کليه امتيازهاي اين پاياننامه به دانشگاه بوعلي سينا تعلق دارد. در صورت استفاده از تمام يا بخشي از مطالب اين پاياننامه در مجلات،
کنفرانسها و يا سخنرانيها، بايد نام دانشگاه بوعلي سينا يا استاد راهنماي پاياننامه و نام دانشجو با ذکر مأخذ و ضمن کسب مجوز کتبي از دفتر تحصيلات تکميلي دانشگاه ثبت شود. در غير اين صورت مورد پيگرد قانوني قرار خواهد گرفت. درج آدرسهاي ذيل در کليه مقالات خارجي و داخلي مستخرج از تمام يا بخشي از مطالب اين پاياننامه در مجلات،
کنفرانسها و يا سخنرانيها الزامي ميباشد.

…………………………….., Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.

……………….، گروه ………………..، دانشكده ………………، دانشگاه بوعلي سينا، همدان.

دانشکدة مهندسي
گروه عمران

پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد در رشته عمران گرايش سازه
عنوان:
مطالعه عددي رفتار نوع خاصي از اتصال بتني نيمه پيش ساخته تير- ستون
استاد راهنما:
دکتر فريدون رضايي
استاد مشاور:
دکتر مرتضي مدح خوان

نگارش:
عليرضا توکل پور

20 شهريور 1392
دانشگاه بوعلي سينا
مشخصات رساله/پايان نامه تحصيلي عنوان:
مطالعه عددي رفتار نوع خاصي از اتصال بتني نيمه پيش ساخته تير-ستوننام نويسنده: عليرضا توكل‌پورنام استاد/اساتيد راهنما: دكتر فريدون رضايينام استاد/اساتيد مشاور: دكتر مرتضي مدح‌خواندانشكده?: مهندسيگروه آموزشي: عمرانرشته تحصيلي: عمرانگرايش تحصيلي: سازهمقطع تحصيلي: كارشناسي ارشدتاريخ تصويب پروپوزال:21/9/90تاريخ دفاع01/07/92تعداد صفحات: 122 صفحه
چكيده:
يکي از مهمترين مشکلات ساختمان‌هاي پيش‌ساخته و نيمه پيش‌ساخته بتني، مسئله تامين صلبيت و گيرداري اتصالات در اين سازه‌ها مي‌باشد. استفاده از قطعات مناسب و روش هاي بهينه نصب در اتصال باعث افزايش صلبيت و همچنين استهلاک بيشتر انرژي در اتصالات اين نوع سازه‌ها مي شود. در اين پژوهش سعي بر آن شده است که به روش جديدي جهت اجراي اين نوع ساختمان‌ها با سيستم قاب خمشي داراي گيرداري و صلبيت بالا در اتصالات آن دست يافت. براي رسيدن به اين هدف بايد بتوان بهترين و مناسب ترين روش‌ها و قطعات را در اتصال انتخاب کرد تا ضمن تامين گيرداري و مقاومت مورد نظر از نظر اجرايي نيز قابل پذيرش باشد. براي اين کار با کمک مهندسان شرکت ايران فريمکو و بر اساس توصيه‌هاي کتاب طراحي انجمن بتن پيش‌ساخته و پيش‌تنيده آمريکا سيستم و نوع اتصال تعريف شده، سپس با مدلسازي اين اتصال در نرم افزارهاي تحليل المان‌محدود، کارايي آن مورد بررسي قرار گرفته و در نهايت بهينه کردن قطعه اتصال مورد تحقيق قرار گرفته است. در ابتدا با مدلسازي سه ساختمان در دست احداث با پلان‌هاي متفاوت و با سيستم قاب خمشي در نرم افزار ETABS، بعد از انجام تحليل بر روي سازه اطلاعات لازم از چند نمونه اتصال تير-ستون بدست آمده است. سپس با مدلسازي و تحليل اتصال تير به ستون مورد نظر به صورت صليبي شکل در نرم افزار ABAQUS، چگونگي رفتار اين اتصال مورد بررسي قرار گرفته است. براي بررسي رفتار و ميزان استهلاک انرژي در اتصالات از منحني‌هاي هيسترزيس استفاده نموده و مدلسازي را با تغيير جزئيات و قطعات مختلف اتصال تکرار نموده تا بتوان به بهينه ترين قطعه اتصال دست پيدا کرد. در نهايت با بررسي‌هاي لرزه‌اي بر روي اتصال بهينه شده، نتايج تحليل‌ها نشان از وجود منحني هيسترزيس با عملكرد مناسب داشته ولي در نهايت با محاسبه شاخص صلبيت، اين اتصال به صورت اتصال نيمه گيردار شناخته شده و داراي صلبيت كامل جهت اجراي قاب خمشي بتني پيش‌ساخته بدون ديوار برشي نمي‌باشد.واژههاي کليدي: اتصال پيش ساخته، اتصال نيمه پيش ساخته، استهلاك انرژي، قاب خمشي، منحني هيسترزيس
فهرست مصالب
فصل اول مقدمه…………………………………………………………………………………………………. 1
1-1 کليات و هدف مطالعه2
1-2 اهميت موضوع يا ارزشيابي3
1-3 تاريخچه کارها و تحقيقات قبلي6
فصل دوم معرفي تحقيق و اتصال……………………………………………………………………….. 9
2-1 روش هاي طراحي ساز‌ه‌ها در برابر زمين‌لرزه10
2-2 مکانيزم رفتار قاب خمشي بتني 11
2-3 بررسي رفتار و مشکلات قاب خمشي بتني درجا‌ريز12
2-4 معرفي سيستم پيشنهادي14
2-5 شرح کامل اجزاء سيستم نيمه پيش ساخته17
2-5-1 تيرها17
2-5-2 ستون‌ها18
2-5-3 سقف‌ها20
2-5-4 فونداسيون20
2-6 مقايسه سيستم پيش ساخته بتني پيشنهادي با ساير سيستم ها23
2-6-1 ضعف هاي سيستم درجا ريز بتني23
2-6-2 برتري هاي سيستم نيمه پيش‌ساخته پيشنهادي نسبت به سيستم درجاريز بتني 23
2-6-3 برتري هاي سيستم نيمه پيش‌ساخته پيشنهادي نسبت به سيستم فولادي25

