چکیده
مقاوم سازی لرزهای ساختمان بتنی (RC) با ترکیب مهاربندهای کمانش تاب (BRB) و قاب‌های فولادی الاستیک راه حلی عملی است که سختی جانبی و ظرفیت مهار انرژی اضافی را فراهم می‌آورد. در حالت کلی روش‌های موجود جهت توزیع عمودی ابعاد مهاربندهای کمانش تاب براساس خطی سازی معادل، سختی مازاد ناشی از رفتار کامپوزیت مابین قاب بتنی و قاب فولادی الاستیک را در نظر نمی‌گیرند که این ممکن است منجر به برآورد محافظه کارانه تقاضای سختی مهاربندهای کمانش تاب شود.
این مقاله یک روش طراحی مقاوم سازی با در نظر گرفتن رفتار کامپوزیت را ارائه می‌کند که در آن مدل‌های عددی با در نظر گرفتن رفتار کامپوزیت با جزئیات دقیق، در آزمون‌های بارگذاری چرخه‌ای شبه استاتیک، توسعه داده شده، کالیبره می‌شوند و در نهایت یک روش ارزیابی ساده شده ارائه می‌گردد. در این مقاله یک ساختمان چهار طبقه مدرسه با اسکلت بتنی به عنوان یک مدل معیار استفاده می شود و روش طراحی مقاوم سازی پیشنهادی با استفاده از تحلیل تاریخچه پاسخ غیرخطی تایید می‌شود. در نهایت نتایج تجزیه و تحلیل نشان می‌دهد که در نظر گرفتن رفتار کامپوزیت با استفاده از روش طراحی مقاوم سازی پیشنهادی، با دقت بیشتری سختی جانبی سازه مقاوم‌سازی شده را تخمین می‌زند و منجر به مقاوم‌سازی اقتصادی می‌گردد.
مقاوم سازی سازه‌های بتنی قدیمی
تحقیقات پس از زلزله نشان داده‌اند که آسیب در بسیاری از ساختمان های قدیمی بتنی به دلیل وجود سیستم‌هایی است که مقاومت کافی در برابر بارهای جانبی ندارند. به عنوان مثال، در ساختمان‌های بتنی در طول زلزله ۱۷ ژانویه ۱۹۹۴ نورتریج در ایالات‌متحده آمریکا، ۱۷ ژانویه ۱۹۹۵، زلزله کوبه (هانشین بزرگ) در ژاپن، زلزله ۲۱ سپتامبر ۱۹۹۹ چی – زلزله در تایوان، زلزله پنجم می ۲۰۱۴ مایه‌لائاکین تایلند، زلزله ۱۹۹۹ کوجا در ترکیه و زلزله مرکزی، آسیب‌های گسترده‌ای مشاهده شد. با استناد به موارد اشاره شده فوق، نیاز به توسعه استراتژی‌هایی جهت مقاوم‌سازی ساختمان‌های بتنی که تحت استاندارد قدیمی‌تر طراحی و ساخته شده‌اند را برجسته می‌کند. لازم به ذکر است که همواره نیاز به مقاوم سازی ساختمان های بتنی قدیمی وجود دارد زیرا معمولا اینگونه سازه‌ها یا در اصل برای اثرات لرزهای طراحی نشده‌اند یا بر اساس مشخصات لرزهای منسوخ طراحی شده‌اند. برای این منظور مشخصات طراحی لرزهای آپدیت شده معمولا جهت طرح مقاوم سازی به عنوان مرجع در نظر گرفته می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که ساختمان بتنی مقاوم‌سازی شده قادر به مقاومت در برابر بارهای زلزله‌های در آینده است.
