طراحی ساختمان

طراحی ساختمان جهت مقاوت در برابر زلزله

بسیاری از مناطق دنیا در معرض زلزله قرار گرفته اند و جامعه از مهندسان سازه انتظار طراحی ساختمان هایی

را دارند که هنگام زلزله پایدار بمانند استفاده از سامانه های جداساز لرزه ای پایه روشی مناسب برای

محافظت ساختمانها در برابر خسارت ناشی از زلزله است و این عمل با کاهش اثر مخرب و نه مقاوم کردن

سازه در برابر زلزله انجام میپذیرد. امروزه بسیاری از ساخت و سازه ها هنوز با اطلاعات و دانش چند دهه قبل

انجام میشود متأسفانه در کشورهای جهان سوم نتایج تحقیقات دیرتر به بخش صنعت منتقل می شود و

تناسبی با دستاوردهای جدید علم مهندسی ندارد و این در حالی است که علم مهندسی عمران در این

مدت با تحولات و تغییرات قابل توجهی روبرو گردیده است با جدا کردن سازه از زمین موجب تضعیف عمده

انتقال حرکت زمین به سازه میشود. این روش نهایتاً منجر به کاهش قابل توجهی در تغییر مکانهای نسبی

و شتابهای ایجاد شده در سازه میشود که دستیابی به این مزایا در طرح های لرزهای معمول با تکیه بر

ایجاد سیستمهای مقاوم جانبی سخت ترو بسیار پرهزینه است در این پژوهش به بررسی رفتار یک سازه

فلزی دارای جداساز الاستومری LRB تحت اثر بارهای مختلف می پردازیم جداساز الاستیک سرب عمدتاً

متشکل از لایه لاستیک داخلی مهره فولادی هسته اصلی پوشش پلاستیکی خارجی صفحه سوار و لنگرگاه

است. هسته فولاد میتواند استحکام افقی اولیه را در طول زمین لرزه های کوچک فراهم آورد و انرژی

لرزه هایی را از طریق تغییر شکل پلاستیک در طول زمین لرزه های بزرگ کاهش دهد در این راستا سیستم

های جداساز لرزهای به منظور کاهش پاسخهای سازه به تحریک لرزهای شکل گرفته است. جداگر لاستیکی

با هسته سربی دارای یک یا چند هسته سربی است. صفحات فولادی به کار رفته در این سیستم سبب تغییر

شکل هسته سربی در برش میشوند هسته سربی در برابر نیروهای برشی تغییر شکل داده و در سازه

الاستومری سبب اصطکاک نیروی وارده میشود.

مقدمه مقابله با زلزله همواره یکی از مهمترین دغدغه های مهندسی در زمینه ساخت و ساز است. جوابی که برای حل این چالش وجود دارد آن است که از ضررهای جانی و مالی که بر اثر زلزله به وجود می آید، جلوگیری شود.

هر روزه مهندسان و طراحان و دانشمندان در صدد به دست آوردن مصالح مقاوم تر نسبت به قبل و به وجود آوردن راه ها و طراحیهای جدید برای جلوگیری از این ضررهای مالی و جانی هستند. هر روزه مهندسان برای مقاوم سازی سازه ها راهها و آئین نامه های جدیدی را ارائه میدهند تا سازه هایی که قرار است ساخته شوند مقاومت لازم برای مقابله با زلزله و در نهایت آن داشتن کمترین خسارت را داشته باشند.

اما آیا سازه هایی که انسان بدین صورت میسازد مقابله با زلزله همیشه و در هر نوع زلزله ای میتواند در مقابل زلزله های گوناگون مقاومت کند یا خیر؟ میدانیم که یکی از راههای مقاوم سازی سازه ها کم کردن بار ساختمان است. اما از طرفی هم میدانیم که از بارهای زنده در ساختمان نمیتوان کم نمود.

