تحقیق مقاله زمین لرزه های سختی که موجب ایجاد پیچش در ساختمان ها می شوند - نتایج و جمع بندی ها از مدل های حقیقی اخذ شده اند

خلاصه

طی 20 سال اخیر، قویاً به واکنش ساختمان ها در مقابل پیچش های سختی که در اثر حرکات ناشی از زلزله  به وجود می آیند، رسیدگی شده است، اما اکثر تحقیقات انجام شده، تنها به مدل های ساده ای هم چون مدل تیرهای برشی و ساختارهای یک طبقه محدود شده اند. در این مقاله، با استفاده از یک سری از ساختارهای بتن های تقویت شده 1، 3و5 طبقه ای که برای مقادیر مختلفی از ناهنجاری های طبیعی و تصادفی طراحی شده اند، به این مشکل پرداخته شده است. ایده آل سازی مواد پلاستیک این ساختارها، جهت انجام یک سری تحقیقات پارامتریک پیرامون برخی حرکات حقیقی و نیمه مصنوعی کاربرد دارد.

یافته ها این طور نشان داده اند که نتایجی که از مدل های تیرهای برشی، یک طبقه و ساده اخذ می شوند آنچنان قابل اعتماد نیستند لذا استفاده از آنها برای ایجاد اصول پایه کدگذاری شده توصیه نمی شود.

لغات کلیدی: ساختارهای متقارن، ناهنجاری (ناهمگنی)، پیچش، زمین لرزه، واکنش ارتجاعی (الاستیک)، مدل محوری پلاستیک.

مقدمه:

اکثر کارهای منتشر شده ای که در مورد واکنش ساختارهای متقارن به پیچش های ناشی از زمین لرزه های سخت هستند براساس مدل های ساده و یک طبقه ای از تیرهای برشی شکل گرفته اند. ابتداً، این مدل ها از سه عنصر تشکیل شده بودند که به صورت موازی با محور y قرار داشتند، بنابراین تنهنا رابطه ساده برقرار بود و این رابطه به حرکات ساده زلزله ای تعلق داشت.

بعدها برخی عناصر مقاومتی به راستای x اضافه شدند و به همین جهت سیستم‌هایی با دو نامساوی  تحت عنوان ورودی های زلزله ای دو بعدی قابل توجه شدند. جالب است بدانید که مول تیرهای برشی سخت از سال 1972 برای تحلیل واکنش سیستم های چند طبقه ای متقارن در مقابل زمین لرزه کاربرد داشته است.

نتایج حاصل از رسیدگی به پیچش های سخت که با مدل های یک طبقه و ساده‌ای از تیرهای برشی به وجود آمده معمولاً برای ارزیابی میزان کفایت قوانین سختی جهت ایجاد کدهای طزراحی ضد زلزله جدید و ارائه پیشنهاداتی برای اصلاح این طرح ها به کار می روند. به هر حال، بنا به دلایلی که در زیر ارائه می شوند چنین برآوردهایی چندان قابل اطمینان نیستند.

(a) مدل ساده ای از تیرهای برشی یک طبقه، که اصولاً به دلیل سادگی در ساختارشان از آنها استفاده می شود، نمی توانند تخمین قابل قبولی از واکنش ساختارهای چند طبقه ای حقیقی ارائه کنند. بنابراین نتایجی از این قبیل تنها دارای ارزش کیفی هستند.

(b) سختی و استحکام عناصر مقاومتی مدل تیر برشی، شرایط مخصوصی دارند و تنها برای بارهای ناشی از زلزله، آن هم به صورت مستقل از هم محاسبه می شوند. در ساختارهای حقیقی عوامل سختی، استحکام و تغییر شکل تسلیم چنان ارتباط مستقیمی با هم دارند که تغییر در یک پارامتر به تغییر 2 پارامتر دیگر منجر خواهد شد.

(c ) در ساختارهای حقیقی، اعضا جهت تحول بارهای افقی و عمودی طراحی می‌شوند، لذا استحکام و سختی آنها در ارتباط با یکدیگر، با مقادیر مشابه مقاومتی در مدل تیرهای برشی ساده شده متفاوت خواهد بود. بنابراین درصد تغییر در این کمیت‌های ایجاد شده براساس اصول کدگذاری شده پیچش در ساختارهای حقیقی، بسیار کمتر از موارد مشابه در تیرهای برشی است.

