بخشی از مقاله
چکیده
روش مدل خرپایی - Strut and Tie Model - یکی از روش های طراحی سازه های بتن آرمه می باشد که امروزه در طراحی پل های و سازه های بتنی بسیار پر کاربرد می باشد. اساس این روش بر این فرض استوار می باشد که توزیع بار در سازه های بتنی باعث پدید آمدن برخی اعضای کششی و فشاری در سازه می شوند که نواحی فشاری به دلیل بالا بودن مقاومت فشاری بتن نیاز به طراحی ندارد ولی نواحی کششی اعلام کننده نقاط ضعف سازه تحت بارگذاری می باشند و نیاز به طراحی دارند.
بر اساس مدل خرپایی که از سال 2002 میلادی وارد آیین نامه بتن ACI شده است، برخی نواحی در سازه های بتن آرمه که دارای وضعیت توزیع تنش آشفته هستند را می توان با یک مدل خرپایی جایگزین و تحلیل و طراحی نمود. از نظر توزیع تنش در دیوارهای سازه ای به دلیل وجود بازشوها نواحی آشفته تنش اطراف این بازشو ها به وجود می آید که نسب به دیوارهای سازه ای بدون بازشو بسیار محسوس و پیچیده تر می باشد. لذا در این مقاله سعی بر آن شده است که با استفاده از نرم افزار ABAQUS و با الهام گرفتن از نواحی آشفته تنش و کانتور های تنش، دیوار سازه ای با بازشو به طور کامل توسط مدل خرپایی مناسب تحلیل و طراحی شده و بر اساس ظوابط ACI ارائه گردیده است.
-1 مقدمه
درتمامی ساختمان ها برای تحمل بارهای ثقلی وبارهای جانبی باید سیستم های مناسب درنظرگرفته شود ، که انواع مختلفی را در برمی گیرد. برخی ازآنها عبارتند از : دیوارهای باربر بتنی، قابهای خمشی بتنی، قاب خمشی- دیواربرشی و ....
که در آئین نامه ها مورد تصریح قرار گرفته اند. دیوار برشی - دیوار سازه ای - دیواری است که برای مقاومت در برابر اثر توأم تلاش محوری ، تلاش خمشی و تلاش برشی ناشی از بارهای قائم و بار زلزله طراحی می شود. دیوارهای برشی معمولاً بیشترین سهم نیروی برش پایه را تحمل می کنند که باعث افزایش چشمگیر سختی ساختمان و کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصرغیرسازه ای می گردد.
بررسیهای انجام شده از سال 1963 به بعد روی عملکرد این سازهها، هنگام وقوع زلزله، نشان دادهاند که با وجود مشاهده ترکهای مختلف، حتی یک مورد ویرانی یا تلفات جانی در سازههای با دیوار برشی گزارش نشده است. با توجه به بررسیهای انجام شده از سال 1963 به بعد روی عملکرد این سازهها، تأکید بر استفاده از دیوارهای برشی - مخصوصاً در ساختمانهای مسکونی - امری معقول به نظر میرسد و نشان میدهد که ساخت سازههای بدون دیوار برشی در مناطق با زلزلهخیزی شدید یک نوع ریسک محسوب شده که با توجه به عواقب ناگوار آن قابل توصیه نمیباشد.
از مزایای دیوارهای برشی، یکی افزایش چشمگیر سختی ساختمان است به نحوی که بر اثرات ثانویه نقش موثری دارد . این مزیت خود به خود موجب افزایش درجه ایمنی در مقابل شکست یا ریزش ساختمان می شود. همچنین کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصر غیرسازه ای که در اکثر موارد هزینه آنها کمتر از هزینه اعضای سازه ای نیست1]و.[2 گاهی به دلایل معماری شامل در، پنجره و ... دیوار برشی باید به گونه ای ساخته شود که دارای یک باز شو باشد. بنابراین در این مقاله دو مدل برای طراحی دیوار برشی ارائه گردیده است.
-2 معرفی دیوار سازه ای با بازشو
دو دیوار سازه ای با بازشو در این قسمت مدل گردیداند یکی با بار قائم و دیگری با بار قائم و بار جانبی می باشد. ابعاد دیوار سازه ای 3m×3m می باشد و ضخامت دیوار سازه ای 0.4m منظور گردیده است. بار های قائم روی صفحاتی به ابعاد 0.4m×0.4m می باشند و این بار های قائم هم به فاصله 1m از هر طرف قرار دارند . به دلایل شرایط معماری - پنجره، نور گیر و ... - یک بازشو با ابعاد 1m×1m در مرکز این دیوار سازه ای تعبیه شده است. اکنون می خواهیم با استفاده از روش مدل خرپایی STM دو سازه زیر را در این تحقیق به طور کامل مورد مطالعه، بررسی، تحلیل و طراحی قرار دهیم و نتایج حاصل را به طور جدا گانه مورد ارزیابی واقع گردد.
شکل-1 دیوار سازه ای با بازشو تحت بار قائم
شکل-2 دیوار سازه ای با بازشو تحت بار قائم و بار جانبی
-3 معرفی نواحی آشفته تنش و الزامات ACI برای مدل خرپایی
به طور کلی نواحی خاصی در سازه های بتن مسلح تحت تنش وجود دارد. این نواحی به دو دسته نواحیD,B تقسیم می شوند. در نواحی B آشفتگی تنش وجود ندارد و تنش های خمشی عادی وجود دارد ولی در نواحیD آشفتگی تنش از نظر توزیع تنش وجود دارد به عبارت دیگر در این نواحی تمرکز تنش وجود دارد. الزامات ACI برای مدل خرپایی: -1 مدل خرپایی باید دارای تعادل باشد. -2 مقاومت اعضای مدل خرپایی از نیرو های وارده نباید از نیرو های وارده کمتر باشد . - 3 در تعیین هندسه خرپا باید ابعاد اعضا و گره ها معلوم شود. - 4 اعضای کششی می توانند بدون ایجاد گره اعضای قشاری را قطع کنند ولی اعضای فشاری در محل گره ها تلاقی دارند. -5 حداقل زاویه بین عضو کششی و فشاری در گره مشترک 25 درجه می باشد.
-4 نمایش کانتور های تنش در نرم افزار ABAQUS
برای طرح یک مدل خرپایی مناسب نیاز به درک درست و روشنی از مفهوم آشفتگی تنش در سازه های تحت اثر نیرو داریم. بنابراین با مدل کردن سازه های دیوار سازه ای با بازشو، یک بار تحت بار قائم و یک بار تحت بار جانبی و یک بار هم تحت بارهای قائم و جانبی در نرم افزار آباکوس و رسم کانتور های تنش و رسم راستای تنش های وارده در هر المان، مدلی درست از نظر نواحی آشفته تنش ارائه شده است. آنچه که بدیهی و مهم به نظر می رسد این است که، به دلیل وجود تمرکز تنش در اطراف بازشو و به خصوص در چهار گوشه بازشو، می توان نواحی مهم آشفتگی تنش را در این سازه اطراف بازشوها معرفی کرد.
اکنون با این دیدگاه و دانستن محل دقیق نواحی آشفتگی تنش می توان مدل خرپایی مناسبی برای این سازه تحت بارگذاری های مختلف ارائه کرد. در حالتی که سازه هم تحت بار قائم و هم تحت بار جانبی قرار دارد در واقع اثر توام دو حالت اول و دوم است یعنی یک بار فقط تحت بار قائم و یک بار هم فقط تحت بار جانبی قرار دارد. بنابراین تمامی حالات مذکور جهت دانستن محل دقیق نواحی آشفتگی تنش در نرم افزار آباکوس مدل شده و آنالیز گردیده اند.
در مدل اول که تنها تحت اثر بار قائم قرار دارد بالا و پایین باز شو ها دارای جهت تنش کششی است و در سمت راست و چپ دارای تنش فشاری است بنابراین با الهام گرفتن از این موضوع می توان یک مدل خرپایی مناسب ارائه کرد . در مدل دو که تنها تحت اثر بار جانبی است سمت چپ دیوار سازه ای تحت اثر تنش های کششی قراردارد و در سمت تحت اثر تنش های فشاری است و در اطراف باز شو در دوگوشه تحت فشار و در دو گوشه تحت کشش قرار گرفته است
شکل-3 نمایش کانتور تنش جهت تشخیص ناحیه آشفته تنش
شکل-4 نمایش راستای تنش جهت تشخیص ناحیه آشفته تنش
