بررسی عملکرد غیر خطی سیستم دوگانه متشکل از قاب سبک فولادی (LSF) و قاب خمشی فولادی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران دانشگاه خلیج فارس

2 عضو هیات علمی گروه مهندسی عمران دانشگاه خلیج فارس

3 گروه مهندسی عمران دانشکده مهندسی دانشگاه خلیج فارس

چکیده

چکیده
از آنجایی­‌که در صنعت نوین ساختمان، سرعت و کیفیت دو عامل مهم در انتخاب نحوه­‌ی اجرای سازه است، اجرای صنعتی ساختمان بسیار مورد توجه واقع شده­است. در این میان ساختمان­های قاب سبک فولادی (LSF) یکی از گزینه­های پر کاربرد مهندسان بدین منظور می­باشد. سیستم قاب سبک فولادی نه تنها به صورت مجزا امکان استفاده دارند بلکه آیین نامه­‌های مختلف ترکیب آن با دیگر سیستم­های مهار جانبی سازه را مجاز دانسته‌اند که این امر به بهبود عملکرد سازه کمک کرده و محدودیت­های اجرایی را نیز کاهش داده است. تعبیه اتاق پله در سازه­های ذکر شده به علت افزایش تعداد المان­های به کار رفته، یکی از مواردی است که در زمینه اجرایی محدودیت­هایی ایجاد می­کند. به همین علت، اغلب از اتاق پله با اسکلت فلزی (فولاد گرم نورد شده) در این گونه سازه­ها استفاده می­گردد. این امر علاوه بر کمک به سهولت اجرای سازه ­LSF، امکان استفاده از سختی جانبی قاب خمشی فولادی به منظور تحمل بیشتر نیروی جانبی و بهبود عملکرد لرزه­ای کل سازه را مهیا می­سازد. در این پژوهش، عملکرد غیرخطی سازه­های دوگانه قاب سبک فولادی به همراه اتاق پله فلزی که از قاب­های خمشی فولادی تشکیل شده، مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج این پژوهش، در شرایطی که از قاب خمشی به عنوان سیتسم مهار جانبی ترکیبی استفاده گردد، مقاومت سازه­ی ترکیبی تا دو برابر افزایش می­یابد و در حوزه شکل­پذیری نیز افزایش چشمگیری از خود نشان می‌دهد. در این حالت ضریب رفتار تا 30 درصد بیشتر می­شود. این نتایج نشان می دهد که استفاده از این سیستم می‌تواند جایگاه مناسبی در اجرای اینگونه سازه­ها داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


بررسی عملکرد غیرخطی سیستم دوگانه متشکل از قاب سبک فولادی (LSF) و قاب خمشی فولادی

سعید کراماتی1، سیدشاکر هاشمی2*، محمد واقفی3

1. دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی عمران- سازه، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر

2. استادیار، مهندسی عمران، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر

3. دانشیار، مهندسی عمران، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر

* بوشهر، صندوق پستی 13817-75169 ، sh.hashemi@pgu.ac.ir

چکیده

از آنجایی­‌که در صنعت نوین ساختمان، سرعت و کیفیت دو عامل مهم در انتخاب نحوه­‌ی اجرای سازه است، اجرای صنعتی ساختمان بسیار مورد توجه واقع شده‌­است. در این میان ساختمان­های قاب سبک فولادی (LSF) یکی از گزینه­های پر کاربرد مهندسان بدین منظور می­باشد. سیستم قاب سبک فولادی نه تنها به صورت مجزا امکان استفاده دارند بلکه آیین نامه­‌های مختلف ترکیب آن با دیگر سیستم­های مهار جانبی سازه را مجاز دانسته اند که این امر به بهبود عملکرد سازه کمک کرده و محدودیت­های اجرایی را نیز کاهش داده است. تعبیه اتاق پله در سازه­های ذکر شده به علت افزایش تعداد المان­های به کار رفته، یکی از مواردی است که در زمینه اجرایی محدودیت­هایی ایجاد می­کند. به همین علت، اغلب از اتاق پله با اسکلت فلزی (فولاد گرم نورد شده) در این گونه سازه­ها استفاده می­گردد. این امر علاوه بر کمک به سهولت اجرای سازه ­LSF، امکان استفاده از سختی جانبی قاب خمشی فولادی به منظور تحمل بیشتر نیروی جانبی و بهبود عملکرد لرزه­ای کل سازه را مهیا می­سازد. در این پژوهش، عملکرد غیرخطی سازه­های دوگانه قاب سبک فولادی به همراه اتاق پله فلزی که از قاب­های خمشی فولادی تشکیل شده، مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج این پژوهش، در شرایطی که از قاب خمشی به عنوان سیتسم مهار جانبی ترکیبی استفاده گردد، مقاومت سازه­ی ترکیبی تا دو برابر افزایش می­یابد و در حوزه شکل­پذیری نیز افزایش چشمگیری از خود نشان می دهد. در این حالت ضریب رفتار تا 30 درصد بیشتر می­شود. این نتایج نشان می دهد که استفاده از این سیستم می‌تواند جایگاه مناسبی در اجرای اینگونه سازه­ها داشته باشد.

کلیدواژگان

عملکرد غیرخطی، سازه­ی سبک فولادی (LSF)، سازه­ی ترکیبی، ضریب رفتار

 

Non-linear Performance of the Dual System Consisting of Lightweight Steel Frame (LSF) and Moment Resisting Steel Frame

Saeed Keramati1, Seyed Shaker Hashemi2*, Mohammad Vaghefi3

1- MS. in Civil Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran

2- Department of Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran

3- Department of Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran

*P.O. Box 75169-13817, Bushehr, Iran,sh.hashemi@pgu.ac.ir

Abstract

Lightweight Steel Frame (LSF) structures are made of cold formed steel and due to the high strength-to-weight ratio, they have been developed rapidly. They are becoming more acceptable in housing industry; especially in low rise residential buildings. Some advantages of these structures are lightness, being made of recyclable material and fast and easy installation. An important issue in the performance of these structures is their behavior in the presence of seismic loads. These structures have the ability to be combined with other lateral resistant systems like Moment Resisting Frame that operates as a dual system. LSF combined with steel frame as a dual system could reduce the construction limits like constructing stairs. In the present study, nonlinear performance of the structures has been investigated by using nonlinear static analysis. In order to achieve this, forty different 3D models of two, three, four and five story buildings have been evaluated. In other words, ten different steel-to-LSF stiffness ratios are investigated for each type. In this article, seismic parameters for each model have been determined and an optimal model is recommended for each type. Based on the results obtained in this research, in the two-story structure, Resistance is about twice and behavior factor has been increased 18%. In addition, in three-, four- and five-story buildings, this dual system has a good performance in strength and capacity and performance of ductility is increased. Moreover, structural response curves in four and five-story buildings would be more nonlinear.

Keywords

Lightweight steel frame, Non-linear performance, Dual system, Ductility analysis, Non-linear static analysis

 

 

 

1-  مقدمه

صنعت ساختمان سازی به منظور محافظت بهتر در برابر نیروهای لرزه­ای، به سمت سبک­سازی و ساخت صنعتی سازه­ها، پیش رفته است. استفاده از روش سنتی ساخت و ساز در کشور ایران به دلیل زلزله خیز بودن روش نادرستی بوده و حاصل آن چیزی جز هدر رفتن منابع ملی نیست. در این بین سازه­ی سبک فولادی (LSF[1])، به عنوان یکی از بهترین راهکارهای صنعتی سازی و سبک سازی توسط مهندسین، به کار گرفته شده است. این سیستم نوین ساختمانی در کشورهای پیشرفته با استقبال گسترده مواجه شده و در بسیاری از موارد به علت مزایای گسترده آن، جایگزین سیستم­های قدیمی ساختمانی شده­است. سیستم LSF که از اعضای فولادی سرد نورد شده[2] ساخته می­شود، در بسیاری از کشورهای پیشرفته رواج یافته است و در احداث ساختمان­های کوتاه مرتبه و میان مرتبه کاربرد زیادی دارد [1]. یکی از مهمترین مزایای استفاده از اینگونه سازه­ها سبک بودن ساختمان است.  کاهش وزن ساختمان، تاثیر مستقیمی در کم شدن نیروی موثر لرزه­ای و برش پایه خواهد داشت. علاوه بر این نکته، می­توان به اجرای سریع سازه، قابلیت بازیافت کامل، نسبت بالای مقاومت به وزن و تاثیر مثبت آن در توسعه­ی پایدار به عنوان دیگر مزایای این سیستم نوین ساختمانی اشاره کرد [2].

    در سـال­های اخیر با استقبال بیشتر از سازه­های سرد نورد شده و LSF، تحقیقات متنوعی در این زمینه صورت گرفته است.Comeau  و همکاران بررسی­های خود را بر روی سازه­های سبک فولادی چند طبقه­ ساخته شده در دو حوزه با شکل­پذیری محدود و ساختمان­های معمولی، انجام داده و با استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی، شکل پذیری سازه­ها را ارزیابی کرده و ضریب رفتار مناسبی ارایه کرده­اند [3]. Gad و همکاران، به بررسی عملکرد لرزه­ای سازه­های دو بعدی و سه بعدی سرد نورد شده پرداختند. در این پژوهش سازه تحت آزمایش دینامیکی قرار گرفته و جزئیات متفاوتی چه به لحاظ اتصالات و چه از نظر پوشش و قسمت­های غیرسازه­ای ارزیابی شده­است [4]. Boudreault و همکاران، به تشریح روش ارایه شده در آیین نامه مقررات ملی کانادا پرداخته و دو پارامتر اساسی استفاده شده در روش انرژی معادل الاستیک - پلاستیک[3] یعنی ضریب شکل‌پذیری و ضریب مقاومت افزون را مورد بررسی قرار داده­اند. برای ارزیابی عملکرد دیوارهای برشی در این سازه­ها در برابر نیروهای شبیه­سازی زلزله، سازه­های دو و سه طبقه بررسی شده است [5]. Tian و همکاران، مقاومت و سختی دیوارهای ساخته شده از فولاد سرد نورد شده را به صورت آزمایشگاهی و تحلیل تئوری مورد مطالعه قرار دادند. در مرحله اول، دیوارها را بدون مهاربند در نظر گرفته و در مراحل بعد مهاربند به صورت تسمه­های قطری تک و دوبل و همچنین صفحات سیمانی فرض شده­است [6]. همچنین، معیارهایی برای ضریب رفتار توسطAl-Kharat  و Rogers پیشنهاد شده است که طبق آن برای دیوارهای سبک، متوسط و سنگین به ترتیب برابر با 3.65، 2.11 و 1.72 است [7].  در آیین­نامه­ موجود در ایران نیز معیاری برای ضریب رفتار اشاره شده است که طبق آن، برای مهاربند با تسمه قطری عدد 4، برای دیوار برشی عدد 5.5 و با تخته گچی عدد 2 پیشنهاد داده شده است[8]. از طرفی آیین­نامه NEHRP2003(FEMA450) نیز عدد 4 را برای قاب مهاربندی شده با بادبند تسمه قطری و عدد 6.5 را برای دیوار برشی ارائه کرده است [9].  علاوه بر موارد ذکر شده در آیین نامه طراحی سازه­های سرد نورد شده اشاره شده است که سیستم­های LSF قابلیت ترکیب با سازه­های دیگر را دارد [8,10].

