بررسی تاثیر مهاربند بر عملکرد و انهدام پیش رونده سازه‌های بلند فولادی با دهانه‌های بزرگ ورودی به همراه حذف ستون تحت بار جانبی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
1 دانشکده عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
2 دانشکده عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان، سمنان، ایران
چکیده
در ساخت سازه‌های بلند یکی از مهمترین نکات مورد توجه طراحان ایجاد ورودی بزرگ در طبقات پایین ساختمان می‌باشد. نیاز به وجود چنین دهانه‌های بزرگی عمدتا بدلیل مسائل معماری همچون ترافیک زیاد عبور و مرور در ورودی ساختمان، مسائل زیبایی شناسی و ورودی پارکینگ‌ها است. ایجاد این دهانه‌های بزرگ چنانچه با حذف یک ستون همراه باشد موضوع را با مسائل دیگری از مباحث سازه‌ای همچون اثر توالی ساخت، انهدام پیش‌رونده، بارهای حین اجرا و وجود یا عدم وجود تکیه گاه‌های کمکی (شمع‌های موقت) پیوند زده و مسئله را پیچیده تر می‌نماید. در این مطالعه 36 سازه منظم 10، 20 و 30 طبقه با ارتفاع 40 تا 120 متر، با سیستم قاب خمشی در برنامه ETABS در نظر گرفته شد. برای بارگذاری ثقلی ساز‌ه‌ها از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و برای محاسبه و بارگذاری بارهای جانبی زلزله از استاندارد 2800 ایران استفاده گردیده است. پس از تحلیل دینامیکی طیفی و آنالیز بار افزون سازه‌های مذکور رفتار آنها از دیدگاه سازه‌ای و اثر استفاده از مهاربند در یک تا چهار طبقه بالایی ستون حذف شده مورد بررسی قرار گرفت. در سازه‌های مورد بررسی تغییرات روند تشکیل مفصل پلاستیک، سطح عملکرد سازه، نسبت نیاز به ظرفیت المان‌های سازه، زمان تناوب مود اول و جابه‌جایی جانبی نسبی در حالت حذف ستون کناری مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین تاثیر حذف ستون کناری به منظور ایجاد ورودی بزرگ برای ساختمان، بر احتمال خرابی پیش رونده سازه 10 طبقه فولادی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که استفاده از مهاربند برای تقویت تیر دهانه بزرگ راه حل مناسب و اقتصادی است به ویژه مهاربندهای 7 عملکرد بهتری را در مقایسه با مهاربند شورون نشان می‌دهند، در صورتی که تعداد طبقات مهاربندی شده بالای دهانه مورد نظر تا قبل از نقطه عطف ساختمان باشند. زیرا در حالتی که مهاربندها وارد ناحیه مجاور نقطه عطف ساختمان گردند به علت شکل‌پذیری پایین در فشار، با خرابی در فشار سبب کاهش سطح عملکرد ساختمان می‌شوند. اولین مفصل پلاستیک در هر سطح عملکردی از محل نقطه عطف آغاز می‌شود و در نتیجه استفاده از المان‌های با شکل‌پذیری پایین در این نواحی سبب کاهش شکل‌پذیری سازه می‌گردد. سازه‌های با مهاربند 7 در اکثر موارد دارای ابعاد المان کوچک‌تری نسبت به سازه‌های با مهاربند شورون بوده و اقتصادی‌تر می‌باشد. سازه‌هایی که صرفا با افزایش ابعاد مقاطع تیر و ستون و بدون اضافه نمودن مهاربند تقویت شده‌اند، نسبت به سازه‌های دارای مهاربند مقاومت بیشتری دارند. هر چند که در این حالت ابعاد تعداد زیادی از مقاطع نسبت به سازه‌های مهاربندی شده در برخی موارد تا چند برابر افزایش می‌یابد و لذا این افزایش مقاومت با افزایش زیاد هزینه توام خواهد بود. نتایج حاصل از آنالیز بار افزون و طراحی بر اساس عملکرد نشان داد در صورتی که سازه از ابتدا با فرض عدم وجود ستون طبق روش‌های متداول آیین‌نامه طراحی گردند، با در نظر گرفتن نکاتی، سازه‌ دچار کاهش سطح عملکرد نمی‌گردد و بطور کلی بهتر است از مهاربند‌های با شکل‌پذیری بالاتر استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of effect bracing in the performance and progressive collapse of steel tall building including long-span entrance and removed column under lateral loading

نویسندگان English

Ali Kheyroddin 1
Zahra Pakdel 2
Fahimeh Maleki 1
1 Department of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Department of Civil Engineering, Islamic Azad University of Semnan Branch, Semnan, Iran
چکیده English

One of the most important points of interest for designers in the construction of the tall building is to create a large entrance to the lower floors of the building. The need for such large openings is mainly due to architectural issues such as high traffic congestion, aesthetics, and parking. Creating these large openings, if accompanied by the removal of a column, connects the issue with other structural issues such as the effect of the Construction sequence, progressive collapse, loads during execution, and the presence or absence of auxiliary supports (temporary piles) and making the problem more complex. In this study, 36 regular structures of 10, 20, and 30 floors with a height of 40 to 120 meters were considered with the Moment resistance frame system in the ETABS software. The Iranian National Building Code part 6 has been used for load gravity of structures and the Iranian standard No. 2800 has been used for calculation and loading of earthquake lateral loads. After spectral dynamic analysis and Pushover analysis of the mentioned structures, their behavior was examined from the structural point of view and the effect of using bracing in one to four upper floors of the removed column. In the studied structures, the changes in the process of plastic hinges formation, structural performance level, Demand- Capacity ratio (DCR) of structural elements, period of the first mode, and drift in case of exterior (non-corner) column removal were evaluated. The effect of elimination on the exterior column to create a large entrance to the building on the probability of progressive collapse of the 10-story steel structure was also studied. The results showed that the use of braces to strengthen the large span beam is a convenient and economical solution. In particular, the V braces show better performance compared to the Chevron brace, if the number of braced floors above the desired span is before the inflection point of the building. Because when the braces enter the area adjacent to the inflection point of the building, due to the low ductility in the pressure, with failure in the pressure, they reduce the level of performance of the building. The first plastic hinge at any performance level starts from the inflection point and as a result, the use of low ductility elements in these areas reduces the ductility of the structure. Structures with V brace in most cases have smaller elements than structures with Chevron braces and are more economical. Structures that are reinforced only by increasing the dimensions of the beam and column sections and without adding bracing have more strength than structures with bracing. However, in this case, the dimensions of a large number of sections compared to the braced structures in some cases increase several times, and therefore this increase in strength will be accompanied by a large increase in cost. The results of pushover analysis and performance-based design showed that if the structure is designed from the beginning according to the common code design, assuming the absence of columns, the structure does not experience a reduction in performance and is generally better than to use braces with higher ductility.

کلیدواژه‌ها English

Tall buildings
lateral loading
steel brace
removed column
Performance level
progressive collapse
[1]Kheyroddin, A., Aramesh, S. (2015), Lateral Resisting Systems in Tall Buildings, second edition, Semnan University Press (In Persian)
[2] Luo, Q.Z.; Tang, J.; Li, Q.S. and Liu, G.D. (2004), A Finite Segment Model for Shear Lag Analysis, Engineering Structures, Volume (26), pp: 2124-2131.
[3] Luo, Q. Z., Tang, J., & Li, Q. S. (2003). Shear lag analysis of beam-columns. Engineering structures, 25(9), 1131-1138.
[4] Luo, Q. Z., Tang, J., & Li, Q. S. (2001). Negative Shear Lag Effect in Box Girders with Varying Depth. Journal of Structural Engineering, 127(10), 1236-1239.
[5] Stafford Smit, B., Coull, A., Haji-Kazami, H. (Translator) (2017), Tall Building Structures Analysis and Design, 6th edition, Ferdowsi University of Mashhad Publication. (In Persian)

[6] Glisic, B., Garlock, M., & Adriaenssens, S. (2014). Innovative education in engineering: a social and multi-dimensional exploration of structures. In Structures Congress 2014 (pp. 1126-1137).
[7] Taranath, B. S. (2009). Reinforced concrete design of tall buildings. CRC press.
[8] Mashhadiali, N. (2008). Investigation of the Behavior of Tall Building with Diagrid System, M.Sc. Thesis of Structural Engineering, Civil Engineering Faculty, Semnan University. (In Persian)
[9] Buyukozturk, O., Gunes, O. (2004). High-rise buildings: evolution and innovations. In Keynote Lecture, CIB2004 World Building Congress, Toronto, Canada.
[10] Abbasnezhadi, K., (2010). Investigating the causes of the Collapse of the World Trade Center Twin Towers, 1st Student Conference of civil engineering.
[11] Taranath, B. S., (2009). Reinforced concrete design of tall buildings. CRC Press.
[12] Ebadi. P., Maghsoudi. A., (2017). Case Study on Seismic Performance of Soft Stories in Short Steel Structures and Replacement of Braces with Equivalent Moment Resisting Frame. Amirkabir J .Civil Eng, 49 (2), pp 237-250.
[13] Kalantari, A., (2012). Columns DeletionMethodsin the Lower Storiesof Tall Buildings, Thesis f Master of Science in Civil Engineering, Semnan University.
[14] Mehrabi, F., Kheiroddin, A., Gerami, M. (2013). Assessment of Progressive Collapse Potential of Steel Structures that are Design on Iranian Code. Sharif Journal of Civil Engineering, 28-2(4), pp. 65-72
[15] Valaee Barhagh, A. (2017). Assessment of Progressive Collapse of Steel structures Using Alternate Load Path Method, 2nd International Conference on Civil Engineering, Architecture & Urban Design, Bangkok, Thailand.
[16] Instruction for Seismic Rehabilitation of Existent Buildinds, No 360, (2007). Islamic Republic of Iran Management and planning organization.
[17] ATC 40, (1996). Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings, Applied Technology Council.
[18] Kheyroddin, A., Emami, E., (2019). Shear Walls Based on: ACI 318-2014 & Iranian National Building Code (Chapter 9), Semnan University Press.
[19] Commentary of Instruction for Seismic Rehabilitation of Existent Buildinds, No 361, (2010). Islamic Republic of Iran vice Presidency for Strategic Planning and Supervision. (In Persian)
[20] FEMA-356, (2000). Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, American Society of Civil Engineers (ASCE).
[21] Guideline and Details for Seismic Rehabilitation of Existent Buildind, No 524, (2011). Islamic Republic of Iran vice Presidency for Strategic Planning and Supervision. (In Persian)
[22] FEMA 306, (1998). Evaluation of Earthquake Damaged Concrete and Masonry Wall Buildings, Applied Technology Council (ATC).
[23] U.S. General Service Administrations (GSA). (2003). Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects, Washington, D.C.