اثر مدلسازي راه پله فرار فلزي در رفتار لرزه اي سازه هاي فولادي
اثر مدلسازي راه پله فرار فلزي در رفتار لرزه اي سازه هاي فولادي
سیستم هاي ثانویه، اجزاي از یک ساختمان هستند که به سازه اصلی متصل میشوند.
این اجزاء، جزء سیستم اصلی باربري سازه نمی باشند و عموماً داراي جرم و سختی کمی در مقایسه با سازه اصلی میباشند مثل پله فرار، آنتن ها، دکل ها، تابلوهاي تبلیغاتی و غیره. ایمنی لرزه اي و عملکرد سیستمهايثانویه از اهمیت بالایی برخوردار است.
پله فرار به عنوان یک سیستم ثانویه تنها راه میانبر براي نجات ساکنان ساختان هاي مرتفع در مواقع اضطراري و وقوع حادثه است.
باتوجه به نقش بالای پله هاي فرار در نجات جان انسان ها درحوادث، بررسی عملکرد آن بر رفتارسازه نیز از اهمیت بالایی برخوردار است.
دراین پژوهش ابتدا سازه اصلی مدل سازي، و باعمال هفت شتاب نگاشت لرزهاي به صورت تاریخچه زمانی تحلیل و بررسی شده و سپس با مدل سازي راه پله فرار، با موقعیت قرارگیري مختلف برسازه اصلی، همانند سازهاصلی تحت همان هفت شتاب نگاشت لرزه اي به صورت تاریخچه زمانی تحلیل وبررسی شده اند.
دراین پژوهش بابررسی نتایج سازه ها به این نتیجه رسیدیم که بااتصال پله فرار به سازه اصلی باعث افزایش پاسخ سازه شده و عدم مدلسازي پله فرار میتواند خطاهاي بالایی در محاسبات لرزهاي ایجاد کند.
در سال هاي اخیر مطالعه و آنالیز لرزهاي پیشرفت قابل ملاحظه اي داشته و ایمنی لرزهاي و عملکرد صحیح سیستم هاي ثانویه
از اولویت بالایی برخوردار بوده است.
در بیشتر موارد، درصد بالایی از هزینه هاي ساختمان مربوط به سیستم هاي ثانویه است. سیستم هايثانویه سیستم ها و اجزاي مکانیکی، الکترونیکی و معماري غیر باربر هستند که به سازه اصلی متصل می شوند و ممکن است تحت اثر نیرو هاي بزرگی قرار گیرند.
به همین دلیل باید به نحو مناسبی به سازه اصلی متصل گردند تا بتوانند این نیرو ها را به خوبی تحمل نموده و عملکرد مطلوبی در هنگام زلزله از خود نشان دهند.
روش هاي تحلیل و محاسبه نیروهاي وارد بر سیستم هاي ثانویه را میتوان به طور کلی به دو دسته با اندرکنش و بدون اندرکنش تقسیم بندي نمود.
در روش هایی که اندرکنش درنظر گرفته نمیشود، ابتدا سیستم اولیه تحت اثر زلزله تحلیل شده و پاسخ درجات آزادي که سیستم ثانویه به آن متصل است بدست می آید.
آنگاه از این پاسخ به عنوان ورودي سیستم ثانویه استفاده شده و پاسخ آن محاسبه می گردد. براي تحلیل سیستم هاي اولیه و ثانویه میتوان از روش هاي تاریخچه زمانی، تحلیل طیفی و یا ارتعاشات پیش استفاده نمود.
در بیش تر موارد، در صد بالایی از هزینه هاي ساختمان را هزینه هاي مربوط به
اجزاي غیرسازه اي تشکیل می دهد تخریب این اجزا در زلزله ممکن است سبب اختلال در کاربري ساختمان شده و ممکن است براي ایمنی ساکنان آن نیز مخاطراتی ایجاد نماید.
زلزله هاي گذشته آسیب طبقپذیري شدید اجزاي غیر سازه اي را نشان داده اند به عنوان مثال نورتریج 1994 ،کوبه 1995و گجرات2001 اشاره نمود. زمین لرزه ها نشان داده اندکه خرابی سیستم هاي ثانویه میتواند فاجعه بار باشد.
معمولا اجزاي غیر سازه اي به دو گروه حساس به تغییر مکان و حساس به شتاب، تقسیم می کنند.
بسیاري از عناصر غیره سازه اي هم نسبت به تغییر شکل سازه و هم شتاب وارده حساس می باشند.
الزامات آیین نامه هاي ساختمان عموما براي تعیین نیرو هاي طراحی لازم براي جلو گیري از تخریب عناصر غیر سازه اي حساس به شتاب واقع در طبقات سازه اصلی است.
به همین دلیل عملکرد مهندسی در محاسبه میزان پاسخ و طراحی سیستمهاي ثانویه بسیار مهم است.
اصولا باید براي آنالیز سیستم هاي ثانویه از آنالیز تاریخچه زمانی با مدلسازي کامل سیستم هاي ثانویه و تبیین رفتارها و اندرکنش ها استفاده شود.
از سوي دیگر انتخاب مجموعه اي از شتاب نگاشت هاي زمین لرزه با ویژگی هاي خاص، متناسب با شرایط ساختگاه و سازه مورد نظر موضوع بسیار مهم و تاثیرگذار خواهد بود.
کمبود فضا، کاهش متراژ مفید ساختمان و هزینه بالا از جمله دلایلی است براي اجرا نشدن پله فرار در ساختمان است و توجه به منفعت شخصی، بی توجهی به حفظ جان انسان ها و درك پایین از حقوق ساکنان ساختمان، از دیگر دلایلی است که مانع اجراي پله فرار می باشد.
راه پله فرار به عنوان یک سیستم ثانویه چند درجه آزادي، چند تکیه گاهی است که تنها راه میانبر براي نجات ساکنان ساختمان هاي مرتفع در مواقع اضطراري و وقوع حادثه است.
ساختمان هاي بلند بیش از پیش ضرورت نیاز به راهی براي خروج ایمن و بی حادثه در شرایط بحرانی براي ساکنان خود دارند .
راهی که ساختمان ها یا فاقد آن می باشند و یا بدون رعایت استانداردهاي لازم، طراحی و اجراشده و ساکنین این ساختمان ها نیز فرهنگ استفاده صحیح آن را ندارند.
در سال هاي اخیر که عدم اجراي راه پله هاي فرار در داخل سازه اصلی توسط عوامل ساخت و ساز در کشور تبدیل به یک فرهنگ نانوشته شده است، لذا براي حل مشکل در اکثر موارد راه پله هاي فرار به صورت فلزي و مجزا از سازه اصلی در کنار سازه اصلی اجراي و به سازه اصلی متصل می شوند.
اجراي این سازه جانبی که به سازه اصلی متصل است به طور قطع در رفتار سازه اصلی تاثیرگذار است ولی متأسفانه این اثر گذاري در مراجع رسمی در آئین نامه مورد توجه واقع نشده است.
روش تحقیق
با توجه به اهمیت بالاي پله فرار، در این پژوهش ابتدا سه سازه با پلان مربع با مشخصات زیر مدل سازي شده اند:
نوع سازه ها : شش طبقه، نه طبقه و 12 طبقه همگی سازه فولادي هستند.
کاربري سازه : سازه با اهمیت زیاد
سیستم سازه اي : سیستم قاب خمشی ویژه می باشد
محل احداث : شهر ارومیه
نوع خاك: II
نوع سقف : تیرچه بلوك
مقاطع تیر ها :IPE
مقاطع ستون ها : مقاطع قوطی فولادي
مقاطع المان سیستم ثانویه : IPE و قوطی
مصالح فولادي: فولاد 37 ST در نوع Ry 25,1
آیین نامه هاي مورد استفاده در پژوهش
بارگذاري ثقلی : مبحث ششم ویرایش 92
بارگذاري زلزله : آیین نامه 2800 ویرایش چهارم ( سال 1393 )
سازه هاي اسکلت فولادي : (LRFD (10-360 AISC
سپس با هفت شتاب نگاشت لرزه اي به صورت تحلیل تاریخچه زمانی بررسی شده اند، سپس پله فرار بصورت مستقل تحلیل
و بررسی شده به سازه اصلی با موقعیت قرارگیري مختلف (درشکل 1 ارائه شده است) متصل و با همان هفت شتاب نگاشت
به صورت تحلیل تاریخچه زمانی بررسی شده اند.
