بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل المان محدود تیر بتن مسلح تقویت شده با FRP در هنگام وقوع خرابی
پیشرونده با استفاده از نرم افزار ABAQUS
چکیده
وقوع حوادث مختلفی از قبیل انفجار، آتشسوزي، برخورد وسایل نقلیه، خطا در محاسبات یا ساخت میتوانـد باعـث ایجـاد خرابـی موضعی در سازه شده که در برخی موارد گسترش این خرابی میتواند منجر به تخریب کل سازه یا بخش بزرگی از آن شـود. توجـه محققین به این پدیده پس از وقوع تخریب پیشرونده ناشی از انفجار گاز در ساختمان رونان پوینت جلـب شـد و بـا وقـوع حمـلات تروریستی در ساختمان آلفرد پی موراه و برجهاي تجارت جهانی تحقیقات در این زمینه گسترش فراوانی پیـدا کـرد. در ایـن بـین برخی از آییننامهها از جمله UFC4-023-03 و یا GSA دستورات کلی و نیز شیوههاي تحلیلی را براي افزایش مقاومت سازه در برابر این پدیده ارائه کردهاند. در صورتیکه در تحلیل خرابی پیشرونده مطابق روش مسیر بـار جـایگزین، سـازه معیارهـاي پـذیرش آییننامه را تامین نکند، سازه موردنظر میبایست دوباره طراحی شده و یا مقاومسازي شود در این تحقیق رفتار غیرخطی سازه قاب خمشی بتن مسلح ویژه که براي زلزله طراحی شده و جوابگوي بارهاي وارده بـوده اسـت را در هنگـام وقـوع خرابـی پیشـرونده در نرمافزار SAP2000 مورد ارزیابی قرار دادهایم. با انجام تحلیل دینامیکی غیرخطی و تحلیل خرابی پیشـرونده بـه روش مسـیر بـار جایگزین مشاهده گردید میزان دوران مفاصل پلاستیک ایجاد شده در تیرها از معیارهاي پـذیرش آییننامـه UFC فراتـر مـیرود. براي تامین معیارهاي پذیرش، تیرهاي سازه را با FRP تقویت خمشی کرده و در نهایت به جهت ارائه آرایش مناسب و بهینه طرح تقویت، تیر مقاوم سازي شده را در نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS مدلسازي کردهایم. نتایج نشان دهنـده اینسـت کـه شـیوه اتخاذ شده توانایی لازم را براي کاهش چرخش مفاصل پلاستیک به منظور امضاي معیارهاي پذیرش آییننامه را دارا میباشد.
کلمات کلیدي: خرابی پیشرونده، مسیر جایگزین، FRP، بتن مسلح، تحلیل دینامیکی، تحلیل غیر خطی، قاب خمشی ویژه، المان محدود.
-1 مقدمه
1
توجه ﻣﺤﻘﻘﯿﻦ به این پدیده پس از وقوع خرابی ﭘﯿﺸﺮوﻧﺪه١ ناشی از انفجار گاز در ساختمان رونان پوینت٢ در لندن در سال 1968 جلب شد و با وقوع حملات تروریستی در ساختمان آلفرد پی موراه٣ در سال 1995 و برج هاي تجارت جهانی 4در سال 2001 در ایالات متحده آمریکا، تحقیقات در این زمینه گسترش فراوانی پیدا کرد و توسعه روشهاي تحلیلی براي ارزیابی پتانسیل خرابی پیشرونده در سازه هاي موجود یا جدید شکل گرفت . هر گونه ضعف در طراحی یا اجراي المان هاي سازه اي نیز ممکن است باعث بوجود آمدن پدیده خرابی پیشرونده در سازه ها حین بارگذاري انفجار و یا لرزه اي گردد.
روشهاي نیروي کلافی 5، مسیرجایگزین6 و افزایش مقاومت موضعی 7ﺑﻌﻨﻮان سه روش اﺻﻠﯽ در تحلیل و طراحی خرابی پیشرونده بکار میروند .[11] آیین نامه [7] ASCE7 دو شیوه جامع را براي کاهش خرابی پیشرونده ارائه میدهد: روش طراحی غیرمستقیم8 و روش طراحی مستقیم.9 در روش طراحی غیر مستقیم مقاومت در ﺑﺮاﺑﺮ تخریب پیشرونده ﺑﺼﻮرت غیرصریح و با ایجاد حداقل سطحی از مقاومت10، پیوستگی 11و شکل ﭘﺬﯾﺮي 12تامین میشود که خود ﺷﺎﻣﻞ روش نیروي کلافی (TF) است. در روش طراحی مستقیم به مقاومت در برابر تخریب پیشرونده در طول مراحل طراحی توجه میشود و شامل ملاحظات صریح مقاومتی در طی فرآیند طراحی است و خود شامل روشهاي مسیرجایگزین((AP و افزایش مقاومت موضعی (ELR) میباشد.
