مقایسه شاخص آسیب قاب­های بتن­آرمه و اعضای آن با بهره گرفتن از شبیه­سازی عددی

به کوشش

ناهید پوریوسف

 

روش طراحی آیین­نامه­های موجود بر اساس طراحی مقاطع و اعضا می­باشد و آیین­نامه­ها در مورد بررسی ظرفیت کل قاب و یا طبقات آن اجباری برای طراحان قرار نداده­اند. در این پژوهش با بررسی مود زوال قاب­های منظم سه طبقه و سه دهانه بتن­آرمه تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون در محیط نرم­افزار OpenSees، نشان داده شده است که در بعضی موارد زوال طبقه یا کل قاب (مود زوال سیستمی سازه) می ­تواند حاکم باشد. به این صورت که قبل از زوال یکی از مفصل­های پلاستیک، ظرفیت کل قاب یا یکی از طبقات آن به میزان قابل توجهی افت کرده و کاربری خود را از دست می­دهد. علاوه بر این تأثیر پارامترهای مختلف طراحی، ظرفیتی و رفتاری قاب مانند درصد میلگردهای طولی و عرضی مقاطع، نسبت برش پایه قاب به وزن کل آن در لحظه زوال (Plastic g-Factor)، g-Factor کاربردی، شکل­پذیری نهایی، دوره تناوب مود اول و متوسط شاخص­های آسیب مقاطع بر مودهای زوال قاب­ها مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت مؤثرترین معیارهایی که بدون نیاز به انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون طراح را قادر به شناسایی امکان وقوع مود زوال سیستمی سازه می­نماید به صورت پارامتر g-Factor کاربردی و نیز ترکیب نسبت درصد میلگرد طولی به میلگرد عرضی ستون و دوره تناوب مود اول سازه تشخیص داده شد. معیارهایی که از طریق انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون محاسبه و در تفکیک قاب­های با مود زوال مفصل پلاستیک از سایر قاب­ها مؤثر هستند نیز به صورت پارامتر Plastic g-Factor و ترکیب پارامتر g-Factor کاربردی و متوسط شاخص­های آسیب مقاطع معرفی شده­اند.

 

کلید واژه­ها: قاب­های دوبعدی بتن­آرمه، تحلیل استاتیکی غیرخطی بار­افزون، مود زوال قاب­های بتن­آرمه، مود زوال سیستمی سازه، شاخص آسیب، نرم­افزار OpenSees

 

 

 

فهرست مطالب

 

 

عنوان                                                                                                    صفحه

فصل اول: مقدمه                                                                                                               1

1-1- پیش­گفتار.. 2

1-2- طراحی لرزه­ای.. 3

1-3- مهندسی لرزه­ای بر مبنای سطح عملکرد.. 4

1-3-1- چارچوب کلی طراحی لرزه­ای بر مبنای سطح عملکرد.. 7

1-3-2- شکل­پذیری (Ductility).. 10

1-3-3- شاخص آسیب.. 11

1-4- سیستم باربر لرزه­ای.. 14

1-5- روش­های مختلف تحلیل غیر ارتجاعی.. 15

1-5-1- تحلیل دینامیکی غیرخطی.. 16

1-5-2- تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون.. 17

1-5-2-1- توصیف تحلیل استاتیکی غیرخطی بارافزون.. 17

1-5-2-2- برخی از روش­های تحلیل استاتیکی غیرخطی.. 19

1-5-2-3- شکل توزیع بار جانبی در ارتفاع ساختمان.. 21

1-6- معیارهای زوال (Failure Criteria).. 25

1-7- بیان مسئله و هدف تحقیق.. 26

1-8- روند دستیابی به هدف تحقیق.. 26

1-9- خلاصه.. 28

 

عنوان                                                                                                    صفحه

فصل دوم: تاریخچه تحقیقات گذشته                                                                                             30

2-1- پیش­گفتار.. 31

2-2- شاخص آسیب.. 33

2-2-1- شاخص­های آسیب موضعی.. 33

2-2-2- شاخص­های آسیب کلی.. 36

2-2-3- بررسی مقایسه­ای چند شاخص آسیب.. 39

2-3- معرفی روابط مربوط به چند شاخص آسیب شناخته شده   42

2-3-1- شاخص آسیب پارک و انگ.. 42

2-3-2- شاخص آسیب شکل­پذیری برای مقاطع.. 43

2-3-3- شاخص آسیب شکل­پذیری برای قاب­ها.. 44

2-3-4- شاخص آسیب انرژی.. 45

2-3-5- شاخص آسیب خستگی Low-Cycle. 46

2-3-6- شاخص آسیب نرم­شدگی بیشینه.. 46

2-4- نحوه مدل­سازی رفتار سازه.. 47

2-5- بررسی مود زوال قاب­های بتن­آرمه.. 48

2-6- خلاصه.. 48

 