آیین نامه هاي مورد استفاده در پژوهش: مبحث ششم مقررات ملی ساختمان
آیین نامه 2800 ویرایش چهارم (1393) – AISC360-10(LRFD)
موقعیت قرارگیري پله فرار که در شکل 1 مشاهده میکنید:
نماي سه بعدي سازه مرکب 12 طبقه که در شکل 2 مشاهده می نمایید:
شتاب نگاشت زلزله
در سالیان گذشته به علت تراکم کم شبکه هاي لرزه نگاري در سراسر جهان امکان ثبت زلزله هاي نزدیک منشأ کم بوده است.
با پیشرفت شبکه هاي لرزه نگاري و افزایش و پیشرفت دستگاه هاي لرزه نگاري، امروزه نگاشت ها از زلزله ها در موقعیت هاي مختلف وجود دارد.
در مهندس ی زلزله، استفاده از شتاب نگاشت ها به طور مستق می براي طراح مشکل است.
مهندسی ترین روش، استفاده از شتاب بیشینه PGA است.
براي مهندسین زلزله شناس و دکترین زلزله علاوه بر مقدار بیشینه شتاب، پارامترهاي دیگري مانند: مدت دوام و محتواي فرکانس ی نیز مهم است و بنابراین از شتاب نگاشت ها در قالب طیف هاي پاسخ، طیف طرح و طیف فوریه استفاده می کنند.
اندازه گیري اوج شتاب PGA ثبت شده در دنیا مربوط به زمین لرزه هاي مخرب تر 0/1 g تا حدود g2 بوده است در ایران مقدار شتابی که موجب آسیب رساندن و یا تخریب شده باشد از 0/1 g ( شتاب اوج زمین لرزه گلباف 1981 ) تا حدود g1 (زمین لرزه زنجیران 1994 ) می باشد خصوصیات ارتعاشی نقاط زمین در هرلحظه از زلزله به شرایط مختلفی بستگی دارد که می توان به طور خلاصه به موارد زیر اشاره کرد.
1- بزرگاي زلزله 2- خصوصیات ساختگاه محل 3- فاصله از مرکز آزاد شدن انرژي
زلزله هاي نزد گسل به زلزله هایی اطلاق می شود که فاصله شان از مرکز آزاد شدن انرژي کمتر از یک حد معینی باشد، بعضی از محققین این فاصله را 50 کیلومتر میدانند و برخی دیگر این فاصله را 10 کیلومتر در نظر گرفته اند در این پژوهش محدوده زلزله هاي گسل را بیشتر از شعاع 25 کیلومتری مرکز سطحی زلزله در نظر گرفته شده است.
براي تحلیل سازه ها،هفت شتاب نگاشت مختلف انتخاب شده است، که در دو جهت به سازه اصلی و سازه مرکب اعمال شده اند.
با توجه به هدف پژوهش سعی بر آن بوده که رکورد هایی از شتاب نگاشت زمین لرزه هایی انتخاب گردند که درحد امکان بیشترین مقادیر پاسخ دینامیکی را در سازه ها ایجاد کنند.
لازم به ذکر است که جهت تحلیل هاي تاریخچه زمانی، شتاب- نگاشت هاي زلزله هاي منتخب به میزان g 0/3 همپایه سازي شده اند.
مشخصات شتاب نگاشت هاي انتخابی در جدول زیر آمده است.
بررسی روش تحلیل تاریخچه زمانی
در این روش، تحلیل دینامیکی سازه با اثر دادن شتاب زمین، به صورت تابعی از زمان در تراز پایه و محاسبات پاسخ مدل ریاضی ساختمان بافرض رفتارخطی انجام میشود.
