خلاصه پایان نامه مطالعه تحلیلی و آزمایشگاهی فرو ریزش ستون های بتنی تحت اثر نیروی محوری و بار جانبی چرخه ای
رساله دکتری
مهندسی عمران – مهندسی زلزله
1393
چکیده
عملکرد نامناسب ستونها در ساختمانهای بتنی طراحی و ساخته شده در سالهای گذشته موجب ایجاد نگرانی و توجه به میزان آسیب‌پذیری آنها در برابر فرو ریزش شده است. بررسی آسیب‌ها به سازهها پس از زلزله و تحقیقات انجام شده در طی این سالها تغییراتی در آیینهای طراحی برای رسیدن به رفتار شکل پذیر در ستونها را موجب شده است. اکثر تلاشها در این سالها برای بهبود ضوابط طراحی انجام شده است، اما همچنان اثر نیروی محوری و یا از دست رفتن ظرفیت محوری ستونها در ساختمانهای موجود که در سالهای گذشته ساخته شده، ناشناخته است. اکثر این ستونها دارای آرماتورهای عرضی با فواصل زیاد هستند که مقاومت جانبی کمی برای آرماتورهای طولی و همچنین محصورشدگی ناچیزی برای بتن در بارهای لرزهای فراهم می‌آورند. بسیاری از این ستونها از نظر ضوابط آیین نامههای امروزی پذیرفته نیستند. در این ستونها نه تنها تعیین ظرفیت برشی بلکه قابلیت ستون برای تحمل نیروی محوری بعد از تسلیم برشی از اهمیت زیادی بر خوردار است. در نتیجه به منظور درک رفتار لرزهای اینگونه سازهها نیاز به ارزیابی رفتار ستونهای آن میباشد.
بدین منظور یک پژوهش آزمایشگاهی و تحلیلی بر روی ستونهای بتنی غیر استاندارد انجام شد. شش نمونه ستون بتنی با مقیاس ½ به منظور ارزیابی رفتار لرزهای آنها تهیه شد. پارامترهای مهم در این آزمایش مقدار نیروی محوری، درصد آرماتور عرضی و مقاومت فشاری بتن بود. نمونهها تا زمان فروریزش ثقلی تحت اثر بار محوری ثابت و بار جانبی چرخهای شبه استاتیکی قرار گرفتند. نتایج آزمایشگاهی بدست آمده عبارتاند از پاسخ هیسترزیس، الگوی ترک خوردگی، مقدار دیریفت متناظر تخریب محوری و مقدار انرژی جذب شده تجمعی.
مقایسه پاسخ این نمونهها با آیین نامه ASCE 41-07 و FEMA 356 نشان دهنده این است که هر دو این آیین نامه ها مود خرابی نمونهها به درستی پیش بینی نکردند. همچنین مقادیر بدست آمده بوسیله این آیین نامهها برای سختی اولیه و مقدار دریفت متناظر با تخریب محوری کمتر از مقادیر بدست آمده از آزمایش بود.
در ادامه با یک رویکرد تحلیلی و استفاده از تغییرشکلهای ناشی از برش و خمش سعی شد تا سختی موثر ستون بدست آید. با استفاده از یک مطالعه پارامتری اثر پارامترهای مختلف بر روی سختی موثر مورد بررسی قرار گرفت. و در نهایت یک رابطه ساده برای محاسبه سختی موثر ستونها ارائه گردید. سپس کارایی و صحت رویکرد روش پیشنهاد شده با استفاده از دادهها بدست آمده از این پژوهش و همچنین نتایج مطالعات محققین دیگر مورد صحت سنجی قرار گرفت که نشان داد دقت رابطه ارائه شده بهتر از سایر روابط موجود در ادبیات فنی میباشد.
در انتها یک مدل به منظور تخمین مقدار تغییرمکان متناظر با فروریزش ثقلی ارائه گردید. این مدل براساس تعادل و سازگاری و یک روش حل تکرار شونده قرار دارد و مطابق آن میتوان مقدار تغییرمکان دورانی ناشی از بازشدن ترک بحرانی برشی را تعیین نمود. با ساده سازی آن در نهایت یک مدل برای تخمین دریفت متناظر فروریزش ثقلی ارائه گردید. صحت این مدل با مقایسه با مدلهای های دیگر نشان داده شد. همچنین با استفاده از این مدل مقدار دریفت متناظر با فروریزش ثقلی برای تعدادی از ستونهای موجود در ادبیات فنی محاسبه و با مقدار آزمایشگاهی آن مقایسه گردید. این بررسی های نشان دهنده صحت و دقت این روش در تخمین مقدار دریفت متناظر با تخریب محوری میباشد.
واژههای کلیدی
ستون بتنی، تسلیم برشی، فروریزش ثقلی، سختی موثر ، مطالعه پارامتری ، تغییرمکان دورانی ، ترک برشی بحرانیفصل اول
1- کلیات
1-1- مقدمه
عملکرد نامناسب ستونها در ساختمانهای بتنی طراحی و ساخته شده در سالهای گذشته موجب ایجاد نگرانی و توجه به میزان آسیب‌پذیری آنها در برابر فرو ریزش شده است. بررسی آسیب‌های وارد شده به سازهها پس از زلزلههای مختلف و تحقیقات انجام شده در طی این سالها تغییراتی در آیینهای طراحی برای رسیدن به رفتار شکل پذیر در ستونها را موجب شده است. اکثر تلاشها در این سالها برای بهبود ضوابط طراحی انجام شده است، اما همچنان اثر نیروی محوری و یا از دست رفتن ظرفیت محوری ستونها در ساختمانهای موجود که در سالهای گذشته ساخته شده، ناشناخته است. اکثر این ستونها دارای آرماتورهای عرضی با فواصل زیاد هستند که مقاومت جانبی کمی برای آرماتورهای طولی و همچنین محصورشدگی ناچیزی برای بتن در بارهای لرزهای فراهم می‌آورند. بسیاری از این ستونها از نظر ضوابط آیین نامههای امروزی پذیرفته نیستند. در این ستونها نه تنها تعیین ظرفیت برشی بلکه قابلیت ستون برای تحمل نیروی محوری بعد از تسلیم برشی از اهمیت زیادی بر خوردار است. خرابی این گونه ستونها به علت تغییرشکلهای برشی است که منجر تخریب برشی و سپس تخریب محوری میگردد.
تصویر 1‑1-تخریب برشی ستون- زلزله 1999 ازمیت در ترکیه [1]
مطالعات آزمایشگاهی زیادی بر روی ستونهای شکل پذیر در سالهای گذشته انجام شده است و در نتیجه آن رفتار لرزهای این گونه ستونها به مقدار زیادی شناخته شده است. در حالیکه تحقیقات انجام شده بر روی ستونها با طراحی غیرلرزهای بسیار محدود است. همچنین اکثر آزمایش انجام شده بر روی ستونها به فاصله کمی پس از کاهش مقاومت جانبی متوقف میگردد و تعداد آزمایشهای انجام شده تا زمان فروریزش ثقلی بسیار کم است. در نتیجه اطلاعات بسیار کمی در مورد خرابی و مکانیزم فروریزش این ستونهای وجود دارد.
به منظور شناخت بهتر رفتار لرزهای ستونهای بتنی با جزییات و طراحی غیر لرزهای تحقیقات آزمایشگاهی و تحلیلی در پژوهشگاه بینالمللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله انجام شد. نتایج این تحقیق در درک صحیحتر مکانیزم تخریب و فروریزش این گونه ستونها بسیار کمک کننده است.
