1.علت بهسازی سازه
ساختمان نیمه اسکلت متشکل از دیوارهای بنایی و یکی از سیستمهای قاب ساده فولادی یا مهاربندی‌شده، قاب خمشی فولادی یا بتنی یا تک‌ستون های فولادی یا بتنی است. راهکارهای متفاوتی برای بهسازی کلی چنین ساختمان‌هایی پیشنهادشده که می‌توان به تقویت دیوار آجری با نوارهای پلیمری، تسمه‌های فولادی و بتن پاشی اشاره نمود.
همچنین افزایش سطح دیوارها، افزودن قاب خمشی فولادی یا مهاربندی‌شده و افزودن قاب خمشی بتنی یا دیوار برشی از دیگر راهکارهای مطرح‌شده است. بااین‌وجود مقایسه جامعی بین روش‌های مطروحه ارائه نشده است. هدف این پایان‌نامه مقایسه روش‌های بهسازی جهت رسیدن به گزینه مناسب و اقتصادی است. متغیر وابسته این تحقیق شاخص آسیب‌پذیری است که تابعی از مشخصات ابعادی و مقاومتی ۱ ساختمان نیمه اسکلتی موجود است.
متغیر خروجی نیز پاسخ و سطح عملکرد سازه در نظر گرفته‌شده است. از نتایج این پژوهش می‌توان به روش مناسب بهسازی لرزهای برای ساختمان‌های نیمه اسکلتی موجود دست‌یافت. آئین‌نامه 2800 دربند 3-1 ویرایش ۲ و بند 14-1 ویرایش ۳، این ساختمان‌ها را به‌طورکلی در ردیف ساختمان‌های با مصالح بنائی غیرمسلح محسوب نموده ولی تکلیف قاب‌های فولادی و اثر منفی یا مثبت وجود آن‌ها در سازه، مبهم مانده است.
این پژوهش قصد دارد ضمن پرداختن به پارهای از نقطه‌ضعف‌های این نوع ساختمان‌ها، سازوکارهایی برای کاهش رفتار نامطلوب این‌گونه سازه‌ها ارائه نماید. لازم به ذکر است در ویرایش ۴ استاندارد 2800 این نوع سازه‌ها از تعریف ساختمان‌های بنایی خارج‌شده است.
در این مقاله برای تحلیل روش‌های مختلف بهسازی ۱ ساختمان نیمه اسکلتی روستایی و مقایسه آن‌ها از نرم‌افزار 3D-PERFORM بر مبنای دستورالعمل بهسازی لرزهای نشریه 360 و 345 استفاده می‌گردد. در این مقاله به تحلیل لرزهای ۱ ساختمان نیمه اسکلتی به روش استاتیکی غیرخطی پرداخته خواهد شد.
نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که تقویت ستون های اسکلت فولادی تأثیر بیشتری نسبت به تقویت دیوارهای بنایی دارد و همچنین تقویت دیوارها به روش بتن پاشی یا فیبرهای پلیمری مسلح تقریباً نقش یکسانی در بهسازی لرزهای ساختمان‌های نیمه اسکلتی موجود دارند.
2.بررسی راهکارهای پیشنهادی برای بهسازی ساختمان‌های بنایی
در این پژوهش برای بهسازی ساختمان‌های بنایی با رفع موارد آسیب پذیری و با مبنا قراردادن راهکار بهسازی از طریق تامین سختی جانبی لازم برای اعضای سازه‌ای، روش‌های ذیل برای ساختمان‌های نیمه اسکلتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت
1.2 بهسازی ساختمان‌های با دیوار بنایی به روش بتن پاشی
در این روش ابتدا کلیه اندودهای دیوار آجری برداشته شده، سپس بتن پاشی بر سطح دیوار غیرمسلح بنایی بر روی لایهای از تسلیح انجام می‌شود.