در این تحلیل نسبت میرایی را میتوان پنج درصد منظور کرد، مگر آنکه بتوان نشان داد مقدار دیگري براي سازه مناسب تر است.
در این روش تحلیل، از هفت زوج شتاب نگاشت که در جدول بالا آمده، بکار گرفته شده، و مقدار بیشینه بازتاب هاي به دست امده از آن را بازتاب نهایی تلقی کرد.
در تحلیل تاریخچه زمانی به بررسی و مقایسه تغییرمکان نسبی سازه و بیشینه تغییرمکان نسبی سازه (دیریفت) که از اهمیت ویژه اي جهت طراحی سازه ها در برابر زلزله برخوردارند، و همچنین به مقایسه پریود غالب سازه پرداخته شده است.
تغییر مکان جانبی و میانگین
تغییر مکان جانبی و بیشینه تغییر مکان نسبی سازه هاي شش طبقه در شکل 4 ،5 ،6 ،8 و 7 ارائه شده است.
تغییر مکان سازه 6 طبقه
تغییر مکان سازه SA – شش طبقه
تغییر مکان سازه SB – شش طبقه
میانگین تغییر مکان سازه اصلی و مرکب 6 طبقه
بیشینه تغییر مکان نسبی سازه اصلی و مرکب 6 طبقه
همچنین برای سازه های 9 طبقه و 12 طبقه هم همین موارد بررسی شده است.
در جدول زیر مقایسه بین پریودهاي غالب مدل ها با پریود سازه اصلی ارائه شده است:
نتیجه گیری
1- مدل سازي یک سیستم ترکیبی شامل سازه اصلی و پله فرار و مقایسه آن باحالتی که پله فرار در مدل تحلیلی لحاظ نشده است، نشان می دهد که عدم مدلسازي راه پله فرار میتواند خطاي، محاسباتی خاصی را در نتایج تحلیل ایجاد نماید و لذا نتیجه میگیریم که در مدلسازي صحیح راه پله فرار در مدل هاي تحلیلی سازه ها ضروري است.
هرچند در خصوص نحوه ي مدلسازي اتصال آن با سازه اصلی جاي بحث و بررسی بیشتر میباشد .
2- با مدلسازي راه پله فرار در کنار سازه اولیه، مشخص گردید میزان تغییر مکان نسبی سازه ترکیبی در مقایسه با سازه ي اولیه (بدون پله فرار) افزایش یافته که بیشترین میزان تغییر مکان نسبی براي سازه ترکیبی در حالتی است که پله فرار در گوشه سازه قرارگرفته است.
این مقدار در حدود 2/15 سانتیمتر نسبت به سازه اولیه میباشد.
3- با توجه به مدلسازي راه پله فرار در موقعیت هاي مختلف و بررسی نتایج به دست آمده، مشخص گردید که اجراي راه پله فرار در وسط وجه کناري سازه، مناسبترین موقعیت پله فرار به لحاظ تأثیرات منفی آن بر پاسخ هاي سازه ترکیبی است.
4- با بررسی پریود مود اول در سازه هاي ترکیبی مشخص گردید، پریود سازه هاي ترکیبی نسبت به سازه اولیه کاهش پیدا میکند، هرچند اثر مدلسازي پله فرار دراین خصوص قابل اغماض است.
بیشترین کاهش پریود، مربوط به سازه هاي ترکیبی است که پله فرار در وسط سازه قرارگرفته است.
در سازه شش طبقه که پله فرار در وسط سازه قرار گرفته درصد کاهش پریود در حدود %5/7 است که این مقدار در سازه نه طبقه به %4/4 و در سازه 12 طبقه به %5 تغییر می کند.
اثر مدلسازي راه پله فرار فلزي در رفتار لرزه اي سازه هاي فولادي
اثر مدلسازي راه پله فرار فلزي در رفتار لرزه اي سازه هاي فولادي
مطلب قبلی: بررسی انواع روش های متداول پایدارسازی گود
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.