بهسازی لرزه ای سازه ها بر اساس نشریه 360 و 524 مطابق با FEMA و ATC40(پروژه محور)

بخش اول:صورت پروژه

پروژه مورد بررسی یک قاب خمشی متوسط فولادی  5 طبقه – 5 دهانه از یک سازه با درجه اهمیت خیلی زیاد    می­باشد که در یک منطقه با لرزه خیزی بسیار زیاد و دارای خاک نوع 2 بنا شده است. سایر مشخصات قاب به صورت زیر می­باشد:

عرض دهانه: 5 متر

ارتفاع طبقات: 3 متر

عرض بارگیر: 5 متر

بار زنده: 200کیلوگرم بر متر مربع

بار مرده: 500 کیلوگرم بر متر مربع

نکته: با توجه به اینکه روش بهسازی لرزه­ای برای سازه­های احداث شده مورد استفاده قرار می­گیرد، بدین منظور طراحی اولیه مقاطع بر اساس 70 درصد مقدار نیروی زلزله صورت گرفته است و سپس با اعمال 100 درصد نیروی زلزله به مدل جدید با مقاطع تعیین شده در مرحله طراحی، به بهسازی سازه و بررسی روش­های مختلف مقاوم سازی پرداخته شده است.

بخش دوم : طراحی اولیه مقاطع

برای معرفی مصالح، از منویdefine  گزینهmaterial  را انتخاب و مشخصات مصالح فولاد st37مورد استفاده در این سازه را مطابق پنجره زیر پر می­کنیم.

براساس جدول10-3-2-1مبحث نهم مقررات ملی ساختمان مقدار  برای مقاطع نورد شده 1.2 ذکر شده است. بنابراین:

 معرفی نوع بارها:

 برای معرفی نوع بارها در این سازه بار زنده و مرده و زلزله را باید وارد کنیم. بار زلزله در زیر محاسبه شده است.

• محاسبه ساختمان در برابر نیروی زمین لرزه بر پایه ویرایش 4 آئین­نامه استاندارد2800 :

روش تحلیل استاتیکی معادل ( Static Equivalent Lateral Force Analysis):

در این روش نیروی جانبی زلزله بر طبق ضوابط این بند تعیین شده و به صورت استاتیکی در امتدادها و جهات مختلف به سازه اعمال می­گردد و سازه با فرض رفتار خطی تحلیل می­شود.

نیروی برشی پایه (V) :

حداقل نیروی برشی پایه یا مجموع نیروهای جانبی زلزله در هر یک از امتدادهای ساختمان با استفاده از رابطه زیر محاسبه می­گردد:

C: ضریب زلزله که از رابطه زیر بدست می­ آید :

که در آن :

A شتاب مبنای طرح :

این نسبت در مناطق مختلف کشور، بر اساس میزان خطر لرزه خیزی آنها، به شرح جدول زیرتعیین می­شود. مناطق چهارگانه عنوان شده در این جدول در پیوست (1) استاندارد 2800 مشخص شده است.

نسبت شتاب مبنای طرح در مناطق با لرزه خیزی مختلف

نسبت شتاب مبنای طرح	توصیف	منطقه
0.35	پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد	1
0.3	پهنه با خطر نسبی زیاد	2
0.25	پهنه با خطر نسبی متوسط	3
0.2	پهنه با خطر نسبی کم	4

 Bضریب بازتاب ساختمان :

ضریب بازتاب ساختمان بیانگر نحوه پاسخ ساختمان به حرکت زمین است. این ضریب با استفاده از رابطه زیر تعیین می­شود :

در رابطه بالا B₁ ضریب شکل طیف و N حوزه نزدیک است.

ضریب شکل طیف،  B₁، با درنظر گرفتن بزرگ­ نمایی خاک در پریودهای مختلف و میزان لرزه خیزی منطقه مشخص شده است. این ضریب با استفاده از روابط زیر تعیین می شود.

محدوده زمان تناوب طبیعی ساختمان	ضریب شکل طیف
0<T<To	B1=So+(S-So+1)(T/To)
To < T < Ts	B1=S+1
T > Ts	B1=(S+1)(Ts/T)

در روابط بالا...

