بخشی از مقاله
تیر هم بند بتنی در دیوار برشی کوپله به عنوان خط اول دفاع بوده و همچون فیوز برشی عمل مینماید و اولین مفصل پلاستیک در آن تشکیل می-شود، بنابراین رفتار مناسب آن جهت بهبود عملکرد سازه در برابر زلزله دارای اهمیت زیادی میباشد. با توجه به پیچیده و زمانبر بودن ساخت و اجرای آرماتورهای قطری در تیرهای همبند بتنی، تیرهای همبند فولادی جایگزین مناسبی برای این تیرها میباشند.
بر همین اساس در این مقاله دو سازه ی 12 و 22 طبقه با سیستم باربر جانبی دوگانه ی دیوار برشی کوپله با تیر همبند فولادی و قاب خمشی مدلسازی و طراحی خواهد گردید و با انجام تحلیل های استاتیکی خطی و دینامیکی غیر خطی رفتار لرزهای دیوار برشی کوپله و تیرهای همبند فولادی در دو سازه ارزیابی خواهد شد.
طبق نتایج تحلیل خطی و تحلیل غیر خطی تاریخچه زمانی در هر دو سازهی 12 و 22 طبقه، جهت لنگر دیوارهای برشی در ارتفاع سازه عوض شده - تشکیل مفصل در ارتفاع سازه - ، که باعث اتلاف انرژی زیادی میگردد. هم چنین در تیرهای همبند فولادی میزان تقاضای دوران بسیار کمتر از میزان ظرفیت دورانی پلاستیک میباشد که این امر میتواند بهدلیل سختی و مقاومت بسیار زیاد دیوارهای برشی بوده که دوران کمی را به تیرهای همبند منتقل میسازند.
کلمات کلیدی: دیوار برشی کوپله، تیر همبند مرکب، رفتار لرزهای سازه، ضریب افزایش مقاومت
1. مقدمه
دیوار برشی کوپله جزو سیستم های باربر جانبی محسوب میشوند و عملکرد بسیار مناسبی در برابر بارهای جانبی ناشی از زلزله، باد و ... دارند. سیستم دیوار برشی کوپله در واقع هسته ای است که در اغلب موارد در مرکز پلان ساختمان های با ارتفاع متوسط یا بلند 10 - طبقه به بالا - قرار میگیرد.
برای ایجاد سیستم دیوار برشی کوپله میتوان دیوارهای برشی مجزا را به وسیله ی تیرهای همبند در ناحیه ی بازشو بین دیوارها و در تراز کف طبقات به هم متصل ساخت. سیستم دیوار برشی کوپله در صورت مرتب بودن الگوی قرارگیری بازشوهای بین دیوارهای برشی در ارتفاع و نیز طراحی صحیح تیرهای همبند میتوان مقاومت و سختی کافی را در برابر بارهای جانبی فراهم آورد.
در دیوارهای برشی مجزا، لنگر واژگونی سازه توسط لنگر خمشی ایجاد شده در پای دیوارها و جذب انرژی ورودی زلزله با ایجاد مفصل خمشی در پای دیوارها - دیوارهای با نسبت ارتفاع به طول زیاد - و یا مفاصل برشی در دیوارها در بین طبقات - دیوارهای با نسبت ارتفاع به طول کم - صورت میگیرد. زمانی که سیستم دیوار برشی کوپله تحت بار جانبی قرار میگیرد، در دو سر تیرهای همبند نیروهای برشی در خلاف جهت یکدیگر پدیدار میگردد.
با به هم بستن دیوارهای برشی توسط تیرهای همبند، درصد زیادی از کل لنگر واژگونی سازه توسط زوج نیروی حاصل از نیروهای محوری کششی - فشاری - ناشی از تیرهای همبند - دیوارها تحمل خواهد شد که در مقایسه با حالت دیوارهای برشی مجزا مکانیسم مناسبتری میباشد.
