ارائه روش نوین تئوری و عددی برای محاسبه عمق بحرانی واحد در کانالهای مرکب

منبع : عمران، معماری، ساختمان، بتن و گچ معرفی و فروش انواع افزودنی های گچ و سیمان

 ارائه روش نوین تئوری و عددی برای محاسبه عمق بحرانی واحد در کانالهای مرکب

 

خلاصه مقاله:

از آنجا که با توجه به مفهوم انرژی مخصوص می توان برای کانالهای با مقطع یکسان، روابطی برای تعیین عمق بحرانی ارائه داد. برمبنای انرژی مخصوص نیز می توان روابط عمق بحرانی را برای کانالهای مرکب دارای چند عمق و سطح مقطع متفاوت تعمیم داد. با توجه به آنکه در کانالهای مرکب، ممکن است پروفیلهای مختلفی از انواع جریان در یک مقطع وجود داشته باشند. بیشتر از یک عمق بحرانی در مقاطع مرکب می تواند پدید آید. در این تحقیق الگوریتمی برای محاسبه عمق بحرانی د رکانالهای مرکب بر مبنای نوع جریان حاکم بر هر بازه ارائه می شود و یک عدد فرود واحد معین برای طرح بهینه کانالهای مرکب معرفی می گردد.

کلمات کلیدی: سیستم تصویر، سطح قابل­گسترش، دیدگاه تصویر.

آدرس مقاله در گروه : ایمیل " مقالات عمرانی سری ۱ "

جهت دانلود فایل در گروه CityGroup عضو شده و از صفحه اول گروه یا Messages دانلود فرمایید. و برای پیدا کردن مطلب مورد نظر می توانید عنوان مطلب را در قسمت search مطالب گروه ، سرچ نمایید. ( صفحه اول گروه – زیر عکس گروه – ابزار جستجوی یاهو )

شما با عضویت در این گروه می توانید به تمامی مقالات مهندسی عمران، معماری و ساختمان این گروه در قسمت Messages دسترسی داشته باشید.
CityGroup مساوی است با کتابخانه مهندسین عمران ،  معماری و ساختمان

آدرس عضویت در گروه : http://www.join.4civil.ir/

نکته مهم : قبل از عضویت در گروه  وارد ایمیل خود شوید بعد اقدام به عضویت نمایید.

لینک روش جستجو در بانک اطلاعاتی CityGroup

رویکردهایی جهت حل مسایل بهینه سازی

رویکردهایی جهت حل مسایل بهینه سازی

یک مساله بهینه سازی سراسری با محدودیتهای نامشخص به این صورت درنظر گرفته می شود: بهینه ساز x* را چنان بیابید که کمینه تابع هدف f(x) را تولید کند که در منطقهء بازهء متناهی از فضای اقلیدسی n بعدی زیر است: . این مساله بهینه سازی محدود شده می تواند توسط معرفی تابع جریمه با مقدار بالای خارج از محدودیت های مشخص شده ، به یک مساله بهینه سازی بدون محدودیت تبدیل شود. در مواردی که مقدار واقعی بهینه ساز را نتوان یافت، ما از مقدار تخمینی و کمینهء تخمینی متناظر استفاده می کنیم. رویکردهای حل این مساله وابسته به ویژگی های تابع f(x) است:
1.    f(x) تابعی با اکسترمم واحد است که به صورت عددی بیان می شود. اگر مشتقات  آن بتوانند محاسبه گردند، روشهای مبنی بر شیب می توانند استفاده شوند.
2.    ) تابعی با اکسترمم واحد است که به صورت عددی قابل بیان نیست. مشتقات را نمی توان محاسبه کرد و روشهای جستجوی مستقیم باید مورد استفاده قرار گیرد.
3.    در مورد خصوصیات f(x) هیچ فرضی وجود ندارد، پس f یک تابع با چند اکسترمم است که به صورت عددی بیان نمی شود و ما با چند اکسترمم یا بهینه سازی سراسری سروکار داریم.

بیشتر مسایل بالقوه به مقوله سوم از مسایل CO تعلق دارند. در مراحل مشخص، تکنیکهای GO ممکن است از روشهای تک اکسترمم از مقوله 2 استفاده کنند.

رویکردهای اصلی به کمینه سازی سراسری

رویکردهای اصلی به کمینه سازی سراسری

در این زمینه گروههای زیر تشخیص داده می شوند:
•    تکنیکهای پوشش دهنده (فضای) مجموعه
•    روشهای جستجوی تصادفی
•    الگوریتمهای تکاملی و ژنتیک
•    روشهای مبنی بر جستجوهای محلی چندگانه (چند شروعه) با استفاده از خوشه بندی
•    سایر روشها( آنیلینگ شبیه سازی شده، تکنیکهای خط سیر، رویکرد تونل سازی، روشهای تحلیلی بر پایه مدل احتمالی  تابع هدف)

•    روشهای پوششی (فضای مجموعه).در این حالت فضای پارامتری X ، با N زیرمجموعهء X1,…,XN پوشانده می شود به نحوی که اجتماع آنها کل X را پوشش دهد. پس تابع هدف در N نقطه   {x1,…,xN}  که هرکدام یک زیرمجموعه را نشان می دهند ارزیابی می گردد و نقطه ای با کوچکترین مقدار تابع، به عنوان تقریبی از مقدار سراسری درنظر گرفته می شود.  اگر کل نقاط قبلی انتخاب شده   {x1,…,xk} و مقادیر تابع   {f(x1),…,f(xk)}   در زمان انتخاب نقطه بعدی   xk+1  به کارروند، الگوریتم ، پوششی (فعال) متوالی نامیده می شود (و اگر وابستگی موجود نباشد، غیرفعال است) . این الگوریتمها کارا نیستند.

•    جستجوی تصادفی مستقیم خالص (نمونه برداری یکنواخت) . N نقطه با توزیع یکنواخت در X انتخاب می شود و تابع f روی آنها ارزیابی می گردد، کمترین مقدار تابع، ارزیابی f* کمینه است. اگر f پیوسته باشد، ضمانت همگرایی مجانبی  وجود دارد ولی تعداد ارزیابی تابع نسبت به n به طور نمایی رشد می کند. یک بهبود این است که تولید نقاط ارزیابی به نحو متوالی انجام شود که مقادیر تابع شناخته شده از قبل را در زمان انتخاب نقطه بعدی به حساب آورد، تا یک جستجوی تصادفی تطبیقی تولید شود.

•    جستجوی تصادفی کنترل شده  (CRS). این روش متناظر با نام W.L.Price است که چندین نسخه از الگوریتم را پیشنهاد کرده که در آن نقطه آزمایشی جدید در فضای (پارامتری) جستجو، بر پایه زیرمجموعه انتخابی تصادفی از نقاط تولید شده قبلی، ایجاد می گردد. روشی که بسیار مورد استفاده قرار می گیرد CRC2 است. در هر تکرار، از یک نمونه یک  Simplex   تولید می گردد  و نقطه آزمایشی جدید به عنوان بازتاب یک نقطه در مرکزثقل  سایر نقاط در این Simplex   تولید می شود.   اگر بدترین نقطه در مجموعه تولید شده اولیه ، بدتر از نقطه جدید است، با آن جایگزین می شود. ایده الگوریتم های CRS بعدها به صورت CRS4 و CRS5 گسترش پیدا کرد. در CRS4 اگر بهترین نقطه جدید یافت شود، یک جستجوی اضافه در اطراف آن توسط نقاط نمونه برداری شده از توزیع بتا به عنوان جایزه انجام می شود. این روش بسیار کارامد گزارش شده است.

•    استراتژی های تکاملی و الگوریتمهای ژنتیک. خانواده الگوریتم های تکاملی برپایه ایده مدلسازی فرایند جستجوی تکاملی طبیعت قرار دارند گرچه این مدلها ساده سازی خام واقعیت بیولوژیکی است. الگوریتم های تکاملی، تغییراتی از جستجوی تصادفی هستند و اصطلاحات ژنتیک و زیست شناسی را به کار می برند. به طور مثال، برای هر نمونه تصادفی در هر تکرار، جفت افراد والد (نقاط) که بر پایه میزان شایستگی انتخاب می شوند (مقدار تابع)، مجددا ترکیب شده و فرزند جدیدی تولید می کنند . بهترین آنها برای نسل بعد انتخاب می شود. همچنین می تواند جهش یابد یعنی به طور تصادفی موقعیت خود را درفضا تغییر دهد . ایده این عمل آن است که والدین مناسب احتمالا فرزندان مناسب تری تولید می کنند. تولید نقطه تصادفی معادل جهش است و گام برداری به سوی کمینه بعد از آزمایش موفق به عنوان انتخاب درنظر گرفته می شود.
از لحاظ سابقه الگوریتم های تکاملی سه دسته هستند: استراتژی های تکاملی (ES) ، برنامه نویسی تکاملی (EP) و الگوریتم های ژنتیک (GA). آنها از لحاظ نوع عملگرهای جهش، ترکیب مجدد و انتخاب تفاوت عمده دارند. در GA کدگذاری باینری مولفه ها وجود دارد پس یک متغیر l بیتی برای نمایش کد صحیح مولفه xi به کار می رود که  مقداری بین 0 تا   دارد که می تواند به بازه صحیح [ai,bi] نگاشت شود. رشته باینری سراسری به طول nl به نام کروموزوم برای هر نقطه با اتصال کد همه مولفه ها ایجاد می شود. عملگر جهش، یک بیت را که به طور تصادفی در رشته G انتخاب شده با مکمل کردن تغییر می دهد. عملگر ترکیب  (ادغام )، دو والد( نقطه) S و T را براساس قوانینی انتخاب کرده ، عدد   را بین 1 و nl انتخاب کرده و سپس یا نقطه جدید s’ را می سازد یا نقاط جدید S’  و T’  را با نگهداشتن بیتهای سمت چپ مقادیر مولفه از والد   و بیتهای سمت راست والد دیگر ، ایجاد می کند.  در استراتژی های تکاملی جهش مولفه ها با توجه به تغییرات متناظر توزیع نرمال n بعدی مشخصی انجام می شود و نسخه های متعددی از ترکیب تعریف می گردد.