فصل سوم: نحوه مدل­سازی و انجام تحلیل غیرخطی                                                                     51

3-1- پیش­گفتار.. 52

3-2- معرفی نرم­افزار OpenSees. 52

3-3- معرفی و مدل­سازی قاب­های دو بعدی بتن­آرمه مورد مطالعه   54

3-3-1- مشخصات فیزیکی قاب­های دو بعدی انتخابی.. 54

3-3-2- نحوه بارگذاری قاب­ها.. 54

3-3-3- چگونگی مدل­سازی قاب­های دو بعدی بتن­آرمه در نرم­افزار OpenSees  55

3-4- چگونگی انجام تحلیل و پایش پاسخ­های موردنظر سازه   57

3-5- طراحی قاب­ها.. 57

3-6- محاسبه شاخص آسیب.. 71

3-6-1- شاخص آسیب انتخابی.. 71

3-6-2- محاسبه شاخص آسیب شکل­پذیری برای مقاطع بحرانی.. 72

عنوان                                                                                                     صفحه

3-6-3- محاسبه شاخص آسیب شکل­پذیری برای قاب­ها.. 74

3-7- خلاصه.. 74

فصل چهارم: ارائه و بررسی نتایج تحلیل­های غیرخطی قاب­های مورد مطالعه                               77

4-1- پیش­گفتار.. 78

4-2- روند انجام تحلیل غیرخطی قاب­ها و نتایج مربوط به آن   79

4-2-1- دسته­بندی قاب­ها بر اساس مود زوال آن­ها.. 79

4-2-2- توزیع مفصل­های پلاستیک در لحظه زوال قاب­ها.. 82

4-2-3- بررسی تغییرات پارامترهای تعریف شده بر اساس شاخص آسیب مقاطع در طول تحلیل.. 88

4-2-4- بررسی تأثیر پارامترهای مختلف طراحی، ظرفیتی و رفتاری در نوع زوال قاب­ها.. 98

4-3- خلاصه.. 114

فصل پنجم: خلاصه، نوآوری و نتیجه­گیری                                                                                   116

5-1- خلاصه تحقیق.. 117

5-2- نوآوری تحقیق.. 119

5-3- نتیجه­گیری.. 119

فهرست منابع و مآخذ                                                                                                                 121

پیوست یک: امكانات نرم­افزار OpenSees                                                                                   125

پیوست دو: بررسی مدل­های مختلف ارائه شده برای مصالح                                                         130

رفتار بتن محصور شده و محصور نشده.. 131

رفتار میلگردهای فولادی مسلح کننده.. 136

فهرست منابع و مآخذ پیوست دو.. 143

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل­ها

 

 

عنوان                                                                                           صفحه

 

شکل 1- 1 نمودار جریانی فرآیند طراحی بر اساس سطح عملکرد.. 8

شکل 1- 2 نمودار تعیین نقاط لازم برای محاسبه شکل­پذیری.. 11

شکل 1- 3 نمودار جریانی روش تحلیل دینامیکی غیرخطی.. 16

شکل 1- 4 منحنی ظرفیت کلی (بارافزون) یک سازه.. 18

شکل 1- 5 روش طیف ظرفیت و نمودارهای ظرفیت و تقاضا نمونه.. 20

شکل 1- 6 منحنی نمونه طیف تقاضا برای شکل­پذیری­های ثابت در روش N2  21

شکل 1- 7 شکل­های توزیع بار جانبی در تحلیل بار فزآینده.. 25

شکل 2- 1 مقایسه نتایج ارزیابی آسیب با شاخص آسیب سه­بعدی، شاخص آسیب پارک و انگ، و شاخص آسیب جابجایی نسبی بین­طبقه­ای: (a) بارگذاری تک­محوره، 2D؛ (b) بارگذاری تک­محوره، 3D؛ و © بارگذاری دومحوره، 3D 40

شکل 3- 1 ایده­آل سازی منحنی لنگر– انحنا.. 73

شکل 3- 2 ایده­آل سازی منخنی ظرفیت قاب.. 74

شکل 4- 1 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال مفصل پلاستیک)   84

شکل 4- 2 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال طبقه).. 85

شکل 4- 3 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال قاب).. 86

شکل 4- 4 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال ترکیبی طبقه و مفصل پلاستیک).. 87

