وبلاگ

1-1- کلیات و هدف مطالعه
صنعتی سازی و كاربرد سازه‌های بتن آرمه پیش‌ساخته و نیمه پیش‌ساخته، و برخورداری از مزایای آن سال‌های متمادی است که در کشورهای پیشرفته مورد توجه قرار گرفته و در سال‌های اخیر به این موضوع در كشورمان نیز توجه شده است. پیش‌ساختگی، اعضای سازه‌ای با کیفیت بالا، کارآمدی بیشتر، صرفه جویی در وقت و هزینه کمتر را به همراه داشته است. از مزیت های این سازه‌ها ایجاد یک روند مستمر تولید با هدایت و نظارت متخصصین می باشد. در این روند، مکانیزه کردن، سرعت بخشیدن، اقتصادی نمودن و کنترل کیفیت فرآورده‌ها، همچنین بهبود شرایط کار و به حداقل رسانیدن آثار جوی هنگام تولید مد نظر می‌باشند[1].
اغلب سیستم‌های پیش‌ساخته موجود در دنیا از نوع اتصال غیرگیردار با جزئیات ظریف هستند كه تولید و نصب آن دشوار بوده و معمولاً برای كشورمان مناسب نیستند. در ایران كه در اکثر مناطق، خطر لرزه‌خیزی زیاد تا خیلی زیاد است، سیستم های نیمه گیردار در قاب خمشی پیش ساخته ممکن است جوابگو نباشد و به سیستمی نیاز باشد كه قادر به مقابله با نیروهای مؤثر جانبی باشد. با وجود مزایای مختلف سازه های پیش‌ساخته، در نتیجه وجود پاره‌ای از مسائل که به طور حل نشده‌ باقی مانده‌اند، صنعت پیش‌ساختگی به پتانسیل کامل خود نرسیده است. این مشکلات بیشتر برخاسته از نوع اتصالات ساختمان‌های پیش‌ساخته است[2].
تحقیق حاضر سعی در معرفی و  بررسی رفتار یک نوع اتصال  صلب نیمه پیش ساخته تیر به ستون در ساختمان‌های بتنی با سیستم قاب خمشی دارد، که توسط کارشناسان شرکت ایران فریمکو طرح اولیه آن داده شده است. لازم به توضیح است که رفتار این نوع اتصال در آیین نامه‌های موجود در کشور، همچون آیین نامه بتن ایران[3] یا مبحث نهم مقررات ملی ساختمان[4] بررسی نشده است. همچنین این موضوع نیز باید مورد توجه قرار گیرد که مطابق آیین نامه داخلی برای سیستم‌های پیش ساخته خطی(دارای تیر و ستون) اتصالات در تحلیل سازه با فرض مفصلی بودن در برابر بارهای جانبی و با قبول مدل واقعی سختی در عملکردهای دیگر سازه وارد محاسبه شوند. اتصالاتی که صلب فرض شوند، باید درجا بتن ریزی شوند یا کاملا با جزییات اتصال قاب درجا بتن‌ریزی شده، مشابه باشند. در غیر اینصورت باید مقاومت خمشی و سختی آن‌ ها در نامناسب‌ترین شرایط توسط آزمایش‌های دقیق ثابت شده باشند. در این آزمایش‌ها بخصوص باید اثر بارهای نوسانی و تغییرات داخلی سازه بر اثر جمع شدگی بتن و تغییرات دما تعیین گردند[1].
در این تحقیق، علاوه بر عملكرد لرزه‌ای مناسب این نوع اتصال صلب نیمه ‌پیش‌ساخته، به سهولت در اجرای آن با توجه به امكانات اجرایی و توانایی‌های موجود دركشور نیز توجه شده است، زیرا هر یک از دو سیستم قاب خمشی و ترکیب قاب خمشی و دیوار برشی درجاریز دچار محدودیت‌هایی می‌باشند. به دلیل امن‌تر بودن سازه‌های با درجات نامعینی بالا، اقدام به طرح و بررسی فنی و اجرایی سیستم قاب خمشی تنها بصورت نیمه پیش ساخته شده‌است. مزیت دیگر قاب خمشی تنها به جای سیستم ترکیبی قاب خمشی و دیوار برشی درجا، در مواقعی است که نتوان دیوار برشی درجا را اجرا نمود،  همانند محل بازشوها و زمان‌هایی که بحث اندرکنش بین قاب و دیوار مطرح می‌شود. از دیگر مزایای عمده این روش جدید امكان استفاده از آن در انبوه سازی و سریع سازی ساختمان‌ها می‌باشد. خصوصاً در كشور ما كه بخش عظیمی از ساختمان‌ها فاقد سیستم مقاوم خوبی در برابر زلزله هستند استفاده از این روش یک سازه امن و صحیح با مقاومت بالا را حاصل می‌كند.
