پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد" M.Sc "
مهندسی عمران - سازه
چکیده
در این پایان نامه سعی بر آن است عملکرد لرزه ای قاب های بتنی کوتاه و متوسط با شکل پذیری متوسط را که بر مبنای ایین نامه ٢٨٠٠ استاندارد ایران ویرایش سوم طرح شده است و ضوابط و احکام این آیین نامه در آنها جاریست را بر پایه ایین نامه ٤٠ ATC مورد ارزیابی قرار گیرد.از این طریق می توان تاثیر پارامترهای کنترل کننده آیین نامه ٢٨٠٠ استاندارد ایران از جمله تغییر مکان نسبی طبقات ویا توزیع بارگذاری جانبی را بر سطوح عملکرد قابها و حاشیه های ایمنی آنها را بر مبنای ایین نامه ٤٠ ATC مورد بررسی قرار داد.
جهت این امر قابی را که بر مبنای آیین نامه ٢٨٠٠ استاندارد ایران طرح وکلیه ضوابط آیین نامه در مورد آن حاکم می باشد را مورد تحلیل غیر خطی قرار می دهیم وبا معرفی طیف تقاضا ٤٠ ATC تغییر مکان هدف سازه محاسبه می شود حال تغییر مکان نقطه کنترل سازه را برابر با تغییر مکان هدف قرار خواهیم داد .
برای بررسی رفتار اجزا سازه هنگامی که مصالح از حدود الاستیک تجاوز کند به معرفی مفاصل غیر خطی می پردازیم . این مفاصل بسته به پارامترهای کنترل کننده اعم از تغییر شکل ویا نیرو و رفتار اجزا سازه اعم از رفتار برشی ویا خمشی و همچنین نیروی محوری تقسیم بندی می شوند . خوشبختانه در برنامه SAP2000
١٠.١.٠ ver قابلیت معرفی مفاصل غیرخطی کنترل شونده توسط تغییرشکل و مفاصل غیر خطی کنترل شونده توسط نیرو در سازه موردنظر وجود دارد. این مفاصل در مناطقی که احتمال تشکیل در آنجا وجود دارد و پارامترهای تغییر شکل و یا نیروی مفاصل تعیین کننده به نظر می رسد ، انتصاب می یابد.
با معرفی مفاصل غیر خطی و تعیین تغییر مکان هدف ، قاب مورد تحلیل استاتیکی غیر خطی قرار می گیرد و چگونگی تشکیل و روند افزایش و نوع مفاصل غیرخطی و سطوح عملکرد اجزا قاب مشخص خواهد شد.
با توجه به آنکه هدف پایان نامه بررسی پارامترهای کنترل کننده آیین نامه ٢٨٠٠ ایران ویرایش سوم از جمله تغییر مکان نسبی طبقات می باشد جهت این امراقدام به تشکیل ٢ قاب با تعداد طبقات و طول و عرض بارگیر یکسان می کنیم درقاب اول طراحی بر اساس آیین نامه و تغییر مکانهای نسبی طبقات در محدوده مجاز ایین نامه ٢٨٠٠ استاندارد ایران می باشد و در قاب دوم طراحی بر اساس آیین نامه ولی اثر تغییر مکانهای نسبی طبقات طبق آیین نامه لحاظ نمی گردد . با تحلیل استاتیکی غیر خطی قابهای اول و دوم به بررسی تشکیل مفاصل غیر خطی و سطوح عملکرد اجزا قاب تحت طیف تقاضا ٤٠ ATC خواهیم پرداخت .
برای بسط و پرداخت و اهمیت کنترل تغییر مکانهای نسبی طبقات قابهایی با تعداد طبقات متغیر جهت بررسی بیشتر تشکیل خواهیم داد.
برای بررسی تاثیر نحوه وشکل توزیع بارهای جانبی قابها تحت طیف تقاضا٤٠ ATC اقدام به تشکیل دو قاب همسان تحت ایین نامه ٢٨٠٠ استاندارد ایران وکنترل کلیه ضوابط ایین نامه می نماییم سپس قاب اول را تحت بار جانبی به روش استاتیکی معادل (مثلثی ) و قاب دوم را تحت بار جانبی یکنواخت قرار خواهیم داد و تحلیل استاتیکی غیرخطی بر روی قابها انجام خواهیم داد . از این طریق می توان به بررسی تاثیر توزیع بارهای جانبی بر چگونگی تشکیل مفاصل غیر خطی و نحوه توزیع و افزایش این مفاصل و سطوح عملکرد اجزا قاب پرداخت .
