دانشگاه آزاد اسلامی

واحد شهرکرد

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران

گرایش زلزله

عنوان :

بررسی تحلیلی راهکارهای بهبود رفتار لرزه‌ای  دیوارهای برشی بتنی کوتاه

استاد راهنما :

دکتر عبدالرضا سروقد مقدم

چکیده

با نگاه اجمالی به پیشرفت‌های صورت گرفته در صنعت ساخت و ساز و طراحی ساختمان‌ها بر اساس عملکرد و اهمیت استفاده از دیوار‌های برشی کوتاه در ساختمان‌های کم ارتفاع، نیروگاه‌های هسته ایی و طبقات پایینی ساختمان‌های بلند مرتبه، و با توجه به اهمیت نوع پاسخی که دیوار‌های برشی کوتاه در برابر تحریک زلزله از خود نشان می‌دهند یافتن راهکارهای بهبود جزئیات لرزه ایی و تغییر در چیدمان و آرایش میلگردها که منجربه افزایش شکل پذیری و بالا بردن قابلیت استهلاک انرژی در این دیوارها شود غیر قابل اجتناب می‌باشد بواسطه عملکرد غالب برش در دیوارهای برشی کوتاه، تحلیل آنها همواره با پیچیدگی‌هایی همراه بوده است. با توجه به گرایش‌هایی بوجود آمده در طراحی سازه‌ها شامل طراحی بر اساس عملکرد و استفاده از ظرفیت پلاستیک سازه، نیاز به ابزاری که توانایی لازم را به جهت تحلیل غیر خطی دیوار‌های برشی کوتاه، مشخص نمودن پارامترهای آسیب، مدل نمودن جزئیات لرزه ایی را داشته باشد احساس می‌شود. به همین دلیل در قسمتی از این پایان­نامه با انتخاب دو نمونۀ آزمایشگاهی و مدلسازی آنها در نرم افزار پر کاربرد ABAQUS، پارامترهای کلیدی در مدلسازی این دیوارها مشخص و به گونه­ای کالیبره شده تا نتایج تحلیل به نتایج آزمایش نزدیک شود. نتایج به دست آمده حاکی از تخمین مناسب رفتار نمونه­های آزمایشگاهیِ مدل شده می‌باشد. در خصوص تاثیر تغییر در چیدمان و آرایش میلگرد‌ها در رفتار دیوارهای برشی کوتاه، به خصوص المان­های مرزی، آرماتورهای قطری دیوار، نیاز به مطالعۀ بیشتر احساس می­شود. به همین دلیل در قسمت دیگری از این پایان­نامه، یک مطالعۀ پارامتری با استفاده از نرم افزار ABAQUS بر روی سیزده مدل دیوار برشی کوتاه انجام شده است. متغیر­های بررسی شده عبارتند از نسبت ارتفاع به طول دیوار، تمرکز آرماتورهای قائم در المان‌های مرزی جان دیوار، تغییر در چیدمان میلگرد‌های افقی جان دیوار، تغییر در آرایش میلگردها به صورت قطری، معادل سازی میلگردها با میلگردهایی با سایز کوچکتر و اثر محصور شدگی بتن المان مرزی. میزان تأثیر هر یک از متغیرهای فوق در پارامترهای پاسخ دیوار (مقاومت حداکثر و تغییر شکل نظیر آن و همچنین مود شکست دیوار) بررسی و نتایج حاصله با توجه به خروجی‌های بدست آمده تفسیر شده است. نتایج به دست آمده حاکی از این مطلب است که تأثیر المان مرزی در دیوار­های برشی کوتاه بستگی به هندسه دیوار شامل نسبت ارتفاع به طول دیوار دارد. المان مرزی بسته به شرایط طراحی، در برخی از موارد می­تواند باعث تضعیف و در برخی موارد باعث بهبود پارامترهای پاسخ شود.

1-1- مقدمه

اهمیت استفاده از دیوارهای برشی کوتاه در ساختمان­های کم ارتفاع، نیروگاه­های هسته­ای و طبقات پایین ساختمان­های بلند مرتبه می‌باشد. قطعات دیوار شکل گرفته به وسیلۀ بازشوهای در و پنجره نیز رفتاری مشابه دیوارهای برشی کوتاه دارند. رفتار غالب در اینگونه دیوارها رفتار برشی است. به دلیل پیچیده بودن مکانیسم انتقال برش در سازه­های بتن­آرمه، تحلیل اینگونه دیوارها مشکل­تر از تحلیل دیوارهای لاغر است. همچنین تحت بارگذاری لرزه­ای حالات شکست متنوعی از خود نشان می­دهند. بنابراین در تحلیل غیر خطی این دیوارها، به منظور پیشگویی رفتار لرزه­ای آنها، طراح با چالش­های بیشتری مواجه خواهد بود.

از این روی، با توجه به نیازی که به بررسی بیشتر در برخی جنبه­های تحلیلی و رفتاری دیوارهای برشی کوتاه احساس می­شود، در این تحقیق مطالعاتی بر روی دو جنبۀ مذکور، در سه بخش مجزا، انجام شده است. در ابتدا برای ورود به بحث، در بخش مروری بر مطالعات گذشته، با جنبه­های مختلف رفتار و مدلسازی دیوارهای برشی کوتاه آشنا خواهیم شد. سپس با هدف دستیابی به ابزاری مناسب برای تحلیل بر اساس عملکردِ اینگونه دیوارها، دست به مدلسازی و تحلیل چند نمونۀ آزمایشگاهی با کمک نرم افزار پر کاربرد تحلیلی المان محدود در این سازه‌ها خواهیم زد. پس از آن برای پاسخ گویی به این سئوال که چیدمان و آرایش میلگردهای المان­های مرزی و آرماتورهای قطری تا چه حد در رفتار لرزه­ای دیوارهای برشی کوتاه تأثیر گذار هستند، به تحلیل 11 مدل فرضی و بررسی نتایج حاصله از آن خواهیم پرداخت.

روابط مختلفی از سوی محققین یا آیین­نامه­ها برای محاسبۀ مقاومت برشی دیوارها ارائه شده است. این روابط، تجربی و متغیرهای موجود در روابط و میزان تأثیر آنها متفاوت هستند. بعضی از محققین با گردآوری و مقایسۀ نتایج روابط موجود با نتایج آزمایش­ها، کارایی هر رابطه را بررسی کرده­اند. مطالعاتی هم پیرامون به دست آوردن روابطی برای مدلسازی منحنی نیرو-تغییر مکان دیوارهای برشی کوتاه انجام گرفته است. در فصل مروری بر مطالعات گذشته (فصل دوم)، نتایج تعدادی از جدید ترین مطالعات انجام شده در خصوص روابط محاسبۀ مقاومت برشی و مدلسازی منحنی نیرو-تغییر مکان برای دیوارهای بتنی کوتاه شامل روابط و نتایج حاصله گردآوری شده است. همچنین به طور مختصر توضیحاتی در خصوص یکی از روش­های المان محدود غیر خطی برای تحلیل سازه­های بتن­آرمه که بر اساس تئوری میدان فشار اصلاح شده (وچیو و کالینز[1] 1986) توسعه داده شده است.

یکی از نیاز‌های اساسی در طراحی بر اساس عملکرد کنترل میزان خسارت وارده به سازه در طول زلزله می‌باشد که شناخت پارامترهای آسیب و پارامترهای مهم دیگر که در عملکرد پاسخ این دیوار‌ها موثر می‌باشد خود گواه نیاز ایجاد ابزاری است که توانایی شناخت و شبیه سازی هرچه بهتر مکانیسم‌های شکست ترد و بی دوام مانند کشش قطری، فشار قطری، برش لغزشی که منجربه ایجاد پاسخ‌های پیچیده و غیر قابل پیش بینی می‌شود را داشته باشد احساس می‌شود.  با افزایش توانایی نرم افزارها در تحلیل­های المان محدود غیر خطیِ المان­های صفحه­ای، تمایل به استفاده از آنها برای مدلسازی دیوارهای برشی افزایش یافته است. در خصوص دیوارهای برشی کوتاه به دلیل پیچیدگی­های بیشتر در مدلسازی، طراحان تمایل دارند در حین سادگی و سرعت در مدلسازی و تحلیل، تحلیل­های انجام شده از دقت خوبی برخوردار باشند به نحوی که شرایط مدلسازی با رفتار واقعی دیوار از انطباق و تقریب خوبی برخوردار باشند. نرم­افزارهای تخصصیِ تحلیل المان محدود غیر خطی سازه­های بتن آرمه و یا نرم­افزارهای پرکاربرد در تحلیل سازه­های ساختمانی دو گزینه­ای است که برای تحلیل این دیوارها وجود دارد. مسلم است که تمایل به استفاده از مورد دوم به دلیل سادگی و انعطاف بیشتر، بالا تر است؛ چون کاربر می­تواند در مدلهای پیچیده و بزرگ که امکان مدلسازی در نرم افزار‌های تخصصی وجود ندارد دیوار برشی کوتاه را در کنار سایر المان­ها مدل کند. به همین دلیل در فصل سوم با انتخاب نرم افزار ABAQUS  به عنوان نرم افزاری قدرتمند و مطمئن که قابلیت و توانایی مدلسازی دیوارها به همراه جزئیات مربوطه را دارد سعی در یافتن پارامترهای کلیدی در مدلسازی این دیوارها و یافتن راهکارهایی برای تحلیل هرچه دقیق­تر آنها شده است. برای اطمینان از صحت تحلیل­ها 2 نمونۀ آزمایشگاهی انتخاب شده و نتایج حاصل از تحلیل به همراه خروجی‌ها نرم افزار با نتایج آزمایش­ها مقایسه شده است. در انتخاب نمونه­ها سعی شده است تا جنبه­های مختلف رفتاری دیوارهای برشی کوتاه مد نظر قرار گیرد. در فصل سوم پارامترهای کلیدی در مدلسازی این دیوارها مشخص و به گونه­ای کالیبره شده تا نتایج تحلیل به نتایج آزمایش نزدیک شود.

المان­های مرزی در دیوارهای برشی بلند، باعث بهبود عملکرد لرزه­ای دیوار می­شوند. اما در خصوص نحوۀ تأثیر آنها در دیوارهای برشی کوتاه مطالعات کمتری انجام شده است. به همین دلیل در فصل چهارم یک مطالعۀ پارامتری با استفاده از نرم افزار ABAQUS  بر روی 11 مدل فرضی از دیوارهای برشی کوتاه و بلند انجام شده است. متغیر­های بررسی شده عبارتند از نسبت ارتفاع به طول دیوار، تمرکز میلگردهای قائم در لبه دیوار، تغییر در چیدمان میلگرد‌های افقی جان دیوار، میزان آرماتور طولی المان مرزی، میزان مقاومت حداکثر دیوار و تغییر شکل نظیر آن و مود گسیختگی دیوار از مهمترین پارامترهای پاسخ بررسی شده هستند. متغیرهای مذکور بر اساس نسبت ارتفاع به طول دیوار دسته بندی و نتایج تحلیل برای هر دسته به طور جدا گانه ارائه شده است. پس از آن نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه شده است. در نهایت نتایج حاصله و پیشنهادات مربوطه ارائه شده است.

برای دانلود متن کامل پایان نامه کلیک کنید