ارزیابی اثر میانقاب ها بر عملکرد لرزه ای قابهای دوگانه بتن مسلح : مطالعه موردی یک ساختمان آسیب دیده در زلزله 2011 وان (ترکیه)

ارزیابی اثر میانقابها بر عملکرد لرزه ای قابهای دوگانه بتن مسلح : مطالعه موردی یک ساختمان آسیب دیده در زلزله 2011 وان (ترکیه)

مهسا جاویدنیا، کارشناسی ارشد عمران- سازه، دانشگاه آزاد اسلامی قزوین

مهران سید رزاقی، دکترای عمران – زلزله، پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله

چکیده

استفاده از میانقابها در سازه های بتنی یکی از روشهای نوین مقاوم سازی سازه ها است. تأثیر این المان ها در سازه های بتنی با سیستم قاب خمشی یا دوگانه می­تواند موجب بهتر یا بدتر شدن عملکرد سازه باشد. میانقابها با افزایش سختی و جذب انرژی سازه و یا تغییر در مقاومت و ظرفیت سازه عملکرد آن را دستخوش تغییرات بسیاری می­کنند و باعث می­شوند که سازه دارای پاسخ متفاوتی به تحریکات زمین باشد. در این پژوهش یک ساختمان بتن مسلح آسیب دیده در زلزله 23 اکتبر 2011 وان ترکیه، با سیستم مختلط قاب خمشی و دیوار برشی، و دیوارهای پرکننده در هر دو راستا، توسط تحلیل دینامیکی غیرخطی مورد ارزیابی قرار گرفته است. با تغییر آرایش میانقاب ها، 17 نمونه جدید از روی مدل اصلی ایجاد شده است. همچنین 3 زلزله با PGA های متفاوت نسبت به زلزله اصلی، برای بررسی عملکرد میانقابها به تمام نمونه ها اعمال شدند. نتایج حاصل از تحلیل های دینامیکی تاریخچه زمانی نشان دادند میانقابها بیشترین انرژی زلزله را در مدل های مختلف جذب کرده و تغییر در آرایش آنها نقش بسیار مهمی در عملکرد سازه و تغییر در محل تشکیل مفاصل پلاستیک بر عهده دارند.

• مقدمه

یکی از رایج ترین انواع جداکننده ها در ساختمان های بتنی و فلزی، میانقاب های مصالح بنایی می­باشند. میانقاب ها در حین زلزله های قوی با قاب محصور کننده خود اندرکنش خواهند داشت که این اندرکنش موجب تغییر عملکرد سازه می­گردد و ممکن است آثار منفی مثل ایجاد مفاصل پلاستیک در تیرها و ستون های مجاور میانقاب داشته باشد (Nikzad K., Moniri A.H., 1997). یک تصور رایج در مورد میانقابها این است که این المان ها در سازه همیشه عملکرد مفید داشته و مقاومت سازه را در برابر زلزله بالا می­برند، حال آنکه شیوه صحیح قضاوت درباره این موضوع، بررسی عملکرد سازه در حالت وجود یا عدم وجود میانقاب، با استفاده از نرم افزارهایی همانند PERFORM-3D، و استفاده از تحلیل های دینامیکی تاریخچه زمانی است. در این پژوهش تأثیر میانقابها را بصورت موردی در سازه­ای با سیستم دوگانه مورد بررسی قرار خواهیم داد تا تأثیر آنها را در تغییر عملکرد کلی سازه ارزیابی کنیم. وجود میانقابها باعث افزایش سختی می­شود، اما کاهش ناگهانی سختی در اثر آسیب دیوارهای پرکننده (به جهت ترد شکنی این المانها) می­تواند منجر به تشکیل طبقه نرم گردد، که این حالت مقدمه­ای برای آسیب مفصل ها است. (Paulay T. and Priestley M.J.N., 1992)

• معرفی نرم افزار و تحلیل المان های مورد استفاده در تحلیل غیر خطی

به منظور ارزیابی لرزه ای ساختمان، محاسبه خسارت های مدل و مقایسه با خسارت های واقعی ، یک مدل غیر خطی از سازه مورد مطالعه ایجاد شده است. برای مطالعه رفتار هر عضو از تحلیل غیرخطی تاریخچه زمانی و برای انجام تحلیل ها نرم افزارPERFORM-3D  مورد استفاده قرار گرفته است. با استفاده از این برنامه می توان سازه های پیچیده را به صورت غیر خطی تحلیل کرد. این برنامه قابلیت های قدرتمندی برای طراحی بر اساس عملکرد داشته و می تواند نسبت های ظرفیت- نیاز را برای تمام اجزا و برای حالت های حدی محاسبه کند.

