بخشی از مقاله
چکیده
وجود بازشو در سیستم دیوار برشی بتنی باعث کاهش توان سیستم در بارگذاری میشود، لذا در این پژوهش ابتدا با استفاده از نمونه آزمایشگاهی معتبر به صحت سنجی نتایج حاصل از نرمافزار Ansys پرداخته میشود . پس از اطمینان از نحوه مدلسازی و نتایج حاصله با طراحی سازه مورد بررسی و با مدلسازی دیوار برشی بتنی با درصد مختلف بازشو به کل دیوار در نرمافزار المان محدود Ansys و انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی هیسترزیس مطابق پروتکل بارگذاری ATC 24 به بررسی عملکرد رفت و برگشتی سیستم قاب بتنی با دیوار برشی بتنی پرداخته میشود . نتایج حاصله از تحلیل هیسترزیس مدلها نشان از کاهش قدرت سیستم و سختی سکانتی سیستم در استهلاک انرژی در بارگذاری چرخهای دارد .
-1 مقدمه
احداث دیوارهای برشی چه در ساختمانهای بلند و چه متوسط و حتی در ساختمانهای کوتاه موجب میشود که مقاومت ساختمان بهطور قابلتوجهی افزایش یابد و در مقایسه با ساختن قابهای خمشی اقتصادیتر خواهد بود و همچنین بهترین شیوه برای کنترل خیز جانبی ساختمانها میباشد . امروزه بهخوبی میتوان از دیوارهای برشی در کنار قابهای خمشی به نحوی استفاده کرد که رفتار مجموعه سازه نرم ، مقاوم و شکلپذیر باشد .
در غالب موارد دیوارهای برشی قادرند بیشترین سهم نیروی برش پایه را تحمل کنند که موجب افزایش چشمگیر سختی ساختمان و کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصر غیرسازه ای می گردند و همچنین دیوارهای برشی قادرند حتی پس از پذیرش ترکهای زیاد ، بارهای ثقلی ساختمان را تحمل کنند که ستون ها فاقد چنین خاصیتی هستند و در کل چنین عواملی دیوارهای برشی را قابل اطمینان تر از قاب های خمشی ساخته است .
برای مقاومت در برابر بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله تا کنون سیستمهای سازهای مختلفی پیشنهاد و به کارگرفته شده است که میتوان به سیستم قاب خمشی، انواع سیستمهای مهاربندی، دیواربرشی - اعم از بتنی، فولادی و مرکب - و سیستمهای کنترل فعال و غیر فعال، با استفاده از میراگرها اشاره نمود . سختی و مقاومت ، شکل پذیری وبالاخره رفتار مناسب سیستم در هنگام وقوع زلزله ، از مهم ترین پارامترهای انتخاب یک سیستم سازهای میباشد . امروزه یکی از پارامترهایی که در نگرش نوین پژوهشگران به رفتار سازه ها مدنظر قرار گرفته ، مفهوم انرژی در سازه ها می باشد .
انرژی هیسترتیک که پس از رخداد تسلیم و در حلقه های هیسترزیس آن تلف می شود اثر بسیار عمده ای در ایجاد خسارت سازه ای سیستم دارد و مهم ترین جزء معادله انرژی وارده به سازه ها است . لذا کنترل این مقدار انرژی ، می تواند به کنترل رفتار سازه و میزان خسارت آن رهنمون گردد . با توجه به توضیحات فوق بررسی عملکرد لرزهای سیستم دیواربرشی بتنی دارای بازشو از اهمیت بالایی برخوردار است که در این پژوهش به آن میپردازیم.
-2پیشینه پژوهش:
بهطورکلی سه منطقه زلزله خیز در ایران وجود دارد که از آن جمله میتوان به زاگرس ، البرز و ایران مرکزی اشاره نمود . صفحه عربستان از جنوب غربی و هندوستان از شرق و جنوب شرقی و سیبری از شمال شرقی به ایران فشار وارد میکنند و مقاومت ایران در مقابل فشارهای وارده منجر به بروز گسلها و شکستگیهای متعددی شده است و فعالیت این گسلها باعث گردیده که ایران از مناطق مهم زلزلهخیز دنیا محسوب شود .
انرژی ناشی از فشارها در مناطق گسلی ذخیره و پس از رها شدن بهصورت امواج مخرب زلزله موجبات نابودی و تخریب شهرها را فراهم میسازد . زلزلههای ایران بیشتر به خاطر فعالیت همین گسلها است . نتیجه نهایی آنکه چون ناهمواریهای ایران جوان هستند و در قلب آثار آخرین کمربند کوه زایی سیاره زمین - آلپی - واقعشده و در بین پلیتهای تکتونیکی قرارگرفته است ، بنابراین ازنظر زمین ساختی و درنتیجه حرکات لرزهای آرام نگرفته و برای نیل به تعادل ایزوستازی خود هنوز فعال است . [1]
ایران بر روی یکی از کمربندهای زلزله خیز دنیا واقعشده و گسلهای کوچک و بزرگ متعددی هم در آن مشاهده میشود ؛ ازاینرو نسبت به کشورهای مجاور از توان لرزهخیزی بالاتری برخوردار است ؛ بنابراین مکان گزینی شهرها و ساختوسازها باید از دقت بیشتری برخوردار باشد. به همین لحاظ مردم کشور ما بایداولاً زلزله را باور داشته باشند و آن را جدی بگیرند؛ثانیاً آن را بشناسند وثالثاً با مقاومسازی ساختمانها با آن کنار بیایند - همانند مردم ژاپن، ایتالیا و ... - . گسلهای ایران برخی فعال و بعضی هم غیرفعال هستند ، ولی احتمال فعال شدن مجدد این گسلها نیز وجود دارد .
بدیهی است که حرکت این گسلها در آینده هم ادامه خواهد داشت . بنابراین لازم است تا ایجاد شهرها و آبادیها در مسیر حاشیه گسلهای اصلی و فعال ممنوع شود . [2] بر اساس زلزلههای شدید ، خسارتهای قابل ملاحظهای به علت رفتار غیر ارتجاعی سازهها به آنها وارد میشود ، زیرا با توجه به منحنی نیرو تغییرمکان ، سازه بر اثر وقوع زلزلههای شدید پس از گذر از محدوده ارتجاعی ، وارد محدوده غیر ارتجاعی میشود .
در این ناحیه تغییرات مقاومت ناچیز میباشد و تغییر شکلهای خمیری که ارتباط نزدیکتری با خسارت دارند ، ایجاد میشوند . لذا در روش طراحی بر اساس عملکرد ، عملکرد غیرخطی اجزای سازه مورد بررسی قرار میگیرد و تغییر مکان به جای نیرو به عنوان مناسبترین شاخص رفتار ، مطرح میشود . [3] شناخت نسبت به پدیده زلزله روز به روز درحال افزایش است و آییننامههای ساختمانی به واسطه این پیشرفت ها درحال تکامل میباشند .
در سالهای گذشته ، فقط بارهای ثقلی برای مهندسان شناخته شده بود و این بارها بصورت نیرو در محاسبات درنظر گرفته میشدند، این جهتگیری باعث شد که آیین-نامههای اولیه محاسبات لرزهای به سمت درنظر گرفتن نیروهایی بعنوان نیروهای زلزله حرکت کنند ، با این فرض که در طی زلزله یک شتاب از طرف زمین به سازه اعمال میشود که با رسیدن به جرمهای موجود در سازه تولید نیرو کنند و سپس با درنظرگرفتن این نیروها بعنوان نیروهای استاتیکی جانبی و با استفاده از تحلیلهای خطی و به همراه کنترل تغییرمکان سازه ، تحلیل و طراحی انجام میگرفت و به منظور درنظر گرفتن رفتار غیرخطی سازه در هنگام زلزله از ضریب R استفاده میشد.
این روش با اشکالات زیادی روبهرو بود زیرا این ضریب در مواردی خاص با خطای زیادی روبهرو بود و همچنین اگر بتوان با اعمال این ضریب نیروهای لرزهای را نزدیک به واقعیت برآورد کرد ، اما نمیتوان کنترل دقیقی بر رفتار اجزای سازه و همچنین مکانیزمهای خرابی در طول زلزله داشت. مکانیزمهای شکست اجزای سازهای اغلب برحسب تغییرمکان وکرنش تعریف شدهاند و از آنجایی که روشهای مرسوم تحلیل و طراحی بر اساس نیرو هستند این مساله ضعف عمدهای را در برآورد خسارت سازهایجاد میکند.
به عبارتی در محدودهای که سازه بصورت خطی رفتار میکند یعنی مدلهای رفتاری نیرو تغییرمکان برای سازه خطی است، میتوان بدون هیچ مشکلی از معیار نیرو برای کنترل اعضا استفاده کرد ولی از آنجایی که اغلب سازهها در هنگام زلزله وارد مرحله غیرخطی میشوند ، دیگر مدلهای رفتاری آنها از روابط خطی نیرو تغییرمکان پیروی نمیکند ، بنابراین معیار نیرو برای کنترل مکانیزم های شکست که بر پایه تغییرمکان و کرنش هستند مناسب نمیباشد.
از آنجایی که اغلب سازهها بخاطر ملاحظات اقتصادی در هنگام زلزله وارد محدوده غیرخطی میشوند ؛ در این محدوده تغییرات نیرو - مقاومت - ناچیز میباشد و تغییرشکلهای - تغییر مکانها - زیادی را ایجاد میکند . بنابراین معیار تغییرمکان بعنوان مناسبترین شاخص رفتاری مطرح میشود . تحقیقات و رفتار ساختمانها در برابر زلزلههای اخیر نشان داد که مقاومت نمیتواند معیار مناسبی برای طراحی باشد . در آییننامههای جدید بجای معیار مقاومت، از معیار رفتار برای طراحی سازه استفاده میشود .[4]
پیش لرزه :گاهی اوقات پیش از بروز زلزله اصلی، یکسری زلزلههایی با بزرگی کمتر از زلزله اصلی به وقوع میپیوندند که معمولا فراوانی آنها با نزدیک شدن به زمان وقوع لرزش اصلی ، افزایش مییابد.
لرزش اصلی: همان زلزله اصلی بوده که بواسطه آن اکثر انرژی ذخیره شده در سنگها یکباره آزاد میگردد و چنانچه دادههای مربوط به یک زلزله بزرگ غیر دستگاهی باشد مه لرزه نامیده میشود.
پسلرزه: زلزله های خفیفتری که غالباً پس از لرزش اصلی، از حوالی کانون زلزله اصلی منشأ میگیرند ، را پسلرزه میگویند . پسلرزهها میتوانند حتی تا سالها پس از وقوع زلزلههای اصلی نیز به طول انجامد. وقوع پسلرزه های قوی پس از زلزله اصلی از مواردی است که در زلزلههای پیشین سبب آسیبهای بسیاری گشته است و در بعضی موارد حتی فروریزش سازه را در پی داشته است.
این موضوع در حالی است که در آییننامههای طراحی و ارزیابی اشارهای به این موضوع نشده است . به دلیل نادیده گرفتن اثرات پسلرزهها و همچنین پیچیدگی در مدلسازی ، روندی برای ارزیابی ظرفیت سازههای آسیبدیده در برابر زلزله و تعیین کفایت آنها برای مقاومت در برابر پسلرزهها وجود ندارد. تنها مهندسین باتجربه با تکیه بر قضاوت مهندسی و بدون هیچ روش تحلیلی اقدام به ترمیم سازههای آسیبدیده مینمایند که اغلب این روشها در جهت ترمیم سطحی المانهای غیر سازهای است.
نکته قابلتأمل با توجه به زلزلههای رخداده این است که در صورت وقوع پسلرزه بعد از زلزله اصلی ، چه اتفاقی برای سازههایی چون بیمارستانها ، مراکز مدیریت بحران ، شریانهای حیاتی و ... خواهد افتاد . اکثر زلزلههای شدید پسلرزههایی قوی نیز به همراه دارند که میتوانند آسیب وارده به سازه را تشدید نمایند . آسیبهایی که پسلرزهها ممکن است به مراکز مدیریت بحران و شریانهای حیاتی یک جامعه وارد نمایند بهطورقطع تا قرنها غیرقابلجبران خواهد بود..[5]
دسته لرزه: مجموعهای از تعداد زیادی زلزله که در یک منطقه محدود در مقطع زمانی در حد هفته تا چند ماه به وقوع میپیوندد. دسته لرزهها غالباً در نواحی آتشفشانی دیده میشوند.
ریز لرزه: زلزلههای ضعیفی هستند که بزرگی آنها 3 ریشتر و یا کمتر از 3بوده و غالباً افزایش ناگهانی و نامنظم آنها نشانه قریبالوقوع بودن مه لرزه یا زلزله اصلی میباشند.
سازههای بتنآرمه: مصالح مختلفی مثل فولاد، چوب، مصالح بنائی و بتن ممکن است بهعنوان گزینههایی برای ساخت یک بنا مطرح باشند و این گزینهها برای بسیاری از سازههای متداول، وجود دارند؛ اگرچه در ساخت اسکلت سازههای بلند، ممکن است به فولاد و بتن محدود گردند. بااینوجود امروزه بتنآرمه بهعنوان یک گزینه قابلاعتماد برای ساخت بسیاری از سازههای کوچک و بزرگ محسوب میگردد؛ بهطوریکه شاید بتوان از آن بهعنوان مهمترین ماده ساختمانی موجود با کاربردی فراگیر در تمام دنیا نام برد.
بهطور مثال در ساختمان نیپون استیلٌ در توکیو از ترکیب قاب خمشی فولادی و دیوار برشی فولادی، درساختمان شینجونوکوموراٍ در توکیو از سیستم دیوار برشی فولادی ، در ساختمان هایت ریجنسیَ در آتلانتا آمریکا هم از دیوار برشی فولادی و در بیمارستان آلیوویوُ در کالیفرنیا آمریکا از دیوارهای برشی با بازشو استفاده شده است.[6]
سیستم دیوارهای برشی بتنی : یکی از مطمئنترین روشها برای مقابله با نیروهای جانبی استفاده از دیوار برشی بتنی مسلح است. دیوارهای برشی را با توجه به ملاحظات معماری در قسمتهای مختلف پلان یک ساختمان میتوان قرارداد، لیکن باید دقت کافی به عمل آید که قرارگیری آن در پلان تا حد امکان متقارن باشد. دیوارهای به طور کلی تحت تلاشهای زیر قرار دارند:
-1نیروی برشی که مقدار آن در پایه حداکثر است .
-2لنگر خمشی متغیر که مقدار آن در پای دیوار حداکثر است وایجاد کشش در یک لبه و فشار در لبه متقابل می کند.
-3نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات که روی دیوار برشی تکیه دارند .
درصورتیکه ارتفاع دیوار برشی کم شد،با غالباً نیروی برشی حاکم بر طراحی آن خواهد بود لیکن اگر ارتفاع دیوار برشی زیاد باشد لنگر خمشی حاکم بر طراحی آن خواهد بود. بههرحال دیوار باید برای هر دونیروی فوق کنترل و در مقابل آنها مسلح گردد و همانند یک تیر طره بتن آرمه طراحی شود . همچنین هر دیوار برشی ممکن است در اثر نیروهای محوری دچار جابهجایی یا تغییر شکل انتقالی و چرخشی شود. اینکه یک دیوار برشی تا چه میزان و چگونه تحت تأثیر لنگر واژگونی ، نیروهای برشی یا پیچشی قرار گیرد به شکل هندسی ، جهت آن در برابر نیروی زلزله و محل استقرار آن در پلان ساختمان بستگی دارد.[7] حال به ذکر چند نمونه از دیوارهای برشی میپردازیم:
-1دیوار برشی فولادی
-2دیوار برشی مرکب
-3دیوار برشی مصالح بنایی
-4دیوار برشی بتن مسلح
-1دیوار برشی فولادی : برای مقاومسازی ساختمانهای فولادی به کار میرود و با اتصالاتش سبب تقویت تیر و ستونهای اطراف میشود؛ و مزایایی چون اجرای آسان، وزن کم، اقتصادی بودن، شکلپذیری زیاد، نصب سریع و جذب انرژی بالا دارد.
-2دیوار برشی مرکب : الف - ورقهای تقویتشده فولادی مدفون در بتن مسلح ب - خرپاهای ورق فولادی مدفون در داخل دیوار بتن مسلح
-3دیوار برشی مصالح بنایی : دیوارهای برشی مسلح نظیر دیوارهای با آجر توخالی و پرشده بادوغاب
-4دیوار برشی بتن مسلح: الف- درجا ، ب - پیشساخته . یکی از مطمئنترین روشهای مقابله با نیروهای جانبی است . قرارگیری آن در پلان باید تا حد امکان متقارن باشد . مرکز ثقل هر طبقه در حوالی مرکز صلبیت دیوارهای برشی باشد .