بازسازی (منظور ساخت مجدد پس از آسیب است) یا مقاوم سازی
تصمیم بین بازسازی (منظور ساخت مجدد پس از آسیب است) یا مقاوم سازی یک سازه به چند مورد بستگی دارد از جمله: هزینه کل ساخت، زمان ساخت، و هدف عملکردی پس از زلزله، که درFEMA P-58 توضیح داده شده‌است. هدف عملکردی اتخاذ شده ممکن است بر اساس زیان‌های اقتصادی مورد انتظار و زمان وقفه ارزیابی شود که برای ساختمان‌های مدارس موجود در دستورالعمل مقاوم‌سازی توسعه داده شده‌است. براساس این دستورالعمل‌ها، یک راه حل، تخریب و جایگزینی ساختمان‌های موجود که از نظر زلزله آسیب‌پذیر هستند با ساختمان‌های جدید است، اما این کار غالبا زمان بر و پرهزینه است. علاوه بر این، بازسازی هزینه‌های جانبی دیگری را نیز تحمیل می‌کند: به عنوان مثال زمانی که تعداد مدارس یا بیمارستان‌ها در یک منطقه روستایی محدود باشد و قرار باشد که اقدام به بازسازی این ساختمان‌ها گردد، به تبع شرایط مناطق محروم، ساختمان‌ها و امکانات جایگزین محدودی نیز جهت آموزش یا امور درمانی وجود دارد که بتوان به صورت موقت از آنها استفاده کرد، بنابراین این موضوع به نوبه خود چالشی جدی محسوب می‌گردد.
روش‌های مقاوم سازی
روش‌هایی که معمولا جهت مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی که بر اساس افزایش ظرفیت نیروی جانبی استفاده می‌شوند شامل: اضافه کردن دیوارهای بتنی، پوشش ستون‌های بتنی با پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف کربن، اضافه کردن مهاربندهای خود محور و همچنین اضافه کردن مهاربندهای فولادی معمولی می‌باشند. با این حال، مطالعه‌ای نشان داد که طرح‌های مقاوم سازی مرسوم که سازه را با پوشاندن ستون‌ها و اتصالات تیر – ستون تقویت یا سخت می‌کنند و یا حتی مقاوم سازی‌ای که با اضافه کردن دیوارهای بتنی انجام می‌شود، ممکن است منجر به عملکرد بدتر ساختمان از منظر نسبت تلفات سالانه مورد انتظار (EAL) شود. که این موضوع عمدتا به دلیل اثر ترکیبی افزایش در آسیب حاصل از حداکثر شتاب کف و تغییر در منحنی خطر میانگین ناشی از کوتاه شدن پریود سازه است. مزایای اصلی اینگونه مقاوم سازی‌ها، کاهش دریفت ماکسیمم طبقه و جلوگیری از وقوع خرابی بر اثر ایجاد طبقه نرم است. بنابراین، طرح‌های مرسوم و سنتی، آسیب ناشی از دریفت را کاهش می‌دهند در حالی که آسیب ناشی از شتاب را افزایش می‌دهند، که با این حال حتی ممکن است باعث شوند ساختمان به دلیل آسیب بیش از حد غیر سازه‌ای (معماری) غیرقابل بهره برداری گردد. افزون بر موارد فوق، مشاهدات مشابهی جهت تقویت و سخت کردن پنل های پرکننده بنایی با استفاده از پوشش پلیمری تقویت‌کننده فیبر انجام شده‌است، که ممکن است از نقطه‌نظر اقتصادی در مقایسه با روش‌های دیگر مانند جداسازی پایه از پایداری کم‌تری برخوردار باشد. همچنین مطالعات نشان داد که پوشش FRP در مقایسه با هزینه اولیه مقاوم سازی، EAL (تلفات سالانه مورد انتظار) را تا حد قابل‌توجهی بهبود نداده است. اظهارات فوق در رابطه با دریفت و آسیب های مرتبط با شتاب، هنگام تقویت و افزایش سختی سازه‌ها در ارزیابی اثربخشی مقاوم سازی لرزهای، نقش مهمی را ایفا می کنند.
مقاوم سازی با مهاربند فولادی معمولی و مهاربند کمانش تاب (BRB)
قاب‌های مهاربندی شده فولادی مزایای اثبات‌شده‌ای جهت مقاوم‌سازی دارند زیرا مهاربندهای فولادی معمولا از پیش‌ساخته شده هستند و همچنین از دیوارهای بتنی سازه‌ای نیز سبک‌ترند. زمانی که ساختمان‌های بتنی مقاوم سازی می‌شوند، محدود کردن حداکثر دریفت بین طبقه‌ای در جلوگیری از آسیب سازه‌ای و غیر سازه‌ای مهم است و مهاربندهای فولادی در افزایش سختی و کاهش دریفت موثر هستند. با این حال، افزایش سختی جانبی، شتاب پاسخ را تقویت می‌کند، همان مشکلی که در مقاوم‌سازی دیوارهای بتنی با آن مواجه هستیم. علاوه بر این، مهاربندهای فولادی سنتی تحت فشار کمانش می کنند که ممکن است منجر به ایجاد سختی جانبی نامتقارن در کل سیستم شود. به منظور رفع مشکلات فوق مهاربند کمانش تاب (BRB) می تواند یک ابزار لرزهای مفید جهت مقاوم سازی باشد، زیرا کمانش هسته فولادی با تسلیم محوری توسط یک مکانیزم مهار کننده جدا شده محوری، متوقف می‌شود. مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی با مهاربندهای کمانش تاب یک راه جایگزین جهت مقاوم سازی با مهاربند است زیرا مهاربندهای کمانش تاب هم در کشش و هم در فشار از طریق مکانیزم جلوگیری از کمانش، مقاومت تسلیم را به شکل کامل توسعه می‌دهند که این امر مهاربندهای کمانش تاب را قادر به مهار انرژی حتی در طول زلزله‌های بزرگ (از جمله سطح MCE) می‌کند.