بنابراین باید از بارهای مردمی ساختمان تا حد امکان کم کرد که منظور همان بارهای سازه ای است. امروزه راه های گوناگونی برای کم نمودن و سبک سازی بارهای سازه ای ساختمان ارائه شده است که این روش یکی از راه های مقاوم سازی سازه ها در برابر زلزله است اما آیا همیشه میتوان این راهها را ادامه داد؟ دانشمندان و مهندسان در صدد برآمدند که روشهای جدیدتری را برای جلوگیری از خسارات زلزله ارائه دهند.

یکی از روشهای ارائه شده جذب انرژی زلزله است. از مفیدترین راههای کنترل و کاهش ارتعاشات سازه به کار گیری سیستم های جداسازی توده ای میباشد. در این سیستم به جای مقابله با زلزله در ساختمانها سازه را همراه با زلزله میکنیم یعنی در مواقعی که زلزله به وقوع می پیوندد سازه ی ما به جای این که مثل یک جسم صلب با نیروهای زلزله مقابله کند در ارتعاشات با زلزله همراه میشود و نیروهای زلزله را جذب میکند.

و ارتعاشاتی که زلزله به سازه میدهد را در درون خود خنثی میکند و این همان میرا کردن سازه است. به این نوع سازه ها سازه های دینامیکی میگویند امروزه در جهان سازه های دینامیکی فراوانی وجود دارد.

خود انواع مختلفی دارند یکی از روشهای مقاومت در برابر زلزله استفاده از جداسازها در سازه های فولادی  است. در این پژوهش برآنیم تا به بررسی و ارزیابی و تحلیل جدا سازهای LRB در سازه های فولادی بپردازیم. این فصل از پژوهش به بیان کلی مساله فوق پرداخته و اهداف و فرضیات اصلی در پژوهش را مشخص می نمائیم.

۲-۱ بیان مساله

امروزه بسیاری از ساخت و سازها هنوز با اطلاعات و دانش چند دهه قبل انجام میشود متأسفانه در کشورهای جهان سوم نتایج تحقیقات دیرتر به بخش صنعت منتقل میشود و تناسبی با دستاوردهای جدید علم مهندسی ندارد و این در حالی است که علم مهندسی عمران در این مدت با تحولات و تغییرات قابل توجهی روبرو گردیده است با جدا کردن سازه از زمین موجب تضعیف عمده انتقال حرکت زمین به سازه میشود. این روش نهایتاً منجر به کاهش قابل توجهی در تغییر مکانهای نسبی و شتابهای ایجاد شده در سازه می شود که دستیابی به این مزایا در طرحهای لرزه ای معمول با تکیه بر ایجاد سیستمهای مقاوم جانبی سخت تر بسیار پرهزینه است.

بلایای طبیعی ناشی از مخاطرات طبیعی مانند زلزله و فعالیتهای انسانی مانند انفجار مین انفجار تصادفی و تروریسم در طی سالها باعث شده است که جامعه مهندسی سازه هوشیار باشد کاندا) و همکاران ۲۰۱۸) جداساز الاستیک سرب عمدتا متشکل از لایه لاستیک داخلی مهره فولادی هسته اصلی پوشش پلاستیکی خارجی صفحه سوار و لنگرگاه است.

برای معرفی و شناخت بهتر جداگرها کافیست به بررسی دو نوع اصلی آنها پرداخت. بعضی از سازه ها جداگرهایی در همه ی طبقات قرار میدهند که در موقع وقوع زلزله تمام جداگرها با هم کار میکنند و طبقات به طور کاملاً مجزا از یکدیگر حرکت میکنند مانند نمودار مودی که هر عضو و طبقه به طور جداگانه حرکت می کند و این مزیت را دارد که به پی ساختمان هیچگونه آسیبی نمی رسد طبقات هیچگونه آسیبی نمی بینند.

