تعیین سطح عملکرد قاب های خمشی طرح شده به روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد (PBPD) تحت اثر زلزله

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

قاب های خمشی بتنی ویژه از جمله سیستم های سازه ای مناسب برای مناطق لرزه خیز محسوب می شود که به علت شکل پذیری مناسب در هنگام زلزله انرژی زلزله را مستهلک می کند. قاب  طرح شده با روش طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد، دارای عملکرد و پاسخ مناسب تر و قابل پیش بینی در هنگام زلزله می باشد، برای ارزیابی  قاب خمشی بتنی ویژه طرح شده بر اساس عملکرد پلاستیک به بررسی سطح عملکرد این قاب ها با تعداد طبقات 4 ، 8 ، 12 و 20 می پردازیم و از قاب 3 دهانه با اندازه دهانه یکسان استفاده می کنیم. پس از طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد اجزائ قاب و اعمال بار گذاری جانبی  تحلیل استاتیکی غیر خطی بر قاب طرح شده، با توجه به نمودار پوش حاصل از تحلیل استاتیکی غیر خطی در         می یابیم که قاب های طرح شده به این روش دارای شکل پذیری و سختی مناسبی به هنگام بارگذاری جانبی می باشند. با بررسی عملکرد قاب ها در سطح خطر 1، قاب های 4، 8 و 12 طبقه دارای عملکرد CP (آستانه فروریزش) بوده که ضعیف تر از عملکرد طراحی (امنیت جانی)  می باشد  و قاب 20 طبقه دارای عملکرد LS (امنیت جانی) بوده که نشان دهنده بهسازی مبنا برای این قاب است و مفصل پلاستیک در تمامی قاب ها فقط در تیر ها و در پای ستون قاب ها تشکیل شد و با بررسی عملکرد قاب ها در سطح خطر2، همه قاب ها دارای عملکرد CP (آستانه فروریزش) می باشند که نشان دهنده بهسازی مطلوب در این سطح خطر است و مانند سطح خطر 1، مفصل پلاستیک در تمامی قاب ها فقط در تیرها و در پای ستون قاب ها تشکیل شد و در زلزله بهره برداری قاب 4 طبقه عملکردIO (قابلیت استفاده بدون وقفه) بوده و قاب های 8 ، 12 ، 20 طبقه دارای عملکرد O (قابلیت خدمات رسانی بدون وقفه) می باشند و مفاصل پلاستیک در این سطح خطر فقط در تیر ها بوجود آمد. 

                                              فهرست مطالب                                                   صفحه

فصل 1  - کلیات                                                                                                1
1-1مقدمه   ...................................................................................................................................................  2
1-2هدف از انجام تحقیق   .........................................................................................................................  5
فصل 2 - مروری بر تحقیقات گذشته                                                                  6
2-1 طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد  .............................................................................................   7
2-1-1 تحقیقات دکتر بیات (2010)   .................................................................................................   7
2-1-2 تحقیقات ونگ چنگ لیا ( 2010 )...........................................................................................    7
2-2 روش های طراحی دیگر....................................................................................................................... 8
2-2-1 روش طیف نقطه تسلیم...............................................................................................................   9
2-2-2 روش طراحی مستقیم بر اساس جابجایی...............................................................................   10
فصل 3 - مبانی طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد و عملکرد لرزه ای                  12
3-1 معرفی..................................................................................................................................................   13.
3-2 مراحل طراحی پلاستیک بر اساس عملکرد.................................................................................   14
3-2 -1 مکانیزم تسلیم مطلوب و جابجایی هدف...............................................................................   16
3-2-2 تعیین پریود اصلی........................................................................................................................   17
3-2-3 برش پایه طراحی..........................................................................................................................   17
3-2-4 روش محاسبه C2........................................................................................................................   25
3-2-5 فاکتور ƞ....................................................................................................................................     30
3-2-6 نیرو های جانبی طراحی (بدون p-delta).......................................................................     31
3-2-7 طراحی اعضا تسلیم شونده....................................................................................................     33
3-2-8 طراحی اعضا تسلیم نشدنی...................................................................................................     36 
3-3 سطح عملکرد...................................................................................................................................    39
3-4سطوح خطر لرزه ای........................................................................................................................    41
فصل 4 – بررسی و تفسیر نتایج                                                                      42
4-1 معرفی................................................................................................................................................   43
4-2 مشخصات ساختمان ها.................................................................................................................   43
4-2-1 مدل 4 طبقه PBPD RC SMF .........................................................................................   46
4-2-2 مدل 8 طبقه PBPD RC SMF .........................................................................................   57
4-2-3 مدل 12 طبقه PBPD RC SMF .....................................................................................   65
4-2-4 مدل 20 طبقه PBPD RC SMF ......................................................................................   73
4-3 سطح عملکرد.................................................................................................................................   83
4-3-1 بررسی عملکرد قاب 4 طبقه PBPB RC SMF..............................................................   83
4-3-1-1 سطح خطر 1 (DBE).......................................................................................................   84
4-3-1-2 سطح خطر2 (MCE).......................................................................................................   86
4-3-1-3 زلزله بهره برداری..............................................................................................................   87
4-3-2 بررسی عملکرد قاب 8 طبقه PBPB RC SMF.............................................................   89
4-3-2-1 سطح خطر 1 (DBE)....................................................................................................   89
4-3-2-2 سطح خطر2 (MCE)...................................................................................................   91
4-3-2-3 زلزله بهره برداری..........................................................................................................   93
4-3-3 بررسی عملکرد قاب 12 طبقه PBPB RC SMF......................................................   94
4-3-3-1 سطح خطر 1 (DBE)..................................................................................................   94
4-3-3-2 سطح خطر2 (MCE)..................................................................................................   99
4-3-3-3 زلزله بهره برداری.........................................................................................................   102
4-3-4 بررسی عملکرد قاب 20 طبقه PBPB RC SMF......................................................   104
4-3-4-1 سطح خطر 1 (DBE)..................................................................................................   104
4-3-4-2 سطح خطر2 (MCE)..................................................................................................   108
4-3-4-3 زلزله بهره برداری.........................................................................................................   110
فصل5 – نتیجه گیری و پیشنهادات                                                           113
5 –1 نتیجه گیری     ..............................................................................................   114
5 –2 پیشنهادات  .........................................................................................................................   116
مراجع   ................................................................................................................................................ 117