2-1- اهمیت موضوع یا ارزشیابی
با وجود لرزه خیزی شدید اغلب مناطق پرجمعیت کشور و آسیب پذیری ساختمان‌های موجود در برابر زلزله، بر اساس تجربیات بدست آمده از زلزله‌های اخیر همانند زلزله منجیل، بم و همچنین زلزله های روی داده در ورزقان و خراسان شمالی، متأسفانه تاکنون توجه کافی در کشور به ساخت و ساز صحیح و اصولی صورت نگرفته است. این در حالی است که مطابق با پیشرفت‌های سال‌های اخیر جهان در امر مهندسی زلزله به ویژه پس از زلزله‌های نورثریج (آمریکا) و کوبه (ژاپن)، احداث بناهای مقاوم در برابر زلزله چندان دور از دسترس نیست. همچنان که در زلزله شدیدی همچون زلزله نورثریج در کشور آمریکا حتی یک ساختمان فولادی نیز دچار فروپاشی نشده است و تمام خرابی‌ها به صورت موضعی بوده‌اند[5].
عملکرد ضعیف ساختمان‌های موجود در کشور بالاخص سازه‌های بتنی، عمدتاً به دو دلیل علمی و فنی زیر است:
1- عدم توجه کافی به مرحله طراحی ساختمان و به خصوص پیشرفت‌های روز دنیا در زمینه صنعتی سازی و نیز مقاوم سازی‌های موجود در مقابل زلزله.
2- عدم وجود دانش فنی نزد عوامل مرتبط با امور ساخت و ساز و نیز سهل انگاری دستگاه نظارت و مهندسین ناظر.
در طراحی ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله انتظار می‌رود که سازه قادر به تحمل تغییر شکل‌های بزرگ و متناوب غیر ارتجاعی[1] در طول یک زلزله شدید باشد. رفتار چرخه‌ای غیر ارتجاعی یک سازه مقاوم در برابر زلزله، توسط حلقه های هیسترزیس[2] کامل و پایدار دارای

 شکل پذیری و ظرفیت استهلاک انرژی لازم جهت مقاومت در برابر زلزله تعریف می‌شوند[6]. برای رسیدن به این مطلوب، باید سازه‌هایی که در نواحی لرزه خیز طراحی می‌شوند دو معیار اصلی را ارضا کنند. آن‌ ها باید دارای سختی[3] کافی باشند تا بتوانند تغییر مکان جانبی سازه را کنترل کرده و از خرابی های سازه‌ای و غیر سازه‌ای در طول یک زلزله متوسط جلوگیری کنند. از طرف دیگر تحت اثر لرزش‌های شدید سازه‌ها باید از مقاومت و شکل پذیری کافی برخوردار باشند تا فروپاشی به وقوع نپیوندد و سازه قادر به استهلاک انرژی زیادی باشد. در چنین شرایطی خرابی‌های غیر سازه‌ای و تا حدودی خرابی‌های سازه‌ای قابل قبول می‌باشد. به عبارت دیگر سازه‌های مقاوم در برابر زلزله باید انرژی لرزه‌ای را به گونه‌ای مستهلك سازند كه سختی و مقاومت سازه به اندازه كافی محفوظ بماند تا نیروهای جانبی بتوانند به پی سازه منتقل شوند. در سازه‌های بتنی درجا ریز دو سیستم مقاوم در برابر زلزله پیشینه زیادی دارند و در سطح وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند كه شامل سیستم قاب خمشی و سیستم قاب خمشی همراه با دیوار برشی میشوند.