 

عنوان                                                                                           صفحه

شکل 4- 5 مشخصات قاب، نحوه توزیع مفاصل پلاستیک و مقادیر شاخص آسیب مربوطه در لحظه زوال و منحنی ظرفیت قاب (حالت زوال: زوال ترکیبی قاب و مفصل پلاستیک).. 88

شکل 4- 6 بیشینه شاخص­های آسیب نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   91

شکل 4- 7 متوسط شاخص­های آسیب نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   91

شکل 4- 8 متوسط شاخص­های آسیب تیرها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   92

شکل 4- 9 متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   92

شکل 4- 10 نسبت متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها به متوسط شاخص­های آسیب تیرها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام.. 93

شکل 4- 11 متوسط شاخص­های آسیب طبقه اول نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   94

شکل 4- 12 متوسط شاخص­های آسیب طبقه دوم نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   94

شکل 4- 13 متوسط شاخص­های آسیب طبقه سوم نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   95

شکل 4- 14 بیشینه شاخص­های آسیب نسبت به متوسط شاخص­های آسیب   96

شکل 4- 15 متوسط شاخص­های آسیب طبقه سوم نسبت به متوسط کل شاخص­های آسیب مقاطع   96

شکل 4- 16 متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها نسبت به متوسط شاخص­های آسیب تیرها   97

شکل 4- 17 شاخص آسیب شکل­پذیری قاب­ها نسبت به جابجایی نسبی تراز بام   97

شکل 4- 18 بیشینه شاخص آسیب نسبت به متوسط شاخص آسیب (در لحظه زوال)   103

شکل 4- 19 Plastic g-Factor (در لحظه زوال) نسبت به شکل­پذیری نهایی قاب   104

شکل 4- 20 درصد میلگرد طولی به عرضی، ρl/ρs، تیر نسبت به ρl/ρs ستون   104

شکل 4- 21 ρ Ratio نسبت به ρl/ρs ستون.. 105

شکل 4- 22 ρRatio نسبت به ρl/ρs تیر.. 106

شکل 4- 23 ρl/ρs ستون نسبت به دوره تناوب مود اول.. 107

شکل 4- 24 g-Factor کاربردی نسبت به ρl/ρs قاب.. 107

شکل 4- 25 g-Factor کاربردی نسبت به ρl/ρs ستون.. 108

شکل 4- 26 Plastic g-Factor نسبت به ρl/ρs ستون.. 109

شکل 4- 27 شکل­پذیری نهایی نسبت به دوره تناوب مود اول.. 109

شکل 4- 28 ρl/ρs قاب نسبت به شکل­پذیری نهایی.. 110

شکل 4- 29 متوسط شاخص­های آسیب نسبت به g-Factor کاربردی.. 111

شکل 4- 30 متوسط شاخص­های آسیب ستون­ها نسبت به شکل­پذیری نهایی   111

شکل 4- 31 متوسط شاخص­های آسیب نسبت به شکل­پذیری نهایی.. 112

شکل 4- 32 متوسط شاخص­های آسیب تیرها نسبت به متوسط شاخص آسیب ستون­ها   113

شکل پ2- 1 مدل مندر برای بتن.. 131

شکل پ2- 2 مدل هوشیکوما برای بتن.. 135

شکل پ2- 3 رفتار میلگرد مدفون در بتن.. 137

شکل پ2- 4 اثر لغزش پیوند (Bond Slip) در رفتار عنصر.. 140

عنوان                                                                                                     صفحه

شکل پ2- 5 منحنیِ چرخه­ای فولاد.. 140

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جدول­ها

 

 

عنوان                                                                                              صفحه

 

جدول 1- 1 سطوح عملکرد سازه­ای در بعضی از دستورالعمل­های بهسازی لرزه­ای   6

جدول 1- 2 بعضی از شاخص­های آسیب متداول.. 13

جدول 2- 1 شاخص­های آسیب بر پایه مدل­های خطی معادل.. 37

 

جدول 3- 1 مشخصات فیزیکی مصالح در مدل­های مورد استفاده برای بتن و فولاد   56

جدول 3- 2 مشخصات قاب­های مدل شده.. 60

جدول 4- 1 تعداد قاب­های انتخابی به تفکیک مود زوال.. 82

جدول 4- 2 پارامترهای تعریف شده بر اساس شاخص آسیب مقاطع و فضاهای بررسی شده توسط آن­ها.. 89

جدول 4- 3 پارامترهای موردنظر برای تفکیک قاب­های با مود زوال مفصل پلاستیک و حدود آن­ها.. 99

