بخشی از مقاله
بررسی پارامترهای رفتاری سازه های دیوارباربر پانل سه بعدی توسط تحلیل استاتیکی غیرخطی
خلاصه
در این پژوهش رفتار استاتیکی غیرخطی مربوط به سازه های واقعی دو و پنج طبقه با دهانه های مختلف مورد بررسی قرارگرفته است. این سازه ها از نوع دیوارباربر 3D پانل می باشند و برخلاف سایر سازه ها در هر دو جهت وظیفه باربری جانبی بر عهدهی دیوارها می باشد. وزن سبک، عایق خوب حرارتی و سختی بالا از ویژگیهای بارز این نوع سازه ها قلمداد میشود. هدف از این تحقیق، بدست آوردن ویژگیهای مهم سازه ای برای این نوع خاص از سازه های دیوارباربر برای مدلهایی با ارتفاعات و دهانه های مختلف و مقایسه نتایج آنها از جمله شکل پذیری، سختی و مکانیزم شکست می باشد. بدین منظور سازه هایی با ارتفاع و دهانه های مختلف در نرم افزار آباکوس بر اساس آیین نامه ASCE7-05 طراحی گشته و تحت تحلیل بار افزون قرارگرفتند. نتایج بیانگر آنست که به طور کلی این نوع سیستم سازه ای دارای شکل پذیری قابل قبولی بوده ، سختی سازه ها با درنظرگرفتن بازشو کاهش می یابد و به طورکلی سبب انعطاف پذیرتر شدن سازه می گردد.
1. مقدمه
در طی سالهای گذشته تکنیک و ابتکارهای زیادی جهت سبک سازی، عایق سازی و اجرای آسانتر سازهها مخصوصا برای مجتمعهای کم ارتفاع مسکونی اعمال شده است. در این میان، سازه های پانل سه بعدی که در ساخت آنها از متریال سبک وزن همانند پلیاستایرن به عنوان هسته دیوار و بتن شاتکریت با وزن مخصوص پایین استفاده می شود، یکی از مدعیان اصلی جهت نیل به اهداف مذکور میباشد. سبک سازی، عایق سازی و احداث سریع سازه از مزایای این نوع سازههای خلاقانه است. 3Dپانل ها به عنوان دیوارهای داخلی و خارجی چه به صورت باربر و چه غیرباربر و نیز به عنوان کف ساختمان ها در تمامی انواع سازه ها قابلیت کابرد دارند. مطابق با شکل 1، این سیستم از یک شبکه سیمهای فولادی به عنوان اسکلت اصلی و یک فوم پلی استایرن به عنوان هسته که نقش عایق کردن سیستم را دارد تشکیل شده است. نحوه نصب و اجرای پانلهای سه بعدی به صورت خلاصه وار در شکل 2 آورده شده است. در چندسال اخیر تحقیقات متفاوتی بر روی این نوع سیستم سازهای صورت گرفته است. در سال 1990، در شهر آتلانتا، تست فشاری بر روی 10 دیوار باربر 3D پانل با اشکال و سایزهای متفاوت بر اساس آیین نامه ASTM E72 صورت گرفت. براساس انوع شکست نمونه ها کاملا منطقی و سازگار با نوع بارگذاری بود، اگرچه نتایج حاصله از نمونه ها دارای تفاوت قابل توجهی بودند. یک دلیل محتمل برای توصیف این تفاوت وجود نامنظمی بر سطوح بالایی و پایینی نمونه ها میباشد که سبب ایجاد تمرکز تنش میگردند. اکثر شکست ها در وجه فشاری در بالای دیوار صورت گرفتند اگرچه تعداد کمی نیز درهمان وجه فشاری اما در پایین دیوار به وقوع پیوست. در تمامی نمونه ها پس از شکست, شبکه میلگردها به سمت خارج از صفحه دچار خمیدگی شد. در هیچ نمونه ای شکست شدید و خیلی فجیعی روی نداد و اکثر شکست ها با خرد شدن بتن شاتکریت شده در یک ناحیه خاص به وقوع پیوستند.[1]