در صورت تناسببندی صحیح تیرهای همبند در کل ارتفاع سیستم دیوار برشی کوپله، این تیرها با تشکیل مفاصل برشی انرژی ورودی زلزله را جذب مینمایند 1]، 2 و .[3 در صورتی که جذب انرژی تیر همبند در طول ارتفاع سازه به درستی صورت گیرد، اتلاف انرژی ورودی زلزله در تمام ارتفاع سازه صورت خواهد گرفت. این امر در مقایسه با دیوارهای مجزا که در آنها اتلاف انرژی به صورت متمرکز در پای دیوار صورت میپذیرد بسیار مطلوب میباشد 4]، 5 و .[6
در گذشته چندین نوع از تیرهای همبند توسط محققین مورد بررسی قرار گرفته است. در میان انواع تیر همبند تست شده، تیر همبند فولادی، فولادی - بتنی و بتنی با آرماتورگذاری قطری بیش از سایر انواع تیر مورد تحقیق قرار گرفته است. تیر همبند بتنی با آرماتورگذاری قطری در واقع تیری بتنی است که بصورت ویژه جزییاتبندی شده است.
این تیر از بتن محصوری تشکیل یافته که دو گروه از آرماتورهای قطری بصورت متقارن در آن جای گرفته است. هر گروه از آرماتورهای قطری باید حداقل دارای 4 آرماتور گوشه باشند و جهت تامین محصور شدگی بتن قرار گرفته در بین این آرماتورها، باید آرماتورهای عرضی کافی در امتداد آرماتورهای قطری قرار داده شود. آغاز تحقیقات بر روی تیر همبند بتنی با آرماتورگذاری قطری به دههی 1970 میلادی باز میگردد.
پائولی و بینی و بارنی و همکاران در تحقیقاتی جداگانه به این نتیجه دست یافتند که تیر همبند بتنی با آرماتورگذاری قطری در مقایسه با تیرهای همبند بتنی با جزییاتبندی معمولی خصوصیات شکلپذیری و جذب انرژی بسیار مطلوبتری دارد. این تحقیقات همچنین نشان داد که استفاده از هستههای قطری - آرماتورهای قطری و بتن محصور بین آرماتورها - از پدیدهی لغزش تیر همبند در محل اتصال به دیوار برشی جلوگیری میکند 7] و .[8
تیر همبند بتنی با آرماتورگذاری قطری جهت عملکرد مناسب به جزییاتبندی دقیق و تقریبا سختگیرانهای نیازمند است. ضوابط ویژه جهت جزییات بندی تیر همبند بتنی در ناحیه ی اتصال به دیوار برشی و نیز نیاز به آرماتورگذاری متراکم عرضی در امتداد آرماتورهای طولی قطری، اجرای این نوع از تیرهای همبند را با چالش روبرو ساخته است.
اجرای جزییاتبندی آرماتورگذاری در تیر همبند بتنی منجر به طراحی تیرهای همبند بتنی با مقاطع عمیق گردیده است که اجرای آن را در بسیاری از سازهها به دلایل معماری و ... امکانپذیر نمیباشد. به دلیل معایب ذکر شده، تیر همبند فولادی به عنوان جایگزین مناسبی برای تیرهای همبند بتنی مطرح گردید. طراحی تیر همبند فولادی مشابه طراحی تیر همبند در مهاربند واگرا میباشد.
تیر همبند مهاربند واگرا در صورت طراحی صحیح، خصوصیات جذب انرژی مطلوبی را بروز میدهد 9]، 10 و .[11 فلسفه ی کلی طراحی تیر همبند بدین صورت است که تسلیم تیر به صورت برشی باشد و در هنگام تسلیم تیر در حالت برشی، بال های تیر در حالت خطی باقی بمانند. کنترل های لاغری موضعی بال و جان تیر نیز باید در طراحی تیر همبند فولادی لحاظ گردند تا از کمانش این المانها جلوگیری گردد. جهت به تاخیر انداختن لهیدگی جان و نیز کمانش بال تیر همبند، از سخت کنندههای برشی در تیر استفاده میشود.