1-2- اهداف و دامنه مطالعات
در این گزارش رفتار ستونهای بتنی با آرماتور عرضی با فاصله زیاد و جزییات غیر لرزهای مورد بررسی قرار میگیرد. این گونه ستونها را به اختصار ستونهای غیر شکل پذیر میگوییم. این گزارش شامل اجزاء تحلیلی و آزمایشگاهی زیر میباشد :
1- ارائه نتایج آزمایشگاهی شش نمونه ستون بتنی تا فروریزش ثقلی و مقایسه نتایج با دستورالعمل های ارزیابی
2- ارائه یک روش تحلیلی به منظور بدست آوردن سختی موثر ستونها
3- ارائه یک مدل ساده به منظور تخمین مقدار تغییرمکان متناظر تخریب محوری ستونهای بتنی غیر شکلپذیر
1-3- روش کار
در ابتدا بررسی جامعی بر روی مطالعات دیگر محققین صورت میگیرد. در این بررسی سعی میگردد مطالعات تحلیلی و آزمایشگاهی موجود در ادبیات فنی جمع آوری گردد. این مطالعات مربوط به آزمایش ستونهای بتنی تا زمان فروریزش ثقلی و مدلهای رفتاری ستونها تا این حالت حدی میگردد. سپس با توجه به اطلاعات جمع آوری شده و بررسی آنها تعدادی ستون به منظور مطالعه آزمایشگاهی طراحی و ساخته خواهد شد. این ستونها به گونهای طراحی شده اند که نشان دهنده وضعیت ستونها در ساختمانهای بتنی قدیمی باشند. به عبارت دیگر مقدار آرماتور عرضی و جزییات آرماتور گذاری آنها ضوابط آیینهای امروزی را برآورده نمیکنند. در نتیجه مقدار شکل پذیری این ستونها محدود خواهد بود و مطابق ضوابط ASCE 41 [2] انتظار میرود مود خرابی این ستونها بصورت خمشی و برشی باشد.
سپس با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود دایانا ستونهای طراحی شده، مدلسازی میگردد. هدف از این کار بررسی رفتار دقیقتر نمونهها و پاسخ آنها خواهد بود. از نتایج این مدلسازی قبل ساخت نمونهها و پس از انجام آزمایش بر روی نمونهها برای مقایسه نتایج استفاده خواهد شد.
در انتها با استفاده از نتایج بدست آمده از این مطالعات آزمایشگاهی و همچنین به کمک نتایج سایر مطالعات، بررسیهای تحلیلی انجام خواهد شد. هدف از مطالعات تحلیلی یافتن روابط دقیقتر برای سختی موثر ستونها و همچنین مقدار دریفت متناظر با فروریزش ثقلی خواهد بود.
1-4- فصلهای مختلف گزارش
این گزارش از 8 فصل تشکیل شده است و با فصل اول در مورد کلیات آغاز میشود. در فصل دوم به مرور تحقیقات گذشته پرداخته میگردد. فصل سوم به بحث در مورد نمونههای ستون بتنی ساخته شده و همچنین بارگذاری آنها میپردازد. نتایج آزمایش در فصل چهار بررسی میگردد. در فصل پنج به بحث و مقایسه نتایج آزمایش نمونهها پرداخته میشود. فصل ششم به بررسی و ارائه روشی به منظور بدست آوردن سختی موثر ستونها اختصاص یافته است. در فصل هفتم مدل سادهای به منظور تخمین مقدار دریفت و تغییرمکان ستون در زمان تخریب محوری ارائه میگردد. در نهایت در فصل هشتم به جمعبندی و نتیجهگیری و ارائه پیشنهاداتی به منظور ادامه کار میپردازد.
فصل دوم
1- مروری بر تحقیقات گذشته
1-1- مقدمه
در دهههای گذشته تحقیقات بسیار زیادی در مورد سازههای بتن مسلح در اثر بارهای لرزهای انجام شده است. این تحقیقات موجب شده است که در حال حاضر شناخت نسبتا خوبی از رفتار سازههای بتنی بطور عام و ستونهای بتنی بطور خاص در هنگام زلزله وجود داشته باشد. آیین نامههای لرزهای دنیا امروزه براساس این مطالعات تهیه و تدوین شدهاند. در ستونهایی که بر اساس ضوابط این آییننامهها طراحی میشوند مقدار قابل توجهی آرماتورعرضی مخصوصاً در محلهایی که امکان تشکیل مفصل پلاستیک وجود دارد، باید قرار داده شود [1].