2-1- تیر

در نرم افزار PERFORM-3D برای مدلسازی تیرها که از المانهای نوع قابی هستند از مدل دوران قطری (وتری) که تمام خصوصیات آن براساس FEMA-356  می باشد، استفاده شده است. در المان تیر متقارن با مقاومت­های یکسان در دو انتها، دو جزء FEMA beam با طول­های یکسان، به اضافه دو ناحیه صلب در دو انتها با هم ترکیب شده و المان FEMA beam را در نرم افزار تشکیل می­دهند.PERFORM-3D  مدل تعریف شده توسط کاربر را به مدل اجرایی خود بصورت شکل 1 تبدیل می نماید.

شکل 1-  مدل دوران وتری اجرایی توسط PERFORM ( 1391، PERFORM-3D راهنمای)

 

2-2- ستون

برای مدل کردن ستونها در نرم افزار PERFORM-3D ، از مدل ناحیه پلاستیک استفاده شده است. نمای شماتیک این مدل به صورت شکل 2 می باشد. در این مدل تغییر شکل های پلاستیک در نواحی پلاستیک با طول محدود توزیع می شود و نواحی پلاستیک توسط قطعات کوچک فایبر مدل می شوند.

شکل 2-  مدل ناحیه پلاستیک ( 1391، PERFORM-3D راهنمای)

برای تعریف فایبرها ابتدا باید مصالح بتنی و فلزی غیرالاستیک را تعریف کرد، سپس با استفاده از مصالح تعریف شده مقاطع فایبر تشکیل می­شوند. سطح مقطع ناحیه پلاستیک که توسط فایبرهای بتنی و فلزی ساخته شده­است، از ترکیب سه جزء همانند شکل 3 تشکیل شده است ( 1391،PERFORM-3D راهنمای).

شکل 3-  فایبرهای تعریف شده در سطح مقطع ستونها ( 1391، PERFORM-3D راهنمای)

فایبرهای فلزی برای در نظر گرفتن خصوصیات غیر الاستیک آرماتورها و فایبرهای بتنی برای در نظر گرفتن خصوصیات غیر الاستیک مقاطع بتنی استفاده می­شوند.

 

 

2-3- دیوار برشی

نرم افزار PERFORM-3D امکان مدلسازی غیرخطی دیوار را با استفاده از المان های دیوار و بدون نیاز به

المان های قاب برای مدل کردن بخش های دیوار فراهم می آورد. این المان به کمک تعدادی فایبر در طول دیوار که مدل مصالح غیر خطی به آنها اختصاص داده شده است تعریف می گردد (شکل 4). با استفاده از مدلهای فایبر می­توان دقت مدل را بدون رفتن به سمت تحلیل­های خیلی جزئی اجزای محدود افزایش داد.

شکل 4-  معادلسازی مقطع دیوار برشی بتنی با المان فایبر ( 1391، PERFORM-3D راهنمای)

2-3- دیوار های پرکننده

برای مدل نرم افزاری دیوارهای پرکننده، از مدل برشی دیوارهای پرکننده با عنوان (Shear infill model) استفاده شده است (شکل 5). عمل انجام شده بر روی این مدل نیروی برشی افقی و تغییر شکل مورد نظر تغییر مکان برشی در کل ارتفاع پانل است. این مولفه فقط دارای سختی درون صفحه و مقاومت برشی است. مقاومت خمشی و سختی خارج از صفحه آن صفر در نظر گرفته شده است ( 1391،PERFORM-3D راهنمای).