در سال 1997سالمون و همکارانش ساندویچ های پانلی را که در وضعیت عمودی قرار داشتند را تحت بار عرضی قرار دادند.[2] نیجهاوان نیروی برشی درون صفحه را جهت طراحی اتصالدهنده های برشی مورد بررسی قرراداد.[3] در سال 1995، اینی و همکارانش به کمک معادلات دیفرانسیلی یک حل ریاضی برای پانل های نیمه کامپوزیت ارائه دادند.[4]
در سال 2010، Trombetti و همکارانش تحقیق جامعی بر روی دیوارهای پانل سه بعدی انجام دادند. نتایج حاکی از آن بود که سیستم دارای درجه قابل قبولی از شکل پذیری بوده و نیز دچار شکست و خرابی شدیدی نشده است.[5]
آنچنانکه مشخص است هیچ یک از مطالعات فوق از جامعیت لازم در بررسی تاثیر ارتفاع بر عملکرد سیستمهای دیوارباربر به ویژه از نوع پانل سه بعدی و مقایسه آنها در حالتهای مختلف برخوردار نیستند. از این رو در این مطالعه سعی شده است تا این موضوع به صورتی مدون مورد بررسی قرار گیرد تا یک ایده کلی در زمینه تاثیر پذیری سیستمهای پانل سه بعدی از تغییر مشخصات سازه به دست آید.
شکل .1 جزئیات پانل سه بعدی
شکل .2 ساخت با پانل سه بعدی؛ (a نصب پانلهای دیواری؛ (b پانل سقف؛ (c شاتکریت پانلها
2. اهمیت پروژه
در دهه های اخیر ساختمان های تونلی با سیستم دال و دیوار به عنوان عضو باربر اصلی به صورت گستردهای در ساختمان های مرتفع بتنی مورد استفاده قرار گرفتهاند. دراین پروژه از دیوارهای پانلی پیش ساخته استفاده خواهد شد. ساختار پانل ها به گونه ای است که امکان استفاده از آنها در ساختارهای کم ارتفاع به عنوان اعضای باربر قائم و افقی، نیاز به دیگر اجزای باربر از جمله تیر و ستون را مرتفع می سازد. در این مقاله سعی برآنست که پارامترهای رفتاری اصلی این قبیل سازهها را برای چند مدل طراحی شده براساس واقعیت که دارای ارتفاع طبقاتی متفاوتی هستند، مورد بررسی قرار داد.
3. مدلسازی
در این پژوهش به منظور بررسی عملکرد سیستمهای دیوارباربر از نوع پانل سه بعدی در ساختمانهایی با ارتفاع و دهانههای متفاوت، چهار ساختمان 2و 5 طبقه که دوتای آنها یک دهانه و دوتای دیگر دو دهانه هستند، مدنظر قرار گرفته است. برای بررسی اثر بازشوها دو مدل دو دهانه بدون بازشو نیزدرنظر گرفته شده است. درکل 6 مدل خواهیم داشت.
این ساختمانها بر اساس ضوابط آیین نامه [6] 2800، مباحث 6 و 10 مقررات ملی ساختمان 7]و[8 طراحی شدهاند. این ساختمانها همگی به صورت 3 بعدی طراحی شدهاند. هر کدام از قابهای ساختمان دارای دهانههای 6 متری هستند. ارتفاع طبقات نیز برابر 3 متر است. مقاطع مورد استفاده در سازههای 3Dپانل به صورت تیپ استفاده میشوند، لذا در این تحقیق نیز جهت مقایسه بهتر مدلها با تغییر مشخصات ارتفاعی، از یک تیپ مقطع یکسان که درعین حال ملزومات آیین نامه را در تمامی مدلها تامینکند، استفاده شده است.
پس از طرح ساختمان در نرم افزار SAP، جهت ادامه مطالعات، مدلها مجددا در نرم افزار المان محدود ABAQUS مدلسازی شدند و تحلیلهای مورد نظر بر روی آنها انجام شد. مشخصات مدلها در جدول 1 ذکرشده است.
در این نرم افزار از المانهای SHELL91 برای مدل کردن بتن استفاده می شود. این المان دارای - گره با 3 درجه آزادی جابجایی x, y, z در هر گره می باشد، این المان قابلیت مدل کردن تغییرشکل پلاستیک، ترک خوردگی در سه جهت متعامد و لهیدگی در بتن می باشد. در این المان قابلیت تعریف آرماتور به صورت نسبتی از حجم المان در سه راستای مشخص وجود دارد که از این خاصیت برای تعریف آرماتورهای عرضی استفاده می شود. همچنین این المان قابلیت مدل سازی ترک های بتن به صورت پخش شده را دارا می باشد. برای مدلسازی آرماتور با مقاومت fy = 500 Mpa از المان SOLIDS65 استفاده می شود. شمای کلی این المان در شکل3 قابل مشاهده است.
شکل . 3 المان SOLID65
نمودار تنش- کرنش فولاد در شکل 4 نمایش داده شده است. بتن تعریف شده در نرم افزار از نوع بتن نسبتا ضعیف با مقاومت مشخصهی 17,5 کیلوگرم بر سانتی مترمربع درنظر گرفته می شود. جداول 2و3 به ترتیب مشخصات پانل سه بعدی موردنظر و مشخصات مکانیکی مصالح را تشریح میکنند. همچنین منحنی حاکم بر ماده بتن از مدل رفتاری Kent & Park و 9] Manderو[10 تبعیت میکند.
4. تحلیل استاتیکی غیرخطی (بار افزون)
تا کنون برای قطعات پانل سه بعدی آنالیز پوش اور انجام شده است و این کار برای یک سازه کامل با ابعاد واقعی در ارتفاعات مختلف کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
به منظور برآورد عملکرد ساختمان های مورد بررسی و نیز تعیین ضرایبی مانند مقاومت افزون و شکل پذیری، آنالیز بارافزون انجام میگیرد. اگر تحلیل بارافزون به صورت نیرو-کنترل انجام شود به دلیل آنکه نیرو به طورمرتب درحال افزایش است، لذا بخش نزول نمودار را که اتفاقا بسیار مهم می باشد را از دست خواهیم داد. بدین منظور ابتدا سازه تحت تحلیل نیرو- کنترل قرار گرفته و روند کلی جابجایی سازه و از همه مهمتر جابجایی طبقات نسبت به هم بدست آورده می شوند. حال با دانستن این مهم، می توان سازه را تحت مود جابجایی بدست آمده از تحلیل نیرو-کنترل، به صورت جابجایی-کنترل تحلیل کرد تا بتوان نمودار تغییرات برش پایه در برابر جابجایی را به طور کامل داشت.
به خاطر تقارن سازه در هر دوجهت طولی و عرضی ( به ترتیب ( x , y منحنی جابجایی- نیرو مربوط به هر جهت در هر دو قسمت مثبت و منفی نمودار یکسان و به صورت متقارن عمل میکند؛ لذا میتوان از تحلیل بارافزون استاتیکی غیرخطی به جای تحلیل بارگذاری سیکلی استفاده کرد و سازه را در هر دو جهت فقط در ناحیه با جابجایی مثبت پوش کرد. منحنی جابجایی طبقه اول در برابر برش پایه مربوط به هر مدل در اشکال 5 تا 8 ترسیم شده است. لازم به ذکر است که منحنی های مذکور به صورت کامل رسم شده اند اگرچه برای استخراج پارامترهای رفتاری با ایده ال سازی نمودارها قسمت هایی از نمودار که کاملا افت کرده اند حذف میگردند و کارایی خاصی ندارند.