 (d) تسلیم عنصر انتهایی یک مدل ساده شده یک بیانگر عملی از حذف سختی در آن وضعیت است. در ساختارهای حقیقی میله های تحول کننده سختی ارتجاعی در هر قاب در حقیقت جزء مهمی از خواص سختی ارتجاعی آن به شمار می رود که این سختی توسط ستون هایی که جهت باقی ماندن به حالت الاستیک طراحی شده اند کنترل می شود.

به همین جهت از نظر تفاوت های بزرگی بین ساختارهای حقیقی و مدل های تیر برشی وجود دارد. نقص هایی که برای مدل های ساده شده بیان کردیم نشان می‌دهد که این مدل ها نیازمند رسیدگی بیشتر هستند. این کار به واسطه ایجاد طرح های سه بعدی دقیق، واقعی و ایده آل شده ای صورت می گیرد که برای ساختارهای چند طبقه‌ای که در آن اعضای خمیده شده توسط یک مدل محوری پلاستیک ایده آل سازی شده اند ساخته شده تا کنون هیچ تحقیقات سیستماتیکی که براساس این مدل ها صورت گرفته باشد انجام نشده است.

نشریات وابسته تنها به پرداختن به ساختارهای موجود یا تحقیق پیرامون ساختارهایی با قاب های کاملاً ایده آل شده با یک محور تقارن و تحت حرکت یک بعدی محدود شده اند. ]12و11[ مقاله موجود نتایج اخذ شده از یک مطالعه گسترده پیرامون این مشکل را ارائه می دهد. این مطالعات براساس مدل های سه بعدی و چند طبقه‌ای که دارای یک یا دو نقص هستند و با گروهی از حرکات زلزله ای مرکب تحریک شده اند، شکل گرفته است.

سیستم ها و حرکات به کار رفته:

ساختارهایی که برای این تحقیق استفاده شده دارای یک، سه یا پنج طبقه هستند و قاب هایی با بتن تقویت شده، و مقاوم در برابر گشتاور در دو راستا تشکیل شده اند. این ساختارها در شکل 1،2و3 نشان داده شده اند اگرچه ما این قاب ها را قاب های فضایی می نامیم ولی در اینجا آنها را با پارامترهای Fr1 تا Fr6 رسم کرده ایم. به طریقی که Fr1، Fr2 و Fr3 به موازات محور Fr4، Fr5 و Fr6 موازی محور xها قرار گرفته اند. توجه داشته باشید که Fr2 در ساختارهای 3 طبقه‌ای Fr29 و Fr4 در ساختارهای پنج طبقه ای به دو قاب بعدیشان که در وسط قرار گرفته اند مربوط می‌شوند.

در این حالت، می توان نتایج را با عناصر مشابه در مدل ساده ای از تیرهای برشی مقایسه کرد. میزان نامتعارف سختی، که برای تمام سطوح یکسان است، با مقادیر 0.30L . 0.20L , 0.10L , e=0.00 (L بعد افقی طرح) آمایش شد. در حالت یک نقصی، مرکز ثقل (CM) و مرکز سختی (CR) روی محور x می خوابد  در حالی که در وضعیت دو نقصی این دو مرکز به صورت اریب (شیب دار) قرار می گیرند.  توجه کنید که در ساختارهای چند طبقه ای، عموماً CR تعریف نمی شود، مگر در بعضی شرایط بسیار حاد.

اینجا این مرکز براساس حدود سختی قاب تخمین زده شده است. براساس مدل تیر برشی ساده شده قاب های نزدیک تر به CR (Fr1 و Fr6) قسمت های سخت و قاب‌های دورتر از CR (Fr3 و Fr4) قسمت های انعطاف پذیر هر ساختار به شمار می‌روند.

بنابراین می توان گفت این طیف حرکات جدید تقریباً با طیف الاستیک طراحی شده EC8 برابری می کند. متد به کار رفته بر پایه روش سعی و خطا و تکنیک های تبدیلی Fourier شکل گرفت. این مقایسه بسیار نتیجه بخش بود. مخصوصاً برای حرکات نیمه مصنوعی که در آن تفاوت های طیفی از  تجاوز نمی کند. هر جفت از حرکات دوبار اعمال شد، با تغییر جهت اجزاء در امتدادهای y,x.

