای تکی است که اگرسازه دراثرخرابی این اعضابه مکانیزم تبدیل شود،دچارکمانش کلی شده وتغییرمکانها به میزان زیادی افزایش می یابد.
سپس بایستی بااطلاعات کافی رفتارحالت الاستیک تاپس کمانش سازه رامورد بررسی قرار دادکه محققین زیادی دراین خصوص تحقیق نموده اند.

برخی روش های آنالیز کمانشی عبارتند از : روش خطوط گسیختگی، جایگزینی عضو کمان کرده، اصلاح سختی عضو کمانه کرده و روش های المان محدود پس با توجه به قدرت و سرعت پردازش اطلاعات بوسیله کامیپوتر، در این تحقیق از روش المان محدود استفاده گردیده که استفاده از این روش نیازمند سه مرحله مدل سازی سازه با المان های با طول معین، اعمال شرایط تعادل و سازگاری بین تغییر مکان های داخلی اعضا و استفاده از روش سختی یا نرمی می باشد.
رفتار غیرخطی تمام سازه ها شامل دونوع غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی می باشد.

درروش آنالیزغیرخطی مصالح،رفتارغیرخطی وابسته به زمان،خزش،آسودگی ودیگرخواص مصالح میباشندواگرمستقل ازسرعت بارگذاری باشدوابسته به سه پارامترمعیارتسلیم،قانون جریان وقانون سخت شوندگی میباشد.

براساس مطالب گفته شده برای در نظر گرفتن رفتار فولاد بایستی منحنی تنش- کرنش و مدول الاستیسته،E را تعریف نمائیم.
لذا نقطه ابتدا منحنی درمبدا ونقطه انتها درنقطه تسلیم(sy,ey)میباشد ودرصورت درنظرگرفتن خط دوم بصورت موازی محورکرنشها،رفتارالاستوپلاستیک کامل موردنظر بوده است.
اما برای تاثیر اثر سخت شوندگی کرنش در فولاد خط دوم را باشیب بزرگتر از صفر در نظر می گیریم.
پس در مدل سازی از فولاد با منحنی تنش – کرنش ( شکل 1) استفاده میشود.

محاسبه ضریب رفتار

مفهموم ضریب رفتاربراین اساس است که یک قاب لرزه ای باجزئیات خوب اجراشده میتواندتغییرشکلهای زیادی رابدون فروریزش تحمل نماید(رفتارشکل پذیر).
و مقاومتی علاوه بر مقاومت طراحی از خود نشان دهد که اغلب به رزرو مقاومت معروف است.
ضریب رفتاربه نسبت نیرویی که تحت یک حرکت لرزه ای زمین اگرسیستم کاملاارتجاعی عمل کند(طراحی الاستیک)
به نیروی طراحی ازپیش تعیین شده درحالت حدی مقاومت گفته میشود.
ضریب رفتارازروی منحنی نیرو- تغییر مکان سازه هادرحالت آنالیزخطی وغیرخطی(شکل 2) بدست می آید وشامل قسمت های ذیل است:

ضریب کاهش نیرودراثر شکل پذیری(Rm):عبارتست ازخارج قسمت نیروی نهایی وارده به سازه درصورتیکه رفتارسازه الاستیک باقی بماند(Ve)به نیروی متناظرباحد تسلیم عمومی سازه درهنگام تشکیل مکانیزم خرابی(Vy).

ضریب اضافه مقاومت(Rp):عبارتست ازخارج قسمت متناظرباحدتسلیم کلی سازه درهنگام تشکیل مکانیزم خرابی،(Vy)به نیروی متناظرباتشکیل لولاخمیری درسازه(Vp).مقداراین ضریب برای سازه حدود5/1الی3میباشد.

ضریب تنش مجاز (Rw) : عبارتست از ضریبی که براساس نحوه برخود آیین نامه ها با تنش های طراحی ( بار مجاز یا نهایی) تعیین می شود و برابراست با نسبت نیرو در حد تشکیل اولین دولای خمیری (Vp) به نیروی در حد تنش مجاز (Vw). مقداراین ضریب حدود 5/1 تا 7/1 در اکثر سازه ها می باشد.

باتوجه به اینکه در سازه های فضاکار از لوله توخالی با مقطع دایره ای استفاده شده پس :

ضریب رفتار سازه های فضاکار دو لایه

در این مقاله سه تیپ شبکه های فضاکار دولایه تحت عنوان مدل هایA,B,C موردبررسی قرارگرفته اند که عبارتند از :

مدل A : شبکه فوقانی چهار طرفه و تحتانی شبکه مستطیلی.

مدل B : شبکه فوقانی مستطیلی و شبکه تحتانی مستطیلی.

مدل C : شبکه فوقانی قطری و شبکه تحتانی مستطیلی.

دراین سه مدل ارتفاع بین دولایه (h)وطول عضو (b)میباشد ونتایج بصورت نسبت دوپارامتر b و h بطول دهانه Sمیباشند(شکل 3).

مدل شبکه های فضاکار

کلیه ضرایب رفتار حاصل ازسه تیپ مدل شبکه های فضاکار دو لایه بررسی گردیده و در ادامه آورده شده اند.

نتیجه گیری

  • با توجه به اینکه میانگین ضریب رفتار به ترتیب در هریک از مدل های A،B،C برابر 2.63، 2.45، 2.76  بوده و میانگین برای سه مدل 2.60 میباشد نتیجه میگیریم که شبکه های فضاکار دو لایه از شکل پذیری زیادی در جهت قایم برخوردار نبوده و ضریب رفتار بسیار کمتر نسبت به دیگر سازه ها دارند.
  • ازمقایسه ضرایب رفتارسه مدل بالا میتوان نتیجه گرفت که استفاده ازروش تحلیل استاتیک معادل برای آنالیزاین سازه هامناسب نمی باشد.
  • باتوجه به پایین بودن ضریب رفتاروتغییرات زیاد آن دربین مدلهای مختلف شبکه های فضاکار دولایه،توصیه میشودجهت تحلیل سازه فضاکاردولایه ازروشهای آنالیزغیرخطی مستقیم استفاده گردد.

تهیه کننده : احسان عراقی زاده

Copyright 2016