طی تحقیقات پیشین اثبات شده‌است که قاب‌های بتنی با طراحی صحیح و اصولی که با ترکیب مهاربندهای کمانش تاب و قاب‌های فولادی الاستیک مقاوم‌سازی شده اند، با کنترل تقاضاهای غیر الاستیک (مانند ترک‌ها، کرنش‌های میلگرد فولادی) در المان‌های بتنی موجود، با ارضا کردن مقاومت، سختی و شکل پذیری مورد نیاز، به پاسخ مطلوب دست خواهند یافت. بنابراین، در مقاوم‌سازی ساختمان‌های بتنی، پاسخ دریفت بین طبقه‌ای می‌تواند با سختی مازاد مهاربندهای کمانش تاب کاهش یابد، در حالی که میزان مهار انرژی افزایش‌یافته به کاهش اثر نامطلوب سختی مازاد بر شتاب پاسخ نیز کمک می‌کند.
نصب مهاربند معمولی و مهاربند کمانش تاب در قاب بتنی
نصب مستقیم مهاربندهای همگرای معمولی و مهاربندهای کمانش تاب در قاب‌های بتنی هنگامی که ظرفیت نیروی محوری مهاربند زیاد باشد، در برخی موارد عملی نیست. لازم به ذکر است که جزئیات اتصال مهاربند به طور کلی نیاز به اتصالات قاب بتنی را نیز افزایش می‌دهد و ممکن است نیروهای محوری مازاد را به ویژه در ستون‌های طبقات پایین‌تر القا کند. با این حال، نصب یک قاب فولادی الاستیک (SF) بین قاب بتنی و مهاربندهای کمانش تاب (شکل ۱) یک راه‌حل عملی است. چون SF از تمرکز بار در محل اتصال تیر به ستون که ناشی از نیروی محوری القا شده توسط BRB است جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، SF یک رابط فراهم می‌کند که نصب آسان‌تر مهاربندهای کمانش تاب در قاب بتنی را در مقایسه با یک گاست پلیت ممکن می‌سازد.
به منظور کاهش دریفت پسماند طبقات پس از زلزله، SF به گونه‌ای طراحی شده‌است که جهت ایجاد یک نیروی احیا، الاستیک باقی بماند. نتیجه یک مطالعه پارامتریک که طیف وسیعی از مقاطع SF را پوشش می‌دهد، این است: هنگامی که سختی جانبی SF در حدود ۵ % سختی جانبی مهاربند کمانش تاب است، دریفت پسماند طبقه را می توان به دلیل عملکرد خود محوری الاستیک SF به طور موثری کاهش داد. همان طور که در شکل 1 نشان‌داده شده‌است. اعضای SF را نیز می توان با چسب شیمیایی بر روی قاب‌های بتنی و با استفاده از برشگیرهای فولادی جوش داده‌شده بر روی اعضای SF متصل کرد و از ملات با مقاومت بالا به عنوان یک ماده پرکننده در این ناحیه اتصال استفاده می‌شود. این ناحیه اتصال بین قاب بتنی و فولادی نشانگر رفتار کامپوزیت است، که سختی جانبی ترکیبی ساختمان مقاوم سازی شده را افزایش می‌دهد. توجه داشته باشید که این نتایج منجر به سختی جانبی ترکیبی بیشتری نسبت به قاب بتنی و فولادی ای می‌شود که به طور مستقل عمل می‌کنند.
