پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله
پایان نامه کارشناسی ارشد
مهندسی عمران – مهندسی زلزله
افزایش شکل پذیری قابهای مهار بندی شده هم محور با بکارگیری فولاد تنش تسلیم پائین در مهار بند ها
سید مانلی جاوید فرشچی
استاد راهنما :
دکتر محمد قاسم وتر
1391
چکیده
سازه های با قاب های دارای مهاربندهای هم محور از جمله سیستم های مقاوم در برابر زمین لرزه می باشند. این سازه ها به طور گسترده ای در ساختمان های کوتاه تا ساختمان های بلند به دلایلی از جمله محاسبات نسبتا” ساده، اجرای راحت وهزینه های مربوطه پائین کاربرد دارد. اما به دلیل وجود اعضای مستعد کمانش در مهار بند منجر به شکل پذیری کم و افت چشمگیر در حلقه های هیسترزیس بعد از چند دوره بارگذاری میشود. برای جلوگیری از پیش آمد این وضعیت نامطلوب تحقیقات بسیاری در زمینه ارائه عضو شکل پذیر در مهار بند های هم محور ارائه شده است. ایده این پروژه استفاده از عضو مستعد جاری شدن در قسمتی از باد بند می باشد که از آن به عنوان فیوز نام برده می شود. در این مطالعه از فولاد با تنش تسلیم پائین و آلومینیوم در قسمتی از عضو استفاده شده تا با جلوگیری از کمانش عضو منجر به چرخه های هیسترزیس کامل ، شکل پذیری و ظرفیت زوال انرژی بیشتر شود.
کلمات کلیدی
مهاربندی هم محور، شکل پذیری، فولاد تنش تسلیم پائین، آلومینیوم

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول – کلیات1
1-1- مقدمه2
1-2- هدف7
1-3- روش تحقیق7
1-4- مراحل تحقیق7
1-5- شرح فصول8
فصل دوم – مرور ادبیات فنی و مطالعات گذشته9
2-1- مقدمه10
2-2- بررسی پارامترهای لرزه ای11
2-2-1- معادله حرکت دینامیکی تحت اثر نیروی زلزله (رفتار مصالح خطی)11
2-2-2- معادله حرکت دینامیکی تحت اثر نیروی زلزله (رفتار مصالح غیر خطی)13
2-2-3- انرژی مستهلک شده14
2-3- مفهوم غیر خطی شدن مصالح و رفتار سازه16
2-3-1 بررسی رفتار فولاد16
2-3-1-1- رفتار خطی وغیر خطی16
2-3-1-2- رفتار فولاد در بارهای رفت و برگشتی(منحنی هیسترزیس)17
2-3-1-3- اثر بوشینگر18
2-3-2- مفهوم غیر خطی شدن رفتار سازه و شکل پذیری19
2-3-3- سختی20
2-3-4- مدلهای مرسوم جهت مدل کردن رفتار غیرخطی سازه22
2-3-4-1- مدل دو خطی22
2-3-4-1-1 دو خطی الاستو- پلاستیک22
2-3-4-1-2 دو خطی با سخت شدگی کرنشی22
2-3-4-1-3- دو خطی با نرم شدگی کرنشی23
2-3-4-2- مدل سه خطی23
2-4- پدیده ناپایداری24
2-4-1- بار بحرانی عضو فشاری دو سر مفصل24
2-4-2- نا پایداری غیر الاستیک عضو فشاری26
2-4-3- مقاطع جدار نازک استوانه ای تحت بار محوری فشاری27
2-5- معیار شکست در سازه ها31
2-5-1- نظریه تنش برشی ماکزیمم31
2-5-2- نظریه حداکثر انرژی برشی33
2-5-3- نظریه حداکثر تنش عمودی34
2-6- مطالعات گذشته36
2-6-1- مقدمه36
2-6-2- مهاربند های هم محور دارای اتصالات اصطکاکی36
2-6-2-1- مقدمه36
2-6-2-2- سیستم میراگر اصطکاکی پال38
2-6-2-3- اتصال اصطکاکی SBC پوپوف39
2-6-2-4- اتصال اصطکاکی SBJ(Slotted Bolted Connection)40
2-6-2-5- اتصال اصطکاکی FDD(Friction Damper Device)41
2-6-2-6- اتصال اصطکاکی FBP(Friction Brake Pad)42
2-6-3- مهاربندهای غلاف شده43
2-6-3-1- مقدمه43
2-6-3-2- مهار بند کمانش تاب فولادی وتر و رضائیان44
2-6-3-3- مهار بند غلاف شده اربابی وکریمی44
2-6-3-3- مهار بند کمانش تاب تمام فولادی Kim&Park48
2-6-3-4- مهار بند کمانش تاب فولادی Mazzolani et al.49
2-6-3-5- مهار بند کمانش تاب فولادی Korzekwa & Tremblay50
2-6-4- مهاربندهای هم مرکز متصل به یک المان شکل پذیر52
2-6-4-1- مقدمه52
2-6-4-2- مهاربندهای زانوئیKBF(Knee Braced Frame)53
2-6-4-3- مهاربندهای ضربدری با عضو شکل پذیر میانی54
2-6-4-4- مهاربندهای واگرا EBF55
2-6-4-4-1- مهاربندهای شورن با عضو شکل پذیر قائم55