فصل سوم روش‌هاي بررسي ميزان استهلاک انرژي در سازه و مطالعه آزمايشگاهي اتصال صليب‌شکل…………………………………………………………………………………………………….. 26
3-1 مقدمه27
3-2 استهلاك انرژي يا ميرايي در علم فيريك و مكانيك27
3-3 استهلاك انرژي در ساختمان‌ها31
3-4 استهلاک انرژي در قاب‌هاي خمشي و محاسبه ميزان صلبيت اتصال34
3-5 انرژي هيسترتيک و استفاده از منحني‌ هيسترزيس جهت محاسبه مقدار استهلاک انرژي
36
3-6 مطالعات آزمايشگاهي بر روي اتصال صليب‌شکل38
3-6-1 آزمايش نمونه هاي صليب‌شكل38
3-6-2 دستگاه‌هاي آزمايش38
3-6-3 شرح آزمايش38
3-6-4 تدارك آزمايشات و تجهيزات مورد نياز40
3-6-5 نتايج بدست آمده از آزمايش43
فصل چهارم مدلسازي ساختمان در نرم‌افزار Etabs و استخراج مقاطع لازم……….. 44
4-1 مقدمه45
4-2 ساختمان سه طبقه آتش‌نشاني باباطاهر همدان48
4-3 ساختمان پنج طبقه با كاربري اداري-مسكوني در همدان51
4-4 ساختمان شش طبقه مسكوني نامنظم در همدان54
فصل پنجم طرح اتصال صليب‌شکل و تعيين نحوه بارگذاري………………………………. 55
5-1 مقدمه56
5-2 طرح قطعات اتصال صليب‌شکل ساختمان شش طبقه و رسم آن‌ها56
5-3 طرح قطعات اتصال صليب شکل ساختمان پنج طبقه و رسم آن‌ها59
5-4 طرح قطعات اتصال صليب شکل ساختمان پنج آتش‌نشاني و رسم آن‌ها62
5-5 تعيين نحوه بارگذاري اتصال63
فصل ششم مطالعات عددي اتصال در محدوده غير‌خطي توسط نرم‌افزار Abaqus……………………………………………………………………………………………………………….. 65
6-1 مقدمه66
6-2 روش اجزاء محدود67
6-3 معرفي نرم افزار Abaqus ويرايش 6.10 و دلايل انتخاب اين نرم افزار71
6-4 اصول Abaqus 74
6-5 مدلسازي و تحليل اتصال صليب‌شکل در نرم‌افزار Abaqus75
6-5-1 محيط Part77
6-5-2 محيط Sketch78
6-5-3 محيط Property78
6-5-4 محيط Assembly81
6-5-5 محيط Step82
6-5-6 محيط Interaction86
6-5-7 محيط Load87
6-5-8 محيط Mesh89
6-5-9 محيط Job92
6-5-10 محيط Visualation97
6-6 نتيجه گيري97
فصل هفتم اصلاح قطعه اتصال جهت عملكرد بهتر اتصال………………………………… 98
7-1 مقدمه99
7-2 طراحي و ترسيم قطعه جديد99
7-3 مدلسازي قطعه در نرم افزار Abaqus101
7-3-1 ترسيم اجزاء سازه در محيط Part و Sketch 101
7-3-2 مونتاژ كردن مدل در محيط Assembly102
7-3-3 بارگذاري در محيط Load102
7-3-4 مش‌بندي االمان‌ها در محيط Mesh103
7-4 بررسي نتايج تحليل عددي اتصال مدلسازي شده در نرم افزار Abaqus104
7-4-1 توزيع تنش در اتصال104
7-4-2 منحني هيسترزيس سازه‌هاي صليب‌شکل105
7-5 نتيجه گيري107
فصل هشتم بررسي خروجي‌ها، نتيجه گيري و ارائه پيشنهاد…………………………. 108
8-1 مقايسه و بررسي نتايج عددي و آزمايشگاهي109
8-2 مقايسه و بررسي نتايج عددي اتصال با توجه به منحني‌هاي نيرو-تغيير مکان110
8-3 منحني لنگر-دوران سازه‌هاي صليب شکل115
8-4 محاسبه صلبت اتصال با توجه به نمودارهاي لنگر-دوران116
8-5 نتيجه گيري117
8-4 پيشنهادات جهت ارائه تحقيق119