T: زمان تناوب اصلی ساختمان به ثانیه است.

زمان تناوب اصلی نوسان بسته به مشخصات ساختمان و ارتفاع آن از تراز پایه با استفاده از روابط تجربی زیر تعیین می­گردد.

• در این پروژه فرض می شود جداگرهای میانقابی مانعی برای حرکت قاب­ها ایجاد ننمایند:

دوره تناوب برای قاب خمشی فولادی  متوسط:

H تراز پایه ...

تراز پایه تا روی سقف بام در نظر گرفته می­شود.

T₀،Ts،S: پارامترهایی هستند که به نوع زمین و میزان خطر لرزه خیزی منطقه وابسته اند. مقادیر این پارامترها در جدول و انواع زمین مشخص شده­اند.

نحوه بدست آوردن حداکثر ضریب...

Nmax: حداکثر ضریب حوزه نزدیک است که از روابط زیر تعیین می شود:

ضریب اهمیت ساختمان(I) :

ضریب اهمیت ساختمان با توجه به گروه طبقه بندی آنها به شرح زیر تعیین می­گردد:

گروه 1: ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد

ضریب اهمیت ساختمان

ضریب اهمیت ساختمان	طبقه بندی ساختمان
1.4	گروه 1
1.2	گروه 2
1	گروه 3
0.8	گروه4

ضریب رفتار ساختمان(Ru)

ضریب رفتار ساختمان در برگیرنده عواملی از قبیل شکل پذیری، درجه نامعینی و اضافه مقاومت موجود در سازه است. این ضریب با توجه به نوع سیستم باربر ساختمان که در آن محدودیت­های موجود باید رعایت شده باشد طبق زیر تعیین می­گردد مقدار Ru در این جدول برای سازه­هایی که بر اساس مقاومت طراحی می­شوند، تنظیم شده است.

ضریب رفتار ساختمان

اعمال بار سازه:

بارهای مرده، زنده ، بار زلزله استاتیکی و باز زلزله دینامیکی را به صورت زیر از مسیرDefine>>load case & load pattern  وارد می کنیم:

در تعریف بار دینامیکی زلزله ضریب مقیاس به صورت زیر تعریف می­شود که باید اعمال کنیم:

تنظیمات جرم موثر سازه:

جرم موثر ساختمان جرمی است که در زلزله موثر است. مطابق با جدول 3-1 ایین نامه 2800 میزان تاثیر بار زنده برای این ساختمان 20% می باشد. بنابر این برای وارد کردن جرم موثر سازه از منوی define گزینه mass source را انتخاب کرده و به صورت زیر پنجره باز شده را پر میکنیم:

 معرفی طیف پاسخ خاک:

خاک انتخاب شده از نوع دو است بنابراین برای وارد کردن طیف استاندارد برای آن نوع خاک به صورت زیر عمل می­کنیم:

مسیر زیر را طی میکنیم:

Define>>function>>response spectrum

سپس خاک soil2h را به صورت زیر وارد میکنیم:

 اعمال ترکیبات بار:

چون این قاب در جهت x و دو بعدی است، بنابراین نیازی به وارد کردن بارهای Ey,Eyp,Eyn,ExpوExn     نمی­باشد. ترکیب بارهای وارد شده برای سازه به صورت زیر هستند:

COMB1:1.4DL

COMB2: 1.2DL+1.6LL

COMB3: DL+1.2LL+1.2Ex

COMB4: DL+1.2LL-1.2Ex

COMB5: DL+1.2Ex

COMB6: DL-1.2Ex

همچنین ترکیب بارهای دینامیکی به صورت زیر وارد می­شوند:

DCOMB7: 0.75DL+0.75SPX

DCOMB8:0.75DL+0.75LL+0.75SPX

جهت اختصاص از منوی DEFINE گزینه LOAD COMBINATIONرا انتخاب کرده و بارهای فوق را در پنجره باز شده وارد می­کنیم.

