بررسی رفتار لرزه­ای ساختمان­های بتن مسلح بلند نامتقارن در پلان با سیستم دوگانه قاب-دیوار

محمد حبیبی

دانشجوی کارشناس ارشد مهندسی عمران، گرایش سازه، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

مهدی پورشاء *

استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

چکیده

این مقاله به ارزیابی لرزه‌ای ساختمان‌های بتن مسلح بلند نامتقارن در پلان با سیستم دوگانه قاب–دیوار می­پردازد و تأثیر نوع مدل رفتار غیرخطی دیوار برشی را بر پاسخ­های لرزه­ای غیرخطی مورد بررسی قرار می­دهد. در این مطالعه، یک ساختمان ­18 ­طبقه بتن مسلح دارای دیوار برشی و نامتقارن درپلان به­صورت سیستم‌هایی با درجات درگیری متفاوت بین مودهای انتقالی و پیچشی (سه سیستم نامنظم) درنظر گرفته شده است؛ در این سازه­ها، دیوارهای برشی به­صورت المان قاب معادل (تیر-ستون) مدل‌سازی شده و ­رفتار غیر خطی آن­ها یک بار توسط مفصل اندرکنشی (PMM) و ­­بار­ دیگر توسط المان فایبر(Fiber) درنظر گرفته شده است. در مدل فایبر، برای منحنی تنش- کرنش غیرخطی بتن و فولاد، به‌ترتیب از منحنی­های رفتاری Mander و Park استفاده شده است. پاسخ های لرزه­ای سیستم­های نامنظم با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی و همچنین روش­های پوش­آور ارتقاء یافته شامل تحلیل پوش آور مودال (MPA)، تحلیل پوش آورمودال متوالی (CMP) ، N2 توسعه یافته (EN2) و تحلیل پوش­آور متعارف با الگوی بارگذاری مود غالب با در نظرگیری دو مدل رفتار غیر خطی یاد شده برای دیوار برشی مورد بررسی قرارگرفته­اند. نتایج نشان می دهند که جابجایی طبقات در مقایسه با دوران­های مفاصل پلاستیک و جابجایی نسبی طبقات دارای تفاوت کمتری در این دو مدل رفتاری می­­باشد. همچنین خطای روش­های پوش­آور یاد شده  در براورد پاسخ­های لرزه‌ای، معمولاً در مدل مفصل اندرکنشی بیشتر از المان فایبر است.

واژگان کلیدی: ساختمان­های بتن مسلح، سیستم دوگانه قاب-دیوار، المان فایبر(Fiber)، مفصلاندرکنشی (PMM)، سیستم­های  نامتقارن در پلان، تحلیل پوش­آور ارتقاء یافته.

