بررسی رفتار درون صفحه دیوارهای بنایی غیر مسلح تقویت شده توسط FRP به روش EBR
دکتر مصطفی رضوانی شریف، فرید نادری
عضو هیئت علمی دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
کارشناسی ارشد سازه دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
در این تحقیق با استفاده از نرمافزار ABAQUS مطالعاتی به صورت تحلیلی بر روی هشت دیوار بنایی تقویت شده با آرایش های مختلف FRP از جمله به صورت عمودی، افقی، پوشش سرتاسری، قطری و ترکیب این حالت ها و تاثیر ضخامت و عرض ورق هایFRP در رفتار لرزهای دیوارهای بنایی انجام شده است. به طور کلی مدلسازی اجزای محدود مصالحبنایی به دو روش ریزمدلسازی (میکرو) و درشت مدلسازی (ماکرو) انجام میشود. در این تحقیق به منظور بررسی دقیقتر رفتار این دیوارها از روش میکرو جهت مدلسازی استفاده شده است.
کلمات کلیدی: دیوار بنایی غیر مسلح، اجزا محدود ، مصالحبنایی، FRP، مدل سازی میکرو، نرم افزار ABAQUS
۱- مقدمه
ساختمان های مصالح بنایی به تعداد زیادی در مناطق شهری و روستائی وجود دارد، بنابراین سازه های بنایی به دلیل در دسترس بودن مصالح، هزینه های پایین و اجرای آسان یکی از پرکاربردترین سیستم سازه ای در بسیاری از کشورهای جهان می باشد. این ساختمان ها با توجه به زلزله های گذشته بیشترین آسیب پذیری را در برابر بارهای لرزه ای دارا می باشند، ساخت و سازهایی که در دهه شصت و قبل از آن در داخل کشور انجام شده است، غالبا بدون توجه به ضوابط و مقررات طرح لرزه ای ساختمان ها صورت گرفته است تا اینکه در زلزله منجیل- رودبار سال ۱۳۶۹ پژوهشگران را به فکر راهکاری موثرتر در زمینه کاهش خطرات ناشی از زلزله انداخت و با تهیه و تدوین مقررات و دستورالعمل های بهسازی لرزه ای ساختمان ها بتوانند موجبات کاهش خطرات ناشی از زلزله را فراهم سازند.[۱]
یکی از روشهای جدید بهسازی سازه های بنایی استفاده از الیاف های تقویت شده پلیمری FRP می باشد که به دلیل مشخصه های قابل قبول همچون بالا بودن نسبت مقاومت به وزن، دوام بالا و نیز سرعت و اسانی نصب راهکار مناسبی در مقایسه با دیگر روشهای می باشد. در این زمینه الگاوادی و همکاران]۲[ به بررسی رفتار لرزه ای دیوار بنایی مسلح شده با FRP و مقایسه آن با مدل غیر مسلح پرداختند در ادامه مطالعات پاپانیکولا و همکارانش]۳[ به بررسی رفتار لرزه ای دیوار های بنایی غیر مسلح با مصالح بنایی مختلف که توسط FRP تقویت شده بودند پرداختند و دکتر اربابی و همکارانش[۴] به بررسی رفتار دیوار های بنایی کلاف دار تقویت شده با FRP در شرایط تکیه گاهی متفاوتی پرداختند.
۲- انواع متداول شکست در دیوار بنایی غیر مسلح
تعیین نوع شکست دیوار بنایی بسیار مشکل بوده و به عوامل متفاوتی بستگی دارد. جهت بارگذاری، مقدار تنش قائم، مقاومت ملات بکار رفته در درزها نقش مهمی در تعیین نوع شکست ایفا می کنند. در صورتی که نیروهای زلزله موازی دیوار اعمال شوند موجب شکست داخل صفحه می گردند و اگر عمود بر دیوار اعمال شوند شکست خارج از صفحه رخ می دهد.
