بادبندکمانش ناپذیر و دیوار برشی در مقاوم سازی سازه

1 -مقدمه

زلزله یکی از پدیدههای مخرب طبیعی است که تنها طی نیمه قرن اخیر خسارات جانی و مالی زیادی را به جا گذاشته است. کشور ایران به عنوان یکی از کشورهای زلزله خیز جهان، طی این دوره دچار خسارات و عواقب ناشی از این پدیده گردیده است. امکان وقوع زلزلههای شدید به دلیل شرایط طبیعی زمین ساختاری ایران، طراحی و ساخت ساختمانهای بتنی زیادی که ضوابط بارگذاری لرزه ای در آنها رعایت نشده یا به دلیل تغییر این ضوابط، بارهای لرزهای آنها دست پایین برآورد شده و نیز تغییر در کاربری ساختمانها، اشتباه در تحلیل و طراحی، عدم دسترسی به آیین نامه دقیق، حوادث طبیعی در طول عمر سازه، بتن کم کیفیت، ستون ضعیف- تیرقوی، اتصالات ضعیف و …. ارزیابی لرزهای ساختمانها موجود و نیز بهسازی آنها را ضروری میسازد

روشهای زیادی همچون اضافه کردن اجزای سازهای (دیوار برشی فولادی و بتنی، بادبندهای فولادی و بادبندهای کمانش ناپذیر اعضای سازهای ضعیف و تغییر کاربری سازه برای بهبود عملکرد لرزهای سازه میتوان نام برد

امروزه استفاده از میراکنندههای انرژی در سازه به منظور اتلاف انرژی زلزله مورد توجه فراوان قرار گرفته است. مزیت اصلی استفاده از میراگرها، جذب انرژی زلزله در اجزایی مجزا از قاب سازه میباشد که این امر منجر به کاهش آسیبهایی سازه اصلی در هنگام وقوع زلزله میگردد. در میان انواع مختلف میراگرها، میراگرهای هیسترزیس به دلیل هزینه کم، قابلیت اطمینان بالا و فقدان اجزای مکانیکی در آن از جایگاه ویژه ای برخوردار میباشند. مطالعات نشان داده است که موثرترین و اقتصادی ترین روش افزایش سختی و مقاومت جانبی سازه موجود افزودن عضو جدید به سازه موجود میباشد

استفاده از دیوار برشی و بادبندهای قطری فولادی به عنوان روشهای جالب به منظور بهبود عملکرد لرزهای مورد توجه قرار گرفتهاند. بهرحال به این نکته باید توجه شود که بابندهای معمول و مرسوم موقعی که تحت تاثیر تنشهای فشاری قرار میگیرند تمایل به کمانش دارند که منجر به رفتار ناپایدار در بارهای چرخهای میگردند

مطالعات انجام گرفته روی مقاوم سازی لرزهای سازه بتنی با استفاده از بادبند کمانش ناپذیر نشان میدهد که این سیستم تاثیر چشمگیری بر افزایش مقاومت و سختی سازه بتنی دارد و عملکرد لرزهای سازه را بهبود میبخشد

این بادبندها میتوانند در قابهای پیرامونی و همچنین قابهای داخلی سازه نصب گردند.

در هرحال همه این موارد مقاوم سازی، سختی و مقاومت سازه را در حد رضایت بخشی افزایش میدهند اما اکثر آنها بغیر از بادبندهای پیرامونی نیازمند عملیات اجرایی در داخل سازه بوده که منجر به ایجاد مزاحمت برای بهره برداری از ساختمان میگرددند و باعث میشوند که سازه برای مدتی قابل استفاده نباشد در نتیجه تحقیقات به سمت استفاده از روشهایی که این مشکل را برطرف کنند متمرکز گردید

بسیاری از نقایص رفتاری مهاربندهای همگرای متعارف نتیجه اختلاف بین ظرفیت فشاری و کششی این مهاربندها و زوال در مقاومت این مهاربندها تحت بارگذاری چرخهای میباشد. از این رو تحقیقات بسیاری صرف بهسازی این مهاربندها جهت رسیدن به یک رفتار الاستوپلاستیک ایدهآل گردیده است. برای رسیدن به این هدف لازم بود تا با استفاده از مکانیزم مناسبی از کمانش فشاری مهاربند جلوگیری شود و امکان تسلیم فشاری فولاد فراهم شود روشی که مدنظر قرار گرفت عبارت بود از محصورسازی یک هسته فلزی شکل پذیر در میان حجمی از بتن که خود توسط یک غشای فلزی در برگرفته شده است شکل(1 )وقتی این نوع بادبندها به صورت مناسب طراحی و جزییاتبندی شوند، غلاف فولادی نباید هیچگونه نیروی محوری را تحمل کند