1- مقدمه

امروزه نگرش­های نوین طراحی سازه­ها مورد توجه محققین قرار گرفته است. در این بین، طراحی بر اساس عملکرد از آنجا که با فلسفه کنترل خسارت انجام می پذیرد، جایگاه ویژ­ه ای را کسب نموده است. محققان به این نتیجه رسیده­اند که جابجایی­ها و تغییر شکل­ها، بهتر و مؤثرتر از نیروها بیانگر حالات حدی در کنترل خسارت می باشند]1[. بر این اساس، روش­ نوین طراحی بر اساس تغییر مکان مطرح شد که این روش در آیین­نامه­ها و دستورالعمل‌ها از جمله در ATC-40 ]2[ و FEMA-356 ]3[ مورد توجه قرار گرفته است. در طراحی بر اساس عملکرد، روش­ آنالیز استاتیکی غیرخطی (پوش­آور) نقش مهمی را ایفا می­کند؛ این روش یک ابزار عمومی برای ارزیابی عملکرد لرزه­ای سازه‌های موجود و طراحی سازه­های جدید می باشد. روش­ آنالیز پوش­آور متعارف برای ساختمان­های کوتاه مرتبه مناسب بوده و در ساختمان­های بلند مرتبه و نامتقارن در پلان به نتایج دور از واقعیت منجر می­­­گردد که علت آن، تأثیر مودهای ارتعاشی بالاتر و اثر مودهای پیچشی بر رفتار سازه در ساختمان­های بلند و نامتقارن در پلان می­باشد که این امر در الگوهای بارگذاری در تحلیل­ پوش­آور متعارف نادیده گرفته می­شود. به منظور بر طرف نمودن این محدودیت و در نظرگیری اثر مودهای بالاتر، روش‌های پوش­آور ارتقاء یافته­ای نظیر آنالیز پوش آور مودال (MPA) ]4[، آنالیز پوش آور مودال متوالی (CMP) ]5[، آنالیز پوش­آور کران بالا(Upper Bound)]6[ و آنالیز پوش­آور ]EN27[ توسعه داده شدند. در این راستا محقیقن تحقیقات خود را بیشتر بر روی سازه­های فولادی انجام دادند. چوپرا و گوئل]8[در سال 2004 روش بار افزون مودال(MPA) و پورشاء و همکاران]9[  در سال 2011 روش بارافزون مودال متوالی(CMP) را برای برآورد نیازهای لرزه­ای ساختمان­های فولادی نامتقارن در پلان توسعه دادند. در سال 2011 فایفر و کریسلین ]10[ روش N2 را برای ساختمان­های نامتقارن در پلان توسعه دادند. در سال 2007 لین و سای]11[ روش جدیدی را  برای درنظر گرفتن اندرکنش بین جابجایی انتقالی و دوران­های پیچشی در ساختمان­های نامتقارن ارائه دادند. در خصوص تحقیقات انجام شده در مورد ساختمان­های بتن مسلح می توان به تحقیق Inel و Ozmen ]12[ در سال 2006 اشاره کرد که در آن تأثیر خصوصیات مفصل پیش فرض نرم افزار و مفصل متمرکز تعریف شده توسط کاربر برروی پاسخ­ ساختمان­های با ارتفاع کم و متوسط (4 و 7 طبقه) مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در سال 2013،  Yon و Calayir ]13[ به بررسی تأثیر مدل­های مختلف مفصل یعنی مفصل متمرکز و رشته­ای بر روی منحنی ظرفیت سازه­های مسطح پرداختند. همچنین در سال 88، کفایی و خوشنودیان ]14[ تحلیل های پوش آور کلاسیک و تحلیل­های پوش­آور بار افزون ارتقاء یافته CMP و MPA  را  در برآورد نیازهای لرزه­ای ساختمان­های بتن مسلح مسطح با دیوار برشی مورد بررسی قرار داد­اند. با توجه به اینکه در این خصوص، تحقیقات اندکی بر روی ساختمان­های بتن مسلح نا متقارن دارای دیوار برشی انجام شده است و همچنین تحلیل­های پوش­آور ارتقاء یافته به این گونه سازه­ها اعمال نشده است، این مقاله رفتار این ساختمان­ها را با در نظرگیری مدلهای غیرخطی مختلف برای دیوار برشی شامل مفصل پلاستیک متمرکز و المان فایبر با‌استفاده از تحلیل‌های تاریخچه زمانی غیرخطی(NL-RHA)، تحلیل بار افزون مودال(MPA)، تحلیل با افزون مودال متوالی(CMP)، تحلیل با افزون EN2 و تحلیل بارافزون با استفاده از مود غالب سازه مورد بررسی قرار می­دهد. این امر در تحقیقات قبلی برای ساختمان­های بتن مسلح بلند با سیستم دوگانه قاب-دیوار که در پلان نامتقارن باشند، تاکنون مورد توجه قرار نگرفته است.

 2- انواع ساختمان­های نا متقارن در پلان

ساختمان­های نا متقارن در پلان را می­توان بر حسب درجات درگیری بین حرکات جانبی و پیچشی در سه نوع مختلف طبقه بندی کرد. این طبقه‌بندی مبتنی بر نسبت پریود  می‌باشد که به صورت نسبت بین پریود انتقالی و پریود پیچشی تعریف می‌شود. سه نوع سیستم نامتقارن در پلان شامل سیستم­های سخت از نظر پیچش (Torsionally-Stiff)، شبه سخت از نظر پیچش (Tosionally-Similarly-Stiff) و نرم از نظر پیچش (Torsionally Flexible) می‌باشند]8[. سیستم­های یادشده، بترتیب با TS، TSS و TF نشان داده می­ شوند. در سیستم TS، جابجایی­های جانبی حرکت غالب در مود اول و دورآن‌های پیچشی حرکت غالب در مود دوم می‌باشد. درحالی‌که در سیستم TF، دوران­های پیچشی حرکت غالب در مود اول و جابجایی جانبی حرکت غالب در مود دوم خواهد بود. در دو سیستم بالا درگیری ضعیفی بین جابجایی‌های جانبی و دورآن‌های پیچشی وجود دارد. در سیستم TSS، درگیری قوی بین حرکات جانبی و پیچشی وجود دارد که سبب نزدیکی پریودهای مودی در این سیستم می‌شود. در نتیجه می‌توان ساختمان‌های TS را با نسبت پریود بزرگ‌تر از یک و ساختمان‌های TF را با نسبت‌ پریود کوچک‌تر از یک تشخیص داد. نسبت پریود برای ساختمان­های TSS در مقایسه با دو سیستم دیگر به یک نزدیک تر است ]8[.