1 فصل اول
مقدمه

1-1 کليات و هدف مطالعه
صنعتي سازي و كاربرد سازه‌هاي بتن آرمه پيش‌ساخته و نيمه پيش‌ساخته، و برخورداري از مزاياي آن سال‌هاي متمادي است که در کشورهاي پيشرفته مورد توجه قرار گرفته و در سال‌هاي اخير به اين موضوع در كشورمان نيز توجه شده است. پيش‌ساختگي، اعضاي سازه‌اي با کيفيت بالا، کارآمدي بيشتر، صرفه جويي در وقت و هزينه کمتر را به همراه داشته است. از مزيت هاي اين سازه‌ها ايجاد يک روند مستمر توليد با هدايت و نظارت متخصصين مي باشد. در اين روند، مکانيزه کردن، سرعت بخشيدن، اقتصادي نمودن و کنترل کيفيت فرآورده‌ها، همچنين بهبود شرايط کار و به حداقل رسانيدن آثار جوي هنگام توليد مد نظر مي‌باشند[1].
اغلب سيستم‌هاي پيش‌ساخته موجود در دنيا از نوع اتصال غيرگيردار با جزئيات ظريف هستند كه توليد و نصب آن دشوار بوده و معمولاً براي كشورمان مناسب نيستند. در ايران كه در اکثر مناطق، خطر لرزه‌خيزي زياد تا خيلي زياد است، سيستم هاي نيمه گيردار در قاب خمشي پيش ساخته ممکن است جوابگو نباشد و به سيستمي نياز باشد كه قادر به مقابله با نيروهاي مؤثر جانبي باشد. با وجود مزاياي مختلف سازه هاي پيش‌ساخته، در نتيجه وجود پاره‌اي از مسائل که به طور حل نشده‌ باقي مانده‌اند، صنعت پيش‌ساختگي به پتانسيل کامل خود نرسيده است. اين مشکلات بيشتر برخاسته از نوع اتصالات ساختمان‌هاي پيش‌ساخته است[2].
تحقيق حاضر سعي در معرفي و بررسي رفتار يک نوع اتصال صلب نيمه پيش ساخته تير به ستون در ساختمان‌هاي بتني با سيستم قاب خمشي دارد، که توسط کارشناسان شرکت ايران فريمکو طرح اوليه آن داده شده است. لازم به توضيح است که رفتار اين نوع اتصال در آيين نامه‌هاي موجود در کشور، همچون آيين نامه بتن ايران[3] يا مبحث نهم مقررات ملي ساختمان[4] بررسي نشده است. همچنين اين موضوع نيز بايد مورد توجه قرار گيرد که مطابق آيين نامه داخلي براي سيستم‌هاي پيش ساخته خطي(داراي تير و ستون) اتصالات در تحليل سازه با فرض مفصلي بودن در برابر بارهاي جانبي و با قبول مدل واقعي سختي در عملکردهاي ديگر سازه وارد محاسبه شوند. اتصالاتي که صلب فرض شوند، بايد درجا بتن ريزي شوند يا کاملا با جزييات اتصال قاب درجا بتن‌ريزي شده، مشابه باشند. در غير اينصورت بايد مقاومت خمشي و سختي آن‌ها در نامناسب‌ترين شرايط توسط آزمايش‌هاي دقيق ثابت شده باشند. در اين آزمايش‌ها بخصوص بايد اثر بارهاي نوساني و تغييرات داخلي سازه بر اثر جمع شدگي بتن و تغييرات دما تعيين گردند[1].
در اين تحقيق، علاوه بر عملكرد لرزه‌اي مناسب اين نوع اتصال صلب نيمه ‌پيش‌ساخته، به سهولت در اجراي آن با توجه به امكانات اجرايي و توانايي‌هاي موجود دركشور نيز توجه شده است، زيرا هر يك از دو سيستم قاب خمشي و ترکيب قاب خمشي و ديوار برشي درجاريز دچار محدوديت‌هايي مي‌باشند. به دليل امن‌تر بودن سازه‌هاي با درجات نامعيني بالا، اقدام به طرح و بررسي فني و اجرايي سيستم قاب خمشي تنها بصورت نيمه پيش ساخته شده‌است. مزيت ديگر قاب خمشي تنها به جاي سيستم ترکيبي قاب خمشي و ديوار برشي درجا، در مواقعي است که نتوان ديوار برشي درجا را اجرا نمود، همانند محل بازشوها و زمان‌هايي که بحث اندرکنش بين قاب و ديوار مطرح مي‌شود. از ديگر مزاياي عمده اين روش جديد امكان استفاده از آن در انبوه سازي و سريع سازي ساختمان‌ها مي‌باشد. خصوصاً در كشور ما كه بخش عظيمي از ساختمان‌ها فاقد سيستم مقاوم خوبي در برابر زلزله هستند استفاده از اين روش يك سازه امن و صحيح با مقاومت بالا را حاصل مي‌كند.
1-2 اهميت موضوع يا ارزشيابي
با وجود لرزه خيزي شديد اغلب مناطق پرجمعيت کشور و آسيب پذيري ساختمان‌هاي موجود در برابر زلزله، بر اساس تجربيات بدست آمده از زلزله‌هاي اخير همانند زلزله منجيل، بم و همچنين زلزله هاي روي داده در ورزقان و خراسان شمالي، متأسفانه تاکنون توجه کافي در کشور به ساخت و ساز صحيح و اصولي صورت نگرفته است. اين در حالي است که مطابق با پيشرفت‌هاي سال‌هاي اخير جهان در امر مهندسي زلزله به ويژه پس از زلزله‌هاي نورثريج (آمريکا) و کوبه (ژاپن)، احداث بناهاي مقاوم در برابر زلزله چندان دور از دسترس نيست. همچنان که در زلزله شديدي همچون زلزله نورثريج در کشور آمريکا حتي يک ساختمان فولادي نيز دچار فروپاشي نشده است و تمام خرابي‌ها به صورت موضعي بوده‌اند[5].
عملکرد ضعيف ساختمان‌هاي موجود در کشور بالاخص سازه‌هاي بتني، عمدتاً به دو دليل علمي و فني زير است:
1- عدم توجه کافي به مرحله طراحي ساختمان و به خصوص پيشرفت‌هاي روز دنيا در زمينه صنعتي سازي و نيز مقاوم سازي‌هاي موجود در مقابل زلزله.
2- عدم وجود دانش فني نزد عوامل مرتبط با امور ساخت و ساز و نيز سهل انگاري دستگاه نظارت و مهندسين ناظر.
در طراحي ساختمان‌هاي مقاوم در برابر زلزله انتظار مي‌رود که سازه قادر به تحمل تغيير شکل‌هاي بزرگ و متناوب غير ارتجاعي1 در طول يک زلزله شديد باشد. رفتار چرخه‌اي غير ارتجاعي يک سازه مقاوم در برابر زلزله، توسط حلقه هاي هيسترزيس2 کامل و پايدار داراي شکل پذيري و ظرفيت استهلاک انرژي لازم جهت مقاومت در برابر زلزله تعريف مي‌شوند[6]. براي رسيدن به اين مطلوب، بايد سازه‌هايي که در نواحي لرزه خيز طراحي مي‌شوند دو معيار اصلي را ارضا کنند. آن‌ها بايد داراي سختي3 کافي باشند تا بتوانند تغيير مکان جانبي سازه را کنترل کرده و از خرابي هاي سازه‌اي و غير سازه‌اي در طول يک زلزله متوسط جلوگيري کنند. از طرف ديگر تحت اثر لرزش‌هاي شديد سازه‌ها بايد از مقاومت و شکل پذيري کافي برخوردار باشند تا فروپاشي به وقوع نپيوندد و سازه قادر به استهلاک انرژي زيادي باشد. در چنين شرايطي خرابي‌هاي غير سازه‌اي و تا حدودي خرابي‌هاي سازه‌اي قابل قبول مي‌باشد. به عبارت ديگر سازه‌هاي مقاوم در برابر زلزله بايد انرژي لرزه‌اي را به گونه‌اي مستهلك سازند كه سختي و مقاومت سازه به اندازه كافي محفوظ بماند تا نيروهاي جانبي بتوانند به پي سازه منتقل شوند. در سازه‌هاي بتني درجا ريز دو سيستم مقاوم در برابر زلزله پيشينه زيادي دارند و در سطح وسيعي مورد استفاده قرار مي‌گيرند كه شامل سيستم قاب خمشي و سيستم قاب خمشي همراه با ديوار برشي ميشوند.
قاب‌هاي خمشي كه داراي ظرفيت استهلاك انرژي بالايي به واسطه تشكيل مفاصل پلاستيك4 در انتهاي تيرها هستند اغلب بسيار انعطاف پذير بوده و محدود كردن تغيير مكان جانبي در اين سيستم به خصوص در مورد سازه‌هاي بلند مرتبه معضل اصلي طراحان مي‌باشد[7]. از آنجا كه اتصال گيردار تير به ستون نقش اصلي را در رفتار لرزه‌اي قاب خمشي به عهده دارد، كسب اطمينان از كيفيت و توانايي آن‌ها بسيار حائز اهميت است. در كشور ما متاسفانه نحوه اجرا و كنترل كيفيت سازه‌ها چندان مطلوب نيست. به عنوان مثال به دفعات مشاهده مي‌شود كه در حد فاصله سقف، خاموتي در چشمه اتصال ستون قرار گرفته نشده است و يا خاموت‌هاي قرار داده شده در تيرها فاصله زيادي از هم دارند، بتن ريخته شده كيفيت مناسبي نداشته و يا به علت مشكلات جوي بتن ريخته شده عمل آوري مناسبي را نداشته و به مقاومت مطلوب دست پيدا نكرده است.
بنابراين در دهه اخير مطالعات زياد و سازمان يافته‌اي در مورد سازه‌هاي پيش ساخته صورت گرفته است تا هم بتوان مقاومت بسيار مناسبي را از بتن ساخته شده كسب كرده و هم رفتار مناسب لرزه‌اي را در سازه به وجود آورد كه متاسفانه دانش عمومي مهندسان طراح دركشورمان نسبت به اين پيشرفت‌ها ناچيز مي‌باشد، که اهميت تحقيق و مطالعه در اين زمينه را دوچندان مي نمايد.

