با تکیه بر روشهای سنتی، نمی توان سازه بلندی ساخت که در برابر زلزله های مخرب مقاوم باشد. حتی اگر همه ضوابط آیین نامه زلزله از نظر طراحی و محاسبات رعایت شده باشد، با اجرای سنتی و دخالت انسان در اجزای مقاوم کننده ساختمان همانند بتن ریزی ها و جوشکاری ها هرگز نمی توان به یک سازه مناسب دست پیدا کرد. فن آوریهای نو تلاش می کنند تا دخالت انسان را در حین ساختن به حداقل رسانده و با صنعتی کردن اجرا، یک ساختمان همگن و مطمئن بنا نمایند.
ساختمان مسکونی از نظر اسکلت باید نه تنها مقاوم در برابر نیروهای زلزله ساخته شود، بلکه باید دارای دوام لازم در مدت زمان پیش بینی شده برای بهره برداری از آن نیز باشد. اگرچه از نظر کارکرد اقتصادی می توان بخشهایی از ساختمان را از مصالح سبک بنا نمود، اما اسکلتی که بتواند کارکرد درست داشته باشد معمولاً وزن قابل ملاحظه ای از ساختمان را به خود اختصاص می دهد. با افزایش ارتفاع و به تبع آن نیروهای حاصل از زلزله مقاطع باربر ساختمان بسیار بزرگ شده و تکانهای ناشی از نیروی زلزله، در طبقات فوقانی شدید می شود. برای پیشگیری از این رویدادها، روشی تحت عنوان سوپرفریم R.C برای اسکلت ساختمان، در کشور ژاپن، ابداع شده و به عنوان جدیدترین فناوری به مورد اجرا گذاشته شده است. در این روش ضمن کاهش مقاطع باربر، با پیش ساخته نمودن ستون ها و همچنین کنترل حرکات ساختمان در حین زلزله و جذب انرژی به وسیله میراگرهای هیدرومکانیکی، یک ساختمان مطمئن از نظر رفتار در برابر نیروها و بسیار مناسب برای سکونت ساخته می شود.
فصل اول مقدمه و کلیات
تعیین مشخصات ساختمان هایی که در گروه سازه های بلند قرار می گیرند بسیار مشکل است، زیرا بلندی خود یک حالت نسبی است و ساختمان ها را نمی توان بر حسب ارتفاع یا تعداد طبقات، دسته بندی و تعریف نمود. بلندی یک ساختمان بستگی به شرایط اجتماعی و تصورات فرد از محیط دارد، بنابراین ارائه یک معیار قابل قبول همگانی برای تعریف بلندی سازه غیرممکن است. از نظر مهندسی هنگامی می توان سازه را بلند نامید که ارتفاع آن باعث شود که نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله، بر طراحی آن اثر قابل توجهی گذارند. همچنین نمانند نیروهای ثقلی، تأثیر نیروهای جانبی در سازه ها کاملاً متغیر بوده و به سرعت با افزایش ارتفاع شدت می یابد. سه عامل اساسی که باید در طراحی تمام سازه های بلند در نظر گرفته شوند عبارتند از : 1- مقاومت 2- صلبیت 3- پایداری که در طراحی سازه های بلند سیستم سازه ای باید متناسب با این نیازها باشد. نیاز به مقاومت عامل غالب در طراحی سازه های کوتاه است، اما با افزایش ارتفاع صلبیت و پایداری اهمیت بیشتری می یابد. بنابراین در یک سازه بلند، سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی و قائم بر حسب ارتفاع سازه و نوع کاربری و نیز ماهیت و نوع نیروها متفاوت خواهد بود.
