روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد برای قاب هایی با مهاربندی کمانش تاب Performance-based plastic design method for buckling-restrained braced frames
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2010
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی عمران، مدیریت ساخت و سازه
مقدمه قاب مهاربندی مقاوم در برابر کمانش ((BRBF به عنوان سیستم اصلی مقاوم در برابر بار جانبی ساختمان هایی که درمنطقه با لرزه خیزی بالا قرار دارند استفاده می شود. از خصوصیات اصلی BRBF افزایش پتانسیل اتلاف انرژی ، شکل پذیری خوب و پاسخ متقارن هیسترتیک درکشش و فشار است. مدل های مختلفی از BRBF در سال های اخیر درایالات متحده وجاهای دیگر مورد آزمایش قرار گرفتند و توسعه یافتند[۱].یک BRBمعمولی شامل هسته فولادی تسلیم شده احاطه شده در یک مقطع فولادی توخالی برای جلوگیری از کمانش و بخش تسلیم نشده و مقاوم در برابر کمانش و بخش تسلیم نشده و مقید نشده (مهار نشده) در انتها (شکل۱).طول مهار شده در برابر کمانش BRB تقریبا ۶۰ -۷۰% طول کل بین نقاط کار است[۲,۳]. نیروهای محوری در BRB در درجه اول مقاومت توسط هسته فولاد است که به طور مداوم جانبی توسط اطراف محکم ملات و محفظه های فولادی برای جلوگیری از کمانش آنها را تحت بارهای فشاری وارد می شود. در نتیجه هسته فولادی در کشش و فشار تسلیم می شود در نتیجه افزایش قابل توجه ظرفیت اتلاف انرژی BRB با مهاربند فولادی معمولی مقایسه می شود. سابقه و هدف جامع تر در BRB را می توان در جای دیگر یافت [۴] . مطالعات تحلیلی و تجربی اخیر [۵,۶] نشان می دهد که BRB برای مشکلات متعدد بالقوه که ناشی از استفاده از مهاربند هم محور معمولی(CBF) ، مانند، تخریب ناگهانی در مقاومت و سختی،کاهش ظرفیت اتلاف انرژی و انعطاف پذیری محدود می تواند استفاده شود. به دلیل رفتار نزدیک متقارن در کشش و فشار BRBF در نتیجه نیروهای کوچک نامتعادل عمودی، BRBF در مقایسه با CBF معمولی با مهاربند شورون نیاز به تیر با مقطع کمتری دارد[۷]. انتظار می رود BRBF وقتی تحت زلزله بزرگ و حرکت زمین قرار می گیرد تغییر شکل های غیرالستیک بزرگی را تجربه کند. اگرچه اکثر روش های طراحی لرزه ای بر پایه تحلیل الاستیک است و از راه های غیر مستقیم برای رفتار غیر الاستیک استفاده می کنند. به این ترتیب روش طراحی بر اساس عملکرد فعلی به شدت متکی بر ارزیابی عملکرد است. “ ویرایشهای طراحی و “ ارزیابی عملکرد ” فرایندی برای رسیدن به طراحی قادر به دستیابی به عملکرد در نظر گرفته شده است[۸]. از سوی دیگر، روش های طراحی پیشنهادی نیاز به توسعه یک روش طراحی سیستماتیک است که باعث