بخشی از مقاله
چکیده
خرابی های مشاهده شده در ساختمان ها و پل ها طی زلزله های اتفاق افتاده در طول سالیان، نیاز به مقاوم سازی سازه ها را افزایش داده است، که در دهه اخیر استفاده از کامپوزیت های FRP برای مقاوم سازی قاب های بتنی مسلح گسترش یافته است. استفاده از FRP به دلیل خصوصیاتی چون مقاومت در برابر خوردگی، وزن کم - نسبت مقاومت به وزن بالا در مقایسه با مصالح سنتی - و مقاومت کششی بالا، در حال افزایش است. هدف از این تحقیق بحث و بررسی در مورد استفاده از ورق FRP که درسا لهای اخیر مورد توجه زیادی قرارگرفته است در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح خمشی می باشد.
در این پژوهش، به بررسی رفتار دینامیکی غیرخطی قابهای خمشی بتن مسلح تقویت شده با FRP پرداخته خواهد شد، بدین منظور ساختمان های 4، 8 و 12 طبقه که بر اساس آیین نامه های قدیمی طراحی شده اند و به دلیل تغییر سطح لرزه خیزی منطقه، نیازمند تقویت می باشند در نرم افزار OpenSees مدل و مورد بررسی قرار گرفته اند و در نهایت با توجه به میزان خرابی، طرح بهسازی مناسب برای هر سازه ارایه گردید، نتایج نشان داده است که استفاده از FRP به منظور بهسازی لرزه ای، منجر به کاهش جابجایی طبقات و همچنین چرخش قاب و سایر پارامترهای لرزه ای می گردد.
-1 مقدمه
با پیشرفتهای علم و فناوری، امروزه متخصصین امرسعی میکنند به تکنولوژی ساخت مواد جدیدی دست یابند که علاوه بر انجام وظیفههای در نظر گرفته شده از جنبههای دیگر مؤثر بر سازه مانند وزن، مقاومت، راحتی کاربرد و طول عمر نیز برتریهایی داشته باشند. ساختمانهای بتنی موجود که بر اساس آییننامههای قدیمی طراحی شدهاند به دلیل نداشتن ظرفیت باربری جانبی کافی و شکلپذیری کم، در برابر زمینلرزههای اخیر عملکرد لرزهای ضعیفی داشته است . - Ghobarah A, El-Attar M, 2000 - با توجه به بررسی های صورت گرفته مشاهده گردید رفتار سازهای که از نوع تیر قوی- ستون ضعیف می باشد موجب ایجاد طبقه نرم یا مکانیسم خرابی یکسویه ستونها میشود.
- .Bracci JM, Reinhorn AM, 1995 - شوشتری و بیات - محمد شوشتری و محمد بیات، - 1389 بر روی شکلپذیری و رفتار لرزهای ساختمانهای بتنمسلح با اعضاء محصور شده با FRP تحقیق کردند و نتایج حاصله حاکی از آن است که محصور کردن ساختمانهای بتنمسلح با FRP موجب می گردد حداکثر تغییرمکان بام و برش پایه ساختمان های تحلیل شده بین 10 تا 15 درصد کاهش یابد. Zou & Teng با بررسی بر روی یک روش بهینهسازی برای مقاومسازی لرزهای ساختمانهای بتنآرمه بر اساس عملکرد و با استفاده از FRP پرداختند که اثر بخشی روش طراحی بهینه پیشنهاد شده، به وسیله یک مثال عددی از یک قاب صفحه ای به اثبات رسیده است .
- Zou X.K. & Teng J.K, 2006 - آقایان Binici & Mosalam طی تحقیقی رفتار ستونهای بتنآرمه تقویتشده با ورقههای FRP را مورد مطالعه قرار دادند، مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق با نتایج آزمایشگاهی موجود نشان داد که مدل پیشنهادی قابلیت پیشبینی پاسخهای اساسی همچون کاهش مقاومت به دلیل لغزش و گسیختگی به دلیل پارگی FRP را دارا می باشد . - Binici B. & Mosalam Kh ., 2006 - طی تحقیق آقایان De Lorenzis & Teng ویژگیهای تاثیرگذار بر روی چسبندگی میان بتن و FRP را که شامل طول پیوند، مقاومت بتن و تعداد لایه ها می شود را مورد مطالعه قرار داده اند.
بر اساس نتایج حاصل مشخص گردید که طول پیوند و عرض ورق بر روی ظرفیت باربری نهایی تاثیری نمیگذارد . - De Lorenzis & Teng J., 2007 - در سال 2009 طی تحقیق آقای Cimilli Erkmen بر روی ساختمان های مقاوم سازی شده با FRP در برابر بارگذاری لرزه ای مورد مطالعه قرار گرفته است .نتایج حاصل از این تحقیق نشان داده است که استفاده از FRP منجر به کاهش نیرو الاستیک قاب میگردد و نشان دهنده این موضوع است که می توان در ساختمان های بتنی تقویت شده با فولاد نیز روش مقاوم سازی با FRP را به صورت ورق ها و یا میلگردهای FRP استفاده نمود .
- Cimilli Erkmen S., 2009 - Fakharifar & Sharbatdar به مدلسازی رفتار لرزه ای FRP و بررسی انعطاف پذیری در قاب های بتنی مقاوم شده با FRP پرداخته است که بدین منظور از مدل سازی نرم افزار ANSYS و VecTor2 استفاده شده است ، نتایج نشان میدهد که استفاده از هر دو نرم افزار نتایج نسبتا قابل قبولی را ارائه میدهد . - Zafar, A., & Andrawes, B. 2015 - در سال2014 با توجه به اینکه تعداد قابل توجهی از مطالعات بر رفتار تقویت مفاصل تیر به ستون بتن مجهز با استفاده از FRP صورت پذیرفته ، تحقیقات محدودی در زمینه رفتار کلی لرزه ای قاب صورت گرفته است .