1-3 تاريخچه کارها و تحقيقات قبلي
در سال 1986، Seckin و همکاران به بررسي ضعف و قوت سازه هاي پيش ساخته بتني از لحاظ کفايت سازه اي پرداختند. براي اين کار، يک ساختمان پنج طبقه به دو صورت قاب خمشي بتن درجا و قاب خمشي پيش ساخته مدلسازي کرده و تحت ترکيب بارهاي متداول تحليل نمودند. بر اساس نتايج بدست آمده سيستم قاب خمشي پيش ساخته از لحاظ رفتار سازه اي از قبيل ميزان جذب انرژي، شکل پذيري، ميرايي و مقاومت و همچنين ميزان مصالح مصرفي در اسکلت ساختمان، قابل رقابت با سيستم يکپارچه بتن درجا بوده، ولي تأمين گيرايي کامل در اتصالات سازه‌هاي پيش ساخته بزرگترين مشکل آن ها مي باشد[8].
در سال 1997، J.F.Anderson و R.G.Dolan از دانشگاه شيکاگو به بررسي رفتار چندين نوع از اتصالات صلب در سازه هاي پيش ساخته بتني براي مقايسه با رفتار اتصالات صلب در سازه هاي درجا ريز پرداختند. آن ها طي يک برنامه تحقيقاتي پر هزينه توسط انجمن بتن پيش ساخته و بتن پيش تنيده امريکا5، هشت اتصال صلب تير به ستون پيشنهادي در دانشگاه واشنگتن را مورد مطالعه و بررسي قرار دادند. در اين برنامه تحقيقاتي، اتصال ها به صورت صليب شکل آزمايش شده، و منحني هاي هيسترزيس آن ها بدست آمد. در نهايت اتصالات صلب مورد بررسي نشان مي‌دادند که اين اتصالات از نظر رفتار سازه اي در مناطق با لرزه خيزي بالا به خوبي مي تواند انرژي ناشي از حرکت زمين را مستهلک نمايند[9].
در سال 2005، Elliott K. S. Butterworth و Heinemann به بررسي رفتار اتصالات معرفي شده تير-ستون با استفاده از بارگذاري چرخه اي و بدست آوردن منحني هاي هيسترزيس پرداختند. خرابي سازه هاي پيش ساخته در زلزله هاي گذشته نشان داده بود که اتصالات در اين نوع سازه ها يکي از بحراني ترين نقاط بوده و نيازمند دقت در طراحي و اجرا مي‌باشد. در نهايت چند اتصال شکل پذير تير-ستون مقاوم لرزه اي ارائه شده‌اند[10].
در سال 2007، Roggers و همکارانش در دانشگاه کانتربوري به بررسي عددي نوع خاصي از اتصال پيش ساخته بتني تير به ستون پرداختند. هدف بررسي عددي يک نوع اتصال تير به ستون بتني پيش‌ساخته که رفتاري بسيار مشابه با اتصال بتني درجاريز دارد، مي باشد. در اين راستا با استفاده از روش‌هاي اجزاء محدود و مدلسازي کامپيوتري با نرم افزار Abaqus به تحليل غير خطي اين نوع اتصال پرداخته شده و رفتار آن با اتصال بتني يکپارچه مشابه مقايسه گرديد. در نهايت اين موضوع نتيجه گيري شد که اتصالات بتني پيش ساخته در صورت داشتن طراحي مناسب و رعايت نکات اجرايي مي توانند داراي مقاومت، شکل‌پذيري و جذب انرژي مشابه اتصال بتني يکپارچه باشند. نتايج تحليل بر روي دو نمونه اتصال پيش ساخته و درجا در دو حالت وجود نيروهاي فشاري و کششي بر روي ستون حاکي از آن است که اين دو نوع اتصال به صورت مشابه عمل مي کنند و تنها مقاومت نهايي اتصال درجا6 کمي بيشتر از اتصال پيش ساخته است[11].
اين پاياننامه در هشت فصل تنظيم شده که به ترتيب زير مي باشند:
بعد از ارائه فصل اول در فصل دوم، ابتدا به بررسي تاريخچه و روش طراحي سازه‌ها و عملکرد قاب هاي خمشي پرداخته شده است. پس از آن مفاصل پلاستيک در اين نوع قاب ها بررسي شده است. سپس، سيستم سازه و اتصال طرح شده و چگونگي اجراي آن معرفي شده است. در پايان، مزيت ها و معايب سيستم نيمه پيش ساخته بتني نسبت به ساير سيستم هاي سازه اي برشمرده خواهد شد.
در فصل سوم، ابتدا به نحوه بررسي عملکرد يک اتصال پرداخته شده است. براي اين بررسي نياز به روش‌هاي مختلف جهت محاسبه سختي و استهلاک انرژي مي‌باشد، که از جمله روش‌هاي بررسي استهلاک انرژي نمودارهاي هيسترزيس، لنگر-دوران و محاسبه عدد صلبيت بررسي مي‌شود. در آخر نيز نتايج آزمايش انجام شده توسط کارشناسان ايران فريمکو بر روي اتصال صليب‌شکل نمونه بررسي شده است.
در فصل چهارم با مدل سازي و تحليل سه ساختمان در نرم افزارEtabs ، ابعاد اوليه مقاطع و بارهاي وارده بر آن ها بدست آورده شده است.
در فصل پنجم سازه صليب شکل را مدلسازي شده و طرح هاي اوليه آن در نرم افزار AutoCADترسيم گشته، و پس از آن شرايط بارگذاري به صورت رفت و برگشتي بر روي سازه صليب شکل مورد نظر مورد بررسي قرار گرفته است.
در فصل ششم ابتدا مطالعات عددي سه بعدي بر روي نمونه صليب طرح شده انجام گرفته و سازه صليب شکل به صورت سه بعدي در نرم افزار Abaqus مدلسازي و تحت بارهاي رفت و برگشتي قرار گرفته است. در نهايت رفتار اتصال در ميزان استهلاک انرژي با قطعات مختلف، بر اساس خروجي‌هاي نرم‌افزار مطالعه و بررسي شده است.
در فصل هفتم ابتدا سعي شده بر اساس مطالعات مختلف به ترسيم قطعه جديد اتصال پرداخته و بار ديگر به مدلسازي سه بعدي سازه صليب شکل با تعويض قطعه اتصال در نرم افزار Abaqus پرداخته شده است. سپس، خروجي هاي و منحني هاي لازم بدست آورده شده، و رفتار اتصال در ميزان استهلاک انرژي با قطعات جديد توسط منحني هاي هيسترزيس، منحني‌هاي لنگر-دوران و روابط صلبيت مورد بررسي قرار گرفته است.
در فصل هشتم نيز نتايج عددي به دست آمده از تحليل هاي غير خطي اتصال مورد نظر، جمع‌بندي و مورد بحث قرار گرفته است.

