پایان نامه مدلسازی تحلیلی تیرهای پیوند فولادی دردیواربرشی کوپله و ارزیابی پارامترهای مربوطه تحت اثرزلزله

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

 مهندسی عمران – سازه 

چکیده :

دیوار برشی سازه ای است که درساختمانها برای مقاومت در برابر بارهای جانبی به کارمی - رود.موقعیت قرارگیری دیوار برشی ونیازهای معماری یا تاسیساتی ،گاهی منظور نمودن بازشوهایی بصورت مرتب در ارتفاع دیوار برشی را الزامی وآن را به دو دیوار که توسط تیرهایی در طبقات به یکدیگر متصل می شوند تبدیل می نماید.این دیوارهای برشی را دیوار برشی کوپله (coupled shear wall) می نامند.وجود ویاعدم وجود تیرهای پیوند ونیزویژگیهای آنها در رفتار لرزه ای دیوار تاثیرگذار است .

هدف از این پایان نامه نشان دادن بهبود رفتار سیستم با تیرپیوند نسبت به سیستم بدون تیر کوپله وعلاوه بر آن مزایای استفاده از تیر پیوند فولادی نسبت به تیر پیوند بتنی می باشد.

تیرهای پیوند باعث انتقال نیرو بین دیوارهای مجاور می شوند.این تیرها در زلزله متحمل تغییر شکلهای غیرالاستیک زیادی می شوند،تا اینکه اجازه دهند سازه به مقاومت تسلیم جانبی برسد وسیستم پیوسته رفتار شکل پذیری داشته باشد.نسبت شکل پذیری بصورت نسبت تغییر شکل نهایی به تغییر شکل تسلیم معرفی می شود.

شکل پذیری دیوار از تیر کمتر است واگر تیر پیوند نتواند تغییر شکل مورد نظر را بر آورده کند تاثیر عمل پیوند کاهش می یابد وباعث کم شدن پایداری جانبی می شود.به طوری که سیستم به دو دیوار مستقل از هم تبدیل می گردد.

عمل پیوند با نسبت دهانه به عمق کم باعث کاهش مقاومت برشی می شود و طراحان برای حل این مشکل از آرماتورهای مورب طبق آئین نامه بتن آمریکا ( ٢٠٠٥ ACI) در مجاورت تیر پیوند استفاده می کنند. این آرماتور های ویژه باعث افزایش زمان ساخت و هزینه می شوند. به علاوه برای تأمین ظرفیت برشی مورد نیاز تیرهای پیوند بتنی اغلب طراحان نیازمند به استفاده از تیرهای عمیق می شوند. برای حل این مشکل بعضی مهندسین به فکر استفاده از تیرهای فولادی به جای تیر بتنی افتادند. در این صورت سیستم به یک سیستم دوگانه (HCW) تبدیل می شود .

در این پایان نامه ابتدا مراحل محاسباتی دیوار وتیر پیوند ارایه می شود وسپس به بیان چند نمونه آزمایشگاهی که توسط چند محقق انجام شده است می پردازیم ،سپس برای بررسی صحت مدلهای اجزاء محدود چند مدل آزمایشگاهی موجود مدلسازی می شود وبا نتایج مدلهای آزمایشگاهی مقایسه می شود.

مقدمه

ایجاد بازشو به صورت ردیف قایم در یک دیوار برشی ،دیوار را به دو یا چند دیوار موازی تقسیم می نماید که توسط تیرهایی در تراز طبقات با یکدیگر مرتبط می گردند .چنین دیوارهایی ، دیوار برشی کوپله نامیده می شوند.اگر به جای استفاده از تیرهای پیوند بتنی از تیر پیوند فولادی استفاده شود این سیستم را سیستم دیوار پیوند ترکیبی (HCW)می نامند.

برای ساده سازی تحلیل دیوارهای برشیکوپله ،می توان از تیرپیوند صرفنظر کرده وهر دیوار کوپله را به صورت دو دیوار کاملا مستقل مورد بررسی قرار داد .در این صورت نیروهای جانبی به نسبت سختی هر قسمت ،بین دیوارهای مختلف تشکیل دهنده یک دیواربرشی کوپله تقسیم می - گردد.هرچندسقف سازه می تواند بعنوان یک رابط بین دیوارها عمل کند اما در محاسبات نباید آن را در نظر گرفت .درصورت وجود تیرهای پیوند،حذف این تیرها باعث غیراقتصادی شدن طرح خواهد شد.

