بررسی پارامترهای هندسی مهاربند زانویی

دسته: عمران
بازدید: 74 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 12390 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 60

هدف نهایی در طرح و كاربرد این سیستم این است كه در پایان زلزله وارده، تنها عضو زانویی دچار تسلیم و خرابی شده باشد و قاب و مهاربند آن همچنان ارتجاعی مانده و دچار كمانش یا تسلیم نگردیده باشد تا بتوان تنها با تعویض عضو زانویی، مجدداً سیستم را مورد استفاده قرار داد

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

بررسی پارامترهای هندسی مهاربند زانویی

-1- مقدمه:

سختی و شكل‌پذیری دو موضوع اساسی در طراحی ساختمانها در برابر زلزله‌اند. ایجاد سختی و مقاومت به منظور كنترل تغییرمكان جانبی و ایجاد شكل پذیری برای افزایش قابلیت جذب انرژی و تحمل تغییرشكلهای خمیری اهمیت دارند. در طراحی ساختمانهای فولادی مقاوم در برابر زلزله، استفاده از سیستمهای قابهای مقاوم خمشی MRF ، قابهای با مهاربند همگرا  CBF و قابهای با مهاربند واگرا  EBF رایج است.

قابهای مقاوم خمشی MRF ، شامل ستونها و تیرهایی است كه توسط اتصالات خمشی به یكدیگر متصل شده‌اند. سختی جانبی این قابها به سختی خمشی ستونها، تیرها و اتصالات در صفحه خمش بستگی دارد. در طراحی این قابها فلسفه تیر ضعیف و ستون قوی حاكم است. این امر ایجاب می‌كند كه تیرها زودتر از ستونها تسلیم شوند و با شكل پذیری مناسب خود، انرژی زلزله را جذب و مستهلك كنند و اتصالات دربارهای حدی با شكل ‌پذیری غیرارتجاعی مناسب خود، قابلیت تحمل تغییر شكلهای خمیری را بالا ببرند.این قابها دارای شكل پذیری مناسب  ولی سختی جانبی كمتری هستند(شكل1-1 ).

شكل 1 – 1 – قابهای مقاوم خمشی [1]

قابها با مهاربند همگرا  CBF ، در برابر زلزله از نظر سختی، مقاومت و كنترل تغییرمكانهای جانبی در محدوده خطی دارای رفتار بسیار مناسبی‌اند، ولی در محدوده غیرارتجاعی به علت سختی جانبی مهاربندها، قابلیت جذب انرژی كمتری دارند و در نتیجه دارای شكل پذیری كمتری‌اند. قابهای با مهاربند همگرا شكلهای مختلفی دارند كه در آئین نامه 2800 ایران برخی از آنها معرفی شده است. در این قابها برش وارده در ابتدا توسط اعضای قطری جذب شده و سپس مستقیماً به نیروی فشاری و كششی تبدیل شده و به سیستم قائم انتقال می‌یابند (شكل 1-2  ) .

شكل 1-2 - قاب با مهار بند هم محور [1]

در قابهای با مهاربند واگرا  EBF ، عضو قطری بصورت برون محور به تیر كف متصل می‌گردد. در محل اتصال تیر و ستون و مهاربند مقداری خروج از مركزیت ایجاد می‌شود به نحوی كه تیر رابط توانایی تحمل تغییر شكلهای بزرگ را داشته باشد و همانند فیوز شكل پذیر عمل كنند (شكل 1-3  ).

شكل 1-3 -  نمونه‌هایی از قابهای خارج از مركز [2]

لذا یكی از اهداف اصلی در طراحی این قابها در برابر زلزله، جلوگیری از كمانش مهار بندها از طریق بوجود آمدن مفاصل پلاستیك برشی و خمشی در تیرهای رابط می‌باشد. قابهای با مهاربند واگرا  از قابلیت هر دوی قابهای مقاوم خمشی و قابهای با مهاربند همگرا  بهره گرفته‌اند و بنابراین سختی و شكل پذیری مناسب را به صورت توام تامین می‌كنند. تعیین صحیح طول تیرهای رابط و طراحی مناسب آنها بسیار حائز اهمیت‌اند. اگرچه قابهای EBF دارای رفتار بسیار مناسبتری‌اند، ولی با تسلیم تیر رابط در اثر بارهای زلزله، خسارات جدی به كف وارد خواهد شد و چون این عضو به عنوان یك عضو اصلی سازه‌ای محسوب می‌شود، ترمیم سازه نیز مشكل خواهد بود. این موضوع و گسترش مفاصل پلاستیك به تیرها و سپس به ستونها در قابهای EBF ، تمایل به یافتن سیستمهای جدید مقاوم در برابر زلزله با رفتار مناسبتر از لحاظ شكل پذیری و سختی جانبی را افزایش می‌دهد. در این راستا تلاشهای صورت گرفته ، منجر به پیشنهاد سیستمی به نام مهاربند زانویی KBF شده است [ 3 ] ( شكل1-4 ) .