شکل 5-  مدل برشی پانل پرکننده (Hosseini Hashemi B. and Hassanzadeh H., 2008 )

• معرفی سازه مورد مطالعه و بررسی عملکرد آن در هنگام زلزله

طی زلزله­ای که در اکتبر 2011 در حوالی دریاچه وان ترکیه با بزرگای 2/7 رخ داد، سازه­های زیادی آسیب

جدی دیده یا بطور کامل تخریب شدند. سازه ای که به عنوان الگوی اصلی عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است ساختمان بتن مسلح 7 طبقه­ای است که در دو راستای x و y دارای دیوار برشی بتن مسلح با ضخامتهای 25 و 30 سانتی­متر می­باشند. شکل­ 6 نمایی از ساختمان مورد نظر و شکلهای 7 (الف) و (ب) به ترتیب پلان موقعیت اجزای سازه­ای ساختمان را در طبقه همکف و طبقات مسکونی نشان می­دهند. سطح مقطع ستون­ها در تمام طبقات، یکسان و برابر ²cm 30 X80 و تیرها از نوع عمیق با ابعاد ²cm 30 X60 می­باشند. مصالح دیوارهای پرکننده­ با ضخامت cm 20، بلوک سیمانی سبک با مقاومت فشاری ²kg/cm 40 و مدول الاستیسیته ²kg/cm 22000 می­باشد. در شکل 7 نام دیوارها و محل قرارگیری آنها نشان داده شده­اند.

شکل 6-  نمایی از ساختمان مورد مطالعه

  الف- پلان موقعیت اجزای سازه ای در طبقه­ی همکف                ب- پلان موقعیت اجزای سازه ای در طبقات مسکونی

شکل 7-  پلان موقعیت اجزای سازه­ای

شبکه لرزه‌­نگاری موسسه­‌ی ژئوفیزیک دانشگاه تهران در تاریخ 01/08/1390 زمین­ لرزه‌­ای را بامشخصات زیر ثبت کرده­ است : (موسسه­­ ی ژئوفیزیک دانشگاه تهران)

جدول 1- مشخصات رخداد لرزه­ای وان ترکیه

مکان وقوع زمین لرزه	حوالی وان ترکیه
تاریخ وقوع	23 اکتبر 2011 میلادی
زمان وقوع	14:11:27 (به وقت تهران)
بزرگا (در مقیاس امواج درونی زمین)	2/7
عرض شمالی	° 689/38
طول شرقی	° 465/43
عمق زلزله (کیلومتر)	2/19

در سازه­ مورد نظر به تیرها پس از زلزله خسارتی وارد نشده بود. تنها 3 عدد ستون در طبقه­ همکف (شکل 8) و تعدادی دیوار برشی آسیب دیده و تعداد زیادی از دیوار­های پرکننده آسیب جدی دیده بودند.

                  

شکل 8-  نمایی از آسیب­­های ایجاد شده در ستون­ها

• مدلسازی

جهت بررسی عملکرد میانقابها در سازه مورد نظر، از آرایش های متفاوت این اعضا استفاده شده است. از بین تعداد زیاد مدل هایی که امکان ساختن آنها از روی مدل اصلی وجود داشت، 17 مدل انتخاب شدند که تا حد زیادی جامع بودند. علاوه بر این از 3 زلزله با شتابنگاشت های متفاوت نسبت به زلزله اصلی نیز استفاده شده و در این 3 زلزله نیز تمام آرایش های محتمل برای میانقابها که در زلزله وان بررسی شده بودند، در نظر گرفته شده است. اطلاعات زلزله های استفاده شده در این پژوهش در جدول 2 آورده شده است:

جدول 2- اطلاعات زلزله های مورد استفاده

نام زلزله	زمان وقوع	محل وقوع	شماره ایستگاه	بزرگا	زمان تداوم	فواصل زمانی	حدود PGA
Van	23/10/2011	ترکیه	6503	2/7	5614/83 ثانیه	0078/0 ثانیه	2/0- 1/0
Northridge	17/1/1994	کالیفرنیا	14145 Mulholland	7/6	82 ثانیه	005/0 ثانیه	55/0- 4/0
El Centro	19/5/1940	آمریکا	117 El Centro Array #9	1/7	25 ثانیه	005/0 ثانیه	3/0- 2/0
chi-chi	20/9/1999	تایوان	CHY016	6/7	30 ثانیه	005/0 ثانیه	1/0- 095/0