یکی از مسائل مهم در مهندسی عمران مقاوم کردن ساختمان ها در برابر نیروی ناشی از زلزله است. روش های معمول برای این منظور در سازه های فلزی، استفاده از بادبند و در سازه های اسکلت بتنی استفاده از دیوار برشی است. علاوه بر این دو، از توان قاب خمشی نیز در مقاومت در برابر نیروی زلزله بویژه برای سازه های بلند می توان استفاده کرد. آنچه تاکنون بطور جدی بدان پرداخته نشده بطوری که ضوابط آیین نامه ای برای آن وجود داشته باشد استفاده از بادبند در سازه های اسکلت بتنی برای نیروی زلزله است. در مقابل، استفاده از دیوار برشی در ساختمان های اسکلت فلزی رایج است و از نظر آیین نامه زلزله ایران، استاندارد 2800 مورد تأیید است. هر چند استفاده از دیوار برشی به جای بادبند در ساختمان های اسکلت فولادی در سال های اخیر رواج پیدا کرده اما بادبند مقاوم در برابر زلزله، از نظر اقتصادی، سرعت و سهولت اجرا همچنین از دیدگاه معماری و نیز بدلیل شکل پذیری بهتر عناصر فولادی می تواند در بسیاری از موارد، از دیوار برش مناسب تر باشد.
ارزیابی رفتار سازه ها در زمین لرزه های بزرگ نمایانگر ایجاد خسارت های قابل توجه حتی در ساختمانهای طراحی شده بر پایه اصول مهندسی است و این به معنای ناکافی بودن پارامتر مقاومت به ویژه در زمین لرزه های بزرگ و در سطح فرو ریزش است. رفتار نامطلوب سازه ها در برابر زمین لرزه محققان را بر آن داشت تا پارامترهای دیگری در طراحی سازهای مد نظر قرار دهند. یکی از پارامترها که در نگرش نوین پژوهشگران به رفتار سازه ها مدنظر قرار گرفته است، مفهوم انرژی در سازه ها است. ایده برقراری مطلوب توازن انرژی در سازه از طریق بهینه سازی خسارت در حال گسترش است. خسارت های ناشی از زلزله ها، پژوهشگران را بر آن داشته است تا همواره به دنبال راه حل هایی برای جلوگیری از این خسارت ها باشند. مدت ها پیش در نظر گرفتن قابلیت شکل پذیری و اتلاف انرژی در سازه ها مطرح گشت و خود را توسط ضریبی به نام ضریب رفتار R در آیین نامه ها نشان داد.
زلزله های مختلف آسیب های کم یا زیادی بر حسب مقاومت و پایداری سازه ها در برابر زلزله به سازه ها وارد می سازد، لذا پایدار و مقاوم بودن سازه ها در برابر زلزله برای جلوگیری از تخریب های کلی و یا جزیی سازه ها و همچنین از دست رفتن سرمایه های مالی و جانی افراد از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. روش های مختلفی برای پایدار کردن سازه های فلزی در برابر نیروهای جانبی باد و زلزله وجود دارد. در این تحقیق نخست به معرفی و تشریح انواع سازه های باربر در سازه های بلند می پردازیم سپس به تمرکز بر روی سازه های باربر پرکاربرد و معمول در ساختمان های بلند خواهیم پرداخت. سازه هایی که در ساختمان های بویژه فولادی به منظور مقاومت در برابر بارهای جانبی وارد بر ساختمان شامل نیروی باد یا زلزله طراحی می شوند از نظر خواص مصالح مورد استفاده مانند سختی، شکل پذیری، مدول الاستیسیته، مدول پلاستیک یا میزان جذب انرژی زلزله مورد بررسی قرار می گیرند. هر چه سازه باربر جانبی دارای شکل پذیری بیشتری باشد دارای توان جذب انرژی بالاتری می باشد بدین معنا که نیروی جانبی زلزله باعث ایجاد تغییر شکل های بیشتری پیش از گسیختگی در سازه می شود و همین باعث کاهش تلفات جانی ناشی از زلزله می شود.
