تحقیق اندرکنش قاب‌هاي بتني با مهاربندهاي فولادي 12 ص

دسته بندي : دانش آموزی و دانشجویی » دانلود تحقیق
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل :  word (..doc) ( قابل ويرايش و آماده پرينت )
تعداد صفحه : 14 صفحه

 قسمتی از متن word (..doc) : 
 

1
‏اندرکنش قاب‏‌‏های بتنی با مهاربندهای فولادی
‏چک‏يده : ‏یکی از روش‏‌‏های مقاوم‏‌‏سازی قاب‏‌‏های بتنی، استفاده از ‏مهاربند‏های فولادی است. اگرچه استفاده از این روش از سابقه نسبتا طولانی برخوردار است اما مطالعات اندکی درباره نحوه اندرکنش قاب بتنی و ‏مهاربند‏ فولادی انجام شده است و توصیه مشخصی درباره چگونگی استفاده از ‏آن‏، برای دستیابی به بازدهی مطلوب وجود ندارد. در این مقاله ‏با تكيه بر‏ جنبه‏‌‏های عملی روش‏ استفاده از ‏مهاربند‏ فولادی‏ در مقاوم‏‌‏سازی قاب‏‌‏های بتنی‏،‏ ‏محدوده کارایی ‏انواع مهاربندها مورد بررسي قرار گرفته است‏.
‏نتايج نشان مي‏‌‏دهد كه مهاربندهاي فولادي‏ در ‏قاب‏‌‏های‏ بتني‏ با ارتفاع متوسط و در دهانه‏‌‏های با نسبت دهانه به ارتفاع بزرگتر از 5/1 بهترین بازدهی را دارد و می‏‌‏تواند ظرفیت نیروی جانبی اعمالی به سازه را حتی تا سه برابر افزایش دهد. ‏همچنين نشان داده شده است كه ‏مهاربند‏ ضربدری و پس از آن ‏مهاربند‏ نوع‏ ‏هشت‏ بهترین شکل‏‌‏های ‏مهاربند‏ی برای افزایش سختی جانبی سازه می‏‌‏باشند.
‏واژه‏‌‏های کلیدی :‏ مقاوم‏‌‏سازی ‏–‏ قاب خمشی بتنی ‏–‏ ‏مهاربند‏ فولادی ‏–‏ تغییرمکان جانبی - برش
‏1 - ‏مقدمه
‏اولین موارد استفاده از مهاربندهای فولادی در قاب‏‌‏های بتن‏‌‏آرمه به دهه‏‌‏های 1970 و 1980 ‏بازمی‏‌‏گردد‏ که سه ساختمان بتنی، یکی در ژاپن و دو دیگر در مکزیکوسیتی با مهاربندهای فولادی پیرامونی مقاوم‏‌‏سازی شد‏ند‏ [‏1‏].‏ از آن زمان این سیستم سازه‏‌‏ای مورد توجه و استفاده، به خصوص در مقاوم‏‌‏سازی ساختمان‏‌‏های بتنی موجود، ‏ قرار گرفته ‏‌‏است. اگرچه تاکنون درباره رفتار و اثرات متقابل ‏مهاربند‏ فولادی و قاب بتنی تحقیقات نسب‏تاً‏ زیادی انجام شده‏‌‏است‏،‏ اما‏‌‏ هنوز اطلاعات کافی و شناخت مناسبی از چگونگی اندرکنش این دو سیستم سازه‏‌‏ای در دست نیست.
‏ در این مقاله، ‏رفتار متقابل ‏مهاربند‏ و قاب بتنی و نیز اثرات شکل‏‌‏ هندسی ‏مهاربند‏ بر کارایی این روش‏ ‏مورد بررسی قرار می‏‌‏گیرد‏. بدین منظور ‏سه سازه بتن‏‌‏آرمه پنج، ده و پانزده طبقه با پلان مشابه در نظر گرفته شده‏‌‏ا‏ست‏. هریک از این قاب‏‌‏ها تحت اثر بارهای قائم و جانبی، با پنج شکل مختلف ‏مهاربند‏ فولادی طراحی شده‏‌‏ و‏ سپس در هر مورد، رفتار قاب بتن‏‌‏آرمه به تنهایی و نیز همراه با ‏مهاربند‏، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.
2
‏2 - ‏تاریخچه تحقیقات
‏در‏ سال‏ 1990،‏ Badoux‏ وJirsa ‏ ‏[2‏]‏،‏ ‏با نگاهی تحلیلی‏،‏ به بررسی رفتار قاب‏‌‏های بتنی ‏مهاربند‏ی شده در هنگام اعمال بارهای جانبی به خصوص بارهای سیکلی پرداختند. در این پژوهش اثر لاغری ‏مهاربند‏ در مقدار انرژی جذب شده توسط قاب مورد توجه قرار گرفت و نیز نشان داده شد که کاهش سطح مقطع تیرها و تعبیه ‏مهاربند‏های فولادی در ساختمان‏‌‏های غیرنرم‏ دارای‏ ستون‏‌‏های ضعیف و تیرهای قوی، موجب افزایش قابل‏‌‏توجه شکل‏‌‏پذیری و قابلیت جذب انرژی قاب بتنی می‏‌‏گردد.
‏ ‏در سال‏‌‏های 1990 تا 1995 مقالات‏ تحلیلی و آزمایشی‏ مختلفی درباره این موضوع منتشر شد‏ه‏‌‏ ‏است‏. ‏در این مقالات به کارایی روش‏ در افزایش مقاومت جانبی و شکل‏‌‏پذیری قاب‏ و‏ همچنین‏ اقتصادی بودن آن پرداخته شده است. ‏تقریبا در تمامی این موارد‏، ‏از‏ ‏مهاربند‏های نوع ضربدری به‏‌‏صورت دورن‏‌‏قابی استفاده شده‏ ‏‌‏است. همچنین در برخی مقالات، جزئیات اتصال ‏مهاربند‏ به قاب و نیز استفاده از ‏مهاربند‏های میراکننده و ‏مهاربند‏های پس‏‌‏کشیده مورد توجه قرار گرفته‏‌‏است. در مقاله‏‌‏ای که در سال 1991 توسط‏ et.al‏ Bush‏ ‏[3‏]‏ ‏ارائه شد، مشخص گردیده است که تا قبل از کمانش ‏مهاربند‏ فشاری، بین 60 تا 70 درصد برش وارد بر قاب‏،‏ توسط ‏مهاربند‏ها تحمل می‏‌‏شود.
‏ ‏در‏ سال‏ 1995،‏ Maheri‏ و Sahebi‏[4‏]، ‏طی‏ یک مقاله به گزارش آزمایشی بر روی قاب‏‌‏ بتنی با ‏مهاربند‏ ضربدری، ‏مهاربند‏ کششی تنها و ‏مهاربند‏ فشاری تنها پرداخته‏‌‏اند‏.‏ در این آزمایش مشخص شده است که ‏مهاربند‏ کششی نسبت به ‏مهاربند‏ فشاری، سهم بیشتری در تحمل نیروی جانبی وارد بر قاب دارد. همچنین نشان داده‏‌‏ شده‏‌‏است که درصورت استفاده از ‏مهاربند‏ ضربدری، برش قابل تحمل برای قاب‏،‏ یک‏‌‏ونیم برابر ظرفیت برش درصورت استفاده از ‏مهاربند‏ کششی یا فشاری تک است.
‏ در 1996 Masri‏ و Goel‏ ‏[5‏]‏، ‏در مقاله‏‌‏ای نتایج آزمایشات انجام شده بر‏ روي‏ قاب بتن مسلح با دال قارچی و ‏مهاربند‏ فولادی را ارائه کرده و نشان داده‏‌‏اند که استفاده از این روش مقاوم‏‌‏سازی در کاهش تغییرمکان جانبی قاب بتنی ‏بسیار موثر است‏.
‏ ‏تسنیمی و معصومی‏ ‏[‏1‏]‏، ‏در سال 2000 (1379) آزمایشاتی را بر روی قاب‏‌‏های بتنی ‏مهاربند‏ی شده با ‏مهاربند‏ ضربدری انجام داده‏‌‏اند که در هر آزمایش نحوه اتصال ‏مهاربند‏ به قاب متفاوت بوده‏‌‏است. نتایج آزمایشات نشان داده است که جزئیات اتصال ‏مهاربند‏ به قاب اثر قابل‏‌‏توجهی بر رفتار لرزه‏‌‏ای قاب و کارایی این روش مقاوم‏‌‏سازی دارد.
‏ در سال ‏٢٠٠١‏، Ghobarah‏ و Abou Elfath‏ ‏[6‏]‏، رفتار غیر الاستیک یک سازه ‏با ‏سه سقف بتنی ‏و ‏مقاوم‏‌‏سازی شده با دو گزینه ‏مهاربند‏ ضربدری و ‏مهاربند‏ واگرای ‏هشت‏ با اتصال برشی در راس ‏مهاربند‏ها را، در نرم‏‌‏افزار DRAIN‏ مدل‏‌‏سازی نموده و نشان داده‏‌‏اند که تحت اثر دوازده زلزله مهم و متفاوت، قاب ‏مهاربند‏ی شده واگرا رفتار غیرترد اطمینان‏‌‏بخشی دارد.
‏ ‏در سال 1‏380 (2001)، در مقاله‏‌‏ای که توسط ‏خیرالدین‏ ‏[‏7‏]‏،‏ در دومین همایش بین‏‌‏ا‏لمللی ساختمان‏‌‏های بلند ارائه شد‏، رفتار خطی یک ساختمان ده طبقه بتنی با ‏مهاربند‏ فولادی ضربدری بررسی و نتیجه‏‌‏گیری شده‏‌‏است که درصد برش جذب شده در طبقات پایینی ساختمان توسط ‏مهاربند‏ ‏٦٠‏% و توسط قاب ‏٤٠‏% می‏‌‏باشد. به‏‌‏علاوه‏،‏ وجود ‏مهاربند‏ در طبقات بالا، موجب افزایش تغییرمکان جانبی قاب‏ ‏خواهد شد.‏ اما به طور کلی استفاده از ‏مهاربند‏ ضربدری، تغییرمکان جانبی قاب را حدود ‏٥٠‏% کاهش می‏‌‏دهد. همین محقق در مقاله دیگری، استفاده از ‏مهاربند‏ ‏هشت‏ با فاصله میانی در قاب بتن‏‌‏آرمه را مورد بررسی قرار داده است‏[‏8‏]‏ و مشخص نموده است که استفاده از این ‏مهاربند‏ها در ساختمان ‏٥‏ طبقه، در تمامی طبقات مفید است‏،‏ اما در ساختمان‏‌‏های ‏١٠‏ و ‏١٥‏ طبقه، موجب ایجاد برش منفی در طبقات بالایی و بام ساختمان می‏‌‏گردد.
‏ ‏در سال ‏٢٠٠٧‏،‏ et.al‏ Youssef‏ ‏[9‏]‏ با انجام آزمایشاتی بر روی قاب بتنی با و بدون ‏مهاربند‏ ضربدری و مقایسه دو حالت، به این نتیجه رسیده‏‌‏اند که درنظر گرفتن ضریب رفتار متداول قاب خمشی بتن مسلح با شکل‏‌‏پذیری متوسط، برای قاب بتنی مقاوم شده با ‏مهاربند‏ فولادی کافی و مناسب است. همچنین ‏پیش‏‌‏بینی‏ شده است که درصورت استفاده از سیستم قاب خمشی بتنی همراه با ‏مهاربند‏ فولادی، وزن سازه در حدود ‏٣٥‏ درصد کاهش می‏‌‏یابد.
‏3 - ‏مدل‏‌‏سازی
‏همان‏‌‏طور که اشاره شد، هدف این مطالعه بررسی اندرکنش قاب خمشی بتنی با ‏مهاربندها‏ی فولادی‏ ب‏ا‏ شکل‏‌‏های گوناگون‏، در محدوده رفتار خطی مصالح می‏‌‏باشد. برای انجام این کار، ‏سه‏ ساختمان بتنی ‏با تعداد طبقات‏ ‏٥‏ ‏، ‏١٠‏ و ‏١٥
3
‏ طبقه ‏با ‏پلان‏ ‏نشان داده شده ‏در شکل(1) ‏مورد مطالعه قرار گرفته است‏. ‏برای بررسی اثر نسبت دهانه به ارتفاع‏،‏ تعداد و ابعاد دهانه‏‌‏ها در جهت‏‌‏های X‏ و Y‏ متفاوت انتخاب شده است‏. در هر دو جهت شش دهانه ‏مهاربند‏ی شده به صورت متقارن در پلان، در نظر گرفته ‏شده است‏ تا‏ بتوان از‏ اثرات پیچش ‏صرف‏‌‏نظر نمود‏.
‏شکل1 ‏پلان ساختمان
‏ ‏آنالیز سازه‏ به‏‌‏صورت خطی و توسط نرم‏‌‏افزار ETABS‏ انجام می‏‌‏شود. ‏برای مدل‏‌‏سازی، ‏مقاومت فشاری بت‏ن fc=300 kgcm2‏ ‏، تنش تسلیم آرماتور‏های‏ فولادی fy=4000 kgcm2‏ و تنش جاری شدن فولاد ‏مهاربند‏ها fy=2400 kgcm2‏ ‏، ‏درنظر گرفته ‏شده است‏.‏ طراحی اعضای قاب بتنی بر اساس آیین‏‌‏نامه‏ ACI 318‏ [10]‏، ‏به روش مقاومت نهایی و طراحی ‏مهاربند‏های فولادی بر اساس آیین‏‌‏نامه AISC-ASD‏ [11]‏ و به روش تنش مجاز انجام شده‏‌‏است.
‏ بارهای وارد بر ساختمان در دو دسته کلی بارهای ثقلی و بار‏هاي‏ جانبی درنظر گرفته شده است. بارهای ثقلی ‏شامل‏ بار مرده اعمالی به کف‏‌‏ها معادل 900kgm2‏ و بار زنده برابر 200kgm2‏ ‏است‏. ضریب زلزله ساختمان ‏١٥‏% منظور شده که مطابق آیین‏‌‏نامه ‏٢٨٠٠‏ ‏[‏12‏]‏،‏ ضریب زلزله یک ساختمان بتنی، با همین حدود ارتفاع، واقع در مناطق زلزله‏‌‏خیز شدید، با درجه اهمیت متوسط و ضریب رفتار ‏٥‏/‏٥‏ است. وزن ساختمان ‏جهت اعمال نیروی زلزله ‏با توجه به آیین‏‌‏نامه ‏٢٨٠٠‏، معادل وزن اعضا، بار مرده کل و ‏٢٠‏% بار زنده منظور شده‏‌‏است.
‏ ستون‏‌‏های هر ساختمان از بین مقاطع تیپ؛ 30‏×‏30 ، 40‏×‏40 ، 50‏×‏50 ، 60‏×‏60 ، 70‏×‏70 ، 80‏×‏80 و 90‏×‏90 سانتی‏‌‏متر انتخاب ‏شده و‏ برای تیرها دو مقطع تیپ 30‏×‏30 و 35‏×‏35 سانتی‏‌‏متر در نظر گرفته ‏شده است‏. از میان شکل‏‌‏های ‏مهاربند‏ی رایج، پنج شکل که کارایی و سختی جانبی بیشتری نسبت به سایر شکل‏‌‏ها دارند انتخاب می‏‌‏شوند (شکل 2). هریک از این پنج شکل ‏مهاربند‏ی برای هر سه تیپ ساختمان 5 ، 10 و 15 طبقه درنظر گرفته می‏‌‏شود که در مجموع پانزده سا‏زه‏ تحلیل و طراحی می‏‌‏شوند. برای طراحی ‏مهاربند‏ها مقاطع توخالی شامل مجموعه مقاطع استاندارد HSS‏ و PIPE‏ ‏درنظر گرفته شده‏‌‏است. دلیل این انتخاب آن‏ ا‏ست که به ‏علت‏ تقارن مقطع، استفاده از این مقاطع برای طراحی ‏مهاربند‏ها مناسب و رایج است و امکان مقایسه نتایج با سایر بررسی‏‌‏های انجام شده ممکن می‏‌‏گردد‏ و ‏همچنين‏ مجموعه مقاطع‏،‏ گستره مناسبی از سطح مقطع و ممان اینرسی مقطع را می‏‌‏پوشانند ‏که‏ درنتیجه مقدار خطای طراحی کم می‏‌‏شود (تعداد 1‏29‏ مقطع متفاوت در این لیست وجود دارد)‏.
4
‏ ‏ ‏ (ث) (ت) ‏ ‏ (پ) (ب) ‏ ‏ (الف)
‏شکل2 ‏شکل‏‌‏های ‏مهاربند‏ی درنظر گرفته شده
‏(الف) ضربدری (X)‏، ‏ ‏(ب)‏ هشت‏ (In.V)‏،‏ ‏ (پ)‏ هفت‏ (V)‏، ‏ ‏(ت) تک قطری ‏زیگزاگ‏ (Z)‏، ‏ ‏(ث) ‏لوزی‏ (R)
‏ ‏روش طراحی به این صورت است که ابتدا ساختمان با تعداد طبقات مشخص، مقاطع بتنی ‏30‏×‏30‏ سانتی‏‌‏متر برای تیرها و ستون‏‌‏ها و یکی از شکل‏‌‏های ‏مهاربند‏ی مدل‏‌‏سازی می‏‌‏شود. سپس پروسه تحلیل ‏–‏ طراحی ‏مهاربند‏ها تکرار می‏‌‏شود تا مقاطع ‏مهاربند‏ها در تحلیل و طراحی یکسان شود. پس از آن‏،‏ مقاطع غیرمجاز ستون‏‌‏ها و تیرها اصلاح می‏‌‏گردد و ‏بار دیگر تحلیل و طراحی فولادی ‏مهاربند‏ها تکرار می‏‌‏شود. این روش تا انتخاب مقاطع مناسب هم برای ‏مهاربند‏ها و هم‏ برای‏ اعضای قاب ادامه می‏‌‏یابد. به این ترتیب ضمن آنکه مقاطع بهینه ‏مهاربند‏ها توسط برنامه انتخاب می‏‌‏شود، برای ستون‏‌‏ها‏ و تیرها‏ نیز کوچکترین مقطع تیپ ممکن اختصاص داده می‏‌‏شود. پس از انجام طراحی تمامی ساختمان‏‌‏ها‏،‏ مشخص شد که در بیش از ‏٩٨‏% موارد، مقطع‏ تیپ‏ ‏30‏×‏30‏ ‏سانتی‏‌‏متر‏ برای تیرها‏ کافی است و تنها در چند مورد از‏ مقطع ‏35‏×‏35‏ سانتی‏‌‏متر استفاده شد. ‏شایان‏ ذکر است که با توجه به نتایج آزمایش ارائه شده در مرجع ‏[9‏]‏، قاب بتنی از نوع قاب معمولی است و ضوابط مناطق زلزله‏‌‏خیز در آن رعایت نشده است.
‏4 - ‏بررسی ‏و مقايسه نتايج‏
‏4-1‏-‏ ‏بررسی سختی قاب بتنی با و بدون ‏مهار‏بند فولادی
‏اولین و مهم‏‌‏ترین اثر وجود ‏مهار‏بند در قاب بتنی، افزایش سختی قاب بتنی است اما این سوال وجود دارد که کدام‏‌‏یک از شکل‏‌‏های ‏مهار‏بندی سختی جانبی بیشتری را در قاب ایجاد می‏‌‏نمایند. در ادامه‏،‏ نمودار نسبت تغییرمکان هر طبقه از قاب بتنی بدون ‏مهار‏بندی به قاب ‏مهار‏بندی شده‏ در دو جهت x ‏ ‏و y‏، در اثر نیروی جانبی یکسان، برای هر سه تیپ ساختمان پنج ، ده و پانزده طبقه ‏ارائه‏ می‏‌‏شود.‏ ‏با بررسی نمودارهاي 1 ، 2 و 3 می‏‌‏توان‏ به این نتایج دست یا‏فت‏ :
‏- به طور کلی اضافه کردن ‏مهار‏بند به قاب خمشی، موجب افزایش سختی جانبی سازه می‏‌‏شود اما با افزایش ارتفاع ساختمان، مقدار تغییر سختی کمتر می‏‌‏شود یعنی مشارکت ‏مهاربند‏ در تحمل بار جانبی کاهش می‏‌‏یابد.‏
‏- هرچه ‏دهانه ‏مهاربند‏ی شده ب‏زرگتر‏ باشد، تاثیر ‏مهاربند‏ افزایش خواهد یافت‏، درنتیجه ‏دهانه‏‌‏ای که برای ‏مهاربند‏ی کردن درنظر گرفته می‏‌‏شود حتی‏‌‏الامکان باید ‏عريض‏ باشد تا سیستم بازدهی بیشتری داشته باشد.
‏- با افزایش ارتفاع ساختمان، حساسیت سختی جانبی سازه نسبت به عامل شکل هندسی ‏مهاربند‏ کم می‏‌‏شود‏،‏ به خصوص اگر دهانه کوچک باشد تقریبا تمام ‏مهاربند‏ها سختی جانبی نسبتا یکسانی تولید می‏‌‏کنند.‏
‏- ‏مهاربند‏ ضربدری بیشترین ‏اثر را در افزایش سختی جانبی قاب بتنی دارد ‏. پس از ‏مهاربند‏ ضربدری‏ و درصورت عدم امکان مسدود نمودن دهانه‏، ‏مهاربند‏ ‏هشت‏ بیشترین سختی را تولید می‏‌‏کند.
‏- ‏در کلیه تیپ‏‌‏های ساختمان و هر دو اندازه دهانه، ‏مهاربند‏ ‏هفت‏ کمترین سختی جانبی را تولید می‏‌‏کند.
‏- روش استفاده از ‏مهاربند‏ برای بهبود سختی جانبی قاب خمشی بتنی، بهترین کارایی را در طبقات اول تا ششم دارد و در طبقات بالاتر اگرچه دارای بازدهی کمی در افزایش سختی جانبی قاب می‏‌‏باشد اما هیچ‏‌‏گاه برش منفی ایجاد نمی‏‌‏نماید.
‏- ‏اگر بخواهیم بهترین شکل‏‌‏های ‏مهاربند‏ی را برای بهبود سختی جانبی یک قاب موجود نام ببریم، این شکل‏‌‏ها به ترتیب کاهش کارایی عبارتند از : ‏مهاربند‏ ضربدری، ‏مهاربند‏ ‏هشت‏ و ‏مهاربند‏ تک قطری ‏زیگزاگ‏.
‏4-2‏-‏ سهم برش جذب شده توسط قاب خمشی بتنی و ‏مهاربند‏های فولادی
‏در نمودارهای 4، 5، 6، 7، 8 و 9 درصد برش جذب شده توسط قاب بتنی و ‏مهاربند‏های فولادی در هر طبقه ساختمان و در هر دو جهت دیده می‏‌‏شود. ‏در این نمودارها خط‏‌‏پر نماینده قاب مهاربندی‏‌‏ شده و خط‏‌‏چین نماینده قاب خمشی است.