۱-۲- شکست خارج صفحه
هنگامی که مقاومت کششی دیوار بر اثر اتصال نامناسب دیوارها با هم کمتر از نیروی اینرسی وارده باشد ترکهای قائم در گوشه دیوارها که دچار خمش خارج از صفحه شده اند بوجود می آید. در این شرایط ارتعاش دیوارها یکنواخت نبوده و دیوارهای خارجی دچار فروریختگی می شوند.[۵]
شکل (۱) شکست خارج از صفحه [۵]
۲-۲- شکست درون صفحه
نیروهای درون صفحه ای که در اثر وقوع زلزله به دیوارهای بنایی وارد می شوند، بسته به هندسه آنها )نسبت ارتفاع به طول (مشخصات مصالح، میزان نیروی محوری و عوامل دیگر ممکن است باعث وقوع انواع متفاوتی از گسیختگی های داخل صفحه دیوار شوند. از مهمترین این خرابی ها که مورد توجه آیین نامه های ارزیابی لرز ه ای هم می باشند می توان به لغزش افقی درز ملات، ترک خوردگی کششی، حرکت گهواره ای و خرابی فشاری پنجه اشاره نمود. ]۵[
شکل (۲) شکست درون صفحه[۵]
۳- بررسی مطالعه آزمایشگاهی
جهت صحت سنجی مدلسازی، مدل عددی با مدل آزمایشگاهی گامباروتا و لاگومارسینو (Gambarotta, L. andLagomarsino S. 1997) مورد مقایسه قرار گرفته است. ]۶[
در تست ازمایشگاهی مذکور به منظور بررسی رفتار لرزه ای دیوار های بنایی و تعیین الگوی ترک خوردگی و مدهای خرابی مجموعا هفت ازمایش بر روی دیوار ها انجام گرفت. مشخصات ابعادی و نحوه انجام آزمایش در شکل زیر امده است. ، نمونه انتخاب شده از مقاله نمونه SW200 میباشد. همانطور که از شکل۵-۱۰ ملاحظه می گردد ابعاد دیوار۱۱ متر می باشد که بالای دیوار نیز یک تیر بتنی مسلح جهت اعمال بار و توزیع بار روی دیوار اصلی قرار دارد عرض دیوار برابر ۲۰ سانتی متر بوده . تیر بتنی تحت یک بار عمودی استاتیکی و تحت جابجائی جانبی که در کسری از زمان (۳ ثانیه) به دیوار وارد می شود قرار دارد . تنش نهایی فشاری بلوکها طبق مدل آزمایشگاهی ۵۷ مگاپاسکال در نظر گرفته شده است.
شکل (۳) ابعاد دیوارهای بنایی و نحوه بارگذاری [۶]
۴- صحت سنجی مدلسازی
کلیه واحدها بر حسب نیوتن و میلیمتر در نظر گرفته شده اند. برای مدلسازی بلوکها و ملات بین آنها از روش میکرو استفاده گردیده است تا گسترش و بازشدگی ترکهای ناشی از درزهای قائم و افقی بین بلوکها بتواند تاثیر واقعی خود را بر روی نتایج و مکانیزمهای شکستی که بر روی مدل عددی اتفاق می افتد داشته باشد.
برای ساده سازی مدل عددی به جای ملات بین بلوکها، از المانهای تماسی در نرم افزار بهره گرفته شده است، بدین صورت که دو المان تماسی به صورت نرمال و مماسی با ضریب اصطکاک معین بین بلوک و ملات در نظر گرفته شده است. جهت شبیه سازی کف صلب آزمایشگاه در نرم افزار از یک صفحه صلب استفاده شده است و تمام درجات آزادی انتقالی و چرخشی این کف صلب بسته شده است. جهت اعمال بار جانبی و ثقلی به مدل از یک تیر بتنی در بالای دیوار استفاده گردیده است. مقدار جابه جایی جانبی معادل ۱۵ میلیمتر و بار ثقلی معادل ۲۰۰کیلونیوتن به سطح بالای تیر بتنی اعمال گردیده است. همچنین جهت مدلسازی سطح تماس بالای دیوار با تیر بتنی و سطح تماس پایین دیوار با کف صلب از المانهای تماسی بهره گرفته شده است.
برای در نظر گرفتن معیار گسیختگی مصالح بلوک از معیار تنش تسلیم دراکر-پراکر با سخت شوندگی استفاده شده است که رفتار مصالح ترد و شکننده مانند بلوک را در اثر فشار به خوبی شبیه سازی می کند.
