بهسازی لرزه ای قاب های بتن آرمه میانپر مصالح بنایی با استفاده از پلیمرهای مسلح فیبری

پایان نامه برای دریافت درجه­ی کارشناسی ارشد  «M.Sc»

گرایش: سازه

عنوان:

بهسازی لرزه ای قاب های بتن آرمه میانپر مصالح بنایی با استفاده از پلیمرهای مسلح فیبری

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات:166   صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

فهرست مطالب

فصل اول : کلیات.. 1

1-1- مقدمه. 2

1-2- خصوصیات قاب میانپر. 4

1-2-1- اندرکنش بین قاب و میانقاب.. 4

1-2-2- خواص مصالح میانقاب.. 6

1-2-3- درزها 8

1-2-4- آرماتور. 8

1-2-5- نسبت بعدی.. 9

1-3- مودهای گسیختگی قابهای میانپر. 10

1-4- سختی قاب میانپر. 14

1-4-1- نحوه مدلسازی اثر میانقاب بر سختی. 17

1-5- مقاومت میانقاب.. 19

1-5-1- مقاومت ترکخوردگی میانقاب.. 21

1-5-2- مقاومت نهایی میانقاب.. 23

1-5-2- مقاومت میانقاب در جهت عمود بر صفحه. 25

فصل دوم  : مبانی نظری و پیشینه تحقیقات انجام شده. 31

2-1- معرفی کامپوزیتهای FRP و کاربرد آن در مقاومسازی سازههای بتن مسلح. 32

2-1-1-انواع ورق‌های کامپوزیت FRP. 33

2-1-2- ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت‌های FRP. 33

2-1-3-  رزین‌ها 34

2-1-4-  مقایسه عملکرد انواع کامپوزیت‌های FRP در مقاوم‌سازی سازه‌ها 35

2-1-5-  ضریب ایمنی. 35

2-2- بررسی مطالعات انجام شده در زمینه مقاوم‌سازی قاب‌های میانپر با FRP. 36

2-2-1- مروری بر مطالعات آزمایشگاهی انجام گرفته توسط اوزکایناک و همکاران. 36

2-2-1-1- بررسی نتایج. 38

2-2-2- مروری بر مطالعات آزمایشگاهی انجام گرفته توسط تارک المسلم و همکاران. 39

2-2-2-1- بحث روی نتایج. 40

2-2-2-2- نتیجه‌گیری.. 42

2-2-3- مروری بر مطالعات آزمایشگاهی انجام گرفته توسط آکین و همکاران. 43

2-2-3-1- بررسی رفتار نمونه‌های مورد آزمایش… 45

2-2-3-2- بحث روی نتایج. 46

2-2-3-3-نتیجه گیری.. 49

فصل سوم : اصول و مبانی مدلسازی و تحلیل قابهای میانپر با نرم‌افزار اجزاء محدود ABAQUS. 50

3-1- مقدمه. 51

3-2- معرفی نرم‌افزار اجزاء محدود ABAQUS. 52

3-2-1- تاریخچه. 54

3-3- معرفی تحقیق آزمایشگاهی مورد استفاده برای مدلسازی در نرم افزار ABAQUS. 55

3-3-1- معرفی نمونه‌ها 56

3-3-1-1- قاب بتنی مسلح با دیوار میانقاب آجری.. 56

3-3-1-2- بررسی حالت‌های مختلف مقاوم‌سازی نمونه‌ها 60

3-4- مدلسازی اعضا 66

3-4-1- مدلسازی اعضای قاب بتنی مسلح. 66

3-4-1-1- مدلسازی رفتار بتن در آباکوس.. 67

3-4-1-2- معرفی المان  C3D8R برای اعضای بتنی. 79

3-4-1-3- مدل‌سازی میلگردهای فولادی.. 80

3-4-2- مدل‌سازی میانقاب آجری.. 83

3-4-2-1- روش‌های موجود برای مدل سازی سازه‌های بنایی. 83

3-4-2-1-1- مدلسازی دقیق. 83

3-4-2-1-2- مدلسازی میکرو. 84

3-4-2-1-3- مدلسازی ماکرو. 84

3-4-3- مدل سازی CFRP. 89

3-5- تحلیل. 90

3-5-1- روش تحلیل دینامیکی صریح. 91

3-5-2- مقیاس‌سازی جرمی. 92

3-5-3- فرضیات تحلیل. 93

فصل چهارم : مدل‌سازی و نتایج.. 95

4-1- مقدمه. 96

4-2- مشخصات مکانیکی مصالح. 97

4-2-1- بتن. 97

4-2-2- میلگردها 97

4-2-3-مصالح بنایی. 97

4-2-4- CFRP. 97

4-3- مدل‌سازی.. 98

4-2- نتایج تحلیل دینامیکی غیرخطی روی نمونه‌ها 99

4-2-1- نمونه 1. 99

4-2-2- نمونه 2. 103

4-2-3- نمونه 3. 107

4-2-4- نمونه 4. 111

4-2-5- نمونه 5. 116

4-2-6- نمونه 6. 121

4-2-7- نمونه 7. 126

فصل پنجم : بحث و نتیجه‌گیری.. 131

5-1- مقدمه. 132

5-2- بحث روی نتایج حاصل از تحلیل. 133

5-3- نتیجه‌گیری.. 138

5-4- پیشنهادات.. 139

فهرست منابع و مراجع. 140

ABSTRACT. 146

1-1-    مقدمه

زمین­لرزه­ها در طی زمان­های طولانی به عنوان مخرب­ترین مخاطره طبیعی شناسایی شده­اند. هیچ نیروی طبیعی دیگری قابلیت چنین خرابی­های بزرگ در مدت زمان کوتاه را ندارد. زمین­لرزه­ها بدون هشدار قبلی به وقوع می­پیوندند و تنها در عرض چند ثانیه، تلفات و آسیب­های فراوانی از خود بر جای می­گذارند. اگرچه امکان جلوگیری از وقوع زمینلرزه وجود ندارد اما تکنولوژی جدید در علوم و مهندسی، ابزارهای جدیدی را برای کاهش اثرات مخرب آن تامین می­کند. خطر عمده برای ایمنی و حیات انسان­ها، آسیب لرزه­ای و ریزش ساختمان­ها و دیگر بناهایی است که دارای ضعف در طراحی یا ساخت می­باشند. درپی زمین­لرزه­ها علاوه بر تلفات جانی، ثروت ملی نیز به­هدر رفته و بار مالی زیادی بر اقتصاد کشورها بوجود می­آید که این امر در مورد کشور­هایی با اقتصاد زودشکن اثرات جدی و دراز­مدت به­جای می­گذارند.

نوع رایج ساختمان­ها معمولی در مراکز شهری دیوار بنایی غیر مسلح[1] می­باشد که فضای بین قاب­های سازه­ای را پر می­کنند. به همین دلیل این نوع دیوارها را میانقاب[2] می­نامند[1].معمولاً واژه قاب میانپر[3] زمانی بکار می­رود که ابتدا قاب ساخته شود و سپس درون آن میانقاب اجرا گردد[2]. با اینکه میانقاب­ها به عنوان اجزای غیر سازه­ای در نظر گرفته می­شوند اما تحت تحریکات لرزه­ای، بین دیوارهای میانقاب با قاب محصور کننده آن اندرکنش به وجود می­آید و منجر به ایجاد مدهای شکست نامطلوب در قاب و میانقاب می­شود. عموماً، میانقاب­ها در زلزله­های متوسط عملکرد ضعیفی از خود نشان داده­اند. رفتار آنها معمولاً ترد بوده و دارای شکل­پذیری کم و یا بدون شکل پذیری هستند و شکل­های مختلفی از آسیب­ها از قبیل ترک­خوردگی نامرئی، خوردشدگی و نهایتاً تخریب کلی را متحمل می­شوند. این رفتار، عامل خطرات زیادی در حین زمینلرزه میباشد و این ضعف در عملکرد لرزه­ای به عنوان چالشی بزرگ پیش روی طراحان قرار گرفته است.  بهسازی لرزه­ای از طریق اضافه کردن قاب­های سازه­ای و یا دیوار برشی غیر عملی بوده و بسیار پرهزینه می­باشد و در برخی ساختمان­ها با محدودیت­های بخصوصی روبرو است. روش­های دیگر مقاوم­سازی از قبیل تزریق دوغاب، نصب فولاد تقویت کننده، پیش تنیدگی، جکت کردن و روش­های مختلف تقویت سطوح باعث افزایش قابل توجه جرم و سختی سازه شده و در نتیجه بارهای لرزه­ای بالاتر را به سازه تحمیل می­کنند. این روش­ها مستلزم نیروی کار ماهر بوده و عملکرد طبیعی ساختمان را مختل می­کند. این روش­ها تحت عنوان “روش­های کلاسیک” مقاوم­سازی قرار می­گیرند. یکی از روش­های نوینی که در سال­های اخیر مورد توجه صنعتگران قرار گرفته است، مقاوم­سازی ساختمان­های موجود با استفاده از کامپوزیت­ها می­باشد. در این زمینه تحقیقات زیادی صورت پذیرفته و آئین­نامه­هایی مقدماتی نیز برای استفاده از آنها تهیه شده است. کامپوزیت­ها ابتدا برای کاربردهای نظامی و صنایع هوافضا مورد استفاده قرار گرفتند، اما با کاهش قیمت، این مواد در بسیاری از صنایع به دلیل خصوصیاتی مانند وزن کم و مقاومت بسیار زیاد کششی، مقاومت در برابر شرایط جوی و غیره مورد توجه دست­اندرکاران و صنعت­سازان واقع شد. استفاده از پلیمرهای مسلح فیبری[4] به دلیل ضخامت کم، نسبت مقاومت به وزن بالا، سختی زیاد و کاربرد آسان یک روش مقاوم­سازی جایگزین معتبر می­باشد.

زمینلرزه­های قدرتمند باعث اعمال نیروهای زیاد درون­صفحه­ای و برون­صفحه­ای به دیوارهای بنایی شده و امکان تخریب فاجعه­بار در این سازه­ها را فراهم می­آورند. با این حال اکثر اقدامات انجام گرفته در این زمینه روی رفتار خارج از صفحه دیوارهای مصالح بنایی تقویت شده با پلیمرهای مسلح فیبری متمرکز شده است. ممکن است دیوار میانقاب یا بخشی از آن بدلیل نبود قید برون­صفحه­ای کافی بین سطح مشترک بین قاب و میانقاب و یا شکست برشی یا خمشی دیوار میانقاب از قاب احاطه کننده آن به بیرون رانده­شود. در میانقاب­های بدون آسیب­دیدگی، این نوع خرابی را می­توان به نیروهای اینرسی بخصوص برای میانقابهای طبقات بالاتر و نسبت لاغری بزرگ نسبت داد. پس از آنکه مصالح بنایی از قاب جداشوند امکان بروز شکست برون­صفحه­ای محتمل است[1]. یکی از اهداف این تحقیق، بررسی اثر لایه­های پلیمر مسلح فیبری در تغییر مدهای شکست، مقاومت، تغییر شکل و انرژی تلف شده توسط سازه در آرایش­های مختلف لایه­ها می­باشد. هدف دیگر بررسی میزان بهبود مقاومت برشی و فشاری میانقاب تقویت شده با پلیمر مسلح فیبری می­باشد. تقویت با پلیمر مسلح فیبری، یکپارچگی سازه­ای دیوار میانقاب را حفظ کرده و از شکست ترد و خردشدگی آن جلوگیری می­کند و با توجه به اینکه این نوع خردشدگی با وجود ایمن ماندن کل سازه، خطر بزرگی برای ساکنان است جلوگیری از آن حائز اهمیت فراوان می­باشد.

1-2- خصوصیات قاب­ میانپر

به­طور کلی، وجود میانقاب در داخل قاب، سختی و مقاومت آن را به مقدار قابل ملاحظه­ای افزایش می­دهد. البته قاب باید کفایت لازم را برای تبدیل دیوار به میانقاب داشته باشد که شرایط آن در فیما 356[5] [4] و دستورالعمل بهسازی ساختمان­ها در برابر زلزله [5] ذکر شده است. قابی که در آن میانقاب ضعیف اجرا شده، در بارگذاری جانبی دچار لغزش از روی بستر می­گردد، در حالیکه در قاب ضعیف دارای میانقاب قوی، معمولاً ترک قطری و شکست برشی ستون بارگذاری مشاهده می­گردد. و زمانی که قاب و میانقاب هردو قوی هستند مقاومت نهایی با شکست کنج همراه می­گردد.

1-2-1- اندرکنش بین قاب و میانقاب

بر اساس مشاهدات زلزله­های اخیر، اندرکنش بین میانقاب و ستون­های بتنی موجب گسیختگی ترد می­شود. وجود میانقاب در داخل قاب بتنی حائز اهمیت فراوان بوده و اثر تعیین کننده در رفتار سازه­های بتنی در حین زلزله دارد. در زلزله­های اخیر، خرابی­های قابل توجهی به­علت پدیده اندرکنش بین قاب و میانقاب اتفاق افتاد.

اسمیت و کول [6] یک روش طراحی برای قاب میانپر بر اساس معیار قاب مهاربندی شده قطری بیان کردند. آنها روشی پیشنهاد کردند که در آن سه مود گسیختگی محتمل برای دیوار میانقاب در نظر گرفته می شد: برش در طول دیوار، خردشدگی قطری دیوار میانقاب و خرد شدگی گوشه در دیوار میانقاب. پاولی و پریستلی [7] نظریه­ای در باره رفتار لرزه­ای قاب میانپر ارائه دادند و روشی برای طراحی آن پیشنهاد کردند. بر اساس این نظریه، اگرچه میانقاب ممکن است ظرفیت باربری جانبی کلی سازه را افزایش دهد اما باعث تغییر پاسخ سازه­ای شده و نیرو را به قسمت­های دیگر و نامطلوب سازه و بصورت نامتقارن جذب می­کند. این بدان معنی است که میانقاب مصالح بنایی ممکن است رفتار لرزه­ای سازه را تحت تاثیر قرار دهد. بل و دیویدسون [8]  گزارشی در مورد ارزیابی ساختمان­های بتن مسلح با میانقاب مصالح بنایی ارائه کردند. آنها در ارزیابی خود برای مدلسازی دیوار مصالح بنایی یک دستک معادل بکار بردند. نتایج آنها نشان داد میانقابها در صورتی که با ترتیب منظمی در ساختمان قرار گرفته باشند تاثیر سودمند قابل توجهی روی رفتار ساختمان­های بتنی مسلح دارند که این امر با آیین­نامه­های راهبردی نیوزیلند که عقیده بر تاثیر زیان­آور میانقاب­ها روی ساختمان­ها بدلیل اثر اندرکنشی آنها داشت مغایر بود. محی­الدین-کرمانی و همکاران [9] بطور ویژه­ای روی مشاهدات انجام شده روی ساختمان­های بتنی با میانقاب مصالح بنایی در زلزله سیچوان[6]  تمرکز کردند و آسیبها و مودهای گسیختگی را با علل وقوع آن شناسایی کردند.  این مودهای شکست همانند زلزله های قبلی ناشی از اندرکنش بین قاب و میانقاب می­باشد. باران و سویل [10]  روی رفتار قاب­های میانپر تحت بارهای لرزه­ای مطالعاتی انجام دادند. آنها میانقاب آجری توخالی را به عنوان اعضای سازه­ای در قرایند طراحی در نظر گرفتند. آنها تاکید کردند از آنجاییکه رفتار سازه غیر­خطی بوده و بطور عمده به شرایط اندرکنش بین قاب و میانقاب وابسته است، مطالعات تحلیلی باید با نتایج آزمایشگاهی مورد بازبینی قرار گرفنه و تایید گردد.

به­طور کلی می­توان گفت که اندرکنش قاب با میانقاب موجب افزایش مقاوت و سختی از یکسو، و  افزایش نرمی (شکل­پذیری) میانقاب از سوی دیگر می­شود و در نتیجه خواص لرزه­ای را به­طور چشمگیری بهبود می­بخشد. براساس این رفتار اندرکنشی، این قاب­ها را مرکب می­خوانیم [11].

1-2-2- خواص مصالح میانقاب

یکی از مسائل مهم در بررسی رفتار میانقاب و مدلسازی عددی آنها شناخت خواص مصالح آنهاست. در آزمایش­های متعددی نشان داده شده است که افزایش مقاومت مصالح میانقاب همواره باعث افزایش مقاومت قاب میانپر می­شود [12].

معمولا خواص مصالح میانقاب را با نمونه آجرکاری[7] که شامل تعدادی آجر و ملات است به­دست می­آورند. حالت استاندارد شامل سه آجر و دو ملات می­باشد [13] که در شکل 1.1 الف نشان داده شده است، ولی در برخی تحقیقات استوانه­های بزرگتر شامل تعداد آجر بیشتر به­کار رفته است. در شکل (1-1) ب رفتار تنش-کرنش آجر، ملات و نمونه آجرکاری آمده و برای آن یک آجر تنها، نمونه آجرکاری شامل 3 آجر و دو لایه ملات و نمونه استوانه­ای استاندارد تحت آزمایش محوری قرار گرفته­اند. همانگونه که در این شکل دیده می­شود، آجر بیشترین و ملات کمترین سختی را دارد و سختی و مقاومت نمونه آجرکاری بین کمیات مشابه مربوط به ملات و آجر است [14].

و......