دو نمونه از ترکیب بارهای وارد شده در زیر نمایش داده شده­اند. سایر ترکیب بارها را نیز همینگونه وارد می­کنیم

اختصاص بارها:

بار زنده و مرده وارد بر تیرها را از مسیر زیر اعمال می­کنیم:

Assign>>frame load>>distribute

در پنجره باز شده بار زنده و مرده را به شکل زیر وارد می­کنیم:

اختصاص دیافراگم به گره ها:

در این قاب به دلیل اینکه دوبعدی است و قادر به تعریف DECK نیستیم، بنابراین باید دیافراگم را به گره­ها اختصاص دهیم. به این منظور کلیه گره­ها به جز گره­های واقع در کف را انتخاب کرده و از مسیر زیر دیافراگم را تعریف و اختصاص می­دهیم:

Assign>>point>>constraints

از پنجره باز شده با انتخاب diaphragm وکلیک روی گزینه add پنجره باز شده را به صورت زیر کامل می­کنیم:

 تنظیمات تحلیل:

از منوی analysis گزینه set analysis option را زده و پنجره را به صورت بالا باز می­کنیم:

پس از انجام تنطیمات فوق از منوی analysisگزینه run analysis را کلیک کرده تا سازه تحلیل شود.

پس از تحلیل سازه باید برش پایه استاتیکی و دینامیکی هم پایه شوند.

ضریب هم پایه سازی برای برش پایه استاتیکی و دینامیکی به صورت زیر محاسبه شده که باید در scale factor ضرب شود. این عمل آنقدر تکرار می­شود تا برش پایه استاتیکی و دینامیکی برابر شوند.

برای بدست اوردن برش پایه استاتیکی و دینامیکی از مسیر زیر اقدام می­کنیم:

Display>>show table>>output structure

در پنجره باز شده برش پایه استاتیکی و دینامیکی به صورت زیر نمایش داده شده است.

طراحی مقاطع:

از منوی design ابتدا آیین نامه طراحی را از گزینه steel frame design>>view/Revise preference آیین نامه AISC_LRFD93 را انتخاب می­کنیم. سپس ترکیب بارهای طراحی را از مسیر زیر اختصاص می­دهیم:

Design>>steel frame design>>select design combo

از منوی DESIGN گزینه start design check of structure را کلیک کرده تا سازه طراحی شود. سپس مقاطع را برای ratio=1.05 اجرایی می­کنیم. فایل نهایی طراحی شده به صورت زیر است:

بخش سوم: شروع فرآیند بهسازی لرزه ­ای تحلیل غیر خطی (پوش اور)

برای انجام تحلیل پوش اور باید ترکیب بارهای مورد نیاز برای تحلیل غیر خطی را وارد برنامه کنیم و تنظیمات تحلیل پوش اور را وارد نماییم. همچنین باید مفاصل پلاستیک را به مقاطع اختصاص دهیم. مراحل به شرح زیر است:

اعمال ترکیب بارهای تحلیل پوش اور:

معرفی الگوی بار ثقلی:

براساس fema356 و دستورالعمل بهسازی، الگوی بار ثقلی باید برای سازه معین شود. این الگوی بار به صورت زیر تعریف می­شود:

Load case=1.1(DL+LL)

برای تعریف الگوی بار از منوی Design گزینه load case را انتخاب کرده و با کلیک روی گزینه add پنجره باز شده را به صورت زیر پر می­نماییم.

معرفی الگوی بار جانبی:

براساس fema356 و دستورالعمل بهسازی، حداقل دو الگوی بار جانبی باید برای سازه معین شود. در این پروژه الگوی بار متناسب با بار جانبی در روش استاتیکی خطی متناسب با شکل مود اول ارتعاش و یکنواخت و تنها در یک جهت به سازه اثر داده می­شود.

برای معرفی الگوی بار جانبی ابتدا همانگونه که در تعریف الگوی بار جانبی در روش استاتیکی معادل عمل کردیم باید اقدام کنیم با این تفاوت که اینجا به منظور نیازمندی به بهسازی سازه، باید صد در صد بار زلزله یعنی مقدار واقعی ضریب زلزله بدست امده را وارد نماییم.