اندرکنش قایم ناشی از وجود تیرهای اتصالی در دیوار برشیکوپله به ابعاد تیرها ونحوه اتصال آنها بستگی دارد .وجود تیرهای اتصالی باعث افزایش سختی جانبی وکاهش تنشها در دیوار می شود،هرچه سختی تیرهای اتصالی بیشتر باشد ،سهم نیروی محوری دیوارها در تحمل بارهای جانبی اعمالی افزایش می یابد.درصورت عدم اجرای تیر پیوند در تمام طبقات اجرای تیر پیوند درطبقه بهینه باعث کاهش چشمگیری در تغییر شکل وممان وارده به دیوارها خواهد شد.

تیرهای پیوند در سه گروه طبقه بندی می شوند : کوتاه ، متوسط و بلند، که این بستگی  به خواص هندسی آنها دارد. وقتی که معماری اجازه دهد ، تیرهای پیوند کوتاه که بصورت برشی عمل می کنند استفاده می شود و اگر معماری اجازه ندهد از تیرهای پیوند بلندتر استفاده می شود که مکانیسم جذب انرژی آنها بصورت ایجاد مفاصل خمشی است . مکانیسمی که شامل تغییر شکل برشی تیر پیوند است معمولاً شکل پذیرتر از رفتار خمشی است .

عمل پیوند وبه طور ویژه استفاده از تیر پیوند فولادی نتایج زیر را دارد.

١-باعث کاهش لنگر اعمال شده به هر دیوار می شود ودرنتیجه باعث افزایش بازدهی سیستم می شود.

٢-تیر پیوند فولادی با تغییر شکل خمیری زیادی که می تواند تحمل کند انرژی لرزه ای زیادی را اتلاف  می کند.

٣- سیستم دیوار برشی کوپله دارای سختی جانبی زیادی نسبت به مجموع سختی دو دیوار بدون تیر پیوند هستند.

در مطالعه ارائه شده باتوجه به استفاده تیر پیوند در طبقات متفاوت وبررسی نتایج بدنبال موثرترین طبقه هستیم وآن را طبقه بهینه معرفی می کنیم .سپس به بررسی نتایج استفاده از تیر پیوندبا مشخصات متفاوت در تمامی طبقات می پردازیم .در ادامه برای صحت مدلهای اجزا محدود چند نمونه آزمایشگاهی را مدلسازی ونتایج حاصل از مدلسازی را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می کنیم .

در مرحله بعد سازه ١٢طبقه ای را با برنامه ETABS مدلسازی کرده وتغییر مکان هدف را بدست می آوریم ،وبا همین برنامه تیرهای پیوند ودیوار برشی را طراحی می کنیم .سپس باتوجه به نیروهای طراحی تیرهای پیوند تیرهای پیوند فولادی راطراحی می کنیم .سپس در دو مدل جداگانه دیوار برشی کوپله با تیر پیوند فولادی ودیوار برشی کوپله باتیر پیوند بتنی را با برنامه ABAQUS

مدلسازی می کنیم وتحت آنالیز پوش اور قرار می دهیم ونتایج را بررسی می کنیم .

در مرحله بعد تیرپیوند بتنی دیوار برشیکوپله با تیر پیوند بتنی که آزمایش ومدلسازی شده است را تعویض وبه جای آن تیر پیوند فولادی قرار می دهیم وتحت بارگذاری قرار می دهیم درنهایت نتایج را باهم مقایسه می کنیم .که درنتیجه اتلاف انرژی بالا ورفتار بهتری از تیر پیوند فولادی دیده می شود.

فصل اول

کلیات

فصل اول :کلیات

 °

١-١)  هدف

هدف از انجام این مطالعات بررسی تاثیر تیر پیوند بر روی سیستم دیوار برشی کوپله است .همچنین مقایسه رفتار تیر پیوند فولادی با تیر پیوند بتنی از دیگر اهداف می باشد.در این مطالعات تاثیر نسبت پیوند بر روی نیروهای بوجود آمده در دیوار بررسی می شود.

ودر نهایت بررسی رفتار لرزه ای تیر پیوند فولادی تحت بارهای سیکلیک و یافتن راهکارهایی برای بهتر کردن رفتار لرزه ای تیر پیوند مانند استفاده از سخت کننده های متفاوت مورد بررسی قرار می گیرد.