مدل های تعریف شده در این پژوهش بصورت زیر معرفی شده­اند :

جدول 3- مدل های ساخته شده از روی مدل اصلی

نام مدل	شرح تغییرات انجام شده روی مدل
org	سازه در حالت واقعی
test-1	حذف تمام دیوارهای پرکننده داخلی طبقه همکف
test-2	حذف تمام دیوارهای پرکننده (داخلی + پیرامونی) طبقه همکف
test-3	اضافه کردن دیوارهای پرکننده به پیرامون طبقه همکف (پرکننده های داخلی وجود دارند)
test-4	اضافه کردن دیوارهای پرکننده به پیرامون طبقه همکف (پرکننده های داخلی وجود ندارند)
test-5	حذف تمام دیوارهای پرکننده پیرامونی طبقه همکف (پرکننده های داخلی وجود دارند)
test-6	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی طبقه همکف در راستای X (پرکننده های داخلی وجود دارند)
test-7	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی طبقه همکف در راستای X (پرکننده های داخلی وجود ندارند)
test-8	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی طبقه همکف در راستای Y (پرکننده های داخلی وجود دارند)
test-9	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی طبقه همکف در راستای Y (پرکننده های داخلی وجود ندارند)
test-10	اضافه کردن دیوارهای پرکننده داخلی بصورت متقارن به نمونه test-3
test-11	حذف دیوارهای پرکننده (داخلی + پیرامونی) در تمام طبقات
test-12	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی در تمام طبقات (پرکننده های داخلی بصورت متقارن وجود دارند)
test-13	حذف تمام دیوارهای پرکننده داخلی در تمام طبقات
test-14	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی تمام طبقات در راستای Y (پرکننده های داخلی وجود دارند)
test-15	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی تمام طبقات در راستای X (پرکننده های داخلی وجود دارند)
test-16	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی تمام طبقات در راستای Y (پرکننده های داخلی وجود ندارند)
test-17	حذف دیوارهای پرکننده پیرامونی تمام طبقات در راستای X (پرکننده های داخلی وجود ندارند)

قابل ذکر است که مدل های 6، 7، 8 و 9 از روی مدل test-3 ساخته شده­اند.

• چگونگی تنظیم حالتهای بارگذاری دینامیکی غیر خطی و بررسی نتایج حاصل از تحلیل

آنچه که می­تواند رفتار واقعی تری از سازه را به هنگام وقوع زلزله نشان دهد نتایج حاصل از یک تحلیل دینامیکی غیر خطی است. بعلت پیچیدگی های موجود در این روش استفاده از آن برای آنالیز و طراحی سازه های ساختمانی متداول تقریبا امری غیر عملی می­نماید. آیین نامه های قدیمی، زلزله را تنها یک نیرو در نظر می­گرفتند و ضوابط و مقرراتی را تعیین می­کردند که ساختمان بتواند در برابر این نیرو مقاومت کند (طراحی بر اساس نیرو). اما نسل جدید آیین نامه ها، فلسفه جدیدی به نام طراحی بر اساس عملکرد را مطرح می­کنند. بدین معنا که طراحی ساختمان متناسب با عملکردی که از ساختمان انتظار داریم انجام می­شود. در آیین نامه های قدیمی طراحی سازه با فرض خطی بودن ساختمان انجام می­شود اما همانطور که می­دانیم ساختمان در اثر زلزله پس از محدوده خطی وارد حوزه غیرخطی می­شود و رابطه بین نیروی برش پایه و تغییرمکان مرکز جرم بام از حالت خطی خارج شده و غیرخطی می­گردد.(Hamburger R.O., 1997)

گام های کلی برای تنظیم یک حالت بار نیروی دینامیکی در نرم افزار PERFORM-3D به ترتیب زیر هستند:

• تعریف الگوهای بار گرهی لازم؛
• تنظیم نمودن رکوردهای نیروی دینامیکی لازم؛
• تعریف یک یا چند حالت بار نیروی دینامیکی.

