خلاصه پایان نامه بررسی نسبت های شکل پذیری در روش طراحی بر اساس عملکرد در قیاس با روش های تجویزی در قاب های ساده فلزی به همراه مهاربند هم محور
پایاننامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی عمران گرایش سازه
بررسی نسبت‌های شکلپذیری در روش طراحی بر اساس عملکرد و مقایسه آن با روش‌های تجویزی در قابهای ساده فلزی دارای مهاربند هم‌محور (CBF)، همراه با تحلیل ضریب رفتار، عملکرد لرزهای، استاندارد 2800 و ارزیابی رفتار سازه در برابر زلزله.
چکیده:
طراحی لرزهای سازه‌ها طی سال‌های اخیر دستخوش تغییرات اساسی شده است. تجربه زلزله‌های مخرب، آسیب‌دیدگی ساختمان‌هایی که بر اساس آیین‌نامه‌های قدیمی طراحی شده بودند و همچنین پیشرفت روش‌های تحلیل سازه، موجب شد تا رویکردهای جدیدی در طراحی لرزهای مورد توجه قرار گیرد. در گذشته روش‌های طراحی عمدتاً بر پایه روش‌های تجویزی و استفاده از تحلیل خطی و ضرایب کاهش نیرو انجام می‌شد، اما با توسعه دانش مهندسی زلزله، روش طراحی بر اساس عملکرد به عنوان رویکردی دقیق‌تر برای ارزیابی رفتار واقعی سازه معرفی شد. این پژوهش با هدف بررسی نسبت‌های شکلپذیری در روش طراحی بر اساس عملکرد و مقایسه آن با روش‌های تجویزی در قابهای ساده فولادی دارای مهاربند هم‌محور انجام شده است.
در روش‌های سنتی طراحی، تحلیل استاتیکی معادل یکی از رایج‌ترین روش‌های تعیین نیروهای زلزله محسوب می‌شود. در این روش، نیروهای واقعی زلزله با استفاده از ضریب رفتار کاهش یافته و طراحی بر اساس نیروهای کوچک‌تر انجام می‌شود. این فرض بر آن است که مقاومت واقعی سازه بیش از مقدار مورد نیاز طراحی بوده و همچنین سازه با ورود به محدوده غیرخطی قادر خواهد بود بخش قابل توجهی از انرژی زلزله را از طریق تغییر شکل‌های غیرارتجاعی مستهلک کند. بنابراین عملکرد مطلوب سازه زمانی حاصل می‌شود که در زلزله‌های خفیف بدون خسارت باقی مانده و در زلزله‌های شدید نیز ضمن حفظ پایداری کلی، خسارت‌ها به صورت کنترل‌شده و قابل پیش‌بینی ایجاد شوند.
یکی از چالش‌های اساسی در طراحی لرزهای، برآورد صحیح رفتار واقعی سازه در هنگام وقوع زلزله است. تخمین نادرست ویژگی‌های زلزله، مشخصات سازه و نحوه عملکرد آن می‌تواند منجر به خسارت‌های شدید شود. به همین دلیل، آیین‌نامه‌های جدید طراحی و بهسازی لرزهای به جای تکیه صرف بر نیروهای کاهش‌یافته، طراحی بر اساس عملکرد را پیشنهاد کرده‌اند. در این روش، رفتار واقعی اعضای سازه و میزان شکلپذیری آن‌ها به صورت دقیق‌تر بررسی می‌شود تا عملکرد سازه در سطوح مختلف زلزله با دقت بیشتری قابل پیش‌بینی باشد.
از آنجا که رفتار کاملاً ارتجاعی ساختمان در برابر زلزله‌های شدید از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست، فلسفه طراحی لرزهای بر پذیرش رفتار غیرارتجاعی کنترل‌شده استوار شده است. بر همین اساس، ساختمان باید در برابر زلزله‌های کوچک در محدوده خطی باقی بماند، اما در برابر زلزله‌های متوسط و شدید با ورود به محدوده غیرارتجاعی، ضمن حفظ پایداری کلی، انرژی زلزله را جذب کرده و از فروپاشی جلوگیری کند. این ویژگی همان مفهوم شکلپذیری است که یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی لرزهای محسوب می‌شود.
