توضیحات

پروژه شبیه سازی قاب بتنی مسلح تحت بارگذاری چرخه ای یا سیکلی در نرم افزار سایزمواستراکت(SeismoStruct)

اتصالات تیر-ستون:

مدتی است که اهمیت اتصال تیر به ستون برای طراحان روشن تر شده و محققین بسیاری تحقیقات خود را در این زمینه آغاز کرده اند. اهمیت اتصال تیر به ستون از آن جهت است که اتصال نقطه ای است که دارای تمرکز نیرو و همچنین سختی زیادی می باشد و به همین دلیل در هنگام زلزله تحت نیروهای بزرگی قرار می گیرد و در نهایت خرابی در اتصال منجر به خرابی کل سازه می گردد. یک سازه از قسمت های مختلفی تشکیل شده است که عدم توجه کافی در طراحی و اجرای صحیح هر قسمت، مشکلات زیادی را در پی خواهد داشت. اتصال تیر به ستون به عنوان نقطه ای که دارای تمرکز نیرو و همچنین سختی زیادی می باشد. از مهم ترین بخش های سازه محسوب می شود که بایستی با دید بازتر و عمیقتری موردتوجه قرارگیرد چرا که به دلایل ذکر شده، در هنگام زلزله تحت نیروهای بزرگی قرار می گیرد و درنهایت خرابی در اتصال منجر به خرابی کل سازه می گردد. اهمیت اتصالات هنگام وقوع زلزله، روشنتر شده و نقش آنها در عملکرد صحیح سازه پررنگ تر می شود. از عوامل اصلی تخریب اتصالات بتنی می توان به کمبود آرماتورهای برشی با طول مهاری میلگردهای تیر و همچنین کم بودن وصله در آرماتورهای طولی ستون و همچنین نقض قانون تیر ضعیف و ستون قوی اشاره کرد.با اجرای میلگردهای عرضی به مقدار کافی و مناسب در هسته اتصال علاوه بر مشکلات اجرایی آن ها، به دلیل تراکم زیاد آرماتور در این ناحیه کوچک، بتن ریزی با مشکل مواجه می شود.

اتصالات تیر به ستون در سازه ها به سه نوع اتصالات مفصلی، نیمه صلب (نیمه گیردار) و صلب تقسیم می شوند. اتصال صلب، اتصالی است که درجه گیرداری آن بیش از ۹۰ درصد می باشد. اتصال مفصلی، اتصالی است که درجه گیرداری آن کمتر از ۲۰ درصد باشد و اتصال نیمه صلب، اتصالی است که درجة گیرداری آن بین ۲۰ تا ۹۰ درصد باشد. درجه گیرداری اتصال بنا به تعریف، نسبت لنگر انتقال یافته توسط اتصال به لنگر حالت گیرداری کامل می باشد. اتصالات نیمه صلب تیر به ستون از آن دسته اتصالاتی می باشند که تحت تأثیر بارهای وارده در آنها مقداری دوران انتهایی رخ داده و درنتیجه لنگر انتهایی کوچک تر از لنگر انتهایی در حالت صلب به دست می آید. چنین رفتاری باعث ایجاد توازن بین لنگر منفی و مثبت دهانه شده و درنتیجه طرح از نظر اقتصادی بهبود می یابد. آزمایش ها نشان داده است که با انتخاب صحیح اتصالات نیمه صلب می توان در اکثر موارد در حدود 7.6% وزن قاب ساختمانی را کاهش داد.

اتصالات در سازه های قاب فولادی و بتن آرمه :