   از جمله محدودیت­های ساختمان­های LSF، اجرای سخت پله­ها در قسمت­های میانی سازه می­باشد. برای حل این مشکل،  طراحان و مهندسان در بسیاری از موارد اتاق پله را به صورت اسکلت فلزی متشکل از پروفیل­های گرم نورد شده طراحی و اجرا می­نمایند (شکل1).

 

 

Fig. 1 Steel Staircases in LSF

شکل 1 اتاق پله فولادی در سازه LSF

 

     این امر باعث می­شود از یک سو مشکل اجرای اتاق پله حل شود و از سوی دیگر با افزایش سختی جانبی و شکل‌پذیری اتاق پله، مقاومت کل سازه نیز بیشتر شود و در نتیجه سازه ترکیبی نیروی جانبی بیشتری را تحمل کند. این نکته می­تواند در جهت کمک و بهینه‌سازی استفاده از این سیستم عمل کند. با توجه به اینکه در تحقیقات و آیین­نامه­های مختلف به این گونه سیستم ترکیبی اشاره­ای نشده و به منظور مشخص شدن پارامترهای لرزه­ای ضروری در این نوع سیستم و همچنین مقدار تغییرات به لحاظ شکل‌پذیری و مقاومت،  در این تحقیق سازه­های مختلفی با سیستم دوگانه مهار جانبی مورد ارزیابی لرزه­ای قرار گرفته و عملکرد غیرخطی کلی سازه بررسی شده است. این کار با مدل‌سازی سازه­های دو، سه، چهار و پنج طبقه به صورت سازه­ی سرد نورد شده یا LSF با اتاق پله فولادی به صورت سه بعدی در نرم افزار SAP2000 صورت گرفته است. برای بررسی بهتر عملکرد غیرخطی، سازه­ها با سختی متفاوتی مدل شده و بررسی شده­اند. به منظور ارزیابی عددی نتایج حاصل از افزایش مقاومت، منحنی ظرفیت و برای تعیین شکل‌پذیری، ضریب رفتار آنها محاسبه شده است.

2- منحنی ظرفیت و پارامترهای شکل پذیری

یکی از رویکردهای آیین‌نامه­ها، استفاده از روش­های دقیق و آسان تحلیل و طراحی است. لذا برای این منظور پارامترهایی محاسبه و معرفی شده­اند که کار مهندسین طراح را آسان­تر نمایند. این پارامترها بر پایه منحنی ظرفیت یا پاسخ کلی سازه استوار هستند. از جمله پارامترهایی که می­توان به آنها اشاره کرد، ضریب رفتار، ضریب شکل­پذیری و دیگر پارامترهای موثر بر شکل­پذیری سیستم سازه­ای است که روش محاسبه آنها به شرح زیر خواهد بود:

ضریب شکل­پذیری: از جمله اصلی­ترین عوامل تاثیرگذار در ضریب رفتار، است. در واقع قابلیت سازه در تحمل تغییرشکل­های الاستیک و پلاستیک بدون اینکه سازه دچار فرو ریزش شود، ضریب شکل­پذیری سازه است. با ساده‌سازی منحنی ظرفیت سازه به نمودار دو خطی (شکل2)، طبق رابطه(1) ضریب شکل­پذیری از تقسیم حداکثر تغییر مکان جانبی   به تغییر مکان جانبی نسبی تسلیم    محاسبه می­گردد [11].

(1)

 

 

                                                                              

 

Fig. 2 General Structure Response

شکل 2 رفتار کلی سازه [12]

   سازه­ها بر اثر وجود شکل­پذیری، مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را مستهلک می­کنند. میزان استهلاک انرژی، متناسب با ضریب شکل‌پذیری سازه است. برای تاثیر این پارامتر ضریبی به نام ضریب کاهش شکل­پذیری ( ) معرفی شده است [12]. به خاطر این ظرفیت استهلاک انرژی، نیروی طراحی ارتجاعی را می­توان به­وسیله­ی ضریب کاهش شکل­پذیری ( ) به تراز مقاومت تسلیم کاهش داد. در این پژوهش این ضریب با استفاده از روش پیشنهادی نیومارک و هال محاسبه گردیده است [12].  نیومارک و هال پیشنهاد دادند که ضریب کاهش شکل­پذیری از رابطه­ (2) به­دست آید.

 

 

   

(2)

   

 

   

که در رابطه (2)، T زمان تناوب سازه است.

   سازه­ها معمولا مقاومت اضافه­ای بین دو سطح تسلیم کلی سازه و سطح اولین تسلیم تحمل می­کنند. به منظور تاثیر این مقدار ظرفیت اضافی، پارامتری با عنوان ضریب مقاومت افزون معرفی می­گردد. طبق تعریف، این مقدار برابر است با نسبت حد تسلیم کلی سازه به هنگام تشکیل مکانیزم خرابی ( ) به نیروی متناظر با تشکیل اولین مفصل ( ) خمیری. این پارامتر از رابطه­(3) محاسبه می­شود.

(3)

 

 

   یوانگ پیشنهاد کرده است که در روش تنش نهایی برای طراحی، ضریب رفتار از رابطه (4) محاسبه گردد [11].

(4)

 

 

 

3- مشخصات هندسی سازه مورد مطالعه

در این تحقیق، مدل­های متنوعی از مصالح سرد نورد شده به صورت سه بعدی در نرم افزار SAP2000 مدل‌سازی شده است. در مرحله نخست مدلی که کاملا از مصالح سرد نورد شده ساخته شده مورد ارزیابی قرار گرفته است و در مراحل بعدی، سازهLSF با اتاق پله فولادی ترکیب شده و عملکرد دوگانه این سیستم ارزیابی شده است. سازه­های مدل شده در چهار نوع دو طبقه تا پنج طبقه بوده و در پلان یکسان می­باشد. به منظور مقایسه و بررسی هرچه بهتر نتایج عددی، عملکرد سازه­هایی با ده سختی متفاوت در هر نوع طبقاتی بررسی شده است. این امر با تغییر دادن اعضای فولادی اتاق پله میسر شده و سازه­ها عملکرد متفاوتی از خود نشان داده­اند. اتاق پله به صورت اسکلت فلزی با عملکرد قاب خمشی است. در جدول 1 سازه­های مورد مطالعه در هر نوع معرفی شده­است. برای مشخص شدن نحوه عملکرد، ساختمان­ها تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی بررسی شده‌اند. این امر با کمک گرفتن از نرم­افزار SAP2000 صورت گرفته و در نهایت منحنی ظرفیت کلی سازه به­دست آمده ­است. نوع اتصال المان­های اتاق پله به صورت قاب خمشی است و همه اعضای تیر و ستون­ها در هر یک از مدل­های مورد بررسی مقاطع یکسانی دارند. در شکل 3 پلان و در شکل 4 نمای جانبی مدل مورد مطالعه مشاهده می­گردد. ارتفاع هر طبقه 300 سانتی­متر در نظر گرفته شده­ است.

   به منظور اطمینان از توانایی تحمل نیروهای ثقلی و جانبی، ابتدا بارهای ثقلی و جانبی طبق آیین‌نامه به مدل اعمال شده و طراحی اولیه صورت گرفته است و  در مرحله بعد به تحلیل بار افزون اقدام شده است. در این پژوهش وزن تقریبی دیوار خارجی 50 کیلوگرم بر متر مربع درنظر گرفته شده است. همچنین دیوار داخلی با دیتیل گچ برگ فرض شده و حدود 31 کیلوگرم بر متر مربع می­باشد و از آنجایی‌که وزن آن کمتر از 40 کیلوگرم بر متر مربع است، می‌توان به جای بار تیغه­ها، از بار معادل گسترده یکنواخت 50 کیلوگرم بر متر مربع استفاده کرد.

   برای بار سقف نیز بار مرده­ی معادل با 330 کیلوگرم بر متر مربع لحاظ شده است.

   طبق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان بار زنده برای اتاق­ها 200 کیلوگرم بر متر مربع بوده و برای بام­ها نیز 150 کیلوگرم بر متر مربع در نظر گرفته شده­است [13,14].

 

 

 

 

 

 

 

جدول 1نام و مشخصات مدل­ها (دوطبقه(

Table 1 Name of models (two-story)

نام سازه

مشخصات

S2MF1*

LSF+IPE14**

S2MF2

LSF+IPE16

S2MF3

LSF+IPE18

S2MF4

LSF+IPE20

S2MF5

LSF+IPB12

S2MF6

LSF+IPB14

S2MF7

LSF+IPB16

S2MF8

LSF+IPB18

S2MF9

LSF+IPB22

S2MF10

LSF+IPB24

*منظور از نام اختصاری S2MF1، سازه دو طبقه در سختی نوع اول است.

شایان ذکر است که مدل­ها در انواع دو تا پنج طبقه مورد مطالعه قرار گرفته است.

** سازه ترکیبی LSF با اتاق پله فولادی با مقطع IPE14 به صورت اختصار LSF+IPE14 معرفی شده است.

 

 

Fig. 3 Architectural plan of models

شکل 3 پلان سازه

 

 

Fig. 4 Section of structure in 3-story building

شکل 4 مقطع سازه سه طبقه

4-تحلیل عددی

یکی از معیارهای شناخت سازه­ها، منحنی ظرفیت آنها یا منحنی پاسخ سازه‌ها می‌باشد. برای استخراج منحنی ظرفیت کلی سازه و پارامترهای موثر لرزه‌ای، سازه­ها­ی مطالعه شده در نرم افزار SAP2000 تحت بارگذاری جانبی قرار گرفته است. شبیه‌سازی توزیع بار جانبی بایستی به گونه­ای باشد که تا جای ممکن به زلزله واقعی، شبیه باشد و اثر مشابهی به سازه اعمال شود [15].  با الگوی بارگذاری فرض شده برای تحلیل استاتیکی غیرخطی در این تحقیق، الگوی بار مثلثی و بار یکنواخت می­باشد. مقاطع سرد نورد شده از نوع استاندارد معرفی شده با نام فولاد سازه­ای رده 230 تیپ H(ST230H) با مقاومت تسلیم 230 مگاپاسکال و مقاومت نهایی 310 مگاپاسکال و مقاطع فولاد گرم نورد شده از نوع فولاد ST37 با مقاومت تسلیم 240 مگاپاسکال و مقاومت نهایی 370 مگاپاسکال می­باشد [8].

   مفاصل پلاستیک معرفی شده به المان­ها، مفاصل فایبر می­باشد. به دلیل اینکه مفاصل فایبر برای اندرکنش به صورت اتوماتیک، تغییر در منحنی لنگر- دوران و کرنش محوری پلاستیک را محاسبه می­کند، دقیق­­تر است و لذا این نوع مفصل مورد استفاده قرار گرفته است [16].  تعداد فایبرها بسته به دقت و اهمیت تحلیل انتخاب می­گردد که در این پژوهش، تعداد تقسیم‌بندی فایبرها در مقطع عرضی هر المان، به صورت  بوده است. شکل5، تقسیم فایبر در یکی از مقاطع را نشان می­دهد.

 

Fig. 5 Fibers in sections

شکل 5فایبرها در یکی از مقاطع

5- بحث و بررسی نتایج

برای مشخص شدن عملکرد غیرخطی سازه­های متشکل از سیستم دوگانه قاب سبک فولادی (LSF) و قاب خمشی فولادی که به صورت اتاق پله استفاده شده است، منحنی ظرفیت یا پاسخ کلی سازه­های مذکور حاصل تحلیل پوش آور، به­دست آمده­است. علاوه بر معیار مقاومت و ظرفیت، سازه باید از نظر شکل پذیری نیز عملکرد قابل قبولی داشته باشد که نحوه عملکرد از طریق محاسبه پارامترهای شکل­پذیری مشخص می­گردد. از جمله مشخصه­های لرزه­ای هر سازه ضریب شکل­پذیری، مقاومت افزون و ضریب رفتار است که با رسم نمودار دو خطی ساده شده، محاسبه می­شود [11].  شایان ذکر است که در این تحقیق، پایان منحنی رفتار کلی سازه در تغییر مکان جانبی معادل 3% ارتفاع سازه در نظر گرفته شده­ است [17]. نتایج حاصل از نمودارها نشان می‌دهد که استفاده از اتاق پله فولادی به عنوان بخش ترکیبی برای سیستم مهار جانبی، با افزایش سختی سازه ترکیبی موجب بیشتر شدن تحمل سازه در برابر نیروهای جانبی می‌شود. این نکته می‌تواند دلیلی موجه برای استفاده از این نوع سیستم ترکیبی در سازه‌های سرد نورد شده باشد. در ادامه نتایج حاصل در چهار بخش بررسی خواهد شد.

5-1- سازه دو طبقه

در پژوهش حاضر، برای مقایسه­ی ظرفیت جانبی منحنی پاسخ کلی سازه برای ده مدل با سختی مختلف که عملکرد متفاوتی در حوزه مقاومت و شکل پذیری دارد، در شکل6 رسم شده ­است. در شکل 6، در مرحله نخست منحنی ظرفیت سازه LSF بدون ترکیب با بخش فولادی رسم شده است. در مراحل بعد با ترکیب بخش فولادی و تغییر دادن سختی آن، منحنی­های ظرفیت دیگر سازه­های ترکیبی رسم شده و به منظور مقایسه در یک نمودار آورده شده‌اند. طبق نمودار افزایش سختی بخش اتاق پله منجر به بیشتر شدن سختی کل سازه و در نتیجه افزایش ظرفیت سازه در تحمل نیروی جانبی خواهد بود. در ستون دوم جدول 2 نسبت تحمل بیشترین بار جانبی هر یک از مدل­ها به نسبت این مقدار در سازه LSF آورده شده است. با توجه به مقادیر این ستون، میزان افزایش ظرفیت بار جانبی قابل توجه است. علاوه بر این، به دلیل اینکه هر سازه بایستی به لحاظ شکل­پذیری نیز عملکرد مناسبی داشته باشد، از این‌رو با استفاده از نمودارهای دو خطی به محاسبه پارامترهای شکل‌پذیری سازه یعنی ضریب شکل­پذیری ( )، ضریب کاهش شکل‌پذیری ( )، ضریب مقاومت افزون ( ) و در نهایت ضریب رفتار ( ) پرداخته شده است. نسبت ضریب رفتار هر مدل ضریب رفتار آیین‌نامه­ای است که عدد 4 می‌باشد. برای نمونه نحوه محاسبه ضریب رفتار مدل S2MF6 که به عنوان مدل پیشنهادی ذکر شده است، در ادامه نشان داده می‌شود. طبق جدول 2 و مشاهده ضریب رفتار و ظرفیت سازه، افزایش ظرفیت جانبی سازه به معنی شکل‌پذیری بیشتر سازه نیست و در بعضی از مدل­ها، عکس این مطلب به وقوع پیوسته است. لذا سازه­ای مناسب است که هم به لحاظ شکل پذیری و هم از نظر مقاومت عملکرد مناسبی داشته باشد که این امر در سازه مدل S2MF6 رخ داده است. نحوه محاسبه ضریب رفتار این سازه به صورت زیر است. طبق شکل 7، ضرایب شکل‌پذیری زیر به دست آمده است:

   ضریب شکل‌پذیری ( ): 5.40، ضریب کاهش شکل‌پذیری ( ): 3.13، ضریب مقاومت افزون ( ) 1.52 که طبق روابط معرفی شده در بخش دو، ضریب رفتاری برابر 4.72 حاصل می‌شود.

   در این سازه نسبت ضریب رفتار معرفی شده به ضریب رفتار آیین‌نامه­ای 1.18 و همچنین نسبت مقاومت نسبت به سازه LSF نیز 2.48 است که در هر دو مورد عملکرد بهبود یافته است. در این سازه شرایط ترکیب به گونه‌ای است که نسبت سختی بخش فولادی یعنی اتاق پله حدود 5 درصد از بخش LSF بیشتر است.

   لذا سازه­ای با شرایط مشابه با نمونه S2MF6 می‌تواند به لحاظ شکل‌پذیری و مقاومت پاسخگوی نیاز یک سازه ترکیبی باشد.

 

جدول 2نسبت نیرو و ضریب رفتار در سازه­های دو طبقه

Table 2 Force and behavior factor ratio in two-story structures

     

نام سازه

1.013

4.05

1.59

S2MF1

1.043

4.17

1.76

S2MF2

1.018

4.07

1.46

S2MF3

0.885

3.54

1.63

S2MF4

1.125

4.50

1.51

S2MF5

1.180

4.72

2.48

S2MF6

1.133

4.53

2.25

S2MF7

1.035

4.14

2.46

S2MF8

0.865

3.46

2.66

S2MF9

0.978

3.91

4.75

S2MF10

 

 

5-2- سازه سه طبقه

برای اینکه میزان تاثیر و نحوه عملکرد سازه­های ترکیبی بهتر مشخص گردد، منحنی ظرفیت مدل­های مختلفی از سازه­های سه طبقه در شکل8 مشاهده می­شود. در این شکل مشخص است که مدل­هایی که در آن از اتاق پله سنگین­تری استفاده شده است، دارای ظرفیت جانبی به مراتب بیشتری است که این مقدار حتی تا چهار برابر نسبت به سازه LSF نیز می‌رسد. البته باید توجه داشت که سازه مناسب، سازه­ای نیست که صرفا نیروی بیشتری را تحمل کند؛ بلکه سازه بایستی در حوزه شکل‌پذیری نیز عملکرد قابل قبولی از خود نشان دهد و الزامات مورد نیاز را برآورده سازد. لذا نمی توان به سازه­ای که بیشترین تحمل نیرو را دارد، عنوان مناسب‌ترین سازه را نسبت داد.

 

 

Fig. 6 Capacity curve of two-story models

شکل 6 منحنی ظرفیت سازه­های دو طبقه مدل شده

 

 

 

Fig. 7 Capacity Curve and Idealized Diagram of  S2MF6

شکل 7 منحنی ظرفیت و نمودار دو خطی سازه S2MF6

 

   طبق شکل8، سازه با نامS3MF10 نیروی بسیار زیادی را تحمل کرده است. این مقدار نیروی زیاد به علت استفاده از پروفیل­های سنگین موجود در اتاق پله با اسکلت فولادی است. علاوه بر این سختی نسبی سازه مذکور نسبت به سازه قاب سبک فولادی بسیار بیشتر است. این امر می‌تواند از نظر اجرایی مشکلاتی را ایجاد کند.

   یکی از این مشکلات ضربه زدن بخش سخت سازه به بخش نرم است که موجب خسارت به بخش نرم خواهد شد. لذا نباید سختی دو بخش ترکیبی اختلاف زیادی نسبت به هم داشته باشند.

   در جدول3 پارامترهای عددی حاصل از تحلیل نتایج و نمودارهای ظرفیت سازه­های سه طبقه مشاهده می‌شود. در این نوع سازه نیز به‌کارگیری سیستم ترکیبی، در بسیاری از موارد منجر به افزایش شکل‌پذیری شده است. همچنین در تمام موارد استفاده شده، استفاده از قاب خمشی فولادی به افزایش ظرفیت سازه کمک قابل توجهی کرده است. جدول 3 نشان می‌دهد که کمک گرفتن از سیستم مهار جانبی قاب خمشی در قاب سبک فولادی تا بیش از چهار برابر نیز به افزایش ظرفیت آن کمک می‌کند. هرچند توصیه نمی‌شود از سیستمی که این تفاوت فاحش را رقم می‌زند استفاده گردد؛ زیرا در این حالت شکل‌پذیری کاهش می‌یابد. به نظر می‌رسد سیستم مورد استفاده در سازه S3MF6 نه تنها از نظر مقاومت، بلکه به لحاظ شکل‌پذیری نیز مناسب است. در این سیستم ظرفیت سازه دو برابر شده و شکل‌پذیری 20 درصد افزایش یافته است. این سیستم به‌گونه‌ای است که بخش فولادی حدود 10 درصد از بخش سبک فولادی نرم‌تر می‌باشد. لذا می­توان انتظار داشت استفاده از این قبیل سیستم ترکیبی در سازه­های سه طبقه به عملکرد مطلوب کل سازه خواهد انجامید.

