چکیده
در این مقاله، روشی جهت طراحی لرزه‌ای مبتنی بر دریفت (Dr.BSD) ارائه شده است. با استفاده از این روش می‌توان یک قاب چندطبقه را متناسب با یک مقدار بیشینه‌ی از پیش تعیین‌شده برای دریفت درون‌طبقه‌ای که در تمامی طبقات به صورت یکنواخت توزیع می‌شود، طراحی کرد.
با توجه به اینکه این نوع روش طراحی به صورت گام به گام انجام می شود، از نظر مفهومی به گونه‌ای است که می‌توان از آن برای تمامی سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی استفاده کرد، اما در این مقاله اساساً بر روی قاب‌های با مهاربند کمانش تاب (BFBF) متمرکز هستیم. روش Dr.BSD مبتنی بر چند نظریه‌ی تجربی است که خاص قاب‌های چندطبقه‌ی متوسط تا بلندمرتبه توسعه یافته است. در این روش، اثرات مود بالاتر، رفتار خمشی ـ برشی قاب و غیرخطی‌بودن متریال و هندسه مد نظر قرار می‌گیرد. همچنین بر اساس تحلیل‌های دینامیکی غیرخطی می‌توان متوجه شد که توزیع دریفت درون‌طبقه‌ای در BRBF های منظم یا نسبتاً نامنظمی که با استفاده از روش DR.BSD طراحی شده‌اند، بیشتر یکنواخت بوده و نزدیک به تغییرمکان هدف در داخل طبقات است که از پیش تعریف شده است. علاوه بر دریفت درون‌طبقه‌ای، دریفت پسماند نیز در تمامی طبقات، بیشتر به صورت یکنواخت است. مطالعات حساسیت نیز نشان می‌دهند که از روش Dr.BSD می‌توان برای مقادیر متفاوت شکل‌پذیری، تغییرمکان‌های جانبی نسبی درون‌طبقه‌ای هدف، قاب‌هایی که دارای نسبت ابعادی متفاوت هستند و همچنین جهت طراحی با طیف‌های متفاوتی از انواع مختلف خاک استفاده کرد.
1 مقدمه
بر اساس آن‌چه که تا به امروز مشخص شده است، به نظر می‌رسد که طراحی لرزه‌ای مبتنی بر تغییر مکان (DBSD) منطقی‌تر از طراحی مبتنی بر نیرو است. پریستلی و کووالسکی و کالوی و همکاران و برخی محققین دیگر در مورد جزئیات DBSD مطالبی را نیز ارائه کرده‌اند. هر چند روش DBSD اساساً مبتنی بر طراحی طیف الاستیک انجام می‌شود، اما چوپرا و گوئل اشاره می‌کنند که طراحی بر مبنای طیف غیرالاستیک، طراحی دقیق‌تری را ارائه می‌کند. طبق گفته وایدوت-وگا و کوالسکی، DBSD از منظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه است و باعث می‌شود تا صرفه‌جویی‌های بیشتری در مواد نسبت به طراحی سنتی مبتنی بر نیرو حاصل شود.
با استفاده از DBSD می‌توان سیستمی با یک درجه آزادی (SDOF) یا یک سیستم معادل با SDOF طراحی کرد تا به یک مقدار جابجاییِ از پیش مشخص‌شده در صورت بروز زلزله دست یافت. این روش برای سازه‌های شبیه به SDOF از جمله خم پل و قاب‌های کم‌ارتفاع به خوبی جواب می‌دهد، اما در خصوص قاب‌های چندطبقه، با استفاده از DBSD نمی‌توان به خوبی بر روی تغییرمکان‌های درون‌طبقه‌ای کنترل داشت. هر چند تلاش‌هایی صورت گرفته تا DBSD به گونه‌ای اصلاح شود که بتوان اثرات مود بالاتر را نیز مد نظر قرار داد، اما همچنان لازم است تا تحقیقات بیشتری صورت بپذیرند تا بتوان DBSD کلاسیک را برای ساختمان‌هایی با ارتفاع متوسط تا بلند بهبود بخشید. به عنوان مثال، وایدوت-وگا و کووالسکی رفتار لرزه‌ای را برای قاب‌های خمشی RC با 4 تا 12 طبقه که توسط DBSD طراحی شده بودند، مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از این تحقیق حاکی از آن است که درست همانند طراحی مبتنی بر نیرو، DBSD هم نمی‌تواند توزیع یکنواختی برای تغییرمکان درون‌طبقه‌ای برای طبقات مختلف داشته باشد و تغییرمکان بیشینه‌ی درون‌طبقه‌ای همچنان در دو یا سه طبقه صورت می‌گیرد.
ماسنا و همکاران و گارسیا و همکاران نیز به نتایجی مشابه دست پیدا کردند. به منظور کاهش این‌گونه تمرکز در تغییرمکان‌ها، پتینگا و پریستلی اصلاحاتی تجربی جهت اعمال در پروفیل طراحی برای جابجایی و همچنین، توزیع نیروی جانبی ارائه کرده‌اند. ایشان از اثرات P-دلتا صرف‌نظر کرده و به این نتیجه رسیدند که اصلاحات پیشنهادی ایشان می‌تواند به یکنواخت‌شدن توزیع تغییرمکان کمک کند. همچنین زاروما و فانشتوک تمرکز تغییرمکان درون‌طبقه‌ای و ناپایداری کلّی در قاب‌های با مهاربند کمانش تاب (BRBF) که با اثرات P-دلتا تحریک می‌شوند را بررسی کردند. ایشان برای حل این مسأله، BRBF ها و قاب‌های مقاوم خمشی ویژه (SMRF) را با هم ترکیب کرده و به عنوان یک سیستم دوتایی در نظر گرفتند. کیو و همکاران نیز در تحقیقی دیگر، تأثیر هسته‌های لرزنده را بر روی تغییرمکان در داخل طبقات بررسی کردند. ایشان نتیجه گرفتند که هسته‌های لرزنده‌ی سخت (مانند دیوار برشی RC لرزنده) می‌تواند تا حد زیادی به یکنواخت‌شدن تغییرمکان درون‌طبقه‌ای در طبقه‌های مختلف کمک کنند. زیماس و همکاران نیز یک طراحی لرزه‌ای جدید و ترکیبی بر اساس نیرو و جابجایی ارائه کردند. هر چند این محققین روش جدید ترکیبی خود را برای قاب‌های فولادی چندطبقه‌ای پیشنهاد کرده‌اند، اما هیچ نتیجه‌ای در خصوص توزیع تغییرمکان درون‌طبقه‌ای ارائه نکردند. کانور با در نظر گرفتن یک تیر طره عمودی الاستیک خطی، یک روش توزیع سختی ارائه کرده است. بر اساس این روش، تغییر شکل برشی در کل طول تیر به صورت یکنواخت باقی می‌ماند. البته، این روش صرفاً محدود به سیستم‌های الاستیک است.
هدف اصلی ما در این مقاله، با وجود تحقیقات پیشین، ارائه‌ی یک روش طراحی لرزه‌ای جدید است که اساساً به جای در نظر گرفتن جابه جایی کلّی سقف، بر دریفت درون‌طبقه‌ای متمرکز است. در این روش، توزیع یکنواخت دریفت در طبقات مد نظر قرار گرفته و همچنین، بیشینه تغییر شکل مجاز نیز کنترل می‌شود. هر چند با استفاده از سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی دوگانه، قاب‌های دارای هسته‌ی لرزنده، سیستم‌های دارای پشت‌بند محکم و برخی سیستم‌های دیگر می‌توان یکنواختی در دریفت طبقات را توسعه داد، اما در این تحقیق برای دستیابی به توزیع یکنواخت دریفت در طبقات بر روش مبتنی بر تغییرمکان متمرکز می‌شویم. به همین دلیل، صرفاً قاب‌های ساده با BRBهای قطری را در نظر می‌گیریم تا از هرگونه مزیت مرتبط با سیستم اجتناب شود. بحث در خصوص استفاده از روش پیشنهادی برای قاب‌های BRB دوتایی، یعنی قاب‌های مقاوم در برابر ممان + قاب‌های با مهاربند کمانش تاب را در تحقیقی دیگر بیان خواهیم کرد. در ادامه و به منظور بررسی عملکرد این روش، طراحی لرزه‌ای برای ساختمان‌های با ارتفاع متوسط تا بلند که مجهز به مهاربندهای کمانش تاب هستند را توضیح خواهیم داد.
2. تاثیر استفاده از مهاربند کمانش تاب (BRB)
دی‌سارنو و الناشای یک تحقیق عددی در خصوص بهبود و مقاوم‌سازی قاب‌های مهاربند فولادی مقاوم در برابر خمش با استفاده از سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌مرکز ویژه (SCBF) و همچنین سیستم BRB انجام دادند. محمودی و زارعی اثبات کردند که در صورت استفاده از قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب، می‌توان رفتار سازه را نسبت به حالتی که از قاب با مهاربند ضربدری سنتی استفاده می‌شود، بسیار بهتر کنترل کرد.
مالی و همکاران برای طراحی سازه‌هایی با سیستم دوگانه، یعنی ترکیبی از BRB و قاب مقاوم در برابر خمش از روش DBSD استفاده کردند. نتایج تحقیق ایشان حاکی از آن است که هر چند با استفاده از روش DBSD می‌توان جابجایی و دریفت کلّی در سازه را به خوبی کنترل کرد، اما نمی‌توان اثرات مودهای بالاتر، به ویژه در سازه‌های بلند را در این روش نادیده گرفت. والنته استفاده از BRB را برای مقاوم‌سازی سازه‌های فولادی بررسی کرده است. والنته از روش DBSD برای طراحی قاب‌های با مهاربند کمانش تاب (BRBF) استفاده کرده است. او نشان داد که استفاده از BRB کمک می‌کند تا مقاومت قاب‌های فولادی در سازه‌های فولادی در برابر زلزله بیشتر شود. لیو و همکاران از روش DBSD اصلاح‌شده به نام R-CR DDBD برای طراحی سازه‌هایی استفاده کردند که مجهز به مهاربندهای کمانش تاب خودمحور (SCBRB) هستند.
جهت کسب اطلاعات بیشتر در زمینه مهاربند کمانش تاب می توانید مقاله زیر را نیز مطالعه کنید.
3 .طراحی لرزه‌ای مبتنی بر تغییرمکان (DR.BSD)
هدف از طراحی لرزه‌ای مبتنی بر دریفت (Dr.BSD) آن است که دو معیار برآورده شوند؛ اول، یک توزیع یکنواخت‌تر برای بیشینه دریفت درون‌طبقه‌ای برای تمامی طبقات و دوم آن‌که دریفت بیشینه‌ی اعمال‌شده در درون طبقات کمتر از مقدار از پیش تعیین‌شده توسط طراح باقی بماند. این معیارها تضمین می‌کنند که سیستم مقاوم در برابر بار جانبی می‌تواند یک معیار عملکردی خاص را برآورده کرده و علاوه بر این، تمامی طبقات در انتشار انرژی کل سازه نقش دارند.
توزیع سختی جانبی در راستای ارتفاع ساختمان، همان نکته‌ی کلیدی در Dr.BSD است. پس از آن‌که سختی جانبی در هر طبقه به دست آمد، جابجایی تسلیم برای BRB را با استفاده از تغییرمکان درون‌طبقه‌ای هدف و همچنین، میزان شکل‌پذیری هدف برآورد می‌کنند. در صورتی که سختی و جابجایی تسلیم برای یک BRB مشخص باشد، به سادگی می‌توان استحکام تسلیم در هر طبقه را به دست آورد. این روش با قاعده‌ی موسوم به قاعده‌ی جابجایی و طراحی مبتنی بر جابجایی مستقیم با استفاده از طیف طراحی غیرالاستیک که توسط کوپرا و گوئل ارائه شده، کاملاً سازگار است. هر چند هر دوی این روش‌ها اساساً برای سیستم‌های یک درجه آزادی (SDOF) ارائه شده‌اند، اما نشان داده شده که این روش‌ها با مقداری تغییرات برای ساختمان‌های چندطبقه با ارتفاع متوسط تا بلند نیز معتبر هستند.
4 .نتیجه‌گیری
در این مقاله، روشی برای طراحی لرزه‌ای مبتنی بر تغییرمکان (Dr.BSD) ارائه شد. این روش برای قاب‌های 5 تا 40 طبقه با مهاربند کمانش تاب (BRBF) با پریودهای بیش از یک ثانیه (1 s) ارائه شده است. متغیرهای اصلی ورودی برای این تحقیق عبارتند از جرم لرزه‌ای هر طبقه، ارتفاع طبقه، تعداد طبقات، شکل‌پذیری هدف برای BRBها، تغییرمکان هدف داخل طبقات و طیف طراحی الاستیک. خروجی‌ها نیز عبارتند از: سختی جانبی و ظرفیت در هر طبقه. در BRBF هایی که با استفاده از روش Dr.BSD طراحی می‌شوند، دریفت درون‌طبقه‌ای بیشینه در تمامی طبقات به شکلی یکنواخت‌تر توزیع می‌شوند. در عین حال، تمامی مقادیر تغییرمکان کمتر از یک مقدار بیشینه‌ی از پیش‌تعریف‌شده باقی می‌مانند. این بدان معنا است که تمامی طبقات در انتشار انرژی در ساختمان نقش دارند. در روش Dr.BSD، اساساً اثرات حالت بالاتر، رفتار خمشی-برشی BRBF ها، توزیع غیرخطی‌بودن در راستای ارتفاع و اثرات P-دلتا، همه و همه مد نظر قرار می‌گیرند. یک روش مرحله به مرحله‌ی ساده نیز برای Dr.BSD ارائه کرده‌ایم که می‌توانید آن را در یک صفحه گسترده اجرا کنید. بدین ترتیب، مهندسین حرفه‌ای می‌توانند از این روش استفاده کنند.
بر اساس تحلیل‌های دینامیکی غیرخطی می‌توان دریافت که روش Dr.BSD برای هر تعداد طبقات در محدوده 5 تا 40 طبقه (با پریود بیش از یک ثانیه (1 s))، هر مقدار تغییرمکان درون‌طبقه‌ای هدف، هر مقدار شکل‌پذیری هدف و هر مقدار نسبت ابعادی معتبر است. علاوه بر این، تحلیل‌های حساسیت انجام‌شده نشان می‌دهند که از روش Dr.BSD می‌توان برای هر طیفی از طراحی با انواع مختلف خاک نیز استفاده کرد. روش Dr.BSD نسبت به شکل رفتار پسماند در BRBF ها حساس نیست، به طوری که BRBهایی با رفتار پسماند غیرافت‌کننده، با سختی جانبی پس از تسلیم و با گذار هموار از الاستیک به غیرالاستیک را می‌توان با استفاده از روش Dr.BSD طراحی کرد.
هر چند روش Dr.BSD اساساً برای قاب‌های منظم ارائه شده است، اما تحلیل‌های انجام‌شده بر روی BRBF های نامنظم حاکی از آن است که از این روش می‌توان برای طراحی BRBF هایی با نامنظمی متوسط نیز استفاده کرد. اگرچه روش Dr.BSD حساسیت کمی نسبت به توزیع جرم لرزه‌ای در راستای ارتفاع دارد، اما نسبت به نامنظمی در ارتفاع طبقات بسیار حساس است. به بیان دیگر، در صورتی که در قاب‌های با مهاربند کمانش تاب (BRBF)، ارتفاع طبقات یکنواخت نباشند، دریفت درون‌طبقه‌ای نیز یکنواخت نخواهند بود.
شرکت پویا تدبیر ویرا (ویرابریس) با سابقه سال ها فعالیت در زمینه طراحی، تولید، تأمین و ترویج فناوری‌های نوین لرزه‌ای از جمله جداسازها و میراگرهای لرزه‌ای و با در نظر گرفتن نیاز مبرم صنعت ساخت و ساز کشور به فناوری‌های نوین حفاظت سازه‌ها در برابر زمین لرزه، از اواخر سال 1390 موضوع بومی‌سازی و تولید داخلی تجهیزات کنترل ارتعاشات لرزه‌ای را در دستور کار خود، قرار داده است.
ثبت ديدگاه