مطالعه‌ی تجربی رفتار سیستم‌های قاب ثقلی فولادی در ساختمان‌ها تحت زلزله‌های شدید

در این تحقیق، برای بررسی رفتار لرزه‌ای یک ساختمان فولادی چهار طبقه، از شبیه‌سازی‌های ترکیبی (Hybrid Simulation) استفاده شده است. تمرکز مطالعه، هم بر روی سیستم قاب خمشی (که وظیفه اصلی تحمل نیروهای جانبی را دارد) و هم بر روی سیستم قاب ثقلی ساختمان است که معمولاً برای تحمل بارهای قائم طراحی می‌شود. آزمایش‌ها در سطوح مختلفی از لرزش زمین انجام گرفته‌اند تا عملکرد واقعی این سیستم‌ها در هنگام وقوع زلزله بررسی شود.

برای انجام آزمایش، از یک بخش کوچک‌شده‌ی قاب ثقلی ساختمان استفاده شد؛ این بخش شامل یک و نیم دهانه در یک و نیم طبقه بود و در مقیاس نصف (نیم‌مقیاس) ساخته شد. برخلاف آزمایش‌های معمولی که فقط به بررسی اتصال تیر به ستون می‌پردازند، این زیرمجموعه‌ی آزمایشی به‌گونه‌ای طراحی شد که بتواند توزیع واقعی نیروها در تیرها، ستون‌ها، ناحیه‌های پنل (محل اتصال تیر و ستون)، و حتی دال مرکب کف را بازتاب دهد، آن هم در شرایطی که رفتار غیرالاستیک و نزدیک به گسیختگی رخ می‌دهد.

برای شبیه‌سازی شرایط واقعی بارگذاری در ساختمان، علاوه بر نیروهای افقی، نیروهای عمودی با شدت‌های مختلف نیز بر نمونه‌ی آزمایشی اعمال شدند. این شرایط کمک کرد تا آزمایش‌ها به رفتار واقعی سازه در زمان زلزله نزدیک‌تر شوند.

تمرکز اصلی این مقاله بر بررسی عملکرد قاب ثقلی فولادی در برابر نیروهای جانبی و نقش آن در افزایش مقاومت کلی سازه در برابر زلزله است. در این راستا، رفتار قاب تحت بارگذاری جانبی، مکانیسم‌های گسیختگی آن، و نحوه عملکرد اتصالات و اجزای سازه‌ای مورد تحلیل قرار گرفت. همچنین، نتایج آزمایش‌ها با شبیه‌سازی‌های عددی که با استفاده از روش‌های پیشرفته مدل‌سازی انجام شده بودند، مقایسه شد.

یافته‌های این تحقیق اطلاعات ارزشمندی درباره نقش واقعی سیستم قاب ثقلی در عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌های فولادی ارائه می‌دهد. این اطلاعات می‌توانند به بهبود مدل‌های تحلیلی سازه و افزایش دقت در طراحی لرزه‌ای کمک کنند.

مقدمه

سیستم‌های قاب ثانویه مانند سیستم‌های قاب ثقلی در سازه‌های فولادی معمولاً در ارزیابی عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌ها مورد توجه قرار نمی‌گیرند و تمرکز اصلی بر طراحی سیستم‌های اصلی مقاوم در برابر بارهای جانبی است. اتصالات قاب ثقلی معمولاً فقط برای تحمل بارهای ثقلی طراحی شده و انتظار می‌رود مقاومت جانبی کمی ارائه دهند. با این حال، آزمایش‌های چرخه‌ای روی اتصالات تیر به ستون با ورق برشی نشان داده‌اند که این اتصالات ظرفیت ذخیره قابل توجهی دارند. با وجود این، مطالعات محدودی در سطح سیستم برای بررسی تأثیر قاب‌های ثقلی بر پاسخ لرزه‌ای سازه‌ها انجام شده است.

اگرچه آزمایش‌های نیمه‌مقیاس موجود اطلاعات خوبی درباره عملکرد اجزای منفرد سازه‌ای ارائه می‌دهند، اما بازتوزیع نیروها در سازه پس از وقوع آسیب ناشی از زلزله را به طور کامل نشان نمی‌دهند. همچنین، بیشتر این آزمایش‌ها از الگوهای بارگذاری متقارن و از پیش تعیین‌شده استفاده می‌کنند که ممکن است رفتار واقعی سیستم را هنگام زلزله به درستی بازتاب ندهد. نتایج آزمایش‌های میز لرزه نشان داده‌اند که رفتار هیسترزیسی سیستم‌ها در شرایط واقعی بسیار متفاوت از آزمایش‌های اجزای منفرد با بارگذاری چرخه‌ای تقارن یافته است. این موارد ضرورت انجام آزمایش‌های واقعی‌تر در مقیاس سیستم یا زیرسیستم با بارگذاری‌های شبیه‌سازی شده به اثرات زلزله را نشان می‌دهد، هرچند محدودیت‌های مالی و امکانات آزمایشگاهی چالش‌هایی در این زمینه هستند.

روش شبیه‌سازی هیبریدی با زیرتقسیم‌بندی به عنوان یک جایگزین اقتصادی برای آزمایش‌های بزرگ‌مقیاس سیستم‌های قاب مطرح شده است. در این روش، بخش‌های کلیدی سازه در آزمایشگاه بررسی می‌شوند و مابقی سازه به صورت مدل‌های عددی شبیه‌سازی می‌گردند. این دو بخش با تعامل هم پاسخ کلی سیستم را بازآفرینی می‌کنند. این رویکرد برای آزمایش زیربخش‌های بزرگ و واقع‌گرایانه قاب‌های فولادی با مهاربندی خمشی و قاب‌های ثقلی کاربرد دارد و در مطالعات متعددی به بررسی و توسعه آن پرداخته شده است.