جدول 3نسبت نیرو و ضریب رفتار در سازه­های سه طبقه

Table 3 Force and behavior factor ratio in three-story structures

     

نام سازه

1.188

4.57

1.46

S3MF1

1.220

4.88

1.70

S3MF2

1.205

4.82

1.62

S3MF3

1.135

4.54

2.17

S3MF4

1.060

4.24

1.62

S3MF5

1.200

4.78

2.00

S3MF6

1.090

4.36

2.06

S3MF7

0.898

3.59

2.77

S3MF8

0.840

3.36

4.07

S3MF9

0.560

2.28

4.93

S3MF10

 


 

Fig. 8 Capacity curve of three-story Models

شکل 8 منحنی ظرفیت سازه­های سه طبقه مدل شده

 


5-3- سازه چهار طبقه

سازه­های آنالیز شده چهار طبقه بیش از پیش به ناحیه غیرخطی وارد شده‌اند و عملکرد غیرخطی بهتری داشته­اند. در سازه­های چهار طبقه با افزایش ارتفاع مقدار خمیری شدن المان بیشتر شده و بخش بیشتری از ناحیه به ناحیه غیرخطی اختصاص پیدا کرده است. شکل 9 نشان‌دهنده عملکرد غیرخطی سازه­ها می­باشد.

   با توجه به نتایج این نمودار برخی سازه­ها، ظرفیت بسیار بیشتری نسبت به سازه LSF دارند. سازه S4MF9 و S4MF10 از این قبیل هستند. در سازه S4MF9 و S4MF10 به علت افزایش قابل ملاحظه ظرفیت و سختی قاب خمشی به کار رفته، احتمال آسیب رسیدن به بخش ضعیف­تر یعنی LSF ، وجود دارد. بنابراین این مدل نمی­تواند مدل مناسبی جهت استفاده در سیستم ترکیبی باشد. در جدول 4 مقادیر محاسبه شده وجود دارد.

   در جدول 4 سازه­ S4MF6 ، به دلیل اینکه هم از نظر شکل­پذیری و هم به لحاظ مقاومت تاثیر مثبتی در سازه ترکیبی داشته است، به عنوان گزینه مناسب توصیه می­شود. در این مدل نیز مانند مدل چهار طبقه نسبت سختی بخش فولادی حدود 10% کمتر از بخش LSF است.

 

جدول 4نسبت نیرو و ضریب رفتار در سازه­های چهار طبقه

Table .4 Force and behavior factor ratio in four-story structures

     

نام سازه

1.188

4.57

1.46

S3MF1

1.220

4.88

1.70

S3MF2

1.205

4.82

1.62

S3MF3

1.135

4.54

2.17

S3MF4

1.060

4.24

1.62

S3MF5

1.200

4.78

2.00

S3MF6

1.090

4.36

2.06

S3MF7

0.898

3.59

2.77

S3MF8

0.840

3.36

4.07

S3MF9

0.560

2.28

4.93

S3MF10

 

 


 

Fig. 9Capacity curve of four-story Models

شکل 9 منحنی ظرفیت سازه­های چهار طبقه مدل شده

 

 


5-4 - سازه پنج طبقه

 

 

با توجه به آیین‌نامه سازه­های سرد نورد شده ایران، ارتفاع سازه به 15 متر محدود شده است. لذا سازه پنج طبقه نیز مورد بررسی قرار گرفته است. سازه­های ترکیبی با ده نسبت سختی متفاوت مطالعه شده و تحت آنالیز پوش­آور، منحنی پاسخ کلی آن به­دست آمده است. شکل 10 نشان‌دهنده منحنی ظرفیت سازه­ها می‌باشد. بررسی نمودارها باعث استخراج دو نتیجه کلی می­گردد.

   به عنوان نتیجه اول می­توان بیان کرد که طبق الگوی به دست آمده از نمودارهای تیپ­های پیشین، با سنگین­تر شدن المان­های اسکلت اتاق پله فلزی، ظرفیت سازه­ی ترکیبی افزایش قابل ملاحظه­ای می­یابد و علاوه بر این در حوزه­ی شکل­پذیری نیز عملکرد سازه را بهبود می­بخشد.

   نتیجه دوم اینکه با افزایش تعداد طبقات و ارتفاع کلی، اعضا به ناحیه­ی غیرخطی وارد شده و بیشتر از گذشته به مرحله­ی خمیری می­رسند.

 

جدول 5نسبت نیرو و ضریب رفتار در سازه­های پنج طبقه

Table .5 Force and behavior factor ratio in five-story structures

     

نام سازه

1.985

7.94

1.28

S5MF1

2.085

8.34

1.18

S5MF2

1.670

6.68

1.51

S5MF3

1.058

4.23

1.71

S5MF4

1.285

5.14

1.79

S5MF5

1.330

5.32

1.90

S5MF6

1.248

4.99

1.91

S5MF7

0.960

3.84

2.60

S5MF8

1.153

4.61

3.70

S5MF9

1.330

5.32

4.37

S5MF10

 

   با توجه به نمودار شکل 10، سازه S5MF6 و S5MF7 از نظر ظرفیت، شرایط مشابهی دارند و نسبت به دیگر سازه­ها شرایط بهتری را از نظر افزایش ظرفیت جانبی تامین کرده­اند. اما با توجه به جدول5، سازه S5MF6 ضریب رفتار بیشتری دارد. لذا این سازه که از نظر سختی نیز مانند مدل­های پیشنهادی سه و چهار طبقه است، به عنوان مدل بهینه توصیه می­گردد.

6- نتیجه­گیری

با بررسی چهل مدل به وسیله تحلیل پوش‌آور، به منظور استفاده­ی سیستم ترکیبی قاب سبک فولادی (LSF) و قاب خمشی فولادی نتایج زیر حاصل شده است:

   1- ترکیب اسکلت فولادی با قاب خمشی در سازه قاب فولادی سبک می‌تواند منجر به افزایش ظرفیت جانبی کل سازه­ی ترکیبی شود و هرچه اعضای قاب خمشی فولادی سنگین­تر باشد، میزان افزایش ظرفیت جانبی نیز بیشتر می­گردد. علاوه بر این، استفاده از قاب خمشی به عنوان سیستم جانبی ترکیبی، شکل­پذیری کلی سازه را نیز بهبود می­بخشد.

   2- در شرایط بهینه­ پیشنهاد شده در تیپ دو طبقه، ضریب رفتار حدود 18 درصد بیشتر از ضریب رفتار سازه­ LSF با مهاربند قطری خواهد شد و همچنین سازه توانایی تحمل بار جانبی با حدود دو برابر بار حالت قبل از ترکیب را خواهد داشت.

   3- با افزایش ارتفاع، سازه ترکیبی عملکرد غیرخطی بهتری از خود نشان می‌دهد. این عملکرد در سازه‌های چهار و پنج طبقه مشهود است.

   4- در سازه­های سه، چهار و پنج طبقه، زمانی سازه توصیه می‌شود که بخش فولادی حدود 10% سختی کمتری نسبت به بخش سبک داشته باشد تا سازه عملکرد مناسبی از خود نشان دهد.

   5- در سازه­ی سه طبقه پیشنهاد شده، ضریب رفتار حدود 20% افزایش می‌یابد و ظرفیت سازه نیز دو برابر می‌شود. برای سازه چهار طبقه این مقادیر به ترتیب 64% و دو برابر و برای سازه پنج طبقه 33% و دو برابر خواهد بود.

 

 

Fig. 10 Capacity curve of five-story Models

شکل 10 منحنی ظرفیت سازه­های پنج طبقه مدل شده

 

 


 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7- مراجع

 

 [1] Vosughifar h, Tork Sh, Taremi m, Investigating the application of LSF system in effective design of structures in comparison with conventional systems, International Conference on Earthquake & lightweight construction, Kerman, Iran, April, 2010. (in Persianفارسی )

 [2] Mirghaderi R, Bagheri-Sabbagh A, Design of Cold Formed Steel. Tehran: Elm o Adab, 2008 (in Persianفارسی )

 [3] Comeau,G; Velchev,K; Rogers, C.A, Development of seismic force modification factors for cold-formed steel strap braced wall. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol37, pp.236-249, 2010.

 [4] Gad, E.F., Duffield, C.F., Hutchinson, D.L., Mansell, D.S., Strak, G,Lateral performance of cold-formed steel-framed domestic structures. Journal of engineering structures, Vol  21, pp.83-95, 1999.

 [5] Boudreault, F.A., Blais, C., Rogers, C.A, Seismic force modification factor for light-gauge steel frame/wood structural panel shear walls. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol 34, pp. 56-65, 2007.

[6]  Tian, Y.S., Wang, J, Lu, T.J., Racking strength and stiffness of cold-formed steel wall frames., Journal of Constructional Steel Research, Vol  60, pp. 1069-1093, 2004.

[7]  Al-Kharat, M, Rogers, C.A, Inelastic performance of cold-formed steel strap braced walls., Journal of Constructional Steel Research, Vol 63, pp. 460-474, 2007.

[8]  Iranian Building Codes and Standards, Cold formed Light Steel Sturctures Design and Construction Code, Building and Housing Research Center, Tehran, 2011 (in Persianفارسی )

[9]  FEMA-450. NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures- Part 1 Provisions. USA: Building Seismic Safety Council, 2003.

[10]         Ti 809-07. Technical instructions: Design of cold-formed load bearing steel systems and masonry veneer/steel stud walls. Washington (DC, USA): US Army Corps of Engineers. Engineering and Construction Division. Directorate of Military Program, 2006.

[11] Uang CM., Establishing R (or Rw) and Cd factor for building seismic provision, Journal of Structure Engineering, 117(1),  pp. 19-28, 1991.

[12] Newmark, N. M, Hall, W. J, Earthquake spectra and design., Earthquake Engineering Research Institute, Berkeley, CA, 1982.