در نرم افزار PERFORM-3D در هر حالت بارگذاری می­توان تا 40 الگوی بارگذاری را اعمال کرد که هر کدام به یک رکورد نیروی زلزله مربوط است. در نتیجه اگر از یک حالت بارگذاری نیروی دینامیکی برای تحلیل زلزله با تحریکات تکیه گاهی چند جانبه استفاده شود، می­توان تا 40 دسته حرکات متفاوت را اعمال کرد.                      پاسخ یک سازه به زلزله با مقدار انرژی که سازه قادر به استهلاک آن است وابسته می­باشد. در تحلیل سازه های ارتجاعی، این فرض عادی است که انرژی به وسیله میرایی ویسکوز مستهلک می­شود (که یک مدلسازی تقریبی است، به جز برای سازه هایی با میراگرهای ویسکوز واقعی). در تحلیل سازه های غیر ارتجاعی، این فرض که میرایی ویسکوز وجود دارد هنوز هم عادی است، ولی علاوه بر آن انرژی بوسیله اثرات غیر ارتجاعی (مانند تسلیم، اصطکاک و غیره) مستهلک می­گردد.

• نتایج حاصل از تحلیل های دینامیکی غیر خطی

الف- صحت سنجی :

محل تشکیل مفاصل پلاستیک در مدل نرم افزاری دقیقاً مطابق با مدل واقعی است. همانطور که در شکل 9 مشاهده می­شود در مدل نرم افزاری سازه اصلی 3 عدد ستون در طبقه همکف آسیب دیده اند که کاملا مطابق با عملکرد سازه در مدل واقعی است. مقایسه تغییرات محل تشکیل مفاصل پلاستیک در چند مدل ساخته شده در زلزله Van در شکل های 9، 10، 11 و 12 صورت گرفته است.

 

شکل 9- 3 ستون آسیب دیده در مدل نرم افزاری سازه اصلی                       شکل 10- عملکرد سازه در test-2

 

 

 

                  شکل 11- عملکرد سازه در test-11                                                   شکل 12- عملکرد سازه در test-17

در قسمت Usage Ratio Graphs در نرم افزار حدود خرابی برای تیر ها، ستون ها و دیوار های برشی در قالب گراف هایی قابل مشاهده هستند. شکل 13 گراف مربوط به محدوده عملکرد LS را برای ستونهای مدل اصلی در زلزله Van نشان می­دهد. همچنین گراف مورد نظر برای عملکرد چند مدل دیگر در زلزله Van نیز در شکل های 14، 15 و 16 نشان داده شده اند.

 

شکل 13-  عملکرد ستون های مدل اصلی در زلزله Van                     شکل 14-  عملکرد ستون های مدل test-2 در زلزله Van

 

شکل 15-  عملکرد ستون های مدل test-11در زلزله Van                     شکل 16-  عملکرد ستون های مدل test-17 در زلزله Van

همانطور که در شکل 13 مشاهده می شود تنها ستونهای طبقه اول از خط واحد تجاوز کرده اند و یا در شکل 15 که مربوط به مدل test-11 است تمام ستون ها در تمام طبقات از خط واحد تجاوز کرده اند. اگر نسبت نیاز به ظرفیت در مقاطع مقاومتی پس از تحلیل، از 1 تجاوز نماید، یعنی در آن مقاطع مفصل تشکیل شده است.

ب- تغییر مکان سازه:

عواملی که باعث تغییر سختی سازه می­شوند مثل ترک خوردگی اعضا در سازه بتنی یا وجود و عدم وجود میانقاب در سازه، باعث تغییر در مقدار تغییر مکان می­شوند. به منظور بررسی تغییر مکان نسبی طبقات مختلف و همچنین تغییر مکان کلی سازه برای هر یک از زلزله های تعریف شده در برنامه، میزان Drift در طبقات مختلف مورد بررسی قرار گرفته­اند. کمترین مقدار تغییر مکان در زلزله های مختلف مربوط به طبقه اول و بیشترین تغییر مکان مربوط به طبقات 3 و 4 می­باشد. بدلیل عمیق بودن تیرها و استفاده از دیوارهای برشی در سازه، مقدار Drift بدست آمده مناسب است و با مقدار حداکثر محاسبه شده بسیار فاصله دارد.