آقای Bedon مطالعات تجربی و عددی در مورد قاب هشت طبقه مجهز به FRP را که با استفاده از روش دینامیک غیرخطی جهت پیش بینی عملکرد لرزه ای قاب و ضریب رفتار می باشد را مورد بررسی قرار داده است که نتایج حاصله نشان می دهد مقاوم سازی با FRP موثرتر از سایر روش های مقاوم سازی نظیر OMRFs می باشد . - Bedon , C. 2016 - - Zafar, A., & Andrawes, B. 2015 - به بررسی قاب های خمشی تقویت شده با FRP تحت بارگذاری زلزله پرداخته است و اشاره داشته اند که تغییر شکل پلاستیک قاب ها تحت بارگذاری زلزله منجر به آسیب پذیری سازه های بتنی مسلح شده است و استفاده از SMA-FRP منجر به کاهش اتلاف انرژی در این نوع قاب ها می گردد.
- Bedon, C. 2016 - به مروری بر روی استفاده از کامپوزیت های FRP و پوشش های ساختمانی پرداخته است که در این تحقیق به بررسی روش های نوین بکارگیری از FRP در ساختمان های بتنی و فولادی پرداخته می شود . در این پژوهش به بررسی رفتار دینامیکی غیرخطی قابهای خمشی بتن مسلح تقویت شده با FRP پرداخته خواهد شد ، بدین منظور ابتدا به ارایه یک مدل نرم افزاری مناسب برای شبیه سازی بتن تقویت شده با FRP پرداخته خواهد شد.
بدین منظور از نرم افزار OpenSees جهت تحلیل غیرخطی و مدلسازی FRP استفاده شده است و سپس بر اساس تحقیقات تجربی و عددی در مقالات پیشین خصوصیات بتن مصلح ،FRP و فولاد انتخاب شده و ساختمان های با تعداد طبقات مختلف - ساختمان های 4 و8 و 12 طبقه - که بر اساس آیین نامه های قدیمی طراحی و یا به دلایلی همچون تغییر کاربری و یا تغییر سطح لرزه خیزی منطقه، نیاز به تقویت دارند بررسی شده و نقاط ضعف و مستعد خرابی شناسایی میشوند . در نهایت به بررسی رفتار غیرخطی و چگونگی تشکیل مفصلهای پلاستیک در قاب های تقویتشده پرداخته می شود .درخاتمه عملکرد سازههای تقویتشده و تقویتنشده با یکدیگر مقایسه شده و میزان کارایی FRP در تقویت سازهها ارزیابی میشود.
-2 روش حل
1-2 معرفی ساختمان های مورد مطالعه
ساختمان قاب خمشی بتن آرمه با تعداد طبقات 4 و 8 و 12 طبقه برای انجام این پژوهش در نظر گرفته شده است. طراحی اولیه این ساختمان با استفاده از نرم افزار - Wilson, E. L., Hollings, J. P., & Dovey, H. H 1979 - ETABS انجام می پذیرد. بارگذاری و تحلیل بر اساس استاندارد - 2800ویرایش چهارم - و طراحی بر اساس آیین نامه - American Concrete ACI 318-05 Institute J 2004 - . می باشد.برای ساختمان مورد نظر مشخصات اعضای قاب که شامل ابعاد تیر ها ، ستون ها و قطر میلگردها می باشد توسط نرم افزار ETABS بارگذاری مطابق با آئین نامه 4 ، 2800 انجام شده است و پس از مشخص شدن مشخصات سازه ای ساختمان ها همچنین بارگذاری بر روی آن ، پلان مورد نظر با خصوصیات ابعادی و سازه ای مصالح با بارگذاری های مشخص شده وارد نرم افزارOpenSees شده است و بدین صورت پلان ساختمان و شتاب نگاشت های گزینش شده معرفی می شود.
2-2 مدل سازی
1-2-2 مشخصات فولاد - بتن مورد استفاده
برای مدل نمودن اجزا در ناحیه غیرخطی، اتصال تمام اعضای سازه بتنی شامل تیرها، ستونها و نقاط طبقه پایه بصورت گیردار در نظر گرفته میشوند، مصالح مورد استفاده از مدل uniaxialMaterial انتخاب گردیده است که قادر به لحاظ نمودن اندرکنش میان نیرویمحوری و ممانخمشی با توانایی ایجاد رابطه تنش-کرنش یک بعدی میباشد. مدل مصالح بتنی از نوع Concrete01 و مدل مصالح فولادی از نوع Steel02 در نرمافزار OpenSees معرفی گردیده است . خصوصیات مصالح بتن و فولاد با رفتار غیرخطی بصورت شماتیک بهترتیب در شکلهای 2 و 3 نشان داده شده است. همانطورکه در این شکل ها مشاهده میشود اثرات بتن قسمتهای محصور شده و غیر محصور شده از تیر و ستونهای بتنی در خصوصیات بتن تعریف شده است.
المانهای تیر، ستون و مهاربندها با المان NonlinearBeamColumn مدل شده اند و به پنج مقطع تقسیم میشوند و نقاط انتگرال گیری راستای المانها مبتنی بر قانون Gauss-Lobatto quadrature میباشد. تمام مقاطع با Fiber مدل میشوند ، یعنی نرمافزار با دریافت مشخصات سطح مقطع خود منحنی لنگر- انحناء را محاسبه می نماید ، در این روش نیازی نمیباشد که برای تعریف رفتار غیرخطی از طریق بکارگیری مفاصل با خواص غیرخطی استفاده گردد - شکل . - 4