در روش‌های متداول طراحی، به دلیل دشواری و هزینه بالای تحلیل‌های غیرخطی، معمولاً از تحلیل خطی همراه با ضرایب کاهش مقاومت استفاده می‌شود. این ضرایب که با عنوان ضریب رفتار شناخته می‌شوند، امکان طراحی سازه با نیروهایی کمتر از نیروی واقعی زلزله را فراهم می‌کنند. با این حال، یکی از ایرادهای وارد بر آیین‌نامه‌های قدیمی، تجربی بودن مقادیر این ضرایب بود. در بسیاری از آیین‌نامه‌های اولیه، ضرایب رفتار بر اساس تجربه مهندسان، مشاهده عملکرد ساختمانها در زلزله‌های گذشته و قضاوت مهندسی تعیین شده بودند و پشتوانه محاسباتی مشخصی نداشتند.
پژوهش‌های متعدد انجام شده در زمینه مهندسی زلزله موجب شد تا ضرایب رفتار به تدریج بر پایه مطالعات علمی و تحلیل‌های دقیق اصلاح شوند. نخستین بار ضریب رفتار در گزارش ATC-3-06 در سال ۱۹۷۸ معرفی شد. پس از آن نیز در مقررات NEHRP و اسناد FEMA بر تجربی بودن ضرایب کاهش نیرو تأکید شد. با گذشت زمان، آیین‌نامه‌های جدید تلاش کردند روش‌های دقیق‌تری برای تعیین این ضرایب ارائه دهند تا ارتباط میان شکلپذیری، مقاومت افزون، ظرفیت جذب انرژی و رفتار هیسترزیس سازه به صورت علمی مشخص شود.
در این پژوهش، برخلاف شیوه ارائه ضریب رفتار در آیین‌نامه ایران، اجزای تشکیل‌دهنده ضریب رفتار به صورت مستقل بررسی شده‌اند تا تأثیر هر یک از عوامل مؤثر بر رفتار لرزهای سازه مشخص شود. امروزه بسیاری از آیین‌نامه‌های معتبر دنیا از جمله آیین‌نامه کانادا، به جای ارائه یک ضریب رفتار ثابت برای هر سیستم سازهای، اجزای تشکیل‌دهنده آن را متناسب با میزان شکلپذیری سازه و شرایط لرزه‌خیزی منطقه تعریف می‌کنند. این نگرش امکان ارزیابی دقیق‌تر عملکرد لرزهای ساختمانها را فراهم می‌کند.
استاندارد ۲۸۰۰ ایران نیز یکی از مهم‌ترین آیین‌نامه‌های طراحی لرزهای کشور محسوب می‌شود که طی سال‌های گذشته مبنای طراحی بسیاری از ساختمانها بوده است. با وجود تحول گسترده در دانش مهندسی زلزله، بررسی مفاهیم این آیین‌نامه و ارزیابی ضرایب مورد استفاده در آن اهمیت زیادی دارد. در این استاندارد، دو پارامتر اصلی مقاومت و شکلپذیری به عنوان مهم‌ترین عوامل دستیابی به عملکرد مناسب سازه معرفی شده‌اند. تأمین هم‌زمان این دو عامل موجب می‌شود ساختمان بتواند در برابر زلزله‌های مختلف عملکرد قابل قبولی از خود نشان دهد.
در دهه‌های اخیر، وقوع زلزله‌های مخرب در نقاط مختلف جهان اهمیت شکلپذیری سازه‌ها را بیش از گذشته آشکار کرده است. زلزله سان‌فرناندو، زلزله نورثریج، زلزله کوبه و همچنین زلزله رودبار–منجیل نشان دادند که قابلیت جذب انرژی و تغییر شکل‌های غیرارتجاعی کنترل‌شده نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش خسارت‌های لرزهای دارند. به همین دلیل، بسیاری از آیین‌نامه‌های طراحی لرزهای مورد بازنگری قرار گرفته و ضوابط جدیدی برای افزایش شکلپذیری سازه‌ها تدوین شده است.
در آیین‌نامه‌های طراحی لرزهای، استفاده از رفتار غیرخطی سازه و قابلیت جذب انرژی ناشی از زلزله یکی از اصول اساسی طراحی محسوب می‌شود. از آنجا که انجام تحلیل‌های غیرخطی برای تمامی پروژه‌ها زمان‌بر و پرهزینه است، در روش‌های متداول طراحی از ضرایبی تحت عنوان ضریب رفتار (R) استفاده می‌شود. این ضرایب با در نظر گرفتن ظرفیت شکلپذیری، مقاومت افزون، میرایی و سایر ویژگی‌های سازه، نیروهای واقعی زلزله را کاهش داده و امکان طراحی اقتصادی ساختمان را فراهم می‌کنند. در واقع آیین‌نامه‌ها اجازه می‌دهند با بهره‌گیری از توانایی سازه در جذب انرژی و ورود کنترل‌شده به محدوده غیرارتجاعی، طراحی بر مبنای نیروهایی کمتر از نیروی واقعی زلزله انجام شود.
ضریب رفتار یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی لرزهای است و تعیین مقدار صحیح آن نقش مستقیمی در ایمنی و عملکرد سازه دارد. این ضریب متناسب با نوع سیستم باربر جانبی، میزان شکلپذیری، مقاومت افزون و ویژگی‌های رفتاری هر سازه تعیین می‌شود. به همین دلیل در آیین‌نامه‌های مختلف، جداولی برای انتخاب ضریب رفتار ارائه شده است تا مهندسان بتوانند بر اساس نوع سیستم سازهای، نیروی طراحی زلزله را محاسبه کنند. با این حال، بررسی اعتبار این ضرایب و میزان انطباق آن‌ها با رفتار واقعی سازه همچنان یکی از موضوعات مهم پژوهش‌های مهندسی زلزله به شمار می‌رود.
در نسل جدید آیین‌نامه‌های طراحی و بهسازی لرزهای، روش طراحی بر اساس عملکرد جایگزین بسیاری از روش‌های تجویزی شده است. در این رویکرد، رفتار واقعی اعضای سازه تحت اثر بارهای لرزهای به صورت دقیق بررسی می‌شود و تمامی عوامل مؤثر از جمله مشخصات مصالح، ویژگی‌های هندسی اعضا، ظرفیت تغییرشکل و سطح شکلپذیری در ارزیابی عملکرد سازه نقش دارند. برخلاف روش‌های سنتی که تنها رفتار کلی سازه را با استفاده از یک ضریب رفتار ارزیابی می‌کنند، طراحی بر اساس عملکرد رفتار هر عضو را به صورت مستقل مورد بررسی قرار می‌دهد.
در تحلیل خطی مبتنی بر عملکرد نیز مفهوم شکلپذیری با معرفی پارامترهای اختصاصی مورد توجه قرار گرفته است. این پارامترها به عنوان معیار پذیرش عملکرد اعضای مختلف سازه استفاده می‌شوند و نشان می‌دهند هر عضو تا چه میزان قادر به تحمل تغییرشکل‌های غیرارتجاعی بدون از دست دادن عملکرد مطلوب خواهد بود. در روش تحلیل غیرخطی نیز منحنی رفتاری هر عضو تعیین شده و ظرفیت تغییرشکل آن در سطوح مختلف عملکردی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. به این ترتیب، میزان استهلاک انرژی زلزله در هر عضو مشخص شده و عملکرد کلی سازه بر اساس رفتار تمامی اجزا تعیین می‌شود.
روش طراحی بر اساس عملکرد این امکان را فراهم می‌کند که رفتار واقعی ساختمان در برابر زلزله با دقت بیشتری پیش‌بینی شود. در این روش، شکلپذیری هر عضو متناسب با میزان نیروهای وارد شده محاسبه شده و نقاط ضعف احتمالی سازه پیش از اجرا قابل شناسایی خواهند بود. به همین دلیل، بسیاری از آیین‌نامه‌های جدید طراحی و بهسازی لرزهای استفاده از این روش را نسبت به روش‌های تجویزی مناسب‌تر می‌دانند.
در مقابل، روش متداول طراحی لرزهای در ایران همچنان مبتنی بر استفاده از نیروهای کاهش‌یافته و ضرایب رفتار پیشنهادی استاندارد ۲۸۰۰ است. با توجه به استفاده گسترده از این استاندارد در طراحی ساختمانهای کشور، بررسی اعتبار ضرایب ارائه شده در آن اهمیت زیادی دارد. همچنین با گسترش استفاده از روش طراحی بر اساس عملکرد، مقایسه نتایج این دو رویکرد می‌تواند در اصلاح و بهینه‌سازی ضرایب کاهش نیروی زلزله مؤثر باشد.
در این پایاننامه تلاش شده است با استفاده از نتایج مطالعات پیشین، ارتباط میان شکلپذیری اعضا و ضرایب کاهش نیروی زلزله مورد بررسی قرار گیرد. پژوهش حاضر مفاهیم شکلپذیری، ضرایب کاهش نیرو و ضرایب شکلپذیری مورد استفاده در آیین‌نامه‌های طراحی لرزهای را در دو رویکرد طراحی بر اساس عملکرد و طراحی تجویزی مقایسه می‌کند تا میزان همخوانی آن‌ها مشخص شود.