2 فصل دوم
معرفي تحقيق و اتصال

2-1 روش هاي طراحي سازه ها در برابر زمين لرزه
در ارزيابي آسيب پذيري سازه هاي بتني نحوه برخورد مناسب با پديده زلزله و پيش بيني صحيح و دقيق اثرات آن برسازه از اهميت بسزايي برخوردارمي باشد. با رخ دادن زلزله هاي بزرگ و مخرب در چند دهه اخير و همچنين توسعه روش هاي مطالعاتي و امکانات آزمايشگاهي ثابت شده است که افزايش مقاومت سازه به عنوان تک پارامتر طراحي در روش سنتي نمي تواند به تنهايي ايمني کافي را تأمين نموده و يا خسارت سازه اي را کاهش دهد[12].
امروزه يکي از پارامترهايي که در نگرش نوين پژوهشگران به رفتار سازه ها مدنظر قرار گرفته، مفهوم انرژي در سازه ها مي باشد. براي بررسي عملکرد سازه بر اساس انرژي روش‌هاي مختلفي توسط محققان مختلفي در طول ساليان گذشته پيشنهاد شده که در ادامه به آنان پرداخته مي‌شود.
درسال 1984، Park, Y. J و Ang, A, Wen, با استفاده از رابطه معروف شاخص خسارت پارك- انگر7، روشي در جهت طراحي سازه‌ها ارائه داد. در اين روش عمده ترين پارامترهاي اوليه طرح، برش پايه و شاخص شدت زمين لرزه است كه بر اساس آن شكل پذيري8 سازه بدست مي‌آيد [13].
در سال 1985، Akiyama H در كتاب خود روشي را براي طراحي ساز‌ه‌ها ارائه كرده است كه مبتني بر طيف انرژي ورودي (از طريق طيف سرعت معادل) و توزيع بهينه خسارت در كل سازه است[14].
در سال 1992،Krawinkler H و Nassar A.A، طراحي لرزه‌اي بر پايه شكل پذيري و خسارت تجمعي را مد نظر قرار دادند. در اين روش با فرض سطح قابل قبول از خسارات شكل پذيري متناظر با آن بدست مي‌آيد و سپس مقاومت لازم براي محدود كردن شكل پذيري خواسته به ظرفيت موجود محاسبه مي‌شود. اين شيوه نگرشي كلي به رفتار سازه دارد[15].
در سال 2000، Shen, J. و Akbas, ، با توجه به طراحي بر اساس عملكرد يك شاخص، خسارت جديد كه در آن انرژي ورودي، انرژي تلف شده و خصوصيات سازه‌اي ساختمان از قبيل جابجايي نسبي طبقات و شكل پذيري لحاظ شده بود را معرفي نمود [16].
2-2 مکانيزم رفتار قاب خمشي بتني
اتلاف انرژي و سلسله مراتب شكست دو عامل مهم در ارزيابي عملكرد لرزه‌اي در ساختمان‌هاي بتني مي‌باشند. در بسياري از ساختمان‌ها كه بر اساس آيين نامه‌هاي قديمي طراحي شده‌اند مفصل‌هاي پلاستيك9 در نزديكي اتصالات و در بر ستون تشكيل مي‌گردد كه مي‌تواند منجر به ناپايداري كلي در سازه‌ها گردد. به همين دليل در بسياري از آيين نامه‌ها پيشنهاد شده است كه اصل ستون قوي- تير ضعيف به منظور تشکيل مفاصل پلاستيك از بر ستون‌ها مد نظر قرار گيرد. طي دهه‌هاي اخير تحقيقاتي گوناگوني با هدف انتقال مفاصل پلاستيك به داخل تير و بهبود عملكرد لرزه‌اي ساختمان بتن آرمه صورت پذيرفته است. اما بيشتر اين روش‌ها، مانند افزودن المان به سازه و يا بهبود جزئيات ميلگردگذاري تيرها، تنها مي‌توانند براي ساختمان‌هاي در حال احداث استفاده شوند [17]. در عين حال اتصالات يكي از مهم‌ترين قسمت‌هاي يك سازه مي‌باشد زيرا كه تير و ستون‌ها را به يكديگر متصل كرده و انواع بارها را تحمل مي‌كنند. رفتار يك قاب بستگي به رفتار اتصالات آن و رفتار اتصال به جزئيات اتصال بستگي دارد. در طراحي‌ها، ترتيب ايجاد مفاصل پلاستيك بايد مورد توجه و بررسي قرار گيرد. اگر اتصال بطور صحيحي طراحي نشود در نتيجه احتمال وقوع مفاصل پلاستيك در ستون‌ها زياد مي‌گردد. تشكيل مفصل پلاستيك به دلايل زير داراي اهميت مي‌باشد:
1- مكانيزم شكست ستون‌ها در بارهاي نهايي پايين‌تري اتفاق مي‌افتد.
2- ظرفيت جذب انرژي مفاصل پلاستيك در ستون‌ها بدليل نحوه ميلگردگذاري و بار محوري كمتر است.
3- اگر مفصل پلاستيك در محل اتصال تير به ستون تشكيل گردد، دوران‌هاي بسيار زيادي هم در ستون و هم در تير اتفاق مي‌افتد، شكل (2-1).
4- شكست ستون و اتصال بطور معمول خطرناك‌تر از شكست تير مي‌باشد، شكل (2-1).
شکل (2-1): تأثير تشکيل مفاصل پلاستيک در قاب هاي خمشي[18]
2-3 بررسي رفتار و مشکلات قاب خمشي بتني درجا ريز
اغلب ساختمان‌هاي بتني كه به روش درجاريز و بر اساس قاب خمشي بتني طراحي و ساخته شده‌اند، در هنگام وقوع زلزله رفتارهاي نامناسبي را از قبيل مقاومت جانبي ناكافي، توانايي ناچيز اتلاف انرژي، كاهش سريع مقاومت و مكانيزم هاي نادرست تشكيل مفصل پلاستيك از خود نشان مي‌دهند. اين رفتارهاي نامناسب مي‌تواند به دليل جزئيات ناكافي ميلگردگذاري كه منجر به تغيير مكان‌هاي شديد و در نهايت تخريب ساختمان مي‌گردد، باشد. از طرف ديگر، مشاهدات صورت گرفته از زلزله‌هاي گذشته نشان مي‌دهد كه عملكرد ساختمان‌هاي بتني كه تنها بر اساس بارهاي ثقلي طراحي شده‌اند به دليل شكل پذيري محدود و ظرفيت ناكافي تحمل بار جانبي10 در برابر زلزله، ضعيف بوده‌اند. اينگونه عملکرد نادرست مي‌تواند ناشي از مقاومت برشي ناكافي اتصال، ظرفيت برشي کم ستون، طول مهاري ناكافي ميلگردهاي اصلي ستون و مهار كم ميلگردهاي مثبت تير در محل اتصال و مقاومت برشي ناكافي تير باشد [19].
اينگونه ساختمان‌هاي داراي مقاومت كم در برابر نيروهاي جانبي، منجر به تغيير شكل‌هاي غير‌الاستيك زياد شده كه اين موضوع منجر به ايجاد طبقه يا ستون نرم11 در طي زمين لرزه مي‌گردد [20]. اينگونه رفتارها و صدمات ناشي از آن‌ها تحت زمين لرزه‌ها باعث گرديده تا مهندسين به فكر اصلاح و بهبود ضوابط آيين نامه‌اي به منظور دستيابي به سازه‌هاي ايمن‌تر باشند. براي سازه‌هاي موجود بعضي از روش‌ها مانند مقاوم‌سازي، بهبود و تعمير را مي‌توان به منظور ارضا اين هدف بكار برد [21].
