تحقیق «واكنش هاي سخت ساختارهاي متقارن چند طبقه» (docx) 1 صفحه
دسته بندی : تحقیق
نوع فایل : Word (.docx) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحات: 1 صفحه
قسمتی از متن Word (.docx) :
«واكنش هاي سخت ساختارهاي متقارن چند طبقه»
خلاصه:
در اين مقاله نويسندگان واكنش ساختارهاي چند طبقه را در مقابل زلزله مورد تحليل قرار مي دهند. اين ساختارها توسط طرح هاي فضايي از قاب ها كه نيروهاي اعمال شده روي آن مشخص شده است به صورت شماتيك به نمايش در آمده اند. در اين قاب، ستون ها و تيرهاي قاب توسط عناصري كه رفتار الاستيك- پلاستيك دارند، مدل سازي شده اند. توزيع هاي مختلفي از سختي و مركز ثقل در نظر گرفته شده‌اند، بنابراين مي توان سيستم هاي متنوعي با پيچش هاي سخت و پيچش هاي قابل انعطاف به دست آورد.
نيرو در عناصر مقاومتي در دو بعد مختلف وجود دارد: با تحليل چند مولي استاندارد و با توجه به يك برنامه طراحي شده مشخص كه نيازمند يك تحليل چند مدلي دو بعدي است. رفتار ساختاري به وسيله يك تحليل جز به جز (قدم به قدم) مشخص مي شود. و نتايج حاصل از تحليل پارامتريك، لزوم پيشرفت برنامه اي را كه بر پايه يك تحليل چند مولي استاندارد صورت گرفته و هم چنين تاثير مول طراحي را روشن تر مي سازد.
مقدمه:
با توجه به تعداد كثيري از پارامترها كه در رابطه با رفتار سختي در ساختارهاي چند طبقه‌اي متقارن هستند، براي چندين سال واكنش اين سيستم ها در مقابل زلزله توسط مدل هاي يك طبقه اي مورد بررسي قرار مي گرفت. تحليل يك چنين طرح هاي ساده شده اي تاثير خواص هندسي و ديناميكي ساختارهاي بي قاعده را روي واكنش آنها در مقابل زلزله مشخص مي سازد. يك تحقيق كلي پيرامون واكنش مدل هاي يك طبقه اي در مقابل زمين لرزه به نويسندگان اين امكان را مي دهد كه به رفتار ساختاري اجزا در يك سيستم بي قاعده پي ببرند و يك چنين نتيجه اي مي تواند به قضيه برنامه طراحي كه در محدودسازي خواص چكش خواري چنين مدل هايي به سيستم هاي متعادل شده پيچشي كمك مي كند، منجر شوند. برنامه طراحي روي جرم و سختي چند مدل ناهنجارؤ آزمايش شده كه در نهايت اين نتايج به كاهش چشمگيري در ميزان جابجايي و هم چنين روند تبديل انرژي در اثر پديده چكش خواري انجاميد.
[(Rossi, 2000) , (Rossi, 1998; Ghersi and Rossi 1998)]
امروزه توجه بسياري از محققان به مطالعه واكنش مدل هايي از ساختارهاي چند طبقه متقارن معطوف شده است. اين كار عموماً به دليل ثابت ساختن اعتبار نتايج به دست آمده از اين مدل ها صورت مي گيرد. به زودي ناسازگاي هايي بر اثر اعمال تعاريف مختلفي از اين مدل و هم چنين چگونگي انتخاب ملاك طراحي، ميان محققان به وجود آمد (Duan and Chandler, 1993; Moghadam & Tso 1990) مشكلاتي كه به خاطر تحليل و تفسير واكنش ساختارهاي حقيقي چند طبقه و متقارن وجود داشت برخي محققان را وادار به در نظر گرفتن مدل هايي كرد كه به طرق مختلف محاسبات عددي و مراحل تحليلي را ساده سازي كرده بودند.
نويسندگان توجه خود را روي واكنش سيستم هاي چند طبقه‌اي متقارن و با قاعده متمركز كردند (طرح هاي ارائه شده توسط Chopra و Hejal (1987)) و بدين ترتيب برخي ساده سازي ها در مدل هاي عددي پيشنهاد شد. وقتي كه عناصر مقاومتي قادرند تغيير شكل‌هاي پلاستيك ايجاد شده توسط زمين لرزه را تجربه كنند، واكنش طرح‌هاي چند طبقه اي متقارن در مقابل زلزله تحت تاثير دو خاصيت مختلف سيستم قرار مي‌گيرد: خواص ديناميكي (ناهنجاري هاي ساختاري، نسبت غير اصولي عوامل پيچشي افقي، دوره هاي لرزشي ناهمگن و غيره) و توزيع نيرو بين عناصر مقاومتي. يك هدف ساختاري از طراحي، يافتن مكانيزم مطلقي از فرو ريزش ساختمان است؛ با توجه به فلسفه ظرفيت طراحي ما مي توانيم تصور كنيم كه تغيير شكل سخت در پايانه‌هاي سطح مقطع تيرها وتنها در قسمت پائيني سطح مقطع اولين ستون رخ مي‌دهد.
بنابراين مدلي كه تحليل شد يك طرح متقارن ساده شده از ساختار چند طبقه است كه در آن سطح مقطع تمام ستون ها جداي ستون هاي پايه داراي رفتار الاستيك (ارتجاعي) هستند در حالي كه سطح مقطع ستون هاي ديگر رفتار پلاستيك دارند. طرح، مكانيزم هدف يعني فرو ريختگي ناهمگن را ايجاد مي كند و هم چنين به محققان اين امكان را مي دهد كه پيرامون مشكل محدود كردن خواص چكش خواري در سطوح مقاطع يعني جايي كه در آن ها رفتار و پلاستيك قابل انتظار است تحقيق كنند. (به اين مبحث در اين مقاله پرداخته نشده است.)
علاوه بر آن قابل توجه است كه بسياري از سيستم هاي روي تعريف و در عناصر مقاومتي تاثيري ندارد چارچوب بندي شده اند. چنين انتخابي بدون شك روي رفتار زلزله‌اي تاثير مي گذارد و بنابراين ضرورت توجه بيشتر به آن احساس مي شود.
(Ghorsi et al 1999) براي در نظر رگفتن اين بعد در تحليل عددي و به دست آوردن نتايجي كه به راحتي با مدل هاي تك طبقه مشابه قابل مقايسه باشند، نويسندگان تاثير بارهاي عمودي را در طراحي دخالت دادند ولي در عين حال يك مقدار ثابت براي فاكتور نيرو در تمام قاب ها در نظر گرفتند.
مدل هاي چند طبقه:
پژوهش عددي، ساختارهاي بي قاعده شش طبقه در دست ساخت را مورد تحليل قرار مي دهد كه تنها داراي يك محور تقارن هستند. (محور xها) يك تركيب مستطيلي شكل با (B=12.50m * L=24.50m) و جرم 187.3t در هر طبقه، در نوع خود سخت به حساب مي آيد. ساختار از 12 قاب تشكيل شده (4 قاب 7 تايي در امتداد طولي و 8 قاب سه تايي در راستاي اريب) كه كاملاً نسبت به مركز هندسي CG متقارن هستند (شكل 1).
در اين تحقيق تنها سيستم هايي كه از نظر توزيع جرم نامتقارن هستند مورد بررسي قرار مي گيرند، زيرا به تجربه ثابت شده كه تمام سيستم هايي كه از لحاظ توزيع سختي نامتقارن هستند رفتار كاملاً مشابهي دارند.
(Ghorsi and Rossi 1990) در هر قاب در سطح مقطع برش داده شده در نظر گرفته شده يكي براي ستون و ديگري براي تير؛ اين سطح مقطع به تناسب از يكي از قاب ها تا ديگري تغيير مي كند. اين كار براي به دست آوردن مقدار سختي مورد نظر صورت مي گيرد. مقادير ناشي از تناسب ناهمگن پيچش هاي افقي برابر با 0.6 و 0.9 و 1.1 و 1.4 فرض شده اند.
براي هر طرح هندسي سه توزيع متفاوت براي جرم درنظر گرفته شده است مي‌توان به دلخواه محور x را محور تقارن در نظر گرفت و به همين خاطر تساوي ex=0 به دست مي آيد.
0.05L (ناهمگني كوچك) و 0.15L (ناهمگني بزرگ) در دو راستاي ديگر به وجود مي آيد. در هر شرايطي كه دوره انتقالي Tx=Ty=15 شود، نسبت سختي پيچشي عناصر موجود در محورxها به سختي پيچشي كل برابر با 0.2 فرض خواهد شد. در اين بررسي ستون قاب ها براساس عناصر محور گرا صورت مي گيرد و حالت پلاستيك انتهاي سطح مقطع در ستون اولين طبقه به نيروي محوري وابستگي ندارد.
معيار طراحي:
هر يك از طرح ها را با تغيير در مقدار و مكان CM دوبار رسم كرده اند. يك بار به وسيله طرح استانداردي از تحليل چند مدلي و بار دوم به وسيله يك برنامه طراحي شده پيشنهادي. در هر دو وضعيت نيرو در انتهاي تيرها و نيروي موجود در انتهاي سطح مقطع اولين ستون با استفاده از 2 شرايط بارگذاري ارزيابي شده است.
- بارگذاري عمودي، كه با توجه به حد نهايي استاتيكي و با ضرايب افزايش مي يابد.
- بارگذاري عمودي، كه با توجه به طيف ارتجاعي اخذ شده از كد اروپايي 8 كه براي ماده A با در نظر گرفته شده و تحت ضرايب و واكنش زلزله‌اي كاهش مي يافت. در حالت كاهش فاكتور q را مساوي 5 در نظر گرفتند. هيچگونه ناهمگني تصادفي در نظر گرفته نشد نه در فاز طراحي و نه در تحليل هاي عددي.
علاوه بر آن در نظر داشته باشيد كه در اين مدل ها نيروهايي كه براي طراحي برخي قاب ها به كار مي روند بسيار كوچكند زيرا: اولاً اغلب قاب هاي خارجي با توجه به نامساوي شديداً قابل انعطافند، ثانياً جابجايي بعضي قاب ها در طراحي بسيار كوچك است.
براي محدود ساختن تاثير نيروهاي فوقاني بر واكنش ساختار، نيروهاي عمودي طوري روي سطح پخش مي شوند كه يك مقدار ثابت از نيروهاي فوقاني روي سيستم‌هايي كه از لحاظ پيچشي متعادل شده اند وارد شود.
طراحي ساختارها نيازمند ارزيابي تاثير زمين لرزه روي طرح هاي همگني از تحليل‌هاي چند درسي است اين كار توسط قانون CQC صورت مي گيرد. CQC يعني تركيب توزيع حالت هاي مختلفي از ارزش با استفاده از فاكتورهاي ارائه شده توسط Der Kiureghianetal. اولين تحليل با استفاده از مكان لفظي مراكز ثقل و سختي صورت مي گيرد.
در شرايطي كه مركز سختي با توجه به محل قرارگيري مركز ثقل، از جاي خود جابجا شود، مركز سختي كمي ed كه آن را ناهمگني طراحي مي نامند به وجود مي‌آيد. مقادير ناهمگني طراحي با توجه به فرمول ارائه شده توسط نويسندگان قديمي ارزيابي مي شود. اين فرمول ها با استفاده از مدل هاي متقارن يك طبقه محاسبه مي شوند:
(1)
كه در آن
(2)
نسبت نيروي فوقاني نا امين قاب، Oi، به عنوان نسبت نيروي قابي كه توسط تحليل‌هاي ساده براي برش پايه ارزيابي شده، براي يك سيستم نرمال شده از نظر پيچش در مقدار 5/1 ثابت شده است. شكل 2، نسبت نيروي فوقاني براي هر دو ساختار انعطاف پذير در مقابل پيچش و سخت در مقابل پيچش را نشان مي دهد. زماني كه از تحليل استاندارد چند مدلي استفاده مي شود تنوع در نسبت نيروي فوقاني ميان طرح هاي متقارن و سيستم هاي نرمال شده از نظر پيچش عموماً براي ساختارهاي ناهمگن كوچك، پائين است ولي مي تواند حداكثر تا 30% و بالاتر از آن رشد كند. اين رشد درصدي در شرايط ساختارهاي سخت با ناهنجاري هاي بالا روي مي دهد.
مكان قرار گرفتن ماكزيمم مقادير، بين طرف قابل انعطاف و مركز پيچش در سيستم هاي انعطاف پذير است و اين امكان با افزايش ناهنجاري يا سختي پيچشي به طرف قسمت (سطح) سخت حركت مي كند.
نتايج:
براي تحليل تخميني رفتار سيستم متقارن در مقابل زلزله، واكنش سختي آن براي يك سري 30 تايي از واكنش دهنده هاي مصنوعي عمومي با واكنش الاستيك طيف ارائه شده توسط كد اروپايي 8 براي سطح سخت خاك (كلاس A) و ضريب رطوبت 5% مقايسه مي شود. عملكرد واكنش دهنده ها به وسيله يك دوره زماني 22.53 و تبعيت از كد اروپايي 8 شكل مي گيرد. براي هر واكنش دهنده توجه روي چكش خواري مطلق و مكان آن متمركز مي شود. مقادير آن براي سيستم پيچشي بالانس شده جهت مقايسه مستقيم نتايج هر دو ساختار متقارن و نيمه متقارن، نرمال سازي مي شود.
نهايتاً مفهوم 30 مقدار ماكزيمم نرمال شده براي واكنش زلزله اي سيستم متقارن در نظر گرفته شد. براي يافتن شباهت هاي موجود ميان نتايج سيستم هاي متقارن يك طبقه و چند طبقه، يك مقدار مطلق از جابجايي كه به واسطه چكش خواري قاب به وجود آمده به عنوان نسبت حداكثر جابجايي نوساني تجربه شده در قاب در نظر گرفته مي شود. اين جابجايي در اثر تحليل ديناميكي (پويا) براي يك حد تسليم قراردادي در قاب ها در نظر گرفته شده است.
اين نتيجه تقريباً پايه حقيقي منحني نوساني برش بالايي قاب با رفتار ضعيف الاستيك پلاستيك است. اين منحني شامل يك خط افقي در مرحله مقاومت قاب و همچنين يك منحني شيب دار با تاثرات شيبي برابر با شيب منحني حقيقي سيستم مي‌باشد. مقدار مفهومي (d)، مقدار جابجايي نرمالي كه در اثر چكش خواري در عناصر موجود در قاب روي مي دهد، با توجه به ساختارهاي سخت و ساختارهاي انعطاف پذير در مقابل پيچش كه ممكن است داراي ناهمگني هاي ساختاري ضعيف يا قوي باشند، در شكل 3 رسم شده است. زماني كه تحليل مدل چند گانه بدون هيچگونه ناهمگني در طراحي صورت گيرد، در هر شرايطي مقدار d از 15% تا 10% تجاوز نمي‌كند .
بزرگترين مقادير مربوط به ساختاري هاي متقارني مي شود كه داراي ناهمگني هاي كوچك ساختاري هستند، اين در حالي است كه مقادير نزديك به مقدار واحد (6)، همواره زماني ايجاد مي شوند كه بين 0.9-1.7 باشد. (در شكل نشان داده نشده است.)
مقدار d در لبه قابل انعطاف سيستم هاي غير مقاوم در مقابل پيچش و در لبه سخت سيستم هاي مقاوم در مقابل پيچش افزايش مي يابد، زيرا در اين قسمت هاي ساختار، جابجايي هاي طراحي ايجاد شده توسط تحليل مدل هاي چندگانه، با مقاديري كه در رابطه با واكنش سخت حقيقي به آن اشاره شد، سازگار نخواهد شد. طرح ارائه شده، با ارائه مقادير بالاتر، مقادير مقاومت و نيرو را تعديل و اصلاح مي كند. اين كار در مواردي صورت مي گيرد كه تحليل هاي فاقد ناهمگني در طرح بيشترين مقدار d مطلق را به خود اختصاص داده باشند.
مقادير به دست آمده از پارامترهاي آزمايش شده آشكارا تحت تاثير توزيع مجدد نيرو كه در تمام شرايط نيز كمتر از واحد است قرار مي گيرند.
مقادير d كه براي مدل هاي يك طبقه بعدي (شكل 4) ارزيابي شده اند كاملاً با مقادير چكش خواري مطلق محاسبه شده در فهرست سيستم هاي چند طبقه اي متفاوت هستند. بعد از آن توجه روي رفتار داخلي اجزا كه در آنها انتظار مي رود واكنش سخت صورت گيرد معطوف مي شود. منظور از اين نقاط سطح مقطع پائيني اولين ستون و سطح مقطع هاي انتهايي تمام تيرها هستند.
اين بعد از رفتار ساختاري با استفاده از چكش خواري چرخشي هر سطح مقطع توضيح داده شده به عنوان نسبت چرخش كل به چرخش يك قسمت از تير مثلاً قسمتي به طول 30cm صورت مي گيرد. همان طور كه در مورد جابجايي هاي ناشي از چكش خواري به صورت مطلق پرداختيم، چكش خواري چرخشي هم به وسيله مقادير پيچشي بالانس شده در سيستم نرمال سازي و اصلاح مي شود.
مقدار مفهومي چكش خواري چرخشي نرمال شده براي سطح مقطع پائيني اولين ستون در هر قاب در شكل 5 نشان داده شده است. زماني كه تحليل مدل چند طبقه در مسير استاندارد صورت گيرد هر دو ساختار مقاوم و غيرمقاوم در مقابل پيچش معمولاً چكش خواري چرخشي را در انتهاي ستون خود تجربه مي كنند. اين مقادير عموماً بزرگتر از مقادير مشابه در سيستم هاي بالانس شده از نظر پيچش هستند. تنها ساختارهاي انعطاف پذير (غير مقاوم) در مقابل پيچش كه داراي ناهنجاري ساختاري بالا هستند، از پديده چكش خواري چر خشي در پايه ستون هاي خود رنج نمي برند!
بيشترين مقدار در قسمت انعطاف پذير ساختارهاي غير مقاوم در مقابل پيچش كه داراي ناهنجاري ساختاري پائين هستند اتفاق مي افتد. اين مقادير چكش خواري چرخشي نرمال شده براي ستون ها نشان مي دهد كه اگرچه استفاده از تحليل مدل مختلف كاملاً غلط نيست ولي به كاربري اين تحليل براي رسيدن به نتيجه درست در واكنش ساختارهاي متقارن چندان كفايت نمي كند لذا مي بايست براي دستيابي به هدف كلي از برخي ابزار پيشرفته استفاده نمود.
عملكرد برنامه ارائه شده بر مبناي كاهش مقدار چكش خواري چرخشي نرمال شده در پائين سطح مقطع اولين ستون و رساندن آن به مقداري كمتر از يك، قرار گرفته است. به نظر مي آيد فرمول پيشنهاد شده در طراحي ناهمگن، بيشتر روي واكنش سيستم‌هايي كه داراي ناهنجاري بزرگ در ساختار هستند تاثير مي گذارد.
به هر حال، فرمول طراحي ناهمگن، به محدودسازي مقدار مفهومي حداكثر چكش خواري نرمال شده، به يك مقدار واحد بسيار كمك مي كند. (Ghersi and Rossi 1999; Rossi 1998) توجه داشته باشيد كه اين چكش خواري نرمال شده در مدت زمان وقوع زمين لرزه توسط كل سيستم تحمل مي شود نه توسط يك عنصر مقاومتي ساده.
بنابراين اين شرايط بسيار سخت تر از شرايط فرض شده در عناصر ساده اي است كه پيشتر در جدول 5 توضيح داديم. مقايسه ميان نتايج حاصل از مدل هاي يك طبقه (شكل 4)، در واقع يك مقياس كلي ميان خاصيت چكش خواري مدل هاي يك طبقه و چكش خواري چرخشي كه در قسمت پائيني سطح مقطع اولين ستون مدل چند طبقه وجود دارد مي باشد.
علاوه بر ستون ها چكش خواري چرخشي براي تيرها نيز محاسبه شده است. مقدار مفهومي چكش خواري چرخشي نرمال شده براي تمام بخش هاي انتهايي سطح مقطع‌هاي تيرهاي يك طبقه از قاب در شكل 6 نشان داده شده است. اين مقادير با اكتساب سيستم هاي طراحي شده براساس مقادير مختلف نسبت پيچشي افقي ناهمگن و ناهنجاري ساختاري es محاسبه شده اند.
مقادير چكش خواري چرخشي نرمال شده با مقادير مربوط به ستون ها قابل مقايسه هستند. مقادير ذكر شده از طبقات بالاتر مخصوصاً وقتي ساختار بسيار بلند باشد مجزا مي باشند. به هر حال اين مقادير ثابت، (شكل 7) هميشه از مقادير مربوط به ستون ها كمتر است اين در حالي است كه در طبقات بالاتر چنين مقاديري از مقادير مربوط به تيرها تجاوز نمي كنند. به كاربردن فرمول پيشنهاد شده، در طبقات پائين تر باعث كاهش موارد مشابه در ستون ها مي شود ولي در طبقات بالاتر يعني جايي كه نيروي تير تنها توسط يك بار عمودي حمايت مي شود چنين كاهشي رخ نخواهد داد.
جمع بندي ها:
اين مقاله تاثير انتخاب ملاك طراحي را روي واكنش ساختارهاي چند طبقه اي متقارن و با قاعده، مورد بررسي و تجزيه و تحليل قرار مي دهد. نويسندگان تاثير يك طرح استاندارد روي تحليل مدل هاي چندگانه و هم چنين روي يك برنامه طراحي پيشنهاد شده پيرامون رفتار ساختارهاي چند طبقه با قاب متقارن، را با يكديگر مقايسه مي كنند. اين مقايسه در مناطق زلزله خيز و با توجه به جمع بندي هاي زير صورت مي گيرد:
1- شباهت هاي زيادي مابين مدل هاي يك طبقه و چند طبقه وجود دارد. لذا يك مطالعه كلي روي مدل يك طبقه ساده و شكل پذير موجب ايجاد اطلاعات مهمي در مورد رفتار ساختارهاي متقارن و با قاعده خواهد شد.
2- روش استاندارد عملي براي تحليل ساختمانهاي منظم نامتقارن چند طبقه دلالت بر اين دارد كه ميزان چكش خواري براي پايه ستونها اغلب زياد نيست، در حاليكه براي تيرها وقتيكه به طبقات بالاتر مي رسد، مطابق سيستم تعادل پيچشي دو برابر است.
به نظر رسد روش عملي براي طراحي اينگونه باشد كه از ميزان توصيه شده توسط سيستمهاي تعادل پيچشي در موارد ضروري كاسته شود.
3- روش طراحي پيشنهاد شده توسط نويسندگان، رسيدن به حد نهايي چكش خواري مورد نياز براي ساختمانهاي چند طبقه با پلان نامتقارن است. ميزان مورد نياز بالاي چكش خواري چرخشي براي تيرهاي طبقات بالاتر تنها با اين روش طراحي كاسته نمي شوند، اگر با طرفيت واقعي اعضا مقايسه شوند مشاهده مي شود كه اين ميزان در هر حال پائين است