برای انتقال تنش برشی بین بتن پاشیده شده و دیوار بنایی باید از میلگردهای دوخت، مطابق ضوابط استفاده شود. سختی دیوار بنایی مسلح شده با بتن پاشی از ترکیب سختی دیوار بنایی و بتن پاشیده به دست می‌آید.
در صورت ایجاد مهار کافی بین بتن پاشیده و دیوار بنایی می‌توان مجموعه را به صورت ۱ عضو کامپوزیت در نظر گرفت. ضخامت معادل دیوار بتن پاشی شده در محاسبه سختی برابر است با:
که در آن Em و Esh مدول الاستیسیته آجر و بتن شاتکریت و Tm و Tsh ضخامت دیوار آجری و بتن شاتکریت می‌باشد. مدول الاستیسیته بتن شاتکریت بر اساس رابطه2 فوق محاسبه می‌شود. ???ℎ مقاومت فشاری بتن پاشیده شده برحسب مگاپاسکال است که باید با مغزهگیری از بتن پاشیده شده تعیین گردد. در صورت انجام ندادن آزمایش مقاومت فشاری بتن پاشیده شده، برای بتن-پاشی با دست برابر 8000 ودر صورت بتن پاشی با دستگاه برابر 15000 درنظرگرفته شود.
2.2 بهسازی ساختمان‌های با دیوار بنایی مسلح شده با نوارهای کامپوزیت (FRP)
ورق های کامپوزیت با استفاده از اپوکسی های مختلف، به صورت اعضای قطری، قائم و یا افقی به سطح دیوار بنایی چسبانده که این عمل باعث افزایش مقاومت دیوارها می‌گردد. به دلیل مقاومت کششی بالا، ورق های کامپوزیت می‌توانند بدون افزایش قابل توجهی در ضخامت دیوار، مقاومت برشی و محصوریت دیوار را به طور مؤثری افزایش دهد.
استفاده از مواد مرکب ساختهشده از الیاف در محیط رزین پلیمری بهعنوان پلیمرهای مسلح شده با الیاف (FRP (Polymers Reinforced Fiber به عنوان ۱ ضرورت در جایگزینی مصالح سنتی و شیوه های موجود معرفی شده است.
سیستم FRP بدین صورت تعریف می‌شود که الیاف و رزین ها برای ساخت چندلایه مرکب مورداستفاده قرار می‌گیرند، به نحوی که رزین‌های مصرفی به منظور چسباندن چندلایه مرکب به سطح زیرین و پوششها به منظور محافظت مصالح ترکیب شده استفاده می‌شوند. پوشش‌های معمول که به منظور زیبایی ظاهری مورداستفاده قرار می‌گیرند به عنوان قسمتی از سیستم FRP در نظر گرفته نمی‌شوند
مصالح FRP سبک، مقاوم در برابر خوردگی و دارای مقاومت کششی بالا می‌باشند. این مصالح به شکل های مختلف و در گسترهای از انواع ورقه های چندلایه کارخانهای گرفته تا ورقه های خشک قابل پیچش روی اشکال مختلف سازه‌ای قبل از اضافه کردن رزین، قابلدسترس می‌باشند. در اغلب موارد سیستمهای FRP که به صورت پروفیل‌های نسبتاً نازک عملآوری شده، در اجرا مطلوب می‌باشند، بخصوص در مواقعی که ظاهر کار تمامشده یا امکان دسترسی مدنظر باشد
3.2. بهسازی ساختمان‌های با دیوار بنایی با تقویت ستون های فلزی
سیستم مقاوم سازی با تقویت ستون های فلزی ممکن است ترکیبی از ورق های جوش شده به بال یا جان ستون های ساختمان نیمه اسکلتی تشکیل شده باشد. این ورقها در ۲ طرف ستون اضافه می‌شود. ورق های فولادی جهت همراهی در باربری جانبی با دیوارهای بنایی غیرمسلح استفاده می‌شوند.
