رفتار سازه های مشبک فضایی در برابر زلزله

به گزارش «خبرنامه دانشجویان ایران»؛

مقدمه ای بر سازه فضا کار و زلزله

سازه ‌های فضایی در ساخت چادر ها و گنبد ها کاربرد داشته ‌اند، اما آنچه امروزه به آن سازه فضا کار می‌گوییم، به‌صورت یک شبکه فلزی مدرن طراحی شده است. سازه فضایی با اتصالات استاندارد و امکان تولید انبوه، اقتصادی، امن و به ‌صرفه‌اند. از ویژگی ‌های انواع سازه فضاکار می ‌توان به تولید پیش‌ساخته در کارخانه ، عدم نیاز به سقف کاذب و نقش باربری بالا به‌ واسطه شبکه‌ های منظم اشاره کرد. این سازه ‌ها به دلیل ساختار سه ‌بعدی، کارایی بالاتری نسبت به سازه‌های دوبعدی داشته و امکان آویزان کردن جرثقیل ‌ها و تجهیزات را نیز فراهم می‌کنند.

شرکت سازه فضایی آوش سازه که از برترین مجریان سازه فضایی در ایران می باشد، با استفاده از مدرن ترین و بروز ترین تکنیک های ساخت سازه فضا کار ، سازه هایی کاملا مقاوم در برابر زلزله را طراحی و اجرا می کند. در این مطلب ، شما را با تمام رفتار هایی که یک سازه فضایی در هنگام  زلزله باید بررسی گردد،آشنا می سازیم.

سازه و زلزله

برای تحلیل سازه های نا متعارف در برابر زلزله روش تحلیل دینامیکی توصیه می شود. علاوه بر آن روش های دیگری مثل تحلیل استاتیکی معادل و تحلیل مدی نیز بکار می روند که کلیه این تحلیل ها هم در حوزه ارتجاعی و هم در حوزه غیر ارتجاعی کاربرد دارند.

ویژگی های نیرو های وارده در هنگام زلزله

نیروهای وارد بر یک سازه فضایی تحت یک زلزله خاص بستگی به خواص دینامیکی آن سازه دارد. از جمله این خواص می توان به زمان تناوب ، استهلاک سازه ، سختی ، نرمی ، منحنی نیروی افقی - تغییر مکان جانبی ، ضریب رفتار ( که خود شامل ضریب کاهش نیرو در اثر شکل پذیری ضریب اضافه مقاومت و ضریب تنش مجاز می شود ) مد های ارتعاشی ، ضریب مشارکت جرمی در یک مد ، ضریب تأثیر مدى ، رفتار پس کمانشی( برای اعضای کششی فشاری ) ، مشخصات مفصل پلاستیک ، تغییر مکان هدف ، رسم منحنی های هیسترزیس و ... اشاره کرد. اثر میرایی در زلزله

میرایی در تمام سیستم های ارتعاشی وجود دارد. در واقع هر سیستمی که دارای جرم و سختی باشد واجد میرایی نیز خواهد بود . اثر میرایی در هر سیستم جذب انرژی ارتعاشی آن سیستم و تبدیل آن به شکل دیگری از انرژی مثل گرما می باشد هر زمان که سیستم دچار ارتعاش می گردد استهلاک انرژی نیز اتفاق خواهد افتاد . در ارتعاش منحنی نیرو تغییر مکان در یک نوسان سطحی را بوجود خواهد آورد که این سطح برابر انرژی مستهلک شده در آن نوسان خواهد بود.

انواع میرایی ها

- میرایی ویسکوز

- میرایی هیسترزیس

میرایی کولمب

میرایی ویسکوز

این خاصیت بعنوان یکی از منابع میرایی می باشد . نیروی تولید شده در میرایی ویسکوز به صورت مقاومت در برابر حرکت یک جسم در داخل یک سیال تعریف می شود. مدل کردن ریاضی میرایی ویسکوز ساده می باشد و به همین خاطر در عمده تحلیل های دینامیکی از این مدل استفاده می شود.

میرایی هیسترزیس

این نوع میرایی که منبع اصلی آن خود ماده می باشد ، بواسطه اندرکنش بین لایه های درونی ماده تولید می شود.

میرایی کولمب

شکل سوم میرایی در این طبقه بندی می باشد . حرکت نسبی بین دو سطح که روی هم می لغزند باعث بوجود آمدن نیروی میرا کننده کولمب می گردد. اصطکاک موجود بین سطوح باعث تولید این نیروی میراکننده می باشد . میرایی در سازه ها نه فقط از ناحیه میرایی ماده یا ویسکوز بلکه در اغلب موارد ناشی از اصطکاک موجود در اتصالات سازه ها مثل اتصالات پیچ و مهره ای می باشد. از این میرایی بعضا به نام میرایی اصطکاکی نیز نام برده می شود .

ضریب میرایی

این متغیر در میرایی به طور کلی در سازه های فضاکار ناچیز بوده و حتی در آستانه تسلیم هم به زحمت به ۲ درصد می رسد. علت این امر آن است که در سازه های فضاکار اتلاف انرژی عمدتاً توسط خود مصالح انجام می گیرد و نقش مصالح غیر سازه ای بسیار ناچیز است .

تعیین میزان میرایی سازه فضایی

البته میزان میرایی در سازه های فضاکار به نوع اتصالات آن بستگی دارد. اتصالات دندانه ای پیچ و مهره ای ظرفیت میراکنندگی بالاتری نسبت به اتصالات جوشی دارند. بعبارت دیگر قابلیت جذب و استهلاک انرژی در سازه های با اتصالات دندان های بیشتر از سازه های با اتصالات جوشی است. در اتصال جوشی زمانی که دو عضو بهم متصل می شوند یک نوع یکپارچگی در محل اتصال برای دو عضو بوجود می آید و در این اتصال اعضای بهم متصل شده هیچ حرکتی نسبت بهم ندارند. اما در یک اتصال پیچ و مهره ای اعضای متصله توسط پیچ و مهره در کنار هم قرار می گیرند در حالی که سطوح اعضای متصله در کنار هم قرار دارند اما همچنان استقلال اعضا نسبت بهم حفظ می شود.

میرایی کل سازه

اگر سازه تحت تاثیر بارهای خارجی دچار کرنش شود سطوح اعضای متصله روی هم می لغزند علاوه بر آن سطوح دندانه دار پیچ و مهره که با هم درگیر هستند نسبت بهم دچار لغزش می شوند وجود اصطکاک بین سطوح مماس موجب می شود که با هر لغزشی نیروی اصطکاک تولید شود این نیرو که همان نیروی میراکننده است در کنار میرایی سازه ای ( میرایی که در خود ماده وجود دارد ) میرایی کل سازه را رقم می زند. در حالی که در سازه با اتصال جوشی فقط میرایی سازه ای است که به عنوان تنها عامل میراکننده حضور دارد .

متغیر های رفتاری سازه

رفتار غیر خطی اعضای سازه ای با توجه به کارکرد آن ها ( کششی – فشاری ) و مشخصات مفاصل پلاستیک (Plastic Hinges) برای کشش و فشار می بایست تعریف گردد.

معیار تغییر مکان

یک مؤلفه مهم در بررسی رفتار هر سازه است و باید میزان تغییر مکان هدف مشخص گردیده و گره تعیین کننده این تغییر مکان با استفاده از آنالیز مودال بروی مدل مورد بررسی ، بدست آید.

ضریب رفتار R

نشانه مقاومت ، پایداری ، شکل پذیری نحوه خرابی سازه در زلزله ، قدرت جذب انرژی نیرو های جانبی مقاومت اضافه در تغییر شکل های زیاد میرایی و رفتار کلی سازه در مقابل زلزله می باشد . بدین معنی که هر اندازه مقدار این ضریب کم باشد . نیروی برشی پایه بیشتری برای طرح سازه منظور می شود . ولی هر چه مقدار این ضریب بیشتر باشد قابلیت اطمینان به جذب انرژی توسط سازه بیشتر و سازه سریعتر از ناحیه الاستیک خارج شده و تعداد مفاصل پلاستیک بیشتری تشکیل می دهد که نشان دهنده شکل پذیری و قدرت جذب انرژی بیشتر سازه می باشد. ضریب رفتار از روی منحنی نیروی جانبی - تغییر مکان جانبی سازه در حالت تحلیل خطی و غیر خطی بدست می آید.

در حالت کلی بررسی رفتار یک سیستم سازه ای در برابر زلزله برای یک سازه خاص وقتی مفهوم می یابد که برای اجزای سازه ای یا غیر سازه ای آن سطح عملکرد مطلوب تعریف شود.

سطوح عملکرد سازه

سطح عملکرد حالت مطلوب یک ساختمان پس از وقوع زلزله می باشد که میزان خرابی و تلفات ناشی از زلزله را نشان می دهد. سطوح عملکرد اجزای سازه ای شامل چهار سطح عملکرد اصلی و دو سطح عملکرد میانی است .

1 - سطح قابلیت استفاده بی وقفه

2 - محدوده خرابی محدود

3 - سطح ایمنی جانی

4 - محدوده ایمنی جانی محدود

5 - آستانه فروریزش

6 - لحاظ نشده

مشابه این سطوح عملکرد برای اجزای غیر سازه ای و برای کل ساختمان هم تعریف می شود .

روش تحلیل استاتیکی

این متد می تواند به دو طریق خطی و غیر خطی بر روی سازه انجام شود که در هر کدام بارجانبی ناشی از زلزله به صورت افزاینده استاتیکی اعمال می شود و تغییر مکان یک نقطه خاص (نقطه کنترل) بررسی می شود تا به میزان مورد نظر برسد.

عوامل مهم در تحلیل استاتیکی افزاینده غیر خطی

نیروی جانبی وارد به سازه و شکل توزیع آن

نحوه رفتار اعضای مختلف سازه ای و شناخت درست رفتار غیر خطی آنها

تعیین تغییر مکان هدف

توزیع بار جانبی

این بار ناشی از زلزله تابع مشخصات دینامیکی سازه و رفتار غیر خطی آن است و در طول زلزله تغییر میکند. توزیع بار جانبی توزیع نیروهای داخلی و تغییر شکل ها را در اجزاء سازه تعیین می کند بگونه ای که برای مجموعه ای از اجزاء سازه یک توزیع بار و برای مجموعه ای دیگر ممکن است توزیع دیگری حالت بحرانی ایجاد نماید. مطابق دستور العمل به سازی لرزه ای ساختمان های موجود باید حداقل دو توزیع بار جانبی به مدل اعمال گردد. به این ترتیب انتظار می رود که حداکثر حالت های بحرانی بررسی شود. در سازه هایی همچون سازه های فضاکار هنگامی که اثر مود های بالاتر قابل توجه باشد توزیع بار جانبی متناسب با نیروهای حاصل از تحلیل دینامیکی خطی انتخاب می شود تا به این ترتیب اثر مدهای بالاتر به نحوی وارد شود .

سازه فضاکار تحت بار لرزه ای

در حالت کلی سازه های فضاکار دارای مقاومت لرزه ای قابل توجهی می باشند و می توانند در هنگام وقوع زلزله بعنوان پناهگاه مورد استفاده قرار گیرند.

عوامل مهم در استقامت لرزه ای سازه

سبکی وزن در مقایسه با سازه های مشابه

درجه نامعینی بالا و وجود خطوط دوم دفاع

عملکرد قوسی در گونه های انحنادار

سهولت نسبی تعمیر و تقویت پس از زلزله

خواص و مشخصات موثر بر پاسخ دینامیکی سازه

شکل هندسی (تخت ، چلیکی ، گنبدی)

نسبت های هندسی (خیز به دهانه ...)

بافتار (دوسویه ، سه سویه ...)

تعداد لایه

نوع اعضا (محوری ، خمشی) و خواص آن نظیر مقاومت کششی ، فشاری ، خمشی و مقاومت پس کمانشی ، شکل پذیری ، کاهندگی و رفتار پسماند

نوع اتصال و خواص آن همچون شکل پذیری و رفتار پسماند

خصوصیات دینامیکی زیر سازه یا سازه تکیه گاهی (سازه واسط پی و سازه فضاکار)

میرایی سازه در دامنه های ارتعاشی مختلف بویژه در هنگام زلزله

خواص پس کمانشی سازه

اهمیت بررسی رفتار سازه ها در دهه های اخیر

در دو دهه اخیر توجه فزاینده ای به رفتار سازه های فضاکار در سطح جهان و بویژه در کشورهای ژاپن و چین شده است. بعنوان مثال ساکا رفتار تعدادی از سازه های فضاکار را در زلزله ۷/۲ ریشتری کوبه ۱۹۹۵ ژاپن گزارش نموده است. این ساختمان ها شامل نمونه های دولایه و تک لایه در ناحیه مرکزی زلزله می باشد. نکته جالب توجه در گزارش ساکا این است که وی هیچ موردی از تخریب سازه های فضاکار را در این زلزله سنگین مشاهده نکرده است و این تأکیدی بر استقامت و پایداری چشمگیر این سازه ها در برابر زلزله است.

تنها مورد بررسی شده در شکست سازه

تنها مواردی را که وی بعنوان حالت شکست ذکر کرده عبارت است از بروز خرابی در محل اتصال سازه به تکیه گاه بتنی ترک در اتصالات و کمانش خمیری برخی از اعضا در مجاورت تکیه گاه مشاهدات مشابهی توسط کاواگوشی گزارش شده است.

بررسی های موردی لرزه ای در سازه فضا کار

کارامانس تأثیر انعطاف پذیری تکیه گاه بر پاسخ لرزه ای و شکست زنجیره ای را مطالعه کرد. کونیدا پاسخ دینامیکی ارتجاعی سازه های پوسته ای را تحت شتاب افقی و قائم زلزله کوبه ۱۹۹۵ بررسی نمود یامادا نیز مطالعات نظری مشابهی در زمینه سازه های پوسته ای استوانه ای انجام و نشان داد که رفتار دینامیکی سازه فضا کار چلیکی شبیه سازه پوسته ای است کاتو و همکارانش مطالعات مفصلی بروی رفتار دینامیکی سازه های فضاکار انجام دادند مهمترین عوامل مورد مطالعه ایشان عبارت بود از :

تأثیر مؤلفه افقی زلزله

تعیین شتاب تخریب

تأثیر نسبت بعدی ( نسبت خیز به دهانه) بر پاسخ دینامیکی