•    شروع چندگانه و خوشه بندی. ایده اصلی روشهای چندآغازه ، چندین بار اعمال رویه جستجو و سپس انتخاب ارزیابی بهینه ساز سراسری است. یکی از نسخه های معمول آن براساس خوشه بندی است یعنی تولید گروههایی از نقاط جداگانه که امیدواریم با نواحی جذب شروع بالقوه متناظر باشند. منطقه جذب کمینه محلی x* ، مجموعه نقاطی از X است که با شروع از آنها، رویه جستجوی محلی P به x* همگرا می شود.
در روش پوشش خوشه بندی تطبیقی (ACCO) در مرحله اول از خوشه بندی و سپس از جستجوی تصادفی سراسری به جای جستجوی محلی استفاده می شود.
مراحل :
1.    خوشه بندی
2.    پوشش زیردامنه های کوچک شونده
3.    تطبییق
4.    تصادفی سازی تناوبی
ACCOL: ترکیب  ACCO با چندین جستجوی محلی
ACD : ترکیب ACCO و سرازیری های  Simplex رو به پایین

مرجع:
Genetic and other global optimization algorithms - comparison and use in calibration
problems
Proc. 3rd Intern. Conference on Hydroinformatics, Copenhagen, Denmark, 1998. Balkema Publishers. pp.1021-102

کیفیت مناسب یک سازه

کیفیت مناسب یک سازه

بحث زلزله که بحث داغ این روزهای تهران است می‌تواند جنبه دیگری از کیفیت مناسب یک سازه باشد. سازه‌های بتن آرمه عادی و به ویژه مجهز به دیوارهای بتنی به‌علت سختی بالا نسبت به سازه‌های فولادی در برابر زلزله، در بیشتر موارد مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهند اما سازه‌های فولادی نیز می‌توانند همین رفتار را از خود نشان دهند مشروط برآنکه طراحی مناسبی داشته باشند.

نکته قابل تامل اینجا است که این رفتار به چه قیمتی به دست خواهد آمد؟ اگر طراحی، یک طراحی بدون نقص باشد، هم سازه فولادی و هم سازه بتن آرمه در چند ثانیه وقوع زلزله، با حداقل خسارت ممکن جان سالم به در خواهند برد. اما کار به اینجا ختم نخواهد شد و پس از زلزله‌های زیادی شاهد شکستگی لوله‌های گاز و وقوع آتش سوزی‌های مهیب بوده‌ایم که گاه از خود زلزله مخرب‌تر هستند.

با توجه به اینکه اطفاء حریق بلافاصله بعد از وقوع حادثه ممکن نیست، ساختمان باید به گونه‌ای طراحی شود که تا چند ساعت متوالی بتواند آتش را با حداقل خسارات وارده تحمل کند. در سازه‌های بتن آرمه مقاومت بالایی در برابر آتش سوزی وجود دارد، اما درسازه‌های فولادی درصورتی‌که تمهیدات ایمنی لازم در آنها صورت نپذیرد در چند دقیقه ابتدایی حریق، شاهد تخریب‌های بسیار سریع و غیرقابل جبران خواهیم بود که این مورد نیز مزیتی بسیار ارزشمند برای سازه‌های بتن آرمه به حساب می‌آید.
اما آنچه اکثر مهندسان را نسبت به سازه‌های بتن آرمه به شدت بد‌بین کرده، عدم‌قطعیت‌ها، یکنواخت نبودن مقاومت بتن و کم اطلاعی بسیاری از سازندگان از نحوه عمل‌آوری و به دست آوردن نتیجه‌ای مطلوب از این ماده است.
قابلیت اشتباه در تهیه بالقوه این نوع ماده در مقابل فولاد توجیه دیگری است که از سوی عده زیادی در مخالفت با بتن ارائه می‌شود، چرا‌که ممکن است حین عمل آوری، مقاومت فشاری کمتر از حد مورد نیاز به دست آید.
این گروه معتقدند جبران یک اشتباه در سازه‌های بتن آرمه در مواردی منجر به تخریب اجباری سازه می‌شود در حالی‌که فولاد در هر لحظه که سازنده اراده کند با هزینه‌ای به نسبت پایین قابل ترمیم و تقویت است.
در پاسخ به این ایراد باید گفت این عدم‌قطعیت‌ها در آیین نامه‌ها با اعمال ضریب ایمنی بسیار بالایی پیش‌بینی شده تا جایی که در موارد زیادی شاهد مقاومتی چند برابر مقاومت مورد نیاز در ساخت این قبیل سازه‌ها هستیم. از سوی دیگر این عدم‌قطعیت کیفیت بتن در شالوده و سقف‌های سازه فولادی نیز وجود دارد و صرفاً متعلق به سازه‌های بتن آرمه نیست.
در نهایت باید بر این موضوع تاکید کرد که به‌طور کلی هم سازه‌های فولادی و هم سازه‌های بتن آرمه درصورتی که در طراحی آنها سیستم مناسب و منطبق بر آیین‌نامه‌های به روز، مورد استفاده قرار نگیرد و متخصصین متبحر آنها را اجرا و مهندسین با تجربه بر اجرای آنها نظارت مستمر نکنند، هیچ رجحانی از نظر کیفیت و قابلیت اطمینان بر دیگری ندارند.

فراموش نکنیم معیار چهارمی نیز در انتخاب وجود دارد؛ معیاری که 3 معیار هزینه، زمان و کیفیت را تحت سیطره خود قرار می‌دهد: فولاد به‌عنوان یک سرمایه ملی ماده‌ای است که ارزان به دست نمی‌آید و همانند نفت روزی تمام خواهد شد؛ ماده‌ای که باید در صنایع ارزشمندتر ‌ و یا حداقل در سازه‌های خاص که نیاز به ظرافت خاصی دارند و پس از بررسی‌های علمی برتری فولاد در آن محرز شده، مورد استفاده و بهره برداری قرار گیرد تا شاهد رشد اقتصادی در دیگر زمینه‌ها باشیم.

به‌نظر میرسد استفاده از سازه‌های بتن آرمه با توجه به مصرف به‌مراتب پایین‌تر از فولاد (به‌صورت میلگرد) هم از نظر سازه‌ای و هم از نظر اقتصادی و هم از جنبه ملی به‌مراتب مناسب‌تر و بهینه‌تر از سازه‌های فولادی است.

هزینه‌ های سازه‌ های بتن آرمه کمتر از سازه‌های فولادی

هزینه‌ های سازه‌ های بتن آرمه کمتر از سازه‌های فولادی

مزیت این روش نسبت به روش اول آن است که می‌توان طبقه مورد نظر را سریعتر برای اجرای دیگر مراحل از جمله تیغه چینی، اجرای تأسیسات مکانیکی و برقی و... در اختیار سایر پیمانکاران قرار داد که خود موجب تسریع در روند طرح خواهد بود.
ولی به‌طور کلی زمان اجرای سازه‌های فولادی در مقیاسهای بزرگ تا حدودی کوتاه‌تر از سازه‌های بتن آرمه و هزینه‌های سازه‌های بتن آرمه کمتر از سازه‌های فولادی است که هر سازنده‌ای با توجه به شرایط و معیار‌های خود تصمیم‌گیرنده اصلی است.

حال با فرض وجود شرایطی کاملاً ایده‌آل، یعنی عدم ‌وجود محدودیت زمان و هزینه‌ها، عامل سوم یعنی کیفیت سازه را بررسی می‌کنیم. کیفیت را می‌توان از جنبه‌های متفاوتی مانند مقاومت در برابر بارهای ثقلی وارده و زلزله، مقاومت در برابر حرارت، ابعاد، دهانه‌های قابل پوشش، تعداد طبقات قابل طراحی، قابلیت ترمیم آسان و ... مورد نقد و بررسی قرار داد. با توجه به گستردگی و پیچیدگی مسئله، در اینجا فقط تصمیم‌گیری برای ساختمان‌های عادی را مورد توجه قرار می‌دهیم.
اولین و مهم‌ترین نکته قابل ذکر در این مورد مقاومت مصالح و ابعاد مصالح مصرفی است. معمولاً هر چه اعضای باربر ما ابعاد بزرگتر از نگاه عام و ممان اینرسی بالاتر از دید مهندسی داشته باشد، رفتار سازه‌ای مناسب‌تر است و هر چه مصالح مصرفی که در عرف ساختمان‌سازی‌ بتن یا فولاد هستند قابلیت تحمل نیروهای بیشتر را داشته باشند منجر به طراحی اعضای ظریف‌تری خواهند شد.
اگر هر دو عامل در کنار هم قرار گیرند منجر به رسیدن به سختی و صلبیت بالاتری خواهند شد که جزء اصلی‌ترین آیتم‌های طراحی یک مهندس محاسب به شمار می‌روند.
در طراحی سازه‌ها، مقاومت بتن را 10 درصد مقاومت فولاد فرض می‌کنند بنابراین ابعاد ستون‌ها و تیرهای بتنی، به‌مراتب بیش از سازه‌های فولادی است. البته این ابعاد بزرگ اعضای بتنی، ممان اینرسی بسیار بالاتری نسبت به گزینه دیگر به ارمغان خواهند آورد که در نهایت سازه بتنی، سختی بالاتر و معمولاً رفتار سازه‌ای مناسب‌تری دارد.
« سازه‌های بتنی سنگین هستند.» در پاسخ به این ایراد باید گفت: ابعاد بزرگ سازه تا جایی مورد پذیرش یک مهندس است که منجر به سنگینی بیش از حد سازه نشود و با توجه به آنکه بحث ما در مورد سازه‌های عادی کمتر از 6 طبقه است تفاوت وزن اسکلت نیز آنچنان نخواهد بود تا مهندس طراح را به سمت طراحی سازه فولادی بکشاند. این موضوع در بسیاری از سازه‌های عظیم نیز صادق است که برج 56 طبقه تهران نمونه بارزی از این دست است.