مبانی اصلی عملکرد این میراگر، جلوگیری از وقوع کمانش هسته فولادی به منظور امکان وقوع پدیده تسلیم فشاری در آن و در نتیجه امکان جذب انرژی در این عضو از سازه میباشد. این امر با پوشاندن سراسر طول هسته فولادی در لوله فولادی پر شده با بتن یا ملات میسر میگردد در مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش(BRB )به دلیل جلوگیری از کمانش مهاربند در کشش و فشار، قابلیت اتلاف انرژی و شکل پذیری سیستم بالا رفته و سازه رفتار بسیار پایدارتری را از خود نشان میدهد

رفتار قابهای دارای مهاربندهای کمانش ناپذیر به رغم مشابهت ظاهری، تفاوت زیادی با قابهای مهاربندی متداول هم محور دارد. در سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر حلقههای هیسترزیس از نوع پایدار بوده و طی چرخههای بارگذاری و باربرداری متعدد، افت در مقاومت و سختی سیستم مشاهده نمیشود. در حالیکه تحقیقات دو دهه اخیر نشان میدهد که در سیستم مهاربندیهای هم محور این مهاربندها در مود فشاری دچار کمانش کلی میشوند و در نتیجه سیستم دچار زوال در مقاومت و سختی میشود و در واقع پایین افتادگی منحنی هیسترزیس را موجب میشود. برای جلوگیری از این رفتار نامطلوب و کمانش بادبندها، سیستم بادبندهای Brace Restraint Buckling (BRB (به وجود آمد .در این سیستم نیاز به فراھم آوردن یک سطح لغزش یا لایه ناپیوستگی بین هسته فلزی و بتن محصور کننده وجود دارد. سطح مقطع هسته فولادی دردو انتهای بادبند که خارج از غلاف فولادی می باشد برای اطمینان جهت عدم کمانش بیشتر میباشد

در طراحی سیستمهایی که از بادبند کمانش ناپدیر استفاده میشود، آگاهی از تاثیر این نوع بادبند بر رفتار سازه مهم میباشد. از جمله:

1. تاثیر بر سختی سازه
2. تاثیر بر مقاومت سازه
3. تاثیر بر جذب انرژی

که مورد اول و دوم بر منحنی ظرفیت سازه تاثیر میگذارند. در این مطالعه سازه بتنی با استفاده از نرم افزارهای 1.7.9.V Nonlinear ETABS و 5 3D- PERFORM و بر اساس تحلیل استاتیکی غیر خطی پوش آور مطابق با نشریه بهسازی ساختمانهای موجود (نشریه 360) و بر اساس نیازهای آیین نامه 2800 مورد بررسی قرار گرفت و همچنین به منظور ترسیم نمودارها دادههای لازم از نرم افزار 3D-PERFORM استخراج شده و با استفاده از نرم افزار (R2800a(0.6.MATLAB7 و EXCEL این نمودارها ترسیم گردیدند.

2- سازه موجود

1-2- معرفی سازه بتن مسلح موجود

سازه انتخاب شده یک ساختمان مسکونی بتنی و با ارتفاع 22.9 متر از سطح زمین بوده و دارای 7 طبقه میباشد که بر اساس معیارهای ویرایش اول استاندارد 2800 ملی ایران در سال 1370 و در شهر تهران احداث گردیده است. طبقه همکف با ارتفاع 3.7 متر کاربری تجاری دارد و سایر طبقات با ارتفاع 3.2 متر مسکونی هستند شکل (2و3)

