بررسی اثر میراگر ویسکوالاستیک بر رفتار سازه‌های قاب خمشی فولادی در زلزله‌های مختلف

 

 

چكيده

امروزه به منظور کنترل ارتعاشات سازه‌ای در برابر نیروهای زلزله، از سیستم‌های مستهلک کننده انرژی به جای افزایش مقاومت سازه می‌توان استفاده نمود تا ضمن تمرکز تغییر شکل‌های غیرارتجاعی به هنگام زلزله در این سیستم‌ها، امر ترمیم و بهسازی سازه‌ها نیز سهولت یابد. در این مقاله تاثیر کاربرد میراگر ویسکوالاستیک در کاهش پاسخ لرزه‌ای سازه‌ها مانند تغییر مکان و برش پایه مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور سه نمونه سازه‌ی سه بعدی منظم 6 ، 12 و 24 طبقه تحت رکوردهای زلزله‌های ال‌سنترو، کوبه و نورثریچ با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی مورد بررسی قرار گرفتند. بر اساس نتایج بدست آمده در این پژوهش به موجب استفاده از میراگر ویسکوالاستیک جابجایی و دریفت سازه‌ها کاهش یافته است. اما اضافه کردن میراگر ویسکوالاستیک در سازه علاوه بر افزایش میرایی موجب افزایش سختی سازه نیز می‌شود و این موضوع منجر به افزایش برش پایه در بیشتر تحلیل‌ها گردید.

 

 

واژگان كليدي: میراگر ویسکوالاستیک، سازه قاب خمشی فولادی، تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، زلزله حوزه نزدیک

 

1- مقدمه

امروزه به منظور کنترل ارتعاشات سازه‌ای در برابر نیروهای زلزله، از سیستم‌های مستهلک کننده انرژی به جای افزایش مقاومت سازه می‌توان استفاده نمود تا ضمن تمرکز تغییر شکل‌های غیرارتجاعی به هنگام زلزله در این سیستم‌ها، امر ترمیم و بهسازی سازه‌ها نیز سهولت یابد. میراگرهای ویسکوالاستیک یکی از انواع این سیستم‌ها می‌باشد. که در سال‌های اخیر در سازه‌های بلند به کار گرفته شده‌اند. کاربرد این گونه مواد جهت کنترل ارتعاش سازه‌ها به سال 1950 باز میگردد.(Tabatabaei,2003) در سال‌های اخیر مطالعات فراوانی در این زمینه صورت پذیرفته است. لی و همکاران در سال 2003 با ارائه تحلیل لرزه‌ای ساختمان‌های مجهز به میراگرهای ویسکوالاستیک توانایی مؤثر این میراگرها در کاهش ارتعاشات جانبی سازه‌ها تحت زلزله‌های مختلف را نشان دادند.(Lee,2002) مين و همكاران در سال 2004 با ارائه روند طراحي ميراگرهاي ويسكوالاستيك و بررسي نتايج آزمايشگاهي يك ساختمان فولادي 5 طبقه يك دهانه با ميراگرهاي ويسكو الاستيك در طبقات 1و2، مشخصات مكانيكي ميراگرها و ديناميك سازه تحت تحريك هارمونيكي وظرفيت ميراگرهاي ويسكوالاستيك براي ايجاد نسبت ميرايي لازم را به دست آوردند و كاهش پاسخ ديناميكي بطور مطلوب را نشان دادند.(Min,2004) زو و همكاران در سال 2004با بررسي پارامترها و موقعيت بهينه ميراگرهاي ويسكو الاستيك، پاسخ خوبي را براي ساختمان بتني باميراگرهاي ويسكو الاستيك روي ميز لرزه نشان دادند.(Xu,2004) شریفی و همکاران نیز درپژوهشی به بررسی تاثیر میراگر های ویسکوالاستیک بر پاسخ لرزه ای سازه های فولادی باتاکیدبرنقش ارتفاع سازه برمیزان کارایی میراگرپرداختند و با مبنا قراردادن تغییر مکان مطلق بام و جابجایی نسبی طبقات درپارامترهای لرزه ای تاثیر میراگر با بالارفتن ارتفاع را بیان نمودند.(شریفی،1390) ترابی و همکاران نیز به ارزيابي عملكرد ميراگرهاي ويسكوالاستيك دركاهش ارتعاشات لرزه اي سازه ها در زلزله هاي حوزه نزديك پرداختند که به پاسخهای قابل قبولی نیز برای مقاوم سازی و بهبود رفتار سازه در زلزله دست یافتند.(ترابی،1391) رحیم زاده وهمکاران نیزبه مطالعه عملكردميراگرهايويسكو الاستيكدركاهشپاسخلرزهايسازه ها پرداختند و نتایج قابل قبولی ارایه نمودند.(رحیم‌زاده،1383) در این مقاله تاثیر کاربرد میراگر ویسکوالاستیک در کاهش پاسخ لرزه‌ای سازه‌ها مانند تغییر مکان و برش پایه مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور سه نمونه سازه‌ی سه بعدی منظم 6 ، 12 و 24 طبقه تحت رکوردهای زلزله‌های ال‌سنترو، کوبه و نورثریچ با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی مورد بررسی قرار گرفتند. بر اساس نتایج بدست آمده در این پژوهش به موجب استفاده از میراگر ویسکوالاستیک جابجایی و دریفت سازه‌ها کاهش یافته است. اما اضافه کردن میراگر ویسکوالاستیک در سازه علاوه بر افزایش میرایی موجب افزایش سختی سازه نیز می‌شود و این موضوع منجر به افزایش برش پایه در بیشتر تحلیل‌ها گردید.

 

2- معرفی میراگر ویسکوالاستیک

استفاده از میراگرهای ویسکوالاستیک برای کنترل ارتعاش ناشی از باد دارای سابقه طولانی تری نسب به کاربرد آن برای کنترل ارتعاش زلزله است. کاربرد موادویسکوالاستیک درسازه های مهندسی عمران در سال 1963، در زمانی آغاز شد که1000 میراگر ویسکوالاستیک در هر یک از دو برج دوقلوی مرکز تجارت جهانی در شهر نیویورک به منظور کمک کردن به مقاومت در برابر بارهای ناشی از باد نصب شدند. [محمودی] جزء اولین محققانی بودکه بطورآزمایشگاهی اثر عوامل مختلف را روی میراگر مورد بررسی قرار داد.(Mahmoodi,1969) از آن پس محققان دیگری مانند [ سونگ]، [چن] و [شن]، بر روی سازه های مجهز به میراگر تحت اثر نیروی زلزله به مطالعه پرداختند.(Soong,1997) مطالعات تئوریک و تجربی مفصلی در حوزه لرزه ای، منجر به اولین تقویت لرزه ای ساختمان بااستفاده ازمیراگرهای ویسکو الاستیک درسال 1993درآمریکاشد. خاصیت میرایی ویسکوالاستیک در بسیاری از مواد پلیمری (ترو پلاساتیک) و شیشه (ترموست) وجود دارد. این مکانیزم داخلی برای افزایش میرایی در کاهش ارتعاش سازه ها بسیار مهم است . مواد ویسکوالاستیک، رفتاری بین جامدات الاستیک و مایع لزج دارند که این رفتار، یک خصوصیت منحصر به فرد محسوب شده و بیشتر در مواد پلیمری مشاهده می گردد. بعنوان مثال، مواد ویسکو الاساتیک تحت تاثیر یک نیروی ثابت علاوه بر تغییر شکل الاستیک آنی، تغییر شکل های وابسته به زمان نیز خواهند داشت. این پدیده را خزش می نامند. این نوع میراگر، شامل یک یا چند لایه از مواد ویسکو الاستیک محصور شده در میان ورق های فولادی می باشند. در (شکل1) ساده ترین نوع آن نشان داده شده است.(Tsai,1993)

عملکرد میراگر ویسکوالاستیک به گونه است که حرکات نسبی طبقات باعث می‌شودکه صفحات خارجی این میراگر نسبت به صفحه داخلی آن حرکت کنند.(شکل2) در میان صفحات فلزی موجود، مواد پلیمری تزریق می شود که قابلیت تحمل تغییرشکلهای برشی را داشته وموجب مستهلک شدن انرژی ورودی به سازه می شود.(Lewandowski,2012)

 

این میراگر را میتوان در محل بادبندهای جناغی یا قطری نصب کرد.مهمترین ویژگی مکانیکی این میراگر، وابستگی به حرارت و فرکانس بارگذاری میباشد.(Samali,1995)

1- مواد ویسکوالاستیک

میرایی ویسکوالاستیک در بسیاری از مواد پلیمری (ترموپلاستیک) و شیشه ای (ترموست) وجود دارد و این مکانیزم داخلی برای افزایش میرایی در کاهش ارتعاش در سازه ها بسیار مهم است.(زهرائی،1392) به علت اینکه مواد ویسکوالاستیک نشان دهنده خواص لزج و الاستیک باهم هستند، خصوصیات منحصر به فردی دارند. برای مثال، تحت اثر نیروی ثابت مواد ویسکوالاستیک اضافه بر تغییر شکل الاستیک آنی تغییر شکل های وابسته به زمان نیز خواهند داشت که خزش نامیده می شوند و بر عکس، نیروی لازم برای تغییر شکل ثابت در طول یک دوره زمانی پدیده وادادگی نامیده می شود. برای مواد ویسکوالاستیک خطی رابطه تنش و کرنش به صورت زیر بیان می شود که به رابطه برهم نهش بولتزمان معروف است:

در این رابطه ، و به ترتیب تنش، کرنش و تابع وادادگی در ماده ویسکوالاستیک هستند.

 

ضریب اتلاف با تقسیم قسمت موهمی مدول مختلط به قسمت حقیقی آن بدست می آید :

 

2- معرفی سازه‌های مورد بررسی

در این پژوهش سازه‌های 6، 12 و 24 طبقه منظم و نامنظم مورد بررسی و تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی قرار می‌گیرند. پلان سازه نامنظم مورد بررسی در شکل‌ زیر نشان داده شده است. بررسی‌ این پلان مطابق تعریف نامنظمی هندسی مطرح شده در آیین نامه 2800 نشان دهنده نامنظم بودن این پلان می‌باشد.

 

1- بارگذاری سازه‌ها و فرضیات

سازه‌های مورد بررسی در این پایان نامه مطابق آیین نامه 2800 ایران ویرایش چهارم تحلیل شدند. خاک محل احداث سازه‌ها خاک نوع 3 و سازه‌های با اهمیت بالا در محدوده با خطر نسبی زیاد و قاب خمشی فولادی ویژه در نظر گرفته شدند. مشخصات کامل سازه‌ها به همراه محاسبه ضرایب C و K در جداول زیر نشان داده شده است. همچنین بارگذاری اعمال شده شامل 200 کیلوگرم بر متر مربع بار زنده و 640 کیلوگرم بر متر مربع بار مرده اعمال شده به کف‌های سازه و به صورت گسترده می‌باشد.

 

1- رکوردهای مورد استفاده

برای تحلیل و طراحی سازه‌ها دقیق‌ترین روش تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی می‌باشد. و در برخی حالات همچون این پژوهش که نیاز به درک رفتار لرزه‌ای سازه در مقابل زلزله‌های واقعی داریم ناچار به استفاده از چنین تحلیلی هستیم در این مقاله از 6 رکورد زلزله که شامل سه رکورد نزدیک و سه رکورد دور گسل می‌باشند استفاده کردیم. رکوردهای استفاده شده به همراه مشخصات آن‌ها در جداول 4 و 5 معرفی شده‌اند.

 

1- خروجی‌های نرم افزار و تحلیل آنها

نمودار جابجایی و دریفت طبقات برای سازه‌های 6 ، 12 و 24 طبقه تحت 6 رکورد دور و نزدیک گسل به صورت شکل‌های 6 الی 11 می‌باشند. لازم به توضیح است که نمودارهای دارای علامت دایره بدون میراگر هستند و خطوطی که دارای علامت مربع می‌باشند نشان دهنده جابجایی سازه دارای میراگر هستند.

با توجه به نمودارهای جابجایی و دریفت طبقات مشاهده می‌شود که وجود میراگر باعث کاهش تغییر مکان طبقات در سازه شده است. این موضوع در همه رکوردهای اعمال شده دیده می‌شود که به معنای تاثیر مثبت و قابل قبول استفاده از میراگر ویسکوالاستیک می‌باشد. چرا که اصولاً هدف استفاده از میراگرها در سازه کاهش تغییر مکان‌های سازه و کنترل جابجایی‌های آن می‌باشد.

 

7-1- تحلیل نتایج

با توجه به نمودارهای جابجایی و دریفت طبقات به طور کلی می‌توان به این نتیجه رسید که اضافه کردن میراگر به سازه موجب کاهش جابجایی‌های کلی و نسبی سازه شده است. به عبارت دیگر جابجایی‌های سازه به عنوان یکی از مهمترین چالش‌های هنگام طراحی سازه‌ها به خصوص سازه‌های بلند ضمن استفاده از میراگر ویسکوالاستیک نسبت به حالت بدون میراگر به طور چشمگیری کاهش یافته است. این موضوع مهمترین اثر میراگر ویسکوالاستیک بر سازه می‌باشد. چرا که در سازه‌های بلند جابجایی سازه بسیار مهم و تعیین کننده در روند طراحی سازه است.

مهمترین نتایج بدست آمده از تحلیل سازه عبارتند از:

1- در سازه 6 طبقه بدون میراگر بیشترین جابجایی مربوط به زلزله کوبه نزدیک با حدود 0.6082 متر می‌باشد و در حالت با میراگر مقدار جابجایی تحت همان رکورد به حدود 0.1478 رسیده است که در حدود 75.7 درصد کاهش را نشان می‌دهد.

2- در سازه 12 طبقه بدون میراگر بیشترین جابجایی مربوط به السنترو دور با حدود 0.908 متر می‌باشد که پس از قرار دادن میراگر در سازه جابجایی آن زلزله به حدود 0.418 رسیده که حدود 54 درصد کاهش را نشان می‌دهد.

3- در سازه 24 طبقه بدون میراگر بیشترین جابجایی تحت رکورد کوبه نزدیک با حدود 0.9259 بدست آمد که در حالت با میراگر به 0.6828 رسیده است یعنی در حدود 26.25% کاهش یافته است.

4- با توجه به نتایج بدست آمده برای رکوردهای دور و رکوردهای نزدیک گسل مشاهده می‌شود که در برخی موارد میراگر عملکرد بهتری در رکوردهای نزدیک و در برخی موارد عملکرد بهتری در کاهش پارامترهای لرزه‌ای همچون تغییر مکان‌ها و نیروها در رکوردهای دور دارد لذا می‌توان چنین نتیجه گرفت که رکوردهای نزدیک و دور تاثیری بر رفتار میراگر ندارند.

5- با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده می‌شود که استفاده از میراگر الزاماً برش‌پایه یا جابجایی سازه را تحت تمامی رکوردهای اعمال شده یکسان کاهش نداده است. اما به طور میانگین و در مجموع اثر استفاده از میراگر در ساختمان‌های 6 ، 12 و 24 طبقه مطلوب می‌باشد و موجب کاهش جابجایی‌ها و کاهش دریفت طبقات در سازه‌ها گردیده است.

6- همانگونه که مشاهده می‌شود بیشترین تاثیر استفاده از میراگر ویسکوالاستیک در ساختمان 6 طبقه اتفاق افتاده است. به طوری که متوسط کاهش جابجایی سازه 6 طبقه 64.8% درصد می‌باشد. در حالی که در ساختمان‌ 12 طبقه 32.8% و در ساختمان 24 طبقه شاهد 26.6% کاهش میانگین مقادیر جابجایی می‌باشیم. این موضوع بدان معناست که میراگر ویسکوالاستیک در سازه‌ها و ساختمان‌های کوتاه‌تر بهتر عمل نموده و تاثیر بیشتری بر کاهش جابجایی دارد.

7- برخلاف جابجایی‌ها برش‌پایه در ساختمان 24 طبقه بهترین وضعیت را در مقایسه بین ساختمان بدون میراگر و دارای میراگر دارد. بطوری که میانگین درصد کاهش برش‌پایه در ساختمان‌های 6 ، 12 و 24 طبقه به ترتیب -24.9% ، -10.4% و +7.4% می‌باشد. این اعداد نشان دهنده این حقیقت هستند که میراگر ویسکوالاستیک در ساختمان‌های کوتاه مرتبه نه تنها برش پایه و نیروی اعمال شده به ساختمان را کاهش نداده بلکه آن را افزایش نیز داده است در حالی که همان گونه که مشاهده می‌شود در ساختمان 24 طبقه این میراگر توانسته است برش پایه را کاهش دهد هر چند که میزان کاهش برش پایه آن ناچیز می‌باشد.

8- افزودن میراگر ویسکوالاستیک باعث افزایش میرایی و افزایش سختی سازه‌ها می‌شود. میرایی موجب استهلاک انرژی و کاهش برش‌پایه اعمال شده به ساختمان می‌شود و این کاهش نیرو موجب کاهش جابجایی نیز می‌شود. اما اضافه شدن سختی سازه موجب کاهش جابجایی سازه و افزایش برش‌پایه می‌باشد. بنابراین میراگر ویسکوالاستیک جابجایی سازه را به مقدار مناسبی کاهش می‌دهد ولی در کاهش نیروی برش‌پایه عملکرد خوبی ندارد و چون افزایش سختی برای افزودن به برش پایه مؤثرتر است بنابراین برش‌پایه یا خیلی کم کاهش یافته و یا حتی افزایش یافته است.