اسکلت بتنی یا فلزی

اسکلت بتنی یا فلزی

هر روز هنگام عبور از خیابان‌های شهر شاهد ساخت و سازهای روز افزونی هستیم،  ساختمان‌های مختلف از یک طبقه تا 60 طبقه که جلوی آنها انواع مصالح دیده می‌شود؛ سازه‌هایی که گاه از بتن ساخته می‌شوند و گاه از فولاد. در مورد اینکه کدام نوع سازه بر دیگری برتری دارد، اختلاف نظر شدیدی بین سازندگان ساختمان‌ها وجود دارد. معمولاً معیارهای ساخت، جواب‌های متفاوتی برای ما به همراه دارند.
 عمده عوامل مؤثر در این روند، هزینه، زمان و کیفیت ساخت هستند. هزینه ساخت و سود حاصل از این سرمایه‌گذاری با زمان اتمام طرح رابطه تنگاتنگی دارند. بدیهی است هر چه زمان طرح طولانی‌تر ‌شود شاهد افزایش قیمت مصالح، قیمت تمام شده طرح، هزینه‌های متفرقه و بازگشت دیرتر سرمایه خواهیم بود که خوشایند هیچ سازنده‌ای نیست.

سازه‌های بتن آرمه در مقابل سازه‌های فولادی معمولاً نیاز به هزینه کمتر و زمان بیشتری برای ساخت دارد؛ در حالی‌که سازه‌های فولادی ابتدا نیاز به سرمایه زیادی برای خرید آهن آلات دارد ولی در عوض شاهد سرعت اجرای بالاتری خواهیم بود. بنابراین در ساختمان‌های عادی کمتر از 6 طبقه در نهایت از این منظر تفاوت زیادی وجود ندارد.
در اسکلت‌های فولادی حتماً باید تمام اسکلت آماده باشد تا بتوان سقف را اجراکرد. به عبارت دیگر اول باید تیر و ستون‌هایی وجود داشته باشد تا بتوان روی آن سطحی به نام سقف یا همان کف اجرا کرد. در حالی‌که در سازه‌های بتن آرمه ابتدا ستون‌های هر طبقه و سپس سقف همان طبقه که خود مشتمل بر تیر‌ها و کف یکپارچه‌تری نسبت به سازه‌های فولادی است اجرا می‌شود.

پريودهاي پيشنهادي آئين نامه

پريودهاي پيشنهادي آئين نامه 

با مقايسه پريودهاي پيشنهادي آئين نامه با پريودهاي محاسبه شده مشخص ميگردد كه در حالت كلي آئين نامه با در نظر گرفتن پريود كمتر در مقايسه با  پريود واقعي سازه در واقع محتاطانه عمل نموده است، ضمن آنكه اجازه مي دهد از پريودهاي حاصل از تحليل جهت تعيين نيروهاي حاصل از زلزله براي طراحي سازه استفاده شود. در  اين زمينه آئين نامه تصريح مي دارد كه : (( بجاي استفاده از روابط تجربي مي توان زمان تناوب اصلي نوسان ساختمان را با استفاده از  روش هاي تحليلي بر مبناي مشخصات سازه و خصوصيات تغيير شكل عناصر مقاوم آن محاسبه نموده ولي بهر حال زمان تناوب اصلي نبايد از 25/1  برابر زمان تناوب بدست آمده از رابطه تجربي مربوط (رابطه4) بيشتر اختيار شود.))نكته ديگر قابل توجه در اينجا آنست كه : همانطوريكه بيان شد پريودهاي بدست آمده فوق الذكر مربوط به سازه بدون خسارت بوده و بايد توجه داشت كه در طي يك زلزله با بوجود آمدن تركها و احياناً مفاصل خميري سازه نرمتر شده و در نتيجه پريود سازه بيشتر خواهد شد .مقايسه نتايج مربوط به تغييرمكان ها در شكل هاي (12) و (13) به ترتيب، نمودار مقادير حداكثر تغيير مكان ايجاد شده در هر طبقه از ساختمانهاي سه و شش طبقه، با توجه به روش تحليل و حالت سازه به لحاظ داشتن ميانقاب مورد مقايسه قرار گرفته است که مي توان موارد زير را نتيجه گيری نمود.  ‌1- حداكثر تغييرمكان بام هر يك از ساختمانهاي سه و شش طبقه در حالت سازه بدون ميانقاب اتفاق افتاده است.2- با وجود افزايش چشمگير برش در سازه هاي داراي ميانقاب در تمام طبقات تغيير مكان بيشينه در مقايسه با سازه بدون ميانقاب متناظر در همان زلزله، در طبقات اول تا چهارم ساختمان شش طبقه تقريباً با هم برابر بوده و در طبقات پنجم و ششم ساختمان مزبور و كليه طبقات ساختمان سه طبقه، اين حداكثر تغيير مكان كمتر مي باشد.3- حذف ميانقابها در طبقه اول سازه هاي داراي ميانقاب سبب افزايش بسيار زياد تغييرمكان اين طبقه نسبت به ساير حالتهاي متناظر شده است.4- مي توان بطور كلي اظهار داشت كه وجود ميانقابها باعث برشي تر شدن عملكرد سازه سه طبقه شده، و در ساختمان شش طبقه باعث تغيير رفتار خمشي كل سازه به رفتار برشي سازه شده استمقايسه تغييرات بوجود آمده در برش حالتهاي مختلف مورد بررسيبراي آنكه از مقادير حداكثر برش بوجود آمده در هر طبقه از سازه هاي مورد بحث، اطلاع حاصل گردد، در شكلهاي (14) و (15) به ترتيب براي هر يك از ساختمانهاي سه و شش طبقه در حالتهاي مختلف مورد بررسي مقادير برش به نمايش در آمده است. در هر يك از اين شكلها حداكثر برشهاي مثبت و منفي حاصل از تحليلهاي ديناميكي غيرخطي ناشي از شتابنگاشت  طبس ، به همراه برش هاي بدست آمده طبق آئين نامه 2800 (يا بعبارتي نتايج حاصل از تحليلهاي استاتيكي) نمايش داده شده است.

