الأحد، 29 سبتمبر 2019

مفهوم ومباديء العزل الزلزالي




مفهوم ومباديء العزل الزلزالي


مفهوم ومباديء العزل الزلزالي :  Seismic Isolation Concept

المبدأ الأول –تخفيض القوى الزلزالية :

يمكن تخفيض القوى الافقية على المنشات بتأثير الزلازل بشكل كبير ، وذلك بتحميل المنشأ على مساند تزود بمرونة أفقية وتخامد عاليين .
                                                    


ان نمط الاهتزاز الأول للمنشأ المعزول (mode 1 ) مختلف كليا عن أنماط الاهتزاز العليا . ويحدد دور(Period ) وتخامد (Damping )  نمط الاهتزاز الأول للمنشأ المعزول وبالتالي استجابته (Response ) الزلزالية من خلال خواص جملة العزل ( Isolation System ) التي تكون فعليا مستقلة عن دور وتخامد المنشأ الأساس ، وتكون الانتقالات و التسارعات لنمط الاهتزاز الأول المعزول متقاربة على كامل ارتفاع المنشأ ، لذلك يمكن اعتبار المنشأ المعزول زلزاليا كتلة صلدة عند تحديد الاستجابته  الزلزالية لنمط الاهتزاز الأول .
ان الميزة الأهم للعزل الزلزالي هو أنه نتيجة مرونة جملة العزل ، يزيد الدور الذاتي للمنشأ وبالتالي يصبح المنشأ خارج المجال الخطر للرنين (Resonance ) بالتالي يخفض القوى الزلزالية ولا يقاومها .

المبدأ الثاني –التحكم بالاضرار الناجمة عن القوى الزلزالية :

عمليا لا يهدف العزل الزلزالي الى تحقيق تصميم اقتصادي ، بل الى التحكم بالاضرارالتي تصيب المنشأ ( زيادة عامل الأمان على الزلازل ) وذلك من خلال ميزات العزل التي تتيح استجابة منخفضة تحت تأثير زلازل خطيرة ، ويعتبر نظام العزل فعالا ومبرر اقتصاديا اذا استخدم  للابنية الهامة  التي يجب أن تبقى قابلة للاستثمار بعد حدوث الزلزال .

مفهوم العزل الزلزالي وفق الكود UBC97 :

ان جمل العزل الزلزالي ، مبددات الطاقة وجمل التخامد يمكن أن تستخدم في تصميم المنشأت عندما يوافق عليها من قبل الهيئات الرسمية للبناء . وعندما تستخدم التفاصيل الخاصة في تحقيق نتائج مساوية لتلك التي يتم الحصول عليها باستخدام الجمل الانشائية المألوفة .   


Inertial moment and torsion constant reduction of cracked sections





Inertial moment  and torsion constant reduction of cracked sections

The concept of the need to reduce the inertia moment  :
When the structural elements are loaded with vertical and horizontal loads and other loads, they have a curvature towards the load Since the sections of these elements have a certain hardness, at the beginning of the load is in the phase of the elastic deformation and then increased loads enter the plastic field ie cracking, and thus less effective height of the section (calculated on the basis of inertia) It is less resistant to increase deformations in the plastic phase, and therefore this plastic behavior (cracks) should be included in the structural calculations of the structure according to the requirements of the code and the theories of structural analysis known.
In the theory of elasticity, linear analysis of structural elements can be carried out in the elastic phase (ideal - without cracks), but taking into account the factors of reducing the inertia of the elements where cracks are expected to occur as a result of horizontal and vertical loads or by the impact of indirect acts such as heat, shrinkage and support cushions, etc. Investment during the design life of the structur.
With the effect of cracks, the effective depth of the structural section decreases and the inertial moment  of section (I) decreases and therefore the section 's rigidity (EI) is reduced due to cracking, which increases the value of the vertical deflections and horizontal Displacements. Therefore, we reduce the inertia (I) to approach the actual reality of the actual behavior of the constructional sections.
In non-linear analysis, cracks are automatically taken into account during the analysis and with great accuracy. This can be done with the help of large structural programs.
It can be concluded that linear and non-linear solutions are usually close together, depending on the type of structural element and its importance and the regularity and importance of origin and the type and value of loads applied, which controls the type of analysis is the cost and safety.The design considerations of an ordinary building differ from that of a very high building, and the experience of the structural engineer is of great importance.

Reducing inertia according to the American code:

According to ACI-11- 8.7.1, the hardness of the elements (EI & GJ) should be determined to reflect the degree of cracking of the elements and the non-linear action (inelastic action) that occurs to the elements before they reach the yielding stage. Therefore, when conducting a linear analysis of the structure, the code defines the coefficients of the hardness reduction of the structural elements.
When performing linear analysis of structure, the following characteristics  should be considered:
A) - Modulus of elasticity is used for concrete according to the following relationship:
                                            Ec = 4700*(f`c)^0.5
B)-Reducing inertia (I), as follows:
    - Elements subject to pressure forces mainly:
0.70 Ig
الاعمدة                                   Columns
0.70 Ig
جدران غير متشققة        Walls—Uncracked
0.35 Ig
- متشققة                        —Cracked
- Elements subject to  bending  :


0.35 Ig
الجوائز                                                Beams
0.25 Ig
البلاطات والبلاطات المسطحة Flat plates and flat slabs  
C) - the total area of ​​the section taken in all previous calculations (Area = 0.1 Ag).
According to ACI-11- 10.10.4.2  when Lateral  loads (earthquakes or wind) are present or included in the analysis. The previous numbers of the pressure-prone elements are reduced again by the value (Bds + 1), where ( Bds) represents the ratio of shear due to constant loads (DL) to shear resulting from the sum of loads for the same design load structure and on the same floor, and ( βds) must be less than one.
If (βds) is calculated, the columns and shear walls are reduced in structural structures by taking values ​​within the range (0.6 → 0.8) depending on the type and value of loads, seismic zone, elemental spans, type of structure (uniformity) and other factors. Even beames can also be reduced by values ​​within the range (0.4 → 0.6) according to the previous indicators.
In order to perform the analysis using the service loads, the value of the inertia  moment (I) of the sections must be enlarged, ie, the increase of the previous reduction coefficients by 1.0 / 0.70 = 1.43 . Because the previous reduction figures are for Factored loads .
In the case of T-Beams, either the effective width of the wing is calculated, or, alternatively, the value of the inertial moment can be considered equal to twice the moment of the section without wings, ie, in both cases it is reduced by the same value for rectangular beames as Already. An approximate solution can be made by neglecting the work of the wings in the resistance, in which case the inertia moment of its inertia moment (as in the Arab code) will not be reduced.

Inserting the effect of cracks in the iTabs program:

In Etabs, consideration should be given to reducing the inertia moment for investment loads only. So the statice analises in Etabs depend on matrix method which depend on elastic method  (  F = K * Δ )  , Therefore, the introduction of reduction coefficients for Factored loads will give the program incorrect results and thus conclusions are reached Next   :

1- The inertial reduction factors are introduced for investment loads, ie the equations in the above code ACI are enlarged to 1.43 to read as follows:
    - Elements subject to pressure forces mainly:
1.0 Ig
الاعمدة                                   Columns
1.0 Ig
جدران غير متشققة        Walls—Uncracked
0. 5 Ig
- متشققة                        —Cracked

- Elements subject to bending :
0. 5 Ig
الجوائز                                                Beams
0.357 Ig
 البلاطات والبلاطات المسطحة     Flat plates and flat slabs

When there are lateral loads (earthquakes or winds in the analysis), the previous figures are reduced again for the elements subjected to pressure by (Bds + 1), where βds represents the ratio of shear due to constant loads (DL) to shear resulting from the sum of loads for the same design load structure. With the same thoughtful floor, βds must be less than one.
In the case of T-Beams, for simplicity, they are analyzed without taking into account the wings' resistance, and then the impact of the cracks can be neglected .  case the inertia moment will not be reduced of T-sections and we considere them as rectangular its section  (  bw * h) .
Instead of calculating the value of (Bds) and the fact that the values ​​are very close to the values ​​in the table and the code FEMA_356 and the code ACI. The values ​​in FEMA can be directly adopted. Also, the cracked walls in weak and medium intensity seismic zones can be reduced to ( 0.5 → 0.7) .

Important note :

The ETABS program does not take T-Beams into consideration unless it is defined as Type T .



                 

السبت، 28 سبتمبر 2019

موجبات تخفيض عزم العطالة وثابت الفتل للمقاطع المتشققة



موجبات تخفيض عزم العطالة وثابت الفتل للمقاطع المتشققة

مفهوم ضرورة تخفيض عزوم العطالة :
عند تحميل العناصر الانشائية بألاحمال الشاقولي والافقية وغيرها من الاحمال يحصل لها انحناء باتجاه التحميل وبمان مقاطع هذه العناصر لها قساوة معينة فانه وفي بداية التحميل تكون في مرحلة التشوه المرن ثم بازدياد الاحمال تدخل المجال اللدن أ تتشقق ، وبالتالي يقل الارتفاع الفعال للمقطع ( المحسوب على أساسه عزم العطالة ) وتقل مقاومته لزيادة التشوهات في المرحلة اللدنة ، وبالتالي يجب ادخال هذا السلوك اللدن ( التشققات ) في الحسابات الانشائية للمنشأ وفق اشتراطات الكود ونظريات التحليل الانشائي المعروفة .
في نظرية المرونة فانه يمكن اجراء التحليل الخطي للعناصر الانشائية وهي في المرحلة المرنة ( مثالية - دون تشققات ) ولكن مع الأخذ بعين الاعتبار معاملات تخفيض عزوم العطالة للعناصر التي يتوقع حدوث تشققات فيها  نتيجة الحمولات الافقية والشاقولية أو بتأثير الأفعال غير المباشرة كالحرارة والتقلص وهبوط المساند وغيرها أثناء الاستثمار خلال العمر التصميمي للمنشأ .
بتأثير التشققات فان العمق الفعال  للمقطع الانشائي يقل ويقل عزم العطالة للمقطع ( I ) وبالتالي تقل الصلابة  العزمية  للمقطع ( EI ) بسبب التشقق مما يؤدي الى زيادة قيمة السهوم الشاقولية Deflections والانتقالات الافقية Displacements . لذلك نخفض عزوم العطالة ( I ) حتى نقترب من الواقع الفعلي للسلوك الفعلي للمقاطع الانشائية .
أما في التحليل اللاخطي   Non-Linear Analysisفتؤخذ التشققات بعين الاعتبار بشكل تلقائيأثناء التحليل وبدقة فائقة ، ويمكن اجراء ذلك بمساعدة البرامج الانشائية  الضخمة ، وقد يكون التحليل اللاخطي   ستاتيكي أو ديناميكي .
يمكن الاستنتاج أن الحلول الخطية واللاخطية تكون عادة قريبة من بعضها ، وهذا حسب نوع العنصر الانشائي واهميته وانتظام وأهمية المنشأ ونوع وقيمة الحمولات المطبق ، والذي يتحكم بنوع التحليل هو الكلفة والأمان  فالاعتبارات التصميمية لمبنى عادي تختلف عنها لمبن عالي جدا ، ولخبرة المهندس الانشائي أهمية كبيرة .
تخفيض عزم العطالة وفق الكود الأمريكي :
وفقا للكود ACI-11- 8.7.1 ، فانه يجب أن تحدد قساوات العناصر (EI & GJ ) بحيث تعكس درجة التشقق للعناصر والفعل اللاخطي  ( inelastic action ) التي تحدث للعناصر قبل وصولها الى مرحلة السيلان (yielding ) . لذلك حدد الكود عند اجراءا لتحليل الخطي (Linear Analysis ) للمنشأ معاملات تخفيض القساوة للعناصر الانشائية ، ويتم التخفيض وفقا للكود UBC97 Se 1910.11 أو ACI-11 Se 10.10.4.1  كما يلي :
عند اجراءا لتحليل الخطي للمنشأ ، يجب الاخذ بعين الاعتبار الخصائص التالية :
أ-يستخدم معامل المرونة (Modulus of elasticity ) للخرسانة وفق العلاقة التالية :
                              
               Ec = 4700*(f`c)^0.5

ب-تخفيض عزم العطالة ( I ) ، وفقا للتالي :
    -العناصر المعرضة لقوى ضغط بشكل رئيسي :
0.70 Ig
الاعمدة                                   Columns
0.70 Ig
جدران غير متشققة        Walls—Uncracked
0.35 Ig
- متشققة                        —Cracked

- العناصر المعرضة للانعطاف بشكل رئيسي :
0.35 Ig
الجوائز                                                Beams
0.25 Ig
البلاطات والبلاطات المسطحة Flat plates and flat slabs  

ج-مساحة المقطع الكلية تؤخذ في كل الحسابات السابقة ( Area = 0.1 Ag ) .
وفقا للكود ACI-11- 10.10.4.2  عند وجود الاحمال الجانبية ( زلازل أو رياح ) أو داخلة ضمن التحليل . فانه يتم تخفيض الأرقام السابقة مرة أخرى للعناصر المعرضة للضغط بالقيمة ( Bds + 1) ، حيث βds يمثل نسبة القص الناتج عن الاحمال الثابتة (DL ) الى القص الناتج عن مجموع الاحمال لنفس تركيب الاحمال التصميمية وبنفس الطابق المدروس ، ويجب أن تكون βds أقل من الواحد .
في حال تم حساب المعامل βds فان الاعمدة وجدران القص يتم تخفيضها في المنشات الهيكلية بأخذ القيم ضمن المجال ( 0.6 0.8 ) وذلك بحسب نوع وقيمة الاحمال والمنطقة الزلزالية ومجازات العناصر ونوع المنشأ ( الانتظام ) وغيره من العوامل . حتى الجوائز فانه يمكن أيضا أن يتم تخفيضها بالقيم ضمن المجال ( 0.4 → 0.6 ) حسب المؤشرات السابقة .
ومن أجل اجراء التحليل باستخدام الاحمال الاستثمارية (Service Loads ) يجب ان يتم تكبير قيمة عزم العطالة (I ) للمقاطع ، أي زيادة معاملات التخفيض السابقة بالرقم  1.0 / 0.70 =   1.43 . لان ارقام التخفض السابقة هي من أجل الحمولات المصعدة (Factored Loads  ) .
في حال الجوائز من النوع ) T-Beams ) ، فانه اما أن يتم حساب العرض الفعال للجناح ، او انه كحل بديل  يمكن ان يتم اعتبارقيمة عزم العطالة مسوية الى ضعف العزم للمقطع بدون أجنحة ، أي ان
( Ig =2(bw*h^3/12 ، وفي كلا الحالتين يتم تخفيضه بنفس القيمة للجوائز المستطيلة كما سبق . يمكن عمل حل تقريبي بأن يتم اهمال عمل الاجنحة في المقاومة وفي هذه الحالة لا يتم تخفيض عزم العطالة لها ( كما في الكود العربي ) وهذا للامان .
ادخال أثر التشققات في برنامج الايتابس :
في الايتابس يجب الاخذ بعين الاعتبار تخفيض عزم العطالة من أجل الاحمال الاستثمارية فقط ، فالتحليل الستاتيكي في الايتابس يتم باستخدام طريقة المصفوفات التي تعتمد على طريقة المرونة (  F = K * Δ ) حيث تحسب الانتقالات في عقد المنشأ وعلى أساسها يتم حساب بقية المجاهيل من قوى وقوى قص وعزوم وبالتالي فان ادخال معاملات التخفيض من أجل الاحمال المصعدة سوف يعطي البرنامج نتائج غير صحيحة وبالتالي يتم الوصول الى الاستنتاجات
التالية  :
1- يتم ادخال معاملات تخفيض عزم العطالة من أجل الاحمال الاستثمارية ، أي يتم تكبير المعادلات التي وردت في الكود أعلاه ACI   بالنسبة 1.43 لتصبح كالتالي :
    -العناصر المعرضة لقوى ضغط بشكل رئيسي :
1.0 Ig
الاعمدة                                   Columns
1.0 Ig
جدران غير متشققة        Walls—Uncracked
0. 5 Ig
- متشققة                        —Cracked

- العناصر المعرضة للانعطاف بشكل رئيسي :
0. 5 Ig
الجوائز                                                Beams
0.357 Ig
 البلاطات والبلاطات المسطحة     Flat plates and flat slabs

وعند وجود أحمال جانبية ( زلازل او رياح في التحليل . فانه يتم تخفيض الأرقام السابقة مرة أخرى للعناصر المعرضة للضغط بالقيمة ( Bds + 1) ، حيث βds يمثل نسبة القص الناتج عن الاحمال الثابتة (DL ) الى القص الناتج عن مجموع الاحمال لنفس تركيب الاحمال التصميمية وبنفس الطابق المدروس ، ويجب أن تكون βds أقل من الواحد .
في حال الجوائز من النوع ) T-Beams ) ، فانه اما أن للتبسيط يتم تحليلها دون أخذ  الاجنحة بعين الاعتبار في المقاومة  ، وعندها يمكن اهمال أثر التشققات عليها ، أي لا نقوم بتخفيض عزوم العطالة للمقاطع بشك  T  في حال اعتبارها كأنها مستطيلة مقطعها (bw * h ) .
وبدلا من حساب قيمة βds وكون القيم قريبة جدا من القيم الوارد في الجدول  والكود FEMA_356 والكود ACI  . فيمكن مباشرة اعتماد القيم الواردة في FEMA. وأيضا يمكن التخفيض للجدرن المتشققة في المناطق الزلزالية ضعيفة ومتوسطة  الشدة الى القيمة (0.5
.  (  → 0.7
ملاحظة هامة :
لا يقوم البرنامج ETABS بأخذ الجوائز T-Beams بعين الاعتبار الا اذا تم تعريفه من النوع T ، حيث يقوم المصمم بحساب العرض الفعال للجناح Flange Width  خارج البرنامج ثم يعرف المقطع في البرنامج على أنه T-Beams فيقوم البرنامج  عندها بتحليله وتصميمه .