زلزله‌هاي اخير نشان داده‌اند كه اتصالات بتني كه بر اساس قاب خمشي درجا ريز بتني ساخته شده‌اند ممكن است دچار خرابي‌هاي گسترده طي زمين لرزه گردند. اتصالات اينگونه ساختمان‌ها اغلب تنها براي تحمل بارهاي ثقلي طراحي شده‌اند و فاقد شكل پذيري و مقاومت كافي مي‌باشند كه اين امر مي‌تواند باعث مكانيزم شكست كلي12 ساختمان بر اثر بارهاي جانبي گردد. در اينگونه ساختمان‌ها معمولاً ابعاد مقاطع و ميلگردهاي طولي ستون‌ها ناكافي بوده و ستون‌ها پاسخگوي نيازهاي خمشي و برشي سازه در هنگام زلزله را ندارند. اين رفتار مي‌تواند باعث بوجود آمدن مفاصل پلاستيك در ستون‌ها گردد. مد شكست13 مربوطه باعث ايجاد اشكال در ترتيب كاهش مقاومت شده و باعث القا يك رفتار شكننده و در نهايت شكست سازه مي‌گردد [22].
در سال 1992،Paulay و priestley پيشنهاد كردند كه مفاصل پلاستيك نبايد در فاصله كمتر از ارتفاع تير(( يا 500 ميلي متر از بر تکيه گاه گيردار تشكيل گردند[23]. ميلگردهاي برشي در منطقه اتصال بدليل طبيعت برش كه در منطقه اتصال انتقال يافته و نيز پيچيده مي‌باشد، داراي اهميت زيادي هستند. مطالعات آزمايشگاهي و عددي نشان داده‌اند كه تنش‌هاي برشي بر رفتار اتصالات در قاب‌ها حاكم است. به همين دليل يك روش مرسوم براي انتقال مفاصل پلاستيك از بر ستون، اضافه نمودن جزئيات ميلگردگذاري در اتصال مي باشد. نسبت ظرفيت خمشي ستون به تير است كه در بسياري از آيين نامه‌ها به عنوان يك شاخص مهم به منظور اطمينان از عملکرد مناسب اتصال در قاب‌هاي مقاوم خمشي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و به صورت رابطه (2-1) تعريف مي‌گردد.
رابطه (2-1) برابر مجموع ظرفيت خمشي ستون‌ها در محل اتصال و برابر مجموع ظرفيت خمشي تيرها در محل اتصال مي‌باشد. آيين نامه بتن آمريکا14 [24]. آيين نامه بتن ايران [3] و آيين نامه استراليا15 [25] به ترتيب مقادير 4/1، 2/1 و 5/1 را براي پيشنهاد مي‌کنند، که اين اختلاف‌هامي‌تواندبه دليل روش‌هاي مختلف طراحي در سه آيين‌نامه فوق باشد.
2-4 معرفي سيستم پيشنهادي
در حال حاضر سيستم قاب خمشي بتني درجاريز بطور گسترده‌اي در کشور مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اما بدلايل مختلف از جمله سرعت كم اجرا، عدم امكان بهره‌گيري از رده‌هاي مقاومتي بالا در بتن و ديگر مشكلات اجرايي و نارسايي‌هاي كيفي، براي انبوه‌سازي مطلوب نمي‌باشد.
در كشورهاي با خطر نسبي كم زلزله، كاربرد سيستم‌هاي بتني پيش ساخته و صنعتي، با اتصالات نيمه گيردار و ساده مطلوب بوده و متداول شده است. در ايران كه در اغلب مناطق خطر لرزه‌خيزي زياد تا خيلي زياد است، سيستم نيمه گيردار و ساده جوابگو نبوده و به سيستمي نياز است كه قادر به مقابله با نيروهاي مؤثر جانبي باشد.
از سوي ديگر عملاً در اجراي سازه‌هاي بتن آرمه به روش درجا، نقايص و مشکلات متعددي وجود دارد که ايمني و پايداري ساختمان را در برابر نيروهاي جانبي زلزله تهديد مي‌کند. در مقابل سازه‌هاي پيش‌ساخته فلزي و بتني نيز به خاطر حساسيت زياد به ابعاد و اندازه‌ها، حين نصب قاب با سختي‌ها و مشکلات فني روبرو مي‌شود. از اين رو طراحي سيستمي ساده و کارآمد که بتواند متناسب با نيروها و تجهيزات موجود در اکثر مناطق باشد ضروري به نظر ميرسد. شايد به ‌همين دلايل تاکنون در کشورمان ايران، براي اجراي ساختمان‌ها، سازه بتن آرمه پيش‌ساخته متداول نشده است.
تحقيق حاضر با کمک کارشناسان شرکت ايران‌فريمکو سعي در تهيه و ساخت سيستم نيمه‌ پيش‌ساخته قاب بتن مسلح خمشي دارد، که اعضا و سقف آن بصورت صنعتي توليد و در محل به راحتي و بدون حساسيت نسبت به رواداري ابعاد قطعه نصب مي‌شود.
طراحي اوليه سيستم و اجزاء آن در مرکز تحقيقات شرکت ايران‌فريمکو انجام شده و مجدداً لازم به توضيح است که سيستم اتصال مورد بحث مشابه سيستم اتصال گيردار نشان داده شده در فصل ششم آيين نامه PCI 6th Edition [26] سال 2004 مي‌باشد(شکل 2-2).
شکل (2-2): اتصال گيردار پيشنهاد شده انجمن بتن پيش‌ساخته و بتن پيش‌تنيده امريکا[26]
به منظور اطمينان از گيرداري کامل و استخراج نقاط ضعف و قوت سيستم، چند نمونه از اتصال طراحي شده بصورت سازه صليب، در نرم افزارهاي توانمند در زمينه تحليل هاي اجزاء محدود16، همچون نرم افزار Abaqus مدل سازي و تحليل شده است که نتايج کامل تحليل‌هاي انجام شده، در فصول آينده مورد بررسي قرار خواهد گرفت.
در اين سيستم فونداسيون‌ها بصورت درجا اجرا شده و مانند سازه‌هاي فلزي ميلگردهاي انتظار17 براي اتصال ستون به فونداسيون تعبيه مي‌شود. ستون‌ها تا ارتفاع 12 متر که قابليت حمل با تريلي‌هاي معمولي را داشته باشد توليد مي‌شود. در تراز طبقات و محل اتصال تير به ستون18 نيز بولت‌هاي انتظار بر روي بدنه ستون تعبيه مي‌گردد[27].
تيرها بصورت افقي تا عمق حدود دو سوم ارتفاع خود بتن‌ريزي مي‌شوند. ابتدا و انتهاي هر تير قطعه فلزي به‌عنوان تکيه‌گاه کار گذاشته شده که داراي شيارهايي است که بصورت کشويي از بالا به پايين بر روي بولت‌هاي انتظار بدنه ستون نصب شود[27].
اندازه تيرها حدود 4 تا 5 سانتي‌متر کوتاهتر از دهانه داخلي بين دو ستون است که به‌راحتي نصب شده و نهايتاً درزهاي آن با کمک گروت پرمقاومت پر شود. در يک سوم لايه بالايي تيرها که خاموت‌ها بصورت انتظار باقي مانده اند نيز ميلگرد‌هاي فوقاني تير کارگذاشته مي‌شود[27].
براي اتصال ميلگرد‌هاي فوقاني به ستون نيز حفره‌هايي تعبيه شده که بصورت دو طرفه عبور داده شده و داخل تيرهاي طرفين مهار شده است. براي اتصال يکطرفه نيز انتهاي ميلگرد فوقاني رزوه شده، با واشر و مهره مهار مي‌شود[27].
دال‌هاي پيش‌ساخته و يا سقف تيرچه بلوک، بر روي لبه تيرها نصب شده و سپس ارتفاع فوقاني تير، بتن‌ريزي شده و تکميل مي‌شود[27].
2-5 شرح کامل اجزاء سيستم نيمه پيش ساخته
2-5-1 تيرها
همانطور که گفته شد در اين سيستم تيرها بصورت نيمه‌پيش‌ساخته ساخته مي‌شوند، حدود دو سوم از عمق تير در کارخانه بتن‌ريزي شده و مابقي بتن ريزي تير پس از نصب انجام مي‌شود. به منظور اتصال يکپارچه قسمت پيش ساخته و بتن درجا، ميلگردهاي خاموت بصورت انتظار از عمق تحتاني تير بيرون آمده تا داخل لايه فوقاني تير واقع شود. شکل(2-3) نمايي از تير نيمه پيش ساخته و خاموت‌هاي انتظار آن را نشان مي‌دهد.