تجربه طراحان و سازندگان ساختمان های تجاری و اداری بلند در سال های اخیر نشان داده است که استفاده از دیوارهای برشی می تواند به سازه برای مقاومت در برابر نیروی جانبی زلزله کمک کند و با توجه به گسترش اجرای دیوار برشی همراه با قاب خمشی متوسط و ویژه در ساختمان های بلند در سال های اخیر مشکلات مربوط به اجرای آن نیز برطرف شده است و دیگر نمی توان ادعا کرد که اجرای سیستم ترکیبی دیوار برشی همراه با قاب خمشی دشوار است، هر چند هزینه اجرای سیستم ترکیبی زیادتر از اجرای قاب خمشی ویژه است. در این تحقیق می خواهیم رفتار چند سیستم رایج در ساخت و ساز را از لحاظ میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله مورد بررسی قرار دهیم. برای این کار نخست باید به تشریح خواص و ویژگی های سیستم های مختلف باربر در سازه های بلند بپردازیم و نقاط ضعف و قوت آنها را بر می شمریم. در نظر داریم که سیستم های مختلف باربر در سازه های بلند وجود دارد که هر یک ویژگی های خود را دارد. برای نمونه قاب خمشی ویژه با وجود کاربرد کمتر نسبت به قاب خمشی متوسط دارای ضریب رفتار بالاتری است، از این رو می تواند انرژی بیشتری جذب کند و در برابر زلزله مقاومت بیشتری از خود نشان می دهد. اما جریان غالب استفاده از دیوارهای برشی همراه با قاب های خمشی متوسط همراه با آسان شدن اجرای آن در ساختمان ها مانع از مطالعه بیشتر روی قاب های خمشی از لحاظ میزان مقاومت در برابر زلزله گردید.
هدف از انجام تحقیق پیش رو بررسی کارایی سیستم های مقاوم در برابر نیروهای جانبی در ساختمان های بلند شامل قاب های خمشی متوسط و ویژه و سیستم ترکیب دیوارهای برشی و قاب های خمشی، سیستم های لوله ای در سازه برج و فن آوری مدرن سوپر فریم R.C در ساختمانهای بلند مسکونی از لحاظ میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله است. از این رو پس از معرفی اجمالی انواع سیستم های مقاوم در برابر نیروهای جانبی زلزله برای ساختمان ها با کاربری ها و ارتفاع های مختلف، روی سیستم های متداول قاب های خمشی ویژه و ترکیب دیوار برشی تمرکز می کنیم و به بررسی کارایی آنها در مهار نیروهای جانبی زلزله از لحاظ میزان انرژی جذب شده می پردازیم. برای این کار باید به بررسی دقیق تر ویژگی های ساختاری و اجرایی انواع سازه های باربر بپردازیم و نقاط ضعف و قوت هر یک را از لحاظ مقاومت در برابر زلزله و میزان جذب و اتلاف انرژی حاصل از اعمال بارهای جانبی زلزله برشماریم تا از این طریق بتوانیم اولاً آنها را از منظر میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله با یکدیگر مقایسه کنیم ثانیاً راهکارهایی برای تقویت هر یک از لحاظ ساختاری یا نحوه اجرا ارائه کنیم تا بتوانیم به سیستم های مقاوم تر و قابل اعتمادتری در برابر زلزله دست یابیم که دارای قابلیت جذب انرژی زلزله بیشتری باشند.
در این پژوهش به مطالعه سیستم های متداول برای سازه های بلند می پردازیم و میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله را در هر یک مورد بررسی قرار می دهیم. همچنین انواع روش های اجرا، اتصال به سازه باربر قائم و محل قرارگیری سیستم باربر در اسکلت فولادی یا بتنی را مورد مطالعه قرار می دهیم و اثر هر یک در تعیین میزان جذب انرژی زلزله را مشخص می کنیم. پس از آن به معرفی سیستم باربر جانبی دیوار برشی می پردازیم و روش های مختلف اجرای دیوار برشی در انواع ساختمان ها، اتصال و محل قرارگیری آن در اسکلت ساختمان را بر می شمریم و اثر هر یک را در میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله مورد بررسی قرار می دهیم.
برای این کار نخست، انواع سیستمهای مقاوم در برابر بارهای جانبی در سازه های بلند معرفی می گردد. سپس به بررسی کارایی قاب های خمشی و دیوارهای برشی و سیستم ترکیبی از منظر میزان انرژی جذب شده و مقاومت در برابر زلزله می پردازیم. به‌طور کلی عناصر مقاوم در برابر نیروهای زلزله می‌توانند به‌صورت قاب خمشی، دیوار برشی ، بادبند و یا ترکیبی از قاب خمشی با یکی از این دو سیستم باشند. استفاده از قاب خمشی به‌عنوان عنصر مقاوم در برابر زلزله احتیاج به رعایت جزئیات خاصی دارد که شکل‌پذیری قاب را تأمین نماید. این جزئیات از لحاظ اجرائی غالباً دست و پا گیر بوده و در صورتی می‌توان از اجزاء دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجراء و نظارت در کارگاه بسیار بالا باشد. از این‌رو استفاده از دیوار برشی به‌عنوان روشی مطمئن‌تر برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است.