اما در مورد ستونها با شکل پذیری محدود مطالعات بسیار کمتری انجام شده است. بر اساس آییننامه و دستورالعملهای موجود نمی توان ارزیابی درستی از مقاومت و ظرفیت تغییر شکل پذیری این ستونها بدست آورد. علاوه بر این در اکثر آزمایشهای انجام گرفته بر روی ستونهای بتنی تحت بارهای لرزهای، پس از مشاهده کاهش کمی در مقاومت ستون (عموماً 20% افت در مقاومت) در اثر بار جانبی، آزمایش متوقف شده است. تنها مطالعات بسیار کمی بر روی عملکرد لرزهای ستونها تا زمان تخریب محوری ستونها انجام شده است. عمده این تحقیقات در ژاپن، امریکا و اخیراً در استرالیا و سنگاپور صورت گرفته است. این فصل به مرور تحقیقات انجام شده در این زمینه اختصاص یافته است.
1-2- تحقیقات آزمایشگاهی
در این بخش تحقیقات انجام گرفته بر روی رفتار لرزهای ستونهای بتنی تا مرحله تخریب محوری مورد بررسی قرار میگیرد.
1-2-1- تحقیقات انجام شده توسط یوشیمورا [3]
یوشیمورا دو مجموعه آزمایش به منظور بررسی رفتار ستونهای بتنی در هنگام تخریب محوری انجام داد. جزییات آرماتور بندی نمونههای ساخته شده در تصویر 2‑1 نشان داده شده است. مجموعه اول (FS series) از نمونههایی با نسبت ابعادی 2 (نسبت ارتفاع به عرض 2) ساخته شده است. این نمونهها به گونهای طراحی شدهاند که در آنها تسلیم خمشی قبل از تسلیم برشی روی دهد. نمونهای مجموعه دوم (S series) با نسبت ابعادی 5/1 به گونهای طراحی شدهاند که در آنها تسلیم برشی قبل از تسلیم خمشی اتفاق خواهد افتاد.
در این تحقیق سه نوع بارگذاری یکنواخت ، چرخهای یک جهته و چرخهای دو جهته مورد بررسی قرار گرفته است. در دو مجموعه اول و دوم درصد نیروی محوری به ترتیب برابر و در نظر گرفته شده است. جزییات نمونههای ساخته شده درتصویر 2‑1 نشان داده شده است.
1-2-2- تحقیقات انجام شده توسط لین [4]
هشت ستون بتنی با مقیاس کامل 1:1 توسط لین مورد آزمایش قرار گرفت. این ستونها دارای مقدار کم آرماتور عرضی بودند که تحت نیروی محوری با مقدار کم تا متوسط مورد آزمایش قرار گرفتند. جزییات آرماتور بندی در ستونها شبیه ستونهای ساخته شده قبل از اواسط دهه 70 میلادی بودند. این جزییات که در تصویر 2‑2 نشان داده شده است ، شامل آرماتور عرضی کم و اجرای وصله آرماتور در پای ستون میباشد. پارامترهای مورد نظر در آزمایش عبارت بودند از : درصد آرماتور طولی و عرضی، جزییات وصله و مقدار نیروی محوری. جزییات نمونههای ساخته شده در تصویر 2‑2 نشان داده شده است.
Abstract
فهرست پایان نامه مطالعه تحلیلی و آزمایشگاهی فرو ریزش ستون های بتنی تحت اثر نیروی محوری و بار جانبی چرخه ای
1- کلیات... 1
1-1- مقدمه. 1
1-2- اهداف و دامنه مطالعات... 2
1-3- روش کار 2
1-4- فصلهای مختلف گزارش.... 3
2- مروری بر تحقیقات گذشته. 5
2-1- مقدمه. 5
2-2- تحقیقات آزمایشگاهی.. 5
2-2-1- تحقیقات انجام شده توسط یوشیمورا [3] 5
2-2-2- تحقیقات انجام شده توسط لین [4] 6
2-2-3- تحقیقات انجام شده توسط سزن [5] 7
2-2-4- تحقیقات انجام شده توسط ناکامورا [6] 8
2-2-5- تحقیقات انجام شده توسط یوشیمورا [7] 9
2-2-6- تحقیقات انجام شده توسط یوشیمورا [8] 9
2-2-7- تحقیقات انجام شده توسط اوسالم [9] 10
2-2-8- تحقیقات انجام شده توسط ترن [10] 11
2-3- جمع بندی.. 12
3- تهیه و ساخت نمونه های آزمایشگاهی... 14
3-1- مقدمه. 14
3-2- ساپورت آزمایش.... 14
3-3- مشخصات نمونه های آزمایشگاهی.. 17
3-3-1- مشخصات آرماتورها 20
3-3-2- مشخصات بتن.. 23
3-4- روند ساخت نمونه ها 23
3-4-1- ساخت قفسه آرماتورها 23
3-4-2- نصب کرنش سنجها 24
3-4-3- قالب بندی.. 25
3-4-4- بتن ریزی و عمل آوری.. 26
3-5- مقاومت اسمی نمونه ها 26
3-6- بارگذاری.. 27
3-7- ابزارگذاری نمونه ها 28
3-7-1- اندازه گیری نیروها 28
3-7-2- تغییر مکان سنجها 28
3-7-3- اندازه گیری کرنش میلگردهای طولی.. 29
3-8- جمع بندی.. 30
4- نتایج آزمایش.... 32
4-1- مقدمه. 32
4-2- نتایج نمونه S1. 33
4-2-1- پاسخ هیسترزیس.... 33
4-2-2- الگوی ترک خوردگی.. 34
4-2-3- اتلاف انرژی تجمعی.. 36
4-3- نتایج نمونه S2. 36
4-3-1- پاسخ هیسترزیس.... 36
4-3-2- الگوی ترک خوردگی.. 37
4-3-3- اتلاف انرژی تجمعی.. 39
4-4- نتایج نمونه S3. 39
4-4-1- پاسخ هیسترزیس.... 40
4-4-2- الگوی ترک خوردگی.. 41
4-4-3- اتلاف انرژی تجمعی.. 42
4-5- نتایج نمونه S4. 44
4-5-1- پاسخ هیسترزیس.... 44
4-5-2- الگوی ترک خوردگی.. 44
4-5-3- اتلاف انرژی تجمعی.. 45
4-6- نتایج نمونه S5. 48
4-6-1- پاسخ هیسترزیس.... 48
4-6-2- الگوی ترک خوردگی.. 49
4-6-3- اتلاف انرژی تجمعی.. 50
4-7- نتایج نمونه S6. 52
4-7-1- پاسخ هیسترزیس.... 52
4-7-2- الگوی ترک خوردگی.. 53
4-7-3- اتلاف انرژی تجمعی.. 54
5- بررسی و مقایسه نتایج حاصل از آزمایشات... 57
5-1- مقدمه. 57
5-2- مقایسه الگوی ترک خوردگی.. 57
5-3- مقایسه منحنی های پوش هیسترزیس.... 59
5-3-1- شکل کلی منحنیهای پوش.... 61
5-3-2- سختی اولیه. 61
5-3-3- مقاومت برشی.. 62
5-3-4- دریفت متناظر تخریب محوری.. 63
5-4- جذب انرژی.. 64
5-5- مقایسه با مدلهای آیین نامهای ارزیابی لرزه ای.. 66
5-6- مقایسه نتایج آزمایش با مدل سازی عددی.. 71
5-6-1- نمونه S1. 71
5-6-2- نمونه S2. 73
5-6-3- نمونه S3. 75
5-6-4- نمونه S4. 77
5-6-5- نمونه S5. 79
5-6-6- نمونه S6. 81
6- بدست آوردن سختی موثر. 84
6-1- مقدمه. 84
6-2- مروری بر مدلهای موجود در تعیین سختی موثر ستونها 84
6-2-1- آیین نامه ACI 318-11 [12] 85
