بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از مکانیزم هایی خرابی سازه ها که در دهههای اخیر توجه به آن افزایش پیدا کرده است خرابی پیشرونده نامیده میشود. در خرابی پیشرنده به علت تصادف، انفجار و یا هر دلیل غیرعادی دیگری، یک یا تعدادی از اعضای سازه ناگهان شکست میخورند و پس از آن ساختمان به صورت پیشرونده خراب میشود. میانقاب های بنایی به صورت گسترده در ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرند. این میانقابهای بنایی عموما به عنوان عضو غیرسازهای و فقط وزن آنها در طراحی درنظرگرفته میشود. در این مقاله به بررسی اثر میانقابها روی مکانیزم خرابی پیشرونده قابهای بتن مسلح پرداخته میشود.
مقاومت میانقاب بنایی در قابهای بتن مسلح دوبعدی، به دوصورت میله فشاری معادل و پوسته شبیه سازی می شوند و تحلیلهای دینامیکی غیرخطی و استاتیکی غیرخطی بر روی این قابها با تعداد طبقات مختلف با دیوارهای میانقاب با بازشو و بدون بازشو، درحالت حذف ناگهانی ستون وسط انجام میشود. در ادامه شبیه سازیهای میله فشاری و پوسته برای دیوار میانقاب، با دو نمونه آزمایشگاهی وارسی میشود. نتایج نشان میدهد که اثر دیوارهای میانقاب در مکانیزم خرابی پیشرونده قابل ملاحظه میباشد و درنظرگرفتن آن رفتار واقعی تری را بعد از حذف ناگهانی ستون نشان میدهد . در نهایت براساس نتایج تحلیلها بر روی این قابها، تاثیر طبقات بالای ستون حذف شده، ضریب افزایش بار دینامیکی و تاثیر درصد بازشو در دیوار میانقاب، بررسی میشود.
1. مقدمه
توجه به موضوع خرابی پیشرونده در جامعه مهندسی اولین بار در سال 1968 با خرابی موضعی ساختمان Ponan Point در لندن به وجود آمد. وقایع 11 سپتامبر، ساختمان تجارت جهانی نیویورک در سال 2001 به عنوان نیروی محرک توجه بیشتری را برای این موضوع ایجاد کرد. کمیتههای گوناگونی مانند مدیریت تعمیرات کلی آمریکا [1] - GSA - ، وزارت دفاع آمریکا [2] - DoD - و آییننامه های اروپایی این مسئله را بررسی و بازبینی کرده و دستورالعمل های خود را برای طراحی در برابر خرابی پیشرونده ارتقا دادند. این دستورالعملها و آییننامهها راهنمایی هایی را برای تحلیل و طراحی سازهها در مقابل خرابی پیشرنده معرفی کردهاند و روش های عملی برای انجام تحلیل های خطی و غیر خطی ارائه دادهاند.
چندین مطالعه نشان میدهد که میانقابهای آجری میتواند در مقاومت جانبی لرزه ای ساختمان بتنی تاثیرگذار باشد. این دیوارهای میانقاب آجری معمولا به صورت یک میلهی فشاری معادل، مدل شدهاند .[3-5] همچنین پژوهشهای گذشته نشان داده است که قرار دادن بادبندهای فولادی درون میانقاب، میتواند در مقابل خرابی پیشرونده مقاومت کند .[6] بنابراین واضح است که اثر مکانیکی دیوارهای میانقاب نیز درمقابل خرابی پیشرونده در ساختمان های بتن آرمه قابل ملاحظه باشد. [7] Tsai & Huang تاثیر دیوار میانقاب را روی قاب بتنی تحقیق کردند و نتیجه گرفتند دیوار میانقاب میتواند در کاهش پاسخ ارتجاعی بعد از حذف ستون سهیم باشد.
