بخشی از مقاله
خلاصه
ساختمانهای بنایی بسیاری از ساختمانهای موجود در جهان را تشکیل می دهند. در جهت بهبود رفتار سازه های بنایی استفاده از کلاف افقی و عمودی در مناطق مختلف امری متداول است. اما زلزلههای اخیر مانند زلزله بم کرمان و اهر آذربایجان شرقی نشان از آسیب پذیری بالای ساختمانهای بنایی کلافدار است که می توان دلیل آن را، ضعف اجرایی و عدم رعایت ضوابط مهندسی دقیق در طراحی میباشد. این موضوع نشان دهنده اهمیت توسعه روش های ارزیابی این گونه از ساختمانها می باشد.
در این مقاله ابتدا به اعتبارسنجی نتایج مدل های عددی با نتایج آزمایشگاهی مربوط به دیوارهای بنایی پرداخته شده و سپس با ساخت مدل های عددی و بررسی و انجام مطالعات پارامتریک بر روی دیوارهای آجری محصور شده با کلاف های بتنی به بررسی تاثیر وجود کلاف بتنی در دیوارهای بنایی و وجود بازشو در دیوارهای بنایی کلافدار پرداخته خواهد شد. قابل ذکر است، جهت انجام مطالعات عددی از نرم افزار اجزا محدود سه بعدی COM3 توسعه داده شده در دانشگاه توکیو استفاده خواهد شد. نتایج نشان از تاثیر قابل توجه کلاف در افزایش ظرفیت جانبی و شکلپذیری دیوارهای آجری دارد. در نمونه های بازشو دار به علت ایجاد بازشو ظرفیت نهایی نمونه و سختی اولیه کاهش مییابد.
-1 مقدمه
ساختمان های بنایی کلافدار در حالت با و بدون بازشو طیف گسترده ای از ساختمان های موجود در کشور از جمله ساختمانهای با اهمیت بالا همچون مدارس و بیمارستان ها را در بر می گیرند. اما به دلیل پیچیدگی در رفتار و مدل-سازی آنها بسیاری از سازه های موجود و حتی در حال ساخت دارای ضوابط مهندسی دقیقی در طراحی نمیباشند. در جهت بهبود رفتار سازه های بنایی استفاده از کلاف افقی و عمودی در مناطق مختلف جهان مانند جنوب مکزیک، مرکز آمریکا، شرق و جنوب آسیا، و جنوب شرقی اروپا امری متداول است.
[1] اما زلزلههای اخیر مانند زلزله بم کرمان[2] و اهر آذربایجان شرقی نشان از آسیب پذیری بالای ساختمانهای بنایی کلافدار است که می توان دلیل آن را، ضعف اجرایی در ساخت این ساختمان ها عنوان کرد. اما یکی از مهمترین مشکلات این است که تحقیقات عددی و آزمایشگاهی در جهت بررسی رفتار دیوارهای کلافدار با و بدون بازشو موجود در کشور محدود میباشد. در ادامه خلاصه ای از تحقیقات آزمایشگاهی و تحلیلی بر روی دیوارهای بنایی با و بدون کلاف و با و بدون بازشو آورده شده است. در سال 1992، Kato و همکارانش به منظور بررسی تاثیر درصد میلگرد طولی و عرضی کلاف های قائم در دیوارهای بنایی کلاف بندی شده، تعداد چهار نمونه دیوار آجری را مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار دادند.