باتوجه به وجود المانهای تماسی زیاد درمدلهای عددی سازه های بامصالح بنایی وبه وجودآمدن مشکلات واگرایی ناشی ازاین المانهای تماسی وطولانی بودن زمان آنالیز درتحلیل استاتیکی، لذاازتحلیل دینامیکی صریح (Dynamic Explicit) استفاده گردیده است،همچنین اثرات غیرخطی مصالح وغیرخطی هندسی ناشی ازتغییرشکلهای بزرگ نیزدرآنالیزدرنظرگرفته شده است. میزان جابه جایی جانبی وارد شده به تیربتنی بالای دیواربا یک دامنه معین وابسته به زمان اعمال گردیده است. ]۷[
همانطور که ملاحظه مینمایید تطابق خوبی بین مدلسازی و نتیجه آزمایشگاه در ناحیه خطی وجود دارد. شیب ناحیه خطی بدست آمده توسط نرمافزار با تقریب بسیار خوبی بر قسمت خطی نمودار نیرو-جابهجایی دیوار مورد آزمایش منطبق میباشد. این نتایج نشان میدهد که روش استفاده شده برای مدلسازی تا حد بسیار زیادی قابل اعتماد است.
شکل (۴) مقایسه نمودار نیرو جابجایی در حالت آزمایشگاهی و تحلیل FEM
در ناحیه غیر خطی، در مدل میکرو حدود ۱۵ درصد ، بین دو نمودار اختلاف وجود دارد. که این میزان با توجه به تقریبسازی و پیچیدگیهای روشهای غیرخطی و فرضیات ساده سازی مدل نمودن اتصالات و در نهایت خطاهای موجود در آزمایش، مقدار قابل قبولی میباشد.
۵- مدلسازی تحلیلی دیوار بنایی
برای بررسی دقیق رفتار دیوار بنایی با اشکال مختلف مقاوم سازی و تحلیل چندین دیوارتحت جابجایی جانبی شده است. برای بررسی اثر نحوه و عرض نوارهای تقویتی بر میزان مقاومت نهایی دیوار، میزان جذب انرژی و تنشهای حداکثر در دیوار، نتایج این مدلها با نتایج بدست آمده از مدل بدون تقویت مقایسه شده و به صورت جداول و نمودارهایی ارائه میشود. مدلها در هفت حالت زیر مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرند:
۱-ورق تقویتی در سرتاسر دیوار
۲-ورق تقویتی به صورت نوارهای عمودی
۳- ورق تقویتی به صورت نوارهای افقی
۴-ورق تقویتی به صورت شکل بعلاوه و قطری
۵-ورق تقویتی با نوارهایی به صورت باکس دور دیوار به همراه ورقهای افقی
۶-ورق تقویتی با نوارهایی به صورت باکس دور دیوار به همراه ورقهای عمودی
۷-ورق تقویتی به صورت افقی و عمودی
در شکل زیر الگو های تقویتی را مشاهده می نمایید.
شکل (۵) نحوه آرایش ورق های FRP
منحنی های( نیرو- جابجایی) و ( انرژی- زمان ) حاصل از تحلیل دیوار های بنایی تقویت شده توسط نرم افزار در شکل (۶) تا (۱۵) نشان داده شده است. با توجه به این منحنی ها می توان به رفتار این دیوارها در حالت های مختلف پی برد که در ادامه به آن اشاره خواهد شد.
شکل(۶) منحنی نیرو_جابجایی برای حالت تقویت عمودی شکل(۷) منحنی نیرو_جابجایی برای حالت تقویت با پوشش کامل
شکل(۸) منحنی نیرو_جابجایی برای حالت تقویت قطری و بعلاوه شکل(۹) منحنی نیرو_جابجایی برای تقویت باکس دور دیوار به همراه ورقهای عمودی
شکل(۱۰) منحنی نیرو_جابجایی برای حالت تقویت باکس دور دیوار به همراه ورقهای افقی شکل(۱۱) منحنی نیرو_جابجایی برای حالت تقویت افقی
شکل(۱۲) منحنی نیرو_جابجایی برای حالت تقویت افقی و عمودی شکل (۱۳) مقایسه میزان انرژی جذب شده در حالت های مختلف تقویت
شکل (۱۴) مقایسه نمودار انرژی-زمان در حالتهای مختلف عرض ورقهای FRP شکل (۱۵) مقایسه نمودار انرژی-زمان در ضخامت های متفاوت FRP
۵-۱- بررسی اثر چیدمان لایه های FRP بر رفتار دیوار
همانطور که در شکل های (۶) تا (۱۲) مشاهده می شود دیوار بنایی غیر مسلح تقویت شده توسط FRP رفتار مناسب تری در مقابل نیروهای وارد شده در مقابل حالت بدون تقویت از خود نشان می دهند.
