معمولا عمده گزارشات از خرابی ساختمان های بتنی در زلزله های اخیر شامل کیفیت پایین بتن، طول مهاری ناکافی و قلاب های نامناسب، رفتار تیر قوی ستون ضعیف و رفتار ستون های کوتاه میباشد.
بر این اساس مقاوم سازی سازه ها بر دو اصل اساسی استوار میباشد یکی محدود کردن تغییر مکان جانبی با اضافه کردن المان های جدید که سختی سیستم را افزایش میدهند و این ضمن ایجاد تغییرات اساسی در معماری داخلی ساختمان، باعث تغییر منطق سازه نیز میشود.
اصل دیگر تقویت موضعی المان های ضعیف میباشد که این روش نیز تنها برای سازه هایی که دارای یک یا حداکثر دو المان ضعیف میباشند کاربرد دارد.در مقاوم سازی موضعی تنها مقدار ناچیزی ظرفیت برش پایه و سختی جانبی سیستم بهبود مییابد که ممکن است به خودی خود برای ایمنی لرزه ای کافی نباشد.
استفاده از دیوارهای بتن مسلح پرکننده برای تقویت سازه های آسیب پذیر، از کاربرد فراوانی برخوردار است بر این اساس خواص سازه ای قاب های بتن مسلح مانند نسبت آرماتور طولی و عرضی ستون و تیر ها، مقاومت فشاری ستون و کیفیت اتصال بین قاب و دیوار در تقویت رفتار قاب مورد نظر بوده است که قطعاً نیازمند دقت و حساسیت بسیار در زمان اجرا خواهد بود.
روش دیگر مقاوم سازی با استفاده از دیوارهای برشی فولادی است که خود باعث افزایش عملکرد لرزه ای سازه میشود و نسبت به حالت مشابه بتنی از مشکلات ساخت کمتری برخوردار است اما این روش به طور مستقیم تحت تاثیر نحوه اتصال سازه پرکننده به سازه اصلی میباشد.
در کلیه روش های ارائه شده فوق، ضمن عدم اطمینان کامل از افزایش عملکرد لرزه ای سازه به طور کامل، نیاز مبرم به تخلیه ساختمان در طول دوره ساخت و تغییرات در معماری داخلی آن و چه بسا محدود شدن فضاها وجود دارد که ممکن است برای ساکنین و همچنین مهندسان معمار خوشایند و قابل قبول نباشد.
در این روش ها عملاً هزینه های مقاوم سازی بسیار بالا بوده و در برخی موارد حتی به چند درصد ساخت یک سازه جدید میرسد و مدت زمان بالای اجرا نیز از دیگر کمبود های اساسی روش های فوق به شمار میروند. در این مقاله، دو سازه با ابعاد ثابت یکی به عنوان سازه مدل اولیه و بدون مقاوم سازی، و دیگری تقویت شده با استفاده از المان های سازه فضاکار مورد تحلیل قرار گرفته اند.
مدل های اولیه و تقویت شده المان های سازه فضاکار تحت بارهای نوسانی جانبی جهت شبیه سازی رفتار لرزه ای قرار گرفته اند و این دو با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته اند که بررسی نتایج این تحلیل ها مورد اصلی بحث این مقاله به شمار میرود.
خدمات طراحی سازه
مدل ها:
مدل اولیه:
مدل اولیه یک سازه بتن مسلحی است در دو طبقه هر طبقه به ارتفاع مفید 3 متر و با یک دهنه در یک طرف به طول 5 متر و سه دهنه در طرف دیگر به اندازه های 3 متر در دهنه میانی و 4 متر در دهانه های کناری که مورد بررسی قرار گرفته است. پلان و نماهای این سازه با ابعاد مدل شده در شکل شماره 1 نشان داده شده است.
ابعاد ستون ها300*300 میلیمتر میباشد که با چهار عدد میلگرد فی ۱۴ فولادی مسلح شده است. ابعاد تیر ها نیز ۲۰۰*۳۰۰ میلیمتر انتخاب شده است که با آرماتورهای مشابه با ستون مسلح شده است. در هر دو از میلگرد ۱۰ میلیمتربا فواصل ۱۵ سانتی متری به عنوان خاموت استفاده شده است.