3.سازه مورد مطالعه
در این پژوهش ۱ ساختمان نیمه اسکلتی ۱ طبقه در منطقه روستایی مطابق شکل 1 ساختهشده و ارتفاع این ساختمان از کف پی 60/3 متر، ضخامت کلیه دیوارهای باربر پیرامونی به‌جز دیوار جنوبی 35 سانتیمتر و ضخامت دیوار جنوبی نیز 20 سانتیمتر در نظر گرفته‌شده است، ساختمان دارای شناژهای افقی تحتانی و فوقانی و قائم بوده ومصالح تشکیل دهنده دیوار آجری و همچنین سقف از نوع طاق ضربی می‌باشد.
در این سازه ۴ ستون فولادی به هم چسبیده و جوشکاری شده در میان ساختمان پیش بینی شده است که بارها از طریق شاه تیرها به ستون ها منتقل می‌گردد و همچنین پی ساختمان به صورت منفرد با کلاف بندی بتنی افقی مسلح بوده که نیروهای موجود از طریق صفحه پلیت به پی منفرد منقل می‌گردد.
برای این پژوهش از بارگذاری استاتیکی افزاینده استفاده خواهد شد. در این پژوهش فرض می‌شود سازه نیمه اسکلتی توانایی تحمل بارهای ثقلی را داشته و رفتار غیرخطی در آن ایجاد نمی‌شود بار مرده شامل وزن اجزای تشکیل دهنده سازه مانند سقف، تیر، ستون و دیوارها بوده که توسط نرم‌افزار محاسبه و اعمال می‌شود.
در این پژوهش شاه تیرها از تیرآهن دوبل IPE16 تشکیلشده و تیرهای فرعی نیز از تیرآهن IPE14 به فاصله ۱ متری از هم تشکیل شده اند. این سیستم ۱ دیافراگم نیمه صلب را ایجاد می‌نماید. برای مدل سازی در نرم‌افزار سیستم سقف به صورت دال تعریف خواهد شد. مشخصات این دال طوری تعریف شده که بتواند رفتار سیستم سقف طاق ضربی ساختمان نیمه اسکلتی را نشان دهد. ضخامت دال 30 سانتیمتر و چگالی معادل کلیه مصالح سقف 2000 کیلوگرم بر مترمربع در نظر گرفته‌شده است.
لذا بار مرده وارد بر سقف برابر 600 کیلوگرم بر مترمربع و بار زنده با توجه به برفخیز بودن منطقه برابر 200 کیلوگرم بر مترمربع می‌باشد. مدول الاستیسیته سقف برابر 2 گیگاپاسکال و ضریب پواسون آن 2/0 و جهت تیر ریزی برای تمامی دهانه‌ها یکسان و به صورت شرقی – غربی درنظرگرفته شده است
اتصال تیر به ستون به صورت مفصلی با ۲ نوع چشمه اتصال قابلتعریف که نوع ۱ چشمه اتصال االستیک است که رابطه لنگر- چرخش در آن به صورت خطی است و نوع ۲ چشمه غیر االستیک که رابطه لنگر-چرخش آن چندخطی بوده و برای اتصال نیمه صلب معمولا از این گزینه استفاده می‌شود.
همچنین تیر بدون قید خاصی بر روی دیوار باربر قرارگرفته است لذا اتصال تیر به دیوار نیز به صورت مفصلی تعریفشده است. در این مقاله کلیه دیوارها به صورت برشی در نظر گرفته‌شده و از وجود و تأثیر بازشوها صرف نظر شده است. درمجموع از 32 گره و 12 المان دیوار برشی، 4 المان ستون و 6 المان تیر استفاده شده است.
3.1 تعریف المان های دیوار
با استفاده از روش فیبری برای مدل سازی دیوار مطابق شکلهای 3 و 4 مقطع دیوار به ۷ قسمت تقسیم شده، درنتیجه این ۷ فیبر کل طول دیوار را پوشش می‌دهند.
البته می‌توان دیوار را حداکثر تا 16 قسمت یا فیبر تقسیم نمود. در مواردی که دیوار غیرمسلح بوده و ضخامت آن ثابت باشد از تعداد کمتری فیبر استفاده می‌شود. در نرم‌افزار 3D-Perform هر دیواری به صورت پیشفرض از ۲ مصالح بتن و فولاد تشکیلشده و همانند ۱ دیوار برشی بتنی تعریف می‌شود.
در این مقاله بجای مصالح بتنی مشخصات مصالح بنایی جایگزین شده است. بدین منظور مشخصات مقاومتی دیوار بنایی 1.0 مشخصات مقاومتی بتن در نظر گرفته‌شده است. همچنین رفتار مصالح دیوار غیرخطی تعریف خواهد شد.
4.تحلیل استاتیکی غیرخطی تحت اثر بار جانبی
در تحلیل استاتیکی تحت اثر بار جانبی یا پوش آور، ابتدا ۱ نقطه مرجع در مرکز جرم بام تعریف شده و بار جانبی به صورت ۱ نیروی متمرکز در آن نقطه مطابق شکل 7 اعمال می‌گردد. در این پژوهش نیرویی معادل 100 تن در گره ی نزدیک مرکز جرم بام اعمال شده است.
همانطور که در شکل 8 مشاهده می‌شود، دریفت همراستای این بار در 50 گام و تا حداکثر 1000 سعی و خطا برای تحلیل غیرخطی در نظر گرفته‌شده است. حداکثر دریفت مجاز براساس 356 برابر 02/0 در نظر گرفته شده است
سپس نمودار جابه جایی نقطه مرجع نسبت به تراز پایه ترسیم می‌گردد. سطح زیر منحنی ظرفیت برابر با مقدار انرژی جذب و میرا شده توسط سازه است. در تحلیل پوش آور سازه به ۱ سمت توسط ۱ ترکیب بار مشخص پوش یا هل داده می‌شود ) نیرویی که به صورت رفت و برگشتی نیست) تا جایی که جابجایی نقطه‌ی مرجع به جابجایی هدف برسد.
وقتی سازه‌ای تحت بار جانبی قرار می‌گیرد با تشکیل مفاصل پلاستیک انرژی را جذب و مستهلک می‌کند هرچقدر میزان جذب و استهلاک انرژی در سازه بیشتر باشد سطح زیر منحنی ظرفیت بیشتر خواهد بود. زمانی که طیف تقاضا پایین تر از طیف ظرفیت قرار می‌گیرد به این معنا است که نیاز لرزهای خیلی کم است یا به عبارت دیگر سازه ظرفیت خوبی دارد.
5.نتایج تحلیل نرم افزاری
1.5 بهسازی دیوار با شاتکریت
در این پژوهش برای بهسازی لرزهای در دیوارهای پیرامونی از بتن شاتکریت باضخامت cm 5 و مقاومت 10 استفاده شده است. در جهت اطمینان و سادهسازی مدل از اثر شبکه فولادی میلگردها درون بتن صرفنطر شده است. نمودار پوش آور ساختمان بنایی با تقویت شاتکریت دیوارها در شکل 9 قابل مشاهده است
2.5 بهسازی دیوار با نوار FRP
استفاده از نوارهای FRP یکی از گزینههای مطرح در بهسازی دیوارها است. در این روش، ورق های FRP به سطح دیوار پس از زیرسازی چسبانده می‌شوند. در این مقاله فرض شده است دیوار با ورق های کربنی CFRP به ضخامت 1/0 میلیمتر پوشش داده شده وبه منظور بررسی تأثیر FRP ۱ ضخامت معادل تعریف شده است. در شکل 10 نمودار نیرو-جابجایی برای دیوار با نوار FRP آورده شده است.
