بخشی از مقاله
چکیده
جلوگیري از فروریزش سازهها یکی از مبانی طراحیهاي لرزهاي متداول است. اغلب سازهها پس از رخداد زلزله دچار تغییرمکان نسبی ماندگار شده و بهرهبرداري از ساختمان، ناممکن و در مواردي بازسازي، هزینههاي سنگینی را طلب میکند. در طول دو دهه گذشته، محققین سازه و زلزله، سیستمهاي لرزهاي جدیدي را معرفی کردهاند که به سیستمهاي مرکزگرا معروفند و علاوه بر قابلیت استهلاك انرژي و کاهش خسارت به سازه، تغییرشکلهاي ماندگار کمتري به سازه تحمیل میکنند. افزودن سیستم مرکزگرا به دیوار برشی پیشساخته، حرکت گهوارهاي آن را افزایش داده و تغییرمکان نسبی ماندگار را در بالاترین تراز دیوار کاهش میدهد.
در این مقاله یک نمونه آزمایشگاهی دیوار برشی بتن مسلح پیشساخته ترکیبی با تمام جزئیات در نرمافزار اجزاي محدود مدلسازي شده و پس از انجام تحلیل غیرخطی عددي، و حساسیت سنجی مدل عددي به متغیرهاي خسارت-خمیري بتن، پاسخ آن در برابر بارهاي ثقلی و جانبی ناشی از زلزله مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان میدهد که نحوه مدلسازي در تطبیق با فیزیک نمونهي آزمایشگاهی به خوبی انجام شده است. در ضمن تأثیر عواملی نظیر تغییر محل اعمال بار ثقلی، مقدار تنش پیشتنیدگی اولیه و خروج از مرکزیت کابلها بر منحنی ظرفیت دیوار برشی ترکیبی، مورد بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
دیوار برشی پیشساخته ترکیبی از پانلهاي مستطیلی پیشساخته تشکیل شده که به تعداد پانلهاي مورد استفاده داراي درز افقی میباشد. در اجرا بین این درزها با ملات خاصی پر میشود. واژه ترکیبی - Hybrid - به این دلیل به کار میرود که در این سیستمها، از ترکیب میلگردهاي فولادي و کابلهاي پیشتنیده نچسبیده با مقاومت بالا استفاده میشود. کابلهاي پیشتنیدگی در داخل غلافهایی که از قبل در دیوار تعبیه شده، قرار میگیرند به نحوي که کابل هیچگونه چسبندگی و تماسی با بتن ندارد مگر در ناحیه مهاري که با تمهیدات ویژهاي مهار میشود. بعد از اعمال بارجانبی تا یک حد مشخص، اولین مود جابجایی در این دیوارها، بازشدگی درز افقی موجود بین پانل پایه و فونداسیون است. به محض باربرداري نیروي پیشتنیدگی موجود در کابلها به علاوه نیروي ثقلی، نقش نیروي بازگرداننده را داشته و دیوار را به موقعیت اولیهاش باز میگردانند.
جزئیات نمونهي آزمایشگاهی مورد بررسی
نمونه آزمایشگاهی شامل دو پانل پیشساخته است. پانل پایه - زیرین - نمایندهي طبقهي اول و پانل بالایی نماینده طبقات 2 تا 4 میباشد. پانلهاي پیشساخته در درون خود یک شبکه فولادي شامل میلگردهاي افقی و قائم به قطر 9/5 میلیمتر میباشند. فونداسیون نمونه آزمایشگاهی به عنوان یک مجموعه صلب شامل یک قسمت میانی و دو بلوك انتهایی است . با توجه به ضریب مقیاس مورد استفاده که 0/4 بوده است مشخصات هندسی نمونه آزمایشگاهی که براي مدلسازي عددي 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 روي فونداسیون، طول، ارتفاع و ضخامت تیر میانی فونداسیون به ترتیب: 350، 110 و60 سانتیمتر، طول، ارتفاع و ضخامت بلوك انتهایی فونداسیون به ترتیب: 150، 140 و70 سانتیمتر میباشد. بار ثقلی وارد بر دیوار که شامل وزن خود دیوار و بار سرویس وارد بر آن میباشد 361/2 کیلونیوتن است که از طریق یک کابل پیشتنیده که در مرکز دیوار قرار میگیرد به نمونه اعمال شده است. با توجه به اینکه در دو انتهاي پانل پایه، نیروي فشاري زیادي وجود دارد براي جلوگیري از خردشدگی، بتن این نواحی باید محصورگردد.
طول ناحیهاي که بتن آن محصور میشود 406/4، فاصله خاموتها در راستاي ارتفاع دیوار76/2 و فاصله اولین خاموت از کف پانل پایه 19/05 میلیمتر است. براي جلوگیري از بازشدگی درزي که بین پانل پایه و پانل بالایی وجود دارد، از میلگردهاي فولادي به قطر 19/1 میلیمتر استفاده شده است که خروج از مرکزیت این میلگردها نسبت به مرکز دیوار 1117/6 میلیمتر میباشد. این میلگردها طوري طراحی میشوند که الاستیک باقی بمانند و براي جلوگیري از گسیختگی ناشی از خستگی داراي یک طول کوچک نچسبیده به اندازهي 76/2 میلیمتر میباشند.
کابلهاي پیشتنیدگی که وظیفه کاهش تغییرشکلهاي پسماند وارد بر نمونه را بر عهده دارند دو دسته بوده که 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 پیشتنیدگی اولیهي این کابلها 0/ 5 f pu است. میلگردهاي مستهلککننده انرژي شامل 4 میلگرد فولادي به قطر 19/1 میلیمتر میباشد که با خروج از مرکزیت 88/9 و 190/5 میلیمتر نسبت به مرکز دیوار قرار گرفتهاند و در این میلگردها نیز در طولی به اندازه 381 میلیمتر با استفاده از یک ورق نازك پلاستیکی از تماس میلگرد با بتن جلوگیري شده است. مشخصات مکانیکی کلیه مصالح بکار رفته در جدول 1 آورده شده است.
مدلسازي عددي دیوار برشی مرکزگرا
شبیهسازي نمونهها با استفاده از روش اجزاي محدود غیرخطی به وسیلهي نرمافزار ABAQUS صورت پذیرفته است. مدلسازي کابلها و کلیه میلگردها، با استفاده از المان خرپایی دو گرهی با مرتبهي درونیابی خطی انجام شده و در مدل سازي بتن از المانهاي آجري هشت گرهی با مرتبهي درونیابی خطی استفاده شد. براي مدلسازي ناحیه غیرخطی رفتار بتن از مدل خسارت- خمیري استفاده شد. در تعیین پارامترهاي مدل خسارت-خمیري از مقادیر منطقی استفاده شده و تأثیر تغییر این پارامترها حساسیت سنجی شد. معیار پلاستیسیته مورد استفاده براي فولاد، معیار فون مایسز است که براي تعریف آن منحنی تنش-کرنش یک بعدي فولاد به صورت یک تابع جدولی به نرمافزار معرفی میگردد. براي انتگرالگیري، از انتگرالگیري کاهشیافته استفاده شده است.
براي شبیهسازي نیروي پیشتنیدگی موجود در کابلها یک تنش اولیه متناسب با نیروي پیشتنیدگی مورد نیاز - - 0/ 54f pu در راستاي محوري کابلها در آنها ایجاد گردید. تأثیر افتهاي کوتاه مدت و بلند مدت باید لحاظ گردد. در مدلسازي، کابلهاي پیشتنیده فقط در دو نقطه انتهایی مهار شدند . با استفاده از قید Tie درجه آزادي نقاط انتهایی کابل به درجات آزادي ورق فولادي و از طرف دیگر خود این ورقهاي فولادي نیز در بالا به پانل پیشساختهي بالایی و در پایین به تیر میانی فونداسیون بسته شد. براي مدلسازي اندرکنش بتن و همه آرماتورهاي موجود در نمونه از قید Embedded region استفاده شده است . با استفاده از این قید درجات آزادي انتقالی میلگردها حذف شده و مقید به مقدار حاصل از درونیابی درجات آزادي المان میزبان - بتن - میگردد.
براي مدلسازي طول نچسبیده در میلگردهاي مستهلککننده انرژي این طور عمل شد که طول کل میلگرد را به سه قسمت تقسیم کرده و براي دو قسمتی که با بتن تماس داشت قید Embedded region لحاظ گردید و براي قسمت میانی که تماس آن با بتن با یک پوشش پلاستیکی گرفته شده، قید خاصی در نظر گرفته نشد. براي رفتار تماسی موجود بین فونداسیون و پانل پایه و به طور مشابه پانل پایه و پانل بالا باید رفتار مماسی و عمود بر سطح به صورت جداگانه تعریف شوند. براي رفتار عمود بر سطح از قید Hard Contact استفاده شد. با استفاده از این قید دو سطح نمیتوانند در یکدیگر نفوذ کنند و در صورت اعمال نیروي کششی دو سطح میتوانند از یکدیگر جدا شوند. براي رفتار مماسی از گزینه Penalty و تعریف ضریب اصطکاك موجود استفاده گردید. ضریب اصطکاك براي تماس بین فونداسیون و پانل پایه 0/5 و براي تماس بین پانل پایه و پانل بالایی 0/6 در نظر گرفته شد.
پیشتنیدگی
پیشتنیدگی نمونه با ایجاد یک تنش اولیه در کابلها و انتقال این تنش از طریق ورقهاي فولادي به بتن انجام شد. در شکل - 2 - توزیع تنش فشاري ناشی از پیشتنیدگی در راستاي ارتفاع دیوار نمایش داده شده است. مطابق انتظار این توزیع نسبت به محور گذرنده از مرکز دیوار تقارن داشته و در نواحی نزدیک به محل انتقال نیروي پیشتنیدگی، تنش فشاري بیشتري - در حدود - 9Mpa در المانهاي بتنی ایجاد شده است که با فاصله گرفتن از این نواحی توزیع تنشها یکنواخت شده است.
تحلیل حساسیت
براي صحتسنجی نتایج حاصل از مدلسازي عددي نمونههاي آزمایشگاهی لازم است متغیرهاي خسارت-خمیري مربوط به بتن به درستی تعیین و بکار برده شوند. براي اینکار صحت متغیرهاي مهم مانند زاویه اتساع، خروج از مرکزیت، متغیر سطح تسلیم و نسبت مقاومت فشاري دو محوري به مقاومت فشاري تک محوري کنترل شد. تأثیر این متغیرها به ترتیب با مقادیر 30 درجه، 0/1، 0/667 و 1/16 انطباق بسیار خوبی با منحنی پوش نمونه آزمایشگاهی داشته است که در شکل - 3 - نشان داده شده است.
