بررسی رفتار لرزهای چلیکهای کش بستی
یکی از انواع سازههای فضاکار، سازههای کش بستی هستند. سازههای کش بستی، سیستمهای فضایی و سبک وزن هستند که از ترکیب میلههای فشاری و کابلهای کششی تشکیل شدهاند. ویژگیهایی مانند سبکی، احداث واحدی، تاشوندگی و گسترشپذیری و … باعث شده است که این سازهها مورد توجه مهندسین عمران قرار گیرند.
از معایب این سازهها این است که انعطافپذیر هستند و تغییر شکلهای بزرگی در این سازهها تحت بارگذاری مشاهده شده است. اگر چه متون علمی وسیعی راجع به رفتار لرزهای سازههای فضاکار وجود دارد، اما هیچکدام از آنها برای سازههای ک شبستی مناسب نیستند. زیرا سازههای کش بستی نوع خاصی از سازههای فضاکار هستند که در آنها بایستی خودتنیدگی ایجاد شود و تحلیل این سازهها بر اساس پیش-تنیدگی استوار است.
از سازههای کش بستی با عنوان سازههای مقاوم در برابر زلزله یاد کرده اند. با این حال، این ویژگی سازههای کش بستی باید از طریق مطالعه رفتار لرزهای این سازهها اثبات شود. در سازههای فضاکار متداول، اعضای کششی بعد از ورود به ناحیه پلاستیک دارای رفتار سخت شدگی کرنشی هستند، بنابراین میتوانند نیروهای اضافی را جذب کنند. از این روی اعضای فشاری نقش اصلی را در تحلیل خرابی این سازهها ایفا میکنند. اما در سازههای کش بستی، اعضای کششی که به صورت کابل هستند، بعد از ناحیه تسلیم دارای سخت شدگی کرنشی نیستند. در نتیجه برای این سازهها مکانیزم گسیختگی کششی نیز مطرح است.
عناصر کابلی در سازههای کش بستی، برعکس عناصر کششی در سازههای متداول، به دلیل تغییر حالت (حالت شل و سفت) باعث رفتار غیرخطی سازهها میشوند. این عوامل بیانگر اهمیت مطالعه رفتار لرزهای سازههای کش بستی هستند. سازههای کش بستی به دلیل ظاهرشان مورد توجه بسیاری از طراحان معماری و محققین قرارگرفتهاند. با وجود این شبکههای فضایی پیشنهاد شده توسط محققینی که با اعضای کشبستی مونتاژ شدهاند، معمولاً برای استفاده کاربردی ساخته نشدهاند برای این که سیستمهای کش بستی از حالت تئوری به صورت سیستمهای سازهای و معماری عملی دربیایند، مطالعات کامل و عمیقی روی رفتار سازههای این سیستمها باید انجام گیرد.
سیستم کش بستی
تحلیل کامل یک سیستم کش بستی شامل سه مرحله است.
- مرحله اول فرم یابی
- مرحله دوم انجام خودتنیدگی
- مرحله سوم مطالعه رفتار تحت بارهای خارجی
با استفاده از روشهای فرمیابی در واقع یک هندسه متعادل خود تنیده خنثی برای سیستم ایجاد میشود. خود تنیدگی معرفی شده ممکن است مکانیزمها را که مکانیزمهای بسیار کوچک هستند پایدار کند و یا پایدار نکند و باید این مورد کنترل شود. روشهای فرمیابی به دو دسته کلی روشهای سینماتیکی و روشهای استاتیکی تقسیم میشوند.
مطالعات تحلیلی که تا به حال روی سازههای کش بستی انجام گرفته را میتوان به دو بخش استاتیکی و دینامیکی تقسیم نموده و نتایج حاصل از این تحلیلها را مرور نمود. تحلیلهای استاتیکی را میتوان به دو خانواده خطی و غیر خطی تقسیمبندی نمود.
نوع و مراحل تحلیل در سازههای کشبستی سه عامل باعث رفتار غیر خطی میشود که شامل موارد زیر است.
تغییر حالت
عناصر کابلی، نوعی رفتار غیر خطی را به نمایش میگذارند که وابسته به حالت است. چرا که این عناصر دارای دو حالت شل و سفت هستند. شایان ذکر است که تغییر حالت در عناصر کابلی به بارگذاری بستگی دارد.
غیر خطیهای هندسی
در سازههای کش بستی، عوامل زیر باعث رفتار غیر خطی هندسی میشوند.
- کوتاه شدگی طول اعضاء تحت نیروهای محوری
- تغییر طول اعضاء به خاطر خمیدگی (برای این حالت، ناکاملی هندسی تأثیر بسزایی دارد)
- در این سازهها، اندازه تغییر مکانها ممکن است بزرگ باشند؛ حتی اگر تغییر شکلها کوچک باشند
- همچنین در این سازهها، به دلیل اعمال پیش تنیدگی، سخت شدگی تنش رخ میدهد. در نتیجه سختی به صورت تابعی از تغییر مکان در میآید.
غیر خطیهای مصالح
با توجه به نتایج آزمایش، رفتار مشخصه عناصر کابلی به صورت غیر خطی است. همچنین رفتار تنش محوری – کرنش محوری برای عناصر فشاری نیز غیرخطی است.
مراحل تحلیل به صورت زیر خواهد بود.
- تحلیل استاتیکی جهت طراحی اولیه سازه.
- تحلیل ویژه مقادیر جهت تعیین ویژه مقادیر موجود سازه
- تعیین ضرایب میرایی رایلی برای اعمال در ماتریسهای سختی و جرم سازهای برای ایجاد ماتریس میرایی سازه.
- تحلیلهای دینامیکی غیر خطی با شتاب نگاشت زلزلههای مختلف، جهت به دست آوردن تأثیر پارامترهای مورد بررسی بر رفتار لرزهای چلیکی کش بستی.
نتیجه گیری
- هر چقدر کرنش اولیه برای پیش تنیدگی کابلها بیشتر شود، پریودهای طبیعی کوچکتر میشود.
- وقتی سازه چلیکی کش بستی به حالت مسطح نزدیکتر باشد در این صورت مودهای قائم نقش مؤثرتری به خود میگیرند و اغلب پریودهای بالا متعلق به مودهای قائم هستند و در نتیجه لازم است در محاسبه نیروی زلزله، زلزله در جهت قائم نیز درنظر گرفته شود.
- وقتی سازه چلیکی کش بستی قوسیتر باشد، در این صورت مودهای قائم نقش خود را از دست داده ولی در عوض مودهای افقی مودهای غالب هستند.
- وقتی سازه چلیکی کش بستی از حالت مسطح دورتر میشود، در این صورت بیشترین ضریب مشارکت مربوط به موداول بوده و این مود، مود غالب بوده و از تأثیر مودهای بالاتر کاسته میشود.
- تحت مؤلفه افقی شتاب زلزله در سازه پاره شدگی کابل یا کمانش میله اتفاق میافتد، در حالی که در ازای مؤلفخ قائم، زلزله هیچ گونه چاره شدگی کابل یا کمانش میله در سازه اتفاق نمیافتد که نشان میدهد سازه چلیکی کشبستی در مقابل مؤلفه افقی نیروی زلزله آسیبپذیر و در مقابل مؤلفه قائم نیروی زلزله مقاومتر هستند.
- تحت مؤلفه افقی زلزله، با افزایش نسبت خیز به دهانه تغییر مکانها بزرگتر میشوند و با افزایش نسبت پیش تنیدگی تغییر مکانها کوچکتر میشوند.
- تحت مؤلفه قائم زلزله، با افزایش نسبت خیز به دهانه و همچنین با افزایش نسبت پیش تنیدگی تغییر مکانها کوچکتر میشوند.
- تحت مؤلفه افقی شتاب زلزله، با افزایش نسبت خیز به دهانه زمان اتفاق افتادن پارگی کابل یا کمانش میله زودتر شده و با افزایش نسبت پیش تنیدگی زمان اتفاق افتادن پارگی کابل یا کمانش میله دیرتر میشود.