فصل سوم – راستی سنجی نرم افزار56
3-1- مقدمه57
3-2- راستی سنجی بر اساس کار بلاک57
3-3- محاسبه مقدار تغییر مکان حداکثر تیر طره با بار متمرکز60
فصل چهارم – مطالعه تحلیلی حلقه61
4-1- مقدمه62
4-2 روابط نیرو وتغییر مکان حلقه62
4-3- مطالعه تحلیلی حلقه فولادی 64
4-4 مطالعه تحلیلی حلقه ساخته شده از فولاد تنش تسلیم پائین در یک قاب یک دهانه74
4-5- مقایسه نتایج تحلیلی حلقه ساخته شده از فولاد تنش تسلیم پائین با نتایج حاصل از حلقه ساخته شده از فولاد متداول81
4-5-1- مقایسه ضریب شکل پذیری81
4-5-2-مقایسه نسبت انرژی آخرین چرخه غیرالاستیک به آخرین چرخه الاستیک82
4-5-3- مقایسه متوسط انرژی جذب شده در هر چرخه بارگذاری غیرالاستیک83
4-5-4- مقایسه انرژی جذب شده درطول کل چرخه بارگذاری84
فصل پنجم – مطالعه تحلیلی فیوز محوری85
5-1- مقدمه86
5-2- مطالعه تحلیلی لوله فولاد تنش تسلیم پائین86
5-3- مطالعه تحلیلی لوله آلومینیومی93
5-4- نتیجه گیریی93
103 فصل ششم- نتیجه گیری و پیشنهادات
مراجع106
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل (1-1) : انواع مهار بندهای هم محور3
شکل (1-2) : موقیعت المان در مهاربند6
شکل (2-1) : مقایسه رفتار مصالح شکل پذیر و غیر شکل پذیر11
شکل (2-2) : معادله تعادل سیستم های یک درجه آزادی11
شکل (2-3) : معادله تعادل سیستم های چند درجه آزادی12
شکل (2-4) : منحنی تنش-کرنش فولاد16
شکل (2-5) : منحنی تنش- کرنش ایده آل16
شکل (2-6) : رفتار فولاد در بارهای رفت وبرگشتی در شاخه الاستیک17
شکل (2-7) : رفتار فولاد در بارهای رفت و برگشتی17
شکل (2-8) : اثر بوشینگر18
شکل (2-9) : منحنی رفتار غیر خطی سازه20
شکل (2-10) : انرژی تلف شده در سیستم21
شکل (2-11) : مدل دو خطی الاستو پلاستیک22
شکل (2-12) : مدل دو خطی با سخت شدگی کرنشی22
شکل (2-13) : مدل دو خطی با نرم شدگی کرنشی23
شکل (2-14) : مدل سه خطی23
شکل (2-15) : ستون با دو تکیه گاه مفصلی تحت اثر بار محوری25
شکل (2-16) : مقطع جدار نازک تحت با محوری27
شکل (2-17) : انواع کمانش موضعی در مقاطع جدار نازک30
شکل (2-18) : معیار تسلیم طبق تنش برشی ماکزیمم32
شکل (2-19) : معیار تسلیم طبق حداکثر انرژی تغییر شکل برشی33
شکل (2-20) : معیار تسلیم طبق حداکثر تنش عمودی35
شکل (2-21) : : نمودار نیرو-تغییر مکان اتصالات اصطکاکی37
شکل (2-22) : جزئیات میراگر اصطکاکی پال38
شکل (2-23) : محل نصب میراگر اصطکاکی پال38
شکل (2-24) : جزئیات میراگر اصطکاکی پوپوف39
شکل (2-25) : محل نصب میراگر اصطکاکی پوپوف39
شکل (2-26) : جزئیات میراگر اصطکاکی لغزشی چرخشی باترود40
شکل (2-27) : جزئیات میراگر اصطکاکی لغزشی باترود40
شکل (2-28) : جزئیات میراگر اصطکاکی مولا41
شکل (2-29) : محل نصب میراگر اصطکاکی مولا41
شکل (2-30) : جزئیات میراگر اصطکاکی تهرنی زاده42
شکل (2-31) : محل نصب میراگر اصطکاکی تهرانی زاده42
شکل (2-32) : جزئیات مهاربندهای غلاف شده43
شکل (2-33) : جزئیات نمونه اول مهار بند کمانش تاب وتر و رضائیان44
شکل (2-34) : جزئیات نمونه دوم مهار بند کمانش تاب وتر و رضائیان45
شکل (2-35) : جزئیات نمونه سوم مهار بند کمانش تاب وتر و رضائیان45
شکل (2-36) : نحوه قرار گیری مهاربند در قاب، نمونه 1:4 (سمت راست) و نمونه 1:2 (سمت چپ)46
شکل (2-37) : نمونه 1:4 با هسته صلیبی شکل47
شکل (2-38) : نمونه1:2 با هسته مستطیلی شکل47
شکل (2-39) : جزئیات مهار بند کمانش تاب معمولی48
شکل (2-40) : جزئیات مهار بند کمانش تاب تمام فولادی48
شکل (2-41) : نحوه قرارگیری مهار بند ها در آزمایش Mazzolani و همکارانش در سازه اول49
شکل (2-42) : مهار بند استفاده شده در آزمایش Mazzolani و همکارانش49
شکل (2-43) : نمونه مورد مطالعه توسط Korzekwa و Tremblay50
شکل (2-44) : مدل سه بعدی المان محدود Korzekwa و Tremblay50
