بخشی از مقاله
خلاصه
جلوگیری از فروریزش سازهها یکی از مبانی طراحیهای لرزهای متداول است. اغلب سازهها پس از رخداد زلزله دچار تغییرمکان نسبی ماندگار شده و بهرهبرداری از ساختمان، ناممکن و در مواردی بازسازی هزینههای سنگینی را طلب میکند. از طرفی دیگر سازههای دارای سیستم مرکزگرا علاوه بر قابلیت استهلاک انرژی و کاهش خسارت به سازه، تغییرشکلهای ماندگار کمتری به سازه تحمیل میکند.
استفاده از این سیستم در دیوارهای برشی پیشساخته، حرکت گهوارهای را افزایش داده وتغییرمکان نسبی ماندگار در بالاترین تراز دیوار را کاهش می دهد. در این مقاله یک نمونه آزمایشگاهی دیوار برشی ترکیبی بتن مسلح پیشساخته دارای بازشو با تمام جزئیات در نرم افزار اجزای محدود مدلسازی شده و پس از انجام تحلیل غیرخطی عددی، پاسخ آن در برابر بارهای جانبی ناشی از زلزله و بارهای ثقلی مورد بررسی قرار گرفته است. دیوار ترکیبی مورد نظر با روش پیشتنیدگی و استفاده از میلگردهای فولادی دارای سیستم مرکزگرا شده است.
. 1 معرفی دیوار برشی مرکزگرای ترکیبی
دیوار برشی پیشساخته ترکیبی - - Hybrid مورد بررسی در این مقاله از پانلهای مستطیلی پیش ساخته تشکیل شده است که در زمره سیستمهای نامتداول پیش ساخته - Non-Emulative Precast Structure - قرار میگیرد. رفتار این قبیل سازهها تحت بارهای جانبی از طریق باز و بسته شدن درزهایی که بین اعضای پیشساخته تعبیه شده است، کنترل میگردد. بعد از اعمال بار جانبی اولین مود جابجایی در این دیوارها، بازشدگی درز افقی موجود بین پانل پایه و فونداسیون میباشد.
به عبارت دیگر به دلیل وجود این درز و امکان بلند شدن دیوار، سازه عمدتاً رفتار چرخشی صلب دارد. به محض باربرداری، نیروی پیش تنیدگی موجود در کابلها به همراه نیروی ثقلی، نقش نیروی بازگرداننده را داشته و دیوار را به موقعیت اولیه بر میگرداند.
واژه ترکیبی به این دلیل به کار میرود که در این سیستمها، از ترکیب میلگردهای فولادی و کابلهای پیشتنیده نچسبیده - unbonded - با مقاومت بالا استفاده میشود. میلگردهای فولادی مورد استفاده در این دیوارها طوری طراحی میشوند که در کشش و فشار تسلیم شوند تا وظیفه استهلاک انرژی را به خوبی انجام دهند. با این روش کابلهای پیش تنیده قابلیت مرکزگرایی را برای سیستم فراهم میکنند که در نتیجه باعث کاهش تغییرمکان ماندگار بعد از وقوع زلزلههای بزرگ میگردد.
. 2 جزئیات و مشخصات نمونه آزمایشگاهی
نمونه آزمایشگاهی شامل دو پانل پیشساخته است. پانل پایه - زیرین - ، که نمایندهی طبقهی اول و پانل بالایی که نماینده طبقات 2 تا 4 میباشد. به دلیل پیشساخته بودن پانلها دو درز در نمونه آزمایشگاهی تعبیه شده است که درز مابین فونداسیون و پانل پایه، درز1 و درز بین پانل پایه و پانل بالایی درز2 نامگذاری شده است. فونداسیون نمونه آزمایشگاهی خود شامل یک قسمت میانی و دو بلوک انتهایی میباشد.
با توجه به ضریب مقیاس مورد استفاده که 0/4 بوده است مشخصات هندسی نمونه آزمایشگاهی که برای مدل سازی عددی نیز مورد نیاز است به شرح زیر میباشد. طول دیوار : 243 سانتیمتر، ارتفاع پانل پایه : 145 سانتیمتر ، ارتفاع پانل بالایی : 269 سانتیمتر، ضخامت دیوار : 15/9 سانتیمتر، محل اعمال بار جانبی : 366 سانتیمتر از روی فونداسیون، طول، ارتفاع و ضخامت تیر میانی فونداسیون به ترتیب : 350، 110 و60 سانتیمتر، طول، ارتفاع و ضخامت بلوک انتهایی فونداسیون به ترتیب 150 :، 140 و70 سانتیمتر میباشد.
هر پانل شامل دو بازشوی مستطیل شکل به طول 35/56 و ارتفاع 50/8 سانتیمتر است. بازشوها به صورت متقارن نسبت به مرکز دیوار قرار دارند. فاصلهی بازشو از لبهی کناری و لبهی پایینی پانل 35/56 سانتیمتر است. بار ثقلی وارد بر دیوار که شامل وزن خود دیوار و بار سرویس وارد بر آن میباشد 361/2 کیلو نیوتن است که از طریق یک کابل پیشتنیده که در مرکز دیوار قرار میگیرد به نمونه اعمال می شود
شکل-1 نمونه آزمایشگاهی و طرح شماتیک دیوار دارای بازشو
با توجه به اینکه در دو انتهای پانل پایه، نیروی فشاری زیادی وجود دارد برای جلوگیری از خردشدگی، بتن این نواحی باید محصور گردد و آرماتورگذاری ویژهای برای آن در نظر گرفته شود. طول ناحیهای که بتن آن محصور میشود 469/9، فاصله خاموتها در راستای ارتفاع دیوار 63/5 و فاصله اولین خاموت از کف پانل پایه 19/05 میلیمتر است.
برای جلوگیری از بازشدگی درزی که بین پانل پایه و پانل بالایی وجود دارد، از میلگردهای فولادی به قطر 22/2 میلیمتر استفاده شده است که خروج از مرکزیت این میلگردها نسبت به مرکز دیوار1117/6میلیمتر میباشد. این میلگردها طوری طراحی می شوند که الاستیک باقی بمانند و برای جلوگیری گسیختگی ناشی از خستگی دارای یک طول کوچک نچسبیده به اندازهی 76/2 میلیمتر میباشند. کابلهای پیش تنیدگی که وظیفه کاهش تغییرشکلهای پسماند وارد بر نمونه را بر عهده دارند هر کدام شامل سه کابل به قطر 12/7 میلیمتر بوده که به صورت متقارن نسبت به مرکز دیوار با خروج از مرکزیت 279/4 میلیمتر قرار گرفتهاند.
لازم به ذکر است که تنش پیش تنیدگی اولیهی این کابلها 0/5 fpuاست. میلگردهای مستهلک کننده انرژی شامل 4 میلگرد فولادی به قطر 19/1 میلی متر میباشد که با خروج از مرکزیت 88/9 و 190/5 میلیمتر نسبت به مرکز دیوار قرار گرفتهاند ودراین میلگردها نیز در طولی به اندازه 381 میلی متر با استفاده از یک ورق نازک پلاستیکی از تماس میلگرد با بتن جلوگیری شده است - شکل. - 2 مشخصات مکانیکی کلیه مصالح بکار رفته در نمونه آزمایشگاهی شامل بتن،کابلهای پیش تنیدهگی، میلگردهای مستهلک کننده انرژی و میلگردهای ناحیه ی بتن محصور در جدول1 آورده شده است.
شکل-2 میلگردهای مستهلککننده انرژی
جدول-1 مشخصات مصالح بکار رفته
. 3 مدل سازی عددی دیوار برشی مرکزگرا
شبیهسازی نمونهها با استفاده از روش اجزای محدود غیرخطی به وسیلهی نرم افزار ABAQUS صورت پذیرفته است. برای ساختن هندسه مدل از ابعاد و مشخصات نمونهی آزمایشگاهی کهقبلاً شرح داده شد، استفاده شده است. میلگردها با المانهای دو گرهی و با هندسه میلهای بدون ضخامت و انطباق محور المان و محور گذرنده از مرکز سطح مقطع میلگرد و المانهای بتنی به صورت سه بعدی مطابق با ابعاد نمونه آزمایشگاهی مدلسازی شدند.
برای مدلسازی ناحیه غیرخطی رفتار بتن از مدل خسارت خمیری - Concrete Damaged Plasticity - استفاده شده است. در تعیین پارامترهای مدل خسارت خمیری از فرضیات قابل انطباق با ضوابط ذیربط استفاده شده است. معیار پلاستیسیته مورد استفاده برای فولاد، معیار فون مایسز است که برای تعریف آن منحنی تنش-کرنش یک بعدی فولاد به صورت یک تابع جدولی به نرم افزار معرفی گردید.
برای مدلسازی میلگردهای مستهلک کننده انرژی، میلگردهای ناحیهی بتن محصور، میلگردهای توزیع شده در داخل پانلهای بتنی و کابلها، از المان خرپایی دو گرهی با مرتبهی درونیابی خطی و برای مدل سازی بتن از المانهای آجری هشت گرهی با مرتبهی درونیابی خطی استفاده شده است. لازم به ذکر است که برای انتگرالگیری، از انتگرالگیری کاهش یافته استفاده شده است. برای شبیهسازی نیروی پیشتنیدگی موجود در کابلها یک تنش اولیه متناسب با نیروی پیشتنیدگی مورد نیاز در راستای محوری کابلها در آنها ایجاد شد.
در اعمال نیروی پیشتنیدگی اثر افتهای کوتاه مدت و بلند مدتمنظور شده و نهایتاً نیروی پیش تنیدگی به مقدار 0/54 fpu رسید. برای کابلهای اصلی تنش 1037 Mpa اعمال گردید که پس از رخ دادن افتها به مقدار 1005/48 Mpa رسید. برای کابلی که بار ثقلی وارد بر دیوار را شبیه سازی میکند، تنش 544 Mpa اعمال گردید که پس از رخ دادن افت ها به مقدار 511 Mpa رسید.
برای مدل سازی مهار کابلها از ورقهای فولادی استفاده شد. این ورقهای فولادی در بالا به پانل بتنی و در پایین به تیر میانی فونداسیون متصل شدهاند. نقاط انتهایی کابلهای پیش تنیده به این ورقهای فولادی متصل شده است. در نتیجه عکس العمل نیروی پیش تنیدگی موجود در کابلها از طریق این ورقهای فولادی به صورت یک نیروی فشاری به دیوار منتقل شد. لازم به ذکر است که در نمونه آزمایشگاهی بلوکهای انتهایی به کف قوی آزمایشگاه متصل شده و حرکت خارج از صفحه دیوار توسط هشت ورق فولادی گرفته شده است. در مدل عددی برای گیردار کردن بلوکهای انتهایی درجات آزادی انتقالی و دورانی گرههای آن در تمام جهات مقید شده است
