تاثیر مشخصات سقف در رفتار لرزه ای سازه های چلیکی دو لایه

تاثیر مشخصات سقف در رفتار لرزه ای سازه های چلیکی دو لایه

کلید واژه ها:سازه های چلیکی دولایه ،رفتار لرزه ای، تحلیل طیفی، مد موثر،بافتار(Pattern)

چکیده :

سازه های فضاکار، به دلیل داشتن وزن کم،نسبت به سازه های معمولی رفتار خوبی در مقابل زلزله دارند.
باوجود این،برخی از انواع این سازه ها درمقابل زلزله آسیب پذیری نشان داده اند،که ازجمله آنهاسازه های چلیکی دولایه میباشد.
درمطالعه حاضر،براساس تحلیل طیفی انجام یافته،بامدل کردن سازههای چلیکی درمقایسه واقعی،رفتارلرزه ای سازه های چلیکی دولایه باستونهای صلب،موردبررسی قرارگرفته است.

نتایج بدست آمده نشان میدهدتاثیرمدل های بالاتردرپاسخ لرزه ای این سازه هاتحت شتاب لرزه ای درامتداد طولی،بسیار زیاد است.
براساس مطالعات انجام شده،واکنش تکیه گاهی لرزه ای سازه چلیکی بانسبت خیزبه دهانه2/1،به مراتب بزرگترازسازه های چلیکی بانسبت خیزبه دهانه4/1میباشد
ولی رفتار لرزه ای سازه های چلیکی با نسبت خیز به دهانه 4/1، و کوچکتر بهم نزدیک است.
همچنین بررسی هامشخص میکند که تغییربافتار(Pattern)سقف سازه چلیکی موجب تغییرمقدار فرکانس وردیف مدل های موثر در پاسخ لرزه ای میگردد.

مقدمه :

سازه های فضاکار کاربرد وسیعی در پوشش دادن فضاهای بزرگ دارند.
این سازه ها نسبت به سازه های معمولی سبکترهستندواین یکی از دلایلی بوده است که اغلب طراحان،آنها رامقاوم دربرابرزلزله(Aseismic)دانسته اند.
اما زلزله 1995 کوبه(Kobe)ژاپن ثابت کرد که در این مورد نیاز به مطالعات جدی تر و تجدید نظر وجود دارد.

بعد از این زلزله، مطالعات و گزارشات مربوط به اثر زلزله بر سازه های فضاکار در شماره مخصوصی از مجله لین المللی سازه های فضاکار منتشر شد که اساس مطالعات بعدی را تشکیل داد(Shiro Kato وHurue Kunieda و دکتر علی کاوه،دکتر حسن مقدم)در اینجا، هدف از ارائه مطالب، شناخت برخی از ویژگی های موثر در رفتار لرزه ای گروهی از سازه های فضاکار، تحت عنوان سازه های چلیکی دو لایه(Structure Double Layer Barrel Vault Space ) میباشد. در مطالعه حاضر، تاثیر بافتار و نسبت خیز به دهانه سقف در پاسخ لرزه ای سازه های چلیکی دولایه با تکیه گاههای نسبتا صلب ( که در آن لاغری ستونها بسیار کم بوده و سختی تکیه گاهها بزرگ می باشد) مورد بررسی قرار گرفته اند.

انتخاب مشخصات سازه های چلیکی دولایه

معمولاطول سازه های چلیکی مورداستفاده کمتر از100متراست ونمونه هایی ازسازه های چلیکی که درزلزله ژاپن آسیب دیدندطولی کمتراز50مترداشته اند.
لذا درمطالعه حاضر،با انتخاب طول کمتراز60متربرای حداکثر بعد سازه چلیکی،فرض براینست که کلیه تکیه گاه هاتحت شتاب های یکسان قرارمیگیرند.
درضمن،جنس المان ها فولادی ونوع ستون ها بتنی فرض شده ولاغری المان های خرپایی سقف درمحدوده100-40تعریف شده است.

لازم به ذکر است، در اینجا مشخصات هندسی سازه های چلیکی مورد نظر از طریق برنامه FORMIAN تعریف گردید و با استفاده از برنامه ای فایل ورودی مناسبی( با در نظر گرفتن مشخصات هندسی مقاطع و ستون های تکیه گاهی و شتاب لرزه ای و جهت اعمال آن) برای تحلیل در نرم افزار ANSYS پدید آمد و از صرف مدت زمان زیادی برای تهیه فایل ورودی و Data Generation اجتناب شد.

