تخمین ضریب رفتار سوله های یک دهانه و مقایسه آن با آیین نامه ۲۸۰۰

سوله اصفهان

خلاصه

امروزه سوله ها به خاطر اجرای سریع، ایجاد فضاهایی با دهانه های بزرگ و سبک بودن اسکلت سازه ای و به تبع آن عملکرد مناسب در برابر زلزله به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد وسیع این نوع سازه ها و وجود برخی ابهامات در انتخاب ضریب رفتار مناسب برای تحلیل لرزه ای، محاسبه این پارامتر لرزه ای را برجسته می کند. البته نیروی زلزله اغلب زمانی در این نوع سازه ها حاکم است که سازه دارای جرثقیل سقفی سنگین باشد، در غیر این صورت نیروی باد حاکم بر طراحی خواهد بود.

در این مقاله به منظور ارزیابی ضریب رفتار سوله ها، ۶ سوله با ارتفاع یکسان و دهانه های متفاوت مطابق ضوابط مبحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان ایران و همچنین ویرایش سوم آیین نامه ۲۸۰۰ ، طراحی و سپس با استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی و با بکارگیری نر م افزار SAP 2000 منحنی پوش آور هر سوله بدست آورده شد و در نهایت با استفاده از این منحنی ها، تأثیر طول دهانه سوله بر ضریب رفتار، ضریب مقاومت افزون، ضریب شکل پذیری و ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری مورد بررسی قرار گرفت و سپس رابط های برای برآورد ضریب رفتار سوله با داشتن طول دهانه مورد نظر پیشنهاد گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که ضریب رفتار سوله با افزایش طول دهانه افزایش می یابد.

۱. مقدمه
فلسفه های حاکم بر آیین نامه های طراحی موجود دنیا، به سازه این اجازه را می دهند که به هنگام ارتعاشات شدید زمین وارد محدوده تغییر شکل های غیرالاستیک گردد. به عنوان یک نتیجه از این فلسفه طراحی، بایستی نیروهای طراحی الاستیک بسیار کوچک تر از مقادیر لازم برای حفظ سازه در محدوده خطی(هنگام زلزله) باشند. کاهش در نیروهای ایجاد شده، به علت میرایی انرژی در رفتار غیر خطی هیسترتیک پدید آمده و به وسیله ضرایب اصلاح مقاومت منظور می گردد.

به هنگام اعمال نیروی جانبی به یک سازه، اعضای آن بخشی از انرژی ناشی از نیرو را به خاطر عملکرد ارتجاعی و بخش قابل توجهی از این انرژی را به خاطر عملکرد غیر ارتجاعی مستهلک می نمایند. بنابراین منطقی آن است که برای طراحی سازه علاوه بر قابلیت ارتجاعی اعضا، حتماً قابلیت غیر ارتجاعی آن ها نیز در نظر گرفته شود.

رعایت نمودن دقیق این امر مستلزم تحلیل دینامیکی غیر ارتجاعی است که بسیار پیچیده و وقت گیر بوده و
انجام آن برای سازه های متعارف غیر اقتصادی می باشد. اما در بسیاری از آیین نامه ها به منظور پرهیز از تحلیل دینامیکی غیر خطی و در عین حال در نظرگرفتن رفتار غیر خطی سازه، ضریبی را به نام ضریب رفتار معرفی می کنند.

نحوه عملکرد این ضریب بدین صورت است که به هنگام تحلیل ارتجاعی سازه، نیروی جانبی وارده به سازه کاهش می یابد تا به نحوی اثر آن میزان از انرژی که در اثر رفتار غیرخطی سازه مستهلک می گردد، در نظر گرفته شود. این میزان انرژی مستهلک شده ناشی از عواملی نظیر زمان تناوب سازه، شکل پذیری و مقاومت افزون است.

۲. قاب شیب دار(سوله)
تجربه زلزله های گذشته نشان می دهد که قاب های شیب دار فولادی(سوله) اغلب رفتار مناسبی در برابر زلزله از خود نشان می دهند. سبکی این سازه ها از جمله عواملی است که موجب بهبود رفتار لرزه ای این نوع سازه ها می شود. گزارش تهیه شده از زلزله ۵ دی ماه ۱۳۸۲ بم، رفتار لرزه ای مناسب این نوع سازه ها را نشان می دهد و خسارت های بوجود آمده را بیشتر از نوع غیر سازه ای گزارش می کند، به گونه ای که سازه پس از زلزله پایداری خود را حفظ کرده و فقط دیوارهای پیرامون آن تخریب جزئی داشته است.

به دلیل مزایای ویژه ای از جمله ایجاد دهانه های بزرگ بدون ستون میانی، نصب سریع به علت اتصالات پیچ و مهره ای، امکان انتقال سازه به مکان دیگر به علت اتصالات پیچ و مهره ای و سبک بودن وزن سازه، امروزه به طور وسیعی از این سازه ها در شهرک های صنعتی و بعضاً در شهرها برای کاربری های مختلفی از قبیل: آشیانه هواپیما، کارخانجات صنعتی، انبارها، مجموعه های ورزشی و… استفاده می کنند.

شکل ۱ نمونه هایی از این نوع سازه ها را نمایش می دهد.

۳. ضریب رفتار
ضریب رفتار یا ضریب اصلاح پاسخ سازه، کمیتی است که عملکرد غیر ارتجاعی سازه را در برداشته و نشانگر مقاومت پنهان سازه در مرحله غیرالاستیک می باشد. آیین نامه های طراحی لرز های کنونی، نیروهای لرز های برای طراحی ارتجاعی ساختمان را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی ساختمان و شرایط خاک محل احداث ساختمان است، بدست می آورند و برای لحاظ کردن اثر رفتار غیرارتجاعی و اتلاف انرژی بر اثر رفتار هیسترزیس، میرایی و اثر مقاومت افزون سازه، این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت (ضریب رفتار) به نیروی طراحی تبدیل می کنند.

با توجه به شکل ۲ مقدار مقاومت الاستیک مورد نیاز برحسب ضریب برش پایه Ceu از رابطه زیر بدست می اید:

که در ان w وزن سازه و Ve حداکثر برش پایه در صورتی که سازه کاملاً در محدوده الاستیک باقی بماند، است. از آنجا که یک سازه که  صورت صحیح طراحی شده، معمولاً مقادیر قابل ملاحظه ای از شکل پذیری را می تواند تأمین کند، تا حداکثر مقاومت CyW را تامین کند.  برای اهداف طراحی، آیین نامه ها مقدار Cy را تا Cs که نمایانگر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در مجموعه سازه می باشد، کاهش می دهند.

در طراحی با استفاده از روش بار نهایی در سازه های بتنی و روش ضرایب بار و مقاومت در سازه های فولادی از این تراز نیرویی استفاده می شود. اختلاف نیروی بین CsW و CyW را اصطلاحاً اضافه مقاومت می نامند. از آنجا که در آیین نامه های طراحی سازه های فولادی و بتنی در بسیاری از کشورها هنوز استفاده از روش تنش مجاز متداول است، آیین نامه ۲۸۰۰ ایران مقدار Cs را به Cw کاهش می دهد و لذا نیروی برشی پایه طراحی در این آیین نامه ها برابر CwW می باشد.

ضریب شکل پذیری کلی سازه(μ )

با ایده آل نمودن منحنی رفتار کلی سازه به منحنی الاستیک- پلاستیک کامل شکل(۲)، ضریب شکل پذیری کلی سازه را می توان به صورت رابطه (۲) بیان نمود.

                                ۲)

ضریب کاهش مقاومت در اثر شکل پذیری (Rμ )

بر اثر شکل پذیری، ساختمان ظرفیتی برای استهلاک انرژی هیسترتیک خواهد داشت. به دلیل این ظرفیت استهلاک انرژی، نیروی طراحی ارتجاعی (Ceu) را می توان به تراز مقاومت تسلیم(Cy) کاهش داد، از اینرو ضریب شکل پذیری را می توان به صورت رابطه ( ۳) نوشت.

۳)

طراحی سوله
ضریب شکل پذیری

میراندا و برترو، سعی کردند با انتخاب تعداد نسبتاً زیادی از زلزل ههای ثبت شده، اثر شرایط خاک بر ضریب Rμ را مورد بررسی قرار دهند. به همین منظور انها ۱۲۴ زلزله ثبت شده در محدوده وسیعی از شرایط خاک در هنگام زلزله های گوناگون را در نظر گرفتند و بر اساس شرایط محلی خاک در ایستگاه ثبت کننده، زلزله ها به سه گروه ثبت شده در زمین سنگی، زمین رسوبی و خاک خیلی نرم دسته بندی نمودند.

آن ها ضرایب Rμ را برای سیستم های با ۵ درصد میرایی و با ضرایب شک لپذیری کلی سازه ای بین ۲ تا ۶ محاسبه نمودند و متوسط ضرایب Rμ برای هر نوع خاک به صورت رابطه ( ۴) ارائه نمودند. آن ها علاوه بر تاثیر شرایط خاک، تاثیر بزرگی زلزله و فاصله مرکز سطحی زلزله بر ضرایب Rμ مورد بررسی قرار دادند و تحقیقاتشان نشان داد که شرایط خاک بر ضرایب Rμ تاثیر می گذارد (به ویژه برای محل هایی که دارای خاک نرم هستند)، اما بزرگی زلزله و فاصله مرکز سطحی زلزله بر ضرایب Rμ تاثیر ناچیزی دارند.

