خلاصه

Transcript

1 CODE : S96 ضريب افزايش نيرو در طراحي طبقه نرم در اثر حذف ديوار آجري پركننده محمدرضا تابشپور علياكبر گلافشاني سيد مجتبي حسيني استاديار دانشگاه تربيت معلم سبزوار دانشيار دانشكده مهندسي عمران دانشگاه صنعتي شريف دانشجوي كارشناسي ارشد زلزله دانشكده مهندسي عمران دانشگاه صنعتي شريف (hosseinigelekolai@gmail.com) خلاصه مطابق بند( ) آييننامه 8 براي جلوگيري از شكست طبقهي نرم در صورت انقطاع بادبندي يا ديوار برشي در يك طبقه ستونهاي آن طبقه بايد براي نيروهاي ضريبدار طراحي شوند. هر چند در متن آييننامهي 8 اشارهاي به ضرورت افزايش نيروي طراحي در صورت انقطاع ديوارهاي پركنندهي آجري نشده است با وجود اين براساس تجربيات موجود از رفتار سازهها در زلزلههاي گذشته بايد حتي در صورت انقطاع ديوارهاي پركننده آجري در يك طبقه ستونهاي آن طبقه براي نيروهاي ضريبدار طراحي شوند. حال سو ال اين است كه در اين صورت مقدار افزايش نيروها چقدر است در اين تحقيق اثر پارامترهاي مختلف ديوار پركننده آجري را در سازه بتني روي ضريب افزايش مقاومت ) Ω در IBC و ضريب /8 در بند آييننامه 8) بررسي ميكنيم. در مدلسازي ابتدا سازهها را با نرم افزار SAP طراحي ميكنيم و ديوار را با ميلهي فشاري معادل مدلسازي ميكنيم سپس با استفاده از نرم افزار OpenSees روي دو سازه يكي سازه معمولي با طبقه نرم و ديگري سازه طراحي شده براي طبقه نرم تحليل استاتيكي غيرخطي انجام ميدهيم و با مقايسه نتايج حاصل از تحليلها ضريب افزايش مقاومت را بدست ميآوريم. اين ضريب در آييننامه 8 براي تمامي حالات عدد /8 در نظر گرفته شده است در حاليكه بايد به طور دقيق محاسبه شود ) زا / تا / در نوسان است) تا منجر به طراحيهاي دست بالا يا دست پايين نشود. اگر ستون طبقه نرم بر اساس اين ضريب طراحي شود هم از ظرفيتهاي موجود به طور بهينه استفاده مي شود و هم شاهد حوادث ناگوار(مانند شكست طبقهي نرم) در زلزلههاي آتي نخواهيم بود. كلمات كليدي: طراحي طبقه نرم ديوار پركننده آجري ضريب فرامقاومت ستون قاب خمشي بتني متوسط. مقدمه ميانقابهاي بنايي در بسياري از قابهاي ساختماني كشور ما وجود دارند ولي نقش آنها در مقاومسازي و تحكيم سازه توسط طراحان صرفنظر مي شود. از حدود سالهاي 9 تحقيق و مطالعه بر روي رفتار قابهاي داراي ميانقاب شروع شده است. از آن زمان تا كنون آزمايشات بارگذاري جانبي استاتيكي بر روي مدلهاي با مقياس كوچك و بزرگ در سيستمهاي متشكل از پانلهاي ميانقاب انجام شده است. مصالح قاب از جنس فولاد و بتن مسلح و مصالح پانل ميانقاب از نوع آجر بلوكهاي بتني(مسلح و غير مسلح) و يا بتن مسلح ساخته ميشوند. پارامترهاي اصلي تا ثيرگذار بر روي رفتار و مودهاي گسيختگي قابهاي داراي ميانقاب عبارتند از: مقاومت سختي خصوصيات جذب انرژي پسماند شرايط مرزي ميانقاب نحوه توزيع تنشها و كرنشها در داخل پانل ميانقاب نيروه يا به دليل وجود پارامترهاي اندركنش متفاوت عدم وجود تعجب بر انگيزي نيست. هب وارده بر روي قاب وجود بازشوها و نحوه ساخت و اجرا. مبناي طراحي واحد در آييننامهها عليرغم مطالعات وسيع در دهههاي گذشته موضوع منظور طراحي لرزهاي دو روش جهت در نظرگيري اثر ميانقابها در قاب اصلي قابل بررسي است: ميانقاب به صورت مجزا از قاب فرض شود و مشاركت آن در رفتار سازهاي صرفنظر گردد. ميانقاب در داخل قاب و متصل به قاب فرض گردد و اندركنش بين قاب اصلي و ميانقاب در نظر گرفته شود. اگر ميانقاب به قاب متصل شود اين امكان وجود دارد كه در حين وقوع زلزله ميانقاب به قاب ضربه وارد كند و باعث ايجاد نيروهاي برشي و ممان هاي خمشي بزرگي در ستونها و تشكيل مكانيزم ستون كوتاه گردد. در اين حالت گسيختگي برشي به خصوص در سازههاي بتني اجتناب ناپذير خواهد بود.

2 در ايران معمولا ساختمانها بدون در نظر گرفتن اثرات ميانقابها بر رفتار لرزهاي سازه طراحي ميشوند. اين در حاليست كه مشاهدات انجام شده در طي زلزلههاي گذشته و همچنين تحقيقات صورت پذيرفته در سالهاي اخير نشان دهنده آن است كه قابهاي ميانپر باعث افزايش سختي و مقاومت سازه شده و در نتيجه موجب تغيير در پاسخ لرزهاي سازه ميشوند. با توجه به اهميت اين موضوع لازم است تا ضمن بررسي چگونگي تغييرات مزبور تاثيرات مطلوب و يا نامطلوب ميانقابها بر عملكرد سازه را مشخص نمود. ديوارهاي پركننده آجري داراي اثرات مثبت و منفي هستند. چه بسا سازههايي كه از نظر اسكلت وضعيت خوبي دارند ولي به علت عدم توجه به ديوارهاي پركننده در فرايند طراحي ساختمانها آسيب جدي ديدهاند. مهمترين اثرات منفي ديوارهاي آجري در سازهها عبارتند از: الف شكست طبقهي نرم (نامنظمي در ارتفاع) ب پيچش (نامنظمي در پلان) ج ستون كوتاه (سازهه يا بتني). مدلسازي ديوار پركننده آجري رفتار تركيبي ديوار پركننده و قاب سازهاي طوري است كه ميتوان ديوار را مطابق شكل( ) به صورت عضو ميلهاي فشاري مدلسازي كرد. به اين ترتيب ميتوان ديوارهاي پركننده را مطابق شكل( ) با بادبندهاي فشاري مدلسازي كرد. چنان كه از شكل بدست ميآيد وجود ديوارهاي پركننده باعث ميشود كه رفتار سازهاي از كنش خمشي به كنش محوري تبديل شود.[ ١ ] شكل( ) تبديل كنش خمشي به كنش محوري به علت وجود ديوار شكل( ) رفتار تركيبي ديوار و قاب. شكست طبقه نر م (يا ضعيف) يكي از دلايل مهم شكست ساختمانها در زلزله انقطاع سيستم باربر جانبي نظير بادبند يا ديوار برشي و ديوار پركنندهي آجري مطابق شكل () در طبقهي همكف است. بنابر اين طبقه ي همكف به صورت طبقهي نرم عمل ميكند. در اين حالت ستونها تحت تغييرشكلهاي بزرگي قرار ميگيرند و معمولا در آنها مفصل پلاستيك در نقاط بالايي و پاييني به وجود ميآيد. اين حالت مكانيزم ميشود. معمولا در اين حالت ساختمان فرو ريخته يا تا آستانهي فرو ريزش پيش ميرود. طبقه فوقاني داراي ديواره يا نتيجه سختي آن طبقات در مقايسه با طبقهي زيرين بيشتر است. [١] طبقه (جابجايي نسبي شديد طبقه) ناميده پركنندهي زيادي است و در شكل () ايجاد مكانيزم طبقه در ساختمان در حال احداث و آستانه ي فرو ريزش (ايتاليا 976)

3 4. بند (( )) آيين نامه : 8 افزايش بار طراحي در ستونهاي خاص در موارد ضروري كه بر خلاف توصيه بند يكي از اعضاي جانبي باربر مانند ديوار برشي يا قاب بادبندي شده تا روي شالوده ادامه پيدا نميكند ستونهايي كه اين عضو را تحمل ميكنند بايد مقاومتي حداقل برابر با بارهاي بدست آمده از تركيبات زير باشند اين تركيبات اضافه بر تركيباتي هستند كه در طراحي سازه به طور معمول به كار برده ميشوند. (بار زلزله) ± /8 (بار زنده) + /8 (بار مرده) / (بار زلزله) ± /8 (بار مرده) 8/ مقاومت اين ستونها لازم نيست بيشتر از حداكثر باري كه اعضاي متصل به آنها ميتوانند به آنها منتقل نمايند در نظر گرفته شوند. مقاومت عنوان شده در بالا براي ستونها مقاومت نهايي آنهاست. در ستونهايي كه طراحي آنها بر اساس تنشهاي مجاز است اين مقاومت /7 برابر مقاومت مجاز ستون در نظر گرفته ميشود. توضيح: در صورت انقطاع ديوار آجري در ارتفاع نيز بايد تركيب بار فوق مورد استفاده قرار بگيرد زيرا در غير اين صورت شكست طبقه نرم رخ خواهد داد با اين تفاوت كه در صورت وجود ديوار بايد مقدار /8 را با ضريب فرامقاومت (α) بدست آمده در اين تحقيق اصلاح كرد.[ ٣ ]. پارامترهاي دستك معادل فشاري در اين تحقيق ديوار را با دستك فشاري معادلاش جايگزين ميكنيم. اين دستك به صورت قطري و گره به گره ميباشد كه طول آن برابر قطر قاب و پهناي مو ثر آن را. برابر قطر قاب در نظر گرفتيم. ضخامت دستك نيز همان ضخامت ديوار ميباشد. شكل( 4 ) معادلسازي ديوار پركننده با دو ميلهي فشاري پهناي مو ثر بادبند معادل ديوار پركننده كه توسط محققين مختلف پيشنهاد شده شديدا داراي پراكندگي است و بين % تا % در تغيير است. در جدول () روابط مختلف براي پهناي مو ثر بادبند معادل ديوار پركننده آجري نشان داده شده است. [١] جدول () روابط مختلف براي پهناي مو ثر بادبند معادل ديوار پركننده آجري محقق b w, d w= cm 7 λh پهناي مو ثر b w [.]d w [.6(λh). ]d w هولمز (96) [4] ماينستون (97) [] كلينگنر و برترو 4 [.7(λh).4 ]d w [6] (969) لياو و كوان 9 [.9(λh). cosθ]h w [7] (984) [.]d w پاولي و پريستلي 8 ترك خورده ترك نخورده دكانيني و فانتين منحني (986) [.]d w حد بالا (اثرات منفي) [.]d w حد پايين (اثرات مثبت)

4 براي بدست آوردن خصوصيات مصالح بنايي نيز از آييننامه استراليا با توجه به ملاتها و آجرهاي فشاري متداول در ايران استفاده شد كه منحنيهاي تنشكرنش زير مربوط به حالت ديوار 7 سانتيمتري و سانتيمتري ميباشد بدست ميآيد. معادله تنشكرنش مصالح بنايي (آجري) در فشار مطابق جدول () معمولا به صورت تابع سهمي تا تنش ماكزيمم f mo در نظر گرفته ميشود. سپس با افزايش كرنش مقدار تنش به صورت خطي كاهش يافته و بعد از آن تنش ثابت ميماند. [8] جدول () خصوصيات مصالح دستك معادل فشاري Thickness 7 (Cm) Thickness (Cm) f mo (MPa).68 4 ε mo.4.4 f mu (MPa).76.8 ε mu.8.8 براي درنظر گرفتن اثر بازشو از رابطه موجود در آييننامه نيوزيلند استفاده مي كنيم كه در آن يك ضريب كاهش پهناي مو ثر براي حالت ديوار با بازشو در نظرگرفته شده است: λ opening =.*(L opening / L infill ) در اين رابطه λ opening ضريب كاهش پهناي مو ثر و L opening طول بازشو در راستاي افقي ديوار و L infill طول كل ديوار در راستاي افقي ميباشد. اگر در ) %) طول ديوار بازشو داشته باشيم ضريب كاهش / بر اساس رابطه بالا بدست ميآيد. [٢] 6. سازههاي مورد بررسي سازههاي مورد بررسي در اين تحقيق قابهاي طبقه دهانه طبقه دهانه 9 طبقه دهانه مي باشند. طول دهانهها برابر. متر و ارتفاع طبقه اول. متر و ارتفاع طبقات ديگر متر ميباشد. چيدمان ديوار هم به حالت: دهانه وسط دهانه كناري هر دهانه با حالت ديوارهاي به ضخامت 7 و سانتيمتر هر يك با حالت بدون بازشو و با بازشو در (%) طول ديوار ميباشد. سيستم باربر جانبي قاب خمشي متوسط بوده و خاك منطقه نوع در نظر گرفته شد. به جهت آنكه هدف بررسي اثر ديوار پركننده آجري بر رفتار سازه مي باشد قابهاي مذكور طبق روال موجود در طراحي بدون هرگونه ميانقابي بر اساس آخرين استانداردهاي موجود در ايران بارگذاري و طراحي شدهاند. براي بارگذاري ثقلي قابها از مقررات ملي ساختمان ايران مبحث ششم (آييننامه 9 بارهاي وارد بر ساختمان) و براي بارگذاري لرزهاي از استاندارد 8 ويرايش سوم استفاده شده است. بار مرده بر واحد سطح در بام كيلوگرم بر مترمربع و در طبقات 6 كيلوگرم بر مترمربع و بار زنده در بام كيلوگرم بر مترمربع و در طبقات كيلوگرم بر مترمربع در نظر گرفته شد. بار مرده ديوار 7 سانتيمتري كيلوگرم بر مترمربع ديوار و بار مرده ديوار سانتيمتري كيلوگرم بر مترمربع ديوار در نظر گرفته شد. شكل () الگوهاي مختلف قرارگيري ميانقاب در ساختمان طبقه براي ديوار 7 سانتيمتري 4

5 7. مدلسازي و تحليل براي انجام آناليزهاي استاتيكي غيرخطي از نرمافزار [9] OpenSees استفاده شده است. تير و ستون را با المانهاي NonlinearBeamColumn مدل ميكنيم كه بر اساس نيرو فرمولبندي شده و پلاستيك شدن را در كل طول عضو به صورت گسترده در نظر ميگيرد. مقطع عرضي هم به صورت گسستهسازي رشتهاي Discretization) (Fiber تعريف شده كه از لايههاي متمايز براي آرماتورهاي طول استفاده ميكند. براي مشخصات بتن از Concrete كه يك نوع ماده تك محوري بتني با در نظر گرفتن كاهندگي سختي در حالت باربرداري و بارگذاري به صورت خطي است استفاده ميكنيم. اثر محصور شدگي به خاطر وجود خاموتها در نظر گرفته ميشود تا بتوان از مشخصههاي بتن محصور شده بر اساس تحقيقات Mander et al. (988) است مدل ميشود. ابتدا قابهاي طراحي شده با نرمافزار [] SAP [] براي بتن هسته استفاده كرد. آرماتورها با مشخصه Steel كه به صورت تك محوري دوخطي با سختشدگي بدون ديوار پركننده را تحت بار جانبي افزايشي قرار ميدهيم تا جابجايي بام به %4 ارتفاع قاب برسد و منحني پوشاور بدست آمده را رسم ميكنيم سپس همين كار را براي قاب با ميانقاب انجام ميدهيم. از آن جا كه ديوار باعث سخت شدن طبقات بالاتر شده تمام جابجاييها در طبقه اول متمركز ميشود و شكست طبقه نرم را شاهد خواهيم بود. براي بهبود اين شرايط ستونهاي طبقه اول را تقويت ميكنيم تا جايي كه ديگر شاهد پديده طبقه نرم نباشيم يا در جابجاييهاي بالا شاهد باشيم.در اين مرحله سازه طراحي شده براي طبقه نرم با ميانقاب را تحليل كرده و منحني پوشاور آن را رسم ميكنيم سپس در همين سازه پارامترهاي ديوار را تقويت ميكنيم تا باز هم در ستونهاي تقويت شده شكست طبقه نرم رخ دهد از مقايسه منحنيها ضريب افزايش مقاومت براي سازههاي مختلف و حالتهاي مختلف ميانقاب بدست ميآيد. در زير نمونه بدست آوردن ضريب فرا مقاومت( α ميكنيد. ( را براي قاب طبقه دهانه با ميانقاب 7 سانتيمتري با بازشو در (/) طول در هر دهانه مشاهده 4 Pushover Curve for ( Story+Strut 7 cm,/ Opening, Bays). Story Drift for ( Story without Strut) Base Shear (kn) bare frame without strut bare frame+strut designed frame+strut designed frame+*strut Drfit Ratio % story story story شكل (6) توزيع دريفت در طبقات در قاب خالي شكل (7) منحني پوشاور در حالتهاي مختلف. 7. Story Drift for ( Story New Design+Strut 7 cm,/ Opening, Bays) 8. Story Drift for ( Story+Strut 7 cm,/ Opening, Bays) Drfit Ratio % story story story Drfit Ratio % story story story.. شكل (8) توزيع دريفت در طبقات در قاب با ديوار پركننده شكل (9) توزيع دريفت در طبقات در قاب طراحي شده با ديوار پركننده

6 4 Masonry Strut vs Displacement for ( Story New Design+Strut 7 cm,/opening, Bays) 4 Masonry Strut vs Displacement for ( Story+Strut 7 cm,/ Opening, Bays) story story story story story Masonry shear (kn) story story story story Masonry shear (kn) story story story شكل () برش دستك در قاب با ديوار پركننده شكل () برش دستك در قاب طراحي شده با ديوار پركننده جدول () ضريب فرامقاومت براي ساختمان طبقه infill 7,6. cm 7, cm,6. cm, cm No.of infill α جدول (4) ضريب فرامقاومت براي ساختمان طبقه infill 7,(L/)opening 7,wo opening,(l/)opening,wo opening No.of infill α جدول () ضريب فرامقاومت براي ساختمان 9 طبقه infill 7,(L/)opening 7, wo opening,(l/)opening, wo opening No.of infill α alfa y = 47.4x R = area modified شكل () ضريب فرامقاومت براي قاب و و 9 طبقه شكل () ضريب فرامقاومت كلي alfa y =.84x.8 R =.9777 y = 7.4x R =.988 y = 4.694x +.77 R = masonry area % story story 9 story 8. خلاصه و نتيجهگيري همانطور كه در منحنيهاي پوشاور ديده ميشود با در نظرگرفتن ديوار سختي سازه و مقاومت آن نسبت به سازه بدون ديوار افزوده ميشود كه از نظر مهندسي بسيار ارزشمند و مفيد است اما به علت اينكه ديوار منقطع ميباشد و در طبقه اول ديواري وجود ندارد سختي و مقاومت اين طبقه نسبت به طبقات بالاتر كمتر بوده كه سبب ميشود تغيير مكانها در اين طبقه متمركز شود كه اين موضوع در شكل (8) به وضوح ديده ميشود. دريفت در طبقه اول سريعا افزايش يافته تا جايي كه در بالا و پايين ستون طبقه اول مفصل پلاستيك ايجاد ميشود. اگر ستون طبقه نرم را براي ضريب فرا مقاومت (α) 6

7 طراحي كنيم يعني برش پايه طراحي لرزهاي را براي طراحي ستون طبقه اول (α) تغييرشكلها در طبقه اول نخواهيم بود و دريفت طبقات با هم رو به افزايش ميباشند. برابر كنيم همانطوركه در شكل (9) ديده ميشود ديگر شاهد تمركز از مقايسه نتايج ميتوان پيبرد كه هر چه نسبت ديوار موجود بيشتر ميشود و هر چه ديوار ضخيمتر ميشود اين ضريب عدد بزرگتري بدست ميآيد. همچنين با افزايش طبقات يا به عبارتي بزرگتر شدن ابعاد ستون طبقات اثر ديوار كمتر ميشود و همانطور كه در جدول () ديده ميشود براي ساختمان 9 طبقه فقط در حالت ضريب (α) بزرگتر از بدست آمد. نكته جالب توجه اين است كه همانطور كه در شكل () ديده ميشود اعداد مربوط به (α) براي ساختمانهاي مختلف به هم مرتبط بوده و ميتوان با در نظرگرفتن درصد اصلاح شده ديوار (يعني مساحت ديوار تقسيم بر مساحت زيربنا ضرب در تعداد طبقاتي كه ديوار در آنها استفاده شده است تقسيم بر تعداد كل طبقات به توان ( تمام اعداد در شكل () را درشكل () ديد. با توجه به اين شكل ميتوان براي هر تعداد طبقه از تا 9 و در حالت مشكل طبقه نرم بر اساس درصد ديوار مورد استفاده ضريب فرامقاومت رابدست آورد. مراجع تابشپور محمدرضا (88) دستنامه 8 مهندسي زلزله "ديوار پركننده آجري در قابهاي سازهاي" انتشارات فدك ايستاتيس تابشپور محمدرضا (88) دستنامه مهندسي زلزله " الزامات ديوار پركننده آجري در آييننامه 8" انتشارات فدك ايستاتيس آيين نامه طراحي ساختمانها در برابر زلزله استاندارد 8 ويرايش سوم (84) كميته داي مي بازنگري آيين نامه طراحي ساختمانها در برابر زلزله تهران مركز تحقيقات ساختمان و مسكن Holmes, M., (96), Steel frames with brickwork and concrete infilling, Proceedings of the Institution of Civil Engineers 9, (eissn 77789).. Mainstone, R. J., 97. On the stiffness and strengths of infilled frames, Proceedings, Institution of Civil Engineers, Supplement IV, Klinger R.E. and Bertero V.V. (969). Infilled Frames in Earthquake Resistant Construction, Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, CA, Rep. UCB/EERC76/. 7. Liauw T.C. and Kawn K.H. (984), New Development in Research of Infilled Frames, Proc. 8th World Conf. on Earthq. Engng., San Francisko, 4, Alidad Hashemi and Khalid M. Mosalam. July 7. Seismic Evaluation of Reinforced Concrete Buildings Including Effects of Masonry Infill Walls. PEER Report 7/ 9. PEER. Open system for earthquake engineering simulation (OpenSees). Version... Berkeley: Pacific Earthquake Eng. Research Center, Univ. of California;. Mander J.B., Priestley M.J.N. and Park R. (988a). "Observed Stress Strain Behavior of Confined Concrete." Journal of Structural Engineering, ASCE, Volume 4, No. 8: CSI (). "SAP Nonlinear Version..8: Structural Analysis Program", Computers and structures,inc., Berkeley, California, U.S.A. 7