 
                                     فهرست شکل ها                                                      صفحه

شکل 2-1  نمونه طیف نقطه تسلیم.....................................................................................................    9
شکل 3-1 مفهوم PBPD........................................................................................................................    13
شکل 3-2  مکانیزم تسلیم مطلوب قاب خمشی................................................................................    16
شکل 3-3  پاسخ ایده آل شده سازه و مفهوم تعادل انرژی SDOF……….........................…... 18
شکل 3-4  طیف غیر الستیک ایده آل شده……………......………………….……………….  21
شکل 3-5 ضریب اصلاح انرژی ………………….………….............................................………….  22
شکل 3-6 رابطه بین برش پایه ی PBPD و نرخ جابجایی هدف و پریود....................................... 24
شکل 3-7 میانگین جابجایی نسبی مدل های SSD به EPP.........................................…...…….  26
شکل 3-8 محاسبه برش پایه طراحی محاسبه شده با متد C2.....................…….…..............….….29
شکل 3-9 رابطه بین برش پایه طراحی PBPD ، جابجایی هدف طراحی.......……..............…...  30
شکل 3-10 چرخه هسترتیک pinched ………………….………….................................…….  31
شکل 3-11 قاب یک دهانه با مکانیزم طبقه نرم ……….............................................................….  35
شکل 3-12 دیاگرام آزاد درخت ستون خارجی ……...…....................................................…………37
شکل 3-13 قاب یک دهانه با مکانیزم طبقه نرم ………....................................................……….  40
شکل 4-1 پلان ساختمان های طرح شده.............….....................................................................….  43
شکل 4-2 مدل 4 طبقه RC SMF.............…......................................................….….................….  45
شکل 4-3 مکانیزم تسلیم از پیش انتخاب شده برای  RC SMF......................…...................….  46
شکل 4-4 دیاگرام آزاد تیر ،ستون خارجی و ستون داخلی.................................…......................….  52
شکل 4-5 دیاگرام لنگر خمشی ستون داخلی و خارجی.................................…...........................….  55
شکل 4-6 دیاگرام لنگر خمشی ستون داخلی و خارجی.....................................….......................….  62
شکل 4-7 دیاگرام لنگر خمشی ستون داخلی و خارجی.....................................….......................….  70
شکل 4-8 دیاگرام لنگر خمشی ستون داخلی و خارجی....................................…........................….  79
شکل 4-9 تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................….................................................….  84
شکل 4- 10منحنی pushover  قاب 4 طبقه PBPD RC SMF(DBE)............…...................  85
شکل 4- 11 تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…..............................................…. 86
شکل 4- 12منحنی pushover  قاب 4 طبقه PBPD RC SMF(MCE)..........…....................  87
شکل 4-13 تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…................................................…. 88
شکل 4- 14منحنی pushover  قاب 4 طبقه PBPD RC SMFبهره برداری.............................  88
شکل 4-15 تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…................................................…. 89
شکل 4- 16منحنی pushover  قاب 8 طبقه PBPD RC SMF(DBE)............…....................  90
شکل 4-17  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…...............................................…. 91
شکل 4- 18منحنی pushover  قاب 8 طبقه PBPD RC SMF(MCE)..........…....................  92
شکل 4  -19تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…..............................................…. 93
شکل 4- 20منحنی pushover  قاب 8 طبقه PBPD RC SMFبهره برداری............................  94
شکل 4- 21  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................….............................................…. 95
شکل 4- 22  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................….................................................. 96
شکل 4- 23  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................….............................................…. 97
شکل 4- 24منحنی pushover  قاب 12 طبقه PBPD RC SMF(DBE)............…..................  98
شکل 4- 25  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…...............................................…. 99
شکل 4- 26  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…...............................................…. 100
شکل 4- 27  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…...............................................…. 101
شکل 4- 28منحنی pushover  قاب 12 طبقه PBPD RC SMF(MCE)..........…...................  102
شکل 4- 29  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…...............................................…. 103
شکل 4- 30منحنی pushover  قاب 12 طبقه PBPD RC SMFبهره برداری............................  104
شکل 4- 31  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…..................................................... 105
شکل 4- 32  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…................................................…. 106
شکل 4- 33منحنی pushover  قاب 20 طبقه PBPD RC SMF(DBE)............…....................  107
شکل 4- 34  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…................................................…. 108
شکل 4- 35  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…................................................…. 109
شکل 4- 36منحنی pushover  قاب 20 طبقه PBPD RC SMF(MCE)..........….....................  110
شکل 4- 37  تشکیل مفصل پلاستیک در قاب.................................…..................................................... 111
شکل 4- 38منحنی pushover  قاب 20 طبقه PBPD RC SMFبهره برداری.............................  112
 

                                                     فهرست جدول ها                                        صفحه
جدول  3-1  ضریب کاهش شکل پذیری....................................…......................................................…. 19
جدول  3-2  نرخ جابجایی تسلیم طرح........................................…......................................................…. 22
جدول  3-3  مقادیر C2  برای فاکتور کاهش نیرو مختلف.…..........................................................…. 26
جدول  3-4  نیروی برش طراحی........................................…...............................................................…. 28
جدول  3-5  برش پایه طرح شده v/w از روش C2.............................................................................. 31
جدول  3-6  سطح عملکرد ساختمان........................................….......................................................…. 40
جدول  3-7  سطوح خطر لرزه ای.............................................…........................................................…. 41
جدول  4-1  پارامتر های طراحی.............................................….........................................................…. 44
جدول  4-2  اطلاعات اساسی طراحی..................................................................................................…. 44
جدول  4-3  پارامتر های طراحی.............................................…........................................................…. 47
جدول  4-4  پارامترهای مهم طراحی 4 طبقه  RC SMF............................................................…. 47
جدول  4-5  پارامتر های طراحی برای محاسبه برش پایه ساختمان4 طبقه ...............................  49
جدول  4-6  پارامتر های طراحی تیر ساختمان 4 طبقه..................................................................... 50
جدول  4-7  پارامتر های طراحی ستون ساختمان 4 طبقه..............................................................  54
جدول  4-8 جزئیات ستون ها................................................................................................................   56
جدول  4-9 مقطع  ستون ها..................................................................................................................   56
جدول  4-10  پارامتر های طراحی.............................................….................................................…. 57
جدول  4-11  پارامترهای مهم طراحی 8 طبقه  RC SMF..........................................................  58
جدول  4-12  پارامتر های طراحی برای محاسبه برش پایه ساختمان8 طبقه .........................  58
جدول  4-13  پارامتر های طراحی تیر ساختمان 8 طبقه..............................................................  59
جدول  4-14  پارامتر های طراحی ستون ساختمان 8 طبقه.........................................................  60
جدول  4-15 جزئیات ستون ها...........................................................................................................   62
جدول  4-16 مقطع  ستون ها.............................................................................................................   63
جدول  4-17  پارامتر های طراحی.............................................…................................................…. 64
جدول  4-18  پارامترهای مهم طراحی 12 طبقه  RC SMF......................................................  64
جدول  4-19  پارامتر های طراحی برای محاسبه برش پایه ساختمان12 طبقه ...................   65
جدول  4-20  پارامتر های طراحی تیر ساختمان 12 طبقه.........................................................  66
جدول  4-21  پارامتر های طراحی ستون ساختمان 12 طبقه...................................................  68
جدول  4-22 جزئیات ستون ها........................................................................................................   70
جدول  4-23 مقطع  ستون ها...........................................................................................................  71
جدول  4-24  پارامتر های طراحی.............................................….............................................…. 72
جدول  4-25  پارامترهای مهم طراحی 20 طبقه  RC SMF...................................................  72
جدول  4-26  پارامتر های طراحی برای محاسبه برش پایه ساختمان20 طبقه ................   73
جدول  4-27  پارامتر های طراحی تیر ساختمان 20 طبقه.......................................................  74
جدول  4-28  پارامتر های طراحی ستون ساختمان 20 طبقه.................................................  77
جدول  4-29 جزئیات ستون ها......................................................................................................   79
جدول  4-30 مقطع  ستون ها........................................................................................................   81
 