[13] Tavoosi-Tafreshi Sh, Tabrizi O.R, Light Weight Steel Frame Structural System, Tehran: Jahan Jam-e- jam, 2010. (in Persianفارسی )

 [14] Ministry of Housing and Urban Development. Iranian National Building Code: part 6 (Loads). Third Edition, 2006. (in Persianفارسی )

[15] Instruction for Seismic Rehabilitation of Existing Buildings No. 360, Management and Planning Organization. Tehran, 2007. (in Persianفارسی )

 [16] Taghinejad R, Seismic design and rehabilitation of structures based on performance level. Tehran: Nashr-e- Ketab Daneshgahi, pp.  93-94, 2008. (in Persianفارسی )

[17] Tasnimi A, Masoumi A, Calculate of Response Modification Factor of Concrete Frame, Building and Housing Research Center ,Tehran, pp. 75-76, 2006. (in Persianفارسی )

 

 



[1] Light Steel Frame

[2] Cold Formed Steel (CFS)

[3] Equivalent Energy Elastic-Plastic (EEEP)

بررسی عملکرد غیرخطی سیستم دوگانه متشکل از قاب سبک فولادی(LSF) و قاب خمشی فولادی

سعید کراماتی1، سیدشاکر هاشمی2*، محمد واقفی3

1. دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی عمران- سازه، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر

2. استادیار، مهندسی عمران، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر

3. دانشیار، مهندسی عمران، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر

*بوشهر، صندوق پستی 13817-75169 ، sh.hashemi@pgu.ac.ir

چکیده

از آنجایی­که در صنعت نوین ساختمان، سرعت و کیفیت دو عامل مهم در انتخاب نحوه­ی اجرای سازه است، اجرای صنعتی ساختمان بسیار مورد توجه واقع شده­است. در این میان ساختمان­های قاب سبک فولادی (LSF) یکی از گزینه­های پرکاربرد مهندسان بدین منظور می­باشد. سیستم قاب سبک فولادی نه تنها به صورت مجزا امکان استفاده دارند بلکه آیین نامه­های مختلف ترکیب آن با دیگر سیستم­های مهار جانبی سازه را مجاز دانسته اند که این امر به بهبود عملکرد سازه کمک کرده و محدودیت­های اجرایی را نیز کاهش داده است. تعبیه اتاق پله در سازه­های ذکر شده به علت افزایش تعداد المان­های به کار رفته، یکی از مواردی است که در زمینه اجرایی محدودیت­هایی ایجاد می­کند. به همین علت، اغلب از اتاق پله با اسکلت فلزی (فولاد گرم نورد شده) در این گونه سازه­ها استفاده می­گردد. این امر علاوه بر کمک به سهولت اجرای سازه­LSF، امکان استفاده از سختی جانبی قاب خمشی فولادی به منظور تحمل بیشتر نیروی جانبی و بهبود عملکرد لرزه­ای کل سازه را مهیا می­سازد. در این پژوهش، عملکرد غیرخطی سازه­های دوگانه قاب سبک فولادی به همراه اتاق پله فلزی که از قاب­های خمشی فولادی تشکیل شده، مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج این پژوهش، در شرایطی که از قاب خمشی به عنوان سیتسم مهار جانبی ترکیبی استفاده گردد، مقاومت سازه­ی ترکیبی تا دو برابر افزایش می­یابد و در حوزه شکل­پذیری نیز افزایش چشمگیری از خود نشان می دهد. در این حالت ضریب رفتار تا 30 درصد بیشتر می­شود. این نتایج نشان می دهد که استفاده از این سیستم میتواند جایگاه مناسبی در اجرای اینگونه سازه­ها داشته باشد.

کلید‌واژگان

عملکرد غیرخطی، سازه­ی سبک فولادی(LSF)، سازه­ی ترکیبی، ضریب رفتار

 

Non-linear Performance of the Dual System Consisting of Lightweight Steel Frame (LSF) and Moment Resisting Steel Frame

Saeed Keramati1, Seyed Shaker Hashemi2*, Mohammad Vaghefi3

1- MS. in Civil Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran

2-Department of Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran

3-Department of Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran

*P.O.Box75169-13817, Bushehr, Iran,sh.hashemi@pgu.ac.ir

Abstract

Lightweight Steel Frame (LSF) structures are made of cold formed steel and due to the high strength-to-weight ratio, they have been developed rapidly. They are becoming more acceptable in housing industry; especially in low rise residential buildings. Some advantages of these structures are lightness, being made of recyclable material and fast and easy installation. An important issue in the performance of these structures is their behavior in the presence of seismic loads. These structures have the ability to be combined with other lateral resistant systems like Moment Resisting Frame that operates as a dual system. LSF combined with steel frame as a dual system could reduce the construction limits like constructing stairs. In the present study, nonlinear performance of the structures has been investigated by using nonlinear static analysis. In order to achieve this, forty different 3D models of two, three, four and five story buildings have been evaluated. In other words, ten different steel-to-LSF stiffness ratios are investigated for each type. In this article, seismic parameters for each model have been determined and an optimal model is recommended for each type. Based on the results obtained in this research, in the two-story structure, Resistance is about twice and behavior factor has been increased 18%. In addition, in three-, four- and five-story buildings, this dual system has a good performance in strength and capacity and performance of ductility is increased. Moreover, structural response curves in four and five-story buildings would be more nonlinear.

Keywords

Lightweight steel frame, Non-linear performance, Dual system, Ductility analysis, Non-linear static analysis

 

 


1-  مقدمه

صنعت ساختمان سازی به منظور محافظت بهتر در برابر نیروهای لرزه­ای، به سمت سبک­سازی و ساخت صنعتی سازه­ها، پیش رفته است. استفاده از روش سنتی ساخت و ساز در کشور ایران به دلیل زلزله خیز بودن روش نادرستی بوده و حاصل آن چیزی جز هدر رفتن منابع ملی نیست. در این بین سازه­ی سبک فولادی(LSF[1])، به عنوان یکی از بهترین راهکارهای صنعتی سازی و سبک سازی توسط مهندسین، به کار گرفته شده است. این سیستم نوین ساختمانی در کشورهای پیشرفته با استقبال گسترده مواجه شده و در بسیاری از موارد به علت مزایای گسترده آن، جایگزین سیستم­های قدیمی ساختمانی شده­است. سیستم LSF که از اعضای فولادی سرد نورد شده[2] ساخته می­شود، در بسیاری از کشورهای پیشرفته رواج یافته است و در احداث ساختمان­های کوتاه مرتبه و میان مرتبه کاربرد زیادی دارد [1]. یکی از مهمترین مزایای استفاده از اینگونه سازه­ها سبک بودن ساختمان است.  کاهش وزن ساختمان، تاثیر مستقیمی در کم شدن نیروی موثر لرزه­ای و برش پایه خواهد داشت. علاوه بر این نکته، می­توان به اجرای سریع سازه، قابلیت بازیافت کامل، نسبت بالای مقاومت به وزن و تاثیر مثبت آن در توسعه­ی پایدار به عنوان دیگر مزایای این سیستم نوین ساختمانی اشاره کرد [2].

    در سـال­های اخیر با استقبال بیشتر از سازه­های سرد نورد شده و LSF، تحقیقات متنوعی در این زمینه صورت گرفته است.Comeau و همکاران بررسی­های خود را بر روی سازه­های سبک فولادی چند طبقه­ ساخته شده در دو حوزه با شکل­پذیری محدود و ساختمان­های معمولی، انجام داده و با استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی، شکل پذیری سازه­ها را ارزیابی کرده و ضریب رفتار مناسبی ارایه کرده­اند [3]. Gad و همکاران، به بررسی عملکرد لرزه­ای سازه­های دو بعدی و سه بعدی سرد نورد شده پرداختند. در این پژوهش سازه تحت آزمایش دینامیکی قرار گرفته و جزئیات متفاوتی چه به لحاظ اتصالات و چه از نظر پوشش و قسمت­های غیرسازه­ای ارزیابی شده­است [4]. Boudreaultو همکاران، به تشریح روش ارایه شده در آیین نامه مقررات ملی کانادا پرداخته و دو پارامتر اساسی استفاده شده در روش انرژی معادل الاستیک - پلاستیک[3] یعنی ضریب شکل‌پذیری و ضریب مقاومت افزون را مورد بررسی قرار داده­اند. برای ارزیابی عملکرد دیوارهای برشی در این سازه­ها در برابر نیروهای شبیه­سازی زلزله، سازه­های دو و سه طبقه بررسی شده است [5]. Tian و همکاران، مقاومت و سختی دیوارهای ساخته شده از فولاد سرد نورد شده را به صورت آزمایشگاهی و تحلیل تئوری مورد مطالعه قرار دادند. در مرحله اول، دیوارها را بدون مهاربند در نظر گرفته و در مراحل بعد مهاربند به صورت تسمه­های قطری تک و دوبل و همچنین صفحات سیمانی فرض شده­است [6]. همچنین، معیارهایی برای ضریب رفتار توسطAl-Kharat  و Rogers پیشنهاد شده است که طبق آن برای دیوارهای سبک، متوسط و سنگین به ترتیب برابر با 3.65، 2.11و 1.72است [7].  در آیین­نامه­ موجود در ایران نیز معیاری برای ضریب رفتار اشاره شده است که طبق آن، برای مهاربند با تسمه قطری عدد 4، برای دیوار برشی عدد 5.5و با تخته گچی عدد 2 پیشنهاد داده شده است[8]. از طرفی آیین­نامه NEHRP2003(FEMA450) نیز عدد 4 را برای قاب مهاربندی شده با بادبند تسمه قطری و عدد 6.5 را برای دیوار برشی ارائه کرده است [9].  علاوه بر موارد ذکر شده در آیین نامه طراحی سازه­های سرد نورد شده اشاره شده است که سیستم­های LSF قابلیت ترکیب با سازه­های دیگر را دارد [8,10].

   از جمله محدودیت­های ساختمان­های LSF، اجرای سخت پله­ها در قسمت­های میانی سازه می­باشد. برای حل این مشکل،  طراحان و مهندسان در بسیاری از موارد اتاق پله را به صورت اسکلت فلزی متشکل از پروفیل­های گرم نورد شده طراحی و اجرا می­نمایند (شکل1).

 

 

Fig. 1Steel Staircases in LSF

شکل 1 اتاق پله فولادی در سازه LSF

 

     این امر باعث می­شود از یک سو مشکل اجرای اتاق پله حل شود و از سوی دیگر با افزایش سختی جانبی و شکل‌پذیری اتاق پله، مقاومت کل سازه نیز بیشتر شود و در نتیجه سازه ترکیبی نیروی جانبی بیشتری را تحمل کند. این نکته می­تواند در جهت کمک و بهینه‌سازی استفاده از این سیستم عمل کند. با توجه به اینکه در تحقیقات و آیین­نامه­های مختلف به این گونه سیستم ترکیبی اشاره­ای نشده و به منظور مشخص شدن پارامترهای لرزه­ای ضروری در این نوع سیستم و همچنین مقدار تغییرات به لحاظ شکل‌پذیری و مقاومت،  در این تحقیق سازه­های مختلفی با سیستم دوگانه مهار جانبی مورد ارزیابی لرزه­ای قرار گرفته و عملکرد غیرخطی کلی سازه بررسی شده است. این کار با مدل‌سازی سازه­های دو، سه، چهار و پنج طبقه به صورت سازه­ی سرد نورد شده یا LSF با اتاق پله فولادی به صورت سه بعدی در نرم افزار SAP2000 صورت گرفته است. برای بررسی بهتر عملکرد غیرخطی، سازه­ها با سختی متفاوتی مدل شده و بررسی شده­اند. به منظور ارزیابی عددی نتایج حاصل از افزایش مقاومت، منحنی ظرفیت و برای تعیین شکل‌پذیری، ضریب رفتار آنها محاسبه شده است.

