اندرکنش قاب بتنی مهاربندهای فولادی

لینک دریافت خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  قابل ویرایش پرینت

تعداد صفحات: 12

اندرکنش قاب‌های بتنی مهاربندهای فولادی

بنت‌الهدی سازگاران

دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

[e-mail]

دکتر حسن حاجی‌کاظمی

استاد گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده : یکی روش‌های مقاوم‌سازی قاب‌های بتنی، استفاده مهاربندهای فولادی است. اگرچه استفاده روش سابقه نسبتا طولانی برخوردار اما مطالعات اندکی موضوع نحوه اندرکنش قاب بتنی مهاربند فولادی انجام شده توصیه مشخصی موضوع چگونگی استفاده ان، دستیابی بازدهی مطلوب وجود ندارد. مقاله تکیه جنبه‌های عملی روش استفاده مهاربند فولادی مقاوم‌سازی قاب‌های بتنی، محدوده کارایی انواع مهاربندها بررسی قرار گرفته است.

نتایج نشان می‌دهد که مهاربندهای فولادی قاب‌های بتنی ارتفاع متوسط دهانه‌های نسبت دهانه ارتفاع بزرگتر 5/1 بهترین بازدهی دارد می‌تواند ظرفیت نیروی جانبی اعمالی سازه حتی سه برابر افزایش دهد. همچنین نشان داده شده که مهاربند ضربدری پس مهاربند نوع هشت بهترین شکل‌های مهاربندی افزایش سختی جانبی سازه می‌باشند.

واژه‌های کلیدی : مقاوم‌سازی – قاب خمشی بتنی – مهاربند فولادی – تغییرمکان جانبی - برش

1 - مقدمه

اولین موارد استفاده مهاربندهای فولادی قاب‌های بتن‌ارمه دهه‌های 1970 1980 بازمی‌گردد سه ساختمان بتنی، یکی ژاپن دو دیگر مکزیکوسیتی مهاربندهای فولادی پیرامونی مقاوم‌سازی شدند [1]. زمان سیستم سازه‌ای توجه استفاده، خصوص مقاوم‌سازی ساختمان‌های بتنی موجود، قرار گرفته ‌است. اگرچه تاکنون موضوع رفتار اثرات متقابل مهاربند فولادی قاب بتنی تحقیقات نسبتا زیادی انجام شده‌است، اما‌ هنوز اطلاعات کافی شناخت مناسبی چگونگی اندرکنش دو سیستم سازه‌ای دست نیست.

در مقاله، رفتار متقابل مهاربند قاب بتنی اثرات شکل‌ هندسی مهاربند کارایی روش بررسی قرار می‌گیرد. بدین منظور سه سازه بتن‌ارمه پنج، ده پانزده طبقه پلان مشابه نظر گرفته شده‌است. هریک قاب‌ها تحت اثر بارهای قائم جانبی، پنج شکل مختلف مهاربند فولادی طراحی شده‌ سپس هر مورد، رفتار قاب بتن‌ارمه تنهایی مهاربند، بررسی مقایسه قرار گرفته است.

2 - تاریخچه تحقیقات

در سال 1990، Badoux وJirsa [2]، نگاهی تحلیلی، بررسی رفتار قاب‌های بتنی مهاربندی شده هنگام اعمال بارهای جانبی خصوص بارهای سیکلی پرداختند. پژوهش اثر لاغری مهاربند مقدار انرژی جذب شده توسط قاب توجه قرار گرفت نشان داده کاهش سطح مقطع تیرها تعبیه مهاربندهای فولادی ساختمان‌های غیرنرم دارای ستون‌های ضعیف تیرهای قوی، موجب افزایش قابل‌توجه شکل‌پذیری قابلیت جذب انرژی قاب بتنی می‌گردد.

در سال‌های 1990 1995 مقالات تحلیلی ازمایشی مختلفی موضوع موضوع منتشر شده‌ است. مقالات کارایی روش افزایش مقاومت جانبی شکل‌پذیری قاب همچنین اقتصادی بودن پرداخته شده است. تقریبا تمامی موارد، مهاربندهای نوع ضربدری به‌صورت دورن‌قابی استفاده شده ‌است. همچنین برخی مقالات، جزئیات اتصال مهاربند قاب استفاده مهاربندهای میراکننده مهاربندهای پس‌کشیده توجه قرار گرفته‌است. مقاله‌ای سال 1991 توسط et.al Bush [3] ارائه شد، مشخص گردیده قبل کمانش مهاربند فشاری، بین 60 70 درصد برش وارد قاب، توسط مهاربندها تحمل می‌شود.

در سال 1995، Maheri Sahebi[4]، طی یک مقاله گزارش ازمایشی قاب‌ بتنی مهاربند ضربدری، مهاربند کششی تنها مهاربند فشاری تنها پرداخته‌اند. ازمایش مشخص شده مهاربند کششی نسبت مهاربند فشاری، سهم بیشتری تحمل نیروی جانبی وارد قاب دارد. همچنین نشان داده‌ شده‌است درصورت استفاده مهاربند ضربدری، برش قابل تحمل قاب، یک‌ونیم برابر ظرفیت برش درصورت استفاده مهاربند کششی فشاری تک است.

در 1996 Masri Goel [5]، مقاله‌ای نتایج ازمایشات انجام شده قاب بتن مسلح دال قارچی مهاربند فولادی ارائه کرده نشان داده‌اند استفاده روش مقاوم‌سازی کاهش تغییرمکان جانبی قاب بتنی بسیار موثر است.

تسنیمی معصومی [1]، سال 2000 (1379) ازمایشاتی قاب‌های بتنی مهاربندی شده مهاربند ضربدری انجام داده‌اند هر ازمایش نحوه اتصال مهاربند قاب متفاوت بوده‌است. نتایج ازمایشات نشان داده جزئیات اتصال مهاربند قاب اثر قابل‌توجهی رفتار لرزه‌ای قاب کارایی روش مقاوم‌سازی دارد.

در سال ٢٠٠١، Ghobarah Abou Elfath [6]، رفتار غیر الاستیک یک سازه سه سقف بتنی مقاوم‌سازی شده دو گزینه مهاربند ضربدری مهاربند واگرای هشت اتصال برشی راس مهاربندها را، نرم‌افزار DRAIN مدل‌سازی نموده نشان داده‌اند تحت اثر دوازده زلزله مهم متفاوت، قاب مهاربندی شده واگرا رفتار غیرترد اطمینان‌بخشی دارد.

در سال 1380 (2001)، مقاله‌ای توسط خیرالدین [7]، دومین همایش بین‌المللی ساختمان‌های بلند ارائه شد، رفتار خطی یک ساختمان ده طبقه بتنی مهاربند فولادی ضربدری بررسی نتیجه‌گیری شده‌است درصد برش جذب شده طبقات پایینی ساختمان توسط مهاربند ٦٠% توسط قاب ٤٠% می‌باشد. به‌علاوه، وجود مهاربند طبقات بالا، موجب افزایش تغییرمکان جانبی قاب خواهد شد. اما طور کلی استفاده مهاربند ضربدری، تغییرمکان جانبی قاب حدود ٥٠% کاهش می‌دهد. همین محقق مقاله دیگری، استفاده مهاربند هشت فاصله میانی قاب بتن‌ارمه بررسی قرار داده است[8] مشخص نموده استفاده مهاربندها ساختمان ٥ طبقه، تمامی طبقات مفید است، اما ساختمان‌های ١٠ ١٥ طبقه، موجب ایجاد برش منفی طبقات بالایی بام ساختمان می‌گردد.

در سال ٢٠٠٧، et.al Youssef [9] انجام ازمایشاتی قاب بتنی بدون مهاربند ضربدری مقایسه دو حالت، نتیجه رسیده‌اند درنظر گرفتن ضریب رفتار متداول قاب خمشی بتن مسلح شکل‌پذیری متوسط، قاب بتنی مقاوم شده مهاربند فولادی کافی مناسب است. همچنین پیش‌بینی شده درصورت استفاده سیستم قاب خمشی بتنی مهاربند فولادی، وزن سازه حدود ٣٥ درصد کاهش می‌یابد.

3 - مدل‌سازی

همان‌طور اشاره شد، هدف مطالعه بررسی اندرکنش قاب خمشی بتنی مهاربندهای فولادی شکل‌های گوناگون، محدوده رفتار خطی مصالح می‌باشد. انجام کار، سه ساختمان بتنی تعداد طبقات ٥ ، ١٠ ١٥ طبقه پلان نشان داده شده شکل(1) مطالعه قرار گرفته است. بررسی اثر نسبت دهانه ارتفاع، تعداد ابعاد دهانه‌ها جهت‌های X Y متفاوت انتخاب شده است. هر دو جهت شش دهانه مهاربندی شده صورت متقارن پلان، نظر گرفته شده بتوان اثرات پیچش صرف‌نظر نمود.

شکل1 پلان ساختمان

انالیز سازه به‌صورت خطی توسط نرم‌افزار ETABS انجام می‌شود. مدل‌سازی، مقاومت فشاری بتن ، تنش تسلیم ارماتورهای فولادی تنش جاری شدن فولاد مهاربندها ، درنظر گرفته شده است. طراحی اعضای قاب بتنی اساس ایین‌نامه ACI 318 [10]، روش مقاومت نهایی طراحی مهاربندهای فولادی اساس ایین‌نامه AISC-ASD [11] روش تنش مجاز انجام شده‌است.

بارهای وارد ساختمان دو دسته کلی بارهای ثقلی بارهای جانبی درنظر گرفته شده است. بارهای ثقلی شامل بار مرده اعمالی کف‌ها معادل بار زنده برابر است. ضریب زلزله ساختمان ١٥% منظور شده مطابق ایین‌نامه ٢٨٠٠ [12]، ضریب زلزله یک ساختمان بتنی، همین حدود ارتفاع، واقع مناطق زلزله‌خیز شدید، درجه اهمیت متوسط ضریب رفتار ٥/٥ است. وزن ساختمان جهت اعمال نیروی زلزله توجه ایین‌نامه ٢٨٠٠، معادل وزن اعضا، بار مرده کل ٢٠% بار زنده منظور شده‌است.

ستون‌های هر ساختمان بین مقاطع تیپ؛ 30×30 ، 40×40 ، 50×50 ، 60×60 ، 70×70 ، 80×80 90×90 سانتی‌متر انتخاب شده تیرها دو مقطع تیپ 30×30 35×35 سانتی‌متر نظر گرفته شده است. میان شکل‌های مهاربندی رایج، پنج شکل کارایی سختی جانبی بیشتری نسبت سایر شکل‌ها دارند انتخاب می‌شوند (شکل 2). هریک پنج شکل مهاربندی هر سه تیپ ساختمان 5 ، 10 15 طبقه درنظر گرفته می‌شود مجموع پانزده سازه تحلیل طراحی می‌شوند. طراحی مهاربندها مقاطع توخالی شامل مجموعه مقاطع استاندارد HSS PIPE درنظر گرفته شده‌است. دلیل انتخاب علت تقارن مقطع، استفاده مقاطع طراحی مهاربندها مناسب رایج امکان مقایسه نتایج سایر بررسی‌های انجام شده ممکن می‌گردد همچنین مجموعه مقاطع، گستره مناسبی سطح مقطع ممان اینرسی مقطع می‌پوشانند درنتیجه مقدار خطای طراحی کم می‌شود (تعداد 129 مقطع متفاوت لیست وجود دارد).

(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 صورت ابتدا ساختمان تعداد طبقات مشخص، مقاطع بتنی 30×30 سانتی‌متر تیرها ستون‌ها یکی شکل‌های مهاربندی مدل‌سازی می‌شود. سپس پروسه تحلیل – طراحی مهاربندها تکرار می‌شود مقاطع مهاربندها تحلیل طراحی یکسان شود. پس ان، مقاطع غیرمجاز ستون‌ها تیرها اصلاح می‌گردد بار دیگر تحلیل طراحی فولادی مهاربندها تکرار می‌شود. روش انتخاب مقاطع مناسب مهاربندها اعضای قاب ادامه می‌یابد. ترتیب ضمن انکه مقاطع بهینه مهاربندها توسط برنامه انتخاب می‌شود، ستون‌ها تیرها کوچکترین مقطع تیپ ممکن اختصاص داده می‌شود. پس انجام طراحی تمامی ساختمان‌ها، مشخص بیش ٩٨% موارد، مقطع تیپ 30×30 سانتی‌متر تیرها کافی تنها چند مقطع 35×35 سانتی‌متر استفاده شد. شایان ذکر توجه نتایج ازمایش ارائه شده مرجع [9]، قاب بتنی نوع قاب معمولی ضوابط مناطق زلزله‌خیز رعایت نشده است.

4 - بررسی مقایسه نتایج

4-1- بررسی سختی قاب بتنی بدون مهاربند فولادی

اولین مهم‌ترین اثر وجود مهاربند قاب بتنی، افزایش سختی قاب بتنی اما سوال وجود دارد کدام‌یک شکل‌های مهاربندی سختی جانبی بیشتری قاب ایجاد می‌نمایند. ادامه، نمودار نسبت تغییرمکان هر طبقه قاب بتنی بدون مهاربندی قاب مهاربندی شده دو جهت x y، اثر نیروی جانبی یکسان، هر سه تیپ ساختمان پنج ، ده پانزده طبقه ارائه می‌شود. بررسی نمودارهای 1 ، 2 3 می‌توان نتایج دست یافت :

- طور کلی اضافه کردن مهاربند قاب خمشی، موجب افزایش سختی جانبی سازه می‌شود اما افزایش ارتفاع ساختمان، مقدار تغییر سختی کمتر می‌شود یعنی مشارکت مهاربند تحمل بار جانبی کاهش می‌یابد.