شکل (2-45) : انواع مهار بندهای زانوئی53
شکل (2-46) : مهار بند ضربدری با قاب میانی54
شکل (2-47) : مهار بند با تیر پیوند قائم55
شکل (3-1) : عضو مورد نظر پس از کمانش58
شکل (3-2) : نمودار تغییر مکان- نیرو براساس مدل سازی عددی در Abaqus58
شکل (3-3) : منحنی هیسترزیس بدست آمده از نتایج آزمایش59
شکل (3-4): منحنی هیسترزیس بدست آمده از مدل سازی عددی درAbaqus59
شکل (4-1) : چگونگی بار گذاری حلقه62
شکل (4-2) : مفاصل پلاستیک63
شکل (4-3) : حلقه مش بندی شده در Abaqus64
شکل (4-4) : منحنی تنش تغییر طول نسبی در نرم افزار Abaqus64
شکل (4-5) : منحنی هیسترزیس نیرو- تغییر قطر حلقه ی فولادی66
شکل (4-6) : منحنی پوش هیسترزیس نیرو- تغییر قطر قائم حلقه67
شکل (4-7) : منحنی انرژی چرخه بارگذاری69
شکل (4-8) : پوش نیرو- چرخه بارگذاری69
شکل (4-9) : منحنی پوش تغییر قطر قائم حلقه – چرخه بارگذاری72
شکل (4-10) : منحنی تجمعی انرژی جذب شده – چرخه بارگذاری72
شکل (4-11) : توزیع تنش فون میسز حلقه73
شکل (4-12) : قاب مفصلی با مهار بند قطری و حلقه ی فولادی75
شکل (4-13) : منحنی هیسترزیس نیرو – تغییر مکان افقی قاب76
شکل (4-14) : پوش منحنی نیرو- تغییر مکان افقی قاب77
شکل (4-15) : منحنی انرژی-چرخه بارگذاری قاب78
شکل (4-16) : منحنی انرزی تجمعی- چرخه بارگذاری قاب79
شکل (4-17) : توزیع تنش فون میسز قاب با حلقه80
شکل (4-18) : مقایسه ضریب شکل پذیری حلقه فولاد LY وحلقه فولاد متداول81
شکل (4-19) : نسبت انرژی آخرین چرخه غیر الاستیک به آخرین چرخه الاستیک82
شکل (4-20) : مقایسه متوسط انرژی جذب شده در هر چرخه بار گذاری غیر الاستیک83
شکل (4-21) : متوسط انرژی جذب شده در طول کل چرخه بارگذاری84
شکل (5-1) : لوله فولادی مش بندی شده درAbaqus86
شکل (5-2) : منحنی هیسترزیس نیرو- تغییر طول لوله فولاد LY87
شکل (5-3) : منحنی پوش هیسترزیس نیرو- تغییر طول محوری لوله88
شکل (5-4) : منحنی انرژی چرخه بارگذاری90
شکل (5-5) : پوش نیرو- چرخه بارگذاری90
شکل (5-6) : منحنی تجمعی انرژی جذب شده – چرخه بارگذاری92
شکل (5-7) : لوله آلومینیومی مش بندی شده درAbaqus93
شکل (5-8) : منحنی هیسترزیس نیرو- تغییر طول لوله آلومینیومی94
شکل (5-9) : منحنی پوش هیسترزیس نیرو- تغییر طول محوری لوله95
شکل (5-10) : منحنی انرژی چرخه بارگذاری97
شکل (5-11) : پوش نیرو- چرخه بارگذاری97
شکل (5-12) : منحنی پوش تغییر قطر قائم حلقه – چرخه بارگذاری100
شکل (5-13) : منحنی تجمعی انرژی جذب شده – چرخه بارگذاری100
شکل (5-14) : توزیع تنش فون میسز لوله آلومینیومی101
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول (4-1) : مقایسه تغییر قطر بدست آمده از Abaqus و روابط مقاومت مصالح65
جدول (4-2) : مشخصات مقاطع قاب75

فصل اول

مقدمه
از جمله سیستم های مقاوم در برابر بار جانبی، قابهای مهار بندی شده هم محور می باشد. درصورتیکه اتصال بین اعضای مختلف این نوع قاب به صورت مفصلی باشد از آن با نام قاب ساده (قاب مفصلی) با مهار بندی هم محور نام برده می شود. در قابهای با مهار بندی هم محور، محور تیرها ستونها و اعضای مهاری در یک نقطه مشترک با هم تلاقی می کنند. هسته مقاوم خرپایی یا شبکه مقاوم خرپایی عامل پایداری سیستم قاب ساده می باشد. ملزومات تشکیل شبکه خرپایی عناصر قائم یا همان ستون ها، عناصر قطری مورب یا همان مهار بندها و تیرها اگر سیستم مهار بندی دارای مهار بندی هایی باشد که با تیر اندر کنش دارند مانند سیتم مهار بندی هفتی وهشتی می باشد. در این نوع از قاب ها اعضای مقاوم در برابر بارهای جانبی، نیروی جانبی را از طریق عملکرد محوری اعضاء به زمین انتقال می دهند و به دلیل همین عملکرد محوری اعضاء این نوع از قاب ها دارای سختی زیاد و تغییر مکان کم می باشند.