طرح مقاوم‌سازی اولیه
روش طراحی دریفت ثابت (CD) در اینجا به طور مختصر توضیح داده می‌شود. این روش اساساً بر پایه روش طراحی بر مبنای جابجایی استوار است که توسط پریستلی و همکاران پیشنهاد شده است. همانطور که در شکل a.2 نشان داده شده است، ساختمان بتنی موجود نسخه‌ی ساده‌سازی شده‌ای از یک مدل چند درجه آزادی (MDOF) است که اکنون به یک مدل یک درجه آزادی (SDOF) تبدیل شده که در این مدل Kf سختی جانبی، Meq جرم معادل و Heq ارتفاع معادل برای مدل SDOF ساختمان بتنی موجود (SDOFRC) است. نسبت میرایی معادل heq سیستم مقاوم‌سازی شده نیز محاسبه می‌شود، که شامل مشارکت قاب RC، SF و BRBها است. اگرچه سیستم‌های سازه‌ای با حلقه‌های هیسترتیک در کل پاسخ‌های لرزهای بهتری می‌دهند، نسبت میرایی معادلی که از بیشینه‌ی چرخه بدست آید، گاهی پاسخ را دست پایین می‌گیرد. به طور مثال در یک پژوهش محاسباتی مشخص شد میرایی بدست آمده از انرژی هیسترتیک پسماند تحت یک آزمون استاتیکی در سطح دریفت هدف، با تقاضاهای موجود شتاب و جابجایی بدست آمده از یک تحلیل تاریخچه‌ی پاسخ غیرخطی همخوانی خوبی نداشت، که این ناشی از تغییرات دامنه نوسان حین زمین‌لرزه است. لذا یک راه‌حل موثر آن است که از مفهوم میرایی میانگین ارائه شده توسط نیومارک و روزن‌بلاث استفاده شود، که از نسبت میرایی معادل میانگین برای همه‌ی دامنه‌های نوسان تا جابجایی هدف استفاده می‌کند. پژوهش حاضر سختی موردنیاز برای BRB (موسوم به Kd)، SF (موسوم به Ksf) و heq کاهش یافته از مدل SDOFRC را محاسبه می‌کند. در این راستا از مفهوم میرایی میانگین و دوره تناوب سکانت Teq سازه در دریفت طبقه‌ی مقاوم‌سازی شده استفاده می‌شود. در شکل 2.b مدل SDOF برای قاب RC مقاوم‌سازی شده به کمک یک BRB و SF به نمایش درآمده است.
در مطالعات پیشین که این رویکرد مقاوم‌سازی با BRB را پیاده‌سازی کرده‌اند فرض شده است قاب RC، SF و BRB به طور موازی و نه کامپوزیت عمل می‌کنند. جهت ساده‌سازی فرایند محاسبات رابطه‌ی نیرو-تغییرشکل جانبی قاب RC سه‌خطی فرض شد، SF (قاب فولادی) کشسان خطی فرض شد و BRB الاستیک-کاملاًپلاستیک فرض شد، که این در شکل 2.c به نمایش درآمده است. توزیع نیروی جانبی در بالای ارتفاع ساختمان با استفاده از توزیع A_i طبق استاندارد تعریف‌شده در طراحی لرزهای ژاپنی محاسبه شد، اگرچه از توزیع نیروی استاتیک معادل تعریف شده در استاندارد ASCESEI7 نیز می‌توان به جای آن استفاده کرد.
در پژوهش‌های عددی ارائه شده، پیشنهاد شده است توزیع نیرو بر اساس شکل مد پایه ساختمان RC مقاوم‌سازی شده منظور شود. اما بروز رسانی شکل مد زمان‌بر است. بنابرین این پژوهش از توزیع نیرو بر اساس شکل مد ساختمان RC مقاوم‌سازی شده استفاده می‌کند، با این فرض که این تحت تأثیر ویژگی روش CD (که در آن سختی BRB در تناسب با سختی قاب RC در هر طبقه اضافه می‌شود) تغییر کمی می‌کند.