شود عملکرد لرزه ای سازه قابل پیش بینی و هدفمند شود. این به نوبه خود به حداقل می رساند، اگر نه کاملا از بین می برد، ارزیابی و طراحی مجدد در آیین نامه فعلی . اهداف از آنجا که Housner [9] مفهوم انرژی را به طراحی لرزه ای سازه ها اعمال کرد برای ایجاد رشته ی مهندسی لرزه مبتنی بر انرژی تلاش زیادی شده است. به تازگی روش های مبتنی بر طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد (PBPD) گسترش یافته است در مطالعه حاضر که در آن ویژگی های غیر الاستیک ساختاری قطعات به طور مستقیم در طراحی برای رسیدن به اهداف عملکردی BRBF در نظر گرفته شده است. این روش طراحی با موفقیت به انواع سیستم های قاب فولادی اعمال شده است[۱۰-۱۲] . در مطالعه حاضر روش PBPD برای سه حالت کوتاه، متوسط و بلند BRBF در دو حالت مهاربندی شورون و X به کار رفته است. استحکام پیشنهاد طراحی با یکسری تحلیل های تاریخچه زمانی با استفاده ازPERFORM 3D تایید می شود[۱۳]. برای دو سطح زلزله طراحی (DBE ، ۱۰% احتمال وقوع در ۵۰ سال و دوره بازگشت ۴۷۵ سال) و حداکثر زلزله ممکن (MCE ، ۲% احتمال وقوع در ۵۰ سال و دروه بازگشت ۲۴۷۵ سال) سطح خطر حرکت زمین است. ۶٫ خلاصه و نتیجه گیری روش طراحی مستقیم , که روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد (PBPD) نامیده می شود، بر پایه تعادل کار – انرژی، دریفت هدف از پیش انتخاب شده و مکانیسم تسلیم است که در این تحقیق برای BRBF با تلفیق مولفه های غیر الاستیک در طراحی توسعه داده شده است. روش طراحی PBPD متفاوت ازتحقیق حاضر نیست. نتیجه گیری زیر از مطالعه حاضر بدست آمده است: BRBF طراحی شده با روش PBPD ماکزیمم دریفت با سطح دریفت از پیش انتخاب شده (۱٫۷۵%)، همچنین مکانیسم تسلیم در نظر گرفته شده تحت سطح خطر DBE را با موفقیت طراحی می کند. دریفت ماکزیمم معمولا در ارتفاع ساختمان یکنواخت توزیع دارد. مقدار میانگین نسبت دریفت طبقه BRBF مورد مطالعه تحت سطح خطر MCE، تقریبا ۴% است. با این حال، مطالعه آزمایشگاهی اخیرنشان داد، BRBF با جزییات خوب، تحت این سطح دریفت آسیب کمتری می بیند. برای دستیابی به اهداف عملکردی BRBF مانند مشخصه های غیر الاستیک مولفه های سازه ای و نسبت دریفت هدف در نظر گرفته شده در طراحی نیاز به تکرار نیست. علاوه بر این، برای کنترل خوب دریفت، برای دستیابی به عملکرد لرزه ای مورد نیاز، صرف نظر کردن از اثر P-∆ برای سادگی، امکان پذیر است. برش طراحی بر اساس PBPD، برای BRBF 3، ۶ و ۹ طبقه ، ۹۱% و ۵۷% و ۶۴% محاسبه شده با آیین نامه امروزی است. این نشان می دهد که با روش PBPD در ضمن حفظ عملکرد لرزه ای مورد نیاز، طراحی اقتصادی داشته باشیم.