برای انجام این بررسی، سه ساختمان منظم فولادی با ارتفاع‌های ۳، ۵ و ۷ طبقه که دارای سیستم قاب ساده فلزی همراه با مهاربند هم‌محور (CBF) هستند، انتخاب شده‌اند. این ساختمانها به عنوان نمونه‌های مورد مطالعه، تحت تحلیل قرار گرفته و پارامترهای رفتاری آن‌ها استخراج شده است. سپس نتایج به‌دست‌آمده با مقادیر پیشنهادی استاندارد ۲۸۰۰ ایران مقایسه شده تا میزان انطباق ضرایب آیین‌نامه‌ای با رفتار واقعی این سازه‌ها مشخص شود.
در ادامه، ضریب شکلپذیری اعضای سازه برای نمونه‌های مورد بررسی محاسبه شده و ارتباط آن با ضریب کاهش نیروی زلزله ناشی از شکلپذیری سازه تعیین شده است. این مقایسه نشان می‌دهد که ارزیابی مستقل اجزای ضریب رفتار و تحلیل عملکرد واقعی اعضا می‌تواند در شناخت بهتر رفتار لرزهای قابهای فولادی مهاربندی‌شده مؤثر باشد. همچنین نتایج پژوهش زمینه ارائه پیشنهادهایی برای اصلاح و تعدیل ضرایب کاهش نیرو را فراهم می‌کند تا طراحی لرزهای با دقت بیشتر و عملکرد مناسب‌تر انجام شود.
به طور کلی، محتوای این پژوهش نشان می‌دهد که شکلپذیری یکی از اساسی‌ترین پارامترهای طراحی لرزهای است و بررسی آن در قالب روش طراحی بر اساس عملکرد می‌تواند دید دقیق‌تری نسبت به رفتار واقعی سازه در اختیار طراح قرار دهد. همچنین مقایسه میان روش طراحی بر اساس عملکرد و روش‌های تجویزی بیانگر اهمیت ارزیابی علمی ضرایب رفتار و ارتباط آن‌ها با ویژگی‌های واقعی سازه است. نتایج این تحقیق می‌تواند در بازنگری ضرایب آیین‌نامه‌ای، بهبود طراحی قابهای فولادی دارای مهاربند هم‌محور و افزایش دقت طراحی لرزهای بر اساس عملکرد مورد استفاده قرار گیرد.
ABSTRACT
The Philosophy of the new generations and retrofitting codes, which are on the basis of performance based approaches rather than the prescriptive methods of current codes, has brought about diverse method in desighn. An understanding of the seismic behavior of structure to provide a proper performance level has a significant role in the modern design methods. Consequently, investigating the reliability of the existing factors in these codes seems essential.
In this paper, the ductility reduction factor (effective on R-factor) given in 2800 standard is compared to the correspondent facrors, like the ductility factor of members (m-factor) given in the guideline of seismic rehabilitation of existing buildings. In order to fulfill this research three steel framed buildings which their lateral load resisting system are moderate steel frame with CBF bracing are modeled analyzed using nonlinear static procedure. The R-facrors resulted from analyses are compared to the given values in 2800 standard and their correlation with ductility factors of members are extracted. The results of these evaluations are recommended to estimate, revise and adjust the current factors of codes and standards.
Key Word: performance level, behavior factor, ductility factors of members, structure ductility.