مدل تقویت شده با المان های سازه فضاکار:
بر روی مدل اولیه فوق در قسمت دهنه کوچک تر به صورت بیرونی اقدام به افزودن المان های سازه فضاکار لوله ای با اندازه یک متر و مقطع لوله 33 با ضخامت 2 میلیمتر شده است و این عمل در هر دو طرف سازه انجام گرفته است. کلیه المان ها با سیستم ضلع و گرهی مرو و با گوی های 55 میلیمتر در نظر گرفته شده است.مشخصات مقاطع برای سازه فضاکار در جدول زیر آورده شده است. شکل شماره 3 و 4 پلان و نمای سازه تقویت شده را نشان میدهد.
| طول کمانش | ممان اینرسی | مدول مقطع | شعاع ژیراسیون | سطح مقطع لوله فولادی | ضخامت | قطر مقاطع لوله ای | مقطع |
| 860 | 34400 | 2040 | 10.9 | 289 | 2 | 33.7 | لوله |
اتصال سازه فضاکار به مدل بتنی
عملکرد لرزه ای اتصال بین مدل بتنی و سازه فضاکار عملاً نقش مهمیبه عنوان تنها مکانیزم انتقال بار بین مدل و دیوار برشی ایفا میکند. دیتیل های اتصال المان های سازه فضاکار به مدل بتنی در شکل شماره 5 داده شده است.
برای این امر ابتدا یک ورق فولادی با ضخامت 15 میلیمتر و با ابعاد ۲۵۰*۲۵۰ و با استفاده از رول بولت به ستون بتنی متصل میکنیم برای انجام این کار ابتدا در روی ستون با استفاده از دریل، چهار سوراخ به قطر ۱۸ میلیمتر ایجاد میشود (با فاصله های مورد نظر) و سپس به وسیله کمپروسور باد داخل آن کاملا تمیز میگردد سپس بولت ها در داخل سوراخ قرار داده شده و با استفاه از چسپ اپوکسی کل محل پر میشود تا اتصال مورد نظر ایجاد گردد.
سپس دو ورق به ضخامت 15 میلیمتر را به صورت عمود بر هم داخل یکدیگر قرار داده و یک اتصال خاص ایجاد میشود و آن را روی ورق متصل شده به ستون قرار داده و دور تادور آن جوشکاری میشود و گوی اتصال سازه فضاکار بر روی این ورق قرار داده میشود. و سازه به طور کامل بافته شده و در محل مورد نظر فیکس میگردد.
مشخصات مصالح
مدل سازی بتن محصور شده مطابق با مدل بتن mander انجام گرفته و رابطه ممان انحنا برای هر المان بدست آمده-است. همچنین مقاومت فشاری بتن برابر ۳۰ مگا پاسگال تعیین شده است.
کلیه مقاطع لوله ای سازه فضاکار از لوله های سیاه درزدار نوع فولاد ST37, Fy=2400 kg/cm^2) )و آرماتورها از نوعAIII میباشند.
پیچهای استفاده شده در اتصالات از کلاس۸.۸ (پر مقاومت ) انتخاب شده اند
گوی ها و غلاف ها از فولاد کربنی CK45 و به صورت کوبن کاری شده میباشند.
نحوه مدل سازی و تحلیل
برای تعیین مقدار برش پایه و سختی سازه ها مدل سه بعدی هر دو سازه ) اولیه و تقویت شده ( در نرم افزار SAP2000.v15.01 تهیه شده و تحت تحلیل غیرخطی استاتیکی (Pushover )قرار گرفته اند. مدل غیرخطی با استفاده از FEMA440 تهیه شده و مفاصل پلاستیک در انتهای المان های سازه ای معرفی گردیده اند و این در حالی است که در برنامه برای هر المان مفصل جداگانه ای انتخاب شده بود. به موازات توصیه های مقالات مختلف، طول مفصل پلاستیک به اندازه نصف عمق موثر مقطع در نظر گرفته شده است..رفتار مفصل پلاستیک به وسیله منحنی تغییر شکل نیرو ) شکل 6 )ایده آل سازی شده است. برای معرفی مفاصل پلاستیک از حالت Auto hing خود نرم افزار استفاده شده است و برای هر یک از المان ها بر اساس
وظیفه مورد نظر آنها گزینه لازم انتخاب و با فاصله ۱۰ % طول از ابتدا و انتها اعمال شده است.
رفتار الاستیک خطی بین نقاط A و B، منطقه فوق تسلیم بین B و C، و نقاط بین C و D بیانگر ظرفیت تحمل مقاومت
مقطع میباشد.منطقه فوق تسلیم به سه قسمت تقسیم بندی میشود که تغییر شکل پلاستیک ۱۰ % و ۶۰ % و ۹۰ % میباشد. این سه بخش به طور مجزا بخش IO ) Immediate Occupancy )و LS) Life Safety )و CP ) Collapse Prevention ) میباشد.
