Evaluation of the Use of Steel Bracing to Improve Seismic Performance of Reinforced Concrete Building

Abstract
The aim of this paper is to evaluate the possible improvement of seismic performance of existing reinforced concrete building (the 5th Building of UNS Engineering Faculty) by the use of steel bracing. Three methods of seismic evaluation are employed for the purpose of the study i.e. Nonlinear Static Pushover Displacement Coefficient Method as described in FEMA 356, Improvement of Nonlinear Static Pushover Displacement Coefficient Method as described in FEMA 440 and dynamic time history analysis following the Indonesian Code of Seismic Resistance Building (SNI 03-1726-2002) criteria. The results show that the target displacement determined from nonlinear pushover analysis of the existing building in X direction is 0.188 m and in Y direction is 0.132 m. The performance of this building could be categorized in between Life Safety (LS) - Collapse Prevention (CP) and plastic hinges occur in columns. It is also indicated that the story drifts in Y direction exceed the serviceability limit criterion when the recorded El Centro accelerogram was used for dynamic time history analysis. The performance of the existing building could be improved if steel bracings are utilized for seismic retrofitting. It is shown from the nonlinear pushover analysis that target displacements in both directions are reduced by 16%-55% if the proposed steel bracings are used. Furthermore, dynamic time history analysis points out that the story drifts of the retrofitted building are within the limit criteria. Meanwhile, the size of steel bracing elements do not significantly affect the seismic performance of retrofitted building.

Keywords
non linear static pushover analysisseismic retrofittingsteel bracingtime history analysis.

بررسی استفاده از مهاربند فولادی، به منظور بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان های بتنی تقویت شده

چکیده
هدف از این مقاله بررسی امکان بهبود عملکرد لرزه ای موجود ساختمان بتنی تقویت شده (ساختمان 5 طبقه دانشکده مهندسی UNS) با استفاده از مهاربند فولادی می باشد. سه روش ارزیابی لرزه ای برای این هدف از مطالعه؛ یعنی روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیکی در FEMA 356 توصیف شده، بهبود روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیک در FEMA 440 و تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا پس از معیارهای کد لرزه ای ساختمان تقویت شده اندونزی، شرح داده شده است (SNI 03-1726-2002). این نتایج نشان می دهد که هدف جابه جایی تعیین شده از تجزیه و تحلیل پوش آور غیر خطی از ساختمان های موجود در راستای X 0.188 متر و در راستای Y 0.132 متر است. عملکرد این ساختمان می تواند در بین زندگی ایمنی (LS) – پیشگیری از فروپاشی (CP) و لولاهای پلاستیکی رخ داده در ستون ها طبقه بندی شود. این نیز نشان داده شده که مکان مورد نظر در راستای Y فراتر از معیار محدودیت سرویس است زمانی که شتاب نگاشت سنترو El ثبت شده برای تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا مورد استفاده قرار گرفت. عملکرد ساختمان های موجود می تواند بهبود یابد اگر مهاربند فولادی برای مقاوم سازی لرزه ای استفاده شود.
این از تجزیه و تحلیل پوش آور غیر خطی نشان داده شده است که هدف قرار دادن جابجایی در هر دو جهت با 16٪ -55٪ کاهش می یابد اگر مهاربند فولادی ارائه شده، استفاده شود. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا اشاره می کند که مکان مورد نظر ساختمان تقویت شده در معیارهای محدود می باشد. در همین حال، اندازه عناصر مهاربند فولادی به طور قابل توجهی عملکرد لرزه ای ساختمان تقویت شده را تحت تاثیر نمی گذارد.
کلمات کلیدی: تجزیه و تحلیل پوش آور غیر خطی استاتیک؛ مقاوم سازی لرزه ای؛ مهاربند فولادی. تجزیه و تحلیل تاریخ زمان.

1. مقدمه
ساختمان بتنی تقویت شده باید طوری طراحی شود که دارای ظرفیتی برای حمل بارهای ترکیب شده (بار مرده، زنده و زلزله) در سطح ایمنی خاص و در درجه خاصی از اطمینان باشد. مقدار مناسبی از بارها، خواص مواد، سیستم های ساختاری و روش تجزیه و تحلیل عوامل اساسی در طراحی ساختار می باشد. هنگامی که این طرح در نهایت در روند ساخت و ساز اجرا شود، عملکرد مورد انتظار از سازه ساختمان باید با رضایت باشد. با این حال، این وضعیت ایده آل همیشه قابل توجه نیست. عملکرد سازه ساختمان می تواند کمتر از معیارهای مورد انتظار در دوره سطح ایمنی و طول عمر خدمت با توجه به انواع علل باشد. علاوه بر طراحی معیوب و ساخت و ساز نامناسب، وضعیت های دیگری نیز وجود دارد که می تواند عملکرد آینده سازه ساختمان مانند تغییر عملکردهای ساختمان، تغییرات ویژگی های بار لرزه در منطقه، نفوذ عوامل تهاجمی از محیط زیست، و غیره را مختل کند.
فقدان عملکرد سازه در ساختمان های موجود همیشه به رسمیت شناخته نمی شود از آغاز آن ممکن نیست با نشانه های بصری از تخریب پیگیری شود. این تعجب آور نیست که بار خدمات انجام شده توسط این سازه پایین تر از بارهای ترکیبی محاسبه شده در طراحی باشد. حتی بار های لرزه ای ممکن است همیشه در این طول دوره خدمت اولیه سازه حاضر نباشد. همانطور که زمان می گذرد، علائم بصری از تخریب سازه می تواند حضور داشته باشد و نیازمند ارزیابی جامع از عملکرد سازه از جمله محاسبه بار زلزله آینده باشد.
در اصطلاح ویژگی های بارهای لرزه ای، این رایج است که در تمام ساختمان هایی که در مواجهه با نیازهای لرزه ای اند و در حال حاضر عملکرد لرزه ای شان به دلیل افزایش تقاضای لرزه فعلی مورد سئوال است، استفاده شده است. همچنین، کشف ساختمان ها با عملکرد تحقیرآمیز پس از آسیب توسط زلزله و در نتیجه، عملکرد لرزه ای آنها نیز استاندارد فعلی را برآورده نمی کند. مقاوم سازی کمبود ساختمان های موجود به منظور بهبود عملکرد لرزه ای آنها یک مسیر برای اطمینان از ایمنی سازه در صورت وقوع زلزله در آینده خواهد بود. فن آوری های متعددی وجود دارد که می توانند برای این منظور انتخاب شده مانند اضافه کردن عناصر مورب سازه (مهاربند)، دیوار برشی و یا تغییرات رابطه بین عناصر سازه. استفاده از مهاربند فولادی برای مقاوم سازی سازه های بتنی تقویت شده برخی مزیت هایی دارد مانند اینکه؛ آن نسبتا مقرون به صرفه است، به طور قابل توجهی وزن سازه را افزایش نمی دهد، کاربرد آسانی دارد و می تواند با قدرت و استحکام لازم را سفارش داده شود.
این مقاله ارزیابی لرزه ای ساختمان 5 طبقه دانشکده مهندسی UNS را نشان می دهد. بر اساس اسناد طراحی، این مشخص شده است که این طراحی تأثیر دهانه های کف (خالی) را در جهت طولی، کد قدیمی استفاده شده در تعیین بار های لرزه ای را به حساب نمی آورد و منطقه برآمدگی و اتصال راهرو به ساختمان مجاور را در نظر نمی گیرد. این مقاله همچنین استفاده از مهاربند فولادی، به منظور بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان را پیشنهاد می کند. عملکرد لرزه ای ساختمان های موجود و ساختمان های تقویت شده از نظر تعیین کمیت بهبود عملکرد به دلیل استفاده از مهاربند فولادی مقایسه شده است.

2. پارامترهای ورودی برای ارزیابی لرزه ای
در فرآیند ارزیابی لرزه ای ساختمان های موجود، لازم است که این مدل باید از نزدیک نشان دهنده سازه واقعی باشد. بهترین روش در دستیابی به این مدل، استفاده از آن به عنوان طراحی ساخته شده است. متأسفانه، چنین سندی در دسترس نیست. به همین دلیل، اسناد طراحی به جای آن استفاده شده و توسط اندازه گیری ابعاد در نقاط تصادفی تأیید شده است. این دریافت شده که این ابعاد در ساختمان واقعی با ابعاد در اسناد طراحی همسان می باشد. بنابراین، این می تواند برای استفاده از اسناد طراحی برای مدل سازی و تجزیه و تحلیل موجه باشد. خواص مواد مورد استفاده در تجزیه و تحلیل به شرح زیر است: مقاومت بتن MPa 19.3 است و قدرت عملکرد تقویتی MPa 320 است. همچنین تمام این ویژگی ها بر اساس اسناد طراحی تعیین شده اند.


سه روش ارزیابی لرزه ای برای هدف این مطالعه یعنی روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیکی در FEMA 356 شرح داده شده، بهبود روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیکی که در FEMA 440 و تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا شرح داده شده از معیار SNI 03-1726-2002 پیروی می کند.
بار محاسبه شده برای ارزیابی لرزه ای شامل بار مرده، بار زنده، و بار زلزله می باشد. الگوی بار ترکیبی می تواند دقت و قابلیت اطمینان تجزیه و تحلیل پوش آور را بهبود بخشد (Barros و Almeida ، 2005). بار زلزله مورد استفاده در تجزیه و تحلیل پوش آور استاتیک اشاره به ساختمان های متحدالشکل کد 1997 (UBC-97) دارد که از SNI 03-1726-2002 اقتباس شده است. پارامترهای مورد نیاز برای تعیین بار زلزله به شرح زیر است: بر اساس دوره اساسی الاستیکی SNI 03-1726-2002 از سازه موجود (T) 0.7133 ثانیه است، عامل کاهش زلزله (R) 8.5 است، و عامل اهمیت ساختمان (I) 1 است. مقادیر Ca و Cv به دست آمده با استفاده از واکنش طیف زلزله منطقه 3 در شرایط محیط خاک در شکل 1 نشان داده شده است. بر اساس شکل 1، مقدار Ca 0.23 است و Cv 0.33 است. مقادیر T، R، I، Ca ، و Cv سپس به عنوان ورودی به نرم افزار ETABS برای تعیین بار زلزله استفاده شده است. برای تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا، حداقل چهار شتاب نگاشت ثبت شده مختلف توسط SNI 03-1726-2002 مورد نیاز است و برای این مطالعه پنج شتاب نگاشت مورد استفاده در شکل 2 نشان داده شده است.

3. ارزیابی لرزه ای سازه موجود
3.1. تجزیه و تحلیل بارافزون استاتیک سازه موجود
بار جانبی مورد استفاده در تجزیه و تحلیل پوش آور استاتیک به شرح زیر تعیین شده است: برای اولین بار، این بار برای سازه مدل از جمله بار زلزله و پس از آن تجزیه و تحلیل خطی استاتیک با استفاده از ETABS انجام شده، اعمال می شود. تجزیه و تحلیل استاتیک خطی، بار زلزله استاتیک در سازه ایجاد می کند. این بار زلزله استاتیک به عنوان بار جانبی در تجزیه و تحلیل پوش آور استفاده می شود.
تجزیه و تحلیل پوش آور در دو مرحله انجام شده، اولین مرحله محاسبه اثر بار جاذبه (ترکیبی از بار مرده و کاهش بار زنده) بر ساختار است. اولین مرحله از این تجزیه و تحلیل شرایط غیر خطی را در نظر نمی گیرد. تجزیه و تحلیل با اعمال الگوی بار جانبی ارائه شده در افزایش یکنواخت ادامه دارد. شدت بار جانبی تا زمانی افزایش می یابد که ضعیف ترین جزء از تغییر شکل سازه منجر به تغییر قابل توجهی در سختی شود (بخش شروع به بازده).
این تجزیه و تحلیل بیشتر از تعداد اجزای دستیابی به حالت حد قدرت خود (بازده) تکرار شده است. برای هر مرحله از بار، این نیرو در تغییر شکل الاستیک و پلاستیک محاسبه و ثبت شده است. تغییرات نقطه کنترل در مقابل نیروی برشی پایه برای هر مرحله از بار رسم شده برای توضیح رفتار واکنش غیر خطی سازه، منحنی پوش آور نامیده می شود. همه این فرایندها در داخل ETABS انجام شده است. از منحنی های بدست آمده توسط تجزیه و تحلیل پوش آور ، این دریافت می شود که ارتعاش طبیعی موثر (Te) 0.971 ثانیه برای جهت X و 1.083 ثانیه برای جهت Y است. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل پوش آور بیشتر برای ارزیابی عملکرد سازه استفاده می شود.
جابجایی هدف با روش ضریب جابجایی FEMA 356 و بهبود روش ضریب جابجایی FEMA 440 محاسبه شده است. فرمولاسیون جابجایی از هر دو روش مشابه هستند اما FEMA 440 اصلاح و بهبود محاسبه عامل C1 و C2 را پیشنهاد کرده است. جدول 1 پارامترهای ورودی و جابجایی هدف بدست آمده توسط هر دو روش را به طور خلاصه بیان کرده است.
در جدول 1 این نشان داده شده است که بیشترین مقدار جابجایی هدف در جهت X و Y به ترتیب 0.118متر و 0.132 متر است. این مقادیر با اطلاعات مراحل بارافزون ارائه شده در بخش 3 جدول 2 مقایسه شده است. این تأیید شده است که در مرحله 3 ، این جابجایی هر دو مقدار جابجایی هدف در جهت های X (جدول 2) و Y (جدول 3) را سپری کرده و عملکرد سازه در بین زندگی ایمن (LS) – پیشگیری از فروپاشی (CP) طبقه بندی شده است. در مرحله 3 از تجزیه و تحلیل باز افزون، لولاهای پلاستیکی مشاهده شده در ستون ها در شکل 3 نشان داده شده است.

3.2. تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا از سازه موجود

تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا، جابجایی جانبی (di) و داده های مکان مورد نظر (δm) را ایجاد می کند. این داده با محدودیت های عملکرد شروع شده در مجموعه SNI 03 1726-2002 مقایسه شده است. دو محدودیت عملکرد در این کد مشخص شده است که محدودیت استفاده و محدودیت نهایی می باشد. برای این نوع سازه مورد مطالعه، جابجایی جانبی و مکان مورد نظر در جهت Y غالب تر از تعیین عملکرد لرزه ای آنهایی است که از جهت X می باشد. جدول 4 نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا از سازه موجود در جهت Y را خلاصه کرده است. همانطور که می توان از جدول دید، مکان مورد نظر (مکان 2 و پشت بام) در جهت Y بیشتر از معیار محدودیت سرویس است زمانی که شتاب نگاشت سنترو El ثبت شده برای تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا مورد استفاده قرار گیرد.

جهت خرید فایل تماس بگیرید 
09375520909 - شبستری
shabestari716@gmail.com