قاب‌های خمشی كه دارای ظرفیت استهلاك انرژی بالایی به واسطه تشكیل مفاصل پلاستیك[4] در انتهای تیرها هستند اغلب بسیار انعطاف پذیر بوده و محدود كردن تغییر مكان جانبی در این سیستم به خصوص در مورد سازه‌های بلند مرتبه معضل اصلی طراحان می‌باشد[7]. از آنجا كه اتصال گیردار تیر به ستون نقش اصلی را در رفتار لرزه‌ای قاب خمشی به عهده دارد، كسب اطمینان از كیفیت و توانایی آن‌ ها بسیار حائز اهمیت است. در كشور ما متاسفانه نحوه اجرا و كنترل كیفیت سازه‌ها چندان مطلوب نیست. به عنوان مثال به دفعات مشاهده می‌شود كه در حد فاصله سقف، خاموتی در چشمه اتصال ستون قرار گرفته نشده است و یا خاموت‌های قرار داده شده در تیرها فاصله زیادی از هم دارند، بتن ریخته شده كیفیت مناسبی نداشته و یا به علت مشكلات جوی بتن ریخته شده عمل آوری مناسبی را نداشته و به مقاومت مطلوب دست پیدا نكرده است.
بنابراین در دهه اخیر مطالعات زیاد و سازمان یافته‌ای در مورد سازه‌های پیش ساخته صورت گرفته است تا هم بتوان مقاومت بسیار مناسبی را از بتن ساخته شده كسب كرده و هم رفتار مناسب لرزه‌ای را در سازه به وجود آورد كه متاسفانه دانش عمومی مهندسان طراح دركشورمان نسبت به این پیشرفت‌ها ناچیز می‌باشد، که اهمیت تحقیق و مطالعه در این زمینه را دوچندان می نماید.
3-1- تاریخچه کارها و تحقیقات قبلی
در سال 1986، Seckin و همکاران به بررسی ضعف و قوت سازه های پیش ساخته بتنی از لحاظ کفایت سازه ای پرداختند. برای این کار، یک ساختمان پنج طبقه به دو صورت قاب خمشی بتن درجا و قاب خمشی پیش ساخته مدلسازی کرده و تحت ترکیب بارهای متداول تحلیل نمودند. بر اساس نتایج بدست آمده سیستم قاب خمشی پیش ساخته از لحاظ رفتار سازه ای از قبیل میزان جذب انرژی، شکل پذیری، میرایی و مقاومت و همچنین میزان مصالح مصرفی در اسکلت ساختمان، قابل رقابت با سیستم یکپارچه بتن درجا بوده، ولی تأمین گیرایی کامل در اتصالات سازه‌های پیش ساخته بزرگترین مشکل آن ها می باشد[8].
 در سال 1997، J.F.Anderson و R.G.Dolan از دانشگاه شیکاگو به بررسی رفتار چندین نوع از اتصالات صلب در سازه های پیش ساخته بتنی برای مقایسه با رفتار اتصالات صلب در سازه های درجا ریز پرداختند. آن ها طی یک برنامه تحقیقاتی پر هزینه توسط انجمن بتن پیش ساخته و بتن پیش تنیده امریکا[1]، هشت اتصال صلب تیر به ستون پیشنهادی در دانشگاه واشنگتن را مورد مطالعه و بررسی قرار دادند. در این برنامه تحقیقاتی، اتصال ها به صورت صلیب شکل آزمایش شده، و منحنی های هیسترزیس آن ها بدست آمد. در نهایت اتصالات صلب مورد بررسی نشان می‌دادند که این اتصالات از نظر رفتار سازه ای در مناطق با لرزه خیزی بالا به خوبی می تواند انرژی ناشی از حرکت زمین را مستهلک نمایند[9].
در سال 2005، Elliott K. S. Butterworth و Heinemann به بررسی رفتار اتصالات معرفی شده تیر-ستون با بهره گرفتن از بارگذاری چرخه ای و بدست آوردن منحنی های هیسترزیس پرداختند. خرابی سازه های پیش ساخته در زلزله های گذشته نشان داده بود که اتصالات در این نوع سازه ها یکی از بحرانی ترین نقاط بوده و نیازمند دقت در طراحی و اجرا می‌باشد. در نهایت چند اتصال شکل پذیر تیر-ستون مقاوم لرزه ای ارائه شده‌اند[10].