در ساختمان های با قاب خمشی، اتصال صلب تیر به ستون عامل اصلی باربری جانبی سازه می باشد. اتصالات یکی از نواحی بسیار حساس در کلیه قاب های سازه ای اعم از فولادی و بتنی می باشند. اتصال تحت تأثیر نیروهای بزرگ در طول زمین لرزه ها قرار می گیرد و عملکرد آن اثر بسیار مهمی بر روی پاسخ سازه دارد. فرض صلب بودن ناحیه اتصال ماهیت نیروهای برشی بزرگ در ناحیه اتصال را نادیده می گیرد. اتصال تیر به ستون یک ناحیه بحرانی و حساس در یک قاب خمشی بتنی می باشد. شکست برشی که شکستی از نوع ترد می باشد، تحت هیچ شرایطی قابل پذیرش نمی باشد. به واسطه کاربرد بالای قاب های بتن آرمه با سیستم باربر جانبی خمشی بواسطه مزایایی چون اقتصادی بودن قالب بندی، زمان اجرای کوتاه تر و قابلیت اجرای عناصر مورد نظر مهندس معمار در قاب، این سیستم سازه ای را به عنوان یکی از پرکاربردترین سیستم های باربر جانبی تبدیل نموده است. قاب های خمشی اعم از فولادی و بتنی در مقایسه با قاب های فولادی دارای مهاربند و قاب های بتنی دارای دیوار برشی، دارای ضعف در برابر کنترل تغییرمکان جانبی سازه هستند. با توجه به ماهیت قاب های خمشی، در ناحیه اتصال مقادیر بالای نیرو با یکدیگر تلاقی می کنند و این نیروها که به صورت نیروهای افقی و قائم ناشی از بارگذاری های عادی و فوق العاده (همانند زلزله) هستند، می بایست به صورت لنگر خمشی و نیروی برشی از طریق هسته اتصال منتقل گردند. خسارات وارده به این نوع قاب ها اغلب در ناحیه اتصال تیر به ستون رخ می دهد. آئین نامه های طراحی ساختمان در گذشته توجه محدودی به اتصال تیر به ستون داشته اند و در نتیجه مهندسین کمتر به جزئیات این ناحیه توجه می کردند و تنها خود را ملزم به رعایت تأمین طول مهاری کششی برای میلگردهای منفی تیر می دانستند. همچنین جزئیات سخت در آرماتوربندی ناحیه اتصال و اجرای ضعیف آن منجر به نامناسبی رفتار این جزء سازه ای شده است. در مقاوم سازی ساختمان با سیستم های باربر جانبی به صورت قاب خمشی، اتصالات و اجزای آن باید به گونه ای مقاوم سازی شوند که پس از مقاوم سازی دارای سختی، مقاومت و هندسه متناسبی باشند و با عملکرد ارتجاعی اجزای خود، شرایط لازم برای رفتار غیر ارتجاعی سایر اعضا را فراهم و پیوستگی مسیر انتقال بار را نیز تأمین نمایند به گونه ای که ناحیه شکل پذیر(مفصل پلاستیک) در دو سر تیر و خارج از محدوده اتصال تیر به ستون واقع شود. به جرأت می توان ادعا نمود که بدترین آسیب اتصالات بتنی در اثر کمبود میلگردهای طولی می باشد. تقویت و ترمیم اتصالات بتنی عملیات پیچیده ای می باشد که به روش های مختلفی صورت می پذیرد. از این میان می توان به روش هایی مانند افزایش سطح مقطع اتصال با بتن ریزی مجدد، محصور کردن ناحیه اتصال با ورق های فولادی و غیره نام برد.

سازه های قاب بندی شده:

اکثر ساختمان های متداول دارای اسکلت قاب بندی شده می باشند. سازه های قاب بندی شده ترکیبی از تیرها و ستون ها می باشند که با استفاده از اتصالات صلب و یا ساده به یکدیگر متصل شده اند. سازه های قاب بندی شده ممکن است به صورت ساختمان های چند طبقه و یا ساختمان های صنعتی باشند. به طورکلی ساختمان های قاب بندی شده از ترکیب دو سری قاب صفحه ای عمود بر هم به وجود آمده و تشکیل قاب فضایی را می دهند. لیکن عملکرد قاب های موجود در هر امتداد، تاثیری بر عملکرد قاب های امتداد دیگر ندارد. بنابراین تحلیل قاب های هر امتداد به صورت مستقل و به صورت صفحه ای انجام می شود. قاب های ساختمانی باید قادر به تحمل نیروهای قائم و جانبی باشند. برای تحمل بارهای جانبی از اتصالات صلب و یا از سیستم مهاربندی استفاده می شود. پل ها نیز از انواع سازه های قاب بندی شده هستند.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی قاب بتنی مسلح تحت بارگذاری چرخه ای یا سیکلی در نرم افزار سایزمواستراکت(SeismoStruct) انجام شده است.

نرم افزار SeismoStruct:

نرم افزار SeismoStruct یکی از مجموعه نرم افزارهای طراحی شده توسط شرکت سایزموسافت است. این نرم افزار یک پکیج المان محدود است که توانایی پیش بینی رفتار جابه جایی زیاد سازه های فضایی تحت بارگذاری دینامیکی با استاتیکی با در نظر گرفتن هر دو رفتار غیر خطی هندسی و غیر الاستیسته بودن مواد را دارد.

برخی از ویژگی های مهم نرم افزار SeismoStruct:

– رابط کاملا بصری و عینی

– سازگاری کامل با محیط ویندوز

– با استفاده از تسهیلات Wizard، کاربر می تواند مدل های منظم و نامنظم دو یا سه بعدی ایجاد کند و تمامی انواع تجزیه و تحلیل ها را اجرا کند. تمام این پروسه بیش از چند ثانیه طول نمی کشد.

– با استفاده از Building Modeler کاربر می تواند مدل های بتنی مسلح منظم یا نامنظم سه بعدی را تنها در عرض چند دقیقه ایجاد کند.

– هشت آنالیز مختلف: آنالیز تاریخچه زمانی استاتیکی و دینامیکی، پوش آور معمولی و سازگار، آنالیز دینامیکی افزایشی، مقدار خاص، بارگذاری استاتیکی غیرمتغیر و آنالیز طیف پاسخ

– بارگذاری اعمال شده ممکن است شامل نیروهای متغیر یا ثابت، جابجایی ها و شتاب ها در گره ها و همچنین نیروهای توزیع شده المان باشد. بارهای متغیر می تواند متناسب یا مستقل در دامنه زمان یا شبه زمان تغییر کند.