نتیجه تحلیل سازه ها
پس از تحلیل غیرخطی استاتیکی (pushover) در هر دو سازه اولین مفصل پلاستیک در پای ستون دهانه های میانی طبقه اول سازه ها رخ میدهد و در هر چهار ستون این مفاصل مطابق شکل های 5 و 1 همزمان تشکیل میشوند.سپس در پای ستون های بعدی این مفاصل تشکیل میشود و این در حالی است که ستون های وسطی در آستانه خرابی قرار گرفته اند و این موضوع در هر دو سازه مدل شده به صورت کاملاً مشابه دیده میشود یعنی اینکه اضافه کردن المان و محدود کردن تغییر مکان تاثیری در محل وقوع مفصل پلاستیک نداشته و نقطه بحرانی این سازه محل ستون های میانی در طبقه اول میباشند.
تغییرمکان جانبی در جهتی که المان های سازه فضاکار اضافه شده است در بالای ستون طبقه دوم حدود 61 % کاهش نشان میدهد و در بالای ستون طبقه اول حدود 34 % میباشد.
با بررسی نمودار نیروی برش پایه جابجایی سازه ها دیده میشود در سازه تقویت نشده مقدار حداکثر نیروی برش پایه برابر ۷۷ تن و در سازه تقویت شده با المان های سازه فضاکار حدود ۱۴۰۰ تن میباشد و این افزایش ۱۸۰۰ درصدی را نشان میدهد و همچنین جاری شدن ناگهانی که در سازه اولیه مشاهده میگردد در سازه تقویت شده نیست و نمودار با شیب ملایمیبالا میرود.
مقایسه با دیوار برشی فولادی بیرونی:
تقویت سازه بتن مسلح به این ترتیب است که در دو دهانه، یک قاب فولادی خارجی با مهارهای قطری )
بادبندی ( با دیتیل های خاصی به سازه بتنی متصل شده است و محاسبات عددی و بررسی تجربی نشان میدهد که این تقویت میزان نیروی برش پایه را تا ۲۴۸ درصد افزایش داده است .
حال اگر به جای قاب مسطح مهارشده از سازه فضاکار دولایه استفاده شود که موضوع این مقاله میباشد، بررسی عددی افزایش ۷۳۰ درصدی را نشان میدهد که اثر این تقویت۷۳۰/۱۹۰ برابر تقویت به وسیله قاب مسطح میباشد.
بحث و بررسی
استفاده از المان های سازه فضاکار به منظور مقاوم سازی سازه های بتن مسلح به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفت.برنامه شامل دو مدل اصلی و تقویت شده بود.مدل ها تحت تغییر مکان سیکلی جهت شبیه سازی رفتار لرزه ای قرار گرفتند.نتایج بدست آمده به شرح زیر میباشد:
- تغییر مکان مدل تقویت شده به نسبت مدل اولیه در طبقه اول حدود 34 درصد و در طبقه دوم حدود 61 درصد کاهش -نشان میدهد که این نشانه افزایش سختی سازه میباشد.
- نیروی برش پایه مدل تقویت شده به نسبت مدل اولیه حدود 1800 درصد افزایش یافته است که این در مقابل تقویت با استفاده از قاب های فولادی خارجی که 248 درصد افزایش برش پایه دارد عددی قابل تامل میباشد.
- نمودار نیروی برش پایه- تغییرمکان در سازه تقویت شده با ملایمت قابل قبولی بالا میرود و افت ناگهانی از خود نشان نمیدهد.
- با توجه به بررسی مدل سازی آن با المان های سازه فضاکار و افزایش برش پایه به صحت بررسی صورت گرفته در این مقاله میرسیم.
نتیجه گیری
به عنوان نتیجه، روش پیشنهادی مقاوم سازی علاوه بر پیشرفته بودن سیستم اجرایی آن، با احترام به تکنیک معماری ساختمان و سرویس دهی آن در زمان کار، باعث افزایش چشمگیر مقاومت سازه در برابر بارهای جانبی مانند زلزله میشود. از آنجاییکه این روش، از بیرون سازه را تقویت میکند، نیازی به تخلیه ساختمان نبز وجود ندارد و همچنین به علت پیش ساختگی قطعات زمان اجرا بسیارکوتاه تر از موارد مشابه بوده و بدون مختل کردن زندگی ساکنین، مقاوم سازی صورت میگیرد.