بنابراین برای هر گروه از حرکات 10 سری تحلیل شکل گرفت و این یعنی مقادیر پارامترهای واکنش گر اصلی برای ارزیابی- تاثیرات پیچش به کار می روند. عوامل استاندارد بعدی نیز محاسبه شدند و عموماً بیشتر از 15% نبودند. برای هر ساختمان آزمایش شده، پارامترهای واکنشگر (جابجایی آخرین طبقه، فاکتورهای چکش خواری و عوامل تخریب‌کننده) توسط سطح (کف) قاب و دیگر اجزا (تیرها و ستون‌ها) گروه‌بندی شدند و حداکثر مقدار پارامتر مربوط، به عنوان مقدار مرجع در اندازه گیری های مختلف قرار داده شد.

نتایج انتخاب شده:

به دلیل محدودیت های موجود در این متن تنها نتایج کمی در اینجا ارائه می شود. تحقیق کامل در مرجع 13 دیده می شود.

تاثیرات حرکات مختلف زمین:

قاب های یک طبقه ای برای سه دسته از حرکات مورد بررسی قرار گرفتند تا مشخص شود که آیا تفاوت در خصوصیات حرکات به تفاوت های کیفی در نتایج می‌انجامد؟

شکل 5 نشان می دهد که خواست های چکش خواری برای تیرها و ستون های ساختارهای یک طبقه با یک ناهنجاری ex=0.20Lx به سه گروه از حرکات بر می‌گردد. (شکل 1 را ببینید)

می بینیم که هیچ تفاوت کیفی در نتایج سه گروه رخ نمی دهد. تفاوت های تنها کیفی هستند و به ندرت از 20% تجاوز می کنند. معمولاً این تفاوت ها در طیف‌های بعدی منعکس می شود. این با نتایج مشابه که براساس مدل ساده تیر برشی قرار دارد سازگار است. و پیشنهاد می کند که تنها یک گروه را برای بررسی این مشکل (پیچش ناشی از زمین لرزه) انتخاب کنند. البته نتایج ناشی از حرکات مستقل می توانند تفاوت‌های بزرگتر ار نشان دهند.

تاثیرات ناهنجاری های طبیعی و تصادفی

تاثیرات ناهنجاری های طبیعی و تصادفی روی واکنش سختی ساختمان های 3و5 طبقه در شکل های 6و7 قابل رئویت است، به ترتیب، چکش خواری تیرها و ستون‌های قاب 6 (طرف سخت) و 3 (طرف انعطاف پذیر) را نشان می دهد. در ساختمان‌های 3 طبقه نتایج برای  داده شده اند، در حالی که برای ساختارهای 5 طبقه تنها موارد  مورد آزمایش واقع شدند. همه این ناهنجاری های فاقد محور هستند. به خاصیت چکش خواری ساختارهای 3 طبقه ای توجه کنید، برخی نقاط تسلیم را در اولین ستون طبقه در هر دو طرف در نظر می گیریم.

ستون های ساختار 5 طبقه به حالت الاستیک (ارتجاعی) باقی می مانند به غیر از طبقه آخر ساختار متقارن که در آن برخی نقاط بر هر دو حالت سخت و قابل انعطاف دیده می شوند و در آخرین طبقه در قسمت قابل انعطاف (قاب 3)  است. در کل، به هر حال، ما می گوئیم به واسطه ظرفیت طراحی قیود و شروط مورد نیاز مقدار ناهنجاری طبیعی روی چکش خواری در ستون ها تاثیر نخواهد گذشت. افزایش در ناهنجاری طبیعی موجب ایجاد افزایش اساسی در خواص چکش خواری تیرها در قسمت قابل انعطاف می شود، در حالی که تاثیر آن روی تیرها در قسمت سخت بسیار جزیی است.