در این سیستم وظیفه تامین سختی جانبی به عهده مهاربند قطری بوده كه حداقل یك انتهای آن به جای اتصال به محل تلاقی تیر و ستون، به میان یك عضو زانویی متصل است و دو انتهای این عضو زانویی به تیر و ستون اتصال دارد.

شكل 1-4 – قاب با مهاربند زانویی

در واقع با وارد آمدن نیروی مهاربند به این عضو، سه مفصل پلاستیك در دو انتها و محل اتصال آن به مهاربند تشكیل می‌گردد و باعث جذب و استهلاك انرژی زلزله خواهد شد. از آنجا كه در این سیستم پیشنهادی، مهاربندهای قطری برای عدم كمانش طراحی نمی‌گردند، رفتار آن تحت بار رفت و برگشتی، بسیار شبیه رفتار سیستم مهاربند ضربدری یا همگرا بوده و منحنی رفتار هیسترزیس آن به صورت ناپایدار و نامنظم بوده و سطح خالص زیر منحنی، كاهش می‌یابد. بنابراین قادر به جذب انرژی زیادی نیست.

به همین دلیل در تكمیل این سیستم پیشنهاد گردید [4] تا همانند مهاربند واگرا EBF ، عضو مهاربندی برای عدم كمانش و تسلیم، طراحی گردد. در این صورت می‌توان تنها از یك عضو مهاربندی استفاده كرد.

هدف نهایی در طرح و كاربرد این سیستم این است كه در پایان زلزله وارده، تنها عضو زانویی دچار تسلیم و خرابی شده باشد و قاب و مهاربند آن همچنان ارتجاعی مانده و دچار كمانش یا تسلیم نگردیده باشد تا بتوان تنها با تعویض عضو زانویی، مجدداً سیستم را مورد استفاده قرار داد.

در ادامه برخی از مفاهیم لرزه‌ای و همچنین سیستمهای مختلف مهاربندی جانبی سازه‌ها با بیان ویژگیهای آنها به طور مختصر بیان خواهد شد. سپس به بررسی بیشتر سیستم مهاربندی جانبی زانویی خواهیم پرداخت و بهترین نمودار برای ابعاد هندسی این سیستم كه سختی و شكل‌پذیری توام را نتیجه دهد، معرفی خواهیم نمود.

1-2 – شكل‌پذیری سازه‌ها:

بطور معمول می‌توان منحنی برش پایه – تغییر مكان سازه‌ها را با یك نمودار دو خطی ایده‌آل ارتجاعی - خمیری جایگزین نمود. این نوع ساده سازی در سازه‌های معمول تقریب قابل قبولی دارد. در یك سیستم یك درجه آزادی نسبت تغییر مكان جانبی حداكثر  به تغییرمكان جانبی تسلیم ضریب شكل پذیری نامیده می‌شود و بصورت زیر بیان می‌گردد [ 2 ] .

(1 – 1 )                      

پارامترهای فوق در شكل 2-1 مشخص گردیده است.

شكل 1 – 5- منحنی ایده‌آل و واقعی نیرو – تغییر مكان یك سیستم [2]

در واقع ضریب شكل پذیری () بیانگر میزان ورود سازه در ناحیه خمیری  است. در سازه‌های چنددرجه آزادی تعریف ضریب شكل پذیری قدری مشكل‌تر است، چون در این نوع سازه‌ها برای هر درجه آزادی می‌توان ضریب شكل پذیری جداگانه‌ای تعریف نمود. پوپوف (popov) شكل پذیری یك قاب را بصورت نسبت تغییرمكان حداكثر به تغییر مكان تسلیم در بالاترین نقطه سازه پیشنهاد كرده است. بطور خلاصه می‌توان گفت هر چه تغییرمكان یك سازه بعد از تسلیم و قبل از انهدام بیشتر باشد شكل پذیری آن بیشتر است. جهت كاهش نیروهای جانبی وارده به سازه و ایجاد طرحی اقتصادی از طریق جذب و استهلاك انرژی در ناحیه خمیری باید این مشخصه را تا مقدار مورد نیاز افزایش داد. با توجه به این موضوع كه حركات زلزله بصورت رفت و برگشتی بوده و سازه‌ می‌تواند در هر سیكل مقداری از انرژی زلزله را بصورت هیسترزیس مستهلك نماید.

