بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عددي دیوار هاي برشی کامپوزیتی (فولادي– بتنی)
همراه با پروفیل هاي فولادي مرزي
چکیده
با نیروهاي جانبی مؤثر بر یک سازه ( در اثر باد یا زلزله ) میتوان به طرق مختلفی از جمله قاب خمشی، قاب همراه با مهاربندي و دیوار برشی مقابله کرد، که اثر نیروي زلزله بر ساختمانها از سایر نیروهاي جانبی وارد بر آنها کاملا متفاوت میباشد. دیوار هاي برشی براي سازه ها در انواع گوناگونی از جمله دیوار برشی بتنی متداول ، فولادي و کامپوزیتی اشاره نمود که بنا به نیاز طراحیمیگردد و اجرا . در این بررسی صورت گرفته از پنج نمونه دیوار برشی
کامپوزیتی((CSRCW1‐5، که تفاوت آنها در المان هاي مرزي وآرایش خاموت هاي عرضی بوده که با یک نوع نمونه دیوار برشی معمولی و متداول با همان نسبت فولاد با هم مقایسه گردید. در المان هاي مرزي دیوارهاي برشی-کامپوزیتی از پروفیل هایی با مقاطع ناودانی، قوطی و (Ι) شکل و به دو صورت چرخش در مقطع عرضی پروفیل((Ι شکل، در نرم افزار اجزاء محدود Abaqus مدل گردید. براي اتصال کامل پروفیل ها و بتن محاطی، از گل میخ هاي برشی بر روي مقاطع به صورت جوش شده، در نرم افزار به کار برده شد و دلیل آن جلوگیري از هرگونه لغزش بین بتن و مقطع فولادي درساخت و اجرامیباشددرواقعیت. هدف از این مدلسازي مقایسه پارامترهایی از قبیل ظرفیت شکل پذیري، مقاومت و اتلاف انرژي بین دیوارهاي برشی کامپوزیتی مورد بررسی با نمونه ي دیوار برشی بتنی معمولیاستبوده. که نتایج حاکی از آن است که، استفاده از این نوع دیوار برشی (کامپوزیتی) به خصوص در مناطق با لرزه خیزي بالا بسیار کارآمد و در تمامی پارامترهاي مقایسه، رفتار بسیار بهتري با یک نسبت فولاد، از دادندخودنشان کلمات کلیدي : دیوار برشی- مقاطع کامپوزیتی فولادي و بتنی – تحلیل اجزاء محدود - شکل پذیري و مقاومت
مقدمه
یکی از معمول ترین روش هاي انتقال نیروي جانبی زلزله به تراز فونداسیون استفاده از دیوار هاي برشی می باشد. در طراحی دیوار هاي برشی معمولی فقط سختی ایجاد شده ، کمانش جانبی و ظرفیت دیوار براي انتقال نیروي جانبی طراحی شده به فونداسیون بررسی و کنترل می گردد. دیوار هاي برشی در صورتی که در ابتدا و انتهاي آنها ستون هاي سازه اي قرار نگرفته باشد نیاز به استفاده از المان مرزي دارد که این کار در اکثر موارد با اضافه نمودن آرماتور گذاري ویژه در محل ابتدا و انتهاي دیوار ها صورت میگرد. در این پژوهش تلاش گردیده است که با تعویض المان هاي مرزي با مقاطع قوطی و تیر آهن I شکل نوعی دیوار برشی کامپوزیتی بتنی – فولادي تشکیل گردد تا علاوه بر بررسی تاثیر این مقاطع به عنوان المان هاي مرزي، پارامتر هایی ازقبیل جذب انرژي و شکل پذیري نیز در این نوع دیوار ها بررسی گردد.براي این منظور یک دیوار برشی معمولی را با پنج حالت قرارگیري مقاطع فولادي به عنوان المان مرزي که تشکیل پنج تیپ دیوار کامپوزیتی می نماید را در برنامه اجراي محدود Abaqus مدل نموده و پارانتر هاي مختلف در این خصوص مورد بررسی قرار گرفت.
معرفی دیوار هاي کامپوزیتی مورد بررسی
براي بررسی عملکرد دیوار هاي کامپوزیتی بتنی-فولادي پنج حالت قرارگیري مقاطع فولادي در داخل بتن و به عنوان المان مرزي مورد بررسی قرار گرفته که براي این منظور ابتدا یک دیوار برشی معمولی مطابق شکل زیر به عنوان تیپ صفر (CSRCW 0) در نظر گرفته شد که مشخصات آن در شکل 1 آورده شده است.