در جدول زیر مقادیر ظرفیت باربری، سختی، جابجایی و مقاومت محدوده الاستیک آورده شده است. واحدها بر حسب نیوتن و میلیمتر اورده شده است.
همچنین شکل (۱۳) میزان انرژی مستهلک شده توسط دیوار در حالات مختلف را نشان می دهد که مشخص می کند انرژی جذب شده در دیوار هایی که تقویت آنها به صورت عمودی می باشد به مراتب بیشتر از دیوار هایی است که به صورت افقی می باشد و نکته قابل توجه در خصوص دیوارهایی است که ورق تقویتی افقی آن فقط روی آجرها می افتد و هیچ قسمتی از لایه ملات را نمی گیرد، در این حالت این تقویت تاثیری روی ظرفیت و شکنندگی دیوار ندارد و این موضوع نشان دهنده ضعف اصلی دیوار است که همان ملات می باشد.
|
نوع تقویت |
ظرفیت باربری(KN) | درصد افزایش ظرفیت باربری | مقاومت محدوده الاستیک (KN)
|
جابجایی محدوده الاستیک (mm) | سختی
(N/mm) |
| بدون frp | ۶۴ | ۰ | ۳۰ | ۲ | ۱۵۰۰۰ |
| ورق سرتاسری | ۱۹۳ | ۲۰۰ | ۱۳۰ | ۸/۵ | ۲۲۴۱۳ |
| ورق عمودی | ۱۵۵ | ۱۴۶ | ۱۱۸ | ۸/۵ | ۲۰۳۴۵ |
| ورق افقی | ۱۴۶ | ۱۳۲ | ۱۰۸ | ۴ | ۲۷۰۰۰ |
| ورق بعلاوه | ۱۵۴ | ۱۴۴ | ۱۱۰ | ۸/۵ | ۱۸۹۶۵ |
| ورق قطری | ۱۴۶ | ۱۳۲ | ۹۵ | ۵/۴ | ۲۱۱۱۱ |
| باکس+افقی | ۱۳۲ | ۱۰۹ | ۹۰ | ۵ | ۱۸۰۰۰ |
| باکس+عمودی | ۱۵۷ | ۱۴۹ | ۱۲۰ | ۵ | ۲۴۰۰۰ |
| عمودی+افقی | ۱۷۹ | ۱۸۴ | ۱۲۰ | ۷/۵ | ۲۱۰۵۲ |
جدول(۱) مقایسه ظرفیت باربری، مقاومت و جابجائی در محدوده الاستیک و سختی
۵-۲- تاثیر عرض نوارهای FRP بر روی عملکرد دیوار بنایی در جذب انرژی
برای بررسی اثر عرض نوارهای FRP بر عملکرد دیوار مدل تقویت شده توسط لایه های افقی و عمودی انتخاب شده و عرض را ۸۵،۷۵،۶۵ و۹۵ میلی متر تغییر داده ایم.
با برسی نتایج بدست آمده و همچنان که در شکل (۱۴) دیده می شود، تغییر عرض ورقه ها تاثیر قابل توجهی در رفتار دیوار در جذب انرژی بیشتر نداشته است. در بهترین حالات ۲% جذب انرژی بهبود یافته است.
۵-۲- تاثیر ضخامت نوارهای FRP بر روی عملکرد دیوار بنایی در جذب انرژی
جهت بررسی اثر ضخامت نوارهای FRP نمونه ای که به صورت ترکیبی از لایه های افقی و عمودی تقویت شده است انتخاب و ضخامت نوار های FRP را ۱۷،۱۵،۱۳،۱۱و۱۹ تغییر داده ایم.
با مقایسه ریزتر میزان انرژی جذب شده توسط دیوار بیشترین انرژی توسط دیوار با ضخامت ۱۵ بهترین حالت می باشد و لذا همواره افزایش ضخامت باعث افزایش ظرفیت باربری و انرژی جذب شده نمی شود.
۶- نتیجه گیری
بررسی نتایج حاصل از تحلیل دیوار بنایی غیر مسلح تقویت شده به تعداد دوازده آرایش متفاوت در این تحقیق نشان می دهد که ظرفیت باربری دیوار ها توسط FRP به شکل قابل توجهی بهبود می یابد.