برای بسط و تعقیب اثرات توزیع بارهای جانبی در طبقات اقدام به تهیه قابهایی در طبقات مختلف می کنیم .
در رویه ارزیابی و بررسی عملکرد قابها می توان طیف ٤٠ ATC را با طیف طرح استاندارد ٢٨٠٠ ایران مقایسه نمود . این مهم را می توان به عنوان یک هدف جانبی پایان نامه مطرح نمود . برای این منظور قابها را تحت این دو طیف تقاضا مورد تحلیل استاتیکی غیر خطی قرار می دهیم و سطوح عملکرد اجزا قاب را در این دو حالت با هم مقایسه می کنیم .
در نهایت با انجام مقایسه قابها در شرایط مختلف ، به ارزیابی آنها و بررسی سطوح عملکرد اجزا ایشان می پردازیم همچنین تاثیر عوامل کنترل کننده آیین نامه ٢٨٠٠ ایران و اهمیت آنها مورد تحقیق قرار می گیرد و حاشیه ایمنی قابها و نقاط قوت و ضعف قابها بر مبنای آیین نامه ٤٠ ATC مورد بسط و بررسی قرار خواهد گرفت .
مقدمه
در کشور ما پارامتر زلزله عامل تعیین کننده در جهت طراحی ساختمانها می باشد. خسارتهای جانی ومالی فراوان ، ناشی از آسیب پذیری ساختمانها در برابر زلزله های مختلف که در تاریخ کشور ما بسیار دیده می شود ، گواه این مهم می باشد .
در حال حاضر آیین نامه ٢٨٠٠ ایران به عنوان مرجع قابل اطمینان برای طراحی ساختمانها در اختیار مهندسان طراح می باشد.که در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی جهت پیشرفت و تکمیل این آیین نامه توسط متصدیان این امر صورت پذیرفته است .ویرایش سوم این آیین نامه که در حال حاضر به عنوان مرجع طراحی کاربرد دارد ، حاصل این امر می باشد.
بطور معمول در طراحی ساختمانهای کوتاه و متوسط بتنی مهندس طراح از روشهای خطی تحت شرایط وضوابط معین آیین نامه ٢٨٠٠ ایران استفاده می کند ولی این تحلیلهای خطی رفتار دقیق سازه را تحت اثر زلزله مشخص نمی کند چراکه تحت اثر بارگذاری زلزله ماکزیمم ، رفتار اغلب سازه ها به صورت غیر خطی خواهد بود. یعنی در بسیاری از اعضا سازه مفاصل پلاستیک تشکیل خواهد شد. به عبارت دیگر در مقاطعی از اعضا تنشها و کرنشها از حدود الاستیک مصالح تشکیل دهنده اعضا فراتر رفته و رفتار عضودر آن مقاطع به صورت غیر الاستیک خواهد بود.
یکی از آیین نامه های معتبر و قابل اطمینان عرصه بین الملل راهنمای ٤٠ ATC می باشد با استفاده از این آیین نامه می توان به بررسی ساختماتهای طراحی شده با آیین نامه ٢٨٠٠ ایران پرداخت .
در این پایان نامه با تحلیلهای غیر خطی بر مبنای آیین نامه ٤٠ ATC سازه های طراحی شده بر طبق آیین نامه ٢٨٠٠ ایران به بررسی سطوح عملکرد اجزا سازه می پردازیم و سطوح ایمنی اجزا و اعضا سازه را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
فصل اول
معرفی تحلیل غیرخطی بر مبنای آیین نامه ٤٠ ATC
١-١- مقدمه
در گذشته روشهای استاتیکی غیر خطی دارای ابهامات فراوان بوده و به جزئیات آن پرداخته نشده بود و برای بررسی سازه ها از روشهای خطی استفاده می شد. هرچند ارزیابیهای خطی ظرفیت الاستیک ساختمان و اولین مقادیر جاری شدن عناصر سازه را به خوبی مشخص می کند ولی نمی تواند مکانیزم شکست ساختمان و توزیع نیروها بعد ازجاری شدن مصالح اجزا سازه با ادامه روند بارگذاری را تعیین کند لذا ایین نامه ٤٠ ATC
جهت ارزیابی مشخصه های ساختمانهای موجود و مشخص نمودن سطوح عملکردی به شیوه نگارش درامد.