1-3-  مفصل ولنگر خمیری :

مفصل خمیری در یك قطعه به حالتی گفته می‌شود كه در آن (یا مقطعی از آن) با افزایش بسیار اندك نیرو، تغییرشكل قابل توجهی ایجاد شود. به عنوان مثال اگر یك تیر ساده (شكل 1-6 ) تحت اثر بار افزایشی قرار گیرد, منحنی نیرو – تغییر مكان آن مشابه شكل 1-7 خواهد بود [ 2 ] .

همانگونه كه در شكل 1-7 دیده می‌شود در ناحیه AB ، تغییرمكان تیر افزایش قابل توجهی می‌یابد در حالیكه بار وارده آنچنان افزایش نیافته است. این بدان مفهوم است كه با افزایش بارهای خارجی، لنگرخمشی در مقطع مورد نظر زیاد شده و به تدریج تارهای انتهایی مقطع وارد مرحله تسلیم می‌شوند. با افزایش بار تمامی تارهای مقطع تسلیم شده و به این ترتیب مقطع خمیری كامل و مفصل خمیری تشكیل می‌گردد. لنگر ایجاد شده در این مقطع كه تا زمان انهدام تقریباً ثابت باقی می‌ماند لنگر خمیری  M_P نامیده می‌شود. ( شكل 1-8 ).

شكل 1-6-  تیر دو سر مفصل تحت اثر بار افزایش [2]

شكل 1-7-  منحنی نیرو – جابجایی وسط دهانه تیر [2]

شكل 1-8-  نمودار تغییرات كرنش در یك مقطع تحت اثر خمش [2]

1-4-  منحنی هیسترزیس و رفتار چرخه‌ای سازه‌ها:

یكی از خصوصیات مصالح معمول ساختمانی داشتن ناحیه غیرخطی بعد از گذر از مرحله خطی است، مصالح بعد از تسلیم (ورود به ناحیه غیرخطی) توانایی تحمل نیروی خود را بطور كامل از دست نداده و می‌توانند مقداری نیرو تحمل نمایند. این موضوع در رفتار فولاد بعنوان شاخص ترین مصالح ساختمانی به خوبی قابل مشاهده است (شكل 1-9 ).

شكل 1-9- منحنی واقعی تنش – كرنش فولاد [2]

به منظور جلوگیری از طراحی مقاطع غیراقتصادی لازم است كه با شناخت كافی از رفتار خمیری مصالح از این توانایی آنها در طراحی استفاده گردد. در انتهای ناحیه غیرخطی نمودار تنش - كرنش، مصالح به حد گسیختگی می‌رسد كه به این حد، حد نهایی یا نقطه انهدام مصالح گویند. اگر یك میله را تحت كشش محوری رفت و برگشتی قرار دهیم، منحنی مطلوب ارتجاعی خمیری نیرو – تغییر مكان آن بصورت شكل( 1-10 ) است. كل انرژی انتقالی به میله سطح ذوزنقه است كه سطح مثلث بیانگر انرژی است كه در اثر باربرداری برگشت داده شده و سطح متوازی الاضلاع باقیمانده بیانگر انرژی جذب شده توسط عضو می‌باشد. هر چه سطح متوازی الاضلاع بزرگتر باشد نشانگر جذب انرژی بیشتر توسط سیستم است (شكل 1-10) [ 2 ] .

شكل 1-10 منحنی هیسترزیس ایده‌ال و دو منحنی دارای زوال [2]

در صورت تكرار این منحنی برای چند سیكل می‌توان اطلاعات مختلفی از منحنی حاصل برداشت كرد كه عبارتند از:

1 – میزان جذب انرژی سیستم (با توجه به سطح محدود به منحنی‌ها)

2 – سختی‌ سازه‌ در هر دوره از بارگذاری(در صورتیكه سختی سازه در دوره‌های بارگذاری متوالی كاهش یابد، سیستم دارای زوال سختی می‌باشد.)

3 – مقدار مقاومت سازه در هر دوره بارگذاری ( در صورتیكه نقطه انتهایی متناظر با مقاومت سازه در دوره‌های بارگذاری متوالی كاهش یابد، سیستم دارای زوال مقاومت می‌باشد.)

4 – شكل پذیری سیستم در مدت عملكرد زلزله

5 – تعداد حداكثر دوره‌های رفت و برگشت

لذا ملاحظه می‌گردد كه دیاگرام هیسترزیس جهت بررسی و شناخت رفتار لرزه‌ای سازه‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و در مدلسازی تحلیلی و یا آزمایشگاهی، این منحنی به عنوان معیــاری برای سنجش رفتار دستگاه به كار می‌رود.

از اتصال نقاط اوج منحنی‌ها در یك مجموعه منحنی بارگذاری و باربرداری، منحنی پوش هیسترزیس (منحنی اسكلتون) بدست می‌آید (شكل1-11 ) .