انتخاب روش تحلیل لرزه ای

ازآنجاکه تعدادالمان های سازه های فضاکارخیلی زیاد است انجام تحلیل های دقیق ترلرزه ای روی مدل بامقیاس واقعی ازنظرزمانی مستلزم هزینه زمانی زیادی است.لذا شناخت ویژگی های رفتار لرزه ای چنین سازه هایی میتواند در استفاده از مدلهای کوچکتر و تحلیل های پیچیده روی آن ها، سپس تعمیم نتایج به سازه های چلیکی با مقیاس واقعی کمک کند.ازطرفی ساده ترین راه برای تعیین پاسخ دینامیکی یک سازه تحت اثربارزلزله استفاده ازروش تحلیل مودی است واکثراَ برای طراحی زلزله،مقدارماکزیمم پاسخ کافیست.براین اساس،گزینه تحلیلی طیفی لرزه ای برای این مطالعه انتخاب شده وباهدف انجام مطالعات نسبتا جامع،اثر زلزله برای هرسه امتداد سازه های چلیکی دو لایه(عرضی، قائم وطولی)مدنظرقرارگرفته است.

در اینجا معیار بررسی درجه اهمیت هر مد در پاسخ سازه، نسبت شرکت پذیری جرم(Participating Mass Ratio) و ضریب شرکت پذیری (Participation Factor) و ضریب تاثیر مدی(Mode Coefficient) که در تحلیل های طیفی نرم افزار Ansys محاسبه میشود، بوده است. در مرحله ترکیب اثرات مودهای مهم، از روش(Complete Quadratic Combination) CQC استفاده می شود.

بررسی تاثیر بافتار سقف سازه های چلیکی بر پاسخ لرزه ای آن ها

برای مطالعه تاثیر بافتار سقف در رفتار لرزه ای سازه های چلیکی دولایه، سقف سازه چلیکی با دو بافتار متفاوت(diagonal) Lamella و Two-way on Two-way انتخاب گردید( شکل های 1و2 ). در این سازه ها، ستون ها از نوع بتنی و با مقطع Cm375*75*150و نسبت خیز به دهانه 4/1، طول  دهانه 15 متر،فواصل ستون ها 4 متر و طول کل 40 متر می باشد. این سازه ها، تحت اثر صرفاَ بار مرده و شتاب های طولی و قائم طیف های پاسخ HوV( که از ترکیب ویژگی های چند طیف پاسخ زلزله های واقعی با ضریب استهلاک 5% بدست آمده اند) آنالیز شده اند که خلاصه نتایج تحلیل ها در جدول 1 آورده شده اند.

بررسی نتایج تحلیل ها و همچنین جدول 1 نشان داد :

الف – وقتی شتاب لرزه ای در امتداد عرضی سازه چلیکی اثر می کند:

  • دربافتارLAMتنهامد اول درپاسخ لرزه ای شرکت میکندودربافتارT-Tعلیرغم آنکه مداول،موثرترین مد دررفتارلرزه ای سازه است،امامدهای بالاتریعنی مدلهای ردیفهای3،22و42نیزدرپاسخ لرزه ای تاثیردارند.
  • نسبت مولفه طولی واکنش تکیه گاهی به مولفه عرضی آن،درLAMبرابر0.258=30142/7784 ودرT-Tبرابر0.084=25836/2165 است واین نشان میدهدرفتاراین دو سازه باهم متفاوتند.
  • فرکانس های اول سازه های چلیکی با بافتارهایLAMوT-Tبترتیب برابر14.09و8.816می باشد.لذا بافتارتاثیر قابل توجهی درمقدار فرکانس های موثر دارد.

ب-  وقتی شتاب لرزه ای در امتداد قائم سازه  اثر میکند:

  • ردیف کلیه فرکانس های موثرباهم فرق میکنندومهمترین مد موثر درمدل هایLAMوT-Tبترتیب مدهای سوم وششم بدست آمده است.
  • درمدلهایLAMمقدارمولفه عرضی واکنش لرزه ای کل،ماکزیمم است درحالیکه درمدلT-Tمقدارمولفه قائم بیشترین بوده است،که این اختلاف بدلیل شکل مدهای مهم میباشد.
  • اگرچه درکل،مقدارتغییرمکانها کوچک است،اما تغییرمکانهای ماکزیمم درمدلLAMبیش از 15برابرمدلT-Tبوده ومقدارواکنش تکیه گاهی کل درمدلLAMحدود10% بیشتراست.