ضرایب Rμ
شکل۴

که در آن μ ضریب شکل پذیری و ϕ برای زمین های رسوبی از رابطه ( ۵) بدست می آید.

سوله
شکل ۵

ضریب مقاومت افزون(Ω)

مقاومت ذخیره ای که بین تراز تسلیم کلی سازه (Cy ) و تراز اولین تسلیم (Cs ) وجود دارد به عنوان ضریب مقاومت افزون شناخته می شود و از رابطه (۶) بدست می آید.

ضریب مقاومت افزون
شکل ۶

اضافه مقاومت سازه در نتیجه باز توزیع نیروهای داخلی، بیشتر بودن مقاومت واقعی مصالح نسبت به مقاومت اسمی، سخت شوندگی کرنشی، محدودیت های آیین نامه ای در مورد تغییر مکان جانبی، اثرات اجزاء غیر سازه ای و غیره می باشد.

ضریب تنش مجاز( Y )

این ضریب بر اساس نحوه برخورد آیین نامه های مصالح با تن شهای طراحی(بار مجاز یا بار نهایی) تعیین می شود و مقدار آن مطابق رابطه ( ۷) عبارتستاز نسبت نیرو در حد تشکیل اولین لولای خمیری،(Cs )، به نیرو در حد تنشهای مجاز (Cw ).

سوله
شکل ۷

مقدار این ضریب بر اساس روش تنش مجاز آیین نامه ۸۹ AISC-ASD از رابطه ( ۸) برآورد می شود.

سوله سازی
رابطه ۸

که در آن S و Z به ترتیب مدو لهای خمیری و ارتجاعی بوده و ضریب ۴/۳ اضافه تنش مجاز به هنگام اثر نیروهای زلزله است.

بنابراین ضریب رفتار مطابق با روش طراحی بر اساس تنش مجاز را می توان از رابطه ( ۹) تعیین کرد.

سوله
رابطه ۹

مدل های مطالعه شده:

در این مقاله، ۶ مدل با دهانه های ۱۲.۵، ۱۵، ۱۷.۵، ۲۰، ۲۲.۵، ۲۵ و ارتفاع تاج ۹ متر مطابق جدول ۱ مورد مطالعه قرار گرفت. روند کار به این صورت بود که ابتدا کلیه این مد لها بر اساس مبحث ششم بارهای وارد بر ساختمان ۶  و ویرایش سوم استاندارد ۲۸۰۰ (۷) برای منطقه با برف متوسط، سرعت مبنای باد ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت و سطح خطر نسبی زلزله کم، بارگذاری و سپس بر اساس ضوابط آیین نامه AISC-ASD89 (5) و ترکیبات بار ارائه شده در مبحث دهم طرح و اجرای ساختمان های فولادی (۸)  به کمک نرم افزار SAP 2000 طراحی شدند(آیین نامه فولاد ایران انطباق قابل ملاحظه ای با روش تنش مجاز آیین نامه AISC-ASD89 دارد. لازم به ذکر است که کلیه مقاطع مورد استفاده برای ستون و رفترها برای مدل های مطالعه شده، تیر ورق بوده و غیر منشوری م یباشند. سیستم سازه ای این نوع ساز هها معمولاً در راستای طولی مهاربندی ساده و در راستای صفحه قاب از نوع قاب خمشی متوسط است.

سوله
مدل های مورد مطالعه

 

فولاد مصرفی کلیه مدل های مطالعه شده از نوع فولاد ST37 با مقاومت جاری شدن Fy=2400 kg/cm^2 می باشد. بارگذاری ثقلی این مدل ها بر اساس بار مرده: ۶۰ kg/m^2  و بار زنده(برف): ۱۰۰ kg/m^2 انجام شده است و با توجه به اینکه فاصله قا بها در طول سوله، ۶ متر فرض شده است، این بار به صورت گسترده خطی بر رفتارها وارد شده است. شکل ۳ سوله های مدل شده در SAP 2000 را نشان می دهد.

جرثقیل
سوله

مدل سازی رفتار غیرخطی

به منظور مد لسازی رفتار غیر خطی و تعریف مفاصل، از مشخصات مفاصل ارائه شده در FEMA-  ۳۵۶ استفاده شده است. مدل های اشاره شده به صورت دو بعدی و در نرم افزار SAP 2000 که قابلیت در نظر گرفتن همزمان اثرات غیرخطی هندسی و غیر خطی مصالح را دارا است، مدل سازی و سپس به منظور انجام روش تحلیل استاتیکی غیر خطی(پوش آور)، مفاصل پلاستیک اندرکنشی محوری- خمشی در ابتدا و انتهای ستون ها و رفترها معرفی شدند.

سوله

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *