بخشی از مقاله
بررسی تحلیلی ارتقاء ظرفیت باربری سازه ساندویچ پانل
چکیده :
پانلهای ساندویچی شاتکریتی به عنوان سازه هایی نوین در دهه های اخیر مطرح شده اند که از جهت اجراﺀ و کاربری مقرون به صرفه می باشند و می توانند جایگزینی مناسب برای اسکلت فلزی یا بتن آرمه گردند. صنعت ساختمان های پانلی و پیش ساخته از دو جنبه حائز اهمیت می باشد.این پانلها علاوه بر کاربرد در عرصه ساخت و ساز ، می توانند عناصر بسیار مهمی در مقاوم سازی سازه ها باشند. این پانلها سیستمی مقاوم در برابر زلزله بوده و همچنین سرعت اجرای این گونه ساختمان بسیار سریع می باشد. به همین جهت تلاش های زیادی بمنظور شناخت دقیق این سیستم سازه ای انجام شده است در همین راستا در این تحقیق در ادامه کارهای انجام شده، هدف ، بررسی تحلیلی ارتقاءظرفیت باربری دیوارهای پانل ساندویچی تحت بارهای سیکلی و همچنین کنترل نتایج تحلیلی می باشد. برای این منظور یازده نمونه دیوار پانلی به ابعاد 120*120 سانتیمتر ، دیوار پانلی با آرماتور تقویتی ( 10 ) بازوایای 30 ،45 ،60 نسبت به افق و دیوار پانلی با آرماتور تقویتی ( 10) به صورت افقی ، عمودی ،یکطرف افقی طرف دیگر عمودی ، دیوار پانلی با قراردادن برشگیرها به صورت فضایی و دیوار پانلی با مش بندی ها با زوایای 30 ، 45 ، 60 نسبت به افق با استفاده از نرم افزار آباکوس تحت بار استاتیکی رفت و برگشتی قرار گرفته و همان بارهای اعمال شده در روش آزمایشگاهی به آنها اعمال شده است.در مدل سازی عددی حتی الامکان سعی شده است که مدل نرم افزاری مطابق با واقعیت باشد.سرانجام منحنی های هیسترزیس آنها استخراج گردیده است. ودرنهایت نتایج با هم مقایسه شده است.
واژه های کلیدی: پانل ساندویچی، ارتقاء ظرفیت باربری ، بارگذاری چرخه ای، مقاوم سازی
-1 مقدمه :
پانلهای سه بعدی ساندویچی متشکل از یک لایه عایق پلی استایرن در وسط ودو لایه شبکه ی جوش شده در دو طرف بوده که شبکه های جوش شده به وسیله ی میلگردهای برشگیر قطری به یکدیگر متصل شده و نهایتا یک شبکه سه بعدی تشکیل می گردد . پانلها ابتدا در محل اجرای ساختمان روی پی های نواری طوری نصب می شوندکه آرماتورهای انتظارموجود روی پی ها در قسمت داخلی شبکه های جوش شده قرار گیرند و به شبکه متصل شوند. سپس دردو طرف آن به ضخامت 4 تا 5 سانتی متر بتن پاشی به روش شاتکریت تر انجام می شود و نهایتا یک سازه بتن مسلح یک پارچه تشکیل می گردد. با توجه به تحقیقات صورت گرفته در زمینه های مختلف ، در این تحقیق این نیاز احساس شد که بتوان در پانل ساندویچی به بهترین حالت مصالح ونحوه قرارگیری آنها دست یافت در زیر تحقیقات در زمینه پانل های ساندویچی 3D مرور می گردد.
Holmberg, A. and Pelm Eدر سال 1986 نیز رفتار خمشی این سیستم را مورد ارزیابی تحلیلی قرار داده بودند[1]. Einea و همکارانش در سال 1994 به منظور افزایش راندمان حرارتی سیستم از برشگیرهای پلیمری به جای مفتول های فلزی استفاده کرده و رفتار خمشی این پانل ها را با مطالعات آزمایشگاهی و عددی بررسی کرده اند.[2] در سال 1997، Salmon و همکاران حل ریاضی خمش پانل های ساندویچی را با فرض عملکرد نیمه کامپوزیتی با گسترش معادله دیفرانسیل خمش ارائه دادند و از مقایسه آن با مدل اجزاء محدود نشان دادند که مدل ریاضی ارائه شده از دقت بالایی برخوردار است.[3,4] درسال1998 و1994 حل ریاضی و همچنین اجزاء محدودی برای آنالیز خمشی پانل های ساندویچی بتن پیش تنیده با برشگیرهای خرپایی ارائه گردید. [5,6] در همین سال Nighawain مقادیر نیروهای برش داخلی را به صورت آزمایشگاهی اندازه گرفته و برشگیرها را براساس آن طراحی نمود.[7] کبیر و هاشمی نسب در سال 2002 رفتار خمشی و برشی پانل های دیواری را بوسیله یک سری آزمایش به همراه مدل سازی عددی بررسی کردند.[8] در پروژه آزمایش پانل در شانگهای چین در سال 1997 که یکی از پروژه های مهم انجام شده در شانگهای می باشد پانل های ساندویچی توسط Shi Weixing, و Zhang Lixin مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق یک ساختمان 6 طبقه مورد آزمایش قرار گرفت که شتاب های پایه مورد آزمایش به حد 0.65g محدود شده بودند.[9] در سال 2006 رضایی فر، به بررسی رفتار دینامیکی یک ساختمان یک طبقه تمام مقیاس پانل ساندویچی بر روی میز لرزه پرداخت.[10] در خصوص مقاومت نهایی این سیستم تحت بار محوری Benayoune et all در سال 2005 مطالعاتی را انجام داده اند.[11] در یک مطالعه عددی توسط کبیر و رضایی فر در سال 2004 پارامترهای دینامیکی سیستم با آنالیز اجزا محدود و در ناحیه غیر خطی مورد ارزیابی قرار گرفت.[12] رفتار کلی برش و خمش سیستم نیز توسط کبیر در سال 2005 ارائه شده است..[13] گزارش PCI ، در مورد سیستم دیوارهای ساندویچی دیدگاه نسبتأ جامعی از این سیستم را به همراه مثال طراحی ارائه می دهد.[14] در سال 2009 یک ساختمان 4 طبقه پانلی توسط رضایی فر مورد ازمایش قرار گرفت .[15] رضایی فر وقلهکی در سال 2008،به بررسی عددی و آزمایشگاهی اثر بازشوها بر دیوارهای ساندویچ پانل پرداختند .[16]شریفیا ، مرشد ورضایی فر در سال 2012 ، رفتار دینامیکی ساختمان پانلی 6 طبقه را مورد بررسی قرار دادند.. [17]
-2 شرح مدل :
در این تحقیق جهت کنترل صحت مدلسازی ، مدل آزمایشگاهی انجام شده توسط کبیروجهانپور[18]توسـط نـرم افـزار آباکوس مدلسـازی شـد. همان تغییرمکانهای اعمال شده در روش آزمایشگاهی در برنامه برای پانلهای مدل شده تعریف شد .در روش عددی سعی شد مدل نرم افزاری حتی الامکان با واقعیت مطابقت داشته باشد. شبکه جوش شده در کلیه نمونه ها عبارت بود از مفتولهای با قطر 3/5 میلیمتر که به طور عمودی با فواصل 80 میلیمتر (تار و پـود) ( WWF / 3.5 / 3.5 / 80 / 80 ). همچنین قطر مفتول مورب نیز 3/5 میلیمتر و از همان جنس مفتولهای شبکه بود. ضخامت لایه عایق در کلیه نمونـه هـا 60 میلیمتر و از جنس پلی استایرن بود. ضخامت بتن پاششی در هر طرف نمونه ها در حدود 4 تا 5 سانتی متر بدست آمـد..نمـای عمومی ازنحوه استقرار نمونه در آزمایشگاه وسیستم بارگذاری درشکل (1) و نمودار جابجایی ـ زمان اعمـالی در شکل((2 آمـده است.
شکل : 1 نمای عمومی از نحوه استقرار نمونه و سیستم بارگذاری[18]
شکل :2 نمودار جابجایی ـ زمان اعمالی[18]
برای مدلسازی بتن از المان SOLIDو برای مدلسازی مفتولهای شبکه و همچنین میلگردهای انتظار از المان BEAMاستفاده شد.در مدلسازی عددی سعی شد ورودیهای برنامه ABAQUS بر اساس نتایج حاصل از آزمایش مربوط به مشخصات مصالح تشکیل دهنده پانل باشد.این نمونه ها شامل نمونه های مکعبی ومغزه های بتنی ونمونه هایی بود که از مفتولهای فولادی جهت آزمایش کشش گرفته شده بود مقاومت نمونه های مکعبی و مغزه ها در روز آزمایش تعیین شده بود. برای تعریف مشخصات بتن شاتکریت در نرم افزار از مدول الاستیسیته آسیب دیده بتن استفاده شده است. این مدل یک مدل پیوسته بر پایه پلاستیسیته بوده که اساسأ توانایی آنا لیز سازه های بتنی و مدل کردن آسیب در بتن را دارد..در این تحقیق مشخصات مکانیکی در نظر گرفته شده در مدل "پلاستیسیته آسیب دیده بتن" برای بتن شاتکریت مطابق جدول ( ( 1 می باشد.
جدول -1 مشخصات مکانیکی بتن شاتکریت
جرم مدول ضریب پواسون مقاومت فشاری بتن مقاومت کششی بتن
مخصوصkg/m3 الاستیسیته((GPa شاتکریت((MPa شاتکریت (MPa)
2350 7-15 0/15 16 0/8-2/5
در مورد مدول الاستیسیته بتن شاتکریت این توضیح لازم است که مقدار آن از رابطه داده شده در آیین نامه بتن ایران ( آ با) یعنی [19] E c 5000 I''c بدست نمی آید. با توجه به تحقیقات به عمل آمده دراین خصوص مقدار مدول الاستیسیته شاتکریت0/25 تا 0/5 مقدار بدست آمده از رابطه مذکور پیشنهاد شده است.[20] در این تحقیق نیز با توجه به مقاومت فشاری مشخصه شاتکریت، 0/3 مقدار بدست آمده از رابطه فوق ملاک مد لسازی قرار گرفته است. المان انتخابی برای مد لسازی بتن شاتکریت در نرم افزار ABAQUS المان C3D8R است. این المان یک المان سه بعدی با هشت گره است که از روش انتگرال کاهش یافته برای حل انتگرال ها استفاد ه می کند (شکل .( 4 این المان د ر هر گره دارای سه درجه آزادی جابه جایی در جهت محورهای X ، Y وZاست.[21]
شکل -3 المان [21] B31 شکل -4 المان [21] C3D8R
ب- فولاد: برای معرفی مشخصات این سازه درنرم افزارازمدل "الاستوپلاستیک" دوخطی استفاده شده است. مشخصات مکانیکی فولاد مطابق جدول ( ( 2 در نظرگرفته شده است.
Stress-Strain-Bars
600 Stress- Strain-Mesh
500 600
MPa-Stress 500
400 MPa-Stress
400
300 200
300
200
100 100
0 0
25 20 15 10 5 0 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
Strain - %
Strain - %
شکل : 5 منحنی تنش-کرنش آرماتور تقویتی شکل: 6 منحنی تنش-کرنش آرماتور شبکه
جدول -2 مشخصات مکانیکی برای فولاد (شبکه وتقویتی)
نوع فولاد ضریب پواسون وزن مخصوص مدول تنش جاری تنش
(kg/m3) الاستیسیته((GPa شدن((MPa نهایی((MPa
شبکه 0/3 7855 210 450 570
تقویتی 0/3 7855 210 300 500
جهت مدلسازی مفتولها در نرم افزار ABAQUS از المان B31 استفاده شده است. این المان یک المان سه بعدی با دو گره است که از تابع درونیاب خطی بهره می جوید ( شکل .( 3 ا ین المان در هر گره دارای 6 درجه آ زادی است که سه درجه آ زادی مربوط به جابجا یی در جهت محورهای X، Y وZو سه درجه آ زادی مربوط به دوران حول محورهای X، Y وZ است.
-3 صحت سنجی مدل نرم افزاری:
با مقایسه منحنی نیرو- جا بجایی حاصل از تحلیل عددی مدل اجزاء محدود و نتیجه آزمایش در شکل 7 ، صحت و سقم مدل سازی مورد بررسی قرار می گیرد. با توجه به شکل 7 مشاهده می شود که اختلافا تی وجود دارد. علت این اختلاف را می توان ناشی از عواملی چون نیمه صلب بودن اتصالات بکار رفته در آزمایش دانست. با لحاظ کردن عدم قطعیت های حاصل از این عوامل، می توان گفت که مدل ساخته شده از دقت قابل قبولی برای انجام مطالعه پارامتری برخوردار است.