در این فصل به اجمال با شیوه تحلیل استاتیکی غیر خطی ٤٠ ATC اشنا می شویم .
در روش تحلیل استاتیکی غیر خطی که از منحنی ظرفیت سازه ویک طیف کاهش یافته جهت یافتن حداکثر جابجایی استفاده می شود به مهندس طراح برای درک بهتر رفتار سازه در زلزله های بزرگ در نقاطی که از محدوده الاستیک فراتر رفته اند کمک شایانی می کند.
در این روش با ترسیم منحنی برش پایه - تغییر مکان و مقایسه منحنی ظرفیت با طیفهای پاسخ زلزله های تقاضا ابزار مناسبی جهت ارزیابی ساختمانهای بتنی می باشد.
٢عامل کلیدی طراحی ، تقاضا و ظرفیت می باشد . تقاضا بیانگر حرکت زمین ناشی از زلزله و ظرفیت نشان دهنده مقاومت ساختمان است که باید در برابر تقاضا اهداف پیش بینی شده را تامین نماید.
١-٢- ظرفیت
ظرفیت یک سازه وابسته به استقامت و پایداری سازه و همچنین ظرفیت تغییر شکل اجزا تشکیل دهنده ان مس باشد. برای مشخص کردن ظرفیتهای فراتر از محدوده های الاستیک استفاده از روشهای پوش آور گریز ناپذیر است . در این روش از یک سری آنالیز الاستیک متوالی استفاده شده است که بر آن اضافه شده تا یک دیاگرام ظرفیت نیرو-جابجایی از تمام سازه تقریب نماید. مدل ریاضی مصالح سازه برای حساب کردن مقاومت کاهش یافته اجزای جاری شده تغییر داده میشود. مجددا از یک توزیع نیروی جانبی تا زمان جاری شدن اجزای دیگر استفاده میشود.این مراحل ادامه می یابد تا زمانی که سازه به حا لت مکانیزم در اید ویا به تغییر مکان معینی برسد.
از طریق برنامه های رایانه ای در دسترس از جمله ٢٠٠٠ SAP بدست اوردن منحنی پوش آور ورفتار مصالح بعد از جاری شدن به راحتی امکانپذیر می باشد.
١-٣-تقاضا
حرکتهای زمین در زمان زلزله باعث ایجاد نمونه های تغییر مکان افقی پیچیده ای در سازه ها می گردد که ممکن است متغیر با زمان باشد. تعیین اثر این حرکت در هر پله زمان برای تعیین نیازهای طرح سازه به صورت غیر عملی به نظرمی رسد.در روشهای انالیز خطی رایج از نیروهای جانبی برای بیان نمودن یک شرط طراحی استفاده می شود.در روشهای انالیزهای غیر خطی استفاده از یک مجموعه تغییر مکانهای جانبی به عنوان یک شرط طراحی ساده تر است .برای یک سازه و حرکت زمین معین تقاضای جابجایی یک تقریبی از حد اکثر پاسخ مورد انتظار از ساختمان در زمان حرکت زمین می باشد
١-٤- عملکرد
پس از تعیین منحنی ظرفیت و تغییر مکان هدف حال به بررسی عملکرد سازه می پردازیم و مشخص می کیم که اجزا سازه ای وغیر سازه ای در فراتر از محدوده های قابل قبول عملکرد هدف برای نیروها و تغییر مکانهای ایجاد شده توسط تقاضای تغییر مکان ، تخریب نشود.
١-٥-مراحل ارزیابی سازه
١-٥-١ تعیین ظرفیت سازه
ظرفیت سازه توسط منحنی پوش آور بیان میشود. ساده ترین روش برای تعیین منحنی برش پایه – تغییر مکان از طریق ادامه بارجانبی سازه و محاسبه تغییر مکان سقف بدست می آید.