برای وارد کردن الگوی بار از منوی define گزینه load pattern  را انتخاب و پنجره user defined seismic loading را به صورت زیر پر می­نماییم:

پس از تعریف نوع بار مطابق بالا الگوی بار را باید تعریف کنیم. از منوی define گزینه load case را انتخاب و با کلیک روی add پنجره analysis case data-nonlinear static را به شکل زیر کامل می­کنیم:

تعیین جابجایی هدف:

براساس آیین نامه ی FEMA-356 ودستور العمل بهسازی، تغیر مکان هدف از رابطه زیر محاسبه می­شود :

تعیین پارامترهای رابطه:

تعریف الگوی بار جانبی براساس توزیع یکنواخت:

از منوی define  گزینه load case را اتنخاب و در پنجره analysis case data-nonlinear static تنظیمات زیر را انجام می­دهیم:

تعریف الگوی بار براساس مود اول ارتعاش:

برای تعریف این الگوی بار مشابه روند بالا پنجره باز شده را به صورت فوق پر می­نماییم.

تعریف مشخصات تحلیل غیر خطی:

از مسیر زیر تنظیمات لازم برای انجام آنالیز پوش اور را برای ایین نامه  ATC40 و FEMA356، براساس نشریه 360 و شکل پذیری ساختمان و همچنین نوع خاک بستر سازه، مطابق تصاویر زیر اعمال می­کنیم: Define>>push over parameter set

اختصاص مفاصل پلاستیک:

مفاصل پلاستیک را ابتدا به صورت auto می­دهیم سپس از مسیر زیر برای هر مقطع ستون باید مفاصل پلاستیک به صورت دستی وارد شوند و اختصاص داده شوند.

ابتدا اختصاص مفاصل پلاستیک auto:

Assign>>frame>>hinge

از پنجره باز شده frame hinge assignment گزینه Auto را برای 0.05و0.95 طول ستون وارد می­کنیم. و برای هر ستون پنجره Auto hinge assignment data را به شکل زیر کامل می­کنیم.

همچنین برای تیرها نیز روند بالا را طی کرده و پنجره Auto hinge assignment data را به شکل زیر پر می کنیم:

پس از اختصاص مفاصل Auto سازه را تحلیل می­نماییم.

اختصاص مفاصل دستی:

مفاصل دستی بر اساس جدول 5-3 نشریه 360 تعریف می­شوند.

برای وارد کردن مشخصات مفصل پلاستیک از منوی define گزینه hinge properties را انتخاب می­کنیم. به عنوان مثال برای مفصل اتوماتیک شماره 33 پس از انتخاب گزینه convert Auto to user prob وadd copy of property به صورت زیر مشخصات مفصل پلاستیک را برای سه بارp1,p2,p3 و دو جهت90 و 270 واردمی­کنیم.

این روش را برای کلیه مقاطع ستون­ها تکرار می­کنیم.

سپس برای هر نوع مقطع ستون از منوی assign>>frame>>hinge هر مفصل را به مقطع خود اختصاص    می­دهیم. همچنین برای تیرها نیز همین روش را تکرار می­کنیم.

پس از اختصاص مفاصل سازه را مجدد تحلیل کرده تا آنالیز پوش اور انجام شود.

برای مشاهده نتایج آنالیز پوش اور از منوی display مسیر زیر را می­رویم:

Display>>show static pushover curve

نتایج بدست امده برای fema و ATC40 به صورت زیر هستند:

براساس نمودار بالا Teff=0.367 می باشد. و نقطه عملکردی در step4 واقع شده است. در این step تعداد 8 مفصل در وضعیت ایمنی جانی قرار گرفته اند و چون سازه دارای اهمیت خیلی زیاد است. هیچ مفصلی نباید از وضعیت خدمت رسانی بی وقفه عبور کند.