دیوار بنایی که توسط ورق سرتاسری تقویت شده افزایش ۲۰۰ درصدی را در میزان ظرفیت باربری نسبت به حالت بدون تقویت دیوار نشان می دهد.
درحالت تقویت توسط ورقه هایی که به صورت عمودی بر روی دیوار قرار می گیرند این افزایش ۱۴۶ درصد بوده است،.
در حالت تقویت توسط ورقهای افقی باید این نکته را در نظر گرفت که این ورقها بر روی ملات قرار گیرند چون در غیر این صورت تاثیری در ظرفیت باربری حاصل نخواهد شد. افزایش ظرفیت در این حالت ۱۳۲ درصد بوده است.
در حالت تقویت دیوار ها توسط باکس FRP تاثیری محسوسی در ظرفیت باربری مشاهده نشده است اما ترکیب این حالت با ورقه های افقی و عمودی به ترتیب ۱۰۹ و ۱۴۹ درصد ظرفیت باربری را افزایش می دهد.
به طور کلی می توان نتیجه گرفت بهترین حالت جهت افزایش ظرفیت باربری دیوار بنایی غیر مسلح ، ترکیب ورقه های FRP به صورت عمودی و افقی می باشد.
قرار دادن ورقه ها به صورت عمودی کارکرد بهتری نسبت به حالت افقی را از خود نشان می دهند.
همچنین جهت مستهلک کردن انرژی و جلوگیری از شکست ترد دیوار بهترین حالت ترکیب ورقه ها به صورت افقی و عمودی کنار هم می باشد.
نتایج حاصل از تحلیل نمونه ها نشان میدهد که افزایش عرض و ضخامت ورقهای FRP تاثیر قابل توجهی در ظرفیت باربری و به تاخیر انداختن شکست دیوار نداشته است.
۷- پیشنهادات
- تحقیقات آتی به جای استفاده از ورقه ها از میلگرد های FRP جهت تقویت دیوار بنایی استفاده شود و حالات مختلف قرار گرفتن آنها بررسی گردد.
- در این تحقیق نیروهای وارده به صورت رفت و برگشتی نیستند، جهت بررسی دقیقتر رفتار لرزه ای دیوارها نیروها را به صورت رفت و برگشتی مدل کرده و منحنی های هیسترزیس به صورت کامل تحلیل گردند.
- در بسیاری از موارد دیوار های بنایی دارای باز شو می باشند بنابراین در مطالعات آتی دیوارهای بنایی دارای بازشو می تواند مورد بررسی قرار گیرد.
- بررسی تاثیر آتش بر عملکرد لرزه ای لایه های FRP و دیوار بنایی تقویت شده با این لایه ها.
- بررسی مکانیسم شکست دیوار و جدایش لایه های FRP از این دیوار تحت اثر بارهای لرزه ای.
- بررسی تاثیر مشخصات مکانیکی واحدهای بنایی، ملات ونیز لایه FRP بر عملکرد لرزه ای دیوار بنایی غیر مسلح
مراجع
[۱] مقدم, حسن؛ طرح لرزه ای ساختمان های آجری؛ انتشارات دانشگاه صنعتی شریف ۱۳۷۳٫
[۲] Elgawady M., Lestuzzi P., ” A Review of conventional seismic retrofitting techniquefor urm”, amsterdam,2004.
[۳] Polyakov S. V., (1956) “Masonry in framed buildings.” Translated by G. L. Cairnsin 1963. National Lending Library for Science and Technology, Boston Spa,Yorkshire, U.K.
[۴] ارشیا خفاف ، فریدون اربابی-“دیوارهای آجری کلاف دار مقاوم شده با FRP”مجله علمی- پژوهشی« عمران مدرس »دوره یازدهم، شماره ۴،
[۵] نشریه شماره ۳۷۶ .، “ دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای بنایی غیر مسلح موجود”، سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور ۱۳۸۶٫
[۶] Gambarotta, L. and Lagomarsino, S. [1997] “Damage models for the seismic response of brick masonry shear walls. Part II: The continuum model and its applications,” Earthquake Eng. Struct. Dyn. 26, 441–۴۶۲٫
[۷] ABAQUS Ins. ABAQUS Analysis User Manual, Version 6.10 ,(2010)
نوشتن نظر