منحنی ظرفیت باید بیانگر اولین مد پاسخ سازه با فرض انکه مد اساسی لرزش غالب سازه است باشد.این امر معمولا برای ساختمانهای با دوره تناوب کمتر از ١ثانیه صادق است و برای ساختمانهای انعطاف پذیر با دوره تناوب بزرگتر از ١ ثانیه اثرات مود بزرگتری را در نظر گرفت .
لذا برای محاسبه منحنی ظرفیت سازه ابتدا با توجه به فصل ٩ مبحث ٤٠ ATC و احراز شرایط این فصل یک مدل رایانه ای از سازه تهیه می کنیم . سپس هر المان داخل سازه را بصورت اولیه و ثانویه طبقه بندی و .نیروهای جانبی وارد بر سازه را متناسب با حاصلضرب جرم و مود اساسی سازه در نظر می گیریم .
البته با وجود برنامه رایاته ای همچون SAP2000 ترسیم منحنی برش پایه – تغییر مکان براحتی و بدون تکرار امکانپذیر است .
١-٥-٢-محاسبه تقاضا با استفاده از روش طیف ظرفیت
محل تغییر مکان تقاضا باید در دو رابطه زیر صدق نماید
١-نقطه مورد نظر باید روی منحنی طیف ظرفیت قرار گیرد تا نشان دهنده تغییر مکان معین سازه باشد.
٢-نقطه مورد نظر باید روی منحنی طیف تقاضا کاهش یافته از الاستیک قرار گیرد.
در این روش ضرایب کاهش طیفی به شکل میرایی موثر داده می شود یک میرایی موثر بر اساس شکل منحنی ظرفیت ، تغییر مکان تقاضای تخمینی و پاسخ منحنی هیسترزیس محاسبه می شود.
در حالت عمومی برای تعیین نقطه هدف ،نیاز به جستجوی سعی و خطا برای برقراری دو رابطه بالامی باشد این روشهای جایگزین تماما بر اساس مفاهیم و روابط ریاضی و مراحل تکرار می باشد.
١-٥-٣-محاسبه تغییر مکان تقاضا از طریق ضرایب تغییر مکان
روش ضرایب تغییر مکان یک مرحله عددی مستقیم برای محاسبه تغییر مکان تقاضا است در این روش نیازی به تبدیل منحنی ظرفیت به مولفه های طیفی نیست . بحث کلی این بخش در مبحث ٢٧٣ FEMA بیان شده است .
موارد ذکر شده در این مبحث محدود به ساختمانهایی است که منظم باشد و دارای پیچش بسیار و یا تاثیرات چند مودی نباشد.
١-٥-٤-مراحل بررسی عملکرد سازه در حداکثر تغییر مکان مورد انتظار
برای بررسی عملکرد سازه باید موارد زیر را در نظر داشت
١-پاسخ کلی ساختمان شرایط زیر را برآورده نماید
الف - مقاومت جانبی سازه بیش لز ٢٠٪ مقاومت حداکثر تضعیف نشده باشد.
ب- تغییر مکانهای جانبی نسبی محدود به مقادیر تعیین شده ٤٠ ATC باشد.
٢- هر یک از اجزا مختلف سازه شنا سایی و طبقه بندی شود.
٣-تمام اجزا اولیه وثانویه مطابق فصل نهم شناسایی و طبقه بندی شود. این طبقه بندی جهت کنترل تغییر مکانهای نسبی مورد نیاز است .
٤- با توجه به راهنماییهای ٤٠ ATC اجزا بحرانی و رفتارهایی که باید بررسی شود کنترل شود.
٥- ظرفیتها وتغییر شکلها در نقطه هدف باید برابر ویا کمتر از ظرفیتهای مشخص شده با در نظر گرفتن تمام نیروهای موجود باشد
١-٥-٥-معرفی ٤٠ ATC در پایان نامه
در برنامه ١٠.١.٠ ver ٢٠٠٠ SAP طیف ٤٠ ATC موجود می باشد لذا جهت آنالیز غیرخطی ابتدا سازه را مدل می کنیم برنامه قادر به ترسیم منحنی ظرفت ویا به عبارتی منحنی تغییر مکان – برش پایه میباشد از تلاقی طیف تقاضا٤٠ ATC موجود در برنامه و منحنی ظرفیت ساخته شده توسط برنامه ، تغییر مکان هدف محاسبه می شود.