1.2.5 بهسازی ستون ها با ورق تقویتی
در ساختمان‌های نیمه اسکلتی، اسکلت یکی از اجزای باربر است که نقش مهمی در باربری ثقلی و جانبی چنین ساختمان‌هایی دارد. مقاطع اولیه اسکلت ساختمان‌های موجود عمدتاً برای تحمل بارهای قائم طراحی شده اند، برای بهسازی لرزهای یکی از گزینه های مطرح تقویت و بهسازی اسکلت است
در ساختمان‌های نیمه اسکلتی وزن سقف توسط دیوار و اسکلت تواما تحمل می‌گردد. بهسازی اسکلت یکی از روش‌هایی است که می‌تواند باعث کاهش پاسخ سازه شود. بهسازی اسکلت از طریق تقویت ستون ها انجام می‌پذیرد.
در این پروژه چهارستون میانی که از پروفیل دوبل 14 ساختهشده بودند با ۲ ورق 20*100 جوش شده به ۲ بال تیرآهن تقویت شده اند. مشخصات مقاطع مصرفی در شکلهای 11 و 12 نشان داده است.
2.2.5 مقایسه نتایج روش‌های بهسازی
همانظور که در شکل ۱۴ مشاهده می-شود مقایسهای بین دریفت ها در طرح های مختلف بهسازی نشان داده شده است. ملاحظه می‌گردد که تقویت ستون ها تأثیر بیشتری داشته که یکی از دالیل آن احتماالً شکلپذیرتر بودن ستون ها و مقاومت جانبی بیشتر آن‌ها نسبت به سایر گزینههای پیشنهادی است
با بررسی نمودارهای به دست آمده می‌توان گفت که برای ساختمان نیمه اسکلتی فرضی این پروژه، تقویت ستون ها با ورق های تقویتی بال تأثیر قابل ملاحظه ای در افزایش سختی ساختمان بنایی دارد. معموال تقویت ستون ها برای ساختمان‌های موجود با افزودن ورق های تقویتی به بال ستون قابل اجرا است.
درنهایت برای پایداری جانبی و تقویت ۱ ساختمان بنایی نیمه اسکلتی تقویت ستون ها به عنوان راهکار مناسبتری پیشنهاد می‌شود. البته استفاده از شاتکریت علیرغم اینکه تأثیر کمتری در پایداری و ساختار جانبی سازه دارند می‌توانند در انسجام موضعی دیوارها نقش مفیدی داشته باشند
6.نتیجه گیری
در این مقاله رفتار استاتیکی غیرخطی ساختمان‌های نیمهاسکلتی در برابر بارهای جانبی فزاینده که به صورت کنترل تغییرشکل اعمال می‌گردد، مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج به دست آمده ملاحظه می‌گردد که:
- استفاده از شاتکریت در ابتدای بارگذاری تأثیر بیشتری نسبت به تقویت ستون دارد
- تقویت ستون ها با ورق های تقویتی تأثیر قابلملاحظهای در افزایش سختی ساختمان بنایی دارد
- تقویت دیوارها با شاتکریت حدود ۷ درصد مقادیر منحنی ظرفیت را نسبت به حالت بدون تقویت افزایش می‌دهد
- تقویت دیوارها با FRP حدود ۵ درصد مقادیر منحنی ظرفیت را نسبت به حالت بدون تقویت افزایش می‌دهد
- تقویت ستون ها حدود ۱۰ درصد مقادیر منحنی ظرفیت را نسبت به حالت بدون تقویت افزایش می‌دهد.
درنهایت برای پایداری جانبی و تقویت ۱ ساختمان بنایی نیمه اسکلتی تقویت ستون ها بهعنوان راهکار مناسبتری پیشنهاد می‌شود. البته استفاده از شاتکریت علیرغم اینکه تأثیر کمتری در پایداری و ساختار جانبی سازه دارد می‌تواند در انسجام موضعی دیوارها نقش مفیدی داشته باشد.