[8] Tsai & Huang با مدلسازی دیوار میانقاب به صورت مدل میله فشاری، طبق دستورالعمل بهسازی لرزه ای [9] FEMA-356 و انجام تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی غیرخطی بعد از حذف ناگهانی ستون در سازه، به این نتیجه رسیدند که تحلیلهای دینامیکی رفتار واقعی تری را نشان میدهند. در این پژوهش، در ابتدا مدلسازی دیوار میانقاب به دو صورت میله فشاری معادل و پوسته، معرفی میشود و با انجام تحلیل های دینامیکی غیرخطی اثر ابعاد و تعداد طبقات قاب بتنی و همچنین وجود بازشو در دیوار میانقاب، بر روی پاسخ قاب های بتنی بعد از حذف ناگهانی ستون وسط، بررسی میشود. در نهایت با انجام تحلیلهای استاتیکی غیرخطی، ضرایب افزایش بار دینامیکی نسبت به شکل پذیری سازه محاسبه میشود. در ادامه مدلسازیهای میله فشاری و پوسته، با دو نمونه آزمایشگاهی وارسی میشود.
2. نمونههای مورد بررسی
2.1. انتخاب و طراحی قابهای بتنی
تعداد 9 قاب خمشی بتنی با طول دهانههای 4، 5 و 6 متر و طبقات 1، 2 و 3 انتخاب شدهاست. ارتفاع کلیه طبقات 3متر و ارتفاع همکف 4متر درنظرگرفته شدهاست. برای در نظرگرفتن اثر دیوار میانقاب، سازهها بهصورت 2بعدی مدلسازی شدهاند. همچنین برای ایجاد شرایط کاملا مشابه در نمونه ها، بارگذاری و ارتفاع طبقات در کلیه نمونهها ثابت است. تنش تسلیم فولاد ، مدول الاستیسیته فولاد و ضریب پواسون فولاد 0.3 درنظرگرفتهشدهاست.
برای بتن مصرفی، مقاومت فشاری بتن ، مدول الاستیسیته بتن و ضریب پواسون بتن 0.2 درنظرگرفته شده است. بار ثقلی زنده برای طبقات 2 و بار زنده برف برای بام 1.5 میباشد. بار مرده نیز با توجه به نوع مصالح مصرفی دیوار و وزن مخصوص بتن دال و اسکلت، محاسبه شده است. پس از مدلسازی، سازه های بتنی با استفاده از آییننامه [10] ACI 318-08 طراحی شدهاند و مقاطع به اجزای سازهای اختصاص داده شد. ابعاد مقاطع ستون ها، 40 × 40 و 50 × 50 سانتیمتر و با آرماتورگذاری متقارن در وجوه و مقاطع تیرها 40 × 30 و 50 × 30 سانتیمتر استفاده شد.
2.2. دیوار میانقاب مصالح بنایی
برای بدست آوردن نتایج جامع درمورد رفتار دیوارهای میانقاب بعد از حذف ناگهانی ستون وسط قاب، الگوهای متفاوتی از دیوار میانقاب مدل شده است - شکل. - 1 به جز همکف، دیوار های میانقاب برای تمام طبقات درنظرگرفته شده است و ضخامت آنها 15سانتیمتر انتخاب شده است. میانقاب بنایی با توجه به FEMA-356 Eme=2.2×10^3 MPa و مقاومت کششی آن [9]، از نوع متوسط انتخاب شده است و مقاومت فشاری آن fme=4 MPa، مدول الاستیسیته آن 0.07 MPa میباشد. مصالح بنایی دیوارهای میانقاب مصالحی با رفتار شکننده و ترد فرض میشود.
3. مدلسازی غیرخطی
3.1. مدلسازی غیرخطی اعضای قاب بتنی
در این پژوهش برای اعمال رفتار غیرخطی اعضای سازه، از مشخصات مفصل پلاستیک طبق دستورالعمل [2] DoD2009 استفاده شده است. این مشخصات به صورت دستی برای مفاصل پلاستیک اعضای سازهای، در نرم افزار [11] SAP2000 تعریف شده است .[12]
3.2. مدلسازی دیوار میانقاب به صورت میله فشاری معادل، طبق دستورالعمل [9] FEMA-356
طبق مقررات دستورالعمل [9] FEMA-356 سختی دیوار میانقاب در مقابل نیروی جانبی به صورت یک میله معادل فشاری مدل میشود. این دستورالعمل، ضخامت و مدول الاستیسیته میله معادل را برابر با خود دیوار درنظرمیگیرد و برای عرض میله، یک رابطه با توجه به مشخصات قاب و مصالح بنایی معرفی میکند. برای استفاده از رابطه معرفی شده، جهت خرابی پیشرونده و حذف ستون وسط قاب، باید جهت افقی بار درنظرگرفته شده در دستورالعمل [9] FEMA-356، 90درجه چرخانده شود. در نتیجه میله های فشاری معادل دیوار میانقاب، بصورت شکل2 بدست میآید.
با تغییر نام پارامترهای رابطه معرفی شده در این دستورالعمل، رابطه - 1 - برای میله فشاری معادل نشان داده شده در شکل2، بدست می آید. در رابطه - 1 - ، فاصله مرکز به مرکز ستونها، طول دیوار، مدول الاستیسیته مصالح قاب سازهای، مدول الاستیسیته مصالح دیوار، ممان اینرسی تیر، طول قطری دیوار، ضخامت دیوار و یا عرض میله معادل و زاویه بین قطر دیوار میانقاب و محور قائم است. رفتار غیرخطی مصالح بنایی توسط مفاصل پلاستیک در المان میله ای معادل دیوار میانقاب در نرم افزار [11] SAP2000 مدل شد .[12]
.3.3 مدلسازی دیوار میانقاب به صورت پوسته
جهت مدلسازی رفتار غیرخطی پوسته در نرم افزار [11] SAP2000، پوستهای با مشخصات مصالح بنایی و ضخامت 15cm در نرم افزار تعریف شد. این پوسته به جزءهای چهار گرهای تقسیم بندی شد. سپس به جای جزء های محیطی پوسته - نواحی اتصال به قاب - ، از المانهای میلهای با مفصل پلاستیک، استفاده شد. طریقه مدل سازی این مفاصل پلاستیک و توصیف رفتار آنها، به طور کامل توسط [12] Ziaalhagh توضیح داده شده است.
.4.3 نام گذاری نمونهها
نام نمونه ها به ترتیب شامل قسمتهای، تعداد طبقات، طول دهانه قاب و نوع مدلسازی به همراه شماره الگوی دیوار میانقاب میباشد. به عنوان نمونه، نام 2S-L6-Sh3 برای قاب دو طبقه - - 2S با دهانه 6 متر - - L6 است و الگوی شماره 3 دیوار میانقاب به صورت پوسته - - Sh3 مدل شده است. نام همین نمونه اگر دیوار میانقاب آن به صورت میله فشاری معادل مدل شود، 2S-L6-St3 می باشد. درکل، تعداد 36 نمونه قاب با مدلسازی دیوار میانقاب به صورت پوسته و 36 نمونه قاب با مدلسازی دیوار میانقاب به صورت میله فشاری دراین تحقیق مورد بررسی قرار گرفت.
4. تحلیل خرابی پیشرونده
در این پژوهش تحلیل خرابی پیشرونده برای قابهای بتنی نمونه، با حذف ناگهانی ستون وسط دهانه انجام می پذیرد و رفتار غیرخطی قاب بعد از حذف ستون بررسی میشود. این تحلیل طبق دستورالعمل [2] DoD2009، روش مسیر بار جایگزین1 نام دارد. در دستورالعمل [2] DoD2009، تغییر شکلها و نیروهای اعضای سازه نباید از مقادیر معیارهای پذیرش بیشتر باشند و سازه باید بعد از حذف عضو موردنظر، قادر به انتقال بار اضافی تولید شده باشد. در این پژوهش تحلیل قابها بعد از حذف ناگهانی ستون به صورت دینامیکی غیرخطی و استاتیکی غیر خطی انجام میشود. در انجام تحلیلهای مسیر بار جایگزین برای کنترل ظرفیت خرابی پیشرونده در یک سازه، اغلب پژوهشگران روشهای اجرایی و تئوری استاتیکی را انتخاب میکنند که به نیروی انسانی کمتر و تجهیزات آزمایشگاهی ساده تری نیاز دارد.