در سال 2007، Roggers و همکارانش در دانشگاه کانتربوری به بررسی عددی نوع خاصی از اتصال پیش ساخته بتنی تیر به ستون پرداختند. هدف بررسی عددی یک نوع اتصال تیر به ستون بتنی پیش‌ساخته که رفتاری بسیار مشابه با اتصال بتنی درجاریز دارد، می باشد. در این راستا با بهره گرفتن از روش‌های اجزاء محدود و مدلسازی کامپیوتری با نرم افزار Abaqus به تحلیل غیر خطی این نوع اتصال پرداخته شده و رفتار آن با اتصال بتنی یکپارچه مشابه مقایسه گردید. در نهایت این موضوع نتیجه گیری شد که اتصالات بتنی پیش ساخته در صورت داشتن طراحی مناسب و رعایت نکات اجرایی می توانند دارای مقاومت، شکل‌پذیری و جذب انرژی مشابه اتصال بتنی یکپارچه باشند. نتایج تحلیل بر روی دو نمونه اتصال پیش ساخته و درجا در دو حالت وجود نیروهای فشاری و کششی بر روی ستون حاکی از آن است که این دو نوع اتصال به صورت مشابه عمل می کنند و تنها مقاومت نهایی اتصال درجا[2] کمی بیشتر از اتصال پیش ساخته است[11].
این پایان نامه در هشت فصل تنظیم شده که به ترتیب زیر می باشند:
بعد از ارائه فصل اول در فصل دوم، ابتدا به بررسی تاریخچه و روش طراحی سازه‌ها و عملکرد قاب های خمشی پرداخته شده است. پس از آن مفاصل پلاستیک در این نوع قاب ها بررسی شده است. سپس، سیستم سازه و اتصال طرح شده و چگونگی اجرای آن معرفی شده است. در پایان، مزیت ها و معایب سیستم نیمه پیش ساخته بتنی نسبت به سایر سیستم های سازه ای برشمرده خواهد شد.
در فصل سوم، ابتدا به نحوه بررسی عملکرد یک اتصال پرداخته شده است. برای این بررسی نیاز به روش‌های مختلف جهت محاسبه سختی و استهلاک انرژی می‌باشد، که از جمله روش‌های بررسی استهلاک انرژی نمودارهای هیسترزیس، لنگر-دوران و محاسبه عدد صلبیت بررسی می‌شود. در آخر نیز نتایج آزمایش انجام شده توسط کارشناسان ایران فریمکو بر روی اتصال صلیب‌شکل نمونه بررسی شده است.
در فصل چهارم با مدل سازی و تحلیل سه ساختمان در نرم افزارEtabs ، ابعاد اولیه مقاطع و بارهای وارده بر آن ها بدست آورده شده است.
در فصل پنجم سازه صلیب شکل را مدلسازی شده و طرح های اولیه آن در نرم افزار  AutoCADترسیم گشته، و پس از آن شرایط بارگذاری به صورت رفت و برگشتی بر روی سازه صلیب شکل مورد نظر  مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل ششم  ابتدا مطالعات عددی سه بعدی بر روی نمونه صلیب طرح شده انجام گرفته و سازه صلیب شکل به صورت سه بعدی در نرم افزار Abaqus مدلسازی و تحت بارهای رفت و برگشتی قرار گرفته است. در نهایت رفتار اتصال در میزان استهلاک انرژی با قطعات مختلف، بر اساس خروجی‌های نرم‌افزار مطالعه و بررسی شده است.
در فصل هفتم ابتدا سعی شده بر اساس مطالعات مختلف به ترسیم قطعه جدید اتصال پرداخته و  بار دیگر به مدلسازی سه بعدی سازه صلیب شکل با تعویض قطعه اتصال در نرم افزار Abaqus پرداخته شده است. سپس، خروجی های و منحنی های لازم بدست آورده شده، و رفتار اتصال در میزان استهلاک انرژی با قطعات جدید توسط منحنی های هیسترزیس، منحنی‌های لنگر-دوران و روابط صلبیت مورد بررسی قرار گرفته است.
 در فصل هشتم نیز نتایج عددی به دست آمده از تحلیل های غیر خطی اتصال مورد نظر، جمع‌بندی و مورد بحث قرار گرفته است.
[1] PCI
[2] Cast in Place
[1] Plastic
[2] Hysteresis Loops
[3] Regidity
[4] Plastic Hinge