نتایج این آزمایشات نشان داد که مقدار میلگرد طولی کافی در کلاف عمودی باعث افزایش ظرفیت تحمل بار و میلگردهای عرضی کافی در کلاف های عمودی باعث محصور شدگی و جلوگیری از شکست ترد در دیوارهای آجری کلاف دار غیر مسلح می شوند.[3] در سال 2000، یوشی مورا و همکارانش به منظور بررسی تاثیر میلگردهای افقی و قائم در رفتار لرزهای دیوارهای بنایی کلافدار 18 نمونه دیوار بنایی با یا بدون میلگرد افقی و قائم را تحت بار ثقلی ثابت و بار جانبی تناوبی مورد آزمایش قرار دادند. نتایج این آزمایشات نشان داد، که استفاده از میلگردهای تسلیح در هر دو جهت افقی و قائم در داخل دیوار کلافدار با افزایش شکل پذیری و مقاومت جانبی، باعث بهبود عملکرد دیوار میشود.
[4] در سال Castilla 2004 و Marinilli با آزمایش چهار دیوار آجری کلاف دار به بررسی تاثیر وجود کلافهای میانی و نحوه قرارگیری آن پرداختند. در این تحقیق نشان داده شد، به کار بردن کلافهای میانی باعث افزایش شکل پذیری و سختی اولیه در دیوارهای آجری کلافدار میشوند. همچنین وجود کلافهای میانی، با توزیع ترک خوردگی بهتر در دیوارهای آجری باعث عملکرد بهتر و افزایش مقاومت میشوند .[5] در سال 2004،Yañez و همکارانش به منظور بررسی تاثیر وجود بازشو در رفتار دیوارهای بنایی کلافدار، هشت نمونه دیوار با بلوک های سیمانی و هشت نمونه با آجرهای رسی توخالی را آزمایش کردند.
نتایج آزمایشات نشان داد که حتی با وجود بازشوهای بزرگ این دسته از دیوارها ظرفیت شکل پذیری بالایی دارند و سختی دیوارهای با 11 درصد بازشو تقریبا نزدیک به دیوارها بدون بازشو، و میزان کاهش سختی در دیوارها با افزایش اندازه بازشو کاهش مییابد - مخصوصا در دیوارهای با بلوک بتنی - . همچنین مشخص گردید که برای دیوارهای با بازشو زیاد بیشترین کاهش مقاومت برشی در میزان تغییر مکان بزرگتر از 4 درصد رخ میدهد. و نیز اندازه بازشو و نوع واحدهای بنایی منحنی رفتاری آنها را کنترل میکند .[6] در سال 1388 خان محمدی و همکارنش به منظور ارزیابی دیوارهای آجری کلاف بندی شده، دو نمونه دیوار تقویت شده با کلاف بتنی با نسبت ابعادی متفاوت، تحت بارگذاری رفت و برگشتی را آزمایش کردند.
این محققان نتیجه گرفتند استفاده از کلاف در دیوارهای آجری، باعث بهبود چشمگیر شکلپذیری دیوارهای آجری شده است، در حالیکه بر مقاومت نهایی و سختی حاصل در نمونههای کلافبندی شده تاثیر قابل توجهی ندارند. همچنین افزودن کلاف به دیوارهای مرجع باعث تغییر در مود رفتاری دیوار مرجع شده است .[7] در سال Hussein Okail 2014 و همکاران تحقیقات عددی و آزمایشگاهی بر روی دیوارهای بنایی کلافدار با و بدون بازشو - درب و پنجره - انجام دادند.
نحوه بارگذاری نمونههای آزمایشگاهی به صورت بارهای ثقلی و استاتیکی جانبی میباشد. نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که افزایش مقاومت واحد بنایی باعث افزایش مقاومت و افزایش درصد میلگردهای کلاف قائم بیشترین اثر را در افزایش شکل پذیری و مقاومت نهایی در دیوارهای بنایی کلافدار با و بدون بازشو دارد. همچنین با افزایش ابعاد بازشو ظرفیت نهایی و شکلپذیری کاهش می یابد و ایجاد کلاف های قائم در اطراف این بازشوها باعث بهبود رفتار این دیوارها میشود.[1] هدف از این گزارش بررسی عددی جهت ارزیابی تغییرات رفتاری و نحوه گسترش ترک در دیوار آجری و تفاوت آن با دیوار آجری کلاف دار با و بدون بازشو با استفاده از نرم افزار المان محدودی [8] COM3میباشد. لازم به ذکر است که در ساخت مدلهای عددی سعی شده است مشخصات مصالح و ابعاد مدل های عددی در نزدیکترین حالت با دیوارهای آجری کلافدار موجود در کشور باشد.
-2 ویژگیهای عمومی ساختمانهای بنائی کلافدار
به طور کلی ساختمانهای آجری کلافدار از دیوارهای آجری محصورشده در کلافهای بتن مسلح افقی و قائم تشکیل شدهاند. کلافهای قائم تقریباً مانند ستونهای بتن مسلح ولی با سطح مقطع بسیار کمتر و کلافهای افقی شبیه به تیرهای بتن مسلح میباشند، در حالیکه از آنها انتظار رفتار تیرهای بتنی نمیرود. این کلافها اغلب پس از اجرای دیوارها، در پیرامون دیوار تعبیه میشوند. دیوارهای بنائی به طور خاص، بار ثقلی را از سقف به فونداسیون منتقل خواهند کرد. این دیوارها در برابر بار زلزله به عنوان المانهای باربر جانبی در رفتار داخل صفحه عمل خواهند کرد، به همین منظور لازم است، این دیوارها با کلافها محصور شوند.
المانهای محصور کننده در بهبود شرایط پایداری و پیوستگی دیوارهای بنائی در رفتار داخل و خارج از صفحه در برابر بارهای زلزله، مفید خواهند بود. این المانها از بروز خرابیهای ترد در دیوارها و نیز ایجاد ناپیوستگی کامل در سیستم تحت اثر زلزلههای بزرگ، جلوگیری خواهند کرد. حضور المانهای محصور کننده قائم، در بالا بردن پایداری کلی سیستم در برابر بارهای ثقلی نیز نقش خواهد داشت .[9] کلاف پای ستونی بارها را از دیوارها به فونداسیون منتقل میسازد. این کلاف همچنین دیوارهای متصل به کف را از نشست در خاک نرم و یا نفوذ رطوبت به دیوار و ساختمان محافظت مینماید. فونداسیون سازه نیز بارها را از سازه گرفته و به خاک محل اجرای سازه منتقل میسازد.
-3 مکانیزمهای خرابی
مکانیزمهای خرابی در ساختمانهای بنائی کلافدار به راستای زلزله وابسته است. برای این ساختمانها، دو سناریو برای خرابیهای ناشی از زلزله وجود دارد:
-1-3 خرابیهای داخل صفحه
یک ساختمان بنائی کلافدار تحت اثر بار جانبی داخل صفحه، ممکن است خرابی برشی یا خمشی را تجربه کند. مکانیزم خرابی برشی با توزیع ترکهای قطری در دیوار شناخته میشود. خرابی در این مکانیزم به واسطه از بین رفتن تنش پیوستگی در سطح ملات و آجر یا بلوک بنائی میباشد، که به مکانیزم برش اصطکاکی معروف است، و یا به دلیل بروز ترکهای کششی در آجر یا بلوک بنائی است. به طور کلی دیوار بنائی در برابر زلزله مقاومت مینماید و کلافهای قائم، نقش چندان برجستهای در تحمل نیروهای جانبی زلزله نخواهند داشت.
اگرچه در شرایطی که ترکخوردگی در دیوار رخ دهد، دیوار به کلافهای قائم فشار میآورد. در این شرایط، میلگردهای قائم در کلافها تنشهای کششی و فشاری را متحمل میشوند. در مود گسیختگی برشی به علت بار زیاد، خرابی در کلافهای قائم در تراز بار نهائی در نواحی بالا و پائین دیوار محصورشده متمرکز میشود. که باعث خوردشدگی بتن و تسلیم میلگردها در این نواحی می شود. به این نواحی مفاصل پلاستیک گفته میشود - شکل.