تأثير ميانقابها بر تغيير پريود سازه

تأثير ميانقابها بر  تغيير پريود سازه

براي هر ساختمان 3 و 6 طبقه، پنج حالت مجزا  به لحاظ نوع پرشدگي در نظر گرفته شده است که در جدول 5 خلاصه شده است تأثير ميانقابها بر  تغيير پريود سازه هاي نمونه بعنوان اولين ارزيابي كه مي توان با استفاده از آن تغييرات ايجاد شده ناشي از وجود ميانقابها، بر رفتار لرزه اي سازه را مد نظر قرار داد و به اهميت توجه به نقش آنها به سببجدول5  حالتهاي مختلف سازه به لحاظ وجود ميانقاب نوع سازه نوع آجر محل استقرار ميانقاب (حالت سازه) نشانه سازه هر يك از سازه هاي بتني سه و شش طبقه ـــــــ بدون ميانقاب (خالي) BF سوراخدار كليه قابهاي خارجي (كاملا پر شده) IP توپر كليه قابهاي خارجي (كاملا پر شده) IS سوراخدار تمامي قابهاي خارجي بجز طبقه اول(طبقه نرم) SP توپر تمامي قابهاي خارجي بجز طبقه اول (طبقه نرم) SS جدول6  روشهاي تحليل مورد استفاده جهت ارزيابي سازه ها تا واژگوني سازه زلزله طبس نشانه تحليل LSA NSA PUS TAB افزايش سختي سازه پي برد، تغييرات پريود نوسان سازه  در هر يك از حالات مختلف سازه، مورد بحث قرار مي گيرد. در اينجا با استفاده از نرم افزار SAP2000 وDRAIN-2DX  زمان تناوب اصلي نوسان هر سازه با توجه به سختي اوليه سازه بدون آنكه هيچگونه خسارتي در اعضاء آن بوجود آمده باشد تعيين گرديده است . همچنين پريود هر سازه با استفاده از رابطه تجربي پيشنهاد شده توسط آئين نامه2800 (طبق رابطه 4 )، محاسبه شده تا بتوان مقايسه اي را نيز بين زمان تناوب اصلي نوسان حاصل از تحليل با اين پريود محاسباتي انجام داد. در شكلهاي(10) و(11) پريودهاي مزبور  براي ساختمانهاي سه وشش طبقه نشان داده شده است.    در اينجا پيش از آنكه به بررسي و مقايسه پريودهاي بدست آمده پرداخته شود ، خاطر نشان مي نمايد كه پريود سازه در واقع نشان دهنده  ميزان سختي آن سازه بوده  و با آن رابطه معكوس دارد ، بعنوان مثال در يك سازه افزايش پريود نشان دهنده كاهش سختي آن سازه مي باشد. لذا با اين نگرش و با توجه به پريودهاي محاسبه شده مي توان نتايج زير را استنباط نمود:1- با مقايسه پريود سازه هاي داراي ميانقاب  با سازه بدون ميانقاب (نتايج تحليلي) مشخص ميگرددكه در سازه هاي داراي ميانقاب پريودكاهش يافته، بطوريكه پريود اين سازه ها در محدود 60 درصد تا80 درصد پريود سازه خالي مي باشد بنابراين سازه هاي داراي ميانقاب داراي سختي بيشتري نسبت به سازه بدون ميانقاب هستند.2- با توجه به پريود تقريباً مساوي حاصل از برنامه DRAIN-2DX  با برنامه  SAP2000، صحت مدلسازي انجام شده براي تحليل غير خطي در نرم افزار DRAIN-2DX  (افزون بر ساير كنترلهاي انجام شده) تأييد مي گردد3- علاوه بر تأثير وجود ميانقاب، جنس ميانقاب نيز در نحوه رفتار سازه مؤثر مي باشد بطوريكه طبق نتايج حاصل براي پريود ها مشخص مي شود ميانقاب هاي آجري از جنس آجر سوراخدار باعث كاهش بيشتر پريود سازه گرديده و به عبارت ديگر باعث افزايش بيشتر سختي سازه شده اند .4- حذف ميانقابها در طبقه اول باعث افزايش پريود و بعبارتي نرم تر شدن سازه در مقايسه با حالتي كه تمامي طبقات داراي ميانقاب هستند شده است.5- از آنجا كه پريود سازه ، مبناي تعيين نيروي برش پايه حاصل از زلزله ، در آئين نامه 2800 ] 11[ مي باشد و هر چه اين پريود كمتر باشد در نتيجه سازه سختتر بوده و نيروي حاصل از زلزله بيشتر مي باشد.

انواع ديوارهاي آجري

انواع ديوارهاي آجري مورد استفاده براي آنكه تأثير جنس ميانقابهاي آجري در عملكرد سازه ها مورد ارزيابي قرار گيرد، دو نوع ميانقاب آجري يكي از جنس آجر توپر و ديگري از جنس آجر سوراخدار كه بطور معمول در ايران مورد استفاده قرار مي گيرند،براساس آزمايش مقدم و محمودي [25]  مطابق جدول (4)  مبناي كار قرار گرفته اند.  جدول 4   مشخصات ميانقابهاي آجري مورد بررسي [25]        پوش رفتار هر يك از فنرهاي بكار رفته، جهت شبيه سازي ميانقابها (طبق مدل زارنيك-جوستيك [13]) به ترتيب در شكلهاي (8) و (9) براي ميانقابهاي آجري سوراخدار و توپر (به عرض  cm22) نمايش داده شده است. در اينجا هر نوع ميانقاب با يك نشانه سه حرفي مشخص مي شود، بطوريكه S و P به ترتيب نمايانگر ميانقاب با آجر توپر و آجر سوراخدار مي باشند، براي نشان دادن موقعيت طبقه از G براي طبقه همكف و از U براي طبقات بالائي استفاده شده،و اعداد 5 ، 4 نيز نشانگر طول دهانه محل قرارگيري ميانقاب، به متر مي باشند. با توجه به شكلهاي مزبور، ميانقاب از جنس آجر توپر با سختي اوليه كمتر، داراي مقاومت و شكل پذيري بيشتري، در مقايسه با ميانقاب از جنس آجر سوراخدار مي باشد حالتهاي مختلف مورد ارزيابي و بررسي نتايج آنها براي ارزيابي رفتار لرزه اي هر يك از سازه ها، با توجه به چگونگي پرشدگي دهانه ها و همچنين جنس ميانقابهاي بكار رفته، حالتهاي زير مورد بررسي قرار گرفته اند: سازه بدون ميانقاب (با نشانه BF)، و سازه در دو حالت با ميانقابهائي از جنس آجر توپر(با نشانه IS)، و آجر سوراخدار(با نشانه IP) كه در قابهاي خارجي كليه طبقات قرار گرفته اند. همچنين براي بررسي اثر غيريكنواختي توزيع ميانقابها در طبقات، سازه با ميانقابهائي از جنس آجر توپر(با نشانهSS ) و آجر سوراخدار (با نشانه  SP) كه ميانقابها در قابهاي خارجي كليه طبقات بجز در طبقه اول وجود دارند، در نظر گرفته شده اند.

مدلسازي براي تحليل سازهبراي تحليل غيرخطي سازه ها

مدلسازي براي تحليل سازهبراي تحليل غيرخطي سازه ها از نسخه ارتقاء يافته برنامه DRAIN-2DX [17] استفاده شده است[12، 23]. مدلسازيهاي انجام شده براي اين تحليل به شرح زير مي باشد:بارگذاريها: بارگذاري قائم در اين تحليلها شامل بار مرده به اضافه 20  درصد بار زنده بوده و براي زلزله نيز از شتابنگاشت اصلاح شده زلزله 25 شهريور 1357 طبس (با بيشينه شتابg  3/0) استفاده گرديده است.تيرها و ستونها: براي تحليلهاي غير ارتجاعي با توجه به رفتار غيرخطي مصالح، هر عضو قاب، بصورت يك تير ارتجاعي به همراه دو فنر پيچشي غير ارتجاعي، در دوانتهاي عضو مدلسازي مي شود، كه هريك از اين فنرها، بر اساس پوش سه خطي منحني لنگر- چرخش مقطع عضو ( نقاط ترك خوردگي ، تسليم و پس از تسليم ) تعريف شده اند. ضمن آنكه براي در نظر گرفتن رفتار هيسترزيسي از قاعده تاكدا استفاده شده است. مدلسازي مزبور، توسط فجفار [24] تحت نام المان شماره 3 به برنامه  DRAIN-2DX[19] معرفي شده است. ميانقابها: براي مدلسازي ميانقابها از روش فنر غيرخطي زارنيك- جوستيك [12، 13]  استفاده شده است، بطوريكه در آن هر ميانقاب، بوسيله دو فنر مطابق شكل(6) مدلسازي مي شود. رفتار هر يك از اين فنرها، توسط يك منحني پوش رفتار (شامل نقاط ترك خوردگي، تسليم ومقاومت نهائي)، به صورت شكل (7) تعريف شده، و رفتار هيسترزيسي آن نيز بر اساس روش پارك [18]  صورت پذيرفته است. ميرائي : براي ميرائي سازه بدون ميانقاب، ميرائي 5  درصد ميرائي بحراني  فرض مي شود[11]. براي سازه هاي داراي ميانقاب بر اساس نتايج تحقيقات بيان شده در مرجع [2] مقدار   برابر 7  درصد در نظر گرفته مي شود. سرانجام با توجه به رفتار حد وسط در ساختمانهائي كه داراي ميانقاب در همه طبقات نيستند ، مقدار ميرائي برابر 6  درصد ميرائي بحراني در اين گونه از سازه ها فرض شده است