فهرست نماد ها

PBPD........................................................................................................   طراحی بر اساس عملکرد پلاستیک
SMF...........................................................................................................   قاب خمشی ویژه
RC..............................................................................................................  بتن مسلح
DBE...........................................................................................................   زلزله سطح خطر 1
MCE...........................................................................................................  زلزله سطح خطر2

فصل 1

کلیات

1-1مقدمه
روش های طراحی لرزه ای کنونی عموما بر اساس تحلیل رفتار الاستیک سازه تحت نیروهای جانبی است. یعنی در این روش ها برش پایه با فرض رفتار الاستیک سازه ارائه می گردد و برای کاهش این نیرو از ضریب اصلاح  Rاستفاده می شود (مانند استاندارد2800). که ضریبR  بر اساس شکل پذیری سازه می باشد که در کل باعث می شود تعیین نیروی برش پایه با قضاوت مهندس همراه شود. در چنین حالتی که کاهش برش پایه بصورت تقریب می باشد. عملا سازه برای تغییر شکل های غیر الاستیک طراحی نشده و هنگامی که تحت زلزله شدید قرار گیرد، سازه عملکردی غیر قابل پیش بینی دارد یعنی تغییر شکل ها در این حالت تقریبا کنترل نشده است. که باعث شکل پذیری و کاهش اتلاف انرژی در سازه می شود و در نتیجه باعث عدم استفاده از تمام ظرفیت سازه می گردد.
 در واقع علاوه بر غیر اقتصادی بودن ممکن است باعث تخریب سازه نیز می گردد.
ضعف روش های فعلی :
1.    فرض گارانتی شدن ایمنی یا کاهش خرابی با افزایش نیروی برش پایه:
در زلزله های گذشته واژگونی هایی به علت شکست محلی در ستون ها دیده شده است.
2.    فرض توزیع نیروی جانبی در ارتفاع سازه بر اساس رفتار الاستیک:
تحقیقات قبلی نشان داده که توزیع نیروی جانبی فعلی به شدت از جواب حاصل از تحلیل دینامیکی غیر خطی  تاریخچه زمانی فاصله گرفته است . نتایج حاصل از آنالیز دینامیکی غیر خطی انجام شده توسط ویلاورد (1991-1997) توزیع نیروهای جانبی بدون در نظر گرفتن این اصل که سازه تحت زلزله شدید وارد ناحیه غیر الاستیک می شود می تواند اولین دلیل برای واژگونی تعداد بسیار زیادی از ساختمان ها در زلزله مکزیکو سیتی (1985) باشد. [1]
3.    بدست آوردن نسبت اندازه اعضا بر اساس سختی اولیه آن ها:
بزرگی نیروهای اعضا از رابطه سختی الاستیک اعضای سازه بدست می آید اما تحت زلزله شدید سختی تعداد زیادی از اعضا     بشدت تغییر می کند با توجه به ترک خوردگی بتن یا تسلیم شدن فولاد و در حالی که سایر اعضا بدون تغییر باقی می مانند که این امر باعث تغییر در توزیع نیرو در اعضای سازه می شود. نسبت های مناسب اندازه اعضا بدون استفاده از توزیع مناسب تر حاصل نمی گردد طوری که توزیع شامل رفتار غیر الاستیک نیز بشود .
4.    تلاش برای پیش بینی جابجایی غیر الاستیک با استفاده از عوامل تقریبی و آنالیز رفتار: 
این امر در بسیاری از تحقیقات قبلی انجام شده اثبات گردید[2].
5.تلاش برای حذف تسلیم ستون بوسیله نسبت استحکام تک ستون-به-تیر:
تحقیقات بسیاری نشان داد که روشهای طراحی ظرفیت متعارف برای طراحی ستون ها در قاب خمشی بتن مسلح نمی توانند تسلیم در ستون ها را حذف کنند( دوولی و براچی 2001; کنتز وبرانینگ 2003) در واقع گشتاور تقاضا ستون اغلب دست کم گرفته می شود زیرا گشتاور ستون ها تنها از تیر ها یا دیگر اعضا متصل به ستون حاصل نمی گردد بلکه همچنین از جا بجایی جانبی نیز بدست می آید.[3]
پس سیستم های طراحی لرزه ای فعلی همیشه عملکرد مطلوبی را فراهم نمی کنند و برای رسیدن به طراحی مطلوب باید از طراحی استفاده شود که هم رفتار غیر الاستیک را در نظر بگیرد هم نیروی برش پایه مناسب به همراه توزیع بار جانبی مناسب. همچنین باید مکانیزم تسلیم مطلوب و دریفت مناسب در سطح خطر در طراحی از ابتدای کار در طراحی دخیل باشد.
به این منظور طراحی بر اساس عملکرد پلاستیک یاPBPD  توسط پروفسور گل طی دهه اخیر معرفی شده و کامل گشت، در این روش مستقیما رفتار غیر خطی سازه در طراحی نقش داشته و هرگونه قضاوت مهندس و تکرار و سعی و خطا بعد از طراحی اولیه را حذف کرده است.
روشPbPd از دریفت هدف و مکانیزم تسلیم از پیش انتخاب شده بعنوان حالات عددی عملکردی استفاده می کند. هدف اصلی در طراحیPbPd ایجاد ساختمان با عملکرد لرزه ای قابل پیش بینی و کنترل شده می باشد.
برش پایه طراحی برای سطح خطر معین با معادل کردن کار لازم برای هل دادن مونوتونیک سازه تا جابه جایی هدف با انرژی مورد نیاز(Demand) در سیستم یک درجه آزاد الاستوپلاستیک معادل آن سازه برای رسیدن به وضعیت مشابه محاسبه می گردد.
همچنین در این روش توزیع نیروی جانبی در ارتفاع بر اساس توزیع نسبت برش های طبقه ماکزیمم به دست آمده از نتایج پاسخ تحلیلی دینامیکی غیر الاستیک می باشد.
 این توزیع بار، وقتی سازه ها در حال پاسخ به زلزله های شدید و تغییر شکل های غیر الاستیک هستند تخمین بسیار خوبی از نیاز ممان ماکزیمم ستون می دهد و اثرات مودهای بالاتر به خوبی در توزیع بار جانبی منعکس می شود.
طراحی اعضاء و اتصالات نیز با استفاده از طراحی پلاستیک، برای رسیدن به رفتار و مکانیزم تسلیم مورد نظر انجام می گردد. در طراحی ستون ها به جای در نظر گرفتن  یک گره کل درخت ستون در نظر گرفته می شود.
 در این روش در طراحی اعضاء قاب هدف دستیابی به ستون های قوی و تیرهای ضعیف می باشد. در واقع تیرها بعنوان اعضای تسلیم شونده و ستون ها بعنوان اعضای تسلیم نشدنی می باشند که الاستیک باقی می مانند این نوع طراحی باعث اتلاف انرژی بیشتری در سازه می شود.
در کل با مقایسه های صورت گرفته بین ساختمان طرح شده به روش های مرسوم و طرح شده با روشpbpd نتیجه مطلوب تری حاصل شده که با توجه به سعی و خطا که در این روش و عدم بکارگیری برخی از پارامترها مانند R ،I، Cd واضح است که این روش پاسخ دقیق تری را به همراه دارد. 
امروزه یکی از روش های ارزیابی عملکرد لرزه ای ساختمان ها از طریق بررسی سطح عملکرد و انجام تحلیل استاتیکی غیر خطی (pushover analysis) می باشد ، که معیار بسیار مناسبی برای بررسی رفتار سازه و میزان جابجایی سازه  تحت الگوی بارگذاری جانبی  مورد نظر می باشد.
همچنین برای ارزیابی قاب مورد نظر از ساختمان با تعداد طبقات مختلف استفاده می شود که اثرات ارتفاع هم بررسی شود.