6-2-2- دستورالعمل FEMA 356 [14] 85
6-2-3- آیین نامه ASCE 41-06 [2] 85
6-2-4- رابطه ارائه شده توسط پاولی و پریستلی [16] 85
6-2-5- رابطه ارائه شده توسط اِلوود و اِبرهارد [15] 85
6-3- چگونگی تعیین سختی موثر در ستونهای بتنی.. 86
6-4- روش پیشنهادی برای تعیین سختی موثر ستونهای بتنی.. 88
6-4-1- نیروی برشی متناظر با تسلیم .. 88
6-4-2- تغییر مکان متناظر با تسلیم .. 88
6-4-3- سختی موثر ستون.. 89
6-5- بررسی صحت روش پیشنهادی.. 90
6-6- مطالعه پارامتری.. 90
6-6-1- اثر آرماتور عرضی بر ضریب سختی موثر. 91
6-6-2- اثر آرماتور طولی بر ضریب سختی موثر. 92
6-6-3- اثر تنش تسلیم آرماتورهای طولی بر ضریب سختی موثر. 93
6-6-4- اثر مقاومت فشاری بتن بر ضریب سختی موثر. 93
6-6-5- اثر نسبت ابعادی بر ضریب سختی موثر. 94
6-6-6- اثر نسبت نیروی محوری بر ضریب سختی موثر. 94
6-7- معادله ارائه شده برای تعیین سختی موثر ستونهای بتنی.. 97
7- دریفت متناظر فروریزش ثقلی... 100
7-1- مقدمه. 100
7-2- مدلهای موجود برای تعیین دریفت در زمان فروریزش ثقلی.. 100
7-2-1- مدل الوود [1] 101
7-2-2- مدل اوسالم [9] 101
7-2-3- مدل ژو [28] 102
7-2-4- مدل ویبو [29] 102
7-3- بررسی مدل الوود. 103
7-3-1- روند توسعه مدل.. 103
7-4- محاسبه تغییرمکان ناشی از باز شدن ترک برشی بحرانی.. 107
7-4-1- معادلات تعادل و سازگاری در محل ترک برشی بحرانی.. 108
7-4-2- روش پیشنهادی برای حل معادلات تعادل و سازگاری.. 111
7-4-3- زاویه ترک برشی بحرانی.. 113
7-4-4- فرضیات در نظر گرفته شده 116
7-4-5- حل یک مثال عددی.. 118
7-4-6- تحلیل پارامتری بر روی بازشدگی ترک برشی بحرانی (w) 123
7-5- اجزاء مختلف تغییر شکل جانبی.. 131
7-5-1- تغییر شکل خمشی.. 131
7-5-2- تغییر شکل برشی . 135
7-5-3- تغییرشکل ناشی از لغزش آرماتور در محل تکیه گاه 138
7-6- مدل ظرفیت محوری.. 139
7-7- مقایسه مدل ارائه شده با مطالعات آزمایشگاهی موجود در ادبیات فنی.. 142
7-7-1- مقایسه با مطالعات یوشیمورا [3] 142
7-7-2- مقایسه با مطالعات لین [4] 142
7-7-3- مقایسه با مطالعات سزن [5] 143
7-7-4- مقایسه با مطالعات ناکامورا [6] 143
7-7-5- مقایسه با مطالعات یوشیمورا [7] 144
7-7-6- مقایسه با مطالعات یوشیمورا [8] 145
7-7-7- مقایسه با مطالعات اوسالم [9] 145
8- جمع بندی ، نتایج و پیشنهادات... 148
8-1- مقدمه. 148
8-2- مطالعات آزمایشگاهی.. 148
8-3- مطالعات تحلیلی.. 149
8-3-1- محاسبه سختی موثر. 149
8-3-2- دریفت متناظر تخریب محوری.. 150
8-4- پیشنهاداتی برای ادامه کار 151
مراجع.............................................................................................................................................................................. 152
پیوست.............................................................................................................................................................................. 155