تفاوت محسوس در رفتار سازه هاي داراي ميانقاب

تفاوت محسوس در رفتار سازه هاي داراي ميانقاب

نتايج حاصل از ارزيابيهاي انجام شده بر روي سازه هاي مورد بحث نشان دهنده تفاوت محسوس در رفتار سازه هاي داراي ميانقاب نسبت به سازه هاي بدون ميانقاب مي باشد، بطوريكه مقادير جابجائي و برش در اين سازه ها تغيير زيادي نموده است. در اينجا براي آگاهي از تغييرات مزبور در  جدول (7)  مقاديربيشينه برش پايه و تغييرمكان بام در حالتهاي مختلف در رخداد زلزله طبس بيان شده استبررسي ميزان سهم بري ميانقابها، قابها و قابهاي ميان پر از برش هر طبقهبه منظور مقايسه ميزان افزايش برش در هر طبقه و در هر گروه از اعضاي سازه‌هاي مورد بحث، نسبت به مقادير متناظر در سازه بدون ميانقاب در شكل‌ (16) اطلاعات خوبي ارائه شده است. علائم اختصاري V%BF ، Vcol.%BF و Vinf.Fr.%BF  به ترتيب نشان دهنده ميزان افزايش برش طبقه، برش  خالص كل ستونها و برش  در مجموع  قابهاي  جدول7   مقادير حداكثر برش پايه و تغيير مكان بام حاصل از نتايج تحليل ديناميكي غيرخطيساختمان  ميان‌پر هر طبقه نسبت به برش اجزاي متناظر در سازه‌ خالي مي باشند. بديهي است اين مقايسه بسيار ارزشمند بوده و در واقع تأثير ميانقابها را به لحاظ كمك به لرزه‌بري در سازه و يا عكس آن را، كاملاً مشخص مي‌سازد.    با توجه به مقايسه هاي انجام شده در شكل (16) مشخص مي شود كه، سهم خالص ستونها از برش هر طبقه در طبقات داراي ميانقاب نسبت به برش متناظر در سازه خالي كاهش يافته، اما در طبقه نخست سازه بدون ميانقاب در طبقه اول، برش اعمالي به ستونها افزايش قابل ملاحظه اي پيدا نموده است (بطوريكه در ساختمان 6 طبقه اين افزايش حدود 50 درصد  بدست آمده است). نكته مهم آنكه در قابهاي پيرامون ميانقابها بخاطر اندركنش قاب و ميانقاب و انتقال نيرو از يك طبقه به طبقه ديگر، در نواحي اتصالات تير وستون برش‌ زيادي وارد قاب مي شود كه ممكن است باعث بوجود آمدن خسار‌تهائي در اين نواحي و بطور كلي بر روي سازه گردد (به عنوان مثال در ساختمان 3 طبقه در حالت SP برش در اتصالات قابهاي ميان پر 300 درصد  افزايش يافته استنتيجه گيري بطور كلي با توجه به پژوهش انجام شده مي توان نتايج زير را در رابطه با تاثير  ميانقابها بر رفتار سازه هاي بتن مسلح  نتيجه گيري نمود:1- گر چه وجود ميانقاب در سازه باعث افزايش سختي و در نتيجه افزايش  نيروهاي وارد بر سازه در هنگام زلزله مي شود، اما ميانقابها خود در تحمل اين برش نقش داشته و در واقع باعث افزايش مقاومت كل سازه نيز مي شوند. بنابراين چنانچه افزايش برش به وجود آمده (به سبب وجود ميانقابها) توسط افزايش مقاومت سازه بخاطر وجود ميانقابها تامين شده باشد در اين حالت ميانقابها به اصطلاح،  اثرات مفيدي بر رفتار سازه خواهند داشت چرا كه سهم لرزه بري تير وستونها كاهش يافته است. در غير اين صورت  با توجه به افزايش سهم لرزه بري اعضاي  بتني سازه ،در صورتيكه اين موضوع در زمان طراحي سازه مد نظر قرار نگرفته شده باشد اثرات تخريبي ميانقابها بر سازه پديدار خواهد شد.2- تمركز برش در محل اتصالات قابهاي ميان پر، به علت انتقال برش از ميانقاب به قاب باعث ايجاد برشهاي بسيار بزرگي در محل اين اتصالات مي گردد، بنابراين  نواحي مزبور در ستونهاي قابهاي ميان پر حالت بحراني داشته و بايد مورد توجه قرار گيرند.3- در سازه هاي داراي ميانقاب حذف ميانقابها در يك طبقه باعث كاهش سختي نسبي آن طبقه نسبت به ساير طبقات مي شود، بنابراين ممكن است در سازه مكانيزم طبقه نرم به وجود آيد.4- در رابطه با تاثير جنس ميانقاب بايد گفت هر چه ميانقاب داراي مقاومت بيشتر، اما سختي كمتري باشد، رفتار سازه دارای ميانقاب، رفتار مطلوبتري خواهد بود  چرا كه در اين حالت ،ميانقابها  سبب شده اند با كمترين افزايش كل نيروي زلزله وارد بر سازه، بيشترين سهم بري لرزه اي را داشته باشند5- كاهش 20 درصد پريود در سازه هاي داراي ميانقاب (طبق ضابطه آئين نامه 2800)، به تنهايي نمي تواند اثرات واقعي ميانقابها را بر روي رفتار لرزه اي سازه ها بيان نمايد، چرا كه حداكثر افزايش نيروهاي اعمالي به سازه در اين حالت نسبت به سازه بدون ميانقاب با توجه به ضابطه مزبور، 16 درصد بوده كه آن هم به طور يكسان بين تمامي قابهاي پر و خالي تقسيم مي گردد. بنابراين در قابهاي خالي، كه در سازه هاي داراي ميانقاب  سهم كمتري از برش را متحمل مي شوند، طراحي به صورت دست بالا صورت پذيرفته و بر عكس آن  در قابهاي ميان پر در نواحي اطراف اتصالات، برش واقعي كمتري در نظر گرفته و طراحي لازم انجام نپذيرفته است

انتخاب ساختمانهاي مورد بررسي

انتخاب ساختمانهاي مورد بررسي

در سازه هايي كه سيستم مقاوم لرزه اي آنها، تنها سيستم قاب خمشي مي باشد، تاثير ميانقابها بر عملکرد لرزه ای سازه، بسيار چشمگير مي باشد چرا که هنگام رخداد زلزله، ميانقابها مانع حركت آزادانه جانبي سازه شده و باعث کاهش انعطاف پذيري سازه (نسبت به حالت سازه بدون ميانقاب) خواهند شد. اين در حاليست كه در اكثر سازه هاي بتني موجود به لحاظ ارتفاع و جنس زمين (تا ارتفاع 5/21 متر و جنس زمين  ) ضابطه كاهش پريود آئين نامه زلزله ايران تغييري را در مقدار برش پايه اعمالي به سازه ايجاد نمي نمايد، و به 
  
 بارگذاري مجدد با توجه به اثر تنگش: نقاط هدف P،W ابتدا مانند مرحله قبل بر اساس   ، انرژي اتلاف شده و نقطه حداكثر انجام شده بدست آمده سپس با توجه به  نقاطO،V  مشخص شده اند. 
EF    حالت خاص بارگذاري مجدد در حالتيكه ترك خوردگي رخ نداده است.
LM    حالت خاص بارگذاري مجدد : پيش از آنكه باربرداري تمام شده و بارگذاري جديد رخ دهد دوباره بارگذاري در جهت قبلي انجام شود، در اين حالت سختي يكسان باقي مي ماند. 
 

 
عبارتي اثر ميانقابها بر رفتار اين ساختمانها هيچ انگاشته مي شود. بر اين اساس براي بررسي ميزان تاثير ميانقابها بر عملكرد اين گونه سازه ها (ساختمانهاي كوتاه مرتبه متداول كه تنها با سيستم قاب خمشي در مقابل نيروهاي جانبي مقاومت مي نمايند) دو نمونه ساختمان 3 و 6 طبقه جهت بررسي در اين مقاله انتخاب شده اند. ساختمانهاي مزبورمسكوني بوده وداراي پلان يكسان به ابعاد 14 * 12 متربصورت شكل (5)  مي باشند، ارتفاع طبقه همكف 8/3 متر و ارتفاع ساير طبقات 2/3 متر در نظر گرفته شده است.
    بارگذاري قائم سازه ها با توجه به آئين نامه بارگذاري ايران ( نشريه 519 ) [20] ، و بارگذاري جانبي طبق آئين نامه 2800 [11] انجام پذيرفته است. براي محاسبه نيروي زلزله فرض شده كه نوع زمين منطقه از نوع  بوده و شتاب مبناي طرح نيز براي پهنه زلزله خيزي با خطر نسبي زياد ( مشهد )
 3/0 انتخاب شده است. مقدار ضريب رفتار سازه با توجه به سيستم قاب خمشي بتني متوسط برابر8 در نظر گرفته شده است. مقاومت فشاري بتن مصرفي MPa30 و تنش جاري شدن فولاد MPa300 انتخاب شده است.در جداول (3) نتايج حاصل از طراحي براي هر يك از سازه هاي 3 و 6 طبقه مورد بحث، بر اساس ضوابط آئين نامه هاي آبا [21] و 2800 [11] نشان داده شده است. ( جزئيات بيشتر در مرجع

تعيين پوش رفتار مدل

تعيين پوش رفتار مدل

 نقاط پوش عملكرد عضو معادل ميانقاب شامل نقاط ترك خوردگي، تسليم و مقاومت نهائي  مطابق آنچه در شكل(3) مشاهده مي شود و به صورت روابط (14) تا (15)  بر اساس سختي   و مقاومت ميانقاب  بصورت زير قابل محاسبه مي باشد:

در اينجا زيرنويس  نشان دهنده حالت ترك خوردگي ، زيرنويس   مربوط به حالت تسليم و زيرنويس u   براي حالت نهائي مورد استفاده قرار گرفته است. ميزان شكل پذيري ميانقاب با   نشان داده شده كه در محدوده 5/2  تا 5 در نظر گرفته مي شود.   نسبت سختي پس از تسليم به سختي پيش از تسليم و   سختي پس از حالت نهائي مي باشد.
لازم به ذكر است از آنجا كه رفتار قاب‌هاي ميان‌پر تحت بارگذاري ديناميكي با رفتار آنها تحت يك دور بارگذاري استاتيكي به علت بوجود آمدن تركها در ميانقاب و در نتيجه كاهش سختي و مقاومت متفاوت مي‌باشد لذا  زارنيك و جوستيك براي آنكه بتوان از مدل مزبور در تحليلهاي غير خطي بهره جست رفتار هيسترزيسي ميانقاب را نيز مورد مدلسازي قرار داده و بدين ترتيب ميانقاب را با دو فنر طولي غير خطي بر روي هر قطر شبيه سازي نمودند.
    مدل هيسترزيسي مورد استـفاده در واقع روش اصلاح شده ايست كه بر اساس مدل هيسترزيسي پارك وهمكارانش [18] به وجود آمده است بنحويكه براي بيان رفتار هيسترزيسي با توجه به رفتار فنر، از سه پارامتر براي تعيين شكل حلقه هاي هيسترزيسي استفاده شده است . سه پارامتر مزبور  نام داشته و به ترتيب تعيين كننده، كاهش سختي در شاخه بار برداري پس از مرحله ارتجاعي، زوال مقاومت و ايجاد تنگش در حلقه هيسترزيسي بعلت لغزش و باز و بسته شدن تركها مي باشند.
    براي آشنائي با چگونگي رفتار هيسترزيسي مورد استفاده توسط زارنيك و جوستيك  ، رفتار مزبور به همراه توضيح به شرح جدول 2 در شكل 4  نمايش داده شده است.
    مدل فنر غير خطي توسط زارنيك – جوستيك [13] بامعرفي يك المان جديد (به نام المان شماره 17 ) در برنامه تحليل غيرخطي  [19] DRAIN –2DX  اضافه شده است، تا بتوان با استفاده از آن ميانقابها را براي انجام تحليل سازه مدلسازي نمود. خاطر نشان مي كند مدل مزبور با توجه به فرضيات و شبيه سازيهاي منطبق بر واقعيت آن، يكي از روشهاي كارآمد و با دقت بالا براي مدلسازي ميانقابها ميباشد بطوريكه نتايج بدست آمده از تحليل توسط مدل مزبور با نتايج آزمايشهاي انجام شده مطابقت بسيار خوبي را نشان مي دهد [16، 17]. ضمن آنكه در اين مدل، پيچيدگي خاص برخي از مدلسازيها ، وجود نداشته و به آساني قابل فهم و اجرا مي باشد

