بررسی اثر مودهای بالا و نیاز شکل‌پذیری در تحلیل استاتیکی معادل قاب‌های فولادی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 Malayer University, Malayer, Hamedan, Iran

2 گروه مهندسی عمران- دانشگاه ملایر

چکیده

در روش تحلیل استا‌تیکی معادل، نیاز مقاومت سازه بر اساس مود اول ارتعاش و طیف شتاب الاستیک تعیین می‌شود. در این نوع تحلیل، فرض مشارکت نداشتن تمامی مودهای ارتعاش و استفاده از یک ضریب رفتار ثابت برای یک سیستم خاص در تمامی حالت‌ها ممکن است در مورد سازه‌های با زمان تناوب متوسط و بالا، به تخمین نادرست نیاز شکل‌پذیری طبقات بیانجامد. در این مطالعه برای بررسی این موضوع، ضرایب تصحیح برش پایه استاتیکی معادل برای در نظر گرفتن اثر مودهای بالا در پاسخ قاب‌های خمشی، قاب‌های مهاربندی همگرا و قاب‌های مهاربندی واگرای فولادی در محدوده خطی و غیر خطی مورد تحقیق قرار گرفت. در محدوده خطی، پس از انجام تحلیل‌های دینامیکی طیفی و استاتیکی معادل، ضرایب تصحیح برش پایه با تقسیم برش پایه حاصل از روش تحلیل طیفی بر برش پایه استاتیکی معادل محاسبه گردید. نتایج بدست آمده در محدوده خطی، نشان داد که این ضرایب تصحیح به شکل طیف و نسبت زمان‌های تناوب مودال بستگی دارند. هرچه نسبت زمان‌های تناوب مود دوم به مود اول کمتر باشد و شتاب طیفی نیز با افزایش زمان تناوب افت بیشتری پیدا کند، ضرایب تصحیح یا به عبارت دیگر ضرایب اثر مودهای بالا افزایش می‌یابد. ضرایب تصحیح برش پایه در محدوده غیر خطی، پس از انجام تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی و رساندن مقدار حداکثر نسبت شکل‌پذیری طبقات به میزان هدف با روش تکرار محاسبه گردید. برای این منظور قاب‌های خمشی با تعداد طبقات 3، 10 و 20، قاب‌های مهاربندی همگرا با تعداد طبقات 7، 20 و 30 و قاب‌های مهاربندی واگرای فولادی با تعداد طبقات 4، 15 و 25 تحلیل و طراحی گردید. نتایج بدست آمده در محدوده غیر خطی، بیانگر این مطلب است که اعمال این ضرایب تصحیح موجب لحاظ شدن اثر مودهای بالا و محدود شدن حداکثر نسبت شکل‌پذیری طبقات به میزان هدف می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Impact of higher modes and inelastic behavior on the equivalent static loading of steel frame

نویسندگان [English]

  • Amin Mohebkhah 1
  • Shadi Salimi Moghaddam 2
1 Malayer University, Malayer, Hamedan, Iran
2 Dept. of Civil Engineering, Malayer University, Malayer, Iran
چکیده [English]

In the equivalent static analysis (ESA) procedure the response of a structure is determined based on the first vibrational mode and elastic spectrum acceleration. In this procedure, the assumption of not contributing all vibrational modes in a structure behavior and using a constant behavior factor for a specific structural system may lead to an incorrect estimation of story ductility demands in intermediate- and long-period structures. In this thesis, in order to take into account the effects of higher modes in the linear and nonlinear response of steel moment resisting frames (MRFs), concentrically braced frames (CBFs) and eccentrically braced frames (EBFs), the equivalent static base shear correction factor was estimated. In linear regime, the base shear correction factor is determined as the ratio of spectral base shear to the ESA base shear. These factors were determined for the studied systems located on soil types I, II, III and IV. The obtained results for elastic regime showed that the correction factor depends on the spectral shape and the ratio of modal periods. The effect of higher modes increases as the ratio of the periods of second mode to first mode decreases and also increases as the spectral acceleration drops more rapidly with an increase in period. For inelastic regime, the base shear correction factor was determined using nonlinear time-history dynamic analysis and adjusting story ductility demands to a target value based on an iteration procedure. To this end, some 3-. 10- and 20-story steel MRFs, 7-, 20- and 30-story CBFs and 4-, 15- and 25-story EBFs on soil types I and II were designed. The inelastic regime results showed that applying the base shear correction factor takes into account the effects of higher modes as well as limits story ductility demands to the target ductility.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Higher mode effects
  • Spectral dynamic analysis
  • Equivalent static analysis
  • Time-history analysis
  • Ductility
[1] Green, N.B. (1981). Earthquake Resistant: Building Design and Construction. Van Nostrand Reinhold Company, New York.
[2] Verde, R.V. (1991). Explanation for the numerous upper floor collapses during the 1985 Mexico City earthquake. Earthquake engineering & structural dynamics, 20(3): p. 223-241.
[3] Chopra, A.K. and Cruz, E.F. (1986). Evaluation of building code formulas for earthquake forces.  Journal of Structural Engineering, 112(8): p. 1881-1899.
[4] Cruz, E.F. and Chopra, A.K. (1990). Improved code-type earthquake analysis procedure for buildings. Journal of Structural Engineering, 116(3): p. 679-700.
[5] Nassar, A., Osteraas, J. and Krawinkler,  H. (1992). Seismic design based on strength and ductility demands. In: 10th World Conference on Earthquake Engineering. Madrid.
[6] Miranda, E. (1997). Strength reduction factors in performance-based design. In: Proceedings of EERC-CUREe Symposium, Berkeley, CA..
[7] Moghaddam, H. and Mohammadi, R. (2001). Ductility reduction factor of MDOF shear-building structures. Journal of earthquake engineering, 5(03): p. 425-440.
[8] Humar, J. and Rahgozar, M. (2000).  Application of uniform hazard spectra in seismic design of multistorey buildings. Canadian Journal of Civil Engineering, 27(3): p. 563-580.
[9] Humar, J. and Mahgoub, M.A. (2003). Determination of seismic design forces by equivalent static load method. Canadian Journal of Civil Engineering, 30(2): p. 287-307.
[10] Choi, W. S., Park, K. B., & Park, G. J. (2005). Calculation of equivalent static loads and its application. Nuclear engineering and design235(22), 2337-2348.
[11] Zhang, B., Chen, H., Li, M., Zhao, Z., Zhou, Y., & Fan, H. (2018). Equivalent static load method for hierarchical stiffened composite panel subjected to blast loading. Engineering Structures171, 569-582.
[12] Building and Housing Research Center. (2015). Iranian code of practice for seismic resistant design of buildings (Standard No. 2800.). 4th Edition, Tehran, Iran (in Persian).
[13] Nassar, A.A. and Krawinkler, H. (1991). Seismic Demands for SDOF and MDOF Systems. John A Blume Earthquake Engineering Center Technical Report 95: Stanford Digital Repository.
[14] Newmark, N.M. and Hall, W.J. (1982). Earthquake spectra and design. Earthquake Engineering Research Institute, Berkeley, California.
[15] Perform, C., 3D V5. (2011). Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structures. Computer and Structures, Inc. Berkeley, CA.
[16] FEMA, P. (2000). Commentary for the seismic rehabilitation of buildings. FEMA-356, Federal Emergency Management Agency, Washington DC.
[17] Palmer, K. D., Roeder, C. W., Lehman, D. E., Okazaki, T., Shield, C. K., & Powell, J. (2012). Concentric X-braced frames with HSS bracing. International Journal of Steel Structures12(3), 443-459.
[18] Berman, J. W., & Bruneau, M. (2007). Experimental and analytical investigation of tubular links for eccentrically braced frames. Engineering Structures29(8), 1929-1938.