2- منحنی ظرفیت و پارامترهای شکل پذیری

یکی از رویکردهای آیین‌نامه­ها، استفاده از روش­های دقیق و آسان تحلیل و طراحی است. لذا برای این منظور پارامترهایی محاسبه و معرفی شده­اند که کار مهندسین طراح را آسان­تر نمایند. این پارامترها بر پایه منحنی ظرفیت یا پاسخ کلی سازه استوار هستند. از جمله پارامترهایی که می­توان به آنها اشاره کرد، ضریب رفتار، ضریب شکل­پذیری و دیگر پارامترهای موثر بر شکل­پذیری سیستم سازه­ای است که روش محاسبه آنها به شرح زیر خواهد بود:

ضریب شکل­پذیری: از جمله اصلی­ترین عوامل تاثیرگذار در ضریب رفتار، است. در واقع قابلیت سازه در تحمل تغییرشکل­های الاستیک و پلاستیک بدون اینکه سازه دچار فرو ریزش شود، ضریب شکل­پذیری سازه است. با ساده‌سازی منحنی ظرفیت سازه به نمودار دو خطی (شکل2)، طبق رابطه(1) ضریب شکل­پذیری از تقسیم حداکثر تغییر مکان جانبی  به تغییر مکان جانبی نسبی تسلیم   محاسبه می­گردد [11].

(1)

 

                                                                              

 

Fig. 2General Structure Response

شکل 2رفتار کلی سازه [12]

   سازه­ها بر اثر وجود شکل­پذیری، مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را مستهلک می­کنند. میزان استهلاک انرژی، متناسب با ضریب شکل‌پذیری سازه است. برای تاثیر این پارامتر ضریبی به نام ضریب کاهش شکل­پذیری () معرفی شده است [12]. به خاطر این ظرفیت استهلاک انرژی، نیروی طراحی ارتجاعی را می­توان به­وسیله­ی ضریب کاهش شکل­پذیری () به تراز مقاومت تسلیم کاهش داد. در این پژوهش این ضریب با استفاده از روش پیشنهادی نیومارک و هال محاسبه گردیده است [12].  نیومارک و هال پیشنهاد دادند که ضریب کاهش شکل­پذیری از رابطه­ (2) به­دست آید.

 

 

(2)

 

که در رابطه (2T زمان تناوب سازه است.

   سازه­ها معمولا مقاومت اضافه­ای بین دو سطح تسلیم کلی سازه و سطح اولین تسلیم تحمل می­کنند. به منظور تاثیر این مقدار ظرفیت اضافی، پارامتری با عنوان ضریب مقاومت افزون معرفی می­گردد. طبق تعریف، این مقدار برابر است با نسبت حد تسلیم کلی سازه به هنگام تشکیل مکانیزم خرابی () به نیروی متناظر با تشکیل اولین مفصل () خمیری.این پارامتر از رابطه­(3) محاسبه می­شود.

(3)

 

   یوانگ پیشنهاد کرده است که در روش تنش نهایی برای طراحی، ضریب رفتار از رابطه (4) محاسبه گردد [11].

(4)

 

 

3- مشخصات هندسی سازه مورد مطالعه

در این تحقیق، مدل­های متنوعی از مصالح سرد نورد شده به صورت سه بعدی در نرم افزار SAP2000 مدل‌سازی شده است. در مرحله نخست مدلی که کاملا از مصالح سرد نورد شده ساخته شده مورد ارزیابی قرار گرفته است و در مراحل بعدی، سازهLSF با اتاق پله فولادی ترکیب شده و عملکرد دوگانه این سیستم ارزیابی شده است. سازه­های مدل شده در چهار نوع دو طبقه تا پنج طبقه بوده و در پلان یکسان می­باشد. به منظور مقایسه و بررسی هرچه بهتر نتایج عددی، عملکرد سازه­هایی با ده سختی متفاوت در هر نوع طبقاتی بررسی شده است. این امر با تغییر دادن اعضای فولادی اتاق پله میسر شده و سازه­ها عملکرد متفاوتی از خود نشان داده­اند. اتاق پله به صورت اسکلت فلزی با عملکرد قاب خمشی است. در جدول 1 سازه­های مورد مطالعه در هر نوع معرفی شده­است. برای مشخص شدن نحوه عملکرد، ساختمان­ها تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی بررسی شده‌اند. این امر با کمک گرفتن از نرم­افزار SAP2000 صورت گرفته و در نهایت منحنی ظرفیت کلی سازه به­دست آمده ­است. نوع اتصال المان­های اتاق پله به صورت قاب خمشی است و همه اعضای تیر و ستون­ها در هر یک از مدل­های مورد بررسی مقاطع یکسانی دارند. در شکل 3 پلان و در شکل 4 نمای جانبی مدل مورد مطالعه مشاهده می­گردد. ارتفاع هر طبقه 300 سانتی­متر در نظر گرفته شده­ است.

   به منظور اطمینان از توانایی تحمل نیروهای ثقلی و جانبی، ابتدا بارهای ثقلی و جانبی طبق آیین‌نامه به مدل اعمال شده و طراحی اولیه صورت گرفته است و  در مرحله بعد به تحلیل بار افزون اقدام شده است. در این پژوهش وزن تقریبی دیوار خارجی 50کیلوگرم بر متر مربع درنظر گرفته شده است. همچنین دیوار داخلی با دیتیل گچ برگ فرض شده و حدود 31کیلوگرم بر متر مربع می­باشد و از آنجایی‌که وزن آن کمتر از 40کیلوگرم بر متر مربع است، می‌توان به جای بار تیغه­ها، از بار معادل گسترده یکنواخت 50 کیلوگرم بر متر مربع استفاده کرد.

   برای بار سقف نیز بار مرده­ی معادل با 330 کیلوگرم بر متر مربع لحاظ شده است.

   طبق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان بار زنده برای اتاق­ها 200 کیلوگرم بر متر مربع بوده و برای بام­ها نیز 150 کیلوگرم بر متر مربع در نظر گرفته شده­است [13,14].

 

 

 

 

 

 

 

جدول 1نام و مشخصات مدل­ها (دوطبقه(

Table 1 Name of models (two-story)

نام سازه

مشخصات

S2MF1*

LSF+IPE14**

S2MF2

LSF+IPE16

S2MF3

LSF+IPE18

S2MF4

LSF+IPE20

S2MF5

LSF+IPB12

S2MF6

LSF+IPB14

S2MF7

LSF+IPB16

S2MF8

LSF+IPB18

S2MF9

LSF+IPB22

S2MF10

LSF+IPB24

*منظور از نام اختصاری S2MF1، سازه دو طبقه در سختی نوع اول است.

شایان ذکر است که مدل­ها در انواع دو تا پنج طبقه مورد مطالعه قرار گرفته است.

** سازه ترکیبی LSF با اتاق پله فولادی با مقطع IPE14 به صورت اختصار LSF+IPE14 معرفی شده است.

 

 

Fig. 3Architectural plan of models

شکل 3پلان سازه

 

 

Fig. 4Section of structure in 3-story building

شکل 4مقطع سازه سه طبقه

4-تحلیل عددی

یکی از معیارهای شناخت سازه­ها، منحنی ظرفیت آنها یا منحنی پاسخ سازه‌ها می‌باشد. برای استخراج منحنی ظرفیت کلی سازه و پارامترهای موثر لرزه‌ای، سازه­ها­ی مطالعه شده در نرم افزار SAP2000 تحت بارگذاری جانبی قرار گرفته است. شبیه‌سازی توزیع بار جانبی بایستی به گونه­ای باشد که تا جای ممکن به زلزله واقعی، شبیه باشد و اثر مشابهی به سازه اعمال شود [15].  با الگوی بارگذاری فرض شده برای تحلیل استاتیکی غیرخطی در این تحقیق، الگوی بار مثلثی و بار یکنواخت می­باشد. مقاطع سرد نورد شده از نوع استاندارد معرفی شده با نام فولاد سازه­ای رده 230تیپ H(ST230H) با مقاومت تسلیم 230 مگاپاسکال و مقاومت نهایی 310 مگاپاسکال و مقاطع فولاد گرم نورد شده از نوع فولاد ST37 با مقاومت تسلیم 240 مگاپاسکال و مقاومت نهایی 370 مگاپاسکال می­باشد [8].

   مفاصل پلاستیک معرفی شده به المان­ها، مفاصل فایبر می­باشد. به دلیل اینکه مفاصل فایبر برای اندرکنش به صورت اتوماتیک، تغییر در منحنی لنگر- دوران و کرنش محوری پلاستیک را محاسبه می­کند، دقیق­­تر است و لذا این نوع مفصل مورد استفاده قرار گرفته است [16].  تعداد فایبرها بسته به دقت و اهمیت تحلیل انتخاب می­گردد که در این پژوهش، تعداد تقسیم‌بندی فایبرها در مقطع عرضی هر المان، به صورت  بوده است. شکل5، تقسیم فایبر در یکی از مقاطع را نشان می­دهد.

 

Fig. 5Fibers in sections

شکل 5فایبرها در یکی از مقاطع

5- بحث و بررسی نتایج

برای مشخص شدن عملکرد غیرخطی سازه­های متشکل از سیستم دوگانه قاب سبک فولادی (LSF) و قاب خمشی فولادی که به صورت اتاق پله استفاده شده است، منحنی ظرفیت یا پاسخ کلی سازه­های مذکور حاصل تحلیل پوش آور، به­دست آمده­است. علاوه بر معیار مقاومت و ظرفیت، سازه باید از نظر شکل پذیری نیز عملکرد قابل قبولی داشته باشد که نحوه عملکرد از طریق محاسبه پارامترهای شکل­پذیری مشخص می­گردد. از جمله مشخصه­های لرزه­ای هر سازه ضریب شکل­پذیری، مقاومت افزون و ضریب رفتار است که با رسم نمودار دو خطی ساده شده، محاسبه می­شود [11].  شایان ذکر است که در این تحقیق، پایان منحنی رفتار کلی سازه در تغییر مکان جانبی معادل 3%ارتفاع سازه در نظر گرفته شده­است [17]. نتایج حاصل از نمودارها نشان می‌دهد که استفاده از اتاق پله فولادی به عنوان بخش ترکیبی برای سیستم مهار جانبی، با افزایش سختی سازه ترکیبی موجب بیشتر شدن تحمل سازه در برابر نیروهای جانبی می‌شود. این نکته می‌تواند دلیلی موجه برای استفاده از این نوع سیستم ترکیبی در سازه‌های سرد نورد شده باشد. در ادامه نتایج حاصل در چهار بخش بررسی خواهد شد.

