مقاله تحلیلی:‌ طراحی لرزه‌ ای سازه‌ های آلومینیومی

زلزله‌ها نیروهای بزرگی را بر روی سازه‌هایی که آیین‌نامه‌های ساختمانی امکان آسیب لرزه‌ای را در صورت عدم فروریزش به آن‌ها می‌دهد، وارد می‌سازند. این آسیب غالباً به شکل تغییر شکل‌های غیرالاستیک و دائمی اعضا و اتصالات است. در این حالت شرایط باید به‌گونه‌ای باشد که ساکنین بتوانند به صورتی ایمن پس از یک رویداد لرزه‌ای قابل‌توجه ساختمان را ترک کنند؛ ممکن است سازه‌ای که در معرض حداکثر زلزله محتمل قرار می‌گیرد خسارت اقتصادی جدی را متحمل شود اما هدف اصلی جلوگیری از فروریزش است.

ضریب R

در طراحی سایر بارها مانند باد و برف، مهندسان تغییر شکل‌های دائمی در حالات حدی مقاومت را محتمل می‌دانند؛ اما چیزی که طراحی لرزه‌ای مدرن را جذاب می‌نماید این است که درواقع این غیر الاستیسیته بودن برای عملکرد سازه در طول زلزله مفید است. سازه‌ای که بخشی از آن دچار تسلیم شده است سختی کمتری داشته و درنتیجه نیروهای اینرسی کمتری را جذب می‌کند- بنابراین درصورتی‌که شکل‌پذیری کافی تأمین شده باشد، تقاضای مقاومت کمتری بر آن اعمال می‌شود. آیین‌نامه‌های ساختمانی به‌منظور استفاده از تحلیل الاستیک برای تعیین نیروهای داخلی حاصل از زلزله، هم‌زمان رفتار غیرالاستیک را مجاز دانسته و به مهندسان طراح اجازه می‌دهند این نیروها را به ضریب اصلاح پاسخ لرزه‌ای R تقسیم نمایند. ضریب R بزرگ‌تر از 1 بوده و مقدار آن به سیستم مقاوم نیروی لرزه‌ای سازه (SFRS)- مانند قاب مهاربندی یا قاب خمشی- و شکل‌پذیری مصالح و اجزای سازه بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال، ضریب R برای یک قاب خمشی معمولی فولادی برابر با 5/3 است. هرچه ضریب R بزرگ‌تر باشد، نیروهای لرزه‌ای که باید تحمل شوند کوچک‌تر هستند.

قبل از زلزله 1994 نورتریچ ضرایب R برای انواع سیستم‌های سازه‌ای و مصالح محاسبه شده و در ASCE 7 با عنوان بارهای طراحی برای ساختمان‌ها و دیگر سازه‌ها که مرجع اکثر آیین‌نامه‌های ساختمانی است، به‌صورت فهرست‌وار آورده شد؛ اما زلزله نورثریچ مشخص کرد که برخی از این تخمین‌ها بسیار خوش‌بینانه بوده است زیرا گسیختگی‌های غیرقابل‌انتظاری رخ داد؛ بنابراین مؤلفان نامه در اعمال ضرایب R محتاط‌تر شده و سیستم‌هایی که در آیین‌نامه وارد نشده‌اند اکنون ازنظر ضرایب R خود با دشواری قابل‌ملاحظه‌تری روبرو هستند. برای سیستم‌های مقاوم لرزه‌ای آلومینیومی قبل از زلزله نورثریچ هیچ ضریب R اختصاص داده نشده بود.

بخشی از این سهل‌انگاری به این خاطر است که سیستم‌های مقاوم نیروی جانبی کمتر از آلومینیوم طراحی و ساخته می‌شوند. در بسیاری از ساختمان‌ها، سیستم مقاوم نیروی جانبی از نوع قاب فولادی یا بتن مسلح است و آلومینیوم و شیشه برای نمای ساختمان و به‌منظور انتقال فشار باد وارد بر سطح ساختمان به قاب فولادی یا بتنی استفاده می‌شوند. در هنگام وقوع زلزله، این آلومینیوم عملاً نقشی بازی نمی‌کند.

اما استثنائاتی ازجمله گلخانه‌ها و قاب‌های فضایی مانند گنبدها وجود دارند. امروزه گفتن این جملات که سیستم‌های آلومینیومی ضرایب R ندارند چون به‌عنوان SRFS استفاده نمی‌شوند یا اینکه سیستم‌های آلومینیومی به‌عنوان SFRS استفاده نمی‌شوند چون ضرایب R ندارند، قابل‌قبول نیست.

درصورتی‌که ضرایب R مشخصی در آیین‌نامه وجود نداشت، طراحان یا باید ضریب را تخمین زده و توجیهی را به مسئولان ساختمان ارائه کنند تا آن‌ها بپذیرند یا اینکه ضریب R را برابر با یک در نظر بگیرند که در این صورت اثرات سودمند غیر الاستیسیته بودن در طول زلزله لحاظ نشود. مقاومت الاستیک در برابر زلزله باوجود محافظه‌کاری، کارآمد نیست مگر اینکه بار باد طراحی سیستم مقاوم نیروی جانبی را تحت تأثیر قرار دهد. باد غالباً طراحی سازه‌های آلومینیومی را کنترل می‌کند زیرا آلومینیوم نسبت مقاومت به وزن زیادی دارد بنابراین سازه‌های آلومینیومی سبک مقاومت کمتری در برابر واژگونی حاصل از باد تجربه کرده و نیروهای اینرسی کمتری را در طول زلزله تحمل می‌کنند.

آلومینیوم و فولاد

ممکن است این‌گونه تصور شود که SFRS های آلومینیومی باید ضرایب R مشابه با SFRS های فولادی داشته باشند اما این لزوماً صحیح نیست. فولاد و آلومینیوم هردو فلزهای شکل‌پذیری هستند اما آلومینیوم در هنگام گسیختگی کرنش کمتری نسبت به فولاد دارد. به‌عنوان‌مثال رایج‌ترین آلیاژ سازه‌ای آلومینیوم 6061-T6 است که حداقل کرنش 8% دارد درحالی‌که فولاد A992 دارای کرنش 21% است. همچنین نسبت مقاومت تسلیم به مقاومت نهایی برای 6061-T6 محدود نبوده و برای مقاومت‌های حداقل برابر با 0.92 است درحالی‌که این نسبت برای فولاد A992 محدود به 0.85 است. در نهایت اینکه آلومینیومی که با عمل‌آوری حرارتی مقاومت کسب کرده، در زمان جوشکاری آن مقاومت را برخلاف فولاد از دست می‌دهد.

ارسال 2009، آژانس مدیریت بحران فدرال (FEMA) یک پروتکل به نام P695، برای کمی سازی ضرایب عملکرد لرزه‌ای ساختمان، برای تعیین ضرایب R در سیستم‌های ساختمانی ارائه کرد. در فرآیند P695، یک ضریب R در تحلیل و طراحی سازه فرض می‌شود. سپس سازه در معرض 44 زمین‌لرزه قرار می‌گیرد و بر اساس آنالیزهای پیشرفته غیرالاستیک سازه، احتمال فروریزش تعیین می‌شود. درصورتی‌که این احتمال کمتر از حد مشخص شده FEMA باشد، ضریب R که در شروع فرآیند فرض شده بود، مناسب تلقی می‌شود. ازآنجایی‌که آنالیز غیرالاستیک سازه‌ها برای تمامی تحریک‌های زمین کار زیادی می‌برد، توصیه‌شده که ضرایب R ابتدایی توسط طراح و به‌صورت هوشیارانه انتخاب شود.

بررسی تفاوت‌ها

در سال 2013 انجمن آلومینیوم که انجمن تجاری تولیدکنندگان آلومینیوم است مجموعه‌ای از مطالعات را شروع کرد تا سیستم‌های مقاوم نیروی لرزه‌ای را مورد بررسی قرار دهد. آن‌ها کار خود را با طراحی یک قاب خمشی معمولی یک طبقه، سه دهانه به‌عنوان سیستم مقاوم نیروی جانبی آغاز کردند. این سیستم اولیه از اعضای آلومینیوم نورد شده 6061-T6 مطابق با الزامات سازه‌های آلومینیومی آیین‌نامه بین‌المللی ساختمان ساخته شد. دهانه‌های سیستم در هردو جهت 10 فوت بود که شبکه کلی 30 فوت در 30 فوت را که 10 فوت ارتفاع داشت، تشکیل می‌داد. علاوه بر بار مرده، بار زنده بام برابر با 50 پوند بر فوت مربع نیز اعمال شد.

آن‌ها با استفاده از فرآیند FEMA P695 و نرم‌افزار آباکوس برای تحلیل‌های غیرالاستیک غیرخطی، ضریب اصلاح پاسخ لرزه‌ای R برابر با 3 را برای این قاب آلومینیومی بر اساس احتمال فروریزش %10 تعیین کردند. این فرآیند به‌تنهایی می‌تواند جالب باشد اما لزوماً نتایج نهایی نیست زیرا فرآیند P695 محاسباتی بوده و پیچیده است. به‌منظور بررسی اعتبار تحلیل، آن‌ها در ادامه یک قاب فولادی را با ابعاد مشابه با استفاده از الزامات ساختمان‌های فولادی AISC برای سایزبندی اعضا، طراحی کردند. آن‌ها با استفاده از روش مشابه تحلیل‌های لرزه‌ای، دریافتند که سازه فولادی نیز معیار P695 را با R=3.5 ارضا کرد که نتیجه خوشایندی بود چراکه ASCE 7 می‌گوید برای این سیستم مقاوم لرزه‌ای فولادی مقدار R برابر با 3.5 است. همچنین، این خبر خوبی برای حرفه طراحی فولادی است زیرا به صحت سنجی تخمین‌های ضریب لرزه‌ای فولاد که پیش‌ازاین تعیین‌شده نیز کمک می‌کند.

ازآنجایی‌که آیین‌نامه، طراحی سیستم‌های مقاوم لرزه‌ای فولادی را با استفاده از ضریب R برابر با 3 در نقاط لرزه‌خیزی کم بدون هیچ جزئیات شکل‌پذیری ویژه‌ای مجاز می‌داند، توصیه می‌شود سیستم مقاوم لرزه‌ای آلومینیومی با استفاده از ضریب R برابر با 2.5 (3 برابر مقدار3⁄3.5) نیز ممکن است نیاز به جزئیات شکل‌پذیری ویژه‌ای نداشته باشد. بااین‌حال، تائید این موضوع اخیر بر اساس بررسی‌های محدود انجام گرفته ممکن است ناشیانه باشد.

باوجوداینکه این مطالعه تنها بر روی یک قاب بررسی شد و از حالات حدی گسیختگی صرف‌نظر شده بود، اما در مدل‌ها کمانش موضعی، اندرکنش کمانش موضعی-کلی و تسلیم در نظر گرفته شده بود. شاید این نتایج تعجب‌برانگیز نباشد چراکه شکل‌پذیری آلومینیوم باعث می‌شود که استفاده زیادی داشته باشد اما بدیهی است که مقادیر کمی از آن دچار گسیختگی شود. نه‌تنها طراحان آلومینیوم بلکه آن‌هایی که با فولاد گرم نورد شده، سرد نورد شده و فولاد ضدزنگ سروکار دارند نیز می‌توانند به این بررسی اطمینان کنند.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.