3- تحلیل­های بارافزون ارتقاء یافته

3-1- تحلیل بار افزون مودال(MPA): در این روش الگوی بار جانبی متناسب با اشکال مودی به‌صورت  جداگانه تا رسیدن به تغییر مکان هدف مربوط به آن مود به سازه اعمال می‌گردد. سپس پاسخ­های لرزه­ای مربوط به هر مود به‌صورت  مجزا استخراج شده و در نهایت با استفاده از قوانین ترکیب مودال، پاسخ­ نهایی سازه به‌دست می­آید ]4و8[.

3-2- تحلیل بارافزون مودال متوالی(CMP): در این روش، پاسخ­های لرزه­ای از حداکثر پاسخ­های حاصل از آنالیزهای بارافزون یک مرحله­ای و چند مرحله­ای بهره­جویی می­گردد. در آنالیز چندمرحله­ای، تحلیل های بارافزون به‌صورت  متوالی انجام می شود؛ بدین صورت که در آنالیزهای چندمرحله‌ای شرایط نیرویی و تغییرشکل در انتهای یک مرحله، شرایط اولیه در مرحله بعدی می­باشد] 5و9[.

3-3- تحلیل بارافزون (EN2): در این روش، ابتدا یک تحلیل بارافزون با استفاده از مود اول سازه انجام می­گیرد. سپس برای اعمال اثرات مودهای بالاتر در پلان و ارتفاع از یک تحلیل الاستیک طیفی استفاده می شود. با استفاده از نتایج حاصل از این دو تحلیل، ضرایب تصحیح در ارتفاع و پلان اسخراج شده و به نتایج حاصل از تحلیل بارافزون تحت مود اول اعمال می­گردد.

4- مدل‌سازی ساختمان بتن مسلح مورد مطالعه

به منظور ارزیابی ساختمان‌های بتن مسلح نامتقارن در پلان با دیوار برشی، یک ساختمان 18 طبقه درنظر گرفته شده است. در شکل 1 پلان متقارن این ساختمان­ نشان داده شده است. پلان این ساختمان در هر دو جهت متقارن بوده و دارای سه دهانه 5 متری می‌باشد. بار کف به صورت یک طرفه توسط سیستم تیرچه‌بلوک به تیرهای در جهت Y منتقل می‌شود. ارتفاع سازه‌ای تمام طبقات 2/3 متر در نظر گرفته شده است. مقدارضریب پواسون  برای بتن در نظر گرفته شده است. سایر ویژگی­ها در جدول 1 ارائه شده است.

در این پژوهش آیین‌نامه‌های زیر جهت تحلیل و طراحی ساختمان­ها مورد استفاده قرار گرفته­اند:

1- بارگذاری ثقلی براساس " مقررات ملی ساختمان – مبحث ششم: بارهای وارد بر ساختمان"]15[

2- تحلیل لرزه‌ای بر اساس"استاندارد 2800، ویرایش سوم"]16[

3- طراحی قاب‌ها و دیوارهای بتنی بر اساس "آیین‌نامة ACI"]17[

بارهای ثقلی وارد بر ساختمان شامل بارهای مرده و زنده می­باشد. مقدار بارهای مرده بر اساس جزئیات اجرایی سقف‌ها و دیوارهای جداکننده برابر 700 و بارهای زنده بر اساس کاربری ساختمان که مسکونی می‌باشد برابر 200 در نظر گرفته شده است. سیستم بار بر جانبی این دو ساختمان در هر دو جهت، قاب خمشی بتنی ویژه با دیوار برشی بتن‌آرمه ویژه می‌باشد که ضریب رفتار پیشنهادی (R) در استاندارد 2800 برای این نوع سازه 11 می‌باشد. همچنین نسبت شتاب مبنای طرح (A) با فرض قرارگیری ساختمان در منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد برابر 35/0 در نظر گرفته شده است. خاک منطقه که ساختمان بر روی آن ساخته می‌شود، نوع سه استاندارد 2800 بوده که معادل نوع C آیین‌نامة NEHRP می باشد. لازم به توضیح است که تمام ضوابط آیین‌نامة 2800 در خصوص کنترل قاب‌های خمشی برای 25% نیروی جانبی در سیستم­های دوگانه، ضابطه ستون قوی-تیر ضعیف، برش چشمه اتصال و زلزله سطح بهره‌برداری برای ساختمان 18 طبقه در نظر گرفته شده­اند. کلیه تحلیل­ها در نرم‌افزار SAP 2000 V14 انجام شده است. برای طراحی سازه و محاسبه تغییر شکل­ها، ضریب ترک‌خوردگی برای تیر، ستون و دیوار به ترتیب برابر5/0، 1و 35/0 در نظر گرفته شده است. برای انجام تحلیل­های غیر خطی ضریب ترک­خوردگی به هیچ یک از المان­های سازه­ای اعمال نشده است. برای ایجاد ساختمان­های نا متقارن در پلان با انتقال مرکز جرم ساختمان به اندازه 10% بعد ساختمان (5/1متر) در امتداد محور X، خروج از مرکزیت جرم حول محور Y ایجاد می­گردد( شکل1). حال با تغییر نسبت بین جرم کف  و ممان اینرسی جرمی آن (حول محور عمود برمرکز جرم) ، سه سیستم مختلف نامتقارن در پلان با درجه درگیری متفاوت بین حرکات انتقالی و پیچشی، ایجاد می شود ویژگی­های سیستم­های نا­متقارن درپلان با خروج از مرکزیت جرم ، پریود سه مود ارتعاشی اول ; i=1,2,3)  (T_iو نسبت ممان اینرسی جرمی به جرم لرزه‌ای در ساختمان­های نامتقارن به ساختمان متقارن مرجع در جدول2 ارائه شده است.