فهرست پایان نامه بررسی نسبت های شکل پذیری در روش طراحی بر اساس عملکرد در قیاس با روش های تجویزی در قاب های ساده فلزی به همراه مهاربند هم محور
فهرست:
فصل 1: مقدمه.............................................................................................................................................................................................................. 7
1-1-مقدمه................................................................................................................................................................................................................ 8
فصل 2: مروری بر ادبیات موضوع................................................................................................................................................................ 13
2-1-مقدمه............................................................................................................................................................................................................ 14
2-2-روش طراحی لرزه ای بر اساس روش تجویزی.................................................................................................................. 15
2-2-1-عوامل مؤثر بر ضریب کاهش نیروی زلزله............................................................................................................... 18
2-2-1-1-شکل پذیری................................................................................................................................................................. 18
2-2-1-1-1-ضریب شکل پذیری کلی سازه........................................................................................................... 19
2-2-1-1-2-ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری.................................................................................................... 20
2-2-1-2-مقاومت افزون............................................................................................................................................................. 25
2-2-1-2-1-ضریب مقاومت افزون............................................................................................................................... 27
2-2-2-شکل پذیری در روش طراحی براساس روش تجویزی.................................................................................... 29
2-3-روش طراحی لرزهای براساس عملکرد سازه........................................................................................................................ 30
2-3-1-فواید طراحی براساس عملکرد......................................................................................................................................... 31
2-3-2-شکلپذیری در روش طراحی براساس عملکرد..................................................................................................... 32
2-3-3-معیارهای پذیرش اعضا در روش طراحی براساس عملکرد........................................................................... 34
2-3-4-فلسفه ی طراحی براساس عملکرد............................................................................................................................... 35
2-4-مروری بر یافته های دیگر محققین.......................................................................................................................................... 36
2-4-1-تحقیقات طاهری بهبهانی.................................................................................................................................................. 36
2-4-2-تحقیقات Repapis و همکاران................................................................................................................................... 37
2-4-3-تحقیقات Kunnath و همکاران................................................................................................................................ 38
2-4-4-تحقیقات Elnashai و همکاران.................................................................................................................................... 39
2-5-جمع بندی و نتیجه گیری............................................................................................................................................................. 40
فصل 3: روش تحقیق............................................................................................................................................................................................ 42
3-1-مقدمه............................................................................................................................................................................................................ 43
3-2-معرفی نمونه ها....................................................................................................................................................................................... 43
3-2-1-تعیین جزئیات سازه ای...................................................................................................................................................... 44
3-2-1-1-مدلسازی و هندسه.................................................................................................................................................. 44
3-2-1-2-بارگذاری......................................................................................................................................................................... 45
3-2-1-3-نتایج طراحی نمونه ها............................................................................................................................................ 48
3-3-ارزیابی........................................................................................................................................................................................................... 50
3-3-1-مدلسازی....................................................................................................................................................................................... 50
3-3-1-1-مدلسازی کلی سازه................................................................................................................................................ 50
3-3-1-2-مدلسازی اعضا............................................................................................................................................................ 51
3-3-1-3-مدلسازی رفتار مصالح........................................................................................................................................... 52
3-3-1-4-مقاومت اعضای سازهای...................................................................................................................................... 52
3-3-1-5-بررسی منحنی رفتاری اعضاء........................................................................................................................... 53
3-3-2-بررسی نرم افزارهای کاربردی......................................................................................................................................... 54
3-3-3-بررسی مشخصه های تحلیل نمونه ها........................................................................................................................ 54
3-3-3-1-روش تحلیل.................................................................................................................................................................. 54
3-3-3-2-بارگذاری......................................................................................................................................................................... 55
3-3-3-2-1-الگوی بارگذاری........................................................................................................................................... 56
3-3-3-3-تغییر مکان هدف...................................................................................................................................................... 56
فصل 4: نتایج و تفسیر......................................................................................................................................................................................... 61
4-1-مقدمه............................................................................................................................................................................................................ 62
4-2-بررسی نتایج.............................................................................................................................................................................................. 63
4-2-1-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه سه طبقه....................................................................................................... 66
4-2-2-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه پنج طبقه...................................................................................................... 69
4-2-3-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه هفت طبقه................................................................................................... 72
4-2-4-بررسی نتایج حاصل از شکل پذیری سازه............................................................................................................... 72
4-3-تعیین عملکرد لرزهای اعضاء......................................................................................................................................................... 74
4-3-1-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان سه طبقه....................................................................................................... 79
4-3-2-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان پنج طبقه...................................................................................................... 84
4-3-3-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان هفت طبقه................................................................................................... 89
فصل 5: جمع بندی و نتیجه گیری............................................................................................................................................................ 90
5-1-جمع بندی................................................................................................................................................................................................ 91
منابع و مراجع........................................................................................................................................................................................................... 95
منبع:
ABSTRACT
The Philosophy of the new generations and retrofitting codes, which are on the basis of performance based approaches rather than the prescriptive methods of current codes, has brought about diverse method in desighn. An understanding of the seismic behavior of structure to provide a proper performance level has a significant role in the modern design methods. Consequently, investigating the reliability of the existing factors in these codes seems essential.
In this paper, the ductility reduction factor (effective on R-factor) given in 2800 standard is compared to the correspondent facrors, like the ductility factor of members (m-factor) given in the guideline of seismic rehabilitation of existing buildings. In order to fulfill this research three steel framed buildings which their lateral load resisting system are moderate steel frame with CBF bracing are modeled analyzed using nonlinear static procedure. The R-facrors resulted from analyses are compared to the given values in 2800 standard and their correlation with ductility factors of members are extracted. The results of these evaluations are recommended to estimate, revise and adjust the current factors of codes and standards.
Key Word: performance level, behavior factor, ductility factors of members, structure ductility.