شکل (2-3): تير پبش‌ساخته به همراه قطعه اتصال و خاموت‌هاي انتظار[27] ابتدا و انتهاي هر تير قطعه فلزي براي اتكاء و اتصال كششي تعبيه شده است. ميلگردهاي فوقاني تير نيز با ابداع روش ساده از سوراخ‌هاي انتظار ستون بصورت يكسره عبور داده مي‌شود.
2-5-2 ستون‌ها:
در اين روش فرض بر آن است که ستون‌هاي طبقات بصورت يكسره در كارخانه توليد ‌گردد. ميلگردهاي انتظار بصورت بولت افقي و به عنوان تکيه‌گاه تيرها عمل نموده و جهت عبور ميلگردهاي فوقاني تيرها، حفرات لازم در ستون پيش بيني مي‌گردد. در پاي ستون صفحه فلزي تعبيه مي‌شود که ميلگردهاي طولي رزوه شده ستون با مهره به آن بسته مي‌شود. پيرامون صفحه ستون نيز سوراخ‌هايي براي اتصال به بولت‌هاي انتظار فونداسيون تعبيه مي‌شود. شکل(2-4) نمايي از ستون‌هاي ساخته شده با روش گفته را نشان مي‌دهند.
شکل (2-4): ستون يکپارچه طبقات[27]
شکل (2-5): قرار گيري قطعه اتصال بر روي ميلگردهاي انتظار[27]
البته پس از نصب نيم تير و بستن مهره‌ها درز بين ستون و تير با گروت پر مقاومت پر مي‌شود.

