بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین موارد در طراحی ساختمانها، مقاومت در برابر نیروهاي جانبی از جمله باد و زلزله میباشد. در سازه هاي بتنی، دیوار برشی قسمت اعظم بارهاي جانبی و تا حدودي بارهاي ثقلی را تحمل می کند. این عضو سازه اي با ابعاد تقریبا بزرگ خود نسبت به دیگر اعضاي سازه اي سختی جانبی سازه را به شدت افزایش داده و از تغییرمکانهاي نسبی زیاد جلوگیري می کند. دیوار برشی باعث جذب انرژي زلزله شده و نیروهاي برشی وارده به سازه را مخصوصا در طبقات پایین کنترل می نماید. براي ساختمانهاي بلند، استاندارد 2800 تاکید بر سیستم ترکیبی قاب-دیوار دارد و آیین نامه
بتن ایران(آبا) نیز استفاده از دیوار برشی را در این ساختمانها ضروري می داند، اما تحقیقات حکایت از عملکرد
نامناسب این عضو سازه اي در طبقات بالاي ساختمان دارد.
با توجه به اندرکنش قاب و دیوار و تفاوت رفتاري این دو با افزایش ارتفاع، ازمقدار برش جذب شده در دیوار کاسته شده و برش موجود جذب قاب خمشی بتن آرمه می گردد. اما این امر تا جایی پیش می رود که در نقطه اي از ارتفاع سازه، جذب برش توسط دیوار به حداقل ممکن رسیده و حتی بصورت برشی منفی بروز می کند که این خود علاوه بر نیروي برشی موجود در طبقه، برشی مازاد تولید نموده که وظیفه جذب آن به عهده قاب خمشی است. لذا در این مقاله سعی میگردد ضمن رعایت نکات استاندارد 2800 (عدم ایجاد طبقه نرم و یا طبقه ضعیف در طبقات ساختمان)، با حذف دیوار در طبقاتی که منجر به برش منفی است از بوجود آمدن این نیروي مازاد جلوگیري کرده و رفتارهاي سازه بهبود یابد. چهارساختمان در17-15-13 و19 طبقه با سیستم قاب خمشی و دیوار برشی سازه اي تحت بارگذاري قرارگرفتند و در حالات مختلف (با یا بدون دیوار برشی) تحلیل دینامیکی شده اند. نتایج تحلیل نشان می دهد می توان با حذف موضعی دیواربرشی در طبقاتی که برش جذب شده قاب در آن از برش طبقه بیشتر است از برش موجود کاسته و در نهایت با حذف دیوار در طبقه انتهایی مانع بروز برش منفی در سازه شد.
1
کلید واژه: ساختمان بتن مسلح نیمه بلند، لنگی برشی، برش منفی، دیوار برشی، استاندارد2800، تیرعمیق
-1مقدمه
وقوع زلزله و نیروهاي اینرسی ناشی از زلزله سبب تولید نیروي برشی در طبقات مختلف سازه می شود. جذب این نیروي برشی در سازه بتنی معمولا به وسیله دیوار برشی و قاب خمشی صورت می گیرد.
رفتار دیوار در مود خمشی جذب نیروي فوق العاده زیاد نیروي برش، در طبقات پایین سازه را به همراه دارد. این امر باعث می شود دیوار برشی در انتهاي آزاد خود تغییرمکان جانبی قابل ملاحظه اي نسبت به پاي سازه داشته باشد. در مقابل، رفتار قاب خمشی که در مود برشی رفتار می کند، جذب بیشتر نیروي برشی درقاب را در طبقات بالاي ساختمان به عهده میگیرد.(شکل (1
الف ب
شکل .1 الف.مود خمشی دیوار و روند تغییرمکان صعودي دیوار برشی ب.مود برشی قاب و تغییرمکان رو به کاهش آن
2
نوع تغییرمکان هر یک از این المانهاي سازه اي نشان می دهد که هر کدام در قسمتی از سازه خود را به دیگري تحمیل می کند. با نگاهی ساده تر می توان دریافت نسبت تغییرمکان نسبی قاب به ارتفاع در طبقات تحتانی سازه به طبقات فوقانی، بیشتر است و در دیوار برشی این قضیه کاملا برعکس بوده و دیوار همانند یک تیر طره اي عمل کرده و در طبقات بالایی تغییرمکان نسبی بیشتري دارد. این دو رفتار متفاوت باعث می شود که دیوار در پایین سازه نیروي برشی بیشتري را تحمل کرده و همچنین از تغییرمکان نسبی قابها جلوگیري کند.
به همین نحو رفتار دیوار در طبقات بالایی سازه، باعث ایجاد نیروي برشی مازاد شده و خود را به قاب تحمیل می کند تا قاب حین تحمل برش طبقه، متحمل برشی اضافه از طرف دیوار باشد.
حذف دیوار برشی در طبقات داراي برش منفی می تواند به علت نوع رفتار دیوار، نیروي زلزله کمتري به آن وارد کند و همچنین قاب براي جذب برش کمتري طراحی گردد.
در مورد حذف دیوار برشی و بررسی لنگی برشی تحقیقات زیادي انجام گرفته است. پروفسور اسمیت [1] در تحقیقی به بررسی محور قطع دیوار برشی در ارتفاع با استفاده از معادله تغییرمکان پرداخته است. موسوي [2] در سال 1376، با فرضیاتی، معادله اي را ارائه کرده که با مشتق گیري از این معادله می توان محور ارتفاع قطع بهینه دیوار برشی را بدون ایجاد اثرات منفی بدست آورد.
خیرالدین و دربانیان [3] در تحقیقی براي تعریف ضریب رفتار در سازه هاي مختلط، نحوه حذف دیوار برشی در طبقاتی که برش منفی ایجاد می کنند و جایگزینی مهاربند فولادي را بجاي آن بررسی کرده اند و کاهش سختی ناگهانی ناشی از حذف دیوار برشی را با ایجاد سختی محدودي از جانب مهاربند پوشش داده و برش منفی به مراتب کمتري را شاهد بوده اند. حاجی کاظمی و کمپانی [4]، نیز در تحقیقی به تشریح فرمولهاي جدیدي براي تحلیل سازه هاي دچار لنگی برشی پرداخته اند. در این تحقیق روابطی براي نیروهاي محوري و برشی در ستونها و تیرهاي ساختمان مورد مطالعه ارائه شده است. در تحقیق دیگري، جمشیدي و خیرالدین [5]، در مدلهاي ساختمانی لوله اي شکل، این سازه ها را مورد بررسی قرار داده و یادآور شده اند که در ساختمانهاي بلند با این سیستم، می توان قسمتی از سازه را بدون ایجاد اثرات منفی بر دیگر اجزاي سازه حذف نمود. لنگی برشی یکی از شاخصه هاي مهم درسازه هاي لوله اي می باشد.
بمنظور بررسی رفتار اینگونه سازه ها، چهار ساختمان بتن آرمه با چیدمان مختلف دیوار برشی و ارتفاعهاي متفاوت به کمک نرم افزار [6] ETABS2000 تحلیل شده اند. دیوارهاي برشی در طبقات بالاي ساختمان با حذف موضعی و ایجاد تیر عمیق مدل شده و با افزایش ارتفاع با کاهش حجم دیوار روبه رو گردیده اند. با این کار ضمن رعایت نکات آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله
(استاندارد[7] (2800، وزن سازه کاهش یافته و نیروي جانبی کمتري به سازه وارد می آید. روند کلی این کار همانند ایجاد بازشو در دیوارهاي برشی بوده و تیر عمیق ذکر شده در حقیقت تیر همبند این دیوار می باشد. سپس با نرم افزار [8] ANSYS یکی از دیوار هاي برشی تحلیل شده و مناطق مهم
3
آن شناسایی می شوند تا نسبت به تقویت آن اقدام شود. در سازه هاي مورد تحلیل، از استاندارد 9]519
[براي بارگذاري ثقلی و از استاندارد2800 نیز براي بارهاي جانبی استفاده شده است.
-2ضوابط و محدودیتهاي آیین نامه اي
حذف دیوار در طبقات داراي برش منفی، باعث کم شدن ناگهانی سختی آن شده که این حالت سبب می گردد ساختمان از حالت منظم تبدیل به یک ساختمان نامنظم در ارتفاع گردد.
بند2-1-8-1 ب آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله، کم شدن سختی جانبی طبقه اي را بیشتر از 70درصد سختی جانبی طبقه روي خود و یا کمتر از 80درصد متوسط سختی سه طبقه روي خود مجاز ندانسته است.
همچنین در بند 4-9-1 پ این آیین نامه(استاندارد(2800، طراحی قابهاي خمشی را در سیستمهاي دوگانه بتنی به تحمل %25نیروي جانبی وارد به ساختمان الزام کرده است.
-3مدلسازي عددي
براي مدل و تحلیل، از یک پلان مربع شکل منظم با پنج دهانه که طول هر دهانه آن در راستاي
XوY چهار متر است استفاده شده است. (شکل(2 این پلان بصورت لوله اي منظم مدل شده است.
ساختمانها در17-15-13و19 طبقه با ارتفاع 3 متر در هر طبقه، در نظر گرفته شده اند. سقف سازه اي آن تیرچه بلوك و دیوارهاي برشی در هر دو جهت در دهانه میانی قرار گرفته است.
4
شکل.2 پلان مدل کامپیوتري
ابعاد قابهاي خمشی و دیوار برشی در پاي سازه به نحوي در نظر گرفته شده است که قاب توانایی
جذب %25برش وارده را داشته باشد.
دیوارهاي برشی با المان مرزي مدل شده و ابعاد المانهاي مرزي درهر طبقه مشابه ستونهاي آن طبقه می باشد. براي تحلیل بهتر و پاسخ دقیق تر به سیستم بارگذاري، دیوارهاي برشی به نسبت یک در طول و ارتفاع شبکه بندي شده است. این تقسیم بندي باعث می شود ضمن اتصال کامل دیوار با پی، نیروها به طور نسبتا دقیقی در دیوار توزیع شده و رفتاري واقعی تر از دیوار بدست می آید .[10] کلیه ستونها با 12Φ25 مسلح شده و فقط در طبقات از ابعاد آن کاسته شده است.(جدول (1