مقدمه قاب مهاربندی مقاوم در برابر کمانش ((BRBF به عنوان سیستم اصلی مقاوم در برابر بار جانبی ساختمان هایی که درمنطقه با لرزه خیزی بالا قرار دارند استفاده می شود. از خصوصیات اصلی BRBF افزایش پتانسیل اتلاف انرژی ، شکل پذیری خوب و پاسخ متقارن هیسترتیک درکشش و فشار است. مدل های مختلفی از BRBF در سال های اخیر درایالات متحده وجاهای دیگر مورد آزمایش قرار گرفتند و توسعه یافتند[۱].یک BRBمعمولی شامل هسته فولادی تسلیم شده احاطه شده در یک مقطع فولادی توخالی برای جلوگیری از کمانش و بخش تسلیم نشده و مقاوم در برابر کمانش و بخش تسلیم نشده و مقید نشده (مهار نشده) در انتها (شکل۱).طول مهار شده در برابر کمانش BRB تقریبا ۶۰ -۷۰% طول کل بین نقاط کار است[۲,۳]. نیروهای محوری در BRB در درجه اول مقاومت توسط هسته فولاد است که به طور مداوم جانبی توسط اطراف محکم ملات و محفظه های فولادی برای جلوگیری از کمانش آنها را تحت بارهای فشاری وارد می شود. در نتیجه هسته فولادی در کشش و فشار تسلیم می شود در نتیجه افزایش قابل توجه ظرفیت اتلاف انرژی BRB با مهاربند فولادی معمولی مقایسه می شود. سابقه و هدف جامع تر در BRB را می توان در جای دیگر یافت [۴] . مطالعات تحلیلی و تجربی اخیر [۵,۶] نشان می دهد که BRB برای مشکلات متعدد بالقوه که ناشی از استفاده از مهاربند هم محور معمولی(CBF) ، مانند، تخریب ناگهانی در مقاومت و سختی،کاهش ظرفیت اتلاف انرژی و انعطاف پذیری محدود می تواند استفاده شود. به دلیل رفتار نزدیک متقارن در کشش و فشار BRBF در نتیجه نیروهای کوچک نامتعادل عمودی، BRBF در مقایسه با CBF معمولی با مهاربند شورون نیاز به تیر با مقطع کمتری دارد[۷]. انتظار می رود BRBF وقتی تحت زلزله بزرگ و حرکت زمین قرار می گیرد تغییر شکل های غیرالستیک بزرگی را تجربه کند. اگرچه اکثر روش های طراحی لرزه ای بر پایه تحلیل الاستیک است و از راه های غیر مستقیم برای رفتار غیر الاستیک استفاده می کنند. به این ترتیب روش طراحی بر اساس عملکرد فعلی به شدت متکی بر ارزیابی عملکرد است. “ ویرایشهای طراحی و “ ارزیابی عملکرد ” فرایندی برای رسیدن به طراحی قادر به دستیابی به عملکرد در نظر گرفته شده است[۸]. از سوی دیگر، روش های طراحی پیشنهادی نیاز به توسعه یک روش طراحی سیستماتیک است که باعث شود عملکرد لرزه ای سازه قابل پیش بینی و هدفمند شود. این به نوبه خود به حداقل می رساند، اگر نه کاملا از بین می برد، ارزیابی و طراحی مجدد در آیین نامه فعلی . اهداف از آنجا که Housner [9] مفهوم انرژی را به طراحی لرزه ای سازه ها اعمال کرد برای ایجاد رشته ی مهندسی لرزه مبتنی بر انرژی تلاش زیادی شده است. به تازگی روش های مبتنی بر طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد (PBPD) گسترش یافته است در مطالعه حاضر که در آن ویژگی های غیر الاستیک ساختاری قطعات به طور مستقیم در طراحی برای رسیدن به اهداف عملکردی BRBF در نظر گرفته شده است. این روش طراحی با موفقیت به انواع سیستم های قاب فولادی اعمال شده است[۱۰-۱۲] . در مطالعه حاضر روش PBPD برای سه حالت کوتاه، متوسط و بلند BRBF در دو حالت مهاربندی شورون و X به کار رفته است. استحکام پیشنهاد طراحی با یکسری تحلیل های تاریخچه زمانی با استفاده ازPERFORM 3D تایید می شود[۱۳]. برای دو سطح زلزله طراحی (DBE ، ۱۰% احتمال وقوع در ۵۰ سال و دوره بازگشت ۴۷۵ سال) و حداکثر زلزله ممکن (MCE ، ۲% احتمال وقوع در ۵۰ سال و دروه بازگشت ۲۴۷۵ سال) سطح خطر حرکت زمین است. ۶٫ خلاصه و نتیجه گیری روش طراحی مستقیم , که روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد (PBPD) نامیده می شود، بر پایه تعادل کار – انرژی، دریفت هدف از پیش انتخاب شده و مکانیسم تسلیم است که در این تحقیق برای BRBF با تلفیق مولفه های غیر الاستیک در طراحی توسعه داده شده است. روش طراحی PBPD متفاوت ازتحقیق حاضر نیست. نتیجه گیری زیر از مطالعه حاضر بدست آمده است: BRBF طراحی شده با روش PBPD ماکزیمم دریفت با سطح دریفت از پیش انتخاب شده (۱٫۷۵%)، همچنین مکانیسم تسلیم در نظر گرفته شده تحت سطح خطر DBE