شکل : 1 دیوار تیپ – CSRCW 0 دیوار با المان مرزي معمولی
همانگونه که در شکل شماره 1 مشاهده می گردد ضخامت دیوار برشی 10 سانتی متر، طول دیوار 100 سانتی متر و ارتفاع دیوار 300 سانتی مترمی باشد. فولاد به کار رفته در این مدلسازي داراي تنش تسلیم و مدول الاستیسیته برابر و ضریب پواسون برابر می باشد. در دیوار CSRCW 0 از 40 عدد میلگرد سایز F10 طولی با سطح مقطع کل 3140 میلی متر مربع استفاده شده است که تعداد 14 عدد از این میلگرد ها یه مشطح مقطع 1099 میلی متر مربع در هر طرف دیوار به عنوان المان مرزي مورد استفاده قرا گرفته
است. بتن مورد استفاده نیز با در نظر گرفتن مقاومت فشاري 28 روزه بتن برابر و مدول الاستیسیته بتن ضریب پواسون برابر می باشد.براي تیپ هاي بعدي سعی گردیده که مقدار درصد فولاد در محدوده مرزيتقریباً حفظ گردد و براي انتقال برش از بتن به المان هاي فولادي از برش گیر هایی به قطر 13 میلی متر و طول 75 میلی متر استفاده شده است. لذا با توجه به توضیحات ارائه شده تیپ هاي ذیل مورد بررسی قرار گرفته است.تیپ یک : (CSRCW 1 ) در این تیپ از دیوار هاي کامپوزیتی به جاي المان مرزي از قوطی 70*70*5 میلی متر استفاده شده و براي انتقال برش از بتن به المان مرزي از برش گیر هاي معرفی شده قیلی استفاده شده است. مقطع دیوار برشی تیپ یک و نیز نحوه قرار گیري برش گیر ها در شکل شماره 2 آورده شده است. سایر مشخصات مصالح مورد استفاده از قبیل میلگرد ها و بتن مطابق دیوار CSRCW 0 بوده و تغییري در آن صورت نگرفته است.
شکل : 2 دیوار تیپ CSRCW 1 و نحوه قرارگیري برش گیر ها در ارتفاع دیوار
تیپ : (CSRCW 2) 2 در این تیپ به جاي استفاده از قوطی فولادي به عنوان المان مرزي، از تیر آهن I شکل با بال هایی به ابعاد 70*7 میلی متر و جانی به ابعاد 56*7 میلی متر استفاده شده است، در این حالت نیز براي انتقال برش از دیوار به تیر آهن ها از برش گیرهایی مطابق توضیحات توضیحات دیوار کامپوزیتی CSRCW 1 استفاده شده است و نیز تغییري در نوع بتن و میلگرد هاي مصرفی صورت نگرفته است.
تصویر مقطع این تیپ در شکل 3 آورده شده است.
شکل : 3 دیوار تیپ CSRCW 2
تیپ : (CSRCW 3) 3 در این تیپ المان هاي مرزي مطابق تیپ 2 می باشد ولی از یک المان I شکل دیگر در وسط دهانه تیر استفاده شده است . این امر درجهت بررسی تاثیر قرار گیري المان در وسط دیوار و نحوه جذب انرژي دیوار صورت گرفته است . براي انتقال برش از بتن به المان I شکل فولادي وسطی نیز از برش گیر هایی مطابق توضیحات قبلی استفاده شده است با این تفاوت که به علت قرارگیري المان در وسط دیوار، برش گیر ها در دوطرف مقطع قرار گرفته اند. تصویر مقطع این تیپ در شکل شماره 4 آورده شده است.
شکل :4 دیوار تیپ CSRCW 3
تیپ : (CSRCW 4) 4 این تیپ مطابق دیوار برشی CSRCW 2 می باشد با این تفاوت که المان هاي مرزي در این تیپ به اندازه 90 درجه چرش داشته و بال تیر آهن I شکل به سمت داخل دیوار قرار گرفته است. تصویر مقطع این دیوار در شکل شماره 5 آورده شده است.
شکل : 5 دیوار تیپ CSRCW 4
تیپ : (CSRCW 5) 5 در این تیپ ارتفاع جان المان I شکل تغییر کرده و از المانی به ابعاد بال 70*7 میلی متر و جان 86*7 میلی متر استفاده شده است.در این تیپ به علت آنکه ارتفاع مقطع با ارتفاع دیوار برشی یکی می باشد، دیگر المان مرزي I شکل در داخل بتن قرار نگرفته و فقط دیوار به وسیله برش گیر هایی به المان I شکل متصل شده است. در سایر مشخصات مصالح مورد استفاده تغییري صورت نگرفته است. تصویر مقطع این تیپ در شکل شماره 6 آورده شده است.
شکل : 6 دیوار تیپ CSRCW 5
لذا با توجه به توضیحات بالا اطلاعات دیوار هاي مورد مطالعه به صورت خلاصه مطایق جدول شماره 1 می باشد.
جدول شماره :1 خلاصه مشخصات دیوار هاي مورد استفاده
نحوه مدل سازي دیوار ها در برنامه اجزاي محدود Abaqus
با توجه به تحقیقات گسترده قبلی مشخص گردیده است که رفتار بتن آرمه در خمش، غیر خطی است. در مورد دیوارهاي برشی کامپوزیت فولادي-بتنی، غیر خطی بودن ناشی از رفتار غیر خطی بتن و فولاد، رفتار برش گیر، و همچنین اتصال بین فولاد و بتن می باشد.بنابراین نرم افزار اجزاي محدود Abaqus با امکان مدل رسازي رفتار غیر خطی مواد براي تحلیل دیوار هاي کامپوزیتی مورد استفاده قرار گرفت. این نرم افزار مناسب براي تحلیل بتن آرمه و همچنین المانهاي کامپوزیت فولادي-بتنی در حالت تنش مسطح است. تحلیل غیرخطی دو بعدي با استفاده از روش تکراري-نموي انجام شد که رویکرد نموي در مواردي که گذر از یک مرحله به مرحله دیگر را شرح می دهند (تحلیل تاریخچه بار) وقتی که در هر گام بارگذاري یک روند تکراري مورد استفاده قرار گرفته، مناسب است.در نرم افزار براي مدل سازي میلگردها و خاموت ها از المان نوع wire و براي بتن و مقاطع فولادي از المان نوع solid استفاده شده است. در مورد مشخصات و مدل پلاستیک مصالح از جمله بتن از نوع concrete damaged plasticity تعریف شده و براي مقاطع پروفیل ها نیز cyclic hardening یعنی سخت شدگی مجدد در قسمت پلاستیک عضو تعریف گردیده است. در خصوص مش بندي نمونه ها نیز چندین بار ابعاد و اندازه مش بندي تغییر داده تا جواب هاي معقولتر و نزدیکتري به واقعیت بدست آید. سپس تمام اعضا با هم اسمبل شده و در خصوص ) interaction تماس بین اعضا ) بین اعضا surface to surfac تعریف گردیده است.در شکل 7 نمودار تنش-کرنش و معیار شکست براي آرماتورها ، مقاطع فولادي اضافه شده و بتن که در نرم افزارAbaqus استفاده گردیده آورده شده است. معیار تسلیم Von Misses را براي توصیف پلاستیسیته استفاده گردیده. نمونه هایی از مدل سازي این دیوار ها براي معیار تنش Von Misses در شکل شماره 8 آورده شده است.در تحلیل عددي، قید بین فولاد و بتن به عنوان یک اتصال کامل همانطور که در روند طراحی بود فرض شد. در تحلیل عددي در شرایط مرزي، همه درجات آزادي گره هاي پایینی بسته شدند.
شکل : 7 قوانین تنش-کرنش مصالح مورد استفاده در نرم افزار Abaqus
شکل : 8 تغییر شکل دیوار ها در تنش Von Misses
نتایج بدست آمده از تحلیل ها :
همانگونه که در بالا ذکر گردید تحلیل هاي عددي با استفاده از نرم افزار اجزاي محدود Abaqus صورت گرفته که در این نرم افزار امکان پیش بینی رفتار غیر خطی، توزیع تنش در مقطع عرضی المانها، توزیع ترك، سختی سازه اي در سطوح بارگذاري مختلف و ظرفیت باربري دیوار برشی کامپوزیت فولادي-بتنی موجود می باشد. نتایج تحلیل عددي شامل مقادیر تغییر مکانها، تنش ها و کرنش ها در بتن، آرماتورها و مقاطع فولادي اضافه شده و نیز توزیع ترك در بتن می باشد. به همین منظور منحنی هاي نیرو-تغییر مکان تحلیلی براي نمونه هاي دیوار در شکل شماره
9 آورده شده است.