5-1- سازه دو طبقه

در پژوهش حاضر، برای مقایسه­ی ظرفیت جانبی منحنی پاسخ کلی سازه برای ده مدل با سختی مختلف که عملکرد متفاوتی در حوزه مقاومت و شکلپذیری دارد، در شکل6 رسم شده­است. در شکل 6، در مرحله نخست منحنی ظرفیت سازه LSF بدون ترکیب با بخش فولادی رسم شده است. در مراحل بعد با ترکیب بخش فولادی و تغییر دادن سختی آن، منحنی­های ظرفیت دیگر سازه­های ترکیبی رسم شده و به منظور مقایسه در یک نمودار آورده شده‌اند. طبق نمودار افزایش سختی بخش اتاق پله منجر به بیشتر شدن سختی کل سازه و در نتیجه افزایش ظرفیت سازه در تحمل نیروی جانبی خواهد بود. در ستون دوم جدول 2 نسبت تحمل بیشترین بار جانبی هر یک از مدل­ها به نسبت این مقدار در سازه LSF آورده شده است. با توجه به مقادیر این ستون، میزان افزایش ظرفیت بار جانبی قابل توجه است. علاوه بر این، به دلیل اینکه هر سازه بایستی به لحاظ شکل­پذیری نیز عملکرد مناسبی داشته باشد، از این‌رو با استفاده از نمودارهای دو خطی به محاسبه پارامترهای شکل‌پذیری سازه یعنی ضریب شکل­پذیری ()، ضریب کاهش شکل‌پذیری ()، ضریب مقاومت افزون () و در نهایت ضریب رفتار () پرداخته شده است. نسبت ضریب رفتار هر مدل ضریب رفتار آیین‌نامه­ای است که عدد 4 می‌باشد.برای نمونه نحوه محاسبه ضریب رفتار مدل S2MF6 که به عنوان مدل پیشنهادی ذکر شده است، در ادامه نشان داده می‌شود. طبق جدول 2 و مشاهده ضریب رفتار و ظرفیت سازه، افزایش ظرفیت جانبی سازه به معنی شکل‌پذیری بیشتر سازه نیست و در بعضی از مدل­ها، عکس این مطلب به وقوع پیوسته است. لذا سازه­ای مناسب است که هم به لحاظ شکل پذیری و هم از نظر مقاومت عملکرد مناسبی داشته باشد که این امر در سازه مدل S2MF6 رخ داده است. نحوه محاسبه ضریب رفتار این سازه به صورت زیر است. طبق شکل 7، ضرایب شکل‌پذیری زیر به دست آمده است:

   ضریب شکل‌پذیری (): 5.40، ضریب کاهش شکل‌پذیری (): 3.13، ضریب مقاومت افزون () 1.52 که طبق روابط معرفی شده در بخش دو، ضریب رفتاری برابر 4.72 حاصل می‌شود.

   در این سازه نسبت ضریب رفتار معرفی شده به ضریب رفتار آیین‌نامه­ای 1.18 و همچنین نسبت مقاومت نسبت به سازه LSF نیز 2.48 است که در هر دو مورد عملکرد بهبود یافته است. در این سازه شرایط ترکیب به گونه‌ای است که نسبت سختی بخش فولادی یعنی اتاق پله حدود 5 درصد از بخش LSF بیشتر است.

   لذا سازه­ای با شرایط مشابه با نمونه S2MF6 می‌تواند به لحاظ شکل‌پذیری و مقاومت پاسخگوی نیاز یک سازه ترکیبی باشد.

 

جدول 2نسبت نیرو وضریب رفتار در سازه­های دو طبقه

Table 2 Force and behavior factorratio in two-story structures

نام سازه

1.013

4.05

1.59

S2MF1

1.043

4.17

1.76

S2MF2

1.018

4.07

1.46

S2MF3

0.885

3.54

1.63

S2MF4

1.125

4.50

1.51

S2MF5

1.180

4.72

2.48

S2MF6

1.133

4.53

2.25

S2MF7

1.035

4.14

2.46

S2MF8

0.865

3.46

2.66

S2MF9

0.978

3.91

4.75

S2MF10

 

 

5-2- سازه سه طبقه

برای اینکه میزان تاثیر و نحوه عملکرد سازه­های ترکیبی بهتر مشخص گردد، منحنی ظرفیت مدل­های مختلفی از سازه­های سه طبقه در شکل8 مشاهده می­شود. در این شکل مشخص است که مدل­هایی که در آن از اتاق پله سنگین­تری استفاده شده است، دارای ظرفیت جانبی به مراتب بیشتری است که این مقدار حتی تا چهار برابر نسبت به سازه LSF نیز می‌رسد. البته باید توجه داشت که سازه مناسب، سازه­ای نیست که صرفا نیروی بیشتری را تحمل کند؛ بلکه سازه بایستی در حوزه شکل‌پذیری نیز عملکرد قابل قبولی از خود نشان دهد و الزامات مورد نیاز را برآورده سازد. لذا نمی توان به سازه­ای که بیشترین تحمل نیرو را دارد، عنوان مناسب‌ترین سازه را نسبت داد.


 

Fig. 6Capacity curve of two-story models

شکل 6منحنی ظرفیت سازه­های دو طبقه مدل شده


 

 

Fig. 7Capacity Curve and Idealized Diagram of  S2MF6

شکل 7 منحنی ظرفیت و نمودار دو خطیسازه S2MF6

 

   طبق شکل8، سازه با نامS3MF10 نیروی بسیار زیادی را تحمل کرده است. این مقدار نیروی زیاد به علت استفاده از پروفیل­های سنگین موجود در اتاق پله با اسکلت فولادی است. علاوه بر این سختی نسبی سازه مذکور نسبت به سازه قاب سبک فولادی بسیار بیشتر است. این امر می‌تواند از نظر اجرایی مشکلاتی را ایجاد کند.

   یکی از این مشکلات ضربه زدن بخش سخت سازه به بخش نرم است که موجب خسارت به بخش نرم خواهد شد. لذا نباید سختی دو بخش ترکیبی اختلاف زیادی نسبت به هم داشته باشند.

   در جدول3 پارامترهای عددی حاصل از تحلیل نتایج و نمودارهای ظرفیت سازه­های سه طبقه مشاهده می‌شود. در این نوع سازه نیز به‌کارگیری سیستم ترکیبی، در بسیاری از موارد منجر به افزایش شکل‌پذیری شده است. همچنین در تمام موارد استفاده شده، استفاده از قاب خمشی فولادی به افزایش ظرفیت سازه کمک قابل توجهی کرده است. جدول 3 نشان می‌دهد که کمک گرفتن از سیستم مهار جانبی قاب خمشی در قاب سبک فولادی تا بیش از چهار برابر نیز به افزایش ظرفیت آن کمک می‌کند. هرچند توصیه نمی‌شود از سیستمی که این تفاوت فاحش را رقم می‌زند استفاده گردد؛ زیرا در این حالت شکل‌پذیری کاهش می‌یابد. به نظر می‌رسد سیستم مورد استفاده در سازه S3MF6 نه تنها از نظر مقاومت، بلکه به لحاظ شکل‌پذیری نیز مناسب است. در این سیستم ظرفیت سازه دو برابر شده و شکل‌پذیری 20 درصد افزایش یافته است. این سیستم به‌گونه‌ای است که بخش فولادی حدود 10 درصد از بخش سبک فولادی نرم‌تر می‌باشد. لذا می­توان انتظار داشت استفاده از این قبیل سیستم ترکیبی در سازه­های سه طبقه به عملکرد مطلوب کل سازه خواهد انجامید.

جدول 3نسبت نیرو وضریب رفتار در سازه­های سه طبقه

Table 3 Force and behavior factor ratio in three-story structures

نام سازه

1.188

4.57

1.46

S3MF1

1.220

4.88

1.70

S3MF2

1.205

4.82

1.62

S3MF3

1.135

4.54

2.17

S3MF4

1.060

4.24

1.62

S3MF5

1.200

4.78

2.00

S3MF6

1.090

4.36

2.06

S3MF7

0.898

3.59

2.77

S3MF8

0.840

3.36

4.07

S3MF9

0.560

2.28

4.93

S3MF10

 


 

Fig. 8Capacity curve of three-story Models

شکل 8 منحنی ظرفیت سازه­های سه طبقه مدل شده

 


5-3- سازه چهار طبقه

سازه­های آنالیز شده چهار طبقه بیش از پیش به ناحیه غیرخطی وارد شده‌اند و عملکرد غیرخطی بهتری داشته­اند. در سازه­های چهار طبقه با افزایش ارتفاع مقدار خمیری شدن المان بیشتر شده و بخش بیشتری از ناحیه به ناحیه غیرخطی اختصاص پیدا کرده است. شکل 9 نشان‌دهنده عملکرد غیرخطی سازه­ها می­باشد.

   با توجه به نتایج این نمودار برخی سازه­ها، ظرفیت بسیار بیشتری نسبت به سازه LSF دارند. سازه S4MF9 و S4MF10 از این قبیل هستند. در سازه S4MF9 و S4MF10 به علت افزایش قابل ملاحظه ظرفیت و سختی قاب خمشی به کار رفته، احتمال آسیب رسیدن به بخش ضعیف­تر یعنی LSF ، وجود دارد. بنابراین این مدل نمی­تواند مدل مناسبی جهت استفاده در سیستم ترکیبی باشد. در جدول 4 مقادیر محاسبه شده وجود دارد.

   در جدول 4 سازه­ S4MF6 ، به دلیل اینکه هم از نظر شکل­پذیری و هم به لحاظ مقاومت تاثیر مثبتی در سازه ترکیبی داشته است، به عنوان گزینه مناسب توصیه می­شود. در این مدل نیز مانند مدل چهار طبقه نسبت سختی بخش فولادی حدود 10% کمتر از بخش LSF است.

 

جدول 4نسبت نیرو وضریب رفتار در سازه­های چهار طبقه

Table .4 Force and behavior factor ratio in four-story structures

نام سازه

1.188

4.57

1.46

S3MF1

1.220

4.88

1.70

S3MF2

1.205

4.82

1.62

S3MF3

1.135

4.54

2.17

S3MF4

1.060

4.24

1.62

S3MF5

1.200

4.78

2.00

S3MF6

1.090

4.36

2.06

S3MF7

0.898

3.59

2.77

S3MF8

0.840

3.36

4.07

S3MF9

0.560

2.28

4.93

S3MF10

 

 


 

Fig. 9Capacity curve of four-story Models

شکل 9 منحنی ظرفیت سازه­های چهار طبقه مدل شده

 

 


5-4 - سازه پنج طبقه

 


با توجه به آیین‌نامه سازه­های سرد نورد شده ایران، ارتفاع سازه به 15 متر محدود شده است. لذا سازه پنج طبقه نیز مورد بررسی قرار گرفته است. سازه­های ترکیبی با ده نسبت سختی متفاوت مطالعه شده و تحت آنالیز پوش­آور، منحنی پاسخ کلی آن به­دست آمده است. شکل 10 نشان‌دهنده منحنی ظرفیت سازه­ها می‌باشد. بررسی نمودارها باعث استخراج دو نتیجه کلی می­گردد.

   به عنوان نتیجه اول می­توان بیان کرد که طبق الگوی به دست آمده از نمودارهای تیپ­های پیشین، با سنگین­تر شدن المان­های اسکلت اتاق پله فلزی، ظرفیت سازه­ی ترکیبی افزایش قابل ملاحظه­ای می­یابد و علاوه بر این در حوزه­ی شکل­پذیری نیز عملکرد سازه را بهبود می­بخشد.

   نتیجه دوم اینکه با افزایش تعداد طبقات و ارتفاع کلی، اعضا به ناحیه­ی غیرخطی وارد شده و بیشتر از گذشته به مرحله­ی خمیری می­رسند.

 

جدول 5نسبت نیرو وضریب رفتار در سازه­های پنج طبقه

Table .5 Force and behavior factor ratio in five-story structures

نام سازه

1.985

7.94

1.28

S5MF1

2.085

8.34

1.18

S5MF2

1.670

6.68

1.51

S5MF3

1.058

4.23

1.71

S5MF4

1.285

5.14

1.79

S5MF5

1.330

5.32

1.90

S5MF6

1.248

4.99

1.91

S5MF7

0.960

3.84

2.60

S5MF8

1.153

4.61

3.70

S5MF9

1.330

5.32

4.37

S5MF10

 

   با توجه به نمودار شکل 10، سازه S5MF6 و S5MF7 از نظر ظرفیت، شرایط مشابهی دارند و نسبت به دیگر سازه­ها شرایط بهتری را از نظر افزایش ظرفیت جانبی تامین کرده­اند. اما با توجه به جدول5، سازه S5MF6 ضریب رفتار بیشتری دارد. لذا این سازه که از نظر سختی نیز مانند مدل­های پیشنهادی سه و چهار طبقه است، به عنوان مدل بهینه توصیه می­گردد.

6- نتیجه­گیری

با بررسی چهل مدل به وسیله تحلیل پوش‌آور، به منظور استفاده­ی سیستم ترکیبی قاب سبک فولادی (LSF) و قاب خمشی فولادی نتایج زیر حاصل شده است:

   1- ترکیب اسکلت فولادی با قاب خمشی در سازه قاب فولادی سبک می‌تواند منجر به افزایش ظرفیت جانبی کل سازه­ی ترکیبی شود و هرچه اعضای قاب خمشی فولادی سنگین­تر باشد، میزان افزایش ظرفیت جانبی نیز بیشتر می­گردد. علاوه بر این، استفاده از قاب خمشی به عنوان سیستم جانبی ترکیبی، شکل­پذیری کلی سازه را نیز بهبود می­بخشد.

   2- در شرایط بهینه­ پیشنهاد شده در تیپ دو طبقه، ضریب رفتار حدود 18 درصد بیشتر از ضریب رفتار سازه­ LSF با مهاربند قطری خواهد شد و همچنین سازه توانایی تحمل بار جانبی با حدود دو برابر بار حالت قبل از ترکیب را خواهد داشت.

   3- با افزایش ارتفاع، سازه ترکیبی عملکرد غیرخطی بهتری از خود نشان می‌دهد. این عملکرد در سازه‌های چهار و پنج طبقه مشهود است.

   4- در سازه­های سه، چهار و پنج طبقه، زمانی سازه توصیه می‌شود که بخش فولادی حدود 10% سختی کمتری نسبت به بخش سبک داشته باشد تا سازه عملکرد مناسبی از خود نشان دهد.

   5- در سازه­ی سه طبقه پیشنهاد شده، ضریب رفتار حدود 20% افزایش می‌یابد و ظرفیت سازه نیز دو برابر می‌شود. برای سازه چهار طبقه این مقادیر به ترتیب 64% و دو برابر و برای سازه پنج طبقه 33% و دو برابر خواهد بود.


 

Fig. 10 Capacity curve of five-story Models

شکل 10 منحنی ظرفیت سازه­های پنج طبقه مدل شده


 


 


 


 


 

 

 

 

 

 

 


7- مراجع

 

 [1]Vosughifar h, Tork Sh, Taremi m, Investigating the application of LSF system in effective design of structures in comparison with conventional systems, International Conference on Earthquake & lightweight construction, Kerman, Iran, April, 2010.(in Persianفارسی )

 [2]Mirghaderi R, Bagheri-Sabbagh A, Design of Cold Formed Steel. Tehran: Elm o Adab, 2008 (in Persianفارسی )

 [3]Comeau,G; Velchev,K; Rogers, C.A, Development of seismic force modification factors for cold-formed steel strap braced wall. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol37, pp.236-249, 2010.

 [4]Gad, E.F., Duffield, C.F., Hutchinson, D.L., Mansell, D.S., Strak, G,Lateral performance of cold-formed steel-framed domestic structures. Journal of engineering structures, Vol  21, pp.83-95, 1999.

 [5]Boudreault, F.A., Blais, C., Rogers, C.A, Seismic force modification factor for light-gauge steel frame/wood structural panel shear walls. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol 34, pp. 56-65, 2007.

[6]  Tian, Y.S., Wang, J, Lu, T.J., Racking strength and stiffness of cold-formed steel wall frames., Journal of Constructional Steel Research, Vol  60, pp. 1069-1093, 2004.

[7]  Al-Kharat, M, Rogers, C.A, Inelastic performance of cold-formed steel strap braced walls., Journal of Constructional Steel Research, Vol 63, pp. 460-474, 2007.

[8]  Iranian Building Codes and Standards, Cold formed Light Steel Sturctures Design and Construction Code, Building and Housing Research Center, Tehran, 2011 (in Persianفارسی )

[9]  FEMA-450. NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures- Part 1 Provisions. USA: Building Seismic Safety Council, 2003.

[10]         Ti 809-07. Technical instructions: Design of cold-formed load bearing steel systems and masonry veneer/steel stud walls. Washington (DC, USA): US Army Corps of Engineers. Engineering and Construction Division. Directorate of Military Program, 2006.

[11] Uang CM., Establishing R (or Rw) and Cd factor for building seismic provision, Journal of Structure Engineering, 117(1),  pp. 19-28, 1991.

[12] Newmark, N. M, Hall, W. J, Earthquake spectra and design., Earthquake Engineering Research Institute, Berkeley, CA, 1982.

[13] Tavoosi-Tafreshi Sh, Tabrizi O.R, Light Weight Steel Frame Structural System, Tehran: Jahan Jam-e- jam, 2010. (in Persianفارسی )

 [14] Ministry of Housing and Urban Development. Iranian National Building Code: part 6 (Loads). Third Edition, 2006. (in Persianفارسی )

[15] Instruction for Seismic Rehabilitation of Existing Buildings No. 360, Management and Planning Organization. Tehran, 2007. (in Persianفارسی )

 [16] Taghinejad R, Seismic design and rehabilitation of structures based on performance level. Tehran: Nashr-e- Ketab Daneshgahi, pp.  93-94, 2008. (in Persianفارسی )

[17] Tasnimi A, Masoumi A, Calculate of Response Modification Factor of Concrete Frame, Building and Housing Research Center ,Tehran, pp. 75-76, 2006. (in Persianفارسی )


 

 



[1]Light Steel Frame

[2]Cold Formed Steel (CFS)

[3] Equivalent Energy Elastic-Plastic (EEEP)

 

7- مراجع

 

 [1] Vosughifar h, Tork Sh, Taremi m, Investigating the application of LSF system in effective design of structures in comparison with conventional systems, International Conference on Earthquake & lightweight construction, Kerman, Iran, April, 2010. (in Persianفارسی )

 [2] Mirghaderi R, Bagheri-Sabbagh A, Design of Cold Formed Steel. Tehran: Elm o Adab, 2008 (in Persianفارسی )

 [3] Comeau,G; Velchev,K; Rogers, C.A, Development of seismic force modification factors for cold-formed steel strap braced wall. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol37, pp.236-249, 2010.

 [4] Gad, E.F., Duffield, C.F., Hutchinson, D.L., Mansell, D.S., Strak, G,Lateral performance of cold-formed steel-framed domestic structures. Journal of engineering structures, Vol  21, pp.83-95, 1999.

 [5] Boudreault, F.A., Blais, C., Rogers, C.A, Seismic force modification factor for light-gauge steel frame/wood structural panel shear walls. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol 34, pp. 56-65, 2007.

[6]  Tian, Y.S., Wang, J, Lu, T.J., Racking strength and stiffness of cold-formed steel wall frames., Journal of Constructional Steel Research, Vol  60, pp. 1069-1093, 2004.

[7]  Al-Kharat, M, Rogers, C.A, Inelastic performance of cold-formed steel strap braced walls., Journal of Constructional Steel Research, Vol 63, pp. 460-474, 2007.

[8]  Iranian Building Codes and Standards, Cold formed Light Steel Sturctures Design and Construction Code, Building and Housing Research Center, Tehran, 2011 (in Persianفارسی )

[9]  FEMA-450. NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures- Part 1 Provisions. USA: Building Seismic Safety Council, 2003.

[10]         Ti 809-07. Technical instructions: Design of cold-formed load bearing steel systems and masonry veneer/steel stud walls. Washington (DC, USA): US Army Corps of Engineers. Engineering and Construction Division. Directorate of Military Program, 2006.

[11] Uang CM., Establishing R (or Rw) and Cd factor for building seismic provision, Journal of Structure Engineering, 117(1),  pp. 19-28, 1991.

[12] Newmark, N. M, Hall, W. J, Earthquake spectra and design., Earthquake Engineering Research Institute, Berkeley, CA, 1982.

[13] Tavoosi-Tafreshi Sh, Tabrizi O.R, Light Weight Steel Frame Structural System, Tehran: Jahan Jam-e- jam, 2010. (in Persianفارسی )

 [14] Ministry of Housing and Urban Development. Iranian National Building Code: part 6 (Loads). Third Edition, 2006. (in Persianفارسی )

[15] Instruction for Seismic Rehabilitation of Existing Buildings No. 360, Management and Planning Organization. Tehran, 2007. (in Persianفارسی )

 [16] Taghinejad R, Seismic design and rehabilitation of structures based on performance level. Tehran: Nashr-e- Ketab Daneshgahi, pp.  93-94, 2008. (in Persianفارسی )

[17] Tasnimi A, Masoumi A, Calculate of Response Modification Factor of Concrete Frame, Building and Housing Research Center ,Tehran, pp. 75-76, 2006. (in Persianفارسی )