– این برنامه هم مواد غیر الاستیک و هم مواد غیرخطی هندسی محاسبه می کند.

– انواع زیادی از مقاطع فولادی، بتن مسلح و کامپوزیت در دسترس هستند. – گسترش غیر الاستیکی بودن در طول اعضا و در امتداد عمق مقطع به طور صریح در SeismoStruct مدل می شود و این نرم افزار امکان تخمین دقیق تجمع آسیب را فراهم می کند.

– پایداری عددی و دقت در سطوح کشش بالا که امکان تعیین دقت بار واژگونی سازه ها را فراهم می کند.

– روش خلاقانه ساز گار پوش آور. در این روش توزیع بار جانبی ثابت نیست اما مدام به روز می شود.

-SeismoStruct به شکل هوشمند، قابلیت افزایش بار را در هر زمان که مسایل همگرایی به وجود می آید را دارد.

-پردازنده SeismoStruct رسم منحنی جابه جایی و فرم تغییر شکل یافته سازه همراه با توانایی توقف و شروع دوباره تحلیل ها را مشخص می کند.

– توانایی چک کردن در چرخش و برش قوس بر طبق 08-NTC (کد ملی لرزه ای ایتالیا) و KANEPE (کد مداخلات لرزه ای یونان) و برای همه مقادیر محدود کدهای مشخص شده  را دارد.

– امکانات پیشرفته پس از پردازش شامل توانایی سفارشی کردن تمامی طرحهی مشتق شده و شکل های تغییر شکل یافته که منجر به افزایش بهره وری کاربران می شود.

– فایل های فیلم AVI می تواند برای نمایش بهتر ترتیب تغییر شکل سازه ایجاد شود.

محیط و قابلیت های نرم افزار Seismostruct:

این نرم افزار المان محدود (SeismoStruct) جهت انجام انواع آنالیزهای استاتیکی و دینامیکی غیرخطی می باشد. نرم افزار مذکور دارای محیط گرافیکی ساده و مطلوبی است که قابلیت نشان دادن رفتار سازه ها را با در نظر گرفتن خواص غیر خطی هندسی مصالح، تحت اثر بارهای دینامیکی و استاتیکی را دارد. این نرم افزار شامل سه قسمت اصلی است:

قسمت اول Pre-Processor بوده که برای مدل سازی سازه و تعریف مصالح بکار می رود.

قسمت دوم Processor بوده که آنالیز سازه را انجام می دهد.

قسمت سوم Post-Processor بوده که شامل ارائه نتایج و خروجی هاست.

نرم افزار SeismoStruct قابلیت مدل سازی تمامی مصالح موجود در مقطع و طول المان را به صورت غیرخطی دارد. این قابلیت هنگام یافتن پاسخ سازه تحت زلزله، بسیار مهم می باشد.

این نرم افزار رفتار مقطع المان ها را با فایبربندی(fiber) ، مدل می کند. فایبرها دارای خواص رابطه تنش -کرنش تک محوری بوده با یکدیگر مرتبط بوده و در یک مقطع به صورت کرنش سطح مرتبطند و معمولاً حدود ۱۵۰-۱۰۰ فایبر در هر مقطع تشکیل می شود و نیازی به معرفی رفتار هیسترزیس المان ها نمی باشد، یا آنالیز ممان- انحنا بر روی اعضا انجام شود بلکه به صورت مستقیم اندرکنش نیروی محوری و لنگر خمشی از تعادل تنش- کرنش مقاطع در طول افزایش انحناء در جهات مختلف، بدست می آید.

قسمت Pre-Processor:

قبل از انجام یک پروژه جدید با نرم افزار SeismoStruct بهتر است از همان ابتدا نوع آنالیز مورد نظر انتخاب شود. ۷ نوع آنالیز در این نرم افزار موجود است:

۱- آنالیز مقادیر ویژه

۲- آنالیز استاتیکی (بدون تغییر بار)

۳- آنالیز بارافزون

۴- آنالیز بارافزون بهنگام شونده

۵- آنالیز تاریخچه زمانی استاتیکی

۶-آنالیز تاریخچه زمانی دینامیکی

۷- آنالیز دینامیکی افزایشی (IDA)

مدلسازی قاب بتنی مسلح در SeismoStruct:

مصالح:

بتن(Mander et al. Nonlinear concrete model, con-ma):

این متریال یک مدل غیر خطی تک محوره ثابت است که اولین بار توسط(ماداس، ۱۹۹۳) برنامه ریزی شده است. که بدنبال آن روابط سازنده ای توسط (مندر و همکاران، ۱۹۸۸) و همچنین ( مارتینز-ردا و النشای، ۱۹۹۷) پیشنهاد شده است. نابر قوانین پیشنهاد شده توسط مندر و همکاران در سال ۱۹۸۸ فشار محوری در طول کل محدوده تنش-کرنش ثابت فرض می شود.

نمونه نتایج شبیه سازی: