۷- مقایسه روش طرح خمیری بر اساس عملکرد و روش جاری طراحی لرزه ای
به منظور مقایسه روش طرح مذکور و روش متداول طراحی، قابی پنج طبقه و سه دهانه یک بار با این روش و سپس با ضوابط آیین نامه ۲۸۰۰ ایران طراحی گردیده است . رفتار این دو قاب با انجام تحلیلهای دینامیکی و استاتیکی غیر خطی مقایسه شده است.

7-1- مشخصات قاب
قاب مورد نظر (قاب خمشی ساده ) دارای سه دهانه پنج متری و پنج طبقه سه متری میباشد. بر مبنای بار مرده 600kg/m2 و بار زنده 200kg/m2 و فاصله قابهای پنج متر جرم مؤثر هر طبقه ۴۸ تن و بار محوری منتقله به ستونهای کناری در هر طبقه ۱۰ تن و به ستونهای داخلی در هر طبقه ۲۰ تن میباشد.
با توجه به شکل (۳) و رابطه (۱۵) برای طراحی بر اساس آیین نامه 2800، شتاب مبنای طرح (A) برابر 0.35، ضریب اهمیت (I) برابر با 1، نوع زمین II و ضریب رفتار (R) برابر با 6 در نظر گرفته شده است. این قاب چنان طرح گشته، که شرط مکانیسم تغییرمکان نسبی طبقات بر اساس بند 2-4-13 آیین نامه 2800 ارضا گردد. قاب مذکور توسط روش مطرح شده در این قسمت مجددا طرح می گردد. مقدار تغییرمکان نسبی جانبی ناشی از چرخش خمیری (θp) برابر با 1% فرض می گردد. مقدار تغییرمکان نسبی جانبی ارتجاعی از تحلیل Push over برابر با 0.6 درصد به دست می آید. به عبارت دیگر، قاب مذکور برای تغییرمکان نسبی هدف 1.6 درصد طرح شده است . مقاطع اعضای قاب مرجع در شکل (4) و مقاطع اعضای قاب باز طراحی شده در شکل (۵) نشان داده شده است. با وجود بزرگ بودن برش پایه طراحی در روش مذکور نسبت به آیین نامه ۲۸۰۰ ، وزن قابهای مورد نظر تفاوت فاحشی با هم نداشته (حدود ۱۵ %) و علت آن را میتوان کنترل کننده بودن شرط حداکثر تغییرمکان نسبی جانبی مجاز در روند طراحی بر اساس آیین نامه ۲۸۰۰ دانست که به افزایش مقاطع اعضاء منجر میگردد.

شکل ( ۳): قاب با یک مکانیسم طبقه نرم
 

شکل ( ۴): مقاطع اعضای قاب مرجع

 

شکل ( ۵): مقاطع اعضای قاب باز طراحی شده

برای مقایسه رفتار این دو قاب، چند تحلیل استاتیکی و دینامیکی غیرخطی با همان فرضیات استفاده شده در بخشهای قبلی انجام گرفته است . شکل (۶) نمودار برش پایه در برابر تغییرمکان نسبی بام می باشد که از تحلیل استاتیکیغیرخطی به دست آمده است. شکل (۷) محل و ترتیب زمانی تشکیل مفاصل خمیری به دست آمده از تحلیل Push over را در دو قاب، نشان می دهد.

شکل (۶): پاسخ تغییرمکان نسبی بام در برابر برش پایه قاب مرجع و قاب باز طراحی شده

 

شکل (۷): مکان و ترتیب زمانی تشکیل مفاصل پلاستیک بر اثر تحلیل Push over

رفتار غیر خطی دو قاب تحت بارهای جانبی افزایش یابنده کاملا متفاوت است . در قاب م رجع، مفاصل خمیری در تیرها و ستونها به گونه ای کنترل نشده پراکنده اند و مفاصل تشکیل شده در تراز پی ستونها از مفاصل ابتدایی می باشند. حال آنکه در قاب باز طراحی شده، مکانیسم مورد انتظار (تیرضعیف- ستون قوی ) تشکیل می گردد. تمام م فاصل خمیری تنها در تیرها و تراز پی ستونها رخ می دهند. در شکل (۸) مقادیر بیشینه تغییرمکان نسبی طبقات به دست آمده از تحلیل دینامیکی غیرخطی مشاهده میگردد. مشاهده میشود که مقادیر تغییرمکان نسبی جانبی طبقات در قاب باز طراحی شده از قاب مرجع کمتر بوده و در مح دوده تغییرمکان نسبی جانبی هدف قرار می گیرد. محل مفاصل خمیری رخ داده در دو قاب بر اثر شتابنگاشت مقیاس شده طبس در شکل (۹) نشان داده شده است . حداکثر دوران خمیری مفاصل تراز پی در شکل مذکور نشان داده شده است . توزیع مطلوب مفاصل خمیری و کمتر بودن نرمی نیاز دورا نی در تراز پی، برتری قاب باز طراحی شده نسبت به قاب مرجع را نشان میدهد.

شکل ( ۸): بیشینه تغییرمکان نسبی طبقات قابهای مرجع و باز طراحی شده
 

شکل ( ۹):مکان مفاصل خمیری و حداکثر دوران خمیری مفاصل تراز پی بر اثر شتابنگاشت طبس

۸- مقایسه نیروهای طراحی
آیین نامه 2800 ایران (بند 2-4-13)، تغییر مکان نسبی طبقات را به R/0.03 برابر ارتفاع طبقه محدود کرده است . در بند 2-4-14 نیز تصریح شده است که برای تخمین تغییرمکانهای واقعی باید تغییرمکانهای به دست آمده از تحلیل سازه تحت برش پایه آیین نامه با ضریب 0.4R تشدید گردد. در آیین نامه UBC (بندهای 2-2-3 و 2-3) مقدار حداکثر تغییرمکان نسبی نهایی که به صورت ضریبی از R در تغییرمکان نسبی ارتجاعی تحت برش پایه طراحی تعریف می گردد، به مقدار 2% محدود شده است. با فرض 0.7-1 درصد تغییرمکان نسبی ارتجاعی (در مورد سازه های مورد مطالعه با استفاده از پروفیل های مصرفی IPB, IPE تغییرمکان نسبی ارتجاعی قابها در همین حدود خواهد بود ) مقدار تغییرمکان خمیری برابر با 1% تخمین زده می شود. در شکل (10) ضرایب برش پایه طراحی برای قابهای تک دهانه 6، 2، 8 و 10 طبقه بر اساس روش مذکور و برای چند تغییرمکان خمیری دیگر علاوه بر مقدار 1% و با فرض A=0.35 و I=1، نوع زمین II و R=6 بر اساس آیین نامه 2800 که به منظور طرح حدی در ضریب 1.4 ضرب شده است، ترسیم گشته است.
ملاحظه می شود که مقادیر ضرایب برش پایه به دست آمده از روش مذکور برای تغییرمکان نسبی خمیری 1% و 0.5% ، بزرگتر از ضرایب برش پاه به دست آمده از آیین نامه ۲۸۰۰ است. به عبارت دیگر، اگر یک قاب خمشی ساده بر اساس برش پا یه طرح آیین نامه ۲۸۰۰ و بوسیله روش طرح خمیری مطرح شده در این مقاله، طرح گردد، تغییرمکان نسبی خمیری رخ داده در مفاصل آن تحت زلزله مبنای طرح آیین نامه، از 1% بیشتر خواهد بود . این مبحث می تواند به عنوان ابزاری در ارزیابی ضریب رفتار قابها استفاده گردد[۹] لازم به ذکر است که در بعضی موارد به علت حاکم شدن شرط حداکثر تغییرمکان نسبی مجاز، مقاومت ایجاد شده برای سازه از مقادیر برش پایه طرح فزونی مییابد.

شکل (۱۰): مقایسه ضرایب برش پایه

۹- نتیجه گیری
امروزه آیین نامه های زلزله به سوی قالب طراحی بر اساس عملکرد سوق داده می شوند[10]. هدف هر روش طرح بر اساس عملکرد، ایجاد سازه ای با عملکرد لرزه ای قابل پیش بینی میباشد. در طرح بر اساس عملکرد، سازه طوری طراحی میشود که تحت سطح خاصی از حرکت زمین، عملکرد سازه در محدوده ای مطلوب باقی بماند . روش مکانیسم تسلیم و تغییرمکان نسبی مطرح شده، طراحی سازه در قالب طرح بر اساس عملکرد را امکان پذیر می کند. با توجه به مورد مذکور میتوان نتیجه گرفت:
- طراحی سازه ها بر اساس عملکرد، در صورت وجود روشهایی نه چندان پیچیده، به علت دادن دیدی به طراح درباره رفتار واقعی سازه بر اثر زمین لرزه، مناسبتر از روشهای متداول طراحی میباشد.
- طراحی خمیری به دلیل امکان بررسی رفتار واقعی سازه ابزار بسیار سودمندی در روشهای طرح بر اساس عملکرد میباشد.
- سازه های طرح شده توسط روش مذکور، دارای ابعاد تیر کمتر و ابعاد ستون بیشتری نسبت به سازه های طراحی شده بر اساس آیین نامه ۲۸۰۰ هستند و وزن سازه تا حدودی بیشتر است (در مورد قاب نمونه پنج طبقه، ۱۵ %). در عوض رفتار سازه کاملا مناسب و مطلوب بوده و مکانیسم تیر ضعیف - ستون ق وی را تشکیل می دهد. در روش مذکور تشکیل مفاصل خمیری در تراز پی به تأخیر افتاده و مکانیسم طبقه نرم در آن مشاهده نمیگردد.
- محدود کردن مقدار تغییرمکان نسبی ارتجاعی، چنانچه توسط آیین نامه ها صورت میگیرد، بدون توجه به پاسخ
حد نهایی سازه چندان مفید به نظر نمی رسد و تغییرمکان نسبی واقعی سازه میتواند از حد مورد انتظار فزونی یابد.
- روش مذکور به راحتی در قالب طراحی بر اساس عملکرد قابل استفاده است . تعریف پارامتر پاسخ و عددی کردن آن برای سطوح عملکرد مختلف با توجه به خصوصیات سازه هنوز جای بسیاری برای کار دارد