اما این نوع از سازه مشکلات زیادی دارد برای مثال هزینه ی بسیار بالای اجرای این نوع سازه و یا این که در این نوع سازه ها ممکن است ما دچار پدیده ستون لاغر شویم که خود در موقع وقوع زلزله بسیار خطرناک است. بنابراین معمولاً در جهان چنین سازه هایی ساخته نمیشوند توکلی شیرازی و همکاران نوع دیگر این جداسازها در پی ساختمانهاست. در سالهای اخیر استفاده از سیستم ایزولاسیون پی ها به منظور کاهش اثر نیروی زلزله بر ساختمانها و پلها گسترش زیادی یافته است.

از طرفی مبحث جداسازی پایه در گروه اتلاف انرژی غیر فعال جای میگیرد و شامل میرایی درون سازه ای نیز میشود.

میرایی درون سازه ای از تجهیزاتی تشکیل شده است که در درون سازه با اضافه کردن میرایی به اتلاف انرژی می پردازد.

استراتژی کنترل غیر فعال اغلب نسبت به روش طراحی لرزهای سنتی با دوام تر است.

در روش طراحی سنتی که وابسته است به اتلاف انرژی لرزه ای از طریق تغییر شکل غیر الاستیک

اجزای سازه ای روش کنترل لرزهای غیر فعال پاسخ سازه را به وسیله تکنولوژی خلاقانه برای به حداقل

رساندن آسیب برای اجزای سازه ای به طور قابل ملاحظه ای کاهش میدهد بنزونی و همکاران ۲۰۱۸)

از ویژگیهای منحصر به فرد روش کنترل غیر فعال عبارت است از قابلیت اطمینان به عملکرد به هنگام

بهره وری انرژی و هزینه نگهداری کم از میان بیشتر روشهای کنترل لرزهای غیر فعال سیستم جداساز

پایه پذیرفته شده است که به عنوان تکنولوژی کارآمد تقاضای نیروی لرزه ای را کاهش میدهد.

اخیرا در اکثر سازه های طراحی شده با روش کنترل غیر فعال و همچنین در مقاوم سازی سازه های بنا شده موجود سیستم جداساز پایه به کار گرفته شده است. سیستم جداساز پایه دو حالت را برای سازه های طراحی شده با روش کنترل غیر فعال ایجاد میکند که ابتدا انعطاف پذیری فراهم میکند و سپس اصطکاک پایه ای میان اجزای سازهای فراهم میکند

از سوی دیگر میتوان این چنین بیان کرد که سیستم های جداساز پایه عموما به چند نوع به کار گرفته شده اند. باربرهای لاستیکی با ورقه های فولادی (RB) باربرهای لاستیکی با هسته ی سربی (LRB)، باربرهای لاستیکی با میرایی بالا (HDRB) باربرهای پاندول اصطکاکی (FP) و باربرهای اصطکاکی الاستیکی که از میان این ها سیستم جداساز پایه (LRB) بطور خیلی گسترده برای جداسازی لرزه ای ساختمانها و پل ها به کار گرفته شده است. امروزه تحقیقات گسترده ای روی جداسازهای پایه ای صورت گرفته است شینزو کا و همکاران، ۲۰۱۵)

از دیگر مفاهیم مهم مورد بررسی در جداسازی پایه ها هدف آنهاست بسیاری از مناطق دنیا در معرض زلزله قرار گرفته اند و جامعه از مهندسان سازه انتظار طراحی ساختمانهایی را دارند که هنگام زلزله در آنها زنده بمانند. همانطور که هنگام طراحی ساختمان با بارهای زیادی مانند بار باد مواجه هستیم، هدف اصلی برآوردن رابطه ی دو طرفه بر پایه ظرفیت و تقاضاست میدانیم که زلزله اتفاق می افتد و غیر قابل کنترل است.

بنابراین باید قبول داشته باشیم که حتما ظرفیت از تقاضا بیشتر باشد زلزله بر اثر جرم خود ساختمان و شتاب زمین باعث وارد شدن نیرو به ساختمان میشود به محض افزایش شتاب زمین برای جلوگیری از صدمات سازهای ظرفیت نیز باید افزایش یابد که البته افزایش ظرفیت ساختمان تا بی نهایت امری عقلانی

نیست. در بعضی نقاط که بسیار زلزله خیزند گاهی شتاب زلزله برابر شتاب گرانش زمین یا حتی در برابر  آن میشود. مجسم کردن مقاومت مورد نیاز برای این سطح بار کار آسانی نیست.

مقاومت در برابر 18 مطابق شکل ۵۱ به معنای وارد شدن باری معادل برابر جرم ساختمان به صورت

جانبی به ساختمان است که میتواند به سادگی باعث واژگون شدن ساختمان شود.

طراحی برای چنین سطحی از مقاومت کاری آسان و ارزان نیست بنابراین اکثر آیین نامه ها اجازه استفاده از  شکل پذیری را برای کسب ظرفیت میدهند. شکل پذیری در واقع مفهوم این واقعیت است که به اعضای  سازه ای اجازه داده میشود طبق یک منوال کنترل شده و بیش از حد الاستیک خویش تغییر شکل دهند.

در ماورای این حد اعضای سازهای نرم شده و تغییر مکانهای ناشی از افزایش مقدار کمی از نیروها افزایش  می یابند. زمانی که این بار از سازه باربرداری شود سازه وارد حد پلاستیک میشود و تغییر شکل ها ماندگار  خواهد شد. این تغییرات قابل تامل اند به ویژه زمانی که بتن به مرز الاستیک در کشش برسد که در واقع  یک ترک تشکیل میشود یا زمانی که یک شاه تیر فولادی تسلیم شود برای بیشتر مصالح سازهای  انعطاف پذیری برابر صدمات سازه است. مفهوم صدمه در این جا ناکارآمد شدن سازه است. انعطاف پذیری به

طور کلی باعث صدمات ظاهری به سازه میشود و ظرفیت سازه را برای باربری بیشتر کاهش خواهد داد چارلیسون و همکاران (۲۰۱۶)

ولی در واقع فلسفه ی طراحی بیشتر روی مسئله مقاومت تمرکز دارد و به دو گزینه ختم می شود. اولی ادامه  دهید تا به مقاومت الاستیک بیافزایید که البته گران تمام میشود و در ضمن ساختمان را به شتابهای  بیشتر در کفها منتهی میکند کاهش صدمات سازهای با مقاوم سازی بیشتر ممکن است باعث صدمه ی

بیشتر به سازه شود و آن را به سازهای با مقاومت کمتر تبدیل کند و در مرحله دوم حد الاستیک را محدود

و روی شکل پذیری کار کنید این رهیافت صدمات وارد شده به سازه را هضم میکند. اگرچه ممکن است

قابل تعمیر نباشد

جداسازی پایه رهیافت مخالفی را پیش رو می آورد و در واقع پیشنهاد کاهش تقاضا را به جای افزایش ظرفیت مطرح میکند ما نمیتوانیم به خودی خود جلوی زلزله را بگیریم ولی میتوانیم تقاضای آن را کاهش دهیم که این کار بر سازه تأثیر گذار است و در حقیقت از انتقال حرکات از پی به روسازه جلوگیری می کند.

بنابراین دلیل اصلی استفاده از جداساز کاهش اثرات زلزله است به طور طبیعی همراه بهره مندی از جداساز هم تقبل هزینه هایی هم میشویم پس استفاده از این سیستم باید توجیه داشته باشد و البته رغبت استفاده از این سیستم نیز باید بیشتر از مقاوم تر کردن سازه باشد. در این راستا سیستم های جداساز لرزهای به منظور کاهش پاسخهای سازه به تحریک لرزهای شکل گرفته است.

جداگر لاستیکی با هسته سر بیدارای یک یا چند هسته سربی است. صفحات فولادی به کار رفته در این سیستم سبب تغییر شکل هسته سربی در برش میشوند هسته سربی در برابر نیروهای برشی تغییر شکل داده و سبب اصطکاک نیروی وارده میشود. بدین منظور هدف اصلی ارزیابی و تحلیل جدا سازهای LRB در سازه های فولادی می باشد.

۱- ضرورت انجام تحقیق

امروزه استفاده از جداگرهای لرزه ای در ساختمانهای با اهمیت زیاد در دنیا رواج یافته است. مزایای کاربرد این سیستم ها در برابر کاهش آسیبهای وارد بر سازه فولادی میباشد در سازه های فولادی نامتقارن به علت وجود فاصله بین مرکز جرم و مرکز سختی سازه پیچش در سازه به وجود آمده و عضوهای سازه می بایست نیروها و تغییر شکلهای اضافی ناشی از پیچش را تحمل کنند ساختمانهای موجود به دلایلی همچون طراحی بر حسب آئین نامه های قبلی تغییر در کاربری ساختمان اضافه نمودن طبقات جدید به

ساختمان موجود عدم رعایت موارد فنی در حین اجرا مهمتر از همه عدم توجه به نوع اسکلت سازه ای مورد نیاز در مقابل عوامل مختلف اسیب پذیر هستند. آسیب دیدن این گونه ساختمانها علاوه بر خسارات اقتصادی ممکن است باعث تلفات جانی نیز بشود بنابراین لزوم پرداختن به ارزیابی و تحلیل جداسازهای RB در سازه های فولادی احساس میشود.

۴-۱ اهداف پژوهش

هدف اصلی

ارزیابی و تحلیل جدا سازهای LRB در سازه های فولادی

اهداف فرعی

بررسی خسارت لرزه ای در طول عمر مفید سازه های فولادی با استفاده از جداسازهای LRB

بررسی عملکرد لرزه ای سازه فولادی بدون جداساز LRB با سازه متقارن و نامتقارن

۵-۱ فرضیات پژوهش

فرضیه اصلی

جداسازهای LRB در سازه های فولادی قابل ارزیابی و تحلیل میباشد.

فرضیه فرعی

سازه فولادی با جداساز سازهای LRB با سازه های نامتقارن عملکرد بهتری دارد

سازه فولادی بدون جداسازهای LRB با سازه های نامتقارن باعث اختلال در عملکرد میشود

کاربردهای تحقیق

کاهش مشکلات عمرانی درگیر با طراحی سازه های فولادی

افزایش ایمنی محتویات ساختمان و سلامت ساکنان

توجیه اقتصادی در صورت تولید انبوه ساختمان با استفاده از جداسازهای لاستیکی (LRB)

۶-۱ سوالات پژوهش

سوال اصلی

جداسازهای LRB در سازه های فولادی چگونه ارزیابی و تحلیل میشود؟

سوال فرعی

استفاده از جداسازهای LRB در میزان خسارت لرزه ای در طول عمر مفید سازه های فولادی

چه نقشی دارد؟

سازه فولادی بدون جداساز LRB با سازه متقارن و نامتقارن چه عملکرد نشان می دهد؟

۷-۱ جنبه نوآوری

با بررسی مطالعات در زمینه موضوع ارزیابی و تحلیل جداسازهای RB در سازه های فولادی دریافت شد

که پژوهشهای زیادی در مورد سازه های فولادی انجام شده ولی پژوهش کمتری در خصوص تحلیل بر روی

جداسازهای LRB انجام شده است و در این تحقیق با روش نوین به ارزیابی و تحلیل جداسازها در سازه های

فولادی پرداخته میشود.

۱ اصطلاحات و مفاهیم مهم

سازه های فولادی

نوعی سازه است که مصالح اصلی آن که برای تحمل نیروها و انتقال آنها به کار میرود از فولاد است. اتصالات به کار رفته در این نوع سازه ها از نوع جوشی پرچی یا پیچ میباشد و بسته به نوع اتصالات قطعات طرح شده و کنترلهای مربوطه بر روی آنها آنجا در حال حاضر فولاد از مهمترین مصالح برای ساخت ساختمان و پل و سایر سازه های ثابت است مقاومت فولاد تنش تسلیم مورد استفاده در بازه ۲۴۰۰ تا ۷۰۰۰ ۲kgr٫cm است که برای ساختمانهای معمولی از فولاد با مقاومت ۲۴۰۰ که به آن فولاد نرمه گفته می شود استفاده می گردد ( فیلد و همکاران ۲۰۱۸)

اسکلت فولادی یا قاب فولادی

اصطلاحی است که در ساختمان سازی به کار میرود ساختمانهایی با اسکلت فولادی از ستونهای عمودی و تیرهای – شکل افقی که به شکل شبکه های مستطیلی به هم وصل شده اند تشکیل گردیده اند. این شبکه مستطیل شکل وظیفه نگهداری طبقات سقفها و دیوارهایی را که به اسکلت ساختمان وصل شده اند. بر عهده دارد. توسعه این فناوری امکان ساخت آسمان خراشها را فراهم کرده است.

جدا سازهای پایه

وسایلی هستند که در زیر سازه ها قرار میگیرند و آنها را از اثرات ویرانگر ناشی از نیروی جانبی زلزله یا  توسانات ناشی از حرکت قطارها جدا میکنند. جداسازی لرزه ای ابزاری با سابقه در طراحی سازه ها است که  به وسیله آن میتوان سازه یا بخشی از آن یا حتی اجزای داخلی قرار گرفته در سازه را از اثرات مخرب شتاب  زمین جداسازی نمود یکی از اهداف جداسازی لرزه ای منحرف ساختن بسامد اصلی سازه از بسامدهای غالب  زلزله و بسامد اصلی روسازه گیردار است.

هدف دیگر از یک سیستم جداساز فراهم نمودن وسیله ای اضافی  برای میراسازی انرژی و در نتیجه کاستن از شتاب منتقل شده به روسازه است. دیدگاه اصلی در این روش  جدا ساختن سازه از زمین عموما در جهت افقی به منظور کاهش انتقال تحریک زلزله به سازه است.

۹-۱ روش تحقیق

این پژوهش از لحاظ هدف کاربردی و از جهت ماهیت توصیفی تحلیلی میباشد در این پژوهش دو سازه  فولادی مورد بررسی قرار گرفته شده است. این سازه ها در منطقه با خطر نسبی بسیار زیاد بر روی زمین  قرار میگیرند هر سازه بدون جداگر و در گام بعدی با جداگر طراحی میشوند و پارامترهای مختلف پیش در  سازه های متقارن و نامتقارن در سازه های فولادی در هر یک محاسبه و مقایسه میشود با استفاده از نرم افزار  آباکوس انجام شده است.

در روشهای نوین طراحی لرزه ای دو دیدگاه برای مقابله با انرژی زمین لرزه وجود دارد. دیدگاه اول  روشهایی که باعث کاهش نیروی وارد به سازه به وسیله ی جدا ساختن سازه از ارتعاش زمین میشوند؛ و  سیستم های جداسازی پایه در این دسته قرار میگیرند در دیدگاه دوم روش جایگزین ساختن تجهیزات

میرایی برای اتلاف انرژی لرزه ای مورد نظر است؛ این تجهیزات با اتلاف بخشی از انرژی زمین لرزه باعث  کاهش خسارات ناشی از رفتار غیر الاستیک آنها میشوند.

فلسفه ی جداسازی پایه تفکیک سازه از لرزش زمین است که به وسیله ی انعطاف پذیر کردن سازه با استفاده

از مکانیزمی در زیر سازه توام با ایجاد میرایی مناسب حاصل میشود یکی از مزایای اصلی سازه های جداسازی شده رفتار الاستیک آنها در زمین لرزه های متوسط و خفیف است.