در برنامه ver10.1.0 ٢٠٠٠ SAP قادر خواهیم بود مفاصل کنترل شونده تغییر شکل و کنترل شونده نیرو را معرفی نماییم .پس از معرفی مفاصل در نواحی بحرانی ، برنامه سطوح عملکرد اجزا مورد نظر را بیان می کند لذا نیازی به استفاده از روشهای گام به گام مبحث ٤٠ ATC و تکنیکها و روابط ریاضی جهت یافتن منحنی ظرفیت و تغییر مکان هدف نیست .
Abstract
In this thesis, it is attempted to asses, based on the ATC 40 criteria, the shaking
performance of short and medium concrete frames having medium flexibility which have
been designed according to Iran Standard 2800 Regulations version 3 and are governed by
the rules and criteria of the above regulations In this way, it is possible to study the impacts of
the controlling parameters of Iran Standard 2800 Regulations, including the drift of the
layers(floors) or the distribution of the peripheral loading, on the performance surfaces of the
frames and their safety margins according to ATC 40 criteria.
To do so, a frame which has been designed according to Iran Standard 2800 Regulations
and on which all the criteria of the regulations govern , is analyzed in a non liner mood , and
by introducing the demand for TAC 40 ,the drift of the structure target is calculated .Now we
will consider the drift of the controlling point of the structure to be equal to the drift of the
target .In order to study the behavior of the structure components when the materials exceed
the elastic limits, we will introduce the non liner hinges. These hinges are classified
concerning controlling parameters, such as shape, or force alteration, and structure
components behavior including shear or resisting behavior as well as axle’s force .Fortunately
in program SAP 2000 ,version10.1.0, it is possible to introduce non liner controlled hinges
via shape alteration and non liner controlled hinges via force in the related structure. These
hinges are installed in the regions where it is probable to be formed, and the parameters of
shape alternation and .or hinges force seem to be determinant.
By introducing nonlinear hinges and by determining the target’s change of position, the
frame is analyzed statically from non liner point of view and also the formation procedure,
increase process, and the type of nonlinear hinges and the performance surfaces of the frame
components will be revealed.
Since the objective of the theses is to study Iran 2800 Regulation controlling parameters,
version 3 including the drift, we begin to form two frames having the same number of floors
and the same loading length and width. In the first frame designing is within the regulation
and floor drift in permitted limits of Iran Standard 2800 Regulation, and in the second frame
the designing is based on the regulation, but the effect of drift alteration based on regulation is
not taken into consideration. By analyzing the first and second nonlinear frames statically, we
will investigate the formation of nonlinear hinges and surface performance of frame
components under demand ATC 40. For extending, and processing, and emphasizing the drift
control, we will build frames with variable floors for further study.
١٢٠
In order to survey the impact of the manner and form of distribution of peripheral frame
loads under ATC 40 demand, we begin to form two identical frames under Iran Standard
2800 Regulation and control all criteria of this regulation; then the first frame will be under
peripheral load in the statically equal form (triangular) and the second frame will be under
even peripheral loading, the frames will, then be analyzed statically in a nonlinear mood. In
this way it is possible to study the effect of the distribution of peripheral loads on the manner
of nonlinear hinges formation, the distribution mood, increase of these hinges, and
performance surfaces of frame components. To extend and follow the impact of peripheral
load distribution in floors, we will prepare frames in different floors.
In the assessment procedure of the frames and in the study of their performance, it is
possible to compare ATC 40 spectrum with the spectrum of Iran 2800 standard. This
important point may be put forward as a marginal aim of the theses. To do so, the frames will
be analyzed under the two demand spectra statically in a nonlinear mood; also the
performance surfaces of the frame components will be compared in these two manners.
Finally by comparing frames in different conditions we will asses and survey surface
performance of their components. Also the importance and the result of controlling elements
of Iran 2800 Regulation will be investigated .Furthermore the frame safety margin and its
weaknesses and strengths concerning ATC 40 Regulation will extended and surveyed.