انواع مختلف سیستم های متداول مقاوم در برابر زلزله عبارتند از : سیستم مهاربندی جانبی، سیستم دیوار برشی، سیستم قاب مقاوم خمشی و سیستم دو گانه. سیستم قاب مقاوم خمشی به خاطر نوع رفتاری که در برابر بارهای جانبی دارد ، در بسیاری از سازه های فولادی بلند به کار برده می شود . مهمترین مشخصه آن، نحوه اتصال اعضاء می باشد، به نحوی که اتصالات در قاب مقاوم خمشی دارای چنان سختی می باشد که زاویه میان اعضاء تحت اثر بار ، بدون تغییر باقی می ماند. قاب خمشی از نظر سختی رفتار مناسبی نداشته آنچنان که برای جوابگویی به نیاز های تغییر شکل نسبی نیاز به مقاطع بزرگ و پر هزینه پیدا می کند.
یکی از متداول ترین روش ها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه های فولادی غیربلند استفاده از بادبند است. بادبندها به شکل های گوناگونی اجرا می شوند. پیکربندی سیستمهای مهاربندی عموماً از نوع هم مرکز (هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور) می باشد . مهاربندهای هم مرکز سختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود می نمایند. سیستم مهاربندی برون محور دو ویژگی سختی مناسب جانبی و جذب انرژی بالا را با یکدیگر ترکیب کرده و بکار می گیرد. در این سیستم، برون محوری اتصال مهاربندی سبب پدید آمدن لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار می شود . به این ترتیب، تنشهای این ناحیه از تیر وارد محدودة غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژی ناشی از زمین لرزه می شود. این ناحیه از تیر، پیوند نام دارد. بادبندها به دلایل مختلف از قبیل سختی زیاد، سادگی اجرا و ارزان بودن، همواره مورد توجه طراحان و سازندگان قرار داشته اند. در سیستم مهاربندی هم محور ، بادبند ها از محل تقاطع تیر و ستون عبور می نمایند و در بعضی از فرم های این نوع مهاربندی، محور دو بادبند در یک نقطه مشترک بر روی تیر با هم تلاقی می کنند . این سیستم دارای سختی جانبی بسیار بالایی بوده و به علت اینکه نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل می شوند سیستمی اقتصادی می باشند . مهار بندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم می باشد که از جمله مهمترین آن ها محدودیت معماری در مورد درب ها و پنجره ها و نیز شکل پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی کم آن به دلیل کمانش بادبند ها می باشد. در قاب بادبندی شده برون محور به جای برخورد بادبند به محل اتصال تیر و ستون یا تقاطع محورهای دو بادبند در یک نقطه، با ایجاد یک انحراف بادبند به تیر متصل می شود. قسمتی از تیر که بین تیر و ستون یا بین دو بادبند قرار می گیرد، تیر پیوند نامیده می شود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل می نماید. در این سیستم تیر پیوند در حالی که از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری می کند، خود با تغییر شکل های پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی انرژی وارد شده از زلزله را مستهلک می نماید. در واقع می توان گفت که سیستم بادبندی برون محور ترکیب کننده سختی مناسب که خاصیت عمده سیستم بادبندی هم محور است و شکل پذیری بالا که ویژگی عمده قاب خمشی مقاوم می باشد. در بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی می باشند. در این سیستم حدود 5 تا 15 درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته می شود، اما به هر حال سیستم واگرا دارای نقاط ضعفی نیز می باشد. برای نمونه می توان گفت که استهلاک انرژی توسط تیر پیوند که بخشی از اعضای اصلی قاب است، انجام می شود که در نتیجه تعمیر یا تعویض آن بعد از یک زلزله شدید مشکل و پر هزینه خواهد بود. همچنین به منظور فعال کردن تیرهای پیوند، نیاز به اتصالات صلب در قاب می باشد. از دیگر معایب این سیستم می توان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکلهای زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.
در بهسازی لرزه ای سازه ها یکی از روش های کاهش نیروی جانبی ناشی از زلزله استفاده از میراگرها می باشد. در طی زلزله، انرژی زیادی به سازه اعمال می گردد. این انرژی به دو صورت جنبشی و پتانسیل (کرنشی ) بر سازه اعمال می گردد که به طریقی جذب یا مستهلک می گردد. اگر سازه فاقد میرائی باشد ارتعاش آن پیوسته خواهد بود اما بدلیل وجود میرائی در مصالح، ارتعاش کاهش می یابد. در سیستم های جداسازی لرزه ای، استفاده از سیستمهای مستهلک کننده انرژی، جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده اند .افزایش میرائی با استفاده از روشهای مختلفی نظیر جاری شدن یک فلز نرم، اصطکاک دو فلز بر روی هم، حرکت یک پیستون درون یک ماده لزج و یا رفتار ویسکوالاستیک در موادی از جنس شبیه لاستیک امکان پذیر می باشد. در سالهای اخیر تلاشهای جدی به منظور توسعه مفهوم اتلاف انرژی به عنوان یک تکنولوژی کاربردی جهت مقابله با زلزله صورت گرفته است . اساس روشهای تحلیل و طراحی امروزی بر مقاومت در برابر بارهای جانبی استوار می باشد . از دیدگاه انرژی نیاز به بازنگری در روشهای فعلی تحلیل و طراحی ضروری می باشد به نحوی که مهندس طراح بایستی توجه خود را بر مدیریت انرژی ورودی به سازه در اثر زمین لرزه متمرکز نماید.
جهت طراحی سیستم های مدرن ، برای یک طرح مقاوم لرزه ای مناسب ابتدا باید سعی در حداقل نمودن مقدار انرژی هیسترتیک تلف شده در اعضای اصلی سازه نمود .دو دیدگاه مهم جهت رسیدن به این هدف وجود دارد. اولین دیدگاه شامل طرح هایی است که در آن سعی در کاهش انرژی ورودی به سازه داریم که به عنوان مثال سیستم های جداسازی پایه از آن جمله اند. دومین دیدگاه بر روی مکانیزم های اتلاف انرژی در خود سازه متمرکز است . برای این منظور از یک سری تجهیزات استفاده می نماییم . این تجهیزات به گونه ای طراحی می شوند که بخشی از انرژی ورودی به سازه را تلف می نمایند و در نتیجه خسارت وارده به سازه اصلی که ناشی از اتلاف انرژی به صورت هیسترتیک می باشد ، کاهش می یابد . انواع سیستم های مدرن مقاوم در برابر زلزله عبارتند از : 1- سیستم های جدا سازی پایه ای 2- سیستمهای فعال و نیمه فعال 3- سیستمهای منفعل.
از میان سیستم های منفعل اتلاف انرژی ، میراگرهای فلزی به دلیل عدم نیاز به تکنولوژی پیچیده جهت ساخت ، عملی تر بودن کاربرد آنها در سازه ، رفتار پایدار در برابر زلزله و دخیل نبودن عوامل محیطی در رفتار مکانیکی آنها از اهمیت خاصی برخوردارند . این میراگرها باعث افزایش میرایی و سختی در سیستم سازه ای شده و ظرفیت اتلاف انرژی را افزایش می دهند .افزودن میراگرهای فلزی به سازه باعث تمرکز اتلاف انرژی در میراگرها می شود که پس از وقوع زلزله می توان میراگرها را به راحتی تعویض نمود و جهت مقابله با زلزله های بعدی مقاوم نمود. این قطعات انرژی ورودی به سازه را به انرژی کرنش پلاستیک یا انرژی هیستر
پروژه و تحقیق-سیستم های مختلف باربر در سازه ها- در 55 صفحه-docx
