استفاده از سازه های فضاکار در مقاوم سازی لرزه ای سازه های بتنی موجود

امروزه با توجه به افزایش چشمگیر قیمت ساخت و ساز و نگاه سرمایه ای به ساختمان، تلاش مهندسان بر پایه افزایش عمر مفید ساختمان ها معطوف شده است تا ضمن کاهش آسیب در برابر بلایای طبیعی، پس از گذشت چند سال، فرسودگی باعث خرابی ساختمان نشود و مجبور به خراب کردن و هدر دادن کلیه سرمایه آن و ساخت یک ساختمان جدید نگردد.معمولاً 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 می باشد  بر این اساس مقاوم سازی سازه ها بر دو اصل اساسی استوار می باشد یکی محدود کردن تغییر مکان جانبی با اضافه کردن المان های جدید که سختی سیستم را افزایش می دهند و این ضمن ایجاد تغییرات اساسی در معماری داخلی ساختمان، باعث تغییر منطق سازه نیز می شود و اصل دیگر تقویت موضعی المان های ضعیف می باشد که این روش نیز تنها برای سازه هایی که دارای یک یا حداکثر دو المان ضعیف می باشند کاربرد دارد.در مقاوم سازی موضعی تنها مقدار ناچیزی ظرفیت برش پایه و سختی جانبی سیستم بهبود می یابد 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 می شود 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 می باشد.

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 می رسد و مدت زمان بالای اجرا نیز از دیگر کمبود های اساسی روش های فوق به شمار می روند. 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 می رود.

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 می باشد 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 می دهد.

اتصال سازه فضاکار به مدل بتنی:

عملکرد لرزه ای اتصال بین مدل بتنی و سازه فضاکار عملاً نقش مهمی به عنوان تنها مکانیزم انتقال بار بین مدل و دیوار برشی ایفا می کند. 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 می کنیم برای انجام  این کار ابتدا در روی ستون با استفاده از دریل ، چهار سوراخ به قطر ۱۸ میلیمتر ایجاد می شود ( با فاصله های مورد نظر ) و سپس به وسیله کمپروسور باد داخل آن کاملاً تمیز می گردد سپس بولت ها در داخل سوراخ قرار داده شده و با استفاه از چسپ اپوکسی کل محل پر می شود 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 می شود و آن را روی ورق متصل شده به ستون قرار داده و دور تادور آن جوشکاری می شود و گوی اتصال سازه فضاکار بر روی این ورق قرار داده می شود. و سازه به طور کامل بافته شده و در محل مورد نظر فیکس می گردد.

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 می باشند.

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 می باشند.

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 می باشد.منطقه فوق تسلیم به سه قسمت تقسیم بندی می شود که تغییر شکل پلاستیک ۱۰ % و ۶۰ % و ۹۰ % می باشد. این سه بخش به طور مجزا بخش IO ) Immediate Occupancy )و LS) Life Safety )و CP ) Collapse Prevention ) می باشد.

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 می دهد و در هر چهار ستون این مفاصل مطابق شکل های 5 و 1 همزمان تشکیل می شوند.سپس در پای ستون های بعدی این مفاصل تشکیل می شود 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 می شود 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 می باشند.

تغییرمکان جانبی در جهتی که المان های سازه فضاکار اضافه شده است در بالای ستون طبقه دوم حدود 61 % کاهش نشان می دهد و در بالای ستون طبقه اول حدود 34 % می باشد.

با بررسی نمودار نیروی برش پایه جابجایی سازه ها دیده می شود 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 می باشد و این افزایش ۱۸۰۰ درصدی را نشان می دهد و همچنین جاری شدن ناگهانی که در سازه اولیه مشاهده می گردد در سازه تقویت شده نیست و نمودار با شیب ملایمی بالا می رود.

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 می دهد 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 می باشد، بررسی عددی افزایش ۷۳۰ درصدی را نشان می دهد که اثر این تقویت۷۳۰/۱۹۰ برابر تقویت به وسیله قاب مسطح می باشد.

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 می باشد:

1. تغییر مکان مدل تقویت شده به نسبت مدل اولیه در طبقه اول حدود 34 درصد و در طبقه دوم حدود 61 درصد کاهش -نشان می دهد که این نشانه افزایش سختی سازه می باشد.
2. 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 می باشد.
3. نمودار نیروی برش پایه- تغییرمکان در سازه تقویت شده با ملایمت قابل قبولی بالا می رود و افت ناگهانی از خود نشان نمی دهد.
4. با توجه به بررسی مدل سازی آن با المان های سازه فضاکار و افزایش برش پایه به صحت بررسی صورت گرفته در این مقاله می رسیم.

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 می شود. از آنجاییکه این روش ، از بیرون سازه را تقویت می کند ، 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 می گیرد.

این مقاله به همت پویا دیانت تهیه شده است.