 

پ- بررسی انرژی جذب شده در هر یک از اعضای سازه:

پاسخ یک سازه به زلزله با مقدار انرژی که سازه قادر به استهلاک آن است وابسته می­باشد. در نرم افزار PERFORM-3D بعد از هر تحلیل، مقدار انرژی جذب شده توسط کل سازه و هر یک از المان های تیر، ستون، دیوار برشی و دیوار های پرکننده، در قالب 5 نوع انرژی شامل انرژی جنبشی، انرژی کرنشی، انرژی ویسکوز Mα ، انرژی ویسکوز  βK و انرژی تلف شده غیر الاستیک می­باشند. شکل های 17، 18، 19 و 20 توزیع انرژی در هریک از المان های مذکور را برای 4 زلزله نامبرده در مدل org نشان می­دهد.

 

 

 

 

مقدار جذب انرژی در تمامی مدلها در 4 زلزله مورد بررسی در شکلهای 21، 22، 23 و 24 آورده شده اند:

   شکل 21- انرژی جذب شده در کل سازه برای زلزله Van

شکل 22- انرژی جذب شده در کل سازه برای زلزله Chi-Chi

شکل 23-انرژی جذب شده در کل سازه برای زلزله Northridge

شکل 24- انرژی جذب شده در کل سازه برای زلزله El Centro

 

• نتیجه گیری:

مطالعات نشان دادند در سیستم های مختلط شامل میانقابها، این عناصر پرکننده نقش تعیین کننده ای در عملکرد سازه در سطح عملکرد مورد نظر و جلوگیری از ریزش سازه (collapse) داشته­اند. آسیب های مشاهده شده در مدل تحلیلی بسیار مشابه با آسیب های وارده در سازه اصلی (آسیب دیده در زلزله وان) است. مثلاً همان تعداد از ستون هایی که در سازه اصلی آسیب دیده بودند در مدل تحلیلی هم آسیب دیدند و یا تیرها در هر دو حالت کاملا بدون آسیب باقی مانده بودند. نتایج بدست آمده از این پژوهش را می­توان در قالب موارد زیر بیان کرد:

• پاسخ یک سازه به زلزله با مقدار انرژی که سازه قادر به استهلاک آن است وابسته می­باشد. همانگونه که در شکل های ارائه شده در قسمت (پ) نتایج حاصل از تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی مشاهده ­شد، بیشترین انرژی جذب شده مربوط به میانقابها است (بجز زلزله Chi-Chi). تیر ها نیز بدلیل تعداد زیادشان در هر طبقه و عمیق بودنشان نقش عمده­ای در جذب انرژی داشته اند. بخش اندکی از انرژی نیز توسط ستون ها و دیوار های برشی جدب شده است.
• حداکثر و حداقل مقدار جذب انرژی در 4 زلزله مورد بررسی در یک نمونه رخ نداده اند. مثلا در زلزله های Van و El Centro بیشترین انرژی جدب شده در نمونه 17، در زلزله Northridge در نمونه 10 و در زلزله Chi-Chi در نمونه 11 بوده و در زلزله های Van، Northridge و El Centro کمترین انرژی جدب شده در نمونه 16، و در زلزله Chi-Chi در نمونه 8 بوده است.
• تغییر در محل میانقاب ها منجر به تغییر قابل توجه در پاسخ سازه می شود که این تغییرات شامل تغییر در محل مفصل، سطح عملکرد سازه و انرژی جذب شده در سازه و المان های تشکیل دهنده آن می­شود.

منابع:

• اسماعیل ح.، خیرالدین ع. و بزاز م.،1391، راهنمای تحلیل غیرخطی و ارزیابی عملکرد سه بعدی PERFORM-3D، انتشارات سیمای دانش.
• Hosseini Hashemi B. and Hassanzadeh M., 2008, Studyof a semi- rigid steel braced building damage in the Bam earthquake, Journal of Constructional Steel Research, No.64, pp.704-721.
• Humburger R.O., 1997, A framework for performance-based earthquake resistive design, NISEE (National Information Sevice for Earthquake Engineering)
• Nikzad K. and Moniri A.H., 1997, Brick filled walls desirable and undesirable effects on seismic behaviour of concrete frames, Seismology and Earthquake Engineering Bulletin, Vol.2, pp.14-19.
• Paulay T. and Priestley M.J.N., 1992, Seismic design of reinforced concrete masonary building.