تحقیقات هریس و همکارانش در اواسط دهه ی 90 میلادی نشان داد که تیرهای همبندی که بر اساس اصول طراحی تیر همبند مهاربند واگرا طراحی میگردند خصوصیات شکلپذیری و جذب انرژی مطلوبی در برابر بارهای رفت و برگشتی نشان میدهند. همچنین به این نتایج دست یافتند که ناحیهی قرارگیری تیر همبند فولادی در درون دیوار باید ظرفیت باربری کافی برای تحمل لنگر و برش ایجاد شده توسط تیر را داشته باشد؛ و به دلیل خرد شدن بتن دیوار در وجه خارجی محل اتصال دیوار برشی و تیر همبند فولادی، کاهش یافتن طول ناحیهی قرارگیری تیر در دیوار باید مورد توجه قرار گیرد .[12]
تحقیقات صورت گرفته توسط پارک و یون بر روی 3 نمونه ی آزمایشگاهی نشان داد که چنانچه تیر همبند فولادی بر اساس تسلیم برشی طراحی گردد، در مقایسه با تیرهای همبند فولادی طراحی شده بر اساس تسلیم خمشی، توانایی جذب انرژی بسیار بیشتر و نیز رفتار هیسترزیس پایدارتری خواهد داشت. در این تحقیقات همچنین نشان داده شد که در صورت وجود آرماتورهای کمکی انتقال و نیز آرماتورهای افقی در ناحیه ی قرارگیری تیر همبند درون دیوار، نقطه ای که تیر همبند فولادی در درون دیوار ثابت میماند، در درون دیوار و به فاصله ی تقریبی یک پنجم یا یک ششم طول قرارگیری تیر در دیوار از وجه خارجی دیوار برشی قرار داد .
ال- طویل و همکاران در تحقیقی به بررسی پارامترهای موثر در رفتار سازهای دیوار برشی کوپله پرداختند. در این تحقیق با انجام تحلیل استاتیکی غیر خطی بر روی سازه، اثرات نسبت همبندی دیوار، در رفتار سازه مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق ال - طویل و همکاران، چهار سازه ی 12 طبقه، و چهار سازه ی 6 طبقه با نسبت همبندی 0، 30، 45 و 60 درصد طراحی نمودند.
در این سازه ها تنها سیستم دیوار برشی همبند و تیرهای همبند در نظر گرفته شد و از قاب فولادی صرفنظر گردید. مدلسازی سازه با استفاده از روش اجزای محدود صورت پذیرفت. در این تحقیق اثرات نسبتهای مختلف همبندی بر روی رفتار سازه ارائه گردید .[14] فورتنی تحقیق دیگری برای مقایسه ی رفتار سازهای دیوار برشی کوپله با تیر همبند فولادی و دیوار برشی کوپله با تیر همبند بتنی انجام داد.
هر دو ساختمان 20 طبقه بوده و برای بررسی رفتار آنها از تحلیل تاریخچه زمانی استفاده گردید. در این تحقیق برای تحلیل دینامیکی غیر خطی از قابهای خمشی فولادی صرفنظر و تنها دیوار برشی به عنوان المان باربر جانبی در نظر گرفته شد .[15] در اغلب تحقیقات صورت گرفته در زمینهی رفتار لرزهای دیوار برشی کوپله با تیر همبند فولادی از نقش قاب فولادی صرف نظر شده است.
در این مقاله دو سازهی 12 و 22 طبقه با سیستم باربر جانبی دوگانه ی دیوار برشی کوپله با تیر همبند فولادی و قاب خمشی فولادی مدلسازی و طراحی خواهد گردید و با انجام تحلیل های استاتیکی خطی و دینامیکی غیر خطی - تاریخچه زمانی - رفتار لرزهای دیوار برشی کوپله و تیرهای همبند فولادی در دو سازه ارزیابی خواهد گردید.
2. مدلسازی و طراحی خطی سازه های 12 و 22 طبقه
هر دو سازه ی 12 و 22 طبقه دارای 3 دهانه ی 7/7 متری در جهت X و جهت Y میباشند - پلان با ابعاد کلی 23/1 متر در 23/1 متر - . ارتفاع هر طبقه 3/24 متر بوده و بر این اساس ارتفاع سازه های 12 و 22 طبقه به ترتیب 71/28 متر و 38/88 متر میباشد. در شکل - 1 - پلان سازه ها نمایش داده شده است. در دو سازهی مورد بررسی مقاومت فشاری بتن دیوار برشی برابر با 40 MPa، تنش تسلیم فولاد 235 MPa و تنش تسلیم آرماتورهای خمشی و برشی به ترتیب 400 MPa و 300 MPa میباشد.
پسیستم باربر جانبی سازهها به صورت دوگانه ی دیوار برشی کوپله با تیر همبند فولادی و قاب خمشی فولادی در نظر گرفته شده است. مقدار ضریب رفتار - - R و ضریب اضافه مقاومت - - 0 مطابق پیشنهادهای ASCE 7-05 و FEMA- 450 به ترتیب برابر با 7 و 2/5 میباشد.
جهت مدلسازی و تحلیل خطی دو سازهی 12 و 22 طبقه از نرمافزار ETABS استفاده گردید. جهت در نظر گرفتن اثرات ترک خوردگی در پای دیوار برشی، مطابق آییننامه ی ACI 318-05 سختی خمشی دیوارهای برشی طبقات اول و دوم در ضریب کاهشی 0/35 ضرب گردید. اتصال تیرها و ستونهای قاب فولادی به یکدیگر به صورت خمشی فرض گردید.
در محل اتصال تیرهای قاب خمشی فولادی به دیوار برشی به دلیل نبود شرایط کافی اجرایی جهت حصول گیرداری، فرض شد که اتصال تیرهای قاب فولادی به دیوار به صورت مفصلی میباشد. اتصال تیر همبند فولادی به دیوار برشی بتنی به صورت گیردار فرض گردید. در طراحی های حال حاضر فرض بر آن است که نقطهی گیرداری تیر همبند فولادی در وجه خارجی دیوار قرار دارد
جهت تحلیل و طراحی سازه های 12 و 22 طبقه از روش تحلیل طیفی استفاده میشود. در این روش برش پایهی حاصل از تحلیل طیفی با برش حاصل از روش استاتیکی معادل همپایه میگردد. تیپ خاک محل احداث سازه ها از نوع B فرض شده و سازه از نظر اهیت، سازه با اهمیت متوسط میباشد.
در طراحی سازه ها مقادیر بارهای مرده کف طبقات و بام برابر 7500، بار زنده طبقات 2000 و بار زنده بام برابر 1500 در نظر گرفته شد. طراحی تیر و ستون های قاب خمشی فولادی توسط نرمافزار ETABS و بر اساس استاندارد AISC99 - LRFD صورت پذیرفت. طبق ضوابط آییننامه ای در سازه های با سیستم باربر دوگانه قاب و دیوار، قاب خمشی فولادی باید بدون وجود دیوار برشی قابلیت مقاومت در برابر 25 درصد بار زلزله ی طرح را داشته باشد.
بر این اساس، تحلیل اعضای قاب خمشی فولادی در برابر 25 درصد بار زلزله انجام پذیرفت و مشاهده گردید که نیروهای کنترل کنندهی طراحی اعضای قاب خمشی فولادی، نیروهای وارد بر اعضای قاب در زلزله ی 25 درصد میباشد. در جدول - 1 - تیپبندی تیرهای قاب خمشی فولادی سازه های 12 و 22 طبقه ارائه گردیده است.
