طراحی ارتجاعی لرزه‌ای برای سازه‌ها

رویکرد طراحی لرزه‌ای مبتنی بر نیرو مرسوم که در آیین‌نامه‌های موجود [1]، [2]، [3] استفاده می‌شود، قادر است سازه‌ها را قادر به دستیابی به هدف عملکردی جلوگیری از فروپاشی در طول حداکثر سطح زلزله در نظر گرفته (MCE) کند. با این حال، بسته به رفتار پلاستیکی اجزای سازه برای جذب انرژی لرزه ای، اغلب منجر به آسیب ساختاری قابل توجه و رانش باقیمانده دائمی می شود، که می تواند تعمیرات را چالش برانگیز یا حتی غیرعملی کند، به ویژه زمانی که سیستم حمل بار عمودی در معرض خطر قرار می گیرد [4]، [5] ، [6]. در همین حال، ماهیت غیرقابل پیش بینی زمین لرزه ها به این معنی است که رویدادهای زلزله بسیار نادر (ERE) با شدت لرزه ای پیش بینی نشده ممکن است در طول عمر سازه ها رخ دهد [7]، [8]. چنین ERE ها، از جمله زلزله ونچوان در سال 2008 در چین، زلزله 2020 شبه جزیره آلاسکا و زلزله اخیر ترکیه در سال 2023 منجر به ریزش ساختمان ها و تلفات زیادی شده است. برای کاهش این خطر بالقوه، کد چینی GB/T 51408-2021 [9] شامل مقرراتی برای طراحی ساختمان های ایزوله برای خطر سطح ERE است. با این حال، سایر کدهای طراحی لرزه ای، مانند ASCE 7-22 [1]، NBCC [2] و GB 50011-2022 [3]، هنوز این سطح خطر را بررسی نکرده اند. برای سازه‌های معمولی که بدون در نظر گرفتن صریح سطح خطر ERE برای جلوگیری از فروپاشی تحت تحریک یک ERE طراحی شده‌اند، بسیار چالش برانگیز است، چه رسد به ارائه یک سطح قابل قبول انعطاف‌پذیری لرزه‌ای. از این رو، تحقیقات بیشتر برای توسعه یک روش طراحی که به این شکاف بپردازد، ضروری است. کد چینی GB/T 51408-2021 [9] شامل مقرراتی برای طراحی ساختمان های ایزوله برای خطر سطح ERE است. با این حال، سایر کدهای طراحی لرزه ای، مانند ASCE 7-22 [1]، NBCC [2] و GB 50011-2022 [3]، هنوز این سطح خطر را بررسی نکرده اند. برای سازه‌های معمولی که بدون در نظر گرفتن صریح سطح خطر ERE برای جلوگیری از فروپاشی تحت تحریک یک ERE طراحی شده‌اند، بسیار چالش برانگیز است، چه رسد به ارائه یک سطح قابل قبول انعطاف‌پذیری لرزه‌ای. از این رو، تحقیقات بیشتر برای توسعه یک روش طراحی که به این شکاف بپردازد، ضروری است. کد چینی GB/T 51408-2021 [9] شامل مقرراتی برای طراحی ساختمان های ایزوله برای خطر سطح ERE است. با این حال، سایر کدهای طراحی لرزه ای، مانند ASCE 7-22 [1]، NBCC [2] و GB 50011-2022 [3]، هنوز این سطح خطر را بررسی نکرده اند. برای سازه‌های معمولی که بدون در نظر گرفتن صریح سطح خطر ERE برای جلوگیری از فروپاشی تحت تحریک یک ERE طراحی شده‌اند، بسیار چالش برانگیز است، چه رسد به ارائه یک سطح قابل قبول انعطاف‌پذیری لرزه‌ای. از این رو، تحقیقات بیشتر برای توسعه یک روش طراحی که به این شکاف بپردازد، ضروری است. برای سازه‌های معمولی که بدون در نظر گرفتن صریح سطح خطر ERE برای جلوگیری از فروپاشی تحت تحریک یک ERE طراحی شده‌اند، بسیار چالش برانگیز است، چه رسد به ارائه یک سطح قابل قبول انعطاف‌پذیری لرزه‌ای. از این رو، تحقیقات بیشتر برای توسعه یک روش طراحی که به این شکاف بپردازد، ضروری است. برای سازه‌های معمولی که بدون در نظر گرفتن صریح سطح خطر ERE برای جلوگیری از فروپاشی تحت تحریک یک ERE طراحی شده‌اند، بسیار چالش برانگیز است، چه رسد به ارائه یک سطح قابل قبول انعطاف‌پذیری لرزه‌ای. از این رو، تحقیقات بیشتر برای توسعه یک روش طراحی که به این شکاف بپردازد، ضروری است.

فیوزهای سازه ای قابل تعویض در افزایش انعطاف پذیری سازه در برابر لرزه موثر هستند زیرا انرژی را هدر می دهند و از اجزای سازه در برابر آسیب محافظت می کنند. آنها را می توان به راحتی بعد از زلزله بدون تداخل با بقیه سیستم سازه تعویض کرد. دمپر فلزی یکی از پرکاربردترین فیوزهای سازه ای است که به دلیل رفتار هیسترتیک پایدار، هزینه ساخت کم و نصب آسان است. انواع مختلفی از فیوز فلزی در مطالعات قبلی معرفی شده بودند، مانند دمپر صفحه مثلثی فولادی [10]، دمپر پانل برشی [11] و دمپر نواری ساعت شنی [12]. با این حال، از آنجایی که فیوزهای فلزی معمولی فقط یک نقطه تسلیم دارند، کنترل پاسخ دینامیکی سازه تحت چندین سطوح لرزه ای برای آنها دشوار است، به ویژه هنگامی که سطح ERE را در نظر می گیریم. اخیراً میراگرهای تسلیم دو سطحی، به طور کلی نوعی میراگر هیبریدی یا میراگر با تغییر حالت تغییر شکل، برای تسهیل کنترل پاسخ سازه تحت سطوح خطر لرزه ای متعدد ایجاد شده است. لی [13،14] یک تیر جفت فولادی تسلیم دو سطحی را پیشنهاد کرد که از یک تیر برشی تسلیم شده تحت زلزله سطح سرویس (SLE) و یک تیر خمشی که تحت سطح MCE تسلیم می شود، تشکیل شده است. به طور مشابه، لی [15] یک دمپر فولادی خمشی برشی متشکل از یک صفحه برشی و یک سری صفحات K شکل معرفی کرد. پالرمو [16] یک دمپر تسلیم چندگانه به نام مهاربند هلالی شکل را ابداع کرد که در آن ابتدا تسلیم خمشی و سپس تسلیم محوری انجام شد. و کارهای آزمایشی دقیق برای ارزیابی رفتار چرخه ای از نظر ظرفیت شکل پذیری، ظرفیت اتلاف انرژی و خرابی ها انجام شد [17]. Zhai [18] یک فیوز جدید ورق فولادی S شکل با مکانیسم تغییر شکل کششی خمشی ایجاد کرد. برای این دستگاه، رفتار خمشی با افزایش تغییر شکل به تدریج به رفتار کششی تبدیل می‌شود و در نتیجه دو نقطه تسلیم روی منحنی اسکلت ایجاد می‌شود. چن [19] از یک صفحه فولادی X شکل و یک صفحه فولادی مثلثی برای ساخت یک دمپر فلزی با دو نقطه تسلیم مجزا استفاده کرد. Ke [20]، [21] دمپرهای جدید با مراحل تسلیم چندگانه، از جمله یک دمپر ابتکاری خود محور مجهز به عناصر آلیاژی حافظه دار و صفحات اصطکاکی گوه ای شکل، و یک دمپر هیبریدی جدید از نوع مهاربندی متشکل از صفحات شکاف فولادی تقویت شده ساخته شده است. توسط مکانیسم اصطکاک رفتار چرخه ای این میراگرها به طور جامع از طریق مطالعات تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفت. و همچنین پیشنهادات طراحی عملی ارائه شد. اگرچه تحقیقات تجربی و عددی جامعی برای نشان دادن پتانسیل زیاد میراگرهای تسلیم دو سطحی برای کاهش لرزه ای چند سطحی انجام شده است، نتایج تحقیقات در مورد افزایش انعطاف پذیری لرزه ای با در نظر گرفتن سطح خطر ERE به ندرت گزارش شده است.

هدف از طراحی ارتجاعی لرزه ای مدیریت سطح آسیب متحمل شده توسط اجزای سازه ای است که امکان بازیابی سریع عملکرد پس از زلزله را فراهم می کند. به غیر از استفاده از فیوزهای ساختاری قابل تعویض، روش طراحی لرزه ای مبتنی بر عملکرد [22] نیز برای دستیابی به اتکای لرزه ای، از جمله روش نیرو، جابجایی و انرژی، ضروری است. Tena-Colunga [23] یک روش طراحی مبتنی بر نیروی ارتجاعی را برای قاب‌های فولادی خمشی پیشنهاد کرد که می‌تواند به طراحی سایر سیستم‌های سازه‌ای قابل انتقال باشد، اما به مطالعات پارامتریک گسترده نیاز دارد. پریستلی [24] نظریه طراحی لرزه ای مبتنی بر جابجایی را معرفی کرد و اثربخشی آن را تایید کرد. اما تعیین حالت جابجایی جانبی هدف در این روش دشوار است. چائو و گوئل [25]، [26] یک روش طراحی پلاستیک مبتنی بر عملکرد (PBPD) ارائه کرد که یک مکانیسم تسلیم از پیش تعیین شده و مفهوم تعادل انرژی را در نظر می‌گیرد، که به طور گسترده برای طراحی سیستم‌های فیوز سازه‌ای انعطاف‌پذیر لرزه‌ای مانند سازه‌های دیاگرید ذوب شده پیوند برشی استفاده می‌شود [27]، مرتبط. قاب‌های ستونی [28]، قاب‌های مهاربندی شده با کمانش [29] و قاب‌های مهاربندی شده خود محور [30]، [31]. با این حال، منحنی اسکلت نیرو-جابجایی روش PBPD یک منحنی دوخطی ایده‌آل است، همانطور که در شکل 1(a) نشان داده شده است، که نمی‌تواند سه هدف عملکردی را که با سطوح خطر SLE، DBE و MCE مطابقت دارند، به طور دقیق نشان دهد. رابطه توزیع برشی سیستم سازه ای ذوب شده [32]. ژای [4] روش PBPD را با تنظیم منحنی اسکلت دوخطی به یک مدل سه خطی و ترکیب سفتی پست تسلیم بهبود بخشید. نشان داده شده در شکل 1(b)، برای پرداختن به سه هدف عملکرد به طور همزمان. طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب مقاوم در برابر گشتاور ذوب شده ستون اتلاف انرژی این روش را تایید کرد [4]. علاوه بر این، یانگ [6] با الهام از مفهوم تعادل انرژی، یک روش طراحی انرژی معادل (EEDP) را توسعه داد که همچنین از یک منحنی اسکلت سه خطی برای تحقق بخشیدن به طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب خمشی خرپایی ذوب شده با در نظر گرفتن سه هدف عملکردی استفاده کرد [33]. به طور کلی، این روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد می‌توانند به طور موثری به انعطاف‌پذیری لرزه‌ای سیستم‌های فیوز سازه‌ای تحت سطوح خطر چندگانه SLE، DBE و MCE دست یابند. با این حال، برای بررسی طراحی لرزه ای انعطاف پذیر سازه ها با در نظر گرفتن سطح خطر ERE، به تحقیق نیاز است. طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب مقاوم در برابر گشتاور ذوب شده ستون اتلاف انرژی این روش را تایید کرد [4]. علاوه بر این، یانگ [6] با الهام از مفهوم تعادل انرژی، یک روش طراحی انرژی معادل (EEDP) را توسعه داد که همچنین از یک منحنی اسکلت سه خطی برای تحقق بخشیدن به طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب خمشی خرپایی ذوب شده با در نظر گرفتن سه هدف عملکردی استفاده کرد [33]. به طور کلی، این روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد می‌توانند به طور موثری به انعطاف‌پذیری لرزه‌ای سیستم‌های فیوز سازه‌ای تحت سطوح خطر چندگانه SLE، DBE و MCE دست یابند. با این حال، برای بررسی طراحی لرزه ای انعطاف پذیر سازه ها با در نظر گرفتن سطح خطر ERE، به تحقیق نیاز است. طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب مقاوم در برابر گشتاور ذوب شده ستون اتلاف انرژی این روش را تایید کرد [4]. علاوه بر این، یانگ [6] با الهام از مفهوم تعادل انرژی، یک روش طراحی انرژی معادل (EEDP) را توسعه داد که همچنین از یک منحنی اسکلت سه خطی برای تحقق بخشیدن به طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب خمشی خرپایی ذوب شده با در نظر گرفتن سه هدف عملکردی استفاده کرد [33]. به طور کلی، این روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد می‌توانند به طور موثری به انعطاف‌پذیری لرزه‌ای سیستم‌های فیوز سازه‌ای تحت سطوح خطر چندگانه SLE، DBE و MCE دست یابند. با این حال، برای بررسی طراحی لرزه ای انعطاف پذیر سازه ها با در نظر گرفتن سطح خطر ERE، به تحقیق نیاز است. یانگ [6] با الهام از مفهوم تعادل انرژی، یک روش طراحی انرژی معادل (EEDP) را توسعه داد که همچنین از یک منحنی اسکلت سه خطی برای تحقق بخشیدن به طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب خمشی خرپایی ذوب شده با در نظر گرفتن سه هدف عملکردی استفاده کرد [33]. به طور کلی، این روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد می‌توانند به طور موثری به انعطاف‌پذیری لرزه‌ای سیستم‌های فیوز سازه‌ای تحت سطوح خطر چندگانه SLE، DBE و MCE دست یابند. با این حال، برای بررسی طراحی لرزه ای انعطاف پذیر سازه ها با در نظر گرفتن سطح خطر ERE، به تحقیق نیاز است. یانگ [6] با الهام از مفهوم تعادل انرژی، یک روش طراحی انرژی معادل (EEDP) را توسعه داد که همچنین از یک منحنی اسکلت سه خطی برای تحقق بخشیدن به طراحی ارتجاعی لرزه ای یک قاب خمشی خرپایی ذوب شده با در نظر گرفتن سه هدف عملکردی استفاده کرد [33]. به طور کلی، این روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد می‌توانند به طور موثری به انعطاف‌پذیری لرزه‌ای سیستم‌های فیوز سازه‌ای تحت سطوح خطر چندگانه SLE، DBE و MCE دست یابند. با این حال، برای بررسی طراحی لرزه ای انعطاف پذیر سازه ها با در نظر گرفتن سطح خطر ERE، به تحقیق نیاز است. این روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد می‌توانند به طور موثری به انعطاف‌پذیری لرزه‌ای سیستم‌های فیوز سازه‌ای تحت سطوح خطر چندگانه SLE، DBE و MCE دست یابند. با این حال، برای بررسی طراحی لرزه ای انعطاف پذیر سازه ها با در نظر گرفتن سطح خطر ERE، به تحقیق نیاز است. این روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد می‌توانند به طور موثری به انعطاف‌پذیری لرزه‌ای سیستم‌های فیوز سازه‌ای تحت سطوح خطر چندگانه SLE، DBE و MCE دست یابند. با این حال، برای بررسی طراحی لرزه ای انعطاف پذیر سازه ها با در نظر گرفتن سطح خطر ERE، به تحقیق نیاز است.

در این مقاله، یک منحنی چهار خطی اسکلت نیرو-جابجایی که چهار هدف عملکرد، از جمله سطح ERE را با معرفی دمپرهای تسلیم دو سطحی به عنوان فیوز ساختاری (نشان داده شده در شکل 1(c)) ارائه می کند. در طول لرزش SLE و DBE، دو حالت بحرانی تسلیم دمپرها فعال می شوند. در طول تکان دادن سطح MCE، فیوز در سیستم مقاوم ثانویه شروع به تسلیم شدن می کند و هر دو فیوز تا سطح ERE کار می کنند تا از آسیب ساختار اصلی جلوگیری کنند. این فیوزها پس از زلزله به راحتی قابل بررسی و تعویض هستند. برای دستیابی به طراحی ارتجاعی سیستم ذوب شده دمپر تسلیم دو سطحی، یک روش طراحی در نظر گرفته شده توسط ERE بر اساس روش‌های PBPD و EEDP مشتق شده است و روش طراحی مشخص شده است. روش طراحی ارائه شده برای سیستم قاب فولادی متصل به تیر تسلیم دو سطحی (TYBLSFS) اعمال می شود و دو سازه شامل TYBLSFS 3 و 6 طبقه طراحی شده است. مدل‌های دقیق برای سازه‌های طراحی‌شده با استفاده از نرم‌افزار OpenSees [34] ساخته می‌شوند و تحلیل‌های تاریخچه زمانی غیرخطی تحت سطوح مختلف لرزه‌ای با استفاده از مجموعه‌ای از ثبت‌های زلزله انجام می‌شوند. عملکرد لرزه ای سازه های طراحی شده برای نشان دادن اثربخشی روش طراحی پیشنهادی مورد بررسی قرار می گیرد.