١-٢) پیشینه تحقیق

مطالعات نیم قرن گذشته برروی سیستم دیوارهای پیوند نشان می دهد که کارایی سازه به طور زیادی متأثر از مقدار پیوند است . اگر چه اکثر این مطالعات برروی سسیستم بتنی بوده است ، رفتار و مکانیسم سیستم HCW نیز شبیه سیستم بتنی است .مطالعات وتحقیقات نیم قرن اخیر در مورد دیوار برشی کوپله منجر به استفاده از تیرهای پیوند فولادی به جای تیرهای مرسوم بتنی شد.

مطالعاتی که در گذشته در مورد تیر های پیوند فولادی در دیوار برشی کوپله بتن آرمه صورت گرفته است مربوط به (١٩٩٣,١٩٩٨,٢٠٠٠) Harries  و (١٩٩٣) Shahroo و

(٢٠٠١ Gong and Shahrooz)ومجموعه ای تحت عنوان پیشنهادهایی برای طراحی لرزه ای دیوار برشی های پیوند ترکیبی توسط   AMERICAN SOCIETY OF CIVIL) ENGINEERS STRUCTURAL ENGINEERING INSTITUTE  )می باشد که در ادامه ارائه شده است .مطالعه مربوط به [٦] (2005)R.K.L. Su, Y. Zhu میباشدکه که به بررسی روشی برای تقویت تیرهای پیوند بتنی میپردازد.در این بررسی ابتدادیوار برشی با تیرپیوند بتنی وچندنمونه تقویت شده باپلیت فولادی راتحت بارگذاری قرار می دهد ودرانتها نتایج راباهم مقایسه میکند.درنتیجه این آزمایش تیرهای پیوند بارفتار برشی برای بهسازی ومقاوم سازی نسبت به تیرهای بارفتار خمشی مناسب تر هستند.

درمطالعه مربوط به [٧]  (2005)Wan-Shin  Park,  Hyun-Do  Yun وهمچنین درمطالعه ای که    [١٠]  ( ٢٠٠٦) Park Wan-Shin, Yun Hyun-Do به بررسی مقاومت برشی اتصال بین تیرپیوند فولادی ودیوار برشی بتنی میپردازد.دراین مطالعه باتوجه به آزمایشهای انجام گرفته برروی نمونه های آزمایش وبدست آوردن توزیع تنش دراتصال وباتوجه به توزیع تنش فرض شده  درناحیه اتصال به محاسبه طول مهاری مورد نیاز می پردازد.درمحاسبه طول مهاری میزان مشارکت آرماتورهای موجود دراتصال نیز مورد بررسی قرار می گیرد.

در مطالعه [٨] (٢٠٠٥)  Wan-Shin Park, Hyun-Do Yun  به بررسی رفتار لرزه ای تیرهای پیوند فولادی در دیوار برشی بتنی پرداخته می شود. در این مطالعه نیز به رابطه ای برای طول مهاری موردنیاز تیرپیوند درHCW ارائه می شود.

در مطالعه ای مربوط به [١١](٢٠٠٦) Park Wan-Shin, Yun Hyun-Do به بررسی رفتار لرزه ای اتصال وگسیختگی برشی پانل پرداخته شده است . دراین بررسی سه مدل آزمایشگاهی با توجه به وجودویاعدم وجود سخت کننده وآرماتور درناحیه اتصال مورد بررسی قرار می گیرد . وسپس به بررسی مدهای شکست نمونه ها پرداخته میشود.

ومشخصاتی از جمله اتلاف انرژی نمونه ها مقایسه میشود.

درمطالعه [١٢](٢٠٠٦)  R.K.L. Su, H.J. Pam, W.Y. Lam  به بررسی تیرهای پیوند کامپوزیت ونیز بررسی وسایل اتصال پلیت فولادی به بتن پرداخته شده است . در این مطالعه چند نمونه آزمایشی باطول تیر پیوند کوتاه ،متوسط وبلند وبامشخصات متفاوت مورد آزمایش قرار گرفته است ونتایج بررسی شده است .

در مطالعه [١٣](٢٠٠٦) Wan-Shin Park, Hyun-Do Yun  ظرفیت باربری اتصال در تیر پیوند فولادی به دیوار برشی بتنی مورد بررسی قرار گرفته است .

در مطالعه [١٤](٢٠٠٦)  Hyun-Do Yun ,Wan-Shin Park   به بررسی رفتار وطراحی تیرهای پیوند فولادی پرداخته شده است .دراین مورد نیز چند نمونه با مشخصات متفاوت تحت آزمایش قرار گرفته اند وبا توجه به نتایج وملاحظات طراحی وفرض توزیع تنش در ناحیه اتصال از روی تنش واقعی طول مهاری مورد نیاز تیر بدست می آید.

در مطالعه [١٥](٢٠٠٨)  R.K.L. Su, W.Y. Lam, H.J. Pam به بررسی رفتار پلیت های فولادی مدفون در تیر پیوند کامپوزیت پرداخته می شود.

١-٣)روش کار در این تحقیق

در این مطالعه ابتدا روش های طراحی سیستم مدنظر قرار گرفته است و روش های طراحی وهمچنین  ملاحظات  طراحی    RECOMMENDATIONS  FOR  SEISMIC)  (DESIGN OF HYBRID COUPLED WALLSبه نقل از AMERICAN)

SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS STRUCTURAL ENGINEERING

(INSTITUTE ارائه شده است .سپس دو مدل آزمایشگاهی که یکی با عنوان مطالعه آزمایشگاهی وعددی تیر پیوند بتن مسلح تقویت شده با پلیت های خارجی است که یک روش برای مقاوم سازی تیرهای پیوند بتنی است ارائه شده است .در ادامه یک مدل آزمایشگاهی دیگر تحت عنوان رفتار لرزه ای وطراحی تیرهای پیوند فولادی در دیوار برشی های پیوند ترکیبی ارائه شده است .

مرحله بعدی که درفصل دوم آمده است به بررسی صحت مدلسازی عددی توسط برنامه کامپیوتری می پردازیم .در این فصل ابتدا به مدلسازی تیر پیوند بتنی عمیق با توجه به مدل آزمایشگاهی موجود می پردازیم

بعد از مدلسازی نتایج به دست آمده از مدلسازی با برنامه ABAQUS با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می شود .سپس به مدلسازی یک دیوار برشی کوپله با تیر پیوند فولادی می پردازیم

.تفاوت این مدل با مدلسازی قبلی  علاوه در تفاوت در تیر پیوند در نحوه بارگذاری است در مرحله قبل سیستم تحت بار یکطرفه بود ولی در این مورد سیستم تحت بار متناوب می باشد، سازه مدلسازی می شود ونتایج با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می شود.سپس به مدلسازی یک دیوار برشی کوپله بتنی با تیر پیوند بتنی می پردازیم که این سیستم نیز تحت بار متناوب می باشد،مانند قبل مدلسازی انجام می شود ونتایج بدست آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می شود.

بعد از بررسی صحت مدلسازی آنالیز استاتیکی غیر خطی انجام می دهیم .در این مرحله دو دیوار برشی کوپله با مشخصات عمومی  مشابه اما متفاوت در تیر پیوند که یکی با تیر پیوند بتنی ودیگری با تیر پیوند فولادی مدلسازی می شوند وتحت آنالیز پوش اور قرار می گیرند در انتها نتایج دو نمونه با هم مقایسه می شود. 

ABSTRACT

In this study, at first a pre-designed concrete link beam of a coupled shear

walls system, tested previously under cyclic loading, has been analyzed by

Finite Element Modeling (FEM). Then it has been substituted by a steel link

beam, and the analyses have been repeated, to find out the differences

between the hysteretic behavior of the concrete link beam with that of the

steel link beam, designed with the same loading.  In FEM (verified by

analyzing some test samples) 8-node elastoplastic solid elements have been

used.  For the concrete link beams the material has been of ‘concrete damage

plasticity’ type, and for the steel link beams the multi-linear elastoplastic

material model has been used.  The steel reinforcement bars in concrete

elements have been modeled as ‘truss’ element.  The steel link beams have

been considered once without stiffeners and once with them to see how they

improve its behavior.  The embedded length of the steel link beams in the

concrete walls has been considered long enough to be able to assume that no

sliding  occurs between  the  steel beam  and  its  surrounding  concrete.

Numerical results show that in case of steel link beams the hysteretic loops

does not show any pinching effect, and therefore these link beams are better

in seismic energy absorption.  The amount of energy absorption can be more

than 3 times in comparison with the concrete link beams