چکیده
دیوارهای برشی بتنی نه تنها در مناطق زلزلهخیز نقش بسیار مهمی در حمل بار جانبی و مقاومت در برابر تغییرمکان جانبی در ساختمانها ایفا میکنند بلکه در سایر مناطق با افزایش سختی جانبی باعث کاهش صدمات وارده به ناسازهها میشوند. تعبیه بازشو در دیوارهای برشی به دلیل الزامات معماری، فضایابی و زیبایی اجتنابناپذیر میباشد و جانمایی بازشوها چه به صورت منظم و یا نامنظم سبب پیچیدگی رفتار لرزهای دیوار میگردد. این موضوع در پیشبینی عملکرد و تعیین مدلهای تحلیلی تأثیرگذار میباشد.

هدف از این تحقیق بررسی تأثیر نامنظمی بازشوها در عملکرد لرزهای دیوار برشی بتنی میباشد. نتایج بدستآمده از آنالیز اجزاء محدود نشان داد که رفتار شکلپذیر، مقاومت و سختی دیوارها متأثر از نامنظمی بازشوها میباشد.

واژگان کلیدی: دیوار برشی بتنی، بازشو، اجزاء محدود، عملکرد لرزهای.

.۱ مقدمه
دیوارهای برشی بتن مسلح یکی از اعضای متداول مقاوم در برابر نیروهای جانبی وارد بر ساختمانها میباشند که جهت ایجاد مقاومت و سختی جانبی به کار برده میشوند. سازههای دارای دیوار برشی در صورت برخورداری از شکلپذیری و قابلیت جذب انرژی کافی، ایمنی لازم را تأمین نموده و صدمات احتمالی را کنترل و محدود مینمایند .[۱] در بسیاری از ساختمانها ملاحظات سازهای تحتالشعاع نیازهای معماری و تأسیساتی قرار گرفته و در این مواقع امکان کمتری برای مهندس سازه جهت ارائه یک فرم سازهای فراهم میگردد که منجر به ایجاد بازشوهای ناخواسته در دیوارهای برشی میگردد. از طرفی در بسیاری از ساختمانها بخصوص ساختمانهای میانمرتبه و بلندمرتبه استفاده از سیستم دیوار برشی به عنوان المانهای باربر اصلی لرزهای در محدودههای میانی پلان سازه، به عنوان هستههای آسانسور و پلهها امری متعارف میباشد. در برخی حالات تعبیه بازشوها هماهنگ با وضع پلهها بوده و در یک ردیف نخواهند بود . تعبیه بازشوها در دیوارهای برشی چه به صورت بازشوهای همراستا و یا بازشوهای غیرهمراستا موجب شده است تا رفتار آنها قدری پیچیده و مشکل شود .[۲] این موضوع با توجه به عدم وجود ضوابط آییننامهای دقیق و استفاده از دیوار برشی شکلپذیر ویژه نگرانیهای جدی به دنبال خواهد داشت.

با توجه به کاربرد و اهمیت مدلسازی دیوار برشی ساده و با بازشو در ساختمانها پژوهشها و مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی متعددی پیرامون این مسأله در ادبیات فنی ارائه شده است که هر کدام از زوایای مختلف به بررسی دیوارهای برشی پرداختهاند. اما مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی کمی در زمینه بررسی رفتار لرزهای دیوار برشی با بازشوهای نامنظم در دسترس است. از بین پژوهشهای آزمایشگاهی محدود انجامشده بر روی دیوارهای برشی با بازشو نامنظم میتوان به پژوهش یانز۱ و همکاران اشاره کرد که به بررسی تأثیر اندازه و مکان بازشوها در شش نمونه دیوار برشی بتن مسلح تحت بارگذاری جانبی چرخهای برگشتپذیر پرداختند و دریافتند که سختی دیوارهای برشی با بازشوهای یک در میان۲ تنها تابع ابعاد بازشوها بوده و به محل قرارگیری بازشوها وابسته نیست .[۳]

۱ Yanez 2 Staggered

۱

پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور ۱۱، ۱۲ و ۱۳ شهریورماه ۱۳۹۳، دانشگاه ارومیه

پژوهش آزمایشگاهی دیگری نیز بر روی دیوارهای برشی با بازشو نامنظم شطرنجی توسط آلی۱ و وایت۲ انجام شده است که آنها در آن نتایج خود را روی یک نمونه ساختمان دارای دیوار برشی بازشودار در شیلی که دارای پلان یکسان در طبقات بوده است و پس از زلزله ۱۹۸۵ سالم مانده بود، منتشر کردند .[۴]