جدول 4- 4 فضاهای بررسی شده برای تفکیک و میزان خطای آن­ها برای دسته­بندی قاب­ها.. 113

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-  مقدمه
 

 

1-1- پیش­گفتار
 

کشور ایران از جمله مناطق زلزله­خیز جهان است که هر چند وقت یک بار زلزله­های شدیدی در آن به وقوع می­پیوندد و متأسفانه تاکنون خسارات مالی و جانی زیادی نیز در بر داشته است. تحقیقات در زمینه علم مهندسی زلزله همواره با هدف کاهش خسارات جبران ناپذیر پدیده زلزله ادامه داشته است. با توجه به پیشرفت علوم کاربردی و توان پردازش رایانه­ها، ایده­ها و دیدگاه­های مهندسی زلزله نیز ارتقاء قابل توجهی پیدا کرده است. مقاوم­سازی ساختمان­های موجود در برابر زمین­لرزه نیز به دلیل تأثیر قابل توجهی که در نجات جان انسان­ها دارد به صورت چشمگیری در حال گسترش است. بی­تردید اساسی­ترین مرحله در طراحی یا مقاوم­سازی سازه­ها در برابر زمین­لرزه، تعیین نیروهای لرزه­ای در سازه­ها می­باشد.

یک سازه ایمن و مقاوم در برابر زمین­لرزه در درجه اول می­باید امنیت جانی ساکنان را فراهم ساخته و در درجه دوم خسارات مالی و اقتصادی ناشی از زلزله را کمینه سازد. برای رسیدن به این هدف باید اطمینان پیدا کرد که سازه موردنظر با پشت سر گذاشتن زمین لرزه­هایی با شدت­های مختلف در شرایط قابل قبولی باقی می­ماند. بنا به تعریف یک ساختار مقاوم لرزه­ای ساختاری است که در زلزله­های خفیف که تقریباً به صورت مداوم به وقوع می­پیوندند بدون خسارت باقی بماند، در زلزله­های متوسط دچار خسارات سازه­ای نشود و خسارات غیرسازه­ای اندکی به آن وارد شود و در زلزله­های بزرگ که به ندرت به وقوع می­پیوندد پایدار بماند و دچار خرابی کلی نشود، به طوری که جان ساکنین مورد تهدید قرار نگیرد ]1[. رسیدن به این اهداف نیازمند به­کارگیری روش­های نوین طراحی لرزه­ای و مهندسی زلزله، استفاده از سیستم­های باربر و مقاوم سازه­ای و سیستم­های ایمن غیرسازه­ای و بهره­ گیری از تکنولوژی­های اجرای مناسب می­باشد.

1-2- طراحی لرزه­ای
 

یک سازه در طول عمر مفید خود عموماً در معرض بارهای مختلف و ترکیبات آن­ها قرار می­گیرد. عملکرد بارهای لرزه­ای معمولاً عامل اساسی در طراحی سازه­­ها در نواحی لرزه­خیز می­باشد. طراحی لرزه­ای سازه­ها با هدف تأمین مقادیر ظرفیتی مورد نیاز سازه (از جمله مقاومت، سختی، شکل­پذیری و …)، در اعضای سازه­ای و غیرسازه­ای، به نحوی که با گذراندن سطح مشخصی از خطر زلزله، ساختمان با ضریب اطمینان قابل قبولی در سطح عملکردی مورد انتظار خود باقی بماند، صورت می­گیرد.

به این ترتیب سه مفهوم اصلی در طراحی لرزه­ای ساختمان­ها مطرح می­شود:

– سطح خطر زلزله[1]

– سطح عملکرد[2] مورد انتظار پس از زلزله

– سطح اطمینان[3]

سطح خطر زلزله به عنوان تنها پارامتر طراحی سال­هاست که مبنای فلسفه طراحی لرزه­ای یک سطحی در بسیاری از آئین نامه­های زلزله بوده است. با وقوع زلزله­های دهه 1990 از جمله زلزله سال 1994 نورتریج[4] و میزان خسارات بسیار زیاد ناشی از آن­ها، تفکر طراحی لرزه­ای بر مبنای سطح عملکرد[5] (PBSD) با انتشار دستورالعمل [6]SEAOC Vision 2000 ]2[ متولد شد. با توجه به طبیعت تصادفی بودن زلزله و رفتار سازه، می­توان با تعیین حوزه اطمینان برای در نظر گرفتن احتمالات در طراحی، روش طراحی را به طراحی لرزه­ای احتمالاتی بر مبنای سطح عملکرد[7] تغییر داد ]3[.