لوگوسازه فضایی
شرکت فضاسازه نقش جهان
سقفی به اندازه یک جهان
 ایران پرچم
پرچم
پرچم

ساختمانی متشکل ازشبکه دولایه سازه های فضاکار

مطالعه رفتار سازه های ساختمانی با سقف ها و دیوارهای متشکل ازشبکه دولایه سازه های فضاکار

چکیده

درمقاله حاضر،به منظور بررسی امکان سنجی و شناخت نقاط ضعف و قوت کاربرد شبکه های دو لایه فضاکار به عنوان سقف ها و دیوارها در سازه های مسکونی،بیمارستانی،تجاری و اداری متعارف در مناطق لرزه خیز، از طریق مجموعه مطالعاتی تحلیلی به روش های استاتیکی و دینامیکی،مدل های نمونه سازه های فضاکار مورد ارزیابی کمی قرار داده شده اند. در ارتباط بامدل های سازه های ساختمانی یک طبقه نمونه ای که منطبق با ملزومات روش های طراحی مبتنی بر تنش های مجاز طراحی گردیده و مورد مطالعه تحلیلی قرار داده شده اند،نتایج تحلیل بار افزون حاکی از آن بوده است که می توان ضمن کاهش قابل ملاحظه وزن سازه، به سختی و مقاومت به مراتب افزونتری در مقایسه با نمونه سازه قاب خمشی فولادی متناظر دست یافت.همچنین نشان داده شده است که با اعمال محدودیت نسبت لاغری بر تعدادی از اعضای بحرانی منتخب می توان میزان شکل پذیری سازه را به میزان قابل ملاحظه ای ارتقا داد. درزمینه اهمیت رفتار پس کمانشی اعضا نشان داده شده است که میزان شیب پس کمانشی منحنی های رفتاری اعضا تاثیر تعیین کننده ای در رفتار مجموعه سازه دارد. مقایسه نتایج تحلیل دینامیکی غیر خطی تاریخچه زمانی تحت تاثیر تحریک سه مولفه ای زمین لرزه با حالت تک مولفه ای حاکی از آن است که صرفنظر نمودن از اثر مولفه قائم می تواند قابلیت اعتماد طرح را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد. مقاومت قابل ملاحظه و شکل پذیری مطلوب حاصل از تحلیل مدل سازه فضاکار با اعمال محدودیت نسبت لاغری در تعدادی از اعضاء کلیدی،تحت تاثیر زمین لرزه آلتادنا با بیشینه شتاب مقیاس شده به g 1.0(شتاب ثقل)،نوید دهنده آن است که با توجه به سبکی وزن،درجه نامعینی نسبتا زیاد و قابلیت تولید انبوه صنعتی، سیستم سازه پیشنهادی به عنوان گزینه ای ذیربط در احداث سازه های ساختمانی متداول فوق الاشاره در مناطق لرزه خیز به شمار آید.بنابراین گسترش مطالعات نظری و آزمایشگاهی در این زمینه مورد توصیه است.
واژه های کلیدی: سازه فضاکار،شبکه دو لایه،کمانش عضو،رفتار پس کمانشی،سازه ساختمانی، رفتار لرزه ای.

مقدمه

سازه های فضاکار مورد مطالعه از مجموعه ی هم بندی شده ای از اعضای با عملکرد صرفا محوری تشکیل گردیده اند.قابلیت عملکرد فضاکار این سیستم مهمترین ویژگی این نوع سازه هاست.تاکنون اغلب مطالعات به سازه های پوشانه های فضاهای نسبتا قابل ملاحظه ای را در دو امتداد متعامد طلب می نموده اند و در چنین مواردی معمولا این گونه سازه ی فضاکار عمدتا تحت تاثیر بارهای ثقلی مورد مطالعه قرار داده می شوند. در این مقاله کاربری دیگری،که تاکنون به آن کمتر پرداخته شده،مورد مطالعه قرار داده می شوند. که درآن شبکه های فضاکار،سقف هاو دیوارها را برای کاربری در ساختمان های مسکونی،آموزشی ،تجاری،اداری و بیمارستانی تشکیل می دهند(شکل 1). ویژگی رفتار سه بعدی سازه و مشارکت مجموعه اعضا و اجزاء سازه،مقاومت ذاتی و سختی قابل ملاحظه ای برای این نوع از سازه ها به وجود می آورد که در عین سبکی وزن ،قابلیت باربری سازه را تحت تاثیر عوامل گوناگون و هم چنین در مقابل گسیختگی پیشرونده افزایش می دهد. سازه های فضاکار قابلیت ارائه دیسه ها و ریخت های زیبای فضایی مسطح یا منحنی را دارا بوده، از دیدگاه زیبا شناختی و همچنین آزادی عمل در ایجاد فضاهای مورد نیاز در تناسب با عملکرد معماری، گزینه ای مطلوب تلقی می شوند. اگر ظرفیت اعضا به گونه ای در نظر گرفته شده باشد که از خرابی پیشرونده ناشی از ناپایداری اعضای بحرانی جلوگیری به عمل می آید،نامعینی سازه تاثیر بسزایی در مقاومت سازه و ایجاد مسیر جایگزین انتقال بار خواهد داشت. فرم و ساختار درونی سازه ی فضاکار نیز به نحو موثری بر باربری نهایی مجموعه ی سازه تاثیرگذار خواهد بود. با انتخاب مناسب واحدهای تشکیل دهنده سازه فضاکار می توان گام موثرس در جهت ساختمان سازی مدولار برداشت که خود قابلیت تولیدانبوه و کم هزینه و پرسرعت صنعتی را در ساخت و نصب به دنبال خواهد داشت.

مدل سه بعدی سازه های فضاکار
ساپل و کالینزبا انتخاب مدل های رفتاری متفاوت اعضا برای شبکه های دو لایه پوشش فضاها، با در نظرگرفتن انواع رفتار متفاوت پس کمانشی برای اعضاء شبکه های دو لایه ی فضاکار و ارائه یک روش تحلیلی ساده سازی شده،نتایج تحلیل مبتنی بر انواع مفروض رفتار فراکمانشی اعضا را با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار دادند. مالک و ابو الحسن فام اثرات انعطاف پذیری پیونده های نیامی را در ظرفیت باربری کلی سازه ،علاوه بر ملحوظ داشتن رفتار فراکمانشی اعضا، با ارائه یک مدل تحلیلی مبتنی بر آزمایش گزارش شده توسط مالک مورد بررسی قرار دادند.غلامپور و مالک اثرات میزان پیش تنیدگی بر انعطاف پذیری اتصالات و نتیجتا طول موثر و رفتار کمانشی و فراکمانشی اعضاء لوله شبکه های دو لایه ی فضاکار با پیوند ه های نوع مرو را از طریق آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار دادند و منحنی های تجربی رفتاری ارائه نمودند.در ارتباط با رفتار دینامیکی سازه های فضاکار متشکل از شبکه دولایه متکی بر دو دیوار شبکه ای دو لایه،می توان از مطالعات اشیکاو و همکاران نام برد که بر سازه با مصالح آلومینیومی انجام شده است.

مبانی مطالعات

با در نظر گرفتن اندرکنش آثار غیرخطی هندسی با رفتار غیر خطی مصالح ،مطالعه حاضر مبتنی بر مفروضات زیر می باشد:
اعضاء خرپای فضاکار منشوری بوده و در تحلیل، از اثر پیچش و هم چنین اثرپواسن صرفنظر شده است.تحت تاثیر نیروی کششی،رفتار عضو به صورت الاستو پلاستیک کامل در نظر گرفته شده و از اثر سخت شدگی کرنشی صرفنظر گردیده است.فرض گردیده است که کمانش نارس موضعی اتفاق نخواهد افتاد.همچنین از آثار ناشی از انعطاف پذیری پیونده ها،انعطاف پذیری اتصال اعضا به پیونده ها و همچنین میزان سفت شدگی پیچ ها اتصال نیزصرفنظر شده است. در اختیار مدل رفتاری تک عضوی فشاری بدوا منحنی رفتاری عضو کنترل شونده توسط نیرو مورد بهره گیری قرار داده شده است که در آن پس از کمانش افت مقاومت تا میزان مقاومت پس کمانشی به صورت ناگهانی در نظر گرفته می شود. معتاقبا شیب بخش رفتار پس کمانشی براساس منحنی تجربی که برای مدل پایه هرمی شکل با هشت عضو با نیمرخ لوله ای به دست آمده است،نیز به صورت مدل پیشنهادی با شیب پس کمانشی در شکل 2 منظور شده است تا آثار ملحوظ داشتن شیب پس کمانشی در نتایج حاصله مورد بررسی قرار داده شود. لازم به یادآوری است که در شکل 2 تفاوت فیمابین سختی اولیه مدل پیشنهادی و منحنی های رفتاری حاصل از نتایج آزمایش های نمونه های هرمی شکل 1،2و3 متشکل از لوله های 5/1 اینچی با نسبت لاغری حدود 80 مرتبط با آثار ناشی از رواداری های ساخت،ناکاملی ها،انعطاف پذیری پیونده ها و اتصالات،میزان سفت شدگی پیچ ها و عوامل نظیر در مدل های تجربی بوده که در حالت فرض اتصالات مفصلی صلب ایده آل به نحو اختیار شده در این تحقیق ملحوظ نگردیده است.به عبارت دیگر منحنی رفتاری پیشنهادی از دیدگاه مقاومت نهائی و شیب پس کمانشی ویژگی منحنی های حاصل از آزمایش را در برداشته،ولی از نظر میزان جابجائی ها تا بروز کمانش آثار عوامل مذکور در فوق را در برنمی گیرد و در عین حال تحلیل مبتنی بر این مدل رفتاری از دیدگاه میزان جذب انرژی اعضا و مدول ها در جهت کرانه پائینی محسوب می شود.عبارت ریاضی برای رفتار بار تغییر مکان عضوی پیشنهادی در ابتدای منحنی به صورت:
p/Psf=∆/∆sf
و در قسمت پس کمانشی بر اساس نتایج آزمایش مرجع به صورت :

P/Psf=-.0672∆/∆sf+1.679

ارائه می گردد.P بار محوری ،∆تغییر مکان محوری بوده و زیر نویس SF بر رفتار در موقعیت کمانش دلالت دارد.

نمودار مقایسه مدل رفتاری پیشنهادی با منحنی تجربی

تحلیل بار افزون سازه های فضاکار نمونه اولیه

نتایج تحلیل مدل ریاضی نمونه ای از یک سازه فضاکار تک دهانه ی یک طبقه با ابعاد 5/3*6/7*6/7 متر با نتایج حاصل از تحلیل یک قاب خمشی متشکل از مجموعه ی تیرها و ستون ها در دو امتداد متعامد با همین ابعاد مقایسه گردیده است.در طراحی هر دو سیستم کوشش به عمل ضوابط آیین نامه متحدالشکل ساختمان[7]و همچنین مراجع [8-10] ملحوظ گردد.

در بارگذاری ثقلی،بار مرده برابر با 550 کیلوگرم بر متر مربع- معادل بار مرده ساختمان های متداول بدون به کارگیری انواع پوشانه های سبک سازگار با کاربری سازه فضاکار و بار زنده برابر با 200 کیلوگرم بر مترمربع در نظر گرفته شده اند. در هر سه نوع مدل سازه ی فضاکار مورد مطالعه، شبکه ی دیوار متشکل از خرپاهای صفحه ای متعامد بدون یال افقی(مدل1) بوده و نوع دوم شامل همین تاشه ولی با حضور یال افقی در دیوار(مدل 2) می باشد. دیوارهای مدل 3،1/3،2/3 شامل هم بندی واحدهای نمونه ی هرمی شکل می باشند.تفاوت مدل 3 با مدل های 1/3،2/3 در اعمال محدودیت از دیدگاه نسبت لاغری اعضا در مدل 3 می باشد که در مدل اخیرالذکر نسبت لاغری برای تمامی اعضای دیوار به میزان 80 محدود گردیده است.بار مرده برای تحلیل مدل 1/3 با توجه به امکان بهره گیری از پوشانه های سبک تر،برابر 250 کیلوگرم بر مترمربع در نظر گرفته شده است.سازه نوع 4 با سیستم قاب خمشی شکل پذیر ایده آل متشکل از تیر و ستون فولادی اختیار گردیده است. نتایج تحلیل بار افزون این سازه ها با فرض رفتار عضو سازه فضاکار مطابق مرجع[6] و با زوال ناگهانی مقاومت(بدون شیب پس کمانشی) در شکل(3) ارائه شده است.

با توجه به شکل (3) و جدول (1) مقایسه وزن و ظرفیت باربری سازه های فضاکار نوع 1 و2 نشان می دهد که اضافه کردن اعضا و یا مقاومت مقاطع تنها عوامل موثر در افزایش باربری سازه به شمار نمی روند،بلکه نحوه ی هم بندی اعضا نقش تعیین کننده ای خواهد داشت.در جدول(1) مشاهده می شود که با اعمال محدویت نسبت لاغری 80 به تمامی اعضا، در مدل 3،بدون تغییر محسوس وزن اسکلت سازه در مقایسه با مدل های 1،2 و4، افزایش مقاومتی در حدود 8/2،برابر در مقایسه با سازه مدل 2 حاصل شده است.در عین حال، مدل 3 با وزنی در حدود وزن معادل با مدل سازه قاب خمشی نائل گردیده است که افزایش مقاومت چشمگیری به نظر می رسد. معذلک نتایج تحلیل بدون ملحوظ داشتن شیب پس کمانشی منجر به رفتاری سخت،مقاوم و غیر شکل پذیر گردیده است. براساس این مدل رفتاری،خلاصه ی نتایج مطالعات تحلیلی بار افزون نشانگر رفتار با شکل پذیری به مراتب افزون تر مدل قاب خمشی شکل پذیر ایده آل در مقایسه با سایر مدل های مبتنی رفتار فاقد شیب پس کمانشی اعضا ء شبکه های فضاکار بوده در حالیکه سختی حاصل از این مدل قاب خمشی مزبور بوده است.در اینجا یادآوری این نکته حائز اهمیت است که این نوع رفتار ویژگی ذاتی این نوع از سازه های فضاکار محسوب نمی شود و چنانکه خواهیم دید،مدل رفتاری با منظور داشتن شیب پس کمانشی همزمان با اعمال محدودیت بر نسبت لاغری اعضای بحرانی رفتار به مراتب شکل پذیرتری ارائه خواهد داد.در مورد مدل 2/3 با وزنی حدود 50 درصد وزن قاب خمشی ، تحت تاثیر همان بار قائم خمشی بوده است.همچنین قابل ذکر است که مدل 1/3 با کاهش بار مرده طراحی از 550 به 250 کیلوگرم بر متر مربع ، در مقایسه با مدل 2/3 حدود 20% کاهش وزن و در عین حال ،حدود 5% افزایش مقاومت قابلیت کاهش بار مرده در سیستم سازه ای فضاکار بوده است.

مقایسه رفتار سازه ها

با توجه به نتایج تحلیل بار افزون و اثر مسلط بروز و توالی کمانش اعضاء لاغر در محدود گردیدن شکل پذیری، مطالعاتی به منظور ارتقاء شکل پذیری سازه با اعمال محدودیت بر نسبت لاغری اعضاء کلیدی بحرانی به عمل آمد. نتایج تحلیل ها حاکی از آن بوده است که به عنوان مثال، با اعمال محدودیت نسبت لاغری 40 برای اعضای قائم و 80 برای تمامی اعضاء جان همراه با منظور داشتن اثر شیب پس کمانشی ،شاهد ارتقاء نسبی شکل پذیری سازه فضاکار و کاهش احتمال بروز ناپایداری های عددی بوده ایم. منحنی حاصل از تحلیل بار افزون یک نمونه نظیر با اعمال محدودیت لاغری به شرح فوق در مقایسه با نتایج تحلیل با استفاده از منحنی رفتاری FEMA[6] درشکل (4) ارائه شده است.

تغییرمکان سازه فضاکار

به طوری که ملاحظه می شود،اثر اعمال محدودیت نسبت لاغری به شرح فوق همراه با منظور داشتن شیب پس کمانشی منجر به ارتقای قابل جذب انرژی نمونه تحلیل شده است. در چارچوب مطالعات حاضر، برنامه ای به فرترون نوشته شد که اطلاعات ورودی مرتبط با انواع رفتار عضو را برای تحلیل مهیا می نماید، به این ترتیب، علاوه بر قابلیت تعریف رفتار خمیری- محوری، این برنامه قادر است رفتار پس کمانشی عضو را نیز با ایده آل سازی سه خطی از نمودار دلخواه که از آزمایش و یا نتایج آنالیز تک عضوی به دست آمده است،به نحو قابل استفاده در نرم افزار،تعریف نماید.

تحلیل اولیه سازه های فضاکار

مطالعه پارامتری مقدماتی

به منظور بررسی اثر پارامترهای مرتبط با ابعاد سازه و مدول های تشکیل دهنده بدوا سه مدل سازه به ابعاد 7*7 متر(سازه 7*7S)، به ارتفاع 5/3 متر با تاشه کلی نشان داده شده در شکل (1) ولی با میزان چگالی متفاوت و با ابعاد متفاوت بازشو به ترتیب 2،4،6 متر مورد بررسی قرار داده شدند. ابتدا مراحل تحلیل و طراحی مشابه قبل انجام گردید و سپس تحلیل غیرخطی استاتیکی( بارافزون ) تحت اثر بارهای جانبی با یا بدون اعمال محدودیت در نسبت لاغری تعداد منتخبی یا تمام اعضا صورت گرفت نتایج این مجموعه از تحلیل ها در شرکت (5) ارائه شده است . لازم به یادآوری است که در این تحلیل ها که عمدتا جنبه مقایسه ای داشته اند،اثر شیب پس کمانشی در رفتار اعضا ملحوظ نگردیده است.
تحلیل برای هر سازه در چهار حالت از دیدگاه ایجاد محدودیت در نسبت لاغری اعضا در حالت های بدون محدودیت، با محدودیت نسبت لاغری به میزان 80 برای اعضای حوالی گوشه ها و با اعمال همان میزان محدودیت در اعضای جان دیوار و همچنین کل اعضای سازه صورت گرفته است.نسبت افزایش وزن به افزایش ظرفیت نشان می دهد که بهترین نتیجه معمولا در حالتی حاصل می شود که اعضای قطری دیوار از نظر میزان نسبت لاغری محدود شده باشند.طبعا بیشترین مقادیر سختی و ظرفیت باربری در راستای بدون بازشو به دست می آید. همچنین بررسی میزان تغییر مکان در راستای دارای بازشو نیز حاکی از رفتار انعطاف پذیرتری در این راستا می باشد.

مطالعه تاثیرابعاد بازشو

شکل (6) نتایج بررسی رفتار در راستای دارای بازشو را با تغییرات اندازه بازشو در سه فضاکار مورد مطالعه نشان می دهد. مشاهده می شود کاهش تعداد اعضا به دلیل افزایش بازشو مستقیما بر سختی سازه تاثیر داشته و تغییر مکان جانبی نهایی نیز با افزایش بعد بازشو افزایش یافته است.S11x11 با بازشوی 10 متری نمونه ای از سازه هایی است که در آن ها تنها دو دیوار متقابل در سمت بدون بازشو به همراه سقف در برابر نیروهای جانبی مقاومت می نمایند.لذا در این حالت همکاری بیشتری از سوی اعضای سقف در باربری جانبی سازه وجود دارد. شبکه های دولایه فضاکار در چنین سازه هایی تحت تاثیر بار جانبی، تحت خمش کلی حولی محور درون صفحه میان تار خود قرار می گیرند.
رابطه زیر را می توان برای تخمین تقریبی کرانه پایینی ظرفیت نهایی باربری جانبی کل دیوارهای متشکل از شبکه های دو لایه چنین سازه هاییP total به کاربرد:
P total =p mc nx cx +p mc ny cy
که در آن cx کسینوس هادی محور طولی عضو جان واقع در دیوار موازی با محور طولی عضو جان واقع در دیوار موازی بامحور x وcy کسینوس هادی محور طولی عضو جان واقع در دیوارهم راستا با محور y می باشند. nx و ny تعداد همه اعضای جان واقع در یک ردبف تحتانی به ترتیب در راستاهای X و Y می باشند. p mcعبارت است از نیروی محوری بحرانی تک عضو جان (که در اینجا برای تمام اعضای جان ردیف تحتانی یکسان فرض گردیده است).
براین اساس، رابطه ساده فوق تخمین اولیه ای به عنوان کرانه پایینی برای انتخاب چگالی(تعداد مدول در بعد طولی دیوار) و مشخصات مقطع اعضا به دست می دهد.

مقایسه 3 مدل سازه

تحلیل تاریخچه زمانی سازه فضاکار نمونه

تحلیل تاریخچه زمانی برای یک سازه فضاکار نمونه از نوع 7*7S صورت گرفته است که سازه ای یک طبقه ی تک دهانه به ابعاد 6/7*6/7 در پلان و به ارتفاع 5/3 متر می باشد. دیواره های این سازه مطابق با شکل (1) در امتداد محور x دارای باز شو به ابعاد 2*2 متر در وسط ضلع جانبی بوده و در امتداد متعامد(امتداد محور y)، فاقد باز شو می باشند. تمامی واحدهای تشکیل دهنده ی سازه به صورت مدول های هرمی شکل در نظر گرفته شده اند. این سازه از 956 عضو لوله ای تشکیل شده است. فاصله تا محور لایه های شبکه دیوار 30 سانتیمتر و فاصله و دو لایه شبکه سقف 50 سانتیمتر است. نسبت میرایی سازه برابر مقدار توصیه شده برای سازه های فضاکار در مرجع [11]، برابر با 2% میرایی بحرانی و به صورت میرایی ریلی منظور گردیده است.

در تحلیل تاریخچه زمانی از شتاب نگاشت های تصحیح شده ی زلزله سال 1987 آلتادنا(ایستگاه 24402،مطابق با شکل 7) با بیشنه شتاب افقی mm/s2 5700 استفاده شده است.فاصله زمانی ثبت داده ها 02/0 ثانیه بوده است.

در انتگرال گیری غیرخطی از روش نیومارک با پارامترهای β وα به ترتیب برابر 25/0 و 5/0 استفاده شده است.

تغییرمکان جانبی سازه

تغییرمکان

جدول (2) مشخصه های شتاب نگاشت های مزبور را ارائه می کند.

مشخصات شتاب نگاشت ها

که در آن A max بیشینه شتاب ثبت شده در راستای مورد نظر، t max زمان وقوع شتاب بیشنه از ابتدای ثبت شتاب نگاشت،     T d(DUR)  طول زمان موثر شتاب نگاشت و T P زمان تناوب غالب شتاب نگاشت می باشند که از داده های شتاب نگاشت ها با استفاده از نرم فزار Seismosignal استخراج شده اند.

شتاب نگاشت

ابتدا بار مرده و زنده به صورت استاتیکی به سازه اعمال شده و طراحی سازه به روش تنش مجاز به نحوی صورت پذیرفته است که مناسب ترین مقاطع موجود در استاندارد [12] DIN-1025 به کار گرفته شوند. سپس سازه به روش دینامیکی غیر خطی(تاریخچه زمانی ) تحلیل گردیده است.

در شکل (8) چهار مود شکل اول سازه ترسیم گردیده اند.

چهار مود سازه فضاکار

نتایج تحلیل دینامیکی غیر خطی به صورت تاریخچه زمانی تغییرات برش پایه در راستای دارای باز شود در دو حالت اعمال شتاب نگاشت تک مولفه ای و سه مولفه ای با بیشنه شتاب مقیاس شده به 75/0g (برای نمایش ملموس تر نتایج) در شکل (9) نشان داده شده است. لازم به یادآوری است که این مجموعه تحلیل ها بر مدل سازه طراحی شده به شرح پیش گفته براساس روش معادل استاتیکی با ملحوظ داشتن صرفا تک مولفه ای افقی آن هم با بیشینه شتاب g 0/35 و بدون اعمال محدودیت در نسبت لاغری اعضا و بدون در نظر گرفتن شیب پس کمانشی صورت گرفته است.

ملاحظه می شود که با این مفروضات، در تحلیل تحت تاثیر تحریک سه مولفه ای تکیه گاه ها،در مقایسه با تحریک تک مولفه ای ، برش پایه به سرعت رو به زوال گذاشته است. در این حالت با توجه به عدم اعمال محدودیتی برای نسبت لاغری اعضا و با توجه به اعمال آثار ناشی از زلزله با بیشینه شتابی به مراتب افزون تر از بیشینه شتاب منظور شده در طراحی سازه،نیل به حالت حدی از طریق بروز کمانش پیش رونده اعضا منجر به ناپایداری گردیده است.دلیل این امر افزایش قابل اعتنای نیروهای محوری اعضاء کلیدی در اثر اعمال آثار ناشی از مولفه قائم زمین لرزه در حالت تحریک سه مولفه و بروز کمانش زودرس ابن اعضا در مقایسه با حالت تک مولفه ای می باشد و بیانگر آن است که اثر مولفه قائم حرکت زمین ، در نیروهای محوری عضو قطری شاخص می باشد.با مراجعه به جدول 2، این رفتار به ویژه تحت تاثیر زلزله نیوهال، که در آن میزان بیشینه شتاب در راستای قائم قابل ملاحظه و در حدود بیشینه شتاب در راستاهای افقی بوده است،چشمگیر می باشد.

سازه فضاکار مورد مطالعه، علیرغم طول دهانه نسبتا کوچک،به دلیل مسلط سه بعدی،حساسیت قابل ملاحظه ای در ارتباط با اثر مولفه قائم حرکت زمین نشان داده است و ملاحظه می شود عدم ملحوظ داشتن اثر مولفه ی قائم تحریکات ناشی از زلزله در تحلیل ،به نتایج غیرواقعی و به طراحی سازه در جهت عدم اطمینان منجر می گردد. به عبارت دیگر،احتمال زیادی وجود داردکه برخی از اعضایی که در تحلیل تک مولفه ای نیروی داخلی قابل ملاحظه جذب ننموده اند،با ملحوظ داشتن اثر مولفه قائم ،به حالت حدی رسیده،سبب ناپایداری سازه شوند. از این دیدگاه،به ویژه اعضاء قطری دیوارها رفتار بحرانی تری نشان می دهند.

رفتار دینامیکی سازه

در شکل(9) تاریخچه زمانی تغییرات برش پایه نشان میدهد که در نظرگرفتن شیب پس کمانشی در منحنی رفتاری بار-تغییر مکان عضو، مطابق نتایج تجربی مرجع [4]، به حفظ مقاومت سازه منجر شده است شده است که نشان دهنده باز توزیع مناسب تر نیرو در مجموعه ی اعضا در حالت اعمال شیب پس کمانشی مزبور بوده است.

حال با استفاده از مدل رفتاری عضو فشاری مطابق FEMA365 و همچنین با فرض مدل رفتاری با اعمال شیب پس کمانشی حاصل از آزمایش مرجع 4، که هنوز مدلی کاملا محافظه کارانه برای نسبت های لاغری کوچکتر به شمار می رود،با اعمال محدودیت های لاغری اعضاء سازه فضاکار سقف به 90، اعضاء قائم دیواره ها به 60 و اعضاء قطری دیواره ها به 40، با مراجعه به شکل 10 مشاهده می گردد که در تحلیل غیرخطی براساس مفروضات اخیرالذکر سازه فضاکار نمونه مورد مطالعه ،در حالات اعمال سه مولفه ای تاریخچه زمانی زلزله آلتادنا با بیشینه شتاب معادل شتاب ثقل(g=1)، قادر به تحمل آثار ناشی از زلزله با میزان تغییر مکان های قائم و افقی تحت کنترل در گره میانی سقف و با میزان نیروهای قابل تحمل داخلی اعضا در حیطه رفتار غیرخطی ، بوده است.

بررسی تاریخچه زمانی برش پایه در این حالت بر مقاومت مطلوب سازه در صورت قائل گردیدن برخی محدودیت ها برای نسبا لاغری تعدادی از اعضای سازه،حتی بدون ملحوظ داشتن شیب پس کمانشی، دلالت دارد.

در شکل 10 مشاهده می شود که زمان وقوع مقادیر بیشینه برش پایه با زمان وقوع مقادیر بیشینه شتاب تطابق داشته و سازه پس از تحمل تلاش های وارده در تراز خطر بسیار قابل ملاحظه با بیشینه شتاب مقیاس شده به مقدار بسیار کم احتمال برابر با شتاب ثفل ( g0،1) قادر به ارائه پاسخ مطلوب و سازگار با افت شتاب ناشی از زمین لرزه بوده است.

رفتار دینامیکی غیرخطی سازه

بحث و نتیجه گیری

در مطالعات گزارش شده،رفتار سازه های فضاکار ساده نمونه متشکل از شبکه های دو لایه به عنوان دیوارها و سقف ها مورد بررسی قرار داده شد.با تدفیق مدل رفتاری اعضاو ملحوظ داشتن شیب پس کمانشی به نحو مشاهده شده طی آزمایش های مرجع[4] و همچنین اعمال محدودیت در نسبت لاغری تعداد منتخبی از اعضا، از طریق تحلیل های عددی نشان داده شد که رفتار مطلوبی در مورد این سازه ها از دیدگاه عملکرد تحت تاثیر کنش های ناشی از بارهای ثقلی و جانبی و به ویژه آثار ناشی از زمین لرزه قابل حصول است. نتایج مطالعات اولیه مبتنی بر رفتار غیر شکل پذیر اعضا با افت ناگهانی مقاومت پس از بروز کمانش (مطابق توصیه های محافظه کارانه مرجع [6]) حاکی از سختی به مراتب افزون تری تمامی مدل های سازه فضاکار مطالعه شده در مقایسه با سازه متشکل از قاب های خمشی در دو امتداد متعامد بوده است.

برای نیل به مقاومت حداکثر یکسان با سازه متشکل از قاب خمشی،وزن این نوع از سازه فضاکاربا تاشه مناسب،به میزان قابل ملاحظه ای کوچکتر از وزن سازه قاب خمشی خواهد بود. در اینجا لازم است بر این نکته تاکید به عمل آبد که سازه متشکل از قاب خمشی در مطالعه حاضر، دارای ستون های میانی نیز بوده است،حال آنکه سازه های فضاکار مورد مطالعه فاقد ستون های میانی و دارای دهانه آزاد کامل بوده اند که این امر از دیدگاه آزادی عملکرد معماری مزیتی انکار ناپذیر به شمار می رود. متعاقبا با همان مدل رفتاری محافظه کارانه برای اعضا،ولی صرفا با اعمال محدودیت در نسبت لاغری اعضاء موثر تا میزان 80،نتایج تحلیل حاکی از مقاومت به مراتب افزون تر سازه فضاکار در مقایسه با سازه متشکل از قاب های خمشی در دو امتداد متعامد بوده اند و این افزایش چشمگیر مقاومت بدون افزایش نسبی وزن حاصل گردیده است. معذلک رفتار مجموعه سازه فضاکار شبکه ای به شدت وابسته به رفتار اعضاء شبکه ها بوده و رفتار عضو براساس رفتار غیر شکل پذیر کنترل شونده توسط نیرو مطابق مرجع[6] با توجه به نتایج آزمایش ها گزارش شده در مرجع [4] واقعگرایانه نبوده و لذا سازه های تشکیل شده از چنین اعضایی نیز به تبع آن رفتاری غیر شکل پذیر از خود بروز داده اند. لذا مطالعاتی به منظور ارتقا، شکل پذیری سازه با اعمال محدودیت بر نسبت لاغری اعضا، کلیدی بحرانی به عمل آمد و اثر اعمال محدودیت نسبت لاغری به شرح فوق همراه با منظور داشتن شیب پس کمانش منجر به ارتقاء قابل ملاحظه شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی نمونه های تحلیل گردید.

سلسله مطالعاتی نیز که در این مقاله در زمینه آثار تغییر در پارامترهای هندسی مانند ابعاد کلی،چگالی مدول ها و ابعاد بازشوها در مقاومت،سختی و تغییر مکان گزارش شده از جنبه مقایسه ای به عمل آمده و در آن ها آثار شیب پس کمانشی یا محدودیت نسبت لاغری ملحوظ نشده است.

مقایسه نتایج تحلیل غیرخطی با اعمال تاریخچه زمانی شتاب حرکت زمین به صورت تک مولفه ای و همچنین سه مولفه ای حاکی از آن است که با توجه به عملکرد مسلط سه بعدی سیستم سازه های فضاکار مورد مطالعه،عدم ملحوظ داشتن هریک از مولفه های انتقالی زمین لرزه، حتی در این کاربری نیز به نتایج اشتباه آمیزی منجرخواهد شد و لذا مطالعه آثار مولفه قائم زمین لرزه در تحلیل و طراحی این سازه ها ضروری به نظر می رسد.

از سوی دیگر،نتایج تحلیل دینامیکی غیرخطی نیز حاکی از تاثیر قابل ملاحظه منظور داشتن شیب پس کمانشی واقعیگرایانه اعضا، مبتنی برنتایج آزمایش های ذیزبط، در هماهنگی با رهنمودهای مندرج در فصل هفتم آیین نامه سازه های فضاکار[13]، در پاسخ لرزه ای سازه بوده است.

تحلیل دینامیکی غیرخطی سازه فضاکار نمونه مورد مطالعه،در حالات اعمال سه مولفه ای تاریخچه زمانی زلزله آلتادنا با بیشینه شتاب بسیار کم احتمال معادل شتاب ثقل(g=1) بر مقاومت مطلوب سازه ،در صورت قائل گردیدن برخی محدودیت ها برای نسبت لاغری تعدادی از اعضای سازه حتی بدون ملحوظ داشتن شیب پس کمانشی،دلالت داشته است.

مطالعه حاضر حاکی ازآن بوده است که با توجه به سبکی وزن،ذخیره قابل ملاحظه ی مقاومت،درجه نامعینی زیاد،قابلیت تولید انبوه صنعتی و هم چنین نظر به قابلیت نیل به میزان شکل پذیری مطلوب و قابل کنترل از طریق اعمال محدودیت در نسبت لاغری تعداد محدودی از اعضاء کلیدی و تعریف مدل واقعگرایانه رفتار اعضا با منظور داشتن ویژگی های رفتار پس کمانشی،قادر خواهیم بود به سازه های با هزینه ی اندک و در عین حال با اعتماد پذیری قابل ملاحظه ای در مقابل نیروهای ناشی از زلزله دست یابیم.لذا سیستم سازه پیشنهادی برای کاربری های مورد بحث در این مقاله سزاوار مطالعات نظری و آزمایشگاهی بیشتری به منظور نیل به اهداف کاربردی مطروحه در مقیاس گسترده می باشد.

تهیه کنندگان: شاهرخ مالک،سید محمد حسین نوری رحیم آبادی

تمامی حقوق سایت محفوظ می باشد