ج- وقتی شتاب لرزه ای در امتداد طولی سازه چلیکی اثر میکند:

  • در مدلLAMنسبت به مدلT-Tتعداد مودهای بیشتری در رفتار لرزه ای شرکت میکنند و ردیف مهمترین مد نیز بترتیب44و11بوده است(شکل 3).
  • اگرچه مولفه طولی واکنش تکیه گاهی در هر دو سازه بیشترین است،اما نسبت مولفه واکنش تکیه گاهی کل به مولفه عرضی آن در LAM برابر 41833/5383 =7.77 و در T-T برابر 22508/16188=1.39 است. همچنین مقادیر واکنش کل تکیه گاهی در سازه چلیکی با LAM حدود 40%( 43110/30814) بیشتر است.
  • درهردوسازه،تغییرمکان ماکزیمم مربوط به امتداد قائم است ومقادیرتغییرمکانهای ماکزیمم بسیاربهم نزدیک است،اماواضح است که محل وقوع این تغییرمکانهای ماکزیمم باهم متفاوت خواهدبود.

تاثیر نسبت خیز به دهانه در پاسخ لرزه ای سازه های چلیکی

در این بخش، سه سازه چلیکی دولایه با ابعاد کلی 15*60 مترمربع و با نسبت های خیز به دهانه 2/1، 4/1 و 8/1 و با بافتار Lamella برای تحلیل انتخاب شده اند. طیف طرح بکار رفته برای تحلیل طیفی، همان طیف طرح استاندارد ایران می باشد که با ( فرض اینکه این سازه ها در گروه سازه های فولادی آیین نامه 2800 ایران قرار گیرند) ضریب شکل پذیری 6 و ضریب بازتاب B=2.5 بدست آمده است. در ضمن، در این مرحله شدت شتاب قائم 3/2 شتاب های افقی فرض شده است، که البته با توجه به خطی بودن تحلیل،کم یا زیاد شدن این شدت،در نتیجه گیری های نهایی تحلیل ها تاثیر چندانی نخواهد داشت.

بررسی نتایج طیفی سازه های چلیکی(که بخشی از آنها درجدول2خلاصه شده اند)تحت اثرشتاب لرزه ای درامتدادعرضی وفقط بارمرده نشان میدهد:

  • اختلاف تغییر مکان های ماکزیمم در امتدادهای مختلف کم است.
  • ترتیب نزولی مولفهاماکزیمم تغییرمکانها،بترتیب مولفه های عرضی،قائم وطولی است وعملا سختی ستونها تاثیرچندانی درماکزیمم تغییرمکان سازه درامتدادهای قائم وطولی ندارد.
  • مد اول برای حالت طول ستون ها 150 سانتی متر با نسبت خیز به دهانه 2/1،یک مد افقی است اما مد دوم آن یک مد قائم نامتقارن است. در حالیکه مد اول برای همان حالت با نسبت خیز به دهانه 8/1، یک مد قائم است اما مد دوم یک مد افقی است.با وجود این، در کلیه موارد، مد موثر در پاسخ لرزه ای، یک مد افقی است.
  • در سازه چلیکی باستون های نسبتا صلب،مدغالب مد اول نیست وممکن است از مدهای بعدی باشد ولی در هر حال، این مد عرضی است و انتخاب اولین مودها(حداکثر 10) برای تحلیل های دینامیکی مودال یا طیفی ، جهت مطالعه اثر شتابهای لرزه ای در امتداد عرضی چنین سازه هایی کافیست.
  • وقتی که نسبت خیز به دهانه2/1است مولفه قائم واکنش تکیه گاهی بیش ازدو برابرمولفه عرضی آن است.بعبارت دیگرعلیرغم اینکه سازه تحت شتاب عرضی قرار میگیرداما مولفه قائم واکنش تکیه گاهی بزرگترین مقداررا پیدامیکند.لذا درچنین شرایطی ستون هابایستی بخوبی توانایی تحمل چنین نیروهای محوری ای را داشته باشند(در گنبدها نیز،در اکثر مواقع مولفه قائم از مولفه افقی بزرگتراست)درحالیکه در سایرحالت ها،مولفه قائم کمتراز نصف مولفه عرضی می باشد.

سازه های چلیکی دولایه

  • مقدارواکنش های تکیه گاهی برای سازه های چلیکی بانسبت خیز به دهانه 2/1،بسیار بیشترازسایرنسبتها است.همچنین مقدار واکنش های تکیه گاهی سازه های چلیکی با نسبت خیز به دهانه4/1و8/1 به همدیگرنزدیک است.
  • ترتیب نزولی مقادیر مولفه های واکنش تکیه گاهی برای سازه های چلیکی با نسبت خیز به دهانه2/1مربوط به مولفه های قائم،طولی و عرضی است.درحالیکه همین ترتیب برای سازه های چلیکی بانسبت خیزبه دهانه4/1 و8/1مربوط به مولفه های طولی،عرضی وقائم است.

نتایج آنالیزها برای همان سازه های چلیکی، تحت اثر شتاب لرزه ای در امتداد قائم نشان میدهد:

  • باکاهش نسبت خیزبه دهانه،ردیف مدهای موثربسمت اولین مدهای پیش میرود.همچنین،بازه فرکانس های موثردرپاسخ لرزه ای(اختلاف بزرگترین وکوچکترین فرکانس موثر)فشرده ترمیگردد.
  • سازه های بانسبت خیزبه دهانه4/1دارای کمترین مقدارواکنش کل تکیه گاهی وتغییرمکان حداکثر،نسبت به سازه های چلیکی متناظربانسبت های خیزبه دهانه2/1و8/1است.
  • درشرایط تکیه گاهی صلب،مقدارواکنش کل تکیه گاهی باکاهش نسبت خیزبه دهانه کاهش می یابدونسبت های بین مولفه ها کمتر میشود.
  • درسازه های چلیکی بانسبت خیزبه دهانه2/1و4/1علیرغم آنکه سازههاتحت شتاب لرزه ای قائم قرارمیگیردامامولفهای واکنش تکیه گاهی طولی بزرگترازمولفهای قائم هستند.
  • درشرایط اعمال شتابهای لرزه ای قائم،مدهای موثرشکل قائم دارندمثلا برای سازه چلیکی باستونهای150 سانتیمتری ونسبت خیزبه دهانه2/1،مدسوم که یک مدقائم است در پاسخ لرزه ای سیستم موثرواقع میشود.

بررسی نتایج تحلیل های سازه های چلیکی قبلی، تحت اثر طیف لرزه ای در امتداد طولی سازه ها نشان داد:

  • تاثیرمدهای بالا بیشتر ازمدهای پایینی است(شکل 4)همچنین باکاهش نسبت خیزبه دهانه،تغییرمکان های ماکزیمم ومقدارواکنش های تکیه گاهی کاهش می یابند.

  • مقدار مولفه طولی واکنش تکیه گاهی به مراتب بزرگتر از سایر مولفه هاست ومخصوصا مقدار مولفه عرضی قابل صرفنظر است.
  • درسازه چلیکی بانسبت خیزبه دهانه2/1،با آنکه شتاب درجهت افقی(طولی) به سازه اثر میکند،اما ماکزیمم تغییرمکان قائم حاصل،بیشترازماکزیمم تغییرمکان افقی است.

نتیجه گیری

براساس مطالعات انجام یافته در این پژوهش میتوان تخمین مناسبی از تعداد و ردیف و شکل مدهای موثر در رفتار لرزه ای سازه های چلیکی بدست آورد و برآورد کیفی مطلوبی را از پاسخ لرزه ای این سازه ها ارائه داد.در بررسی رفتار لرزه ای سازه های چلیکی دولایه نشان داده شد،شکل بافتاردر ردیف مدهای موثر در پاسخ لرزه ای،مخصوصا تغییر مکان ها،تاثیر مهمی دارد و بطور کلی مقادیر واکنش های تکیه گاهی وتغییر مکان های سازه های چلیکی با نسبت خیز به دهانه 2/1 با سازه های مشابه دیگر( نسبت خیز به دهانه 4/1 و 8/1) بسیار متفاوت است.

براساس تحلیل های انجام شده در مورد رفتار لرزه ای سازه های چلیکی دو لایه(مطابق مشخصات ذکر شده در صفحه2)درحالت اعمال شتاب لرزه ای درامتداد قائم سازه چلیکی،باکاهش نسبت خیز به دهانه،ردیف مدهای موثر به سمت اولین مدها پیش میرود و بازه فرکانس های موثر در پاسخ لرزه ای کوچکتر میگردد.همچنین دراین سازه هاتحت شتاب لرزه ای درامتداد طولی،تاثیرمدهای بالابه مراتب بیشترازمدهای پایینی است وباکاهش نسبت خیزبه دهانه،تغییرمکانهای ماکزیمم بدست آمده نیزکاهش می یابند.

تهیه کنندگان :یوسف حضرتی جوانان  گروه،دکتر محمدرضا چناقلو

Copyright 2016