 5- مدل‌سازی غیر‌خطی ساختمان بتن مسلح دارای دیوار برشی

پس از تحلیل و طراحی ساختمان­ها و تعیین مشخصات مقاطع مورد نیاز، مدل غیرخطی آن­ها با توجه به رفتار اعضای آن در

 (a) پلان شکل1- پلان ساختمان­های تحلیل شده:ساختمان متقارن اصلی؛ (b) پلان ساختمان­های نامتقارن نسبت به یک محور

جدول1- مشخصات مصالح بتنی C25

جدول 2- جزئیات ساختمان‌های مورد تحلیل

نرم‌افزار SAP2000 V14 ایجاد گردید. اعضایی که دارای رفتار کنترل شونده نیرویی می‌باشند، می‌بایست الاستیک باقی بمانند، ولی منحنی رفتاری اعضای کنترل شونده تغییر شکلی در محدوده غیرخطی برای نرم‌افزار تعریف می­شود. این منحنی رفتاری برای اعضای مختلف سازه از جداول  FEMA-356 [3] به‌دست می‌آید.

5-1- مدل‌سازی غیر خطی تیرها

جهت تعریف پارامترهای مدل‌سازی و معیارهای پذیرش در تیرها باید مشخص گردد که تیرها کنترل شونده توسط خمش هستند و یا کنترل شونده توسط برش. محاسبات نشان می‌دهد که برای تیرهای قاب خمشی با دهانه­های 4 یا 5 متری ظرفیت برشی آن‌ها به مراتب بیش از ظرفیت خمشی آن‌ها است؛ بنابراین کنترل شونده توسط خمش می‌باشند. در نتیجه می توان از دو مفصل خمشی M3 در ابتدا و انتهای تیر استفاده کرد.

5-2 - مدل‌سازی غیر خطی ستون­ها

در شکست ستون­ها می توان به شکست خمشی، شکست برشی، ستون‌هایی که توسط طول مهاری کنترل می‌شوند و ستون‌هایی که توسط طول وصله کنترل می‌شوند، اشاره نمود. ساختمان‌های مورد بررسی در این پژوهش که بر اساس رعایت ضوابط آئین نامه ACI  طراحی شده است، خرابی حالت سوم و چهارم موردی ندارد. همچنین با توجه به ارتفاع خالص ستون‌ها (که حدوداً 3 متر می‌باشد) و نیز عدم وارد شدن نیروی جانبی در ارتفاع ستون، خرابی خمشی بر خرابی برشی مقدم است. به این ترتیب برای ستون‌ها پارامترهای مدل‌سازی برای رفتار خمشی در دو انتهای ستون که بیشترین مقدار لنگر خمشی وارد می‌شود، به­صورت به‌صورت مفصل اندرکنشی نیروی محوری-لنگر خمشی( P-M-M ) تعریف می گردد.

5-3-  مدل‌سازی غیر خطی دیوار برشی

دیوارهای سازه­ای در سازه‌های بتن‌آرمه در صورت طراحی مناسب می‌توانند نقش قابل‌توجهی در رفتار شکل‌پذیر سازه و در نتیجه استهلاک انرژی ناشی از زلزله داشته باشند که وجود دیوارهای برشی، موجب کاهش ابعاد تیرها و ستون‌های سازه می‌گردد. از مزایای دیگر دیوارهای برشی حفظ پایداری سازه در برابر بارهای قائم پس از تشکیل لولای خمیری در تیرها و ستون­های سازه است. دیوارها بسته به نسبت ارتفاع به طول و نحوۀ به‌کارگیری در سازه، رفتار و مکانیزم­های گسیختگی مختلفی از خود بروز می‌دهند که درک درست آن‌ها نقش مهمی در تعیین نیروهای طراحی اجزاء قاب خواهد داشت. این اجزاء می‌توانند کنسولی شامل دیوارهای بلند و کوتاه باشند و یا به همراه تیرهای همبند  به‌کار روند. در این تحقیق، از دو مدل برای بیان رفتار غیرخطی دیوارهای برشی بهره جوئی شده است که در ادامه شرح داده می­شوند.

5-3-1 - المان ستون معادل با مفصل فایبر

آئین نامه  FEMA-356 اظهار می‌دارد که دیوارهای برشی لاغر و قطعات دیوار را می‌توان به صورت المان تیر-ستون(قاب معادل)، با در نظر گرفتن تغییر شکل‌های خمشی و برشی مدل‌سازی نمود. در محاسبه مقاومت خمشی المان‌های تیر- ستون باید اندر کنش بین نیروی محوری و خمشی در نظر گرفته شود. طول قطعه صلب بین گره تیر متصل به دیوار تا المان تیر - ستون معادل، برابر فاصله مرکز سطح دیوار تا لبه دیوار می‌باشد. با توجه به اینکه در مدل­های مورد مطالعه نسبت ارتفاع به طول دیوار  در ساختمان 18 طبقه برابر 52/11 می‌باشد، این دیوار لاغر شناخته می‌شود. از آنجایی که دیوارهای برشی لاغر توسط خمش کنترل می‌شوند]3[ می­توان جهت مدل‌سازی آن از المان (Frame) در نرم‌افزار استفاده کرد. در نرم‌افزارSAP2000 قابلیت اختصاص مفصل خمشی از نوع فایبر به المانFrame موجود می‌باشد. مقطع فایبر از آن جهت حائز اهمیت می‌باشد که رفتار غیرخطی برای قسمت‌های مختلف دیوار را می‌توان بطور جداگانه منظور نمود که این به دلیل طول زیاد دیوار و نیز گسترش مفصل پلاستیک در ارتفاع زیادی از دیوار بسیار مهم و حائز اهمیت می‌باشد. علاوه بر آن در تعریف مفصل فایبر امکان تعیین طول مفصل پلاستیک فراهم می‌باشد که پس از محاسبه این طول، مقدار آن به دیوارها اختصاص می‌یابد. آیین‌نامة FEMA-356 طول مفصل فایبر را برابر نصف عمق دیوار یا ارتفاع طبقه هر کدام که کمتر باشد ( ) درنظر می‌گیرد. در خصوص تعیین تعداد المان‌های فایبر در طول دیوار عدد دقیقی به عنوان عدد بهینه مشخص نشده است. در این پژوهش تمام آرماتورهای طولی مقطع به­صورت المان فایبر فلزی در نظر گرفته شده و مقطع بتنی دیوار با تقسیم بندی به 9 قسمت و قرار دادن یک  المان فایبر بتنی با همان مساحت در مرکز سطح آن قطعه در نظر گرفته می­شود. بتن پوشش به‌صورت محصور نشده مدل‌سازی شده است (شکل-2).

شکل2- المان­های فایبر فلزی و بتنی

در این مقاله از المان ستون معادل به جای دیوار برشی استفاده شده است. بدین صورت که ابتدا دیوار برشی به همراه المان­های مرزی از مدل اصلی برداشته شده، سپس یک ستون  با همان مقطع دیوار برشی با المان­های مرزی (به‌صورت دمبلی شکل) در مرکز سطح آن قرار داده می شود (شکل-2). سپس با اسفاده از تیرهای صلب در دو طرف (که ممان اینرسی آن حول محور قوی و مساحت برشی در راستای محور ضعیف با ضریبی افزایش داده شده است)، این ستون معادل به تیرهای اطراف متصل می‌گردد.

برای منحنی تنش-کرنش غیرخطی بتن، از منحنی رفتاری "Mander" استفاده شده است (شکل-3) ]18[. ویژگی مشخصه این منحنی آن است که کرنش پسماند منحنی در انتهای بارگذاری به صفر می‌رسد و مشکلات ناشی از عدم همگرایی آنالیزهای غیرخطی به حداقل کاهش می‌یابد. همچنین برای منحنی هیسترتیک بتن از مدل (Takeda) استفاده شده است (شکل-4) که برای بتن و دیگر مواد ترد مناسب می­باشد. این مدل بر مبنای مشاهدات آزمایشگاهی به‌دست آمده است و شامل تغییرات سختی در ترک‌خوردگی خمشی، نقطه تسلیم و سخت شوندگی کرنشی می باشد. تفاوت عمده آن با دیگر مدل­ها در این است که چرخه­های داخلی در داخل چرخه بیرونی قرار می‌گیرند.در این مدل رفتار یکنواخت توسط یک منحنی سه خطی بیان می شود که در آن ترک‌خوردگی بتن و تسلیم آرماتورها نشان داده شده است. برای منحنی تنش-کرنش غیرخطی فولاد از منحنی رفتاری "Park" استفاده شده است که مشخصه اصلی آن در نظر­گیری رفتار سخت شونده فولاد پس از تسلیم اولیه می‌باشد (شکل-5). همچنین برای منحنی هیسترزیس فولاد از منحنی نوع Kinematic استفاده شده است که ویژگی اصلی آن، این است که شکل منحنی در بارگذاری‌های سیکلی ثابت می‌ماند و تنها منحنی، روی محور افقی (محور نیرو) با فرم ثابت، جابه جا می‌گردد (شکل-6).