به منظور بررسی اهداف مطرح شده، نمونه اي از قاب خمشی بتن مسلح ویژه 7 طبقه مطابق آیین نامه هاي [4]ACI318 و ASCE7 در نرم افزار [8] ETABS بارگذاري و طراحی لرزه اي شده و سپس تیرهاي آن در خمش با FRP بر اساس ضوابط آیین نامه [5] ACI440.2R مقاوم سازي شده و رفتار غیرخطی آن در هنگام وقوع خرابی پیشرونده در نرم افزار SAP2000 [9] ارزیابی گردیده است. در نهایت تحلیل المان محدود تیر بتن مسلح تقویت شده در راستاي ارائه آرایش بهینه و ارزیابی توانایی مصالح FRP براي افزایش ظرفیت باربري و ارتقاي توانایی سازه در بازتوزیع نیروها در هنگام وقوع خرابی پیشرونده در نرم افزار المان محدود [10] ABAQUS انجام شده است.
-2 مشخصات سازه
قاب ساختمانی بتن مسلح 7 طبقه متشکل از سیستم قاب خمشی ویژه (شکل پذیري زیاد) در نظرگرفته شده است. همچنین جهت طراحی در برابر زلزله در مطابقت با آیین نامه [3] 2800 در منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد واقع شده و تیپ خاك نوع II می باشد . طول دهانه ها یکسان 6 متر و ارتفاع طبقات نیز یکسان و برابر 3/2 متر می باشد. تمامی اتصالات و تکیه گاه ها از نوع گیردار و سقف ها دیافراگم صلب است. پلان و نماي سه بعدي سازه در اشکال (1) و (2) مشاهده می شود.
2
شکل (1) پلان سازه شکل((2 نماي سه بعدي سازه
تحلیل لرزه اي به روش دینامیکی طیفی مطابق الزامات دستورالعمل ASCE7-10 انجام شده است و طراحی سازه نیز مطابق آیین نامه ACI318-08 انجام شده و الزامات قاب خمشی ویژه نیز کنترل گردیده است.
-3 روش مسیر بار جایگزین در ارزیابی رفتار سازه در برابر خرابی پیشرونده
از جمله روشهاي موجود در آیین نامه که از آنها میتوان جهت ارزیابی سازه هاي بتن مسلح و سایر سازه ها استفاده کرد روش مسیر بار جایگزین می باشد. در این روش اثر بارهاي غیر عادي بوسیله حذف المان سازه اي در نظر گرفته می شود. این روش به بررسی توانایی سازه براي پل زدن روي المان سازه اي حذف شده به جهت اینکه خسارت بصورت موضعی باقی بماند می پردازد. دستورالعمل UFC سه نوع تحلیل استاتیکی خطی، استاتیکی غیرخطی و دینامیکی غیرخطی را مجاز می داند. این روش المان ها را به اعضاي اولیه1 و ثانویه2 تقسیم بندي می کند.
-4 نحوه بارگذاري و حذف ستون در تحلیل خرابی پیشرونده مطابق UFC
آیین نامه UFC اعمال بارثقلی را به کل سازه بسته به نوع تحلیل توصیه می نماید. روند بارگذاري در تحلیل دینـامیکی غیرخطـی بدین صورت است که بار از مقدار صفر شروع شده و بطور یکنواخت و متناسب بار ثقلی به کل سازه اعمال گردیده است. این رونـد بارگذاري تا زمانیکه سازه به تعادل برسد ادامه می یابد، در این مرحله ستون هنوز حذف نشده است. بعـد از حصـول تعـادل بـراي سازه ستون حذف می شود که لازم به ذکر است موقعیت ستون ها براي حذف شدن طبق توصیه آیـین نامـه UFC در آنـالیز بـه روش مسیرجایگزین صورت گرفته است. حذف ستون باید به بصورت آنی باشد و در مدت زمانی کمتر از 0/1 زمان تناوب مربوط به مد پاسخ سازه براي نوسان عمودي دهانه هاي بالایی ستون حذف شده صورت می گیرد ( که از مدل تحلیلی با حذف ستون بدست می آید) . تحلیل باید تا زمان رسیدن به جابجایی ماکزیمم و یا وقوع یک چرخه از نوسان عمودي در محل حذف ستون ادامه یابـد.
طبق آیین نامه UFC ترکیب بار براي بار ثقلی بصورت زیراست: (1)
که در آن: GND بارهاي ثقلی براي تحلیل دینامیکی غیرخطی، D بار مرده شامل بار نما ، L بار زنده شامل کاهش بار زنده و S بار برف است.
3
-5 مفاصل پلاستیک و معیار هاي پذیرش مطابق UFC
آیین نامه UFC به نقل از آیین نامه [6] ASCE41 تمامی عملکردها را بـا اسـتفاده از منحنـی نیـرو- تغییرشـکل عضـو بعنـوان عملکردهاي کنترل شده با نیرو 1 و عملکردهاي ﮐﻨﺘﺮل شده با تغییر شکل2 تقسیم بندي می ﮐﻨﺪ. عملکردهاي کنترل شده با تغییر شکل به این صورت بیان شده: المان هاي اولیه و ثانویه ظرفیت هـاي تغییرشـکل مـورد انتظـار بزرگتـري از مـاکزیمم تغییرشـکل محاسبه شده ي مورد تقاضا داشته باشند. پارامترهاي مدلسازي غیرخطی و معیارهاي پذیرش تیر و ستون بتن مسلح بـه ترتیـب از جدول1-4 آیین نامه UFC و جدول 8-6 آیین نامهASCE41 برگرفته شده است. شایان ذکر است معیـار پـذیرش تیرهـا زاویـه چرخش مفاصل پلاستیک تشکیل شده در تیر می باشد .
براي عملکرد کنترل شده با نیرو در تمامی اجزاي اولیه و ثانویه باید رابطه زیر برقرار باشد: [11]
که درآن Φ ضریب کاهش مقاومت، QCL مقاومت حد پایین جز یا المان براي عملکرد کنترل شده با نیرو ، QUF عملکرد کنترل شده با نیرو از مدل دینامیکی غیرخطی است.
در این تحقیق مفصل خمشی M3 به تیرها و مفصل اندرکنش نیروي محوري–لنگرخمشی P-M2-M3 جهت ارزیابی عملکرد کنترل شده توسط تغییر شکل به اعضاءاختصاص داده شده است.در نرم افزار SAP2000 میتوان در هر مرحله از آنالیز غیرخطی وضعیت مفاصل را مشاهده کرد.[1] مفاصل پلاستیک در وسط دهانه و دو انتها به تیرها و به ستون ها در دو انتها اختصاص داده شده است. توجه به این نکته ضروري است که سطح عملکرد قابل قبول براي سازه مطابق UFC سطح عملکرد ایمنی جانی3 (LS ) می باشد .
-6 ارزیابی رفتار غیرخطی سازه
پس از تحلیل خرابی پیشرونده و حذف ستون ، روند توزیع مفاصل پلاستیک در المان هاي سازه ارزیابی شده است که مشاهده گردید مفاصل پلاستیک در دو انتهاي تیرهاي متصل به گره ستون محذوف تشکیل میشود که از سطح عملکرد آستانه فروریزش4 عبور کرده و رفتاري نامطلوب دارند (اشکال 3 و .(4
4
شکل (3) توزیع مفاصل پلاستیک درنماي سه بعدي قاب A شکل (4) توزیع مفاصل پلاستیک در قاب A
ارزیابی لنگرخمشی تیرها تحت بارگذاري دینامیکی خرابی پیشرونده مطابق رابطه ( 1) قبل و بعد از حذف شدن ستون در سازه نشان دهنده تحمیل شدن لنگر خمشی مازاد بر ظرفیت خمشی به تیرها بوده که منجر به عدم پیوستگی در تیرها و خسارت در سازه گردیده است.
شکل (5) لنگر خمشی قبل از حذف ستون در قاب A شکل (6) لنگر خمشی بعداز حذف ستون در قاب A
5
شکل (7) لنگر خمشی قبل از حذف ستون در قاب 2 شکل (8) لنگر خمشی بعد از حذف ستون در قاب 2
-7 تقویت خمشی تیرها با FRP
بر اساس آیین نامه UFC اگر سازه توانایی تامین معیارهاي پذیرش را نداشته باشد، می بایست دوباره طراحی شده و یا مقاوم سازي شود.[11] بنابراین تیرهاي متصل به گره ستون حذف شده را با استفاده از مصالح FRP بر طبق آیین نامه ACI440.2R تقویت خمشی کرده و مجددا تحلیل خرابی پیشرونده انجام شده است. روش کار بدین صورت است که ابتدا در نرم افزار SAP2000 لنگر مقاوم خمشی تیر را افزایش داده و طی آنالیز دینامیکی غیرخطی رفتار سازه بررسی می گردد ، این روند سعی و خطا تا رسیدن رفتار سازه به سطح عملکرد مطلوب ایمنی جانی انجام شده است.در نتیجه مشاهده گردید که رفتار غیرخطی سازه بهبود یافته و توانایی سازه براي پل زدن1 روي المان حذف شده و باز توزیع نیروها اﻓﺰاﯾﺶ یافته است . در جدول (1) خلاصه نتایج طرح تقویت و در شکل 9 الی 12 وضعیت مفاصل پلاستیک و دیاگرام لنگر خمشی بعد از طرح تقویت آورده شده است.
شکل (11) لنگر خمشی بعد ازمقاوم سازي وحذف شکل (12) لنگر خمشی بعد ازمقاوم سازي وحذف
ستون در قاب A ستون در قاب 2
ماکزیمم دوران مفصل پلاستیک قبل و بعد از طرح تقویت نیز در جدول (2) ارائه شده است.
-8 مد گسیختگی برشی تیر بتن مسلح تقویت شده در خمش با FRP
7
از میان مدهاي گسیختگی تیر بتن مسلح تقویت شده در خمش با FRP ، مد گسیختگی برشی از اهمیت زیادي برخـوردار اسـت. تیر مقاوم سازي شده ممکن است به صورت ترد و ناگهانی در اثر برش دچار شکست شود. در حالتی که تیرهاي بتن مسلح فقط در برابر بارهاي خمشی مقاوم سازي شده باشند و افزایش مقاومت برشی در آنها دیده نشـده باشـد شکسـت در اثـر بـرش مـی توانـد تهدیدي جدي براي این گونه تیرها باشد. در چنین شرایطی ظرفیت برشی تیر به تنهایی باید در مقابـل نیروهـاي برشـی مقاومـت کند و الیاف FRP چسبانده شده به وجه کششی سهم بسیار اندکی در تحمل نیروهاي برشی دارد.[2]
مقاوم سازي برشی تیرهاي بتنی نیز باید به موازات مقاوم سازي خمشی انجام گیرد تا شکست برشی مانع از ارائه حداکثر مقاومت خمشی نگردد و تیر به حالت خمشی (تحت اثر خمش ) به نقطه شکست برسد، هرچند شکست خمشی تیرهاي بتن مسلح تقویت شده با FRP ترد می باشد ولی نسبت به شکست برشی رفتار شکل پذیرتري از خود نشسان می دهد.[2] بنابراین کفایت برشی تیرهاي مقاوم سازي شده در خمش مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-1-8 ارزیابی کفایت برشی تیر
آیین نامه UFC در روش مسیر بار جایگزین توصیه می کند ضرایب اضافه مقاومت مطابق جدول 4- 6 آیین نامه ASCE41 براي تبدیل مقاومت کرانه پایین به مقاومت مورد انتظار مصالح اعمال گردد. در عین حال ضـرایب کـاهش مقاومـت مطـابق آیـین نامـه ACI318 مدنظر قرار گیرد. از آیین نامه ACI318 داریم:
که در آن Φ ضریب کاهش مقاومت، Vn مقاومت برشی مقطع، Vc ظرفیت برش مقطع بتنی، Vs ظرفیت برش خاموت، λ ضریب تصحیح براي بتن سبک، f’c مقاومت مشخصه بتن، bw عرض مقطع بتنی، d ارتفاع موثر مقطع، n تعداد ساق خاموت، AV مساحت ساق خاموت، fyt تنش تسلیم خاموت و S فواصل طولی خاموت است.
در جدول (3) به صورت نمونه ظرفیت برشی مقطع و نیروي برشی ایجاد شده در تیر مقاوم سازي شده بعد از حذف ستون قابل مشاهده است.
-9 مدل سازي به روش المان محدود در نرمافزار ABAQUS
در ابتداي براي حصول اطمینان از دقت و صحت پارامترهاي مدل سـازي، معرفـی مشخصـات مصـالح و نتـایج نهـایی، یـک نمونـه آزمایشگاهی تیر بتن مسلح مقاوم سازي شده با FRP در نرمافزار مدلسازي شده و نتـایج تحلیـل نمونـه المـان محـدود و نمونـه آزمایشگاهی مقایسه شده و اعتبارسنجی گردیده است. سپس به مدلسازي تیر مورد بحث در این مقاله پرداخته و در نهایت نتایج حاصل از تحلیل ارزیابی شده است.