بینگ۳ و هو۴ تحت یک کار آزمایشگاهی با هدف مقایسه با نتایج آزمایش یانز و همکاران [۳] به بررسی تأثیر اندازه و محل بازشو در دیوارهای برشی بالدار بتن مسلح با بازشوهای نامنظم پرداختند. آنها دریافتند که اندازه و محل قرارگیری بازشو در دیوارهای برشی بالدار با بازشو نامنظم تأثیر مهمی نداشته است. دیوارهای برشی بالدار دارای بازشوی نامنظم نیز در مقایسه با دیوارهای برشی بالدار بدون بازشو میتوانند به سطح ایمنی از مقاومت و شکلپذیری برسند .[۵]

بینگ و هو با استفاده از یک برنامه غیرخطی اجزاء محدود به تحلیل نمونههای آزمایششده توسط یانز و همکاران [۳] و آلی و وایت [۴] پرداختند. در این برنامه از مدل ترک پخش شده۵ و المان گره ای۶ استفاده شده است. بر اساس خصوصیت توزیع تنشها، دیوار با بازشو نامنظم به چهار ناحیه تقسیم میشود؛ ناحیه تیر۷، ناحیه ستون۸، ناحیه گرهای۹ ، ناحیه صفحهای.۱۰ آنها دریافتند که اغلب تنشهای فشاری در ناحیه صفحهای صفحه ای و تنش کششی در ناحیه تیر و ستون جریان پیدا میکند. بعد از قرار دادن مدلها تحت بار چرخهای برگشتپذیر دیده شد که بار جانبی توسط المان فشاری۱۱ و از طریق ناحیه ستون و صفحهای به پی انتقال مییابد و در دیوارهای برشی با بازشو نامنظم مسیر بارگذاری تطابق خوبی با مدل دستکهای کششی و فشاری نشان داد. تحلیل روی نیروی برشی در قسمت های مشخص ناحیه ستون نشان داد که این نواحی در دیوارها با نسبت ابعادی پایین مقداری از نیروی برشی را منتقل میکنند و در دیوارهای برشی لاغر با بازشوهای یک در میان، نواحی جان دیوار نیروی برشی را بیشتر انتقال میدهند .[۶]

بینگ و هو با استفاده از یک برنامه غیرخطی اجزاء محدود به بررسی پارامترهای مهم همچون بالها، نیروی محوری، ابعاد و مکان بازشوها روی دیوارهای برشی بتن مسلح با بازشوهای نامنظم پرداختند. آنها به نمونههای دیوار برشی با بازشو نامنظم پژوهش یانز و همکاران [۳] با درصد فولاد عمودی ۰/۵ درصد بالهایی به ابعاد ۲۰۰×۴۰۰ میلیمتر اضافه کردند و نتایج را با دیوارهای بدون بال مقایسه کردند . دیده شد که حضور بالها در نمونههایی که درصد فولاد عمودی در بال و خود دیوار برابر بوده سبب افزایش ظرفیت مقاومت در برابر بار جانبی و ایجاد شکلپذیری مناسب شده است اما اندکی تغییر در درصد فولاد عمودی بالها باعث تغییر در مود گسیختگی از حالت گسیختگی فشاری در المان مرزی به گسیختگی کششی در ناحیه تیر میشود به عبارتی مود گسیختگی برشی بحرانی شده است. این مطالعه نشان داد که افزایش نیروی محوری در نمونههای دیوار برشی بازشوهای نامنظم فاقد بال سبب افزایش مقاومت نهایی و سختی و کاهش شکلپذیری و وجود نیروی محوری در نمونههای دیوار برشی بالدار با بازشوهای نامنظم باعث افزایش مقاومت در برابر بار جانبی و شکلپذیری می شود. از نتایج دیگر این مطالعه می توان به تأثیر اندازه و مکان بازشوها در دیوارهای برشی با بازشو نامنظم اشاره کرد به گونهای که اگر این دیوارها به طور همزمان تحت بار محوری و جانبی قرار گیرند اندازه و مکان بازشوها ممکن است روی مقاومت و شکلپذیری تأثیر داشته باشد و دیوارها با بازشو کوچکتر بهتر از دیوارها با بازشوهای بزرگتر عمل میکنند و همچنین به دلیل تأثیر نیروی محوری، بازشوها نباید در نزدیکی نواحی مرزی قرار بگیرند .[۷]

موسوآرکا۱۲ تحت یک کار آزمایشگاهی به مطالعه مودهای گسیختگی در پنج نمونه دیوار برشی پرداخت که سه نمونه از آنها دارای بازشو نامنظم، یک نمونه دارای بازشو منظم و یک نمونه بدون بازشو میباشد . با مقایسه توسعه ترکها در نمونهها دیده شد که ترک اول در دیوار برشی با بازشوی منظم در انتهای تیر کