اندرکنش قاب‌های بتنی با مهاربندهای فولادی 12 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 12

اندرکنش قاب‌های بتنی با 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 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 تکیه بر جنبه‌های عملی روش استفاده از مهاربند فولادی در مقاوم‌سازی قاب‌های بتنی، محدوده کارایی انواع مهاربندها مورد بررسی قرار گرفته است.

نتایج نشان می‌دهد که مهاربندهای فولادی در قاب‌های بتنی 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. همچنین نشان داده شده است که 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 - 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 روی 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 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 ، تنش تسلیم آرماتورهای فولادی و تنش جاری شدن فولاد مهاربندها ، 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 بارهای جانبی درنظر گرفته شده است. بارهای ثقلی شامل بار مرده اعمالی به کف‌ها معادل و بار زنده برابر 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 همچنین 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).

(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 مقایسه نتایج

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 نمودارهای 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.