2-2 بررسی رفتار سازه مورد مطالعه

ابتدا عملکرد سازه موجود با استفاده از مدلسازی 3 بعدی با دیافراگم صلب در نرم افزار ETABS و بر اساس ویرایش سوم استاندارد 2800 ملی ایران و آیین نامه بتن ایران(آبا) مورد تحلیل و طراحی قرار گرفت. ضرایب بارهای لرزهای براساس ویرایش سوم استاندارد 2800 محاسبه شده، آنگاه بارهای لرزه ای جدید بر سازه بتن مسلح طرح شده موجود اعمال گردید .برش پایه کل سازه موجود برابر با W 0.098 میباشد که بر اساس ویرایش سوم استاندارد2800 ملی ایران به W 0.125 افزایش مییابد. تحلیلهای انجام گرفته حاکی از آن است که ستونها در وضعیت جدید پاسخ گوی بارهای لرزهای نمیباشند و نسبت تنش در تعدای از آنها از یک تجاوز میکند شکل(4 ).همچنین جاجایی نسبی در بعضی از طبقات از مقدار مجاز بر اساس ویرایش سوم استاندارد 2800 ملی ایران بیشتر میشود.

سطح عملکرد و منحنی ظرفیت سازه موجود نیز با استفاده از نرم افزار 3D-PERFORM وتوسط روش تحلیل استاتیکی غیر خطی(پوش آور) مورد بررسی قرار گرفت. معیارهای مدلسازی و پذیرش تیر و ستون بر اساس پارامترهای مدل سازی و معیارهای پذیرش برای روشهای غیرخطی تیرها و ستونهای بتن مسلح، دستورالعمل بهسازی لرزهای ساختمانهای موجود نشریه 360 انتخاب شدند. سازه باید تحت اثر زلزله طرح (این سطح خطر براساس 10 %احتمال رویداد در 50 سال که معادل دوره ی بازگشت 475 سال است، تعیین میشود)، در سطح عملکرد ایمنی جانی(LS (به1.5 برابر مقدار تغییر مکان هدف برسد. تحلیلها نشان میدهد سازه از سطح عملکرد ایمنی جانی گذشته و در سطح عملکرد آستانه فروریزش به تغییر مکان هدف میرسد و در ستونها مفصل پلاستیک تشکیل میگردد شکل (5 )

بدین ترتیب که ابتدا در قسمت پایین ستونهای طبقه چهارم و سپس در قسمت بالای ستونهای طبقه پنجم و در انتها در قسمت پایین ستونهای طبقه سوم در قاب B مفصل پلاستیک تشکیل گردید و همچنین با برسی نسبت کاربردی سازه نیز مشخص شد که این نسبت در سطح عملکرد ایمنی جانی(LS )از یک بیشتر میباشد شکل (6)

پس از بررسی سازه مشخص شد که ظرفیت آن با نیاز لرزهای برابر نیست بنابراین در برابر بار جانبی آسیب پذیر است و به عبارت دیگر نیاز به بهسازی دارد. در بهسازی، هدف آن است که بتوان به طریقی ظرفیت سازه را با نیاز لرزه ایش برابر ساخت. در برخی موارد ظرفیت سازه را افرایش میدهیم تا با نیاز لرزهای آن برابر شود. به این افزایش ظرفیت سازه مقاوم سازی میگویند

3- مقاوم سازی

موقعیت بادبندهای کمانش ناپذیر و سطح مقطع آنها و موقعیت دیوارهای برشی در شکل(7)نشان داده شده است. بدیت ترتیب که در قابهای پیرامونی محورهای 1 و 4 بصورت قطری و در محورهای بیرونی A و C حدفاصل محورهای 2 و 3 بادبند همگرا به شکلV (برعکس) استفاده گردید. دیوار برشی به ضخامت 20 سانتیمتر بوده و در آن از دو شبکه طولی و عرضی میلگرد نمره 12 استفاده شده است و پوشش بتن میلگردها 5 سانتیمتر در نظر گرفته شده است. موقعیت و سطح مقطع بادبندها و دیوارهای برشی براساس افزایش ظرفیت لرزهای سازه و تامین سطح عملکرد ایمنی جانی انتخاب گردیدهاند و سعی شده است حتی الامکان در موقعیتهای یکسان استفاده گرددند.