بنابراین این هشت مفصل نیاز به بهسازی دارند. وضعیت مفاصل تشکیل شده به صورت زیر است:

بخش چهارم: بهسازی سازه به کمک روش­های مختلف مقاوم سازی و بررسی نتایج با هم­دیگر

1-استفاده از مهاربند:

مهاربند­ها با افزایش ظرفیت سازه سعی در بهبود رفتار سازه دارند. مهاربند­ها به دلیل افزایش سختی سازه باعث   می­شوند نیروی وارده به سازه افزایش یافته ولی جابجایی­های سازه کم شود.

به دلیل اینکه مهاربندهای جدید به صورت مرحله­ای به سازه اضافه شده­اند از آنالیز غیرخطی ساخت مرحله­ای استفاده می­­کنیم. یعنی تمام بارهای ثقلی به وسیله­ی سیستم سازه­ای که از قبل وجود داشته تحمل می­شود و سیستم بادبندی جدید فقط در تحمل بارهای جانبی مشارکت می­کند.

استفاده از مهاربند  ضربدری:یکی از روش های بهسازی متداول در سیستم­های فولادی استفاده از مهاربند x است. ولی عیب این روش اضافه کردن سختی زیاد می­باشد و باعث ایجاد مفصل در سایر اجزای سازه مانند تیرها و ستون­ها می­شود. در این پروژه دو قاب میانی به صورت زیر توسط بادبند مهاربندی شده است:

منحنی پوش اور:

وضعیت مفاصل سازه در نقطه ی عملکردی :

استفاده از مهار بند قطری:

مهاربندهای قطری به دلیل سختی کمتر نسبت به مهاربندهای ضربدری مناسبتر هستند زیرا بر سایر اعضای سازه­ای اثر کمتری می­گذارند.

منحنی پوش اور:

وضعیت مفاصل در نقطه عملکردی:

2-استفاده از مهاربند واگرا :

از راهکارهای دیگر جهت بهسازی سازه موجود استفاده از بادبند ebf می­باشد. در این نوع سیستم باربر جانبی، تیر پیوند از اهمیت ویژه ای برخوردار است و عضو بحرانی تلقی می­شود. در مدل سازی این سیستم باید مفصل پلاستیک به صورت دستی و با استفاده از جدول 5-3 نشریه 360، شرایط تعریف و نتایج برای هر نوع مقطع اختصاص داده شود.

سختی این نوع بادبند نسبت به بادبند x کمتر است بنابراین می­تواند روشی کاربردی تر محسوب شود. در شکل زیر جانمایی این نوع بادبند در قاب موجود نمایش داده شده است

منحنی پوش اور:

وضعیت مفاصل در نقطه عملکردی:

3-استفاده از میراگر:

میراگر باعث می­شود که انرژی زلزله میرا شود و راهکاری مناسب برای بهسازی سازه­های موجود می­باشد.میراگرها باعث کاهش تقاضا و سطح خطر می­شوند.

منحنی پوش سازه:

وضعیت مفصل:

4-بهسازی با ترکیب میراگر و مهاربند:

در این روش هم میراگر و هم مهاربند، جابجایی ها را کاهش می دهند که برای بهسازی مفید است.

منحنی پوش سازه:

مقایسه روش­های بهسازی صورت گرفته:

با توجه به اینکه سازه­ی دارای اهمیت خیلی زیاد می­باشد، ازبین روش­های گفته شده روشی که کمترین جابجایی و نیروی برشی را داشته باشد به عنوان روش بهسازی انتخاب می­شود.

---

منابع:

• آیین نامه طراحی ساختمان­ها در برابر زلزله، استاندارد 2800 ویرایش چهارم.
• مبحث 10 مقررات ملی ساختمان.
• دستورالعمل بهسازی لرزه­ای سازه­های موجود، نشریه 360.
• راهنمای روش­ها و شیوه­های بهسازی لرزه­ای ساختمان­های موجود، نشریه 524.
• جزوه بهسازی لرزه­ای استاد راهنمای محترم در مقطع کارشناسی ارشد، جناب آقای دکتر موسوی، دانشیار دانشگاه سیستان و بلوچستان – زاهدان.