بنابراین، خواص چکش خواری روی تیرها در قسمت قابل انعطاف بیشتر از دو برابر آن در قسمت سخت است و شاید بتوان گفت برخی از آنها به مقدار غیرقابل قبولی بالا هستند. در این قسمت خاطر نشان می کنیم که برای یک مدل ساده شده، یک طبقه از تیرهای برشی روند عکس پیش بینی می شود. مثلاً خواص چکش خواری بالاتر در عناصر موجود در قسمت سخت.

جمع بندی:

قبل از ارائه نتایج اصلی این تحقیق، باید بدانیم که علی رغم اعمال تلاش های چشمگیر برای استفاده از مدل های حقیقی با درصد فرضی پائین، نتایج اخذ شده تنها برای ساختارهای محدودی کاربرد دارند. تعمیم آنها به موارد دیگر باید با توجه و دقت کامل و استفاده از کدهای پیچشی مخصوص و تحت مطالعات ثابت و دقیق که شامل الگوهایی از ساختارهای غیر متقارن هستند صورت گیرد. جمع بندی های کلی در زیر خلاصه شده اند.

(a) با وجود کاربرد وسیع مدل های ساده شده و یک طبقه‌ای از تیرهای برشی، این مدل ها دارای نواقص مهمی هستند که به واسطه آنها، این مدل ها نمی توانند نتایج قابل اطمینانی که با ساختارهای حقیقی مطابقت داشته باشند ارائه کنند. مثلاً، چنین مدل‌هایی عموماً نشان می دهند که طراحی براساس کدهای مزن به چکش خواری بالا در قسمت سخت ساختار منجر می شوند. در حالی که قسمت های قابل انعطاف به عنوان نتایج حاصل از پیچش تلقی نمی شوند. نتیجه گیری مخالف بر پایه مدل های ساختار حقیقی از این متن گرفته می شود.

(b) طرح مطلوب برای پیچش اجزایی که در آن طرح زمین لرزه ممکن است ایجاد خاصیت چکش خوار می کند معمولاً به طور جدی با طرح های ساخته شده براساس ساختارهای متقارن مخالفت نمی کند. به هر حال، به نظر نمی رسد این طرح در ساختاری که در اینجا مطرح شده صدق کند، این طرح براساس EC8 طراحی شده است. معمولاً در همه شرایط، چنین برآورد شده که فاکتورهای چکش خواری در اجزاء قاب در قسمت سخت، در مقایسه با موارد مشابه در ساختارهای متقارن تحت تاثیر قرار نمی گیرند (کاهش نمی یابند) در حالی که خواص چکش خواری در قسمت قابل انعطاف افزایش می یابد.

(c ) به نظر می آید تاثیرات ناهنجاری های ناشی از طراحی های تصادفی روی خواص چکش خواری ساختارها، که جهت طراحی مراحله زلزله به کار می روند، بسیار کم و یا حتی ناچیز است. علاوه بر آن بسط پیرامون این ناهنجاری که در قالب UBC-97 و یا کدهای یونانی صورت می گیرد چندان عادلانه نیست مخصوصاً از بعد تجهیزات اضافی جهت محاسبات آن و بنابراین افزایش کیفیت در فولادهای تقویت شده بسیار ناچیز به نظر می رسد.

ساختمانهای چند طبقه: نامتقارن و منظم و قابهای مهاربندی شده

مطالعات اخیر بر روی ساختمانهای چند طبقه که شامل پارامترهای بسیار زیادی می‌باشند، حتی برای ساده ترین ساختمان چند طبقه ضرورت دارد که با تعریف کردن پارامترها محدود شود. مطالعه بسیار مقدماتی در این مورد توسط Rutenberg(1992) انجام شده است. لیست کامل انتشارات تا سال 1996 را می توان در کارهای Rutenberg پیدا کرد. اما توجه شود که این دو مرجع عمدتاً به سیستمهای یک طبقه مربوط می شوند.

شاید اولین تلاش منظم برای مطالعه پاسخ غیرخطی قابهای ساختمانی چند طبقه نامتقارن توسط Duan و Chandler انجام شده باشد. علاوه بر این فرض معمولی: در یک نمونه از دال تخت مستطیلی در یک صفحه صلب، پخش جرم بطور یکنواخت و توزیع سختی بطور متقارن در سه المانهای موازی مقاومن قائم در نظر گرفته شده است. سختی یکنواخت و مشخصات جرم در طول ارتفاع به عنوان مثال مرکز جرم و مرکز سختی، موقعیتشان توسط دو خط تایم مشخص شده است و فاصله بین این دو مرکز با e نشان داده شده است.