 

1- نتیجه گیری

در این مقاله تاثیر کاربرد میراگر ویسکوالاستیک در کاهش پاسخ لرزه‌ای سازه‌ها مانند تغییر مکان و برش پایه مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور سه نمونه سازه‌ی سه بعدی 6 ، 12 و 24 طبقه تحت 6 رکورد زلزله‌های ال‌سنترو، کوبه و نورثریچ با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی مورد بررسی قرار گرفتند. هدف اصلی از انجام این پژوهش بررسی عملکرد میراگر ویسکوالاستیک بر کاهش پاسخ ساختمان‌های قاب خمشی فولادی می‌باشد. همچنین بررسی اثر ارتفاع سازه بر میراگر و بررسی نوع رکوردهای اعمال شده از لحاظ دوری و نزدیکی به گسل مورد توجه قرار گرفته است. بر اساس نتایج بدست آمده در این پژوهش به موجب استفاده از میراگر ویسکوالاستیک جابجایی و دریفت سازه‌ها کاهش یافته است. نتایج نشان دهنده افزایش تاثیر میراگر با کاهش ارتفاع ساختمان‌ها بر کاهش جابجایی سازه‌ها می‌باشد. اما نوع رکوردهای اعمالی بر کاهش پاسخ‌ها تاثیر قابل توجهی نداشتند. اضافه کردن میراگر ویسکوالاستیک در سازه علاوه بر افزایش میرایی موجب افزایش سختی سازه نیز می‌شود و افزایش سختی منجر به افزایش جذب انرژی لرزه‌ای سازه شده و در نتیجه نیروی برش‌پایه در بیشتر رکوردها افزایش یافته است. بر عکس جابجایی درصد کاهش برش‌پایه با افزایش ارتفاع افزایش می‌یابد.

 

منابع و مراجع

[1]ترابی،حامد. جواهرزاده،سعید(1391) "ارزیابیعملكردمیراگرهایویسكوالاستیکدرکاهش ارتعاشاتلرزهایسازههادرزلزلههایحوزهنزدیک" ششمینکنگرهملیمهندسیعمران 6-7 اردیبهشت،دانشگاهسمنان،سمنان،ایران.

 

[2]رحیمزاده،فیاض. رحمتآبادی،پیمان (1383) "عملكردمیراگرهایویسكوالاستیکدرکاهش پاسخ لرزه‌ای سازه‌ها"،اولین کنگره ملی مهندسی عمران 22-24 اردیبهشت ، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

 

[3] زهرائی، سید مهدی (1392) "بررسی کاهش پاسخ لرزه‌ای سازه‌های قابی با میراگر ویسکوالاستیک"، هفدهمین کنگره ملی مهندسی عمران، تهران، ایران.

 

[4] شریفی،مهران (1390) "بررسیتاثیرمیراگرهایویسكوالاستیکبرپاسخلرزهایسازههایفولادیباتاکیدبرنقشارتفاعسازهبرمیزانکاراییمیراگر" پایاننامهکارشناسیارشدمهندسی سازه،دانشگاهتربیتمعلم،دانشکدهفنیمهندسی.

 

[5] Lee, D.G., Hong, S., Kim, J. (2002), Efficient seismic analysis of building structures with added viscoelastic dampers, Engineering Structures 24, pp 1217–1227

 

[6] Lewandowski, R., Bartkowiak, A., & Maciejewski, H. (2012). Dynamic analysis of frames with viscoelastic dampers: a comparison of damper models. Structural Engineering and Mechanics, 41(1), 113-137.

 

[7] Min, K.W., Kim, J., Lee, S.H. (2004), Vibration tests of 5-storey steel frame with viscoelastic dampers, Engineering Structures 26, pp 831–839

 

[8] Mahmoodi, P. (1969), Structural Dampers, Journal of the Structural Division, 95, No. ST8, pp (1661- 1672).

 

[9] Sehat Tabatabaei. A. (2003), Energy Dissipation Systems For Seismic Resistance, MSc, Civil Engineering University Of East London, Irancivilcenter.com.

 

[10] Soong, T.T., Dargush, G.F. (1997) Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, John Wiley & Sins Ltd, Chichester.

 

[11] Samali, B. & Kwok, K. (1995). Use of viscoelastic dampers in reducing wind- and earthquake-induced motion of building structures. Engineering Structures, 17(9), 639-654.

 

[12] Tsai, C. & Lee, H. (1993). Applications of Viscoelastic Dampers to High‐Rise Buildings. Journal Of Structural Engineering, 119(4), 1222-1233.

 

[13] Xu, Z.D., Zhao, H.T., Li, A.Q. (2004), Optimal analysis and experimental study on structures with Viscoelastic dampers, Journal of Sound and Vibration 273, 607–618.

 

 

 

برای دانلود فایلها و تمامی مطالب مربوط به این مقاله میتوانید بر روی لینک زیر کلیک نمایید

دانلود فایل ها و تمامی مطالب مربوط به این مقاله

 

و برای دانلود رایگان فایل PDF مقاله روی لینک زیر کلیک نمایید