5-3-2- المان ستون معادل با مفصل FEMA (PMM)

با توجه به اینکه دیوار برشی علاوه بر لنگر خمشی می­تواند بار محوری زیادی را تحمل کند و با عنایت به اینکه در این پزوهش دیوار برشی با ستون معادل جایگزین شده است، رفتار غیر خطی آن مانند ستون­ها به‌صورت مفصل اندرکنشی نیروی محوری-لنگر خمشی (PMM)مطابق جدول 8-6 در FEMA-356 ]3[ تعریف می­شود.

شکل3- منحنی تنش-کرنش بتن محصور شده و بتن محصور نشده]18[

شکل4- منحنی هیسترزیس بتن (Takeda)]19[

شکل5- منحنی تنش کرنش فولاد(Park)]20[

شکل6- منحنی هیسترزیس فولاد(Kinematic)]21[

7- توصیف تحلیل­ها

در این پژوهش برای انجام تحلیل­های دینامیکی غیرخطی از 7 رکورد زلزله حوزه دور با مشخصات جدول 3 استفاده شده است. طیف­های شبه شتاب و جابجایی رکوردهای زلزله در شکل 7 نشان داده شده­اند. برای اطمینان از وارد شدن همه مدل‌ها به مرحله غیر خطی، حداکثر شتاب رکوردهای زلزله (PGA) به g7/0 مقیاس شده ‌است. روش انتگرال گیری عددی استفاده شده در تحلیل­های تاریخچه زمانی غیرخطی، روش Newmark با شتاب خطی ,  می­باشد. برای تشکیل ماتریس میرایی رایلی از نسبت میرایی 5% برای مودهای 1 و 3 در جهت Y استفاده شده است. آنالیزهای چند مرحله­ای مورد استفاده در روش CMP با توجه به درصد مشارکت مود اصلی ساختمان­ها شامل تحلیل­های یک ، دو و سه مرحله‌ای برای ساختمان­های 18 طبقه می‌باشند، به جز سیستم TSS که از آنالیز چهار مرحله‌ای علاوه بر آنالیزهای یاد شده استفاده شده است. در روش MPA برای برآورد نیاز­های لرزه­ای در ساختمان­های نامنظم 18 طبقه از سه جفت مود بهره جوئی می­گردد. برای به دست آوردن نتایج نهایی در این روش از قاعده ترکیب  (رابطة (1)) ]8[ استفاده می­شود.

همچنین در روش EN2 پس از انجام تحلیل بارافزون پایه­ی سه بعدی با استفاده از الگوی مود غالب و انجام نحلیل طیفی با درنظرگیری همه مودهای ارتعاشی، ضریب تصحیح برای در نظرگیری اثر مودهای ارتعاشی بالاتر در ارتفاع و در پلان (بترتیب C_E و C_T) به طور جداگانه محاسبه شده و در نتایج تحلیل بارافزون پایه اعمال می­شوند.

8- بحث روی نتایج تحلیل­ها

 همان‌طور که اشاره شد هدف از این پژوهش، مطالعه و ارزیابی لرزه‌ای ساختمان­های بتن مسلح بلند نامتقارن در پلان با دیوار  برشی با در نظر‌گیری اثرات پیچشی و مودهای ارتعاشی بالاتر،

تحت اثر زلزله می‌باشد. در این تحقیق برای مدل‌سازی رفتار غیرخطی دیوار برشی از مدل مفصل اندر کنشی (P-M-M) و المان فایبر استفاده شده است. در ضمن استفاده از روش‌های تقریبی برای تعیین تغییر مکان­ هدف سیستم­های یاد شده در تحلیل­های بارافزون ممکن است باعث بروز خطا در نتایج شود. با توجه به اینکه فقط خطای ناشی از نحوۀ توزیع نیروهای جانبی در تحلیل­های بارافزون مورد بررسی قرار گیرد، به همین دلیل در این مقاله از مقادیر دقیق تغییر مکان هدف که از میانگین مقادیر حداکثر جابجایی بام (در مرکز جرم) ناشی از آنالیز NL-RHA به‌دست می‌آیند، استفاده می‌شود]5[. مقادیر تغییر مکان هدف برای سیستم­های مختلف با در نظرگیری دو رفتار غیرخطی متفاوت برای دیوار برشی در جدول 4 ارائه شده است. نتایج نشان می دهد که استفاده از مدل غیرخطی المان فایبر سازه را شکل­پذیرتر کرده و جابجایی ­های هدف بیشتری را نسبت به مدل مفصل اندرکنشی ارائه می دهد.

شکل7- (a) طیف شبه شتاب؛ (b) طیف جابجایی حرکات زمین مربوط به رکوردهای حوزه دور با نسبت میرایی 5%. طیف میانگین با خط ضخیم­تر نشان داده شده است.

جدول3- رکوردهای زلزله مورد استفاده

جدول4- مقادیر تغییر مکان هدف به دست آمده برای انواع سیستم­های ساختمانی.

شکل 8- نسبت جابجایی کف­ها به ارتفاع سازه، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1 و تحلیل NL-RHA در لبه‌های نرم و سخت  ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TS.

شکل9- نسبت جابجایی کف­ها به ارتفاع سازه، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1و تحلیل NL-RHA در لبه‌های نرم و سخت  ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TSS.

شکل10- نسبت جابجایی کف­ها به ارتفاع سازه، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1 و تحلیل NL-RHA در لبه‌های نرم و سخت  ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TF.

با توجه به اشکال 8 - 10 و با عنایت  به استفاده از المان فایبر و مفصل متمرکز اندرکنشی (P-M-M) برای دیوار برشی می‌توان نتیجه گرفت که در سیستم­ TS، همه آنالیزهای بار افزون ارتقاء یافته در هر دو لبه نرم و سخت دارای دقت مناسبی می‌باشند. در این سیستم در لبه سخت جابجایی کف­ها مقداری دست پایین و در لبه نرم جابجایی کف­ها مقداری دست بالا برآورد شده­اند. همچنین تحلیل­های بارافزون ارتقاء یافته MPA و CMP در لبه سخت این سیستم در طبقات بالا در مدل مفصل فایبر جواب­های به­نسبت بهتری در مفایسه با مدل مفصل متمرکز (PMM) ارائه می‌دهند. در لبه سخت سیستم TSS، روش­های CMP و EN2 جابجایی کف­ها را اندکی دست بالا و روش MPA جواب­ها را قدری دست پایین برآورد می‌کند. در لبه نرم سیستم TSS جابجایی‌های حاصل از همه روش­های بارافزون با استفاده از مدل مفصل فایبر قدری دست پایین می باشند. نتایج تحلیل بارافزون با الگوی مود اول در سیستم TSS در لبه سخت به شدت دست پایین هستند. در سیستم TF نیز تمام روش­های بارافزون ارتقاء یافته از دقت مناسبی برخوردارند، به جزء اینکه تحلیل مود اول در هر دو لبه نرم و سخت و برای هر دو مدل غیر خطی دیوار برشی پاسخ­ها را قدری دست پایین برآورد می‌کند. شایان ذکر است که پاسخ­ تغییرمکان طبقات در سیستم­های مختلف در این دو مدل رفتاری تفاوت زیادی با یکدیگر ندارند. همچنین با توجه به نحوة تغییرمکان کف­ها می‌توان گفت که در ساختمان 18 طبقه، رفتار دیوار برشی در طبقات پایین بر رفتار قاب خمشی غالب ‌شده، ولی در طبقات بالا رفتار قاب بر رفتار کلی سیستم حاکم می­گردد.

با توجه به شکل­های 11 الی 13 می‌توان نتیجه گرفت که در سیستم TS در ساختمان 18 طبقه، تحلیل‌های بار افزون ارتقاء یافته در هر دو لبه مقادیر قابل قبولی را برای جابجایی نسبی طبقات در طبقات فوقانی با مدل المان فایبر نسبت به مدل مفصل متمرکز ارائه می‌کنند که دقت روش CMP از سایر روش­ها بیشتر می باشد. به عنوان نمونه مقدار خطا در لبه سخت در مدل المان فایبر در روش MPA و CMP به ترتیب برابر21/9% و 78/3% می باشد که درصد خطا در مدل مفصل متمرکز به 7/18% و 13/9% افزایش پیدا کرده است. همچنین تحلیل­های بارافزون ارتقاء یافته در لبه نرم این سیستم دارای دقت بهتری در برآورد پاسخ­ها نسبت به لبه سخت برای هر دو مدل رفتاری می باشند. همچنین جابجایی­های نسبی طبقه، حاصل از تحلیل بارافزون با استفاده از مود اول دارای خطای بیشتری در تمام طبقات نسبت به سایر روش­های پوش­آور ارتقاء یافته  می باشند.

شکل11- نسبت جابجایی نسبی  طبقات به ارتفاع طبقه، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1 و تحلیل NL-RHAدر لبه‌های نرم و سخت ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TS.

شکل12-   نسبت جابجایی نسبی  طبقات به ارتفاع طبقه، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1و تحلیل NL-RHA در لبه‌های نرم و سخت ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TSS.

شکل13- نسبت جابجایی نسبی  طبقات به ارتفاع طبقه، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1  و تحلیل NL-RHA در لبه‌های نرم و سخت ساختمان­  نامتقارن در پلان از نوع .TF

در ساختمان 18 طبقه با سیستم TSS تحلیل بار افزون EN2 به واسطه اعمال ضرایب تصحیح جابجایی نسبی طبقات را در لبه نرم  دست بالا برآورد می‌کند، به‌طوری‌که مقدار خطای جابجایی نسبی طبقات به (9/24%) می رسد. تحلیل پوش­آور با استفاده از الگوی مود اول پاسخ­ها را درهردو لبه، به­ویژه در لبه سخت بسیار دست پایین برآورد می‌کند به­طوری­که خطای روش با استفاده از المان فایبر و مفصل متمرکز به ترتیب به (32/86%) و (43/88%) می­رسد. در لبه سخت ساختمان 18 طبقه برآوردهای حاصل از دو روش MPA و CMP  با استفاده از المان فایبر نسبتاٌ دست بالا هستند که مقدار خطای روش CMP و MPA برابر(‌85/8%) و (87/21%) می باشد. در لبه نرم سیستم TSS روش‌های CMP  و MPA درصورت استفاده از مدل غیرخطی المان فایبر دارای دقت خوبی در محاسبه جابجائی نسبی طبقات می­باشند. در سیستم TF نیز همانند سیستم TS  در ساختمان 18 طبقه، تحلیل‌های بار افزون CMP  و MPA در هر دو لبه نرم و سخت پاسخ­ها را برای المان فایبر و مفصل اندرکنشی اندکی دست پایین برآورد می‌کنند که پاسخ­های حاصل از روش CMP در لبه سخت در مقایسه با سایر روش­ها دقیق­تر است. مقدار خطای روش CMP در لبه نرم و سخت این ساختمان در مدل المان فایبر به ترتیب برابر با 31/19% و 68/4% است که این مقدار خطا در روش MPA به 9/6% در لبه نرم و 7/14% در لبه سخت می‌‌رسد. همچنین در این ساختمان مقدار خطای روش CMP با استفاده از مدل مفصل متمرکز در لبه سخت بیشتر و در لبه نرم کمتر می­باشد که این روند برای سایر روش­های بارافزون نیز قابل مشاهده است. در سیستم TF جایجائی نسبی طبقه­، حاصل از روش­های پوش­آور ارتقاء یافته با درنظرگیری رفتار غیر خطی با المان فایبر و مفصل متمرکز در هر دو لبه  قدری دست پایین می­باشند که در میان روش­ها، روشMPA  در لبه نرم و روش CMP در لبه سخت برآورد بهتری را نسبت به سایر روش­ها در ساختمان 18 طبقه ارائه می­کنند.

با توجه به اشکال 14 تا 16 می‌توان  نتیجه گرفت که  روش CMP نسبت به سایر روش‌های بار افزون ارتقاء یافته و موداول، دارای دقت بیشتری در برآورد دوران­های مفاصل پلاستیک در لبه­های نرم و سخت با بکارگیری المان فابیر و مفصل متمرکز می­باشد. این روش در سیستم TS دوران­های پلاستیک را با درنظرگیری المان فایبر در طبقات فوقانی لبه سخت اندکی دست بالا برآورد می‌کند که مقدار خطای روش CMP در لبه نرم و سخت این سیستم، به ترتیب برابر است با 33/14% و 62/13% می­باشد. همچنین مقدار خطای روش MPA در طبقات فوقانی

شکل14- دوران پلاستیک مفاصل، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1 و تحلیل NL-RHA در کناره‌های راست و چپ ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TS.

شکل15- دوران پلاستیک مفاصل، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1 و تحلیل NL-RHA در کناره‌های راست و چپ ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TSS.

شکل16- دوران پلاستیک مفاصل، حاصل از آنالیزهای بار افزون MPA، CMP، EN2، Mode1  و تحلیل NL-RHA در کناره‌های راست و چپ ساختمان­ نامتقارن در پلان از نوع TF.