تعيين سختي

تعيين سختي

 سختي موثر اوليه ميانقاب به صورت سختي ديوار برشي تعريف مي شود. ضمن آنكه تاثير قاب محيطي در حالتي كه اتصالات برشي بين قاب و ميانقاب وجود داشته باشد مي تواند در محاسبات منظور گردد.  بر اين اساس سختي جانبي مؤثر ميانقاب بصورت روابط (10) تا (12)  پيشنهاد شده اند.
در اينجا فرض شده است ديوار برشي با تركيب ستونهاي قاب و ديوار پر كننده بوجود آمده است.   مدول برشي ميانقاب با اندكي ترك خوردگي مي باشد، بطوريكه تركهاي ريزي در مقطع پديدار شده باشد. بر اساس نتايج آزمايشها و به صورت تجربي مقدار مزبور 10  درصد تا 30  درصد مدول الاستيسيته ميانقاب مي باشد .
  مدول الاستيسيته ميانقاب است و چنانچه براي تعيين آن از آزمايش نمونه استاندارد استفاده شود بايد در نظر داشت كه مقدار بدست آمده از چنين آزمايشي از مقدار واقعي مدول الاستيسيته كل ميانقاب بيشتر مي باشد و لذا تصحيح لازم در اين زمينه بايد صورت پذيرد. و به ترتيب سطح مقطع موثر ، و ممان اينرسي موثر با توجه به اندر کنش قاب و ميانقاب است كه با توجه به ضريب  كه بيان كننده شرايط پيوستگي بين قاب و ميانقاب است محاسبه ميشوند. مقدار  مي تواند با توجه به نحوه اتصال ميانقاب به قاب از صفر تا يك تغيير نمايد ، البته در اغلب موارد عملي اتصال خاصي بين قاب و ميانقاب وجود ندا رد لذا   برابر صفر در نظر گرفته مي شود. سختي جانبي ميانقاب بر اساس دو سختي خمشي وبرشي مطابق رابطه (10) محاسبه   مي گردد .   ضريب سختي خمشي است  كه در محدوده 3 تا 12 به ترتيب براي حالتهاي عملكرد طره اي و ديوار دو سر گيردار تعيين مي شود. ساير پارامترهاي موجود در روابط عبارتند از:   ارتفاع ميانقاب ،  طول ميانقاب ،   بعد مقطع ستون در راستاي ميانقاب ،   مدول الاستيسيته قاب ،   مدول برشي قاب ،   سطح مقطع افقي ميانقاب ،  سطح مقطع ستون و   و    نيز  به ترتيب ممان اينرسي ميانقاب و ستون در جهت افقي است . از آنجا كه   سختي اوليه جانبي ميانقاب مي باشد بر اين اساس سختي اوليه فنر طولي بر روي قطر برابر خواهد

تعيين مقاومت

تعيين مقاومت

 بر اساس آزمايشهاي انجام شده توسط زارنيك و همكارانش مشخص شد شكست در ميانقابهاي آجري غالبا به صورت شكست برشي قطري است كه با تركيب شدن برشها  در امتداد ملات مابين آجرها در وسط ارتفاع ميانقاب پديدار شده و گسترش مي يابد. بخاطر انعطاف پذيري بيشتر قاب نسبت به ميانقاب ، نيروهاي اندركشي بين قاب و ميانقاب، تنها در گوشه سمت بارگذاري ودر جهت مخالف بارگذاري در گوشه پائيني اتفاق مي افتد . اين اندر كنش با توجه به نتايجي كه از تصاوير فتوگرامتري بدست آمده به صورت شكل (2) مي باشد . با اين نگرش زارنيك و همكارانش رابطه (8) را براي مقاومت برشي ميانقابهاي آجري پيشنهاد نمودند .

در اينجا مهمترين عامل براي تعيين مقاومت ميانقاب ،   مقاومت كششي مبنا، براي ميانقاب مي باشد كه   مي توان مقدار آن را با آزمايش كشش قطري بدست آورد . همچنين باتوجه به تجربيات بدست آمده از آزمايشهاي مختلف بر روي ميانقاب مقدار  معمولا در حدود 4 درصد تا 8 درصد مقاومت فشاري ميانقاب( ) مي باشد . از آنجا كه كيفيت آجر كاري تاثير قابل توجهي بر خواص مكانيكي ميانقاب دارد ،   به عنوان ضريب كاهش مقاومت دررابطه (8) درنظر گرفته شده و مقدار آن معمولا برابر 9/0  فرض ميشود . اثر مربوط به اندر كنش ميانقاب با قاب توسط ضريب  كه بستگي به نسبت سختي قاب به ميانقاب دارد در محاسبات وارد ميشود . مقدار  نيز با توجه به محل اعمال نيروهاي اندركنشي  مطابق شكل (2) با استفاده از رابطه (9) قابل محاسبه است. جوستيك مقدار   را به صورت تجربي براي اغلب موارد عملي برابر 875/0 پيشنهاد مي نمايد [16، 17].  b ، نسبت تنش برشي ماكزيمم به تنش برشي متوسط در سطح مقطع افقي ميانقاب در اثر اعمال بار جانبي روي ميانقاب است كه مقدار آن براي ميانقابهاي بدون باز شو  برابر 1/1 فرض ميشود. اثر بارهاي قائم خارجي وارد بر ميانقاب را مي توان به صورت تنش فشاري متوسط اعمالي برروي سطح مقطع افقي ميانقاب ( ) در محاسبات در نظر گرفت. البته با توجه به درز بوجود آمده بين تير و ميانقاب در عمل ، بار قائم خارجي به ميانقاب منتقل نمي شود و چنانچه از وزن ميانقاب نيز صرفنظر شود   برابر صفر خواهد بود

ضوابط آئين‌نامه‌ طراحي ساختمان در برابر زلزله در مورد تأثيرميانقابها

ضوابط آئين‌نامه‌ طراحي ساختمان در برابر زلزله در مورد تأثيرميانقابها

‌با توجه به اهميت وجود ميانقابها در طراحي لرزه اي سازه ها در سالهاي اخير كوششهائي جهت ارائه ضوابط ويژه مربوط به ميانقابها در آئين نامه هاي زلزله انجام پذيرفته است. در اين راستا با توجه به پيچيدگي، گستردگي و گاه رفتار غير قابل پيش بيني، آئين نامه ها يا با كلي گوئي، تنها اهميت ميانقابها را بر رفتار لرزه اي سازه متذكر شده اند و يا بر اساس پژوهشهاي پيچيده و با صرف هزينه بسيار به بيان برخي ضوابط ويژه در رابطه با چگونگي در نظر گرفتن اثر ميانقابها بر رفتار سازه پرداخته اند. بعنوان مثال آئين نامه زلزله ايران از نوع اول و آئين نامه زلزله اروپا و دستورالعملهاي فِما از نوع دوم اين گونه آئين نامه ها هستند. لازم به ذكر است كه با توجه به جنس ميانقاب و نحوه ساخت آن و همچنين ديگر ضوابط آئين نامه اي، نمي توان ضوابط بيان شده در آئين نامه هاي ساير كشورها را بطور مستقيم مورد استفاده قرار داد مگر آنكه با تحقيق و پژوهش، مورد بررسي قرار گيرند. در اينجا لازم است، با توجه به اهميت موضوع ميانقابها، ابتدا با ديدگاه آئين نامه طراحي ساختمان ها در برابرزلزله (استاندارد 2800) [11] در رابطه با تأثير ميانقابها بر رفتار لرزه اي سازه، آشنائي صورت پذيرد.
     بطور خلاصه پيشنهادات آئين نامه در اين زمينه  به دو صورت كلي زير بيان گرديده است:
الف: در سازه هاي داراي ميانقاب يا بايد با جدا سازي، مانع مزاحمت ميانقاب براي حركت جانبي قاب شد، و يا در غير اينصورت اثرات اندر كنشي قاب و ميانقاب در تحليل سازه، مد نظر قرار گرفته شود.
ب : آئين نامه در يك راهكار ساده وكلي، پيشنهاد نموده، تا زمان تناوب اصلي سازه در ساختمانهاي داراي ميانقاب به ميزان 20 درصد كاهش يابد، تا بطور ضمني سختي قابهاي ميان پرشده و در نتيجه افزايش نيروي زلزله وارد بر سازه مد نظر قرار گيرد.
    اكنون اين پيشنهادها، مورد نقد و بررسي قرار مي گيرند، تا شناخت لازم در مورد آنها صورت پذيرد. در رابطه با جداسازي ميانقاب از قاب، بايد گفت، در حاليكه اكثر ساختمانهاي موجود داراي ميانقاب هستند، اما تقريباً هيچ شناختي از چگونگي جداسازي ميانقاب از قاب به ويژه در بين عموم وجود ندارد. ضمن آنكه، جداسازي ميانقاب از قاب بعلت عدم مقرون به صرفه بودن و همچنين عدم به وجود آمدن جداسازي واقعي، توصيه نمي شود. از سوي ديگر، تحليل سازه با در نظر گرفتن اثر ميانقابها نيز، به علت عدم آگاهي از چگونگي در نظر گرفتن ميانقابها در تحليل، در عمل مورد استفاده قرار نمي گيرد.
    همچنين در مورد تنها توصيه عملي آئين نامه، يعني كاهش 20 درصدي پريود سازه لازم است تا با تشريح ضابطه مزبور، ميزان كارائي آن نيز مشخص گردد كه در ادامه به آن پرداخته مي شود. 
    آئين‌نامه 2800 نيروي برش پايه را به صورت تابعي از وزن موثر ساختمان W كه شامل بار مرده و درصدي از بار زنده مي‌باشد، به صورت رابطه (1) بيان مي‌نمايد.

(1)                                                         
    كه در آن ضريبC ، ضريب زلزله، مطابق رابطه (2) محاسبه مي‌گردد.
(2)                                                         
    در اينجا، B ضريب بازتاب ساختمان ، A شتاب منباي طرح، I ضريب اهميت ساختمان و R ضريب رفتار ساختمان مي‌باشد. آئين‌نامه 2800 در صورت وجود ميانقاب در ساختمان فقط زمان تناوب اصلي ساختمان را به اندازه 20 درصد كاهش مي‌دهد كه اين امر موجب تغيير در ضريب بازتاب ساختمانB  كه مطابق رابطه (3) تعيين مي‌گردد خواهد شد.
(3)                                        
    که در آن T0 عددی است که بر حسب نوع زمين بين 4/0 تا 1 مشخص می شود و  Tنيز زمان تناوب اصلي ساختمان می باشد که برای ساختمانهای بتني برحسب ارتفاع ساختمان H مطابق رابطه (4) محاسبه مي شود.
(4)                                                 
    از آنجائيکه طبق آئين نامه 2800 در صورت وجود ميانقاب برای محاسبه ضريب بازتاب ساختمانB  بايد 80 درصد زمان تناوب اصلي ساختمان را در رابطه (3) قرار داد مي توان اين ضريب را که با   نمايش داده مي شود مطابق رابطه (5) برحسب B  محاسبه نمود.
 (5)       
    با دقت در رابطه (5) مشاهده می شود در اثر وجود ميانقاب، آئين نامه 2800   افزايش حداکثر 16 درصدی  در نيروی برش پايه را مجاز مي شمارد. البته  اين افزايش  بدون توجه به نوع قابها (بتني و يا فولادي) و جنس و ضخامت ميانقاب و تعداد و آرايش  قابهاي پر شده با ديوارهاي آجري مي باشد.
    با توجه به محدوديتي که  مطابق رابطه (3) برای B ، ضريب بازتاب ساختمان، وجود دارد و حداكثر مي‌تواند  5/2 باشد، مي‌توان برحسب نوع زمين، T0، حداقل ارتفاعي را يافت که در ساختمانهائي با ارتفاع کمتر از آن در نيروی برش پايه افزايشي مشاهده نخواهد شد. اين ارتفاع که با Hmin نمايش داده ميشود با برابر قراردادن T و T0 و مطابق رابطه (6) محاسبه ميگردد.
  (6)             
     از طرف ديگر ميتوان ارتفاعي را يافت که در اثر وجود ميانقاب در ساختمانهائی با ارتفاع بيش از آن  تغيير در نيروی برش پايه به همان مقدار حداكثر 16 درصد محدود ميشود و آن را Hmax ناميد. به عبارت ساده تر برای ساختمانهائي با ارتفاع بيشتر از  Hmax  هيچگونه افزايشی مازاد بر 16 درصد مشاهده نخواهد شد. رابطه (7) نحوه محاسبه  Hmax را نشان ميدهد.
                                             
(7)   
    در جدول (1) مقادير  Hmin  و  Hmax  برحسب نوع زمين زير پي ساختمان، محاسبه و نمايش داده شده اند.
    برای دستيابی به درک بهتری از توصيه های آئين نامه 2800 در رابطه با اثرات وجود ميانقاب، چگونگي افزايش نيروی برش پايه در ساختمان های دارای ميانقاب نسبت به نيروی برش پايه درساختمان های بدون ميانقاب برحسب ارتفاع ساختمان  برای انواع زمين ها در شکل 1 ترسيم شده است. با دقت در اين شکل مي‌توان ادعا نمود كه ضابطه آئين‌نامه 2800 براي بسياري از ساختمانهاي با ميانقاب آجري بي‌تاثير است. به عنوان مثال براي زمين نوع II، در ساختمانهايي تا ارتفاع 8/13 متر (حدوداً 4 طبقه) وجود ميانقاب اثري در افزايش نيروي پايه نخواهد داشت.

براي ساختمانهايي با ارتفاع بيشتر از 5/18 متر (حدوداً 6 طبقه) نيز ميزان افزايش نيروي برش پايه در اثر وجود ميانقاب ثابت و برابر 16 درصد نيروی برش پايه ساختمان بتني بدون ميانقاب مي باشد. براي زمين نوع III نيز كه اكثر زمين‌هاي مناطق شهري از اين نوع فرض مي‌شوند اين ارتفاع‌ها به ترتيب 5/21 و 29 متر مي‌باشند که عدم پوشش تنها ضابطه آئين نامه در مورد سازه هاي داراي ميانقاب مزبور خود جاي تعجب داشته و نشان واضحي از ناکارآمدی اين توصيه دارد.

افزون بر اين در مورد تنها توصيه عملي آئين نامه، يعني كاهش20درصدي پريود سازه بايد گفت، اين توصيه نيزگرچه به نظر اهميت تأثير ميانقابها را بر رفتار لرزه اي سازه مشخص مي نمايد، اما با توجه به جنبه هاي مختلف اثرگذاري ميانقابها بر رفتار يك سازه، به نظر مي رسد كه اين توصيه نيز گاه غير ضروري، وگاه ناكافي مي باشد، كه در ادامه مورد بحث قرار گرفته است

نحوه شبيه سازي

آشنائي با نحوه شبيه سازي ميانقاب بصورت فنر طولي
(روش زارنيك- جوستيك)

پيش از آنكه به بررسي رفتار سازه هاي داراي ميانقاب پرداخته شود لازم است با چگونگي مدلسازي ميانقابها جهت تحليل سازه ها آشنائي صورت پذيرد. لذا در اين بخش با كليات مربوط به چگونگي مدلسازي ميانقاب توسط يكي از روشهاي شبيه سازي ميانقابها (روش زارنيك- جوستيك [12-15]) كه با ارزيابيهاي صورت پذيرفته قابليت و توانائي خود را جهت در نظر گرفتن تاثير ميانقابها در تحليل سازه ها به خوبي نشان داده است، آشنائي صورت مي پذيرد.  لازم به ذكر است مدل ارائه شده توسط زارنيك و همكارانش [12] يكي از روشهاي مدلسازي كلان يا ساده شده بصورت عضو فشاري قطري است كه در آن عضو معادل به صورت يك فنر طولي تعريف گرديده است. مدل مزبور را مي توان در زمره مدلهاي نيمه تجربي جاي داد، زيرا براي مدلسازي هم از اصول و مباني تحليلي و هم از نتايج بدست آمده از آزمايشهاي بسياري كه توسط زارنيك و همكارانش در طي يك دوره به نسبت طولاني (1984 تا2001) انجام شده ، استفاده گرديده است [13- 15]. بعبارت ديگر مدلسازي بصورت نيمه تجربي به مرور شكل گرفته و تكميل يافته است.

ارزيابي رفتار لرزه اي سازه هاي داراي ميانقاب

ارزيابي رفتار لرزه اي سازه هاي داراي ميانقاب

در اين پژوهشها بر اساس نتايج بدست آمده از تحقيقات تجربي و تحليلي، راهكارهاي ساده و آساني براي تحليل و طراحي سازه هاي داراي ميانقاب مورد استفاده قرار گرفته است و بر اساس آنها روشهاي كاربردی جهت استفاده عمومي و همچنين توصيه ها و پيشنهاداتي براي تعيين ضوابط جديد در آئين نامه هاي زلزله ارائه شده است، كه مي توان نمونه اي از اين كارها را در آئين نامه زلزله اروپا [8] و دستور العملهاي فِما 306، 307، 356 و 357  [6، 7، 9، 10]  ملاحظه نمود. علاوه بر اين شماري از پژوهشگران [2، 5] با توجه به اثرات مفيد ميانقابها بعنوان عضو لرزه بر، به بررسي مهار بندي سازه با اين اعضا پرداخته و يا از آنها براي تقويت و ترميم سازه استفاده نموده اند.
    بديهي است كه دسته بندي پژوهشها بطوريكه بيان گرديد تنها جهت آشنائي كلي با نحوه كارهاي انجام شده در مورد ميانقابها مي باشد و چه بسا در يك پژوهش هر سه دسته مزبور بطور همزمان مورد بررسي و تحقيق قرار گرفته اند

آشنائي با برخي پژوهشهاي صورت پذيرفته

آشنائي با برخي پژوهشهاي صورت پذيرفته

تحقيقات آزمايشگاهي و تحليلي بر روي رفتار قابهاي ميان پر از دهه 1950 تا به امروز براي شناخت جنبه هاي مختلف تاثير وجود ميانقاب بر رفتار قاب تحت اثر بارهاي جانبي صورت پذيرفته است. با توجه به پيچيدگي و حساسيت موضوع ميانقابها پژوهشگران بسياري برروي اين موضوع تحقيق نموده اندكه مي توان خلاصه اي از اين تحقيقات را در  گزارشهاي مقدم- داولينگ [2]، آبرامز [3]، فرديس [4]، كريسافولي [5] ودستورالعملهاي فِما 306 و 307  [6، 7]  ملاحظه نمود. به طوركلي و خلاصه مي توان كارهاي انجام شده را در سه گروه تحقيقات آزمايشگاهي- تجربي، كارهاي تحليلي- عددي جهت مدل سازي ميانقابها و سرانجام ارزيابي سازه هاي داراي ميانقاب بصورت زير بيان نمود:

تحقيقات آزمايشگاهي تجربي
 براي شناختن رفتار قابهاي ميان پر، تعيين نحوه توزيع تنش  و كرنش در ميانقاب، شناخت حالتهاي شكست در قابهاي ميان پر، نحوه اندر كنش قاب و ميانقاب، تاثير ميانقابها بر سختي و مقاومت  و بررسي عوامل موثر بر آنها همچون جنس قاب و ميانقاب، نسبت سختي ميانقاب به قاب، تاثير وجود بازشوها، درزها و دهانهاي نيمه پر و… تحقيقات فراواني بر روي نمونه هاي واقعي و يا به مقياس در آمده، انجام پذيرفته  است. علاوه بر اين در سالهاي اخير براي درك رفتار واقعي سازه داراي ميانقاب، ساختماهاي واقعي چند طبقه نيز با صرف هزينه بسيار، مورد آزمايش قرار گرفته اند كه نتايج حاصل از آنها، جهت ارزيابي روشهاي مدلسازي ميانقابها  بسيار سودمند بوده است.

كارهاي تحليلي عددي
 هدف در اين گونه از پژوهشها شبيه سازي ميانقابها و ارائه مدلهائي است كه بتوان در تحليل سازه، اثر ميانقابها را منظور نمود. بطور كلي روشهاي پيشنهاد شده براي تحليل قابهاي ميان پر را مي توان به لحاظ فن شبيه سازي در دو گروه كلي مدلهاي ريز  يا محلي و مدلهاي كلان يا ساده شده دسته بندي نمود. مدلهاي ريز يا محلي براي مطالعه رفتار واقعي و موضعي قابهاي ميان پر با تقسيم سازه به تعداد زيادي جزء كوچك انجام مي شوند. دقت مناسب همراه با محاسبات طولاني و غير قابل استفاده جهت كاربرد در ساختمانهاي بزرگ از ويژگيهاي اين گروه از مدلها مي باشد. از جمله اين مدلها مي توان به روش اجزاء محدود اشاره نمود. دسته ديگر مدلهاي بزرگ يا ساده شده هستند كه مي توان به آساني از آنها در تحليل استفاده نموده و رفتار قابهاي ميان پر را بوسيله آنها شبيه سازي نمود. در اين روش ها تعداد جزء های  كمي، جهت در نظر گرفتن اثر ميانقابها مورد استفاده قرار گرفته و به آساني مي توان از آنها در تحليل هاي دستي و يا كامپيوتري سود جست. اين مدلها عموما بر حسب پارامتر هاي مختلفي كه نشانگر خواص و هندسه قاب و ميانقاب هستند، تعريف و تعيين مي گردند. از جمله اين مدلها مي توان به مدل ساده شده خرپائي اشاره نمود. علاوه بر اين براي بيان رفتار واقعي ميانقاب در طي بارگذاري لرزه اي، الگوهاي هيسترزيسي مختلفي نيز براي اين مدلها ارائه شده است تا بتوان با استفاده از اين مدلها به آساني رفتار لرزه اي واقعي سازه را پيش بيني نمود

مصالح پركننده در قابهاي ساختماني

مصالح پركننده در قابهاي ساختماني

 به قابهاي ساختماني كه درون آنها با ديوارهاي بنائي پر شده باشد قاب ميان‌ پر گفته مي‌شود، مصالح پركننده ممكن است از نوع آجري و يا بتني باشند كه به آنها ميانقاب نيز گفته مي‌شود. مشاهدات انجام شده در طي زلزله هاي گذشته، و همچنين تحقيقات صورت پذيرفته در سالهاي اخير نشان دهنده آن است كه قابهاي ميان پر باعث افزايش چشمگير سختي و مقاومت و همچنين تغيير در شكل‌پذيري سازه نسبت به سازه بدون ميانقاب شده و در نتيجه موجب تغيير در پاسخ لرزه اي اينگونه سازه ها مي شوند. وجود ميانقابها به‌نحويكه در زلزله‌ها مشاهده شده، ممكن است اثرات مطلوب و يا نامطلوبي بر روي رفتار لرزه‌اي سازه‌ها داشته باشد. با وجود اين، هنوز در كشور ما، عملاً توجه چنداني به تأثير ميانقابها بر روي رفتار  لرزه اي سازه ها نمي شود و معمولا سازه ها بدون در نظر گرفتن اثرات ميانقابها بر رفتار لرزه اي آنها، طراحي مي شوند. دليل اين امر را مي توان نبود ضوابط آئين نامه اي لازم، وهمچنين عدم شناخت اكثر مهندسين از نحوه  اثر گذاري مزبور دانست. بر اين اساس در اين مقاله سعي شده است با استفاده از روشهاي تحليلي، تأثير ميانقابهاي آجري متداول در ايران بر رفتار لرزه اي سازه هاي بتن مسلح مورد بررسي قرار گرفته و در ضمن  معدود ضوابط  موجود در آئين نامه طراحي ساختمان در برابر زلزله ايران، در اين زمينه مورد نقد قرار گرفته و نظرات كلي در اين خصوص ارائه گردد.
    لازم به ذكر است كه ميانقابهاي مزبور بدون هيچ اتصال خاصي درون قابها قرار گرفته اند اما بايد در اجراي ديوارها دقت كافي جهت اتصال مناسب آجرها به هم وهمچنين اتصال خوب ديوار به قاب صورت پذيرد و از پديد آمدن هر گونه شكاف يا درز بين ديوار و قاب جلوگيري شود. در ضمن محور اعضاي قاب بايد براي ايجاد اندركنش موثر قاب و ديوار، در محدوده يك سوم وسط ضخامت پر كننده واقع شده باشد

تاملي بر تاثير ميانقابهای آجری در عملکرد لرزه ای سازه های بتني

تاملي بر تاثير ميانقابهای آجری در عملکرد لرزه ای سازه های بتني

 احمد شوشتري1*  ابوالفضل سميعي 2

1- استاديار گروه عمران، دانشكده مهندسي، دانشگاه فردوسي مشهد
2- كارشناس ارشد سازه


چکيده - ساختمانها در  ايران معمولا بدون در نظر گرفتن اثرات ميانقابهای آجری در رفتار لرزه ای سازه ها، طرح مي شوند. مشاهدات تجربي در زلزله های گذشته نشان دهنده اين واقعيت است که وجود ميانقابها باعث افزايش سختي جانبي شده و درنتيجه سازه دارای پاسخ متفاوتي به تحريکات زمين خواهد بود. تنها توصيه آئين نامه طراحي ساختمانها در برابر زلزله در اين زمينه  كاهش  پريود  سازه به ميزان 20 درصد مي باشد، بديهي است كه با توجه به تعداد قابهاي ميان پر، نوع ميانقاب و نحوه آرايش آنها، اين توصيه براي همه حالتهاي گوناگون درست نمي باشد، بلكه بايد با در نظر گرفتن عملكرد واقعي قابهاي ميان پر در هر حالت ضوابط خاص خود را ارائه نمود. در اين مقاله، پس از بررسي ضابطه ارائه شده آئين نامه 2800 در مورد ساختمانهای با جداگرهای ميانقابي به ارزيابي رفتار لرزه اي دو نمونه سازه بتني طراحي شده، مطابق با آئين نامه هاي آبا و 2800 پرداخته شده است. با استفاده از تحليلهاي استاتيكي و ديناميكي غيرخطي، و با مدلسازي ميانقابها براي تحليل، هر يك از اين سازه ها در حالتهاي، سازه داراي ميانقاب، و سازه بدون ميانقاب، مورد بررسي و مقايسه قرار گرفته اند. نتايج بدست آمده نشان مي دهد كه نمي توان تاثير ميانقابهاي آجري را بر رفتار لرزه اي سازه هاي بتني ناديده گرفت، بلكه با توجه به نحوه آرايش ميانقابها ، جنس آنها و سختي قابهاي ميان پر، در هر حالت، با توجه به رفتار متفاوت سازه، بايد نكات خاصي را در هنگام تحليل و طراحي مورد توجه قرار داد.

كليد واژگان: ميانقاب آجري، قاب ميان پر، سازه هاي بتن مسلح، مدلسازي، رفتار لرزه اي سازه