فرایند طراحی مقاوم‌سازی گام‌به‌گام در روش CD از این قرار است: (۱) یک تحلیل پوش اور مُدال (MPA) روی ساختمان بتنی موجود (بر اساس شکل پایه مُد) انجام می‌شود تا رابطه‌ی برش پایه- جابجایی بام بدست آید. این رابطه‌ی نیرو-جابجایی سپس ساده‌سازی می‌شود و به یک مدل سه‌خطی تبدیل می‌شود. شایان ذکر است فرایند تحلیل پوش اور می‌تواند ساده‌تر شود، که این در یک پژوهش پیشین مورد بررسی قرار گرفته است. رابطه‌ی برش پایه-جا به جایی ساده‌شده‌ی سه‌خطی بام مدل SDOFRC را تعریف می‌کند (مطابق شکل 2c). (2) سپس سختی SF (موسوم به KSF) برابر با ۵٪ سختی BRB (موسوم به Kd) فرض می‌شود. بیشینه جابجایی مدل SDOF (μf δfy) مقاوم سازی شده به ازای نرخ دریفت یک طبقه‌ی داخلی برابر با نرخ رانش طبقه‌ی هدف (SDRtar)تعریف می‌شود، که در پژوهش حاضر برابر با 1/200 rad در سطح طراحی در نظر گرفته شده است. توجه شود μf و δfy صلبیت جابجایی و تغییرشکل تسلیم جانبی مدل SDOFRC (شکل 2c) هستند. (۳) سپس نسبت میرایی معادل کاهش‌یافته‌ی مربوطه heq و جابجایی طیفی کاهش‌یافته (δr) SDOFRC محاسبه شده‌اند. (4) در این گام سختی BRB موردنیاز (Kd) تنها مجهول است، و با فرض برابری δr با μ_f δfy محاسبه می‌شود. (۵) در نهایت سختی BRB مورد نیاز در طبقه‌ی iام (Kd,i) در مدل MDOF با این فرض محاسبه می‌شود که نسبت Kd,i به سختی طبقه‌ی iام (Kf,i) با نسبت Kd به Kf (یعنیkd/kf) که Kd در گام پیشین محاسبه شد، و نسبت دریفت طبقه iام برابر است با SDRtr. روش CD یک فرایند طراحی سریع و سرراست برای مهندسین است که نیازی به تکرار ندارد. در حالی که رفتار کامپوزیت بین قاب RC و SF ممکن است سختی ساختمان مقاوم‌سازی شده را به طرز چشم‌گیری شدت دهد، که این در شکل 2C نشان داده شده است. نادیده‌گرفتن سختی کامپوزیت بر سختی مورد نیاز BRB (Kd,i) تأثیرگذار است. لذا پژوهش حاظر یک روش مقاوم‌سازی CD اصلاح شده را پیشنهاد می‌کند که رفتار کامپوزیت را در نظر می‌گیرد
نکات پایانی
خصوصیات دینامیکی یک ساختمان بتنی مقاوم سازی شده با مهاربندهای کمانش تاب و قاب‌های فولادی (SF) ممکن است به شکل قابل‌توجهی به دلیل افزایش سختی جانبی تغییر کند. بنابراین، تقاضای لرزهای برای سختی افزایش‌یافته به روز می‌شود، که پیچیدگی و زمان لازم جهت طراحی مهاربندهای کمانش تاب و عضو SF را افزایش می‌دهد. یکی از این روش‌ها ساده‌سازی سازه با تبدیل آن به مدل یک درجه آزادی (SDOF) است که نشان‌دهنده ساختمان بتنی مقاوم‌سازی شده لرزهای با مهاربندهای کمانش تاب و قاب‌های فولادی با اعمال روش خطی سازی معادل است. در بخش‌های بعدی مقاله سختی مورد نیاز مهاربند کمانش تاب و قاب فولادی با استفاده از مدل SDOF محاسبه خواهد شد. اگر دریفت های طبقه مقاوم سازی شده در هر طبقه مشابه مدل SDOF ساده شده باشند، توزیع ایده آل دریفت طبقه یکنواخت در طول ارتفاع ساختمان ممکن است به دست بیاد. این مطالعات یک روش طراحی مقاوم سازی را پیشنهاد کرده‌اند که از نیاز به تکرار در هنگام طراحی مهاربندهای کمانش تاب و اعضای قاب فولادی جهت تغییر شکل هدف جلوگیری می‌کند. این پروسه به عنوان روش دریفت ثابت (CD) شناخته می‌شود. با این حال، روش CD، رفتار کامپوزیت بین قاب بتنی و فلزی را در نظر نمی‌گیرد. در نتیجه، سختی مورد نیاز مهاربندهای کمانش تاب ممکن است اور دیزاین باشد و همینطور ممکن است سختی جانبی موثر ترکیب قاب بتنی و فلزی با در نظر نگرفتن رفتار کامپوزیت دست پایین گرفته شود.
ثبت ديدگاه