بطور معمول اگر بارگذاری بصورت افزایشی و یك طرفه انجام شود، منحنی برش پایه – تغییر مكان حاصل با تقریب مناسبی منطبق بر منحنی اسكلتون خواهد بود [ 2 ].

شكل 1-11- رفتار سازه‌ها تحت بار دوره‌ای. الف – رفتار نامناسب، ب – رفتار مناسب [2]

1-5- مقایسه رفتار خطی و غیرخطی در سیستمهای سازه‌ای:

شكل 1-12 دو نوع رفتار سازه‌ای را نشان می‌دهد. از مقایسه دو نوع رفتار خطی و غیرخطی این نتیجه بدست می‌آید كه اگر یك سیستم با رفتار خطی بخواهد انرژی زلزله را جذب كند باید دارای ظرفیت باربری به اندازه F₁ باشد، در این صورت سازه تغییر مكان ماكزیممی برابر  را تجربه خواهد كرد.

در سیستم غیرخطی با حد جاری شدن F₂ ، سیستم سازه‌ای باید برای نیروی F₂ طراحی گردد ولی تغییر مكان را تجربه خواهد كرد [ 2 ] .

شكل 1-12- مقایسه رفتار خطی و غیرخطی ایده‌آل سیستم‌های مقاوم ساختمانی [2]

همانطور كه در شكل ملاحظه می‌گردد، F₂ كوچكتر از F₁ می‌باشد ولی بزرگتر از است.

در سیستم با رفتار خطی همه تغییرشكلهای ارتجاعی هستند، ولی در سیستم غیرخطی، قسمی از تغییرشكلها ارتجاعی و بخش دیگر غیرارتجاعی هستند. طراحی سازه برای نیروی كمتر F₂ منجر به اقتصادی شدن مقاطع می‌گردد. هم اكنون روش توصیه شده در همه آئین نامه‌ها بر این مبنا استوار است كه سازه براساس نیروهای كمتر (كاهش یافته) طراحی گردد و با ارائه روشها و جزئیات خاص امكان پذیرش تغییرشكلهای غیرخطی بزرگتر () در سازه ایجاد شود. لذا طراحی شكل پذیر سازه‌ها را می‌توان به این ترتیب خلاصه كرد كه در این روش، طراحی سازه بر مبنای نیروهای كمتری انجام می‌گردد ولی باید با تدابیر ویژه امكان پذیرش تغییرمكانهای زیاد در اعضاء را ایجاد كرد.

1-6- ضریب شكل پذیری:

ضریب شكل پذیری كه اغلب به اختصار شكل پذیری نامیده می‌شود از ابتدایی ترین و ساده‌ترین پارامترهای مطرح در خصوص طراحی لرزه‌ای سازه‌هاست. در یك سازه با رفتار ارتجاعی میزان تغییرشكل و نیرو به طور مستقیم از طریق سختی سازه به هم وابسته‌اند. در حالیكه در حالت غیرارتجاعی این تغییرشكل و نیرو به طور مستقیم به هم مربوط نمی‌شوند. این امر به علت تغییرات سختی سازه در ناحیه غیرارتجاعی می‌باشد.

شكل پذیری به عبارت ساده قابلیتی از یك سازه و یا یك جزء سازه‌ای است كه مطابق آن سیستم می‌تواند تغییرشكلهای غیرارتجاعی از خود نشان دهد، بدون اینكه این تغییرشكلها منجر به انهدام سازه و یا جزء سازه‌ای گردد. معمولاً شكل‌پذیری برای سیستم یك درجه آزادی بصورت زیر تعریف می‌‌گردد:

(1 – 2 )                                                                                            

كه در رابطه فوق  حداكثر تغییر شكل قبل از گسیختگی و  تغییر شكل نظیر نقطه تسلیم است.  را می‌توان مجموع و  (تغییر شكل پلاستیك) دانست [ 2 ] .

(1-3 )                                                                                           

البته در اكثر مواقع به دلیل كوچكی  نسبت به  می‌توان رابطه فوق را بصورت ساده زیر نوشت:

(1-4 )                                                                                             

نسبت به نوع مسئله ممكن است برای تعریف شكل پذیری به جای تغییر مكان انتهای عضو از دوران و یا انحناء استفاده كرد. 

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

برچسب ها : بررسی پارامترهای هندسی مهاربند زانویی , طرح توجیهی بررسی پارامترهای هندسی مهاربند زانویی , دانلود بررسی پارامترهای هندسی مهاربند زانویی , عمران , مهاربند زانویی , , دانلود طرح توجیهی , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , منحنی هیسترزیس و رفتار چرخه‌ای سازه‌ها , پایان نامه , مقایسه رفتار خطی و غیرخطی در سیستمهای سازه‌ای , دانلود پروژه , پارامترهای هن