باید توجه داشت که این سیستم به دسته ای از ساختمانها تعلق دارد که در ناحیه خطی می توانند بدون اینکه به یک سیستم جر نامتقارن تبدیل شوند در مدلهای چند طبقه متقارن باقی بمانند.

Duan و Chandler ستونها را بوسیله تیرهای برشی متحد مدلسازی کردند که قابهای با مقاومت لنگرهای یکسان توسط سخت کننده ها و شاهتیرها ایده آلسازی شدند. در حالت یک طبقه، مدلهای غیر دو خطی نسبت برش تغییر مکان و نسبت لنگر- چرخش در دو انتهای ستون و نیروی محوری موثر بر ظرفیت خمشی نادیده گرفته شده است (اگرچه این مورد اکیداً لازم نیست.) این موضوع و کسانی که بر روی آن مطالعه کرده اند (Chandler 1993 , Duan) پاسخ ساختمانهای 3و5و8 طبقه‌ را که از نوع CM بودند تحلیل کردند. این ساختمانها توسط طرح لرزه ای چندین کد (آئین‌نامه) به عنوان مثال بخش قائم برش پایه که توسط فرمول مخصوص آئین نامه مطابقت دارد و طبقات برشی که توسط معادلات 1و2 در بین مقاومت المانها پخش شده اند تحلیل شده اند.

تاریخچه زمانی سازگار با میرایی 5 دصد نیومارک- هال با حداکثر شتاب زمین که 0.3g باشد و عامل کاهش نیرو که R=4 باشد اشل شده اند. نمونه شکلهایی که در تحقیقاتشان وجود دارد در اشکال7و8 قابل مشاهده است که در آئین نامه UBC 1979 آمده است (در این نمودارها و مقاله UBC 1988 حاکم است) و MBCC 1990 که برای حداکثر چکش خواری مورد نیاز (PDD) در طول ارتفاع است، کوچکتر و شبیه به اولین طراحی شده است. توجه شود که این کدها برای آسیب پذیری المانهای لبه سخت که قبلاً به علت خروج از مرکزیت صفر و بعداً به خاطر کاهش آن است، جبران می‌شود.

توجه شود که PDD این المانها تمایل دارد که با افزایش پریود طبیعی (مثلاً در ارتفاع) زیاد شود. بعضی از اینها در طبقات بالا و در DD بزرگی طراحی و پیش‌بینی شده است. در هر حال PDD در طبقات بالا کمتر از حد پیش بینی شده است، اگر تشخیص داده شود که بسیاری از حالتهای آزمایشی که آئین نامه بر آن دلالت دارد، نیاز به ابعاد حداقل مقطع و حداقل تجهیزات تسلیح کننده که مقاومت را زیاد می کند دارد منحصراً توسط طرح لرزه ای جبران می شود.

بنابراین، این چنین به نظر می آید که با استفاده از این دو کد ارائه شده و با اعمال اصلاحات بسیار جزئی نتایج حاصل از ساختارهای یک طبقه ای قابل دسترس هستند. به هر حال، در این قسمت بهره گیری از ساختارهای برشی جهت ایجاد مول زلزله‌ای میله تسلیم مورد سوال واقع شده است، این مول در اندازه گیری میزان چکش خواری قاب ها کاربر دارد.

این مساله به این دلیل مطرح می شود که نقطه تسلیم چنین مدل هایی به مقادیر بالایی و پائینی محورهای ستونی وابسته است. به طور مثال می توان یک مکانیزم طبقه‌ای، که مخالف تئوری شدت و ضعف مقاومت تیرهاست در نظر گرفت. این تئوری به واسطه کدهای زلزله ای مدرن عمل می‌کند. Nassar & Krawinker (1991) یک تحقیق پارامتریک جامع پیرامون قاب های طراحی شده UBC متقارن یک یا چند طبقه ای را با استفاده از 15 حرکت مشابه زمین انجام دادند.