را با موفقیت طراحی می کند. دریفت ماکزیمم معمولا در ارتفاع ساختمان یکنواخت توزیع دارد. مقدار میانگین نسبت دریفت طبقه BRBF مورد مطالعه تحت سطح خطر MCE، تقریبا ۴% است. با این حال، مطالعه آزمایشگاهی اخیرنشان داد، BRBF با جزییات خوب، تحت این سطح دریفت آسیب کمتری می بیند. برای دستیابی به اهداف عملکردی BRBF مانند مشخصه های غیر الاستیک مولفه های سازه ای و نسبت دریفت هدف در نظر گرفته شده در طراحی نیاز به تکرار نیست. علاوه بر این، برای کنترل خوب دریفت، برای دستیابی به عملکرد لرزه ای مورد نیاز، صرف نظر کردن از اثر P-∆ برای سادگی، امکان پذیر است. برش طراحی بر اساس PBPD، برای BRBF 3، ۶ و ۹ طبقه ، ۹۱% و ۵۷% و ۶۴% محاسبه شده با آیین نامه امروزی است. این نشان می دهد که با روش PBPD در ضمن حفظ عملکرد لرزه ای مورد نیاز، طراحی اقتصادی داشته باشیم.
Description
Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are emerging systems used as primary lateral load resisting systems for buildings in high seismic areas. The main characteristics of buckling-restrained braces (BRBs) are enhanced energy dissipation potential, excellent ductility, and nearly symmetrical hysteretic response in tension and compression. Different types of BRBs have been developed and tested in United States and elsewhere in recent years [1]. A typical BRB consists of a yielding steel core encased in a mortarfilled steel hollow section to restrain buckling, non-yielding and buckling-restrained transition segments, and non-yielding and unrestrained end zones (Fig. 1). The length of the buckling-restrained (core) segment of BRB is about 60%–۷۰% of the total length between work points (e.g [2,3]). Axial forces in BRBs are primarily resisted by steel cores which are laterally braced continuously by the surrounding mortar and steel encasement to avoid their buckling under compressive loads. This allows the steel core to yield in tension and compression, thereby significantly increasing the energy dissipation capacities of BRBs as compared to conventional steel braces. A more comprehensive background on BRBs can be found elsewhere [4]. Recent analytical and experimental studies [5,6] have shown that BRBFs can be used to overcome several potential problems associated with the conventional steel concentrically braced frames (CBFs), such as, sudden degradation in strength and stiffness, reduced energy dissipation capacity, and limited ductility. Because of the nearly symmetrical behavior of BRBs in tension and compression resulting in much smaller unbalanced vertical brace forces, BRBFs also require smaller beam sections as compared to conventional CBFs with chevron bracing configurations [7]. It is expected that BRBFs will experience large inelastic deformation when subjected to major earthquake ground motions. However, most current seismic design methods are still based on the elastic analysis approach and use indirect ways to account for inelastic behavior. As such, the current performance-based design methodology relies heavily on an iterative ‘‘Assess Performance’’, ‘‘Revision Design, and ‘‘Assess Performance’’ process to reach a design capable of achieving the intended performance [8]. On the other hand, the proposed design methodology addresses the need for developing a systematic design approach that results in predictable and targeted seismic performance of structures under stated levels of seismic hazards. This in turn minimizes, if not totally eliminates, the assessment and redesign tasks as required by current code provisions.
