ارزیابی مقاوم‌سازی لرزه‎ای قاب‎های فولادی مهاربندی شده به‌کمک دیوارهای برشی فولادی

نویسندگان
دانشگاه خوارزمی
چکیده
استفاده از دیوارهای برشی فولادی به دلیل مزایای فراوانی که نسبت به سایر سیستم‎های مقاوم در برابر زلزله دارند، قابل توجه است. از مزایای این سیستم می‎توان به شکل پذیری و جذب و استهلاک انرژی زیاد با وجود سختی بالا و اقتصادی بودن آن اشاره کرد. با عنایت به خطر لرزه‎خیزی بالا و نیاز به مقاوم سازی بسیاری از ساختمان‎ها در برابر زلزله، استفاده از این سیستم لرزه‎بر، مناسب و مقرون به صرفه به‎نظر می‎رسد. در تحقیق حاضر به بررسی مقاوم سازی قاب‎های فولادی مهاربندی شده همگرا با استفاده از دیوارهای برشی فولادی پرداخته شده است. تمرکز پژوهش بر روش‎هایی است که در آن‎ها مقاوم سازی تنها با اضافه کردن المان‎های دیوار برشی فولادی به قاب مهاربندی شده صورت می‎پذیرد. ابتدا تعدادی قاب فولادی مهاربندی شده ی غیرمقاوم به عنوان قاب‎های پایه انتخاب و مدل سازی شده اند. قاب‎های پایه با اضافه کردن پانل‎های فولادی به روش‎های مختلف، مقاوم سازی می شوند. سپس همه قاب‎های پایه و قاب‎های مقاوم سازی شده به صورت استاتیکی غیرخطی تحلیل می شوند. از مقایسه ی مدل‎هایی که در آن‎ها بهسازی لرزه‎ای به‎کمک تعویض سیستم لرزه‎بر از مهاربندهای فولادی همگرا به دیوارهای برشی فولادی صورت پذیرفته است، با سایر روش‎های مقاوم سازی مورد مطالعه، می‎توان به رفتار لرزه‎ای بهبودیافته ی قاب‎های بهسازی شده پی‎برد. مطالعه ی حاضر نشان می‎دهد در قاب‎های فولادی مهاربندی شده، با رعایت پاره‎ای نکات علمی، فنی و اجرایی، تعویض سیستم باربر جانبی از مهاربندهای فولادی همگرا به دیوار برشی فولادی نازک، می‎تواند به عنوان روشی مناسب برای مقاوم سازی و بهسازی طیف وسیعی از قاب‎های فولادی موجود، استفاده شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Evaluation of Seismic Strengthening of Steel Braced Frames using Steel Shear Walls

نویسندگان English

A. Massumi
M. Shekari
M. Ahmadi
Kharazmi University
چکیده English

In recent years using steel plate shear wall system, because of its advantages in comparison with other earthquake resistant systems, has been a matter of attention. Some of its advantages relative to other systems include abundance advantage, high ductility, good hysteretic behavior and energy absorption capacity, high stiffness and economic advantages. Regarding that in Iran there is high seismicity risk and the need to strengthen old and unsafe urban textures and buildings, using this system as a lateral load resistant system seems appropriate and economical. In the present research strengthening of x-braced steel frames with steel plate shear walls is evaluated. Addition of bracing to unbraced frame spans, substituting braces with thin steel shear wall panels and adding thin steel shear wall panels to unbraced spans which do not have architectural requirements are considered as retrofitting strategies. The focus is on the methods in which retrofitting is only done by adding steel plate shear wall elements to braced frames. Some of these methods have many economic and practical advantages. Others are only proper for some special cases. In this study a number of x-braced steel frames designed by the first edition of Iranian code of practice for seismic resistant design of buildings (Iranian Standard No. 2800) are taken as basic frames which need to be retrofitted. These basic frames are retrofitted by adding steel panels with different methods. Then nonlinear static analysis (pushover analysis) with displacement control pattern has been done on both basic and retrofitted finite element frame models and the capacity curves (diagram of story displacements against base shear) of basic frames and retrofitted frames are compared. Considering the results of the pushover analysis of models in which seismic retrofitting is done by replacing x-bracing earthquake resistant system with steel plate shear walls and the results of other methods of strengthening, it is seen that seismic behavior of retrofitted frames is more desirable in terms of overstrength factor (Ω) and overall ductility of structure ( ). The failure and fracture mode in most of the medium-rise frames was ductile but in the short-rise frames the fracture was brittle. Thus, replacing the braces in short-rise structure with thin steel shear walls seems irrational and unjustified economically. But it is to be mentioned that strengthening and increasing the moment of inertia of the adjacent columns of steel shear wall panels in structures with brittle fracture mode could result the change from brittle to ductile fracture. The results of this research show that in the case of steel braced frames with regard to some scientific, technical and practical points; replacing concentric steel bracing earthquake resistant system by steel plate shear walls can be used as a suitable method for retrofitting a wide range of existing steel structures in Iran.

کلیدواژه‌ها English

steel shear walls
eccentric braced frames
nonlinear static analysis
seismic resistant system
seismic rehabilitation
[1]  Astaneh-Asl, A., “Seismic Behavior and Design of Steel Shear Walls”, Steel TIPS Report, Structural Steel Educational Council, Moraga, CA, 2001.
[2]  Wagner, H., “Ebene Blechwandtrager mit sehr dunnen Stegblechen”, Z. Flugtech, Motorluftsch, Vol. 20, p. 200, 1929.
[3]  Kuhn, P., “Investigations on the incompletely developed plane diagonal-tension field”, N.A.C.A. Report 697, 1940.
[4]  Basler, K., “Strength of Plate Girders in Shear”, Transactions, ASCE 128, Part II, pp. 683-719, 1963. (Also as Paper No. 2967, Journal of the Structural Division, ASCE, October 1961.)
[5]  Porter, D.M., Rockey, K.C., Evans, H.R., “Collapse Behavior of Plate Girders Loaded in Shear”, Struct Eng, Vol. 53, Issue 8, pp. 313-325, 1975.
[1]  Herzog, M., “Ultimate Strength of Plate Girders from Tests”, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 100, No. ST5, pp. 849-864, 1974.
[2] فاروقی، علیرضا. راهنمای کاربردی بهسازی لرزهای سازهها، انتشارات سیمای دانش، 1387.
[3] معصومی، علی، تعیین ضریب رفتار قاب های خمشی بتن مسلح با تأکید بر اثر مقاومت افزون و درجه ی نامعینی، رساله ی دوره دکترای مهندسی عمران، سازه، دانشکده ی فنی و مهندسی دانشگاه تربیت مدرس، تهران، 1382.
[4]  Massumi, A., Tasnimi, A.A. and Saatcioglu, M., “Prediction of Seismic Overstrength in Concrete Moment Resisting Frames Using Incremental Static and Dynamic Analyses”, Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, BC, Canada, 2004.
[5]     استاندارد ملی ایران شماره ی 519، حداقل بار وارده بر ساختمان ها و ابنیه ی فنی، مؤسسه ی استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، 1375.
آیین‎نامه ی طراحی ساختمان‎ها در برابر زلزله ی استاندارد 2800 ویرایش اول، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، بهمن 1366.
[1]   یین‎نامه ی طراحی ساختمان‎ها در برابر زلزله ی استاندارد 2800 ویرایش سوم، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، شماره ی نشریه ض-253، شهریور 1384.
[2]      Driver, R.G., Kulak, Elwi, A. E. and G. L., Kennedy, D.J.L., “Cyclic Tests of Four-Story Steel Plate Shear Wall”, Journal of Structural Engineering., ASCE, Vol. 124, No. 2, pp. 112-120, 1998.
[3]      Driver, R.G., Kulak, Elwi, A. E. and G. L., Kennedy, D.J.L., “FE and Simplified Models of Steel Plate Shear Wall”, Journal of Structural Engineering., ASCE, Vol. 124, No. 2, pp. 121-130, 1998.
[4]   بهنام‎فر، فرهاد. محمدی فارسانی، آرش. «بررسی رفتار استاتیکی غیرخطی دیوار برشی فولادی و اثر بازشو»، چهارمین کنگره ی ملی مهندسی عمران، دانشگاه تهران، اردیبهشت 1387.
[5]      Astaneh-Asl, A., and Zhao, Q., “Cyclic Tests of Steel Plate Shear Walls”, Research Report to Sponsor, Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, Berkeley, 2000.