شکل(2-6): اتصال کامل تير به ستون[27]
2-5-3 سقف‌ها
در اين سيستم مي‌توان از انواع سيستم‌هاي پوشش سقف درجا و پيش ساخته از قبيل تيرچه و بلوك، دال يكطرفه يا دو طرفه و دال پيش‌تنيده مجوف را بكار گرفت. تمامي اين سيستم ها با سازه ما داراي سازگاري مناسب مي باشند.
2-5-4 فونداسيون
در سيستم مذکور فونداسيون به صورت بتن مسلح درجا اجرا شده و همانند سازه‌هاي فلزي بولت انتظار براي اتصال به پاي صفحه ستون تعبيه مي‌شود. شکل(2-6) صفحه فلزي تعبيه شده در پاي ستون جهت اتصال ستون به فونداسيون را نشان مي‌دهد.

شکل(2-7): اتصال پاي ستون[27]
به طور کلي و با توجه به مطالب ارائه شده، اتصال تير به ستون در سيستم نيمه‌پيش‌ساخته بتني مسلح به تفکيک جزئيات در قالب شکل(2-8) معرفي شده است.

شکل(2-8): شماي اتصال در سيستم نيمه پيش ساخته
1- ستون پيش‌ساخته سراسري.
2- بولت انتظار نشيمنگاهي و کششي.
3- حفره‌هاي انتظار براي ميلگرد فوقاني تير.
4- نيم تير پيش‌ساخته.
5- قطعه فلزي انتقال نيرو.
6- گروت منبسط شونده پر مقاومت.
7- نيمه خاموت‌هاي انتظار تير.
8- ميلگردهاي فوقاني تير که از حفره‌هاي ستون و زيرِ خاموت‌هاي نيم تير عبور مي‌کند.
9- بتن درجاي فوقاني.
2-6 مقايسه سيستم پيش ساخته بتني پيشنهادي نسبت به ساير سيستم ها
2-6-1 ضعف هاي سيستم درجا ريز19 بتني
1- همواره معايب کيفي اجرا، تحت كنترل نيست و با چشم هم ديده نمي‌شود که اين امر در ساختمان پنهان مانده و ديگر قابل اصلاح نيست[28].
2- معمولا جزئيات سازه ساخته شده درجا با مفروضات محاسباتي و طراحي مطابقت ندارد[28].
3- سيستم كنترل و نظارت بر همه مراحل اجراي سازه‌هاي درجا وجود ندارد[28].
4- افت و ريز و هدردهي مصالح ارزشمند خصوصا فولاد و سيمان در کارگاه‌ها زياد است[28].
5- رواداري‌هاي هندسي در اجراي سازه درجا نسبتا زياد است[28].



قیمت: تومان


پاسخ دهید