در نمودارهای شکل (8 )دریفت سازه موجود و مقاوم سازی شده با بادبند و دیوار برشی نشان داده شده است. همانطور که مشخص است دریفت در طبقات سازه اولیه از مقدار مجاز آیین نامه 2800 ویرایش سوم (0.005)بیشتر بوده که بعد از مقاوم سازی به زیر حد مجاز رسیده است. در نمودار شکل (9 )منحنی ظرفیت (مقاومت) سازه قبل و بعد از مقاومسازی نشان داده شده است. همانطور که از شکل مشخص است بعد از مقاومسازی ظرفیت سازه حدودا 5 برابر افزایش داشته است. سظح عملکرد ایمنی جانی سازه نیز در شکلهای(10) نشان داده شده است. در هر دو روش مقاوم سازی سازهها، سطح عملکرد ایمنی جانی رضایت بخش میباشند.

در شکلهای (11 و 12 )نسبت کاربردی ستونها بعد از مقاوم سازی سازه نشان داده شده است. با مشاهده این نتایج مشخص است که نسبت کاربردی اعضای سازه در سطح عملکرد ایمنی جانی زیر 1 میباشد که این قابل قبول میباشد (در این شکلها برای مقایسه فقط نسبت کاربردی ستونها نشان داده شده است). با وجود اینکه دیوار برشی استفاده شده باعث افزایش 5 برابری ظرفیت سازه شده و سازه نیز در سطح عملکرد ایمنی جانی رفتار میکند و مفصل پلاستیکی در سازه تشکیل نمیگردد و علاوه براین نیز نسبت کاربردی اعضا کمتر از یک میباشد اما دریفت طبقات در راستای y مقدار کمی بیشتر از حد مجاز میباشد، بنابراین باید سطح مقطع دیوار برشی را در این راستا بیشتر گرفت و یا طول دیوار برشی را افزایش داد.

شکل(11 ):نسبت کاربردی در سازه مقاوم سازی شده با دیوار برشی

مقدار جدب نیروی جانبی توسط قابها در سازههای مقاوم سازی شده در شکلهای (13 و 14)نشان داده شده است. با مشاهده این نمودارها کاملا مشخص است که در سازهای که با بادبند مقاوم سازی گردیده است تا طبقه 6 سهم بالایی از نیروی جانبی توسط بادبند جدب شده است و در طبقه 7 این سهم کاهش داشته است، اما در سازه مقاوم سازی شده با دیوار برشی در طبقه همکف سهم بسیار زیادی توسط دیوار برشی تحمل میشود و با افزایش تعداد طبقات این سهم کاهش مییابد

یکی از روشهای اطمینان از روند صحیح مدلسازی در نرم افزار 3D PERFORM این است که پریود سازه در مودهای مختلف در نرم افزار ETABS و PERFORM یکی بوده و یا اختلاف حداقل داشته باشند شکل (15)

4- نتیجه گیری

در این مطالعه مقاوم سازی یک ساختمان بتنی 7 طبقه بر اساس سطح عملکرد و مطابق با معیازهای نشریه 360 ارزیابی گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که بادبندهای کمانش ناپذیر یک سیستم مناسب به منظور رفع بسیاری از نقایص ساختمانهای بتنی میباشد. نتایج بصورت کلی در زیر ارائه گردیدهاند:

1. افزودن مهاربندهای فولادی به قابهای بتنی، بارهای خمشی وارده بر ستونها را محوری نموده لذا نسبت تنشها را در آنها به کمتر از یک تقلیل میدهد.
2. در سیستم سازهای با مهاربند BRB ،به علت قابلیت شکل پذیری بالا و تمرکز نیرو های ناشی از زلزله در مهاربندها، ابعاد تیر و ستون کاهش یافته و سازه سبک میشود.
3. پس از افزودن مهاربند تغییر مکان جانبی ساختمان بسیار کاهش یافته و ساختمان رفتار خوبی از خود نشان میدهد.
4. نصب مهاربند بر روی سازه باعث افزایش سختی سازه و کاهش زمان تناوب سازه میشود که باعث افزایش برش پایه سازه میشود.
5. با افزایش طبقات، تشکیل مفاصل پلاستیک از ستونها به تیرها انتقال مییابد و ستونها از آسیب مصون میمانند که در مطالعهای که در سال 2008 در کشور امریکا انجام شد ،نیز به این مورد اشاره گردیده است.
6. در حالت کلی سیستمهای مهاربندی باعث افزایش سختی و ظرفیت باربری و مقاومت و شکلپذیری سازه شده و تغییر مکان جانبی و زمان تناوب سازه را کاهش میدهد