مهار بندهای هم محور به طور گستردهای جهت تأمین سختی و مقاومت در ساختمانهای کوتاه و متوسط جهت مقاومت در برابر باد و زلزله به کار می روند. جهت پاسخهای لرزه ای مناسب این مهار بندها باید به گونه ای طراحی شوند که به مقاومت و شکل پذیری مناسبی دست یابند. در روشی که سازگار با فلسفه طراحی لرزه ای مقاوم می باشد توقع بر پاسخهای غیر الاستیک در مهار بندهای هم محور در خلال زلزله های شدید می باشد. طراحی مهاربندهای قطری هم محور باید به نحوی باشد که توانایی تحمل تغییر شکلهای پلاستیک و قابلیت اتلاف انرژی در حالتی پایدار به صورت کمانش در فشار و تسلیم در کشش را داشته باشد. طراحی صحیح به نحوی می باشد که اطمینان حاصل شود که تغییر شکلهای پلاستیک تنها در مهار بندها اتفاق می افتد و اتصالات هیچ گونه آسیبی نمی بینند. بنابراین اجازه داده می شود که سازه قادر به تحمل زمین لرزه های قوی بدون از دست دادن مقاومت ثقلی خود باشد. زلزله های گذشته نشان داده است که رفتار شرح داده شده تحقق پیدا نخواهد کرد مگر آنکه قابهای مهار بندی و اتصالات آنها به طور صحیح طراحی شوند.
مهار بندهای هم محور مطابق شکل (1-1) به شکل ضربدری، قطری، K، هفتی (شورن) و هشتی (شورن) می باشند.
انواع مهار بندهای هم محور
مطابق آئین نامه 2800 ایران ]1[، استفاده از مهاربندهای هم محور در ساختمانهای تا ارتفاع 50 متر، در قابهای با اتصالات مفصلی و برای ساختمانهای بلندتر در قابهای مختلط مجاز می باشد. سهولت اجرا و هزینه های پائین اتصالات مفصلی نسبت به اتصالات گیردار موجب استفاده افزون تر این نوع از مهاربندی ها به عنوان عناصر مقاوم در برابر بارهای جانبی شده است. پائین بودن میزان مصرف فولاد در هر متر مربع این سازه ها در مقایسه با سازه های خمشی از دیگر مزیت آنها است. بعلاوه حساسیت کمتر این قابها به میزان و کیفیت جوش یکی دیگر از محاسن این قابها نسبت به سازه های قاب خمشی است.
در کنار محاسن سازه های با مهاربندی هم محور باید از شکل پذیری کم آنها در مقایسه با سازه های قاب خمشی، به عنوان نقطه ضعف اصلی این نوع از قابها یاد کرد. سیستم مهار بندی هم محور با تحریک جانبی تغییر شکل می دهد در این حالت یکی از قطرها در فشار قرار می گیرد و در خلال زلزله با افزایش سطح انرژی وارد بر سیستم زمانیکه نیرو در قطری تحت فشار به حدود R برابر نیروی زمان طراحی می رسد این المان دچار تسلیم و کمانش می شود. با تشکیل مفصل پلاستیک روی این عضو سختی و ظرفیت باربری آن کاهش می یابد، زمانیکه در سیکلهای بعدی این المان مجدداً در فشار قرار می گیرد به دلیل آسیبهای ایجاد شده قبلی و کاهش سختی و مقاومت ناشی از آن دچار کمانش بیشتری می شود و تغییر شکلهای خمیری در محل مفصل پلاستیک ایجاد شده تشدید می گردد. براساس تستهای بار گذاری لرزه ای سیستم های مهاربندی هم محور عنوان می شود سختی و مقاومت این مهاربندها پس از چند سیکل سنگین بارگذاری لرزه ای به 25% تا 35% شرایط اولیه تنزل می یابد. با استناد به موارد مشروح اگرچه مهاربندهای هم محور تحت بارهای نه چندان بزرگ و در محدوده جابه جایی های کوچک مقاومت مناسبی از خود نشان می دهند ولی در بارگذاریهای سنگین لرزه ای استعداد زیادی به کمانش و ناپایداری دارند. به عبارتی قابلیت اعتماد پذیری لرزه ای آنها مناسب نمی باشد. شکل پذیری از رفتار غیر الاستیک اعضا و اتصالات سازه حاصل می شود. رفتار غیر الاستیک در سازه های خمشی با تسلیم شدن دورترین تارمقطع شروع شده و تا تشکیل کامل مفصل پلاستیک ادامه پیدا می کند. تشکیل مفاصل پلاستیک در نقاط مختلف سازه موجب جذب انرژی و تامین شکل پذیری سازه می گردد. در مقابل در سازه های با مهار بندی هم محور انتقال نیرو جانبی از طریق نیروی محوری اعضاء انجام می شود. نیروی محوری موجب کمانش مهار بندهای فشاری قبل از رسیدن آن به مرحله غیرالاستیک و جذب انرژی می باشد. در نتیجه منحنی هیسترزیس سازه های با مهاربندی هم محور کم عرض و میزان شکل پذیری آنها پائین می باشد.
سرعت باز سازی از جمله فاکتورهای مهم در ارزیابی سیستم های مقاوم در برابر زلزله است که در سالهای اخیر مورد مورد توجه فراوان قرار گرفته است. سازه های با مهاربندی هم محور، بدلیل محدود شدن خسارات سازه ای آنها به اعضاء و اتصالات مهاربندها، در مقایسه با سازهای خمشی از سرعت بازسازی بالا و هزینه پایینی برخوردارند. به عنوان جمع بندی محاسن سازه های با مهاربند هم محور را می توان به شرح زیر بیان نمود:
بازسازی و تعمیر این سازه ها، عموماً به اعضاء و اتصالات مهاربند خلاصه می شود و در نتیجه نواحی بازسازی آنها محدود، کم هزینه و سرعت بازسازی زیاد است.
حساسیت عملکرد این سازه ها به میزان و کیفیت جوش نسبت به دیگر سازه های فولادی کمتر است و در نتیجه قابلیت اعتماد آنها بیشتر خواهد بود.
خسارات غیر سازه ای این سازه ها در مقایسه با سازه های خمشی کمتر و بهره برداری آنها بلافاصله بعد از زلزله امکان پذیر خواهد بود.
مقاوم سازی سازه های فولادی یا بتنی با مهاربند هم محور به عنوان یک راه حل ساده و اقتصادی همیشه مورد توجه است. فراوانی این سازه ها باعث شده است که تجربه پیمانکاران ساختمانی در ساخت این سازه ها بیشتر باشد. میزان کمتر مصرف فولاد در هر متر مربع این سازه ها در مقایسه با سازه های قاب خمشی نیز از جمله نکات مثبت این سازه ها می باشد.
علیرغم محاسن زیاد سازه های با مهار بند هم محور، شکل پذیری کم آنها موجب شده است که استفاده از آنهامحدود باشد. بدیهی است، هر گونه اصلاحی که منجر به افزایش شکل پذیری این سازه ها گردد، امکان بهره مندی از ویژگیهای مثبت آنها را فراهم خواهد کرد. در دو دهه اخیر تحقیقات و پژوهشهای گسترده ای به منظور افزایش شکل پذیری مهار بند های هم محور انجام شده است. در هریک از این تحقیقات کوشش شده است، که با اصلاح اتصالات یا تعبیه عضو شکل پذیر در مهار بندهای هم محور شکل پذیری آنها افزایش یابد. به اختصار پژوهشهای صورت گرفته در این زمینه را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
الف- استفاده از اتصالات اصطکاکی در مهاربندهای هم محور.
ب- استفاده از غلاف به منظور افزایش بار کمانش مهاربند.
ج- استفاده از عضو شکل پذیر در محلی از مهار بند.
پژوهش های انجام شده در هریک از این روش ها، بهبود عملکرد و افزایش شکل پذیری مهار بندهای هم محور را موجب شده است. بطوریکه پژوهش در بعضی از روش ها به تولید صنعتی هم رسیده و در مقاوم سازی تعدادی از ساختمانها نیز استفاده شده اند. با این وجود غالب این روشها نیازمند تخصص و مهارتهای خاصی است که در توان پیمانکاران ساختمانی نیست و بعلاوه بعضی از این روشها از محدودیتهایی برخوردارند که استفاده از آنها به نوعی خاص از مهار بندها محدود می شود به همین دلیل موجب عدم استقبال از آنها شده است. هدف از این پایان نامه معرفی عضو شکل پذیری است که با تعبیه در مهار بندهای هم محور باعث افزایش شکل پذیری آنها گردد. ضمن برخورداری از ویژگیهای زیر:
1-نصب و تعویض آسان در انواع مهار بندهای هم محور.
2-شکل پذیری مناسب
3-عدم نیاز به مصالح و تکنولوژی خاص.
4-ارزان قیمت بودن و اجرای ساده
پس از بررسی تحقیقات انجام شده ایده استفاده از یک المان محوری برای تعبیه در انواع مهار بندهای هم محور مطابق شکل (1-2) پیشنهاد گردید. اگرچه قرار دادن این المان در مهاربندها برای افزایش شکل پذیری آنها انجام می شود، ولی از آن می توان به عنوان فیوز کمانش مهاربند نیز استفاده کرد. نصب یا تعویض این المانها نیازمند تخصص خاصی نمی باشد و نصب این المانها در انتهای مهاربند موجود نیز موجب افزایش افزایش شکل پذیری آنها می شود .
موقیعت المان در مهاربند
هدف
همانگونه که در مقدمه اشاره گردید، نقطه ضعف مهار بندهای هم محور پائین بودن میزان شکل پذیری آنها است. این نقطه ضعف از تفاوت رفتار آنها در کشش و فشار حاصل می شود. مهاربند فشاری قبل از رسیدن به رفتار غیر الاستیک و جذب انرزی کمانش کرده و در نتیجه شکل پذیری سازه تأمین نمی شود. هدف این پایان نامه، افزایش شکل پذیری مهار بندهای هم محور می باشد که در ابتدا ایده استفاده از حلقه فولادی ساخته شده از فولاد تنش تسلیم پائین مطرح شده و نتایج بدست آمده از آن با نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از حلقۀ فولادی ساخته شده از فولاد معمولی مقایسه شده است. در ادامه ایده استفاده از المان محوری مطرح شده و میزان جذب انرژی و شکل پذیری این المان مورد بررسی قرار می گیرد. ظرفیت باربری این نوع المان به گونه ای طراحی می شود که قبل از کمانش مهار بند به ظرفیت نهائی رسیده و خرابی ها را به خود محدود کند.
روش تحقیق
مطالعات این پایان نامه با استفاده از مدل سازی عددی توسط نرم افزارهای المان محدود انجام می شود.
مراحل تحقیق
در ابتدای بررسی عملکرد خمشی حلقه فولادی با استفاده از روابط مقاومت مصالح انجام می گردد و سپس عملکرد آن با نرم افزار Abaqus و در محدوده های الاستیک و پلاستیک به صورت منفرد ودر انتهای یک مهار بند قطری مطالعه خواهد شد. سپس نتایج بدست تحلیلی بدست آمده از حلقه فولادی ساخته شده از فولاد تنش تسلیم پائین با نتایج تحلیلی و نتایج آزمایشگاهی حلقه فولادی معمولی مقایسه می شود. برای المان محوری عملکرد عضو با استفاده از روابط مقاومت مصالح و سپس عملکرد آن با نرم افزار Abaqus مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
شرح فصول
مطالعات انجام شده در این پایان نامه در طی 5 فصل انجام که رئوس و مطالب آن به شرح زیر است:
کلیات: شامل کلیات پایان نامه، موضوع هدف و روش تحقیق.
مرور ادبیات فنی و مطالعات گذشته : مرور بر تحقیقات و مطالعات انجام شده در رابطه با موضوع پایان نامه.
راستی سنجی نرم افزار.
مطالعات تئوریک: شامل تحلیل ها و نتایج تئوریک جهت بررسی شکل پذیری دو المان معرفی شده.
نتیجه گیری: شامل نتیجه گیری، پیشنهادات و مراجع پایان نامه.
فصل دوم

مقدمه
زمین لرزه پدیده ای است که باعث می شود در مدت زمانی کوتاه انرژی زیادی در زمین آزاد شود. انرژی آزاد شده باعث ایجاد تکانهای شدید در سطح بالایی زمین می گردد. با وقوع زلزله انواع مختلف موجها در جهت های گوناگون منتشر می شود. موجهای منتشر شده باعث ایجاد حرکتهای افقی و قائم در سطح زمین می گردد که حرکت و شتاب زمین در جهت افقی بیشتر از قائم می باشد. به همین دلیل است که نیروی جانبی وارد بر سازه بیشتر از نیروی قائم وارد بر آن می باشد. با حرکت زمین پی سازه شروع به حرکت کرده و حرکت زمین را به بخشهای بالائی سازه انتقال می دهد.
بخاطر تفاوت زمانی دریافت این حرکات و جرمهای متفاوت تمام اجزای ساختمان با هم حرکت نمی کنند و نسبت به هم تغییر مکانهای مختلف دارند. این پدیده به عنوان تغییر شکل ساختمان و یا پاسخ ساختمان نامیده می شود. تغییر شکل ایجاد شده در ساختمان ایجاد تنش نموده و اگر این تنش ها از مقاومت مصالح به کار رفته بیشتر باشد باعث ترک و گسیختگی اجزای ساختمان می گردد. لازم به ذکر است هرچه پریود ساختمان به پریود زلزله نزدیکتر باشد اثرات زلزله بر روی ساختمان بیشتر است.
اگر بخواهیم برای زلزله های متوسط و شدید سازه ها را به صورت ارتجاعی تحلیل و طراحی کنیم طرح غیر اقتصادی بدست می آید. به همین دلیل از خواص مصالح در حالت غیر خطی استفاده می شود و به سازه ها اجازه داده می شود وارد مرحله غیر خطی شود که همین غیر خطی شدن ابعاد اجزاء را کاهش می دهد. در شکل (2-1) نمودار نیرو- تغییر شکل برای مصالح شکل پذیر و غیر شکل پذیر آمده است. مسأله شکل پذیری در آئین نامه های ساختمان در ضریب رفتار دیده شده است.
مقایسه رفتار مصالح شکل پذیر و غیر شکل پذیر
بررسی پارامترهای لرزه ای]2[
معادله حرکت دینامیکی تحت اثر نیروی زلزله (رفتار مصالح خطی)
مطابق شکل (2-2) معادله تعادل سیستم های یک درجه آزادی (SDOF) تحت حرکت زمین به صورت زیر است
معادله تعادل سیستم های یک درجه آزادی
نیروی اینرسی برای تغییر مکان کل و نیروی میرایی و سختی بر حسب تغییرمکان نسبی نوشته می شوند
x_t = x + x_g
f_D= cx^. نیروی اینرسی
f_s= kx نیروی بازگرداننده
mx_t^(..)+f_D+f_c=0
mx_t^(..)+〖cx〗^.+kx=0 (2-1)
: x تغییر مکان سیستم : m جرم
: x_g تغییر مکان زمین : c ثابت میرائی
: x_t تغییر مکان کل : k سختی
در صورتیکه رابطه بر اساس x نوشته شود داریم:
mx^(..)+〖cx〗^.+kx=〖-mx〗_g^(..) (2-2)
رابطه (2-2) به علت اینکه اندازه گیری x_g (شتاب زمین) ساده تر شده است استفاده و کاربرد بیشتری دارد.
همانند رابطه (2-2) رابطه مشابه ای برای سازه های چند درجه آزادی مانند شکل (2-3) بدست می آید:
معادله تعادل سیستم های چند درجه آزادی
[m]{x^(..) }+[c]{x^. }+[k]{x}={p(t)}(2-3)
در رابطه(2-3)
: [m] ماتریس جرم
: [c] ماتریس میرایی
: [k] ماتریس سختی
: {p(t)} ماتریس نیروی خارجی
[m]=[■(■(m_1&.@.&m_2 )& ■(. &.@. &.) @■(. &.@. &.)& ■(.& .@.& m_n ))]
[k]=[■(■(k_1+k_2&-k_2@-k_2&k_(2+) k_3 )& ■(. &.@ &.) @■(. &.@. &.)& ■(.& .@.& k_n ))]
{p(t)}={■(m_1 x_g^(..)@m_2 x_g^(..)@■(.@m_n x_g^(..) ))}
دلیل مطرح کردن معادلات(2-2) و (2-3) تأکید بر پارامترهای جرم، میرایی و سختی در پاسخ سازه هنگام زلزله است.
معادله حرکت دینامیکی تحت اثر نیروی زلزله (رفتار مصالح غیر خطی)
در رفتار غیر غیر خطی می توان از رابطه (2-2) و (2-3) استفاده نمود، در واقع در حالت غیر خطی اصل جمع آثار بر قرار نمی باشد. معادلات حرکت دینامیکی در حالت غیر خطی به صورت زیر است.
(2-4) معادله حرکت دینامیکی غیر خطیSDOF f(x,x^.,t)=-mx_g^(..)+mx^(..)
(2-5) معادله حرکت دینامیکی غیر خطیMDOF [m]{x^(..) }+{f(x,x^.,t)}={p(t)}
همانطور که از روابط مشخص است در حالت غیر خطی سختی و میرایی ثابت نبوده و باید معادلات بالا به روشهای عددی (مانند انتگرال گام به گام) حل شود.
لازم به است در حل معادلات فوق معمولاً میرایی را ثابت در نظر گرفته و غیر خطی شدن را فقط برای سختی در نظر می گیرند.
[m]{x^(..) }+[c]{x^. }+{f(x,t)}=-{p(t)}(2-6)
همانطور که قبلاً نیز ذکر شد وقتی سازه تحت بارگذاری شتاب نگاشتهای زمین به صورت خطی تحلیل می شود نیروهای وارد بر آن خیلی بیشتر از آن که آئین نامه مقرر می دارد می باشد در واقع آئین نامه مقرر می دارد که سازه به جای اینکه نیروی F_1 را به صورت ارتجاعی تحمل نماید نیروی F_2 کمتر را با تغییر شکل بیشتر تحمل نماید.
انرژی مستهلک شده
انرژی اعمال شده به یک سیستم غیر الاستیک به وسیله زلزله، به علت هر دو مکانیزم تسلیم و میرایی کاهش می یابد. با انتگرال گیری از جملات مختلف معادله حرکت یک سیستم غیر الاستیک جملات مختلف انرژی به صورت زیر بدست می آید:
∫_0^x▒〖mx^(..) (t)dx+∫_0^x▒〖cx^. (t)dx+∫_0^x▒〖f_s (x,x^.,t)dx=-∫_0^x▒〖mx_g^(..) (t)dx〗〗〗〗(2-7)
طرف راست معادله(2-7) انرژی اعمال شده به سازه از شروع تحریک زلزله می باشد:
E_I (t)=-∫_0^x▒〖mx_g^(..) 〗 (t)dt(2-8)
توضیح رابطه فوق بدین قرار است که در صورت تغییرمکان سازه به مقدار dx به علت نیروی موثر p_eff (t)=-mx_(g )^(..) (t) انرژی اعمال شده به سازه برابر است با:
〖dE〗_I= -mu_g^(..) (t)du(2-9) که انتگرال رابطه(2-9) همان انرژی اعمال شده به سازه است
اولین جمله در طرف چپ معادله (2-7) انرژی جنبشی جرم در حرکت نسبی نسبت به زمین است:
E_k (t)=∫_0^x▒〖mx^(..) (t)dx=∫_0^(x^.)▒〖mx^. 〗 (t)dx^.=(mx^.2)/2〗 (2-10)
دومین جمله در طرف چپ معادله (2-7) انرژی مستهلک شده به علت میرایی می باشد:
(2-11) E_D (t)=∫_0^x▒〖f_D (t)dx=∫_0^x▒〖cx^. 〗 (t)dx〗
سومین جمله در سمت چپ رابطه (2-7) مجموع انرژی مستهلک شده به واسطه تسلیم و انرژی کرنشی قابل بازیابی سیستم می باشد:
E_S (t)=[f_s (t)]^2/2k(2-12)
که در آن k سختی اولیه سیستم غیر الاستیک می باشد. بنابراین انرژی مستهلک شده به علت تسلیم برابراست با:
E_Y (t)=∫_0^x▒〖f_s (x,x^. )dx-E_s (t)〗(2-13)
بر پایه کمیات انرژی تعریف شده رابطه ای برای بیان تعادل انرژی سیستم است:
E_I (t)=E_K (t)+E_D (t)+E_S (t)+E_Y (t)(2-14)
تحلیل ارائه شده برای سازه ای است که جرم آن تحت تأثیر نیرو -mx_g^(..) (t) قرار دارد نه برای سازه ای که پایه آن تحت شتاب قرار می گیرد. بنابراین جمله انرژی جنبشی در رابطه (2-7) نشان دهنده انرژی حرکت نسبت به پایه است و انرژی را به علت حرکت کلی نشان نمی دهد. لازم به توجه است که انرژی مستهلک شده به واسطه میرایی لزج یا تسلیم فقط بستگی به حرکت نسبی دارد.
مفهوم غیر خطی شدن مصالح و رفتار سازه
بررسی رفتار فولاد
رفتار خطی وغیر خطی
اگر یک عضو فولادی تحت کشش محوری قرار گیرد منحنی تنش- کرنش آن مطابق شکل(2-4) می باشد.
منحنی تنش-کرنش فولاد
همانطور که در شکل مشخص است نمودار از سه قسمت الاستیک، پلاستیک و سخت شدگی مجدد تشکیل شده است. در مرحله دوم با افزایش بسیار کم نیرو، جابه جائی زیادی اتفاق می افتد که در حقیقت معنی غیر خطی شدن فولاد است. در عمل از نمودار ایده آل شده تنش و کرنش مانند شکل (2-5) استفاده می شود.
منحنی تنش- کرنش ایده آل
رفتار فولاد در بارهای رفت و برگشتی(منحنی هیسترزیس)
در شکل (2-4) اگر بارگذاری به صورتی باشدکه مقدار تنش و کرنش در شاخه OA قرار گیرد، پس از باربرداری، منحنی تنش- کرنش روی همان شاخه بر میگردد تا به صفر برسد در صورتی که نوع بار گذاری عوض شود منحنی با همان شیب در جهت مخالف ادامه پیدا می کند، شکل(2-6)
رفتار فولاد در بارهای رفت وبرگشتی در شاخه الاستیک
اما وقتی در ناحیه AB، شکل(2-4) قرار میگیرد پس از باربرداری نمودار با شیبی موازی با OA بر می گردد (شاخه BE در شکل 2-7) و اگر بارگذاری در جهت عکس انجام شود سختی با همان شیب ولی در جهت مخالف ادامه پیدا کرده تا به حالت غیر خطی برسد.
رفتار فولاد در بارهای رفت و برگشتی
اثر بوشینگر
در منحنی تنش کرنش وقتی در نقطه B باربرداری صورت می گیرد و بارگذاری در جهت عکس انجام می شود ملاحظه می شود تنش تسلیم به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. همانند شکل(2-6) این مقدار می تواند از تنش تسلیم اولیه نیز کمتر باشد. این پدیده را اثر بوشینگر می نامند. مقدارY_1 و Y_2 به صورتی است که
Y_1+ Y_2 = 2Y
اثر بوشینگر
یعنی فاصله تنش های تسلیم در کشش و فشار همیشه ثابت و دو برابر تنش تسلیم اولیه می باشد. اثر بوشینگر در حالاتی که عملاً نسبت تنش پی در پی تغییر می کند دارای اهمیت فراوانی می باشد.
مفهوم غیر خطی شدن رفتار سازه و شکل پذیری
زمان وقوع زلزله نیروی حقیقی وارد بر سازه B.A.W می باشد حجم این نیرو بسیار زیاد بوده به گونه ای که طراحی بر اساس آن منجر به بزرگ شدن بی رویه اعضاء گشته و طرح توجیه اقتصادی و معماری خود را از دست می دهد. برای حل این معضل آئین نامه ها و استانداردهای طراحی در برابر زلزله با استناد به مقاومت و ظرفیت فرا ارتجاعی اعضاء اجازه می دهند نیروی طراحی کاهش داده شود بدین صورت برای هر سازه با توجه به مشخصات ارتعاشی و قابلیت های اتلاف انرژی آن ضریبی به عنوان ضریب رفتار R تدوین می شود مانند شکل(2-9) . زمان تعیین سطح زلزله طرح نیروی محتمل حقیقی با استفاده از ضریب 1/R تعدیل می گردد و بدین ترتیب مشکل معماری و اقتصادی که به آن اشاره شد برطرف می گردد. حال در زمان وقوع یک زلزله شدید می توان انتظار داشت نیرو در اعضاء حدوداً R برابر نیروهای زمان طراحی باشد. لذا سطح تنش در اعضاء از حد تسلیم فراتر رفته و در بسیاری از اعضاء مفصل پلاستیک تشکیل می شود. با افزایش تعداد این مفاصل پلاستیک رفته رفته سازه از محدوده الاستیک خارج و وارد حوزه عملکرد فرا ارتجاعی می شود. ضوابط طراحی و شکل پذیری لرزهای که در آئین نامه ها ذکر شده است به دلیل این است که سازه پس از تسلیم و در حوزه پاسخهای غیر الاستیک دچار کاهش و مقاومت قابل ملاحظه ای نشود و قابل به حفظ سطح عملکرد خود باشد.
F_1=B.A.W : نیروی حقیقی وارد بر سازه F_1
F_2=B.A.W.1/R : نیروی طراحی سازه F_2
: B ضریب بازتاب
: A نسبت شتاب مبنای طرح
: W وزن سازه
: R ضریب رفتار
منحنی رفتار غیر خطی سازه
سختی
همانطور که قبلاً اشاره شد یکی از خصوصیات مصالح خصوصیت غیر خطی شدن آنها است که در این مرحله سختی اولیه خود را از دست می دهند ولی این بدین معنی نمی باشد که مصالح دیگر نیرویی تحمل نمی کنند، بلکه با توجه به مسأله سخت شدگی می توانند مقداری نیرو تحمل نمایند.
همانطور که می دانیم زلزله دارای ماهیت رفت و برگشتی است مقدار نیرو هم به مقداری می باشد که باعث می شود مصالح وارد مرحله غیر خطی شوند. (طراحی بر این اساس صورت می گیرد که مصالح وارد مرحله غیر خطی شوند). پس برای هر سازه می توان منحنی هیسترزیس رسم نمود که سطح داخل حلقه هیسترزیس انرژی تلف شده در سیستم می باشد که در شکل (2-10) نمایش داده شده است.
انرژی تلف شده در سیستم
آنچه از دیاگرام هیسترزیس یک سازه تحت زلزله خاص بدست می آید:
1-سطح زیر منحنی، میزان جذب انرژی 2- شیب منحنی سختی سازه در هر دوره
3- تعداد دورهای رفت و برگشت 4- مقدار مقاومت سازه در هر دوره
5- زوال



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید