نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

رفتار لرزه‌ای قاب‌های فولادی بلندمرتبه با سیستم جداساز لرزه‌ای بین‎طبقه‌ای و ارائه روشی برای شناسایی تراز ایده‌ال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس
2 دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
زمینۀ پژوهش: اگرچه سیستم‌های جداساز پایه در ساختمان‌های کوتاه و میان‌مرتبه عملکرد مطلوبی دارند، استفاده از آن‌ها در ساختمان‌های بلند به‎دلیل افزایش انعطاف‌پذیری، طولانی‌ترشدن دورۀ تناوب و افزایش تقاضای جابه‎جایی، معمولاً توصیه نمی‌شود. در سال‌های اخیر، سیستم جداساز لرزه‌ای بین‌طبقه‌ای به‌عنوان راهکاری جایگزین برای کنترل پاسخ لرزه‌ای ساختمان‌های بلند مورد توجه قرار گرفته است؛ بااین‎حال، تأثیر محل نصب جداساز بر عملکرد لرزه‌ای این سازه‌ها هنوز به‌طور جامع مشخص نشده است.
روش پژوهش: در این پژوهش، رفتار لرزه‌ای دو قاب فولادی ۲۰ و ۲۵ طبقه با سیستم دوگانۀ قاب خمشی و مهاربند برون‌محور مجهز به جداساز لرزه‌ای بین‌طبقه‌ای بررسی شد. جداسازهای لاستیکی با هستۀ سربی و مشخصات سختی و میرایی متفاوت در نرم‌افزار Opensees مدل‎سازی شدند و در ترازهای مختلف ساختمان، ازجمله تراز پایه، نصب شدند. برای ارزیابی عملکرد سازه، تحلیل مودال و تحلیل دینامیکی غیرخطی فزاینده (IDA) بر اساس ۲۲ رکورد زلزله مطابق دستورالعمل FEMA P-695 انجام شد و عملکرد سازه در سطوح بهره‌برداری بی‌وقفه (IO)، ایمنی جانی (LS) و آستانۀ فروریزش (CP) با استفاده از شتاب طیفی، شتاب طبقات و دریفت بین‌طبقه‌ای مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌های بلند به محل نصب جداساز بین‌طبقه‌ای وابستگی زیادی دارد. ترازهای بهینۀ نصب جداساز برای قاب‌های ۲۵ و ۲۰ طبقه، به‌ترتیب طبقات بیستم و پانزدهم تعیین شدند. استقرار جداساز در این ترازها موجب افزایش ظرفیت لرزه‌ای سازه در سطوح عملکرد ایمنی جانی و آستانۀ فروریزش، کاهش حدود ۲۰ و ۱۳ درصدی شتاب طبقات و کاهش حدود ۸ و 5/3 درصدی دریفت طبقات بالای جداساز در قاب‌های ۲۵ و ۲۰ طبقه شد. همچنین مشخص شد افزایش سختی جداساز به‌تنهایی موجب بهبود عملکرد لرزه‌ای نمی‌شود و انتخاب هم‎زمان سختی و میرایی بهینه برای دستیابی به عملکرد مناسب ضروری است. در مقابل، نصب جداساز در طبقات پایین‌تر، ازجمله تراز پایه، موجب کاهش ظرفیت لرزه‌ای و تضعیف عملکرد سازه شد.
نتیجه‌گیری: به‌کارگیری سیستم جداسازی لرزه‌ای بین‌طبقه‌ای در تراز بهینه، راهکاری مؤثر برای بهبود عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌های فولادی بلند محسوب می‌شود و ضمن افزایش ظرفیت لرزه‌ای، موجب کاهش شتاب و دریفت طبقات بالای جداساز بدون تأثیر نامطلوب بر طبقات پایین‌تر می‌شود. در مقابل، استفاده از جداساز در ترازهای پایین توصیه نمی‌شود. در پایان، یک فلوچارت کاربردی برای تعیین تراز بهینۀ نصب جداساز بین‌طبقه‌ای در ساختمان‌های بلند ارائه شده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Seismic Behavior of High-Rise Steel Frames with an Inter-Story Seismic Isolation System and a Proposed Method for Identifying the Optimal Isolation Level

نویسنده English

bahnam bashire 2
2 modares.univercity
چکیده English

Background: Conventional seismic design strategies based solely on ductility, stiffness enhancement, or mass modification cannot fully prevent structural damage during strong earthquakes. Although base isolation has proven effective for low- and mid-rise buildings, its application to high-rise structures is generally limited by excessive flexibility, longer vibration periods, and increased displacement demands. Inter-story seismic isolation (ISI) has recently emerged as a promising alternative; however, the influence of isolator location on the seismic performance of high-rise steel buildings has not yet been comprehensively established.
Methods: This study evaluates the seismic behavior of 20- and 25-story steel buildings with dual moment-resisting frame and eccentric bracing systems equipped with inter-story seismic isolators. Lead-rubber bearings with different stiffness and damping properties were modeled in OpenSees and installed at various elevations corresponding to changes in column sections, including the base level. Modal analysis and Incremental Dynamic Analysis (IDA) were performed using 22 far-field ground motions in accordance with FEMA P-695. Structural performance was assessed at the Immediate Occupancy (IO), Life Safety (LS), and Collapse Prevention (CP) performance levels using spectral acceleration, floor acceleration, and inter-story drift as evaluation criteria.
Results: The results demonstrate that the effectiveness of inter-story seismic isolation is highly dependent on its installation level. The optimum locations were identified as the 20th floor for the 25-story frame and the 15th floor for the 20-story frame. At these elevations, the isolated structures exhibited higher seismic capacities at both LS and CP performance levels while reducing floor accelerations by approximately 20% and 13%, and inter-story drifts by approximately 8% and 3.5%, respectively, in the isolated portion of the buildings. In contrast, placing the isolator at lower stories, including the base level, decreased structural capacity and adversely affected seismic performance. Furthermore, increasing isolator stiffness alone did not improve structural response, demonstrating that stiffness and damping must be optimized simultaneously to achieve the desired seismic performance.
Conclusion: Inter-story seismic isolation provides an effective seismic protection strategy for high-rise steel buildings when implemented at an optimum elevation. Properly positioned isolators enhance seismic capacity while significantly reducing acceleration and drift demands without adversely affecting the lower portion of the structure. Conversely, lower installation levels may compromise structural stability and are therefore not recommended. Based on the obtained results, a practical design flowchart is proposed to facilitate the identification of the optimum installation level of inter-story seismic isolators in future high-rise building designs.

کلیدواژه‌ها English

Inter-Story Seismic Isolator
Tall Buildings
Incremental Nonlinear Dynamic Analysis (IDA)
Lead Rubber Bearings (LRB)
Optimal Location
[1] Management and Planning Organization (2011) Guide for the Design and Construction of Seismic Isolation Systems in Buildings (Publication No. 523). Tehran: Management and Planning Organization.
[2] Avinash, G.C., and Lingeshwaran, N. (2024), "Review on Base and Inter Storey Seismic Isolation Systems for High Rise Buildings", Research on Engineering Structures & Materials.
[3] Mele, E., and Faiella, D. (2018), "Inter-Story Isolation Systems (IIS) for Tall Buildings: Design Considerations", CTBUH Journal, (2), pp.34-41.
[4] Zhang, Y., Liu, D., Fang, S., Lei, M., Zhu, Z., and Liao, W. (2022), "Study on Shock Absorption Performance and Damage of a New Staggered Story Isolated System", Advances in Structural Engineering, 25(5), pp.1136-1147.
[5] Becker, T.C., and Ezazi, A. (2016), "Enhanced Performance Through a Dual Isolation Seismic Protection System", The Structural Design of Tall & Special Buildings, 25(1), pp.72-89.
[6] Gallanti, L., and Forcellini, D. (2016), "Numeric Validation of 3D Printer Technology Applied to Story Isolation on Tall Buildings", Journal of Statistical Science & Application, 4(05-06), pp.132-143
[7] Saha, A., and Mishra, S.K. (2021), "Amplification of Seismic Demands in Inter-Storey-Isolated Buildings Subjected to Near Fault Pulse Type Ground Motions", Soil Dynamics & Earthquake Engineering, 147, pp.106771.
[8] Zhang, Ch. Duan, C., and Sun, L. (2023), "Experimental Investigation of FPS Inter-Story Isolation Control for Assembled Steel Structure with High Aspect Ratio", Structures, 53, pp.550-567.
[9] Forcellini, D., and Kalfas, N.K. (2023), "Inter-Story Seismic Isolation for High-Rise Buildings", Engineering Structures, 275, pp.115175.
[10] FEMA (2009), FEMA-P695: Quantification of building seismic performance factors, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C., USA.
[11] Standard 2800 (2015), “Iranian Code of Practice for Seismic Resistant Design of Buildings (4th edition)”, Road, Housing and Urban Development Research Center. (in Persian)
[12] Ministry of Roads and Urban Development, (2019), “Iranian National Building Regulations, Part 6: Loads on Buildings”, 4th edition. (in Persian)
[13] Ministry of Roads and Urban Development, (2013), “Iranian National Building Regulations, Part 10: Design and Construction of Steel Structures”, 4th edition, pp.220. (in Persian)
[14] Hjelmstad, K.D., and Popov, E.P. (1983), "Seismic Behavior of Active Beam Links in Eccentrically Braced Frames", NASA STI/Recon Technical Report 84, pp.18480.
[15] Mazzoni, S., McKenna, F., Scott, M.H., and Fenves, G.L. (2006), "Opensees Command Language Manual", Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center, 264(1), pp.137-158.
[16] Ramadan, T., and Ghobarah, A. (1995), "Analytical Model for Shear-Link Behavior", Journal of Structural Engineering, 121(11), pp.1574–1580.
[17] Kim J.H., Kim M.K., and Choi, I.K. (2019), "Experimental Study on Seismic Behavior of Lead-Rubber Bearing Considering Bi-Directional Horizontal Input Motions", Engineering Structures. 198, pp.109529.
[18] Vamvatsikos, D., and Cornell, C.A. (2002), "Incremental Dynamic Analysis", Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 31(3), pp.491-514.

  • تاریخ دریافت 17 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری 03 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 11 اسفند 1404
  • تاریخ اولین انتشار 15 فروردین 1405
  • تاریخ انتشار 15 فروردین 1405