این مقاله بر عملکرد لرزه‌ای یک زیربخش از سیستم قاب ثقلی فولادی متمرکز است و همچنین به بررسی اثربخشی ابزارهای مدل‌سازی عددی در شبیه‌سازی پاسخ سازه آزمایشی از آغاز آسیب تا سطوح مختلف شدت لرزه‌ای می‌پردازد. زیربخش مورد مطالعه شامل یک قاب ۱.۵ دهانه و ۱.۵ طبقه همراه با دال کامپوزیت است که روند پیشرفت آسیب در اتصالات تیر به ستون ثقلی و بازتوزیع نیروها در تیرها، ستون‌ها، نواحی پانل و دال کامپوزیت را در حالی که سیستم رفتار غیرخطی از خود نشان می‌دهد، را به نمایش میگذارد.

سازه نمونه مورد بررسی

این مطالعه بر روی یک ساختمان اداری چهارطبقه فولادی انجام شده که سیستم باربر جانبی آن از قاب‌های مهاربندی خمشی فولادی در اطراف ساختمان تشکیل شده است. این قاب‌ها در هر دو جهت بارگذاری دارای تیرهای ویژه‌ای با بخش‌هایی هستند که برای بهبود عملکرد در زلزله به طور خاص طراحی شده‌اند. همچنین، درون ساختمان، سیستم قاب ثقلی وجود دارد که تیرها و ستون‌ها با اتصالات معمولی تیر به ستون به هم متصل شده‌اند.

برای آزمایش‌های این تحقیق، قسمتی از سیستم قاب ثقلی شامل سه دهانه و چند طبقه به صورت مدل نیمه‌کامل انتخاب شده است. ارتفاع هر طبقه به اندازه فاصله تا بالای دال کف در نظر گرفته شده است. آزمایش‌های قبلی روی قاب‌های مهاربندی خمشی فولادی با مقیاس کوچک‌تر انجام شده که رفتار آن‌ها در برابر زلزله بررسی شده است. در این مطالعه، سیستم قاب ثقلی که درون ساختمان قرار دارد و معمولا برای تحمل بارهای ثقلی طراحی می‌شود، به‌صورت دقیق‌تر مورد بررسی قرار گرفته است.

جزئیات مربوط به آزمایش و نتایج قاب‌های مهاربندی خمشی در مطالعات گذشته گزارش شده‌اند، اما تمرکز این تحقیق بیشتر بر عملکرد سیستم قاب ثقلی و نحوه توزیع نیروها در آن هنگام اعمال بارهای لرزه‌ای است.

نمونه آزمایش و روشهای انجام آزمایش

در این مطالعه، یک زیرمجموعه‌ی سازه‌ای شامل ۱۲ دهانه در راستای افقی و یک و نیم طبقه در راستای عمودی، برگرفته از سیستم قاب ثقلی، با استفاده از شبیه‌سازی ترکیبی و روش زیرسازه‌سازی مورد آزمایش قرار گرفت. در این روش، مدل واقعی بزرگی از سازه به گونه‌ای طراحی شده بود که تنها بخش‌های کلیدی به صورت فیزیکی در آزمایشگاه مورد بررسی قرار گیرند و سایر بخش‌ها به‌صورت عددی شبیه‌سازی شوند.

برای ساده‌سازی شرایط مرزی در بخش فیزیکی سازه، از مفصل‌های لولایی در میانه‌ی تیرها و ستون‌ها استفاده شد، مشابه آنچه در نمونه‌های صلیبی یا T شکل مرسوم است. این ساده‌سازی باعث کاهش نیاز به تعداد زیاد محرک‌ها (actuator) شده و در عین حال از پیچیدگی‌های کنترل چرخش در مرزها جلوگیری می‌کند. با این حال، به‌کارگیری یک ناحیه‌ی همپوشان بین بخش فیزیکی و بخش عددی باعث شد که دقت شبیه‌سازی حفظ شود و اثر ساده‌سازی شرایط مرزی به حداقل برسد.

در این آزمایش، اثر نیروهای محوری ستون‌ها ناشی از بارهای ثقلی نیز در نظر گرفته شد. سیستم عددی با استفاده از نرم‌افزار تخصصی شبیه‌سازی مهندسی زلزله طراحی و پیاده‌سازی شد و ارتباط آن با بخش فیزیکی سازه از طریق یک چارچوب نرم‌افزاری متن‌باز برای کنترل و یکپارچه‌سازی سیستم‌های آزمایشگاهی برقرار شد. تحلیل‌های پیشین برای ارزیابی خطاهای عددی و آزمایشگاهی نیز در طراحی الگوریتم‌های ترکیب و کنترل سیستم‌های محرک لحاظ شده تا نتایج قابل اطمینان‌تری حاصل شود.

مدل ترکیبی قاب خمشی فولادی و قاب ثقلی

برای شبیه‌سازی رفتار لرزه‌ای ساختمان مجهز به قاب خمشی فولادی همراه با قاب‌های ثقلی، یک مدل ترکیبی در مقیاس نیمه ساخته شد. این مدل شامل دو بخش بود: زیرسازه‌ی فیزیکی و زیرسازه‌ی عددی. بخش فیزیکی نماینده‌ی واقعی از قاب ثقلی بوده و بخش عددی، رفتار قاب‌های خمشی فولادی را به‌طور کامل شبیه‌سازی می‌کرد. این مدل ترکیبی، مشارکت هم‌زمان دو قاب خمشی و سه قاب ثقلی را همانند ساختمان اصلی در نظر گرفته است.

در طراحی مدل، فرض بر این بود که تمام ستون‌های ثقلی دارای ابعاد یکسان، پیوسته و با محور قوی در جهت نیروی جانبی قرار دارند. این فرض باعث شد تا سهم واقعی قاب‌های ثقلی در رفتار سازه به دقت لحاظ شود.

بخش فیزیکی مدل که تقریباً نیمی از طبقه‌ی اول را پوشش می‌دهد، با هدف بررسی دقیق پاسخ قاب طبقه‌ی همکف انتخاب شده بود. در این مدل، تیرها و ستون‌ها به گونه‌ای در نظر گرفته شده‌اند که نیمی از طول واقعی خود را حفظ کنند تا شرایط مرزی واقعی‌تر شبیه‌سازی شود. محدوده‌ی مرزی بین بخش‌های فیزیکی و عددی نیز به‌وضوح مشخص شده است.

برای اطمینان از یکپارچگی بین بخش فیزیکی و عددی، در ناحیه‌ای مشترک، مدل عددی تا حدی با مدل فیزیکی همپوشانی دارد. این ناحیه امکان مقایسه‌ی پاسخ واقعی و پیش‌بینی‌شده را در محل اتصال‌ها فراهم می‌کند. ابعاد مدل فیزیکی بر اساس مقیاس طولی ۰.۵ طراحی شده و به‌همین دلیل گام‌های زمانی حرکات زمین نیز با در نظر گرفتن قوانین تشابه فیزیکی، متناسب با ضریب زمانی حدود ۰.۷۰۷ تنظیم شده‌اند.

مقاطع تیر و ستون استفاده‌شده در مدل ترکیبی نیم‌مقیاس، به‌گونه‌ای انتخاب شده‌اند که مشخصات هندسی کلیدی مانند ممان اینرسی، مساحت مقطع، مدول پلاستیک و نسبت‌های لاغری جان و بال مقطع را به‌خوبی بازتاب دهند. این ویژگی‌ها تأثیر مستقیمی بر نحوه کاهش مقاومت و سختی مقاطع فولادی رایج دارند و برای شبیه‌سازی دقیق رفتار آن‌ها در برابر نیروهای جانبی ضروری هستند.

طراحی و ساخت نمونه آزمایشی (زیرسازه فیزیکی)

نمونه‌ی آزمایشی طراحی شده ، به‌گونه‌ای ساخته شد که ویژگی‌های واقعی سازه‌های اسکلت فلزی در مقیاس کامل را تا حد زیادی حفظ کند. تیرهای کف از نوع W12×16 با استفاده از اتصالات برشی ساده تک‌ردیفی (shear-tab) به ستون‌های W6×20 متصل شدند. این نوع اتصال، نمایانگر اتصالات معمول در قاب‌های ثقلی است.

دال کامپوزیت کف از بتن سبک با مقاومت فشاری 20 مگاپاسکال در 28 روز تشکیل شده بود که روی ورق فلزی موج‌دار (deck) به ضخامت 20GA ریخته شد. ضخامت کل دال برابر 83 میلی‌متر بود (38 میلی‌متر عمق ورق فلزی و 44 میلی‌متر بتن روی آن). برای تقویت دال، مش فولادی جوش‌شده‌ای در کل سطح به همراه میلگردهایی با قطر 9.5 میلی‌متر در راستای تیر اصلی برای کنترل ترک‌ها استفاده شد.

برای انتقال نیرو بین دال و تیرها، از گل‌میخ‌های برشی به قطر 9.5 میلی‌متر و طول 63.5 میلی‌متر با فاصله 152 میلی‌متر از یکدیگر استفاده شد. این جزئیات باعث ایجاد یک عملکرد کامپوزیت جزئی معادل حدود 20 درصد می‌شود که ظرفیت انتقال بار گل‌میخ‌ها را نسبت به برش نهایی قابل تحمل بین تیر فولادی و دال مشخص می‌کند.

به‌منظور حفظ تقارن و جلوگیری از ایجاد پاسخ خارج از صفحه در طول آزمایش، دال بتن به اندازه 610 میلی‌متر در هر طرف تیر گسترش یافته است. این عرض دال مطابق با عرض مؤثر تعیین‌شده در استاندارد طراحی برای تیرهای داخلی قاب ثقلی در نظر گرفته شده است. تیرهای کف علاوه بر دال، وزن صفحات فولادی شبیه‌سازی‌کننده بار ثقلی را نیز تحمل می‌کنند. همان‌طور که در شکل 3 نشان داده شده، یک تیرک فولادی مربعی (HSS6×6×1/2) برای انتقال نیروی افقی از جک به نمونه استفاده شده است.

جزئیات اتصال برشی تیر به ستون در شکل 4(b) آمده است. ابعاد اتصال نصف مقیاس واقعی بوده، ولی قطر پیچ‌ها 12 میلی‌متر باقی مانده است. تمام مقاطع فولادی مورد استفاده شامل تیرها، ستون‌ها و صفحات تقویتی از فولاد A572 درجه 50 با تنش تسلیم 345 مگاپاسکال ساخته شدند، به‌جز صفحات shear-tab که از فولاد A36 با تنش تسلیم 235 مگاپاسکال ساخته شدند. اتصال ستون‌ها به پایه نیز با جزئیات ساده‌ای اجرا شد که در طراحی‌های رایج استفاده می‌شود؛ این اتصال شامل صفحه پایه به ضخامت 13 میلی‌متر و چهار پیچ به قطر 13 میلی‌متر بود. هرچند این اتصالات معمولاً به‌عنوان اتصال مفصلی فرض می‌شوند، اما در عمل مقداری سختی از خود نشان می‌دهند که در این آزمایش نیز اندازه‌گیری و تأیید شد.

در جدول پایین، مقدار تنش تسلیم و نهایی نمونه‌های فولادی مورد استفاده در تیرها، ستون‌ها و صفحات اتصال آورده شده است. میانگین تنش تسلیم برای تیرهای W12×16 برابر با 338 مگاپاسکال و برای ستون‌های W6×20 برابر با 365 مگاپاسکال به دست آمد. همچنین، به‌منظور ارزیابی خواص بتن، چهار نمونه استوانه‌ای آزمایش شدند؛ دو عدد در 28 روز و دو عدد در روز آزمایش هیبریدی (روز 51). نتایج این آزمایش‌ها نیز در جدول پایین  آمده است، البته به‌جز یکی از نمونه‌ها که به دلیل مشکل دستگاه، نتیجه‌ای ثبت نشد.

مدل سازی عددی زیرسازه ها

زیرسازه‌های عددی شامل قاب خمشی فولادی و سایر بخش‌های قاب ثقلی با استفاده از نرم‌افزار OpenSees و روش پلاستیسیته متمرکز مدل‌سازی شدند. رفتار غیرخطی لنگر-چرخش اتصالات تیر به ستون از نوع shear-tab با استفاده از مدل هیسترزیس پیشنهادی Lowes و Altoontash که بعداً توسط Mitra اصلاح شده بود شبیه‌سازی گردید. این مدل پیش‌تر با داده‌های آزمایشگاهی اتصالات معمولی shear-tab کالیبره شده بود. برای شبیه‌سازی رفتار احتمالی غیرخطی در تیرها و ستون‌های سیستم قاب ثقلی نیز از المان‌های مفصل پلاستیک غیرخطی بر پایه مدل Lignos و Krawinkler استفاده شد. در منطقه پنل، اعوجاج برشی غیرالاستیک با مدل Krawinkler لحاظ گردید و همچنین غیرخطی‌های هندسی نظیر اثرات P-Delta نیز در مدل‌سازی منظور شدند.

در این مدل عددی، انعطاف‌پذیری واقعی پای ستون‌ها که از آزمایش‌های فیزیکی به‌دست آمده بود، با استفاده از تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر بازسازی شد. از آنجا که در جهت بارگذاری، تعداد قاب‌های خمشی کمتر از قاب‌های ثقلی بود، مدل عددی قاب خمشی به‌صورت مستقل و جداگانه در OpenSees ساخته شد و سپس از طریق ابزار OpenFresco به مدل قاب ثقلی متصل گردید. در فرآیند این اتصال، بردار نیروی برگشتی از زیرسازه عددی قاب خمشی به الگوریتم انتگرال‌گیری با ضریب ۲/۳ اعمال شد تا نسبت واقعی قاب‌ها در مدل لحاظ گردد. همچنین برای حفظ سازگاری حرکتی، جابه‌جایی جانبی دیافراگم‌های طبقات قاب خمشی و قاب ثقلی در هر طبقه با یکدیگر محدود شدند.

برای لحاظ کردن میرایی، از مدل میرایی ویسکوز نوع Rayleigh استفاده شد که براساس رویکرد پیشنهادی Zareian و Medina توسعه یافته بود. در این مدل، نسبت میرایی معادل ۲ درصد برای دو فرکانس طبیعی اول قاب خمشی در نظر گرفته شد. تحلیل‌های ترکیبی با استفاده از نسخه اصلاح‌شده روش ضمنی Newmark با تعداد ثابت تکرار در هر گام زمانی اجرا شدند. به‌دلیل پیچیدگی مدل عددی و شدت بالای شتاب‌های ورودی در برخی از حرکات زمین، لازم بود که گام زمانی انتگرال‌گیری به مقدار بسیار کوچک 0.00117 ثانیه کاهش یابد و در هر گام نیز هشت تکرار انجام گیرد. برای اطمینان از دقت و پایداری این تنظیمات، نتایج مدل ترکیبی با مدل عددی سنتی که پیش از آزمایش برای پیش‌بینی پاسخ استفاده شده بود، مقایسه و اعتبارسنجی شد.

تجهیز نمونه آزمایشی به ابزارهای اندازه‌گیری

کرنش‌سنج‌های تک‌محوره

در مجموع، ۳۹ عدد کرنش‌سنج تک‌محوره به‌صورت هدفمند بر روی اجزای فولادی نمونه آزمایشگاهی نصب شدند؛ همان‌طور که در تصاویر مشاهده می کنید، هدف از این چیدمان، محاسبه توزیع لنگر خمشی و نیروی محوری در طول تیرها و ستون‌های فولادی بود. این کرنش‌سنج‌ها در مقاطع مختلف تیر و ستون نصب شدند تا بتوان با فرض توزیع خطی تنش، نیازهای خمشی و محوری اعضا را تخمین زد.

در مقاطع تیرهایی که دارای دال کامپوزیت بودند، نیروهای داخلی از طریق برقراری تعادل در گره و با در نظر گرفتن لنگرهای ستون و صرف‌نظر از اثر نیروی برشی، محاسبه شدند. برای گره داخلی که شامل دو تیر کامپوزیت بود، لنگر موجود در نیم‌تیر امتدادی از طریق نیروی محوری عضو قائم (لینک عمودی) محاسبه گردید.

در مدل هیبریدی، نیروی برشی و لنگر در انتهای فوقانی ستون‌های طبقه اول، به‌صورت نیروی بازخوردی از زیرسامانه آزمایشگاهی دریافت شد. لازم به ذکر است که اندازه‌گیری‌های سیستم ابزار دقیق، در ابتدای شبیه‌سازی هیبریدی روی صفر تنظیم شده بودند. بنابراین، مقادیر لنگر و چرخش ارائه‌شده از زیرسامانه فیزیکی در ادامه، شامل تأثیرات بار مرده اولیه یا نیروی گرانشی ناشی از وزن سازه نمی‌باشند.

پتانسیومترهای جابجایی خطی و سیمی

برای اندازه‌گیری دوران‌های وتر در محل اتصالات برشی تیرها و ستون‌ها، و نیز تغییرشکل‌های برشی در ناحیه پنل ستون، از مجموعه‌ای متشکل از پتانسیومترهای جابجایی سیمی و خطی استفاده شد. دوران ستون‌ها بر روی طولی معادل ۶۶۰ میلی‌متر و دوران تیرها بر روی طول ۷۶۲ میلی‌متر مورد اندازه‌گیری قرار گرفت. همچنین، حسگرهای اضافی برای ارزیابی پاسخ خارج از صفحه نمونه به کار گرفته شدند. این حسگرها در محل اتصالات اصلی قاب و نیز در سر عملگرهای افقی نصب شدند تا میزان جابجایی نسبی آن‌ها نسبت به سطح پایه تعیین شود. هدف از این آرایش، دستیابی به داده‌هایی دقیق برای بررسی عملکرد اجزای مختلف قاب تحت بارگذاری جانبی بود.

سیستم ردیابی مختصاتی با نور مادون قرمز

در این بخش از آزمایش، از سیستم ردیابی مختصاتی مبتنی بر نور مادون قرمز استفاده شد که شامل تعدادی دیود نورافشان نصب‌شده در اطراف ستون انتهایی قاب بود. این سیستم با استفاده از دوربین‌های مادون قرمز، موقعیت سه‌بعدی دیودها را در فواصل زمانی مشخص ردیابی می‌کرد. با وجود محدودیت در میدان دید دوربین‌ها، موقعیت‌یابی دقیق در نواحی کلیدی مانند محل اتصال تیر به ستون، انتهای تیرها و ستون‌ها، و ناحیه پنل ستون امکان‌پذیر شد. همچنین، تغییرشکل‌های پایه ستون انتهایی نیز با همین روش ثبت گردید. بهره‌گیری از این ابزار دقیق، امکان تحلیل بهتر توزیع تغییرشکل‌ها در بخش‌های مختلف قاب و اعتبارسنجی مؤثرتر مدل‌های عددی را فراهم ساخت.

قاب پشتیبانی و شرایط مرزی در آزمایش

در این آزمایش، تجهیزاتی طراحی شده بود که بتوانند بارهای جانبی و عمودی را به نمونه آزمایش وارد کنند. نمونه آزمایش بر روی یک سطح مقاوم نصب شده بود و با استفاده از دو صفحه فولادی در بخش پایه ستون‌ها قرار گرفته بود. این صفحات باعث ایجاد انعطاف‌پذیری محدودی در محل تکیه‌گاه ستون‌ها شدند که سختی چرخشی معادل آن با استفاده از سیستم اندازه‌گیری دقیق تعیین شده بود. بار جانبی توسط دو محرک افقی اعمال می‌شد که میزان جابجایی‌های جانبی را در طبقه اول و میانه طبقه دوم کنترل می‌کردند. عضو رابط افقی بارهای جانبی را از محرک بالایی به بالای ستون‌های نمونه آزمایش منتقل می‌کرد. محرک پایینی نیز به سطح کف نمونه آزمایش از طریق تیر بارگذاری اتصال یافته بود. این تیر بارگذاری به ستون انتهایی جوش داده شده و توسط چهار میلگرد فولادی که در بتن صفحه کف تعبیه شده بودند، مهار شده بود. میلگردها به گونه‌ای قرار گرفته بودند که از مرکز تیر فاصله کافی داشته باشند تا از تقویت اتصال جلوگیری شود. اگرچه هدف این اتصال، انتقال بخشی از بارهای جانبی از طریق صفحه کف بود که به واقعیت نزدیک‌تر است، اما مسیر مستقیم‌تر و سختی بیشتر اتصال جوشی باعث می‌شد بیشتر بار جانبی مستقیماً به ستون انتهایی منتقل شود. سپس این بار به صورت نیروی محوری از طریق تیر به ستون دیگر منتقل می‌شد. این مسیر بارگذاری کمی متفاوت از سیستم سازه‌های واقعی است که نیروهای اینرسی کف از طریق تیرهای جمع‌کننده به قاب منتقل می‌شوند. این نکته باید در مطالعات آتی برای بررسی دقیق‌تر اثرات عملکرد مرکب در رفتار سازه‌های فولادی مورد توجه قرار گیرد.

بارهای ثقلی در طبقه اول بالاترین بخش سازه فیزیکی با استفاده از چهار صفحه فولادی با وزن هر کدام 37.8 کیلو نیوتن شبیه‌سازی شد. این صفحات بر روی سازه فیزیکی بار ثقلی قرار گرفتند تا بار مرده یکنواختی معادل 4.3 کیلو پاسکال (90 پوند بر فوت مربع) و 25 درصد از بار زنده تعیین شده در آیین‌نامه معادل 2.4 کیلو پاسکال (50 پوند بر فوت مربع) را شبیه‌سازی کنند. بارهای ثقلی اضافی از طبقات بالاتر بر ستون‌های سازه فیزیکی با استفاده از دو محرک عمودی اعمال شد. برای این محرک‌های عمودی، یک قاب واکنش در بالای قاب تکیه‌گاهی نصب شده بود. یک اتصال راهنمای عمودی بین قاب واکنش و عضو رابط افقی طراحی شده بود که شامل یک لوله فولادی عمودی بود که در داخل یک لوله بیرونی آزادانه می‌لغزید. لوله داخلی به عضو رابط افقی در پایین متصل بود و لوله بیرونی به قاب واکنش در بالا وصل شده و به گونه‌ای تقویت شده بود که زاویه قائمه حفظ شود. این اتصال باعث ایجاد همبستگی افقی بین قاب واکنش و عضو رابط افقی می‌شد بدون اینکه نیروهای عمودی منتقل شوند. این طراحی کمک می‌کرد تا محرک‌های کنترل نیرو که بین این دو عضو نصب شده‌اند، در راستای عمودی حفظ شده و تغییر مکان‌های عمودی آن‌ها به راحتی انجام شود.

یک قاب پشتیبانی در اطراف سازه فیزیکی نصب شده بود تا حمایت خارج از صفحه‌ای را فراهم کند و به عنوان قاب واکنش برای محرک‌های عمودی عمل نماید. اجزای مختلف این سامانه آزمایشی شامل قاب پشتیبانی، قاب واکنش و اعضای رابط افقی و عمودی از طریق بست‌های دوشاخه‌ای به هم متصل شده بودند. این اتصال‌ها اجازه می‌دادند که هنگام اعمال بارهای جانبی، قاب پشتیبانی به صورت نوسانی حرکت کرده و سازه فیزیکی را در جهت بارگذاری هدایت کند، در حالی که مقاومت جانبی حداقلی ایجاد می‌کرد. بست‌های دوشاخه‌ای در بالای ستون‌ها و انتهای تیر پیش‌آمده تعبیه شده بود تا شرایط مرزی در محل اتصال با سازه عددی ساده‌تر شود. قسمت پیش‌آمده تیر در طبقه اول توسط یک عضو رابط عمودی که در بالا و پایین به بست‌های دوشاخه‌ای مجهز بود، مهار شده بود تا تغییر مکان عمودی در نوک آن محدود شود و نیروهای وابسته به تغییر مکان جانبی در اتصال ثابت ایجاد گردد. چرخش‌ها و گشتاورهای مرزی به طور کامل اعمال نشده بودند، چرا که اعمال آن‌ها با محرک‌های هیدرولیکی خطی دشوار است. با این حال، این شرایط مرزی ساده شده با ناحیه همپوشانی، بخشی از راهکار تقسیم‌بندی سازه برای اعمال نیروهای معادل در اتصالات بود.

پروتکل بارگزاری

مدل ترکیبی به ترتیب تحت چهار سطح مختلف از شدت بارگذاری لرزه‌ای قرار گرفت که به ترتیب به ۲۵٪، ۱۰۰٪، ۱۶۰٪ و ۲۰۰٪ مقیاس شده بودند. دامنه این بارگذاری‌ها بر اساس شرایط لرزه‌ای شدید طراحی شده بود تا پاسخ سازه در بازه‌های مختلف شدت زمین‌لرزه بررسی شود. سطح ۱۰۰٪ نمایانگر زلزله طراحی شده سازه است و سطوح ۱۶۰٪ و ۲۰۰٪ نشان‌دهنده رویدادهای شدیدتر و با احتمال وقوع کمتر هستند که ممکن است منجر به خرابی سازه شوند. این روش بارگذاری کمک می‌کند تا رفتار سازه در برابر زلزله‌های با شدت‌های مختلف به صورت جامع ارزیابی گردد.

نتایج تجربی

شبیه‌سازی‌های ترکیبی (Hybrid) دیدگاه جامعی درباره رفتار زیرمجموعه قاب ثقلی مورد آزمایش ارائه دادند؛ به‌طوری که مشخص شد آسیب‌ها عمدتاً در اتصالات شیار-تب (shear-tab) متمرکز بوده و تیرها و ستون‌های سازه‌ای تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی نداشته‌اند. این اتصالات توانستند چرخش‌های بزرگی (تا حدود 0.10 رادیان) را تحمل کنند و در عین حال ظرفیت باربری عمودی خود را حفظ نمایند. این نتایج با یافته‌های قبلی در خصوص رفتار چرخه‌ای اتصالات ثقلی هماهنگ است.

جدول پایین ترتیب آزمایش‌ها و مقادیر اوج جابجایی‌های سقف و نسبت انحراف طبقات در مدل ترکیبی را به‌عنوان مرجع نشان می‌دهد. شکل 6 تاریخچه جابجایی طبقه اول در چهار آزمایش شبیه‌سازی ترکیبی را نمایش می‌دهد و پیش‌بینی‌های عددی قبل از آزمایش نیز در همان شکل برای مقایسه ارائه شده‌اند. پاسخ کلی مدل ترکیبی با پیش‌بینی‌های عددی پیش‌آزمایشی، حتی در حرکت‌های شدید زمین‌لرزه، تطابق خوبی داشت. انعطاف‌پذیری پایه ستون‌ها پیش از آزمایش به‌صورت تجربی اندازه‌گیری و در مدل عددی ترکیبی لحاظ شده بود. گرچه سهم نیروی برشی زیرمجموعه فیزیکی که بخش قاب ثقلی را نشان می‌دهد در پاسخ کلی قاب کم بود، تطابق با شبیه‌سازی‌های عددی پیش‌آزمایشی نشان می‌دهد که نتایج قابل اعتمادی از شبیه‌سازی ترکیبی به‌دست آمده است.

با وجود اینکه زیرمجموعه فیزیکی بخشی از قاب ثقلی است و انتظار می‌رفت نقش کمی در مقاومت جانبی کل قاب داشته باشد، اختلاف قابل توجهی در تغییر شکل‌های باقیمانده در انتهای سری آزمایش‌های شبیه‌سازی ترکیبی مشاهده شد که عمدتاً در شدت لرزه‌ای معادل 200 درصد ایجاد شده بود. این تغییر شکل‌های باقیمانده ناشی از تجمع تغییر شکل‌های پیشین از شدت‌های لرزه‌ای قبلی است که به پارامترهای مدل‌سازی بسیار حساس می‌باشند. تأثیر مدل‌های عددی مرتبط با اتصالات شیار-تب تیر به ستون، تیرها، ستون‌ها و نواحی پنل در بخش‌های بعدی با جزئیات بیشتری بررسی خواهد شد.

رفتار هیسترزیسی اتصالات تیر به ستون با شیربرگ

شکل ۷ رابطه‌ی لحظه-چرخش استنتاج شده را نشان می‌دهد و شکل ۸ تصاویر مربوط به وضعیت آسیب اتصال شیربرگ «A» در زیرسازه فیزیکی را به نمایش می‌گذارد. موقعیت اتصالات شیربرگ، با نام‌های «A»، «B» و «C» در طرح بالای شکل ۷ مشخص شده است. این اتصالات در محدوده‌ی هم‌پوشانی قرار دارند و مدل عددی نیز پاسخ شبیه‌سازی شده همین اتصالات را شامل می‌شود که امکان مقایسه را فراهم می‌کند. تفاوت در مقاومت و سختی همراه با تکنیک زیرسازه، منجر به توزیع مجدد نیروها بین اتصالات تجربی و عددی شده است، که این موضوع در شدت‌های بالاتر لرزه‌ای قابل مشاهده است. بیشینه چرخش‌های غیرخطی در هر نمودار مشخص شده و در جدول پایین برای همه اتصالات تیر به ستون فیزیکی خلاصه شده است.

پاسخ اتصال شیربرگ در شکل ۷ شامل شبیه‌سازی اولیه الاستیک هیبریدی HS02-Sine و آزمون HS02-25%F است. آزمون دوم به دلیل مشکلات مربوط به کنترل شبیه‌سازی هیبریدی، بارگذاری بالاتری از حد انتظار ایجاد کرد که بعدها تکرار شد. پاسخ اولیه با دامنه پایین اتصال شیربرگ در این دو آزمون مقدماتی نشان داده شده است. به دلیل اعمال بار ناشی از نیروی ثقلی روی نمونه فیزیکی با استفاده از عملگرها در ابتدای شبیه‌سازی هیبریدی، روابط لحظه-چرخش اتصالات شیربرگ فیزیکی در بیشتر موارد به صورت عمودی جابه‌جا شدند. این جابجایی عمودی در داده‌های اندازه‌گیری حفظ شده است تا پاسخ اوج بهتر ثبت شود، هرچند ممکن است باعث اختلافی بین داده‌های فیزیکی و عددی شود. شکل ۸ تصاویر مربوط به حالت‌های مختلف آسیب را نشان می‌دهد که یا در پایان شبیه‌سازی گرفته شده‌اند یا پس از رخداد بیشینه تغییرشکل‌ها، که مستقیماً با بیشینه چرخش‌های نشان داده شده در شکل‌ها مرتبط هستند.

پاسخ سه اتصال شیربرگ (فیزیکی و عددی) در اولین شبیه‌سازی هیبریدی مقدماتی با حرکت زمین سینوسی (HS02-Sine) الاستیک باقی ماند، همان‌طور که در شکل ۷ (الف) مشاهده می‌شود. سختی چرخشی الاستیک اتصالات شیربرگ A، B و C از اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی به ترتیب برابر با ۲۲.۶ (۲٫۰×۱۰⁵)، ۳۳.۹ (۳٫۰×۱۰³) و ۱۴.۷×۱۰³ کیلو نیوتن-متر (۱٫۳×۱۰⁵ کیپ-اینچ بر رادیان) برآورد شد. این مقادیر نسبت به مقدار پیش‌بینی شده در مدل عددی که برابر با ۴.۵×۱۰³ کیلو نیوتن-متر (۰.۴×۱۰⁵ کیپ-اینچ بر رادیان) و مبتنی بر نتایج آزمایش‌های Liu و Astaneh-Asl [1] بود، به طور قابل توجهی بیشتر است. اولین تلاش برای شبیه‌سازی هیبریدی (HS02-25%F) به طور غیرمنتظره باعث ایجاد تغییر شکل نسبی طبقه اول زیرسازه فیزیکی تا حداکثر نسبت جابه‌جایی بین طبقات ۱.۵٪ شد. شکل ۷ (ب) نشان می‌دهد که پاسخ لحظه-چرخش اندازه‌گیری شده، واکنش غیرالاستیک متوسطی (با چرخش‌های در حدود ۰.۰۱ رادیان) داشت که عمدتاً ناشی از اصطکاک بین صفحه شیربرگ و وب تیر بود. همچنین، سفت‌شدگی جزئی که احتمالاً به دلیل تحمل پیچ‌ها است، مشاهده شد. بازبینی بصری اتصالات شیربرگ، پوسته‌ریزی رنگ سفید را نشان داد که نشان‌دهنده حرکت نسبی بین صفحه شیربرگ و وب تیر است.

تکرار موفق آزمایش زلزله در سطح خدمات (HS02-25%) در شکل ۷ (ج) پاسخ هیسترزیس پایدار برای اتصالات شیربرگ را نشان می‌دهد. اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک بین صفحه شیربرگ و وب تیر در زیرسازه عددی قاب ثقلی که عمدتاً خطی باقی ماند، ثبت نشد. در شدت زلزله MCE (HS02-100%)، پاسخ هیسترزیس پینچ شده به دلیل تحمل پیچ مشاهده شد. در این حالت، مدل عددی این رفتار و همچنین اوج تنش خمشی اتصال شیربرگ فیزیکی را به طور معقولی ثبت کرد، همان‌طور که در شکل ۷ (د) دیده می‌شود. تغییر شکل پلاستیک جزئی وب تیر نزدیک اتصال برای اتصال شیربرگ “A” که در شکل ۸ (ب) نشان داده شده بود، مشهود بود. تا سطح شدت زلزله MCE، اتصالات شیربرگ رفتار چکش‌خوار از خود نشان دادند که عمدتاً تحت تأثیر (۱) اصطکاک بین صفحه شیربرگ و وب تیر و (۲) تغییر شکل پلاستیک صفحه شیربرگ در نزدیکی سوراخ‌های پیچ و همچنین تغییر شکل پلاستیک وب تیر در اتصال بیرونی “A” بود.

در شدت‌های لرزه‌ای فراتر از MCE، پاسخ اتصال شیربرگ تحت تأثیر گیرپاژ کناره تحتانی فلنج تیر به سطح ستون قرار گرفت. در اتصال “A” و در آزمایش HS02-160%، گیرپاژ در حدود 0.02 رادیان تحت خمش منفی رخ داد که منجر به افزایش تقاضای گشتاور درون اتصال شد. این پدیده در سایر اتصالات شیربرگ (B و C) اتفاق نیفتاد، زیرا این اتصالات داخلی معمولاً در این سطح چرخش کمتری را تجربه می‌کنند. در آزمایش HS02-200%، اتصال C نیز نشانه‌هایی از گیرپاژ در حدود -0.02 رادیان نشان داد، در حالی که اتصال B عمدتاً تحت خمش مثبت بارگذاری شد و گیرپاژ در آن مشاهده نشد. شواهد گیرپاژ برای اتصال A در شکل‌های ۷ (e,f) و ۸ (c,d) نشان داده شده است. اگرچه گیرپاژ می‌تواند منجر به ایجاد لولاهای پلاستیک در ستون ثقلی شود، این اتفاق در طول آزمایش‌های شبیه‌سازی ترکیبی رخ نداد. آزمون‌های استاتیکی غیرخطی (پوش‌آور) بعدی تا مرحله شکست این رفتار را به وضوح نشان دادند

قابل توجه است که در هیچ‌یک از اتصالات، شکستگی پیچ‌ها یا صفحه شیربرگ مشاهده نشد. این موضوع در تضاد با برنامه آزمایشی لیو و آستانه‌اصل [1] است که در آن‌ها شکستگی پیچ‌ها و صفحات شیربرگ پس از گیرپاژ گزارش شده بود. این تفاوت عمدتاً به دلیل استفاده از تیرهای عمیق‌تر در برنامه آزمایشی لیو و آستانه‌اصل و همچنین تجمع آسیب‌های پیش از شکست ناشی از تاریخچه بارگذاری متقارن استاندارد است. مشاهدات مشابهی درباره تفاوت‌های بین پروتکل‌های بارگذاری و آزمایش‌های لرزه‌ای پیش از شکست در مطالعات لیگنوس و همکاران [9] و لیگنوس و کراوینکلر [18] و همچنین آزمایش‌های اخیر شکست ستون‌های فولادی [38-39] مورد بحث قرار گرفته است. تفاوت‌های مشاهده شده در مقاومت خمشی اندازه‌گیری شده در برنامه آزمایشی حاضر و برنامه لیو و آستانه‌اصل به استفاده از تیرهای کم‌عمق در این برنامه و تیرهای عمیق در برنامه دیگر نسبت داده می‌شود.

دال بتنی

آسیب در دال بتنی محدود به نواحی اطراف ستون‌ها بود. تخریب کمی از سطح بتن در اطراف ستون داخلی مشاهده شد که در شکل ۹ نشان داده شده است، در حالی که ترک قطری در اطراف ستون شرقی به دلیل نیروهای جانبی منتقل شده توسط عملگر افقی ایجاد شد. با وجود برخی نشانه‌های آسیب در دال بتنی، دال کف بتن‌ آرمه توانایی تحمل بار قائم خود را در حالی که بار مرده را حمایت می‌کرد، از دست نداد. این موضوع قابل توجه است، به ویژه با در نظر گرفتن گستردگی آسیب غیرخطی مشاهده شده در سیستم‌های کف مرکب اطراف ستون‌های فولادی در اتصالات تیر به ستون کاملاً مهار شده معمولی.

ستون‌های فولادی

هر دو ستون در آزمایش به طور کلی در طول سری آزمایش‌ها رفتار الاستیک خود را حفظ کردند، به جز ناحیه‌ای نزدیک به پایه ستون‌ها که پوسته‌ریزی رنگ سفید نشان‌دهنده تغییر شکل پلاستیک فلنج‌ها بود. روابط گشتاور-چرخش مربوطه این مشاهدات را تأیید کردند. در حالی که سطح نیروهای محوری برای ستون داخلی و ستون انتهایی (خارجی) به ترتیب ۱۳٪ و ۲۶٪ از مقاومت محوری پیش‌بینی‌شده ستون (تعریف شده به‌عنوان مساحت مقطع ستون ضرب در تنش تسلیم اندازه‌گیری شده ماده) بود، این مقادیر به ترتیب تا ۱۷٪ و ۲۷٪ در بالاترین شدت حرکت زمین به دلیل اثرات واژگونی دینامیکی کمی افزایش یافتند.

در آخرین شبیه‌سازی هیبریدی در HS02-200٪، دو پیچ در هر صفحه پایه ستون (مجموعاً ۴ پیچ) در اثر کشش شکستند که در شکل ۱۰ نشان داده شده است. در حالی که میله‌های انکر معمولاً در فونداسیون بتنی جاسازی شده و طول بیشتری دارند، طول ساق پیچ در این آزمایش تنها ۳۸.۱ میلی‌متر (۱.۵ اینچ) بود که تقریباً ۲۵.۴ میلی‌متر (۱.۰ اینچ) از این طول به‌طور کامل در صفحات پایه نصب شده بود. این موضوع تنها طول کوتاهی از پیچ را برای جذب تغییر شکل‌های محوری باقی گذاشت و می‌تواند باعث ایجاد کرنش‌های بالاتری نسبت به میله‌های انکر در کاربردهای واقعی شود. شکست پیچ‌ها در نسبت رانش طبقه اول بین ۳.۷٪ تا ۴.۷٪ رخ داد. پایه‌های ستون‌های زیرساخت فیزیکی در این نقطه مقاومت گشتاور خود را از دست داده و شروع به تاب خوردن کردند. تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر زیرساخت عددی (مدل شده با فنرهای الاستیک) امکان تغییر شکل پلاستیک در پایه ستون‌های عددی را در دو شبیه‌سازی هیبریدی آخر (HS01-160٪ و HS01-200٪) فراهم کردند. بنابراین، اگرچه این تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر به بهبود پیش‌بینی‌ها در بارگذاری‌های کم کمک کردند، اما در بارهای زیاد در شبیه‌سازی‌های هیبریدی HS02-160٪ و HS02-200٪ نتایج غیرواقعی تولید کردند. لازم به ذکر است که تغییر شکل‌های الاستیک برای مدل عددی در شکل ۱۰ (الف) نشان داده نشده است.

اتصال منطقه پانل تیر به ستون

بازرسی چشمی اتصالات تیر به ستون نشان داد که در آخرین شبیه‌سازی هیبریدی با شدت ۲۰۰٪ از حرکت زمین LGPC (HS02-200%)، تغییر شکل پلاستیک جزئی در منطقه پانل رخ داده است. این موضوع همچنین از پوسته‌ریزی رنگ سفید در شکل ۸ قابل مشاهده است. اندازه‌گیری‌های تغییر شکل منطقه پانل امکان‌پذیر نبود زیرا تیرهای عرضی کف در مسیر دید دوربین کریپتون قرار داشتند و نصب حسگرهای جابجایی را ناممکن ساختند.

صفحات پایه ستون