بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي تاثير ميزان آرماتورگذاري بر شکل پذيري و ضريب رفتار ديوار برشي بتني داراي بازشو
چکيده :
ديوار برشي بتن آرمه يکي از سيستمهاي مناسب در برابر نيروهاي جانبي مي باشد که تعبيه بازشوها تاثير مهمي بر عملکرد آن مي گذارد. .نسبت ابعاد بازشو و همچنـين درصـد آرمـاتور بکـار رفتـه در ديـوار از مهمترين عوامل تاثيرگذار بر رفتار غيرخطي ديوار برشي بتني داراي بازشو مي باشند کـه روشـهاي نـوين طراحي و پيشرفتهاي نرم افزاري در زمينه تحليل غيرخطي سازه ها، امکان بررسي رفتار غيرخطي و شکل پذيري چنين سازه اي را بخوبي فراهم آورده است . در تحقيقات گذشته از تيرهاي عميق بـراي مدلـسازي کامپيوتري بازشوها در ديوارهاي برشي استفاده شده است ، اين تقريبسازي خـصوصا بـراي بازشـوهاي بـا ارتفاع کم ، خطاي نسبتا زيادي در پاسخهاي سازه ايجاد مي نمايد. لذا براي رفع اين نقيصه در پروژه حاضر، ديوار برشي بتني بصورت يک صفحه داراي سوراخ مدل گرديده و تاثير بازشو بر رفتار غيرخطـي سـازهاي کوتاه ، متوسط و بلند، به ازاء درصد آرماتورهاي مختلف ، به کمک منحني ظرفيت سازه مورد بررسـي قـرار گرفته است و به منظور دستيابي به مقادير ضريب رفتار ديوارهاي برشي بتني داراي بازشـو و مقايـسه بـا مقادير ذکر شده در آيين نامه ، ميزان شکل پذيري و مقدار ضريب رفتار نمونه ها نيز محاسبه شده است .
واژه هاي کليدي : ديوار برشي داراي بازشو، تير کوپله ، ديوار کوپله ، ضريب رفتار، شکل پذيري
مقدمه :
احداث ديوار هاي برشي چه در ساختمانهاي بلند و چه متوسط وحتي در ساختمانهاي کوتـاه موجـب مي شود که مقاومت ساختمان بطور قابل توجهي افزايش يابد و در مقايسه با ساختن قابهـاي خمـشي اقتصادي تر خواهد بود و بهترين شيوه براي کنترل خيز جانبي ساختمانها مي باشد. امروزه بخوبي مي توان از ديوارهاي برشي در کنار قابهاي خمشي به نحوي استفاده کرد کـه رفتـار مجموعـه سـازه نـرم ، مقاوم و شکل پذير باشد. در غالب موارد ديوارهاي برشي قادرند بيشترين سـهم نيـروي بـرش پايـه را تحمل کنند که موجب افزايش چشمگير سختي ساختمان و کاهش قابل ملاحظه خسارت بـه عناصـر غيرسازه اي مي گردند و همچنين ديوارهاي برشي قادرند حتي پس از پذيرش ترکهاي زيـاد، بارهـاي ثقلي ساختمان را تحمل کنند کـه سـتونها فاقـد چنـين خاصـيتي هـستند و در کـل چنـين عـواملي ديوارهاي برشي را قابل اطمينان تر از قابهاي خمشي ساخته است .
تحقيقات نشان داده است که درصورت اجراي صحيح و آرماتورگذاري کافي، شکل پذيري مناسـبي از خود نشان مي دهند. در ديوارهاي برشي داراي بازشو اگر ديوار در پايين ترين قسمت خود داراي يـک يا چند بازشو باشد هريک از اجزاء ديوار در طرفين بازشو را پايه هاي ديواري و بخشي از ديوار که بين بازشوي بالايي و پاييني واقع مي شود را تير همبند يا کوپله مي نامند.[١]
Zhao و همکاران [٤] به بررسي تاثير ارتفـاع تيـر کوپلـه و درصـد آرمـاتور برشـي آن در آزمايـشگاه پرداختند و به اين نتيجه رسيدند که تيرهاي کوپله بـا نـسبت دهانـه بـه ضـخامت کمتـر از ٢ شـبيه تيرهاي عميق رفتار مي کنند و در برش دچار شکست مي شوند. همچنين به اين نتيجه رسـيدند کـه تيرهاي کوپله با درصد آرماتور برشي کمتر دچار گسيختگي برشي -کششي مي شوند اما نمونه هاي بـا آرماتور برشي بيشتر، اغلب دچار گسيختگي لغرشي -برشي مي شوند و داراي شکستي ترد هستند.
Paulay به بررسي شکل پذيري ديوارهاي کوپله پرداخت [٥] و به اين نتيجـه رسـيد کـه ديوارهـاي کوپله محاسن ويژه اي دارند که عبارتند از:
- کنترل تغيير مکان بسيار عالي دارند.
- يک سيستم کوپله قوي ، امکان استفاده از ديوارهاي لاغر بدون به خطر انداختن حدود مجاز تغييـر شکل نسبي طبقات را فراهم مي نمايد.
- حدود تغيير شکلها در خلال يک پاسخ شکل پذير، متاثر از مدهاي ديناميکي بالاتر نمي باشد.
- با يک آرماتورگذاري مناسب و کافي، ميرايي هيسترتيک بزرگتري نسبت به ساختمانهاي سنتي بـا ديوار برشي از خود نشان مي دهد.
صفاري و قهرماني [٣] به اين نتيجه رسيدند که افزايش ارتفاع تير کوپله باعث افزايش مقاومت نهـايي مي گردد اما درصورتيکه ارتفاع تير کوپله بـيش از حـدود ٣٣% ارتفـاع طبقـه گـردد، تـاثير زيـادي در مقاومت نهايي ديوار ندارد و شکل پذيري را نيز کاهش مي دهد.
هدف از انجام اين تحقيق بررسـي تـاثير بازشـوها و همچنـين تـاثير ميـزان آرماتورگـذاري، بـر رفتـار غيرخطي و سطح عملکرد ديوارهاي برشي مي باشد. يک ساختمان ٨ طبقه با سيـستم ديـوار برشـي داراي بازشو مورد تحليل غير خطي قرار گرفته و رفتار غير ارتجاعي و سطح عملکرد آن بررسـي شـده است . پس از آن سازه هاي ٤ و٨ و١٢ طبقه با شرايط بارگذاري مشابه ساختمان اجرا شده و با حداقل و حداکثر آرماتور ذکر شده در آيين نامـه ، بـه منظـور بررسـي تـاثير ميـزان آرماتورگـذاري بـر رفتـار غيرخطي و سطح عملکرد سازه ها و کنترل ارضاي نيازهاي آيين نامه ، مورد بررسي قرار گرفتـه اسـت .
در نهايت کليات طرح و مشخصات مدل هاي مورد استفاده در اين مقاله و نتايج نهايي مربوط بـه هـر مدل ارايه گرديده است .
شکل پذيري ديوارهاي برشي :
شکل پذيري قابليتي از يک سازه و يا يک عضو سازه اي است که مطابق با آن مي تواند تغييرشـکلهاي غير ارتجاعي از خود نشان دهد بدون اينکه منجر به انهدام سازه يا جزء سازه اي گردد. در اين تعريـف منظور از شکل پذيري ، همان تغييرمکان است ولي مي تواند ساير پارامترهـاي مـشابه نيـز باشـد و بـه
صورت زير بيان مي شود:
که در آن ، حداکثر تغييرمکان و تغييرمکان نظيرتسليم است .
حال با توجه به ميزان شکل پذيري سازه ، يک ضريب (R) بعنوان ضريب رفتار براي هر سيستم سـازه اي بدست مي آيد که در حقيقت بيانگر ميزان کاهش برش پايه براي طراحي در حالت خطي است بـه نحويکه سازه در رفتار واقعي خود وارد مراحل غيرخطي شود بـدون آنکـه تغييرشـکلهاي آن از حـدود شکل پذيري سازه فراتر رود. ضرايب رفتار در آيين نامه هاي ساختماني براي سيستمهاي باربر جـانبي ذکر گرديده است اما در آيين نامه بارگذاري ايران براي ديوار برشي داراي بازشو ضريب رفتـاري مجـزا از ديوارهاي برشي يکپارچه ذکر نشده است . در اين تحقيق با محاسبه ضريب رفتار نمونـه هـاي مـدل شده مقايسه اي بين مقادير ضريب رفتار محاسبه شده ، و مقادير ضريب رفتار ذکر شده در آيـين نامـه بارگذاري انجام شده است .
رفتار غيرالاستيک ديوار برشي :
تحقيقات انجام شده [٨][٥][٤] بر روي ديوارهاي برشي بتن مسلح نشان مي دهـد ديوارهـايي کـه بـه حد کافي و به نحو مناسب آرماتورگذاري شده اند نسبت به ديوارهاي با آرماتورگذاري کمتـر، ترکهـا را در محدوده وسيعتري از سطح خود پخش کرده اند و اغلب اين ترکها بسته هستند خصوصا هنگاميکـه فولادها به حد جاري شدن نرسيده باشند. همچنين مشخص شده که آرماتورگذاري پيرامون بازشـوها، تاثير مهمي بر ظرفيت ديوار برشي دارد[٧]
ديوارهاي برشي داراي بازشو نيز چنانچه به نحو مناسبي طراحي و آرماتورگـذاري شـده باشـند، رفتـار شکل پذير مناسب و خاصيت استهلاک انرژي بالايي دارند که به همين دليل توصيه مي شـود تـا حـد امکان از آنها در ساختمانها استفاده شود[١]. اين ديوارها در واقع مرکب از دو يا چند ديوار هستند که توسط تيرهاي کوپله به يکديگر متصل شده اند لذا بايد نحوه تخريب هردو قسمت بررسي شود. اغلـب شکستهايي که در اين دو قسمت ، در سازه ها مشاهده شده است عبارتند از:
١. شکست ناشي از شکست خود ديوارهاي برشي :
در تخريبهاي انجام شده در ديوارهاي برشي طي زمينلرزه هاي گذشته مشخص شده کـه غالبـا چهـار نوع ضعف موجب چنين تخريب هايي مي شوند (شـکل ١) کـه بايـد در طراحـي ، آنهـا را شناسـايي و
تدابير لازم جهت جلوگيري از آن اتخاذ نمود. اين تخريبها عبارتند از:
الف - تخريب خمشي
ب- تخريب برشي
ج- تخريب لغزندگي
د- تخريب چرخشي پايه شالوده
در تخريب خمشي ، مفصل يا لولاي خميري در پاي ديوار تشکيل مي شود کـه محـل حـداکثر نيـروي برشي نيز مي باشد. منطقه اصلي مفصل خميري در ارتفاعي است که به آن طول لولاي خميـري مـي گويند. براي کنترل برش طول اين ناحيه را معمولا بين يک تـا يـک و نـيم برابـر طـول ديـوار درنظـر مي گيرند. در تخريب ناشي از برش ، ترکهاي ناشي از خمش در منطقه مفصل پلاستيک در ضخامت و طول بزرگتر شده و سپس با ترکهاي ناشي از کشش قطري ترکيب مي شوند که نهايتـا پـس از چنـد تناوب ، بتن ديگر قادر به تحمل برش نمي باشد و تمامي برش بايد توسط آرماتورهـا تحمـل شـود. در تخزيب لغزندگي ، ديوار در جهت افقي دچار حرکت مي شود که در محل درزهـاي اجرايـي نيـز اتفـاق مي افتد. تخريب ناشي از چرخش شالوده موجب بلند شدن فونداسيون مي شود که از قدرت استهلاک انرژي به شدت مي کاهد و موجب بوجود آمدن تخريبهاي ديگر در سازه نيز مي ميشود.
شکل ١ – انواع متداول تخريب در ديوارهاي برشي [١]
٢. شکست ناشي از شکست تيرهاي کوپله :
در واقع مهمترين ضعف در ديوارهاي برشي داراي بازشو، تيرهاي کوپله هستند. اين تيرها داراي طولي کوتاه و عمقي زياد هستند و اگر ضخامت آنها کم باشد، تبـديل بـه تيـر عميـق مـي شـوند کـه رفتـار مطلوبي ندارند. تيرهاي کوپله معمولا از ديوارها ضعيفترند و بر اثـر حرکـت جـانبي-خمـشي ديوارهـا، چرخش قابل ملاحظه اي در محل اتصال ديوارها به تيرها اعمال مي گردد و همـين چـرخش موجـب توليد لنگر قابل توجه و نهايتا جاري شدن مقاطع تيرها مي شود. غالبـا سـه نـوع تخريـب در تيرهـاي
کوپله مشاهده مي شود (شکل ٢)، که عبارتند از:
الف - تخريب خمشي
ب- شکست کششي قطري
ج- شکست قطري فشاري و کششي
شکل ٢ – انواع تخريب در تيرهاي کوپله [١]
طراحي ديوارها بايد به نحوي باشد که از تشکيل لـولاي خميـري (جـاري شـدن آرماتورهـا) مطمـئن باشيم به نحويکه شکست قطري کششي که شکستي ترد است ، نه در ديوار و نه در تيرهـاي کوپلـه رخ ندهد، و بطور کلي ديوارها به نحوي رفتار کنند که لولاي خميري ابتدا در تيرهاي کوپله و سرانجام در ديوارها تشکيل شود.
کليات طرح و مشخصات مدل هاي مورد استفاده :
در تحقيق حاضراز مشخصات مربوط بـه يـک سـاختمان ٨ طبقـه اجـرا شـده در شهرسـتان سـبزوار استفاده شده است . سيستم مقاوم در برابر زلزله , ديوارهـاي برشـي بـتن آرمـه بـوده کـه در پيرامـون آسانسورهاي ساختمان قرار گرفته اند. به منظور تعبيه درب آسانسورها بازشوهايي منظم در ديوارهاي برشي درنظر گرفته شده است . زمين محل احداث , از خاک نوع III مي باشد. ضخامت ديـوار cm ٣٠ و نسبت آرماتورهاي افقي و قائم ٠,٠٠٨٨ = ρ ، طول ديوارهاي برشي m٣٠ و طول بازشوها m ١,٠ ارتفاع بازشو m ٢,٠ و ارتفاع طبقات m ٣,٠ مي باشد.
مشخصات مصالح بـتن : وزن مخـصوص بـتن و مقاومـت ٢٨ روزه بـتن ٢٥٠ = fc
و ضريب پواسون ٠,١٥ = ν پارامترهاي مدلسازي خطي و غيرخطي توسـط روابـط آيـين نامه آبا و دستورالعمل بهسازي لرزه اي ايران [٢] و دسـتورالعمل ٤٠-ATC [٦] درنظـر گرفتـه شـده است .
مشخـصات مـصالح فـولاد: مقـدار مقاومـت جـاري شـدن فـولاد و مـدل الاستيسيته فولاد در نظر گرفته شده است .
براي مدلسازي ديوار از نرم افزار "D٣-CSI perform" استفاده شده است و در مدلسازي سـختي و مقاومت مصالح ، منحني سه خطي با کاهش مقاومت نهايي بکار گرفته شده است . همچنـين ايـن نـرم افزار قابليت آن را دارد که تاثير ترک خوردگي بـتن در خمـش و بـرش و خردشـدگي آن در فـشار و همچنين جاري شدن آرماتورها را نيز لحاظ مي نمايد.
پس از بررسي سازه اجرا شده ، جهت بررسـي تـاثير ميـزان آرماتورگـذاري بـر شـکل پـذيري و رفتـار غيرخطي سازه , و کنترل مقادير ضريب رفتار (R) توصيه شده در آيين نامه بارگذاري ايران ، بر اسـاس ميزان حداقل و حداکثر آرماتور ذکر شده در آيين نامه طرح و اجـراي سـاختمانهاي بـتن آرمـه ايـران "آبا" ، سازه هايي با ديوارهاي ٤ و ٨ و ١٢ طبقه با بارگذاري و شرايط مشابه سازه اجرا شده ، با درصد آرماتور حداقل و حداکثر ذکر شده در "آبا" مدلسازي و تحليل گرديده است . در نهايت ضـرايب رفتـار بدست آمده با ضرايب رفتار ذکر شده در آيين نامه بارگذاري ايران مقايسه شدند.
درصدهاي نسبي آرماتورهاي در نظر گرفته شده در ديوارهاي برشي عبارتند از :
حداقل نسبت آرماتور قائم در ديوار برشي : ٠٠٠١٢=ρν,min
حداقل نسبت آرماتورافقي در ديوار برشي : ٠٠٠٢=ρh,min
حداکثرنسبت آرماتور در ديوار برشي : ٠,٠٢ =ρmax
براي توزيع بار جانبي در ارتفاع سازه از الگوي بارگذاري مثلثـي ذکـر شـده در دسـتورالعمل بهـسازي لرزه اي ايران استفاده شده اسـت و بـه کمـک تحليـل اسـتاتيکي فزاينـده غيرخطـي (push over)
منحني ظرفيت سازه بدست آمده است . سپس به کمک روش ذکر شده در دستورالعمل بهسازي لـرزه اي ايران مقاديرشکل پذيري و ضريب رفتار براي هريک از سازه ها محاسبه شده است .
نمونه اول : ساختمان ٨ طبقه اجرا شده :
در اين بخش به مطالعه يک نمونه از ساختمان ٨ طبقه اجرا شده مي پـردازيم . در ايـن سـاختمان از قاب فولادي ساده جهت انتقال بار قادم استفاده شده اسـت . سيـستم مقـاوم در برابرزلزلـه ، ديوارهـاي برشي پيرامون آسانسور هستند که ابعاد بازشو و مشخصات مصالح آن در بالا ذکـر شـده اسـت . نتـايج بدست آمده نشان مي دهد که در برش پايه ton ٢٠,٢ و تغييرمکان cm ٩,٤ اولـين آرمـاتور کشـشي جاري شده و در محل بيروني ترين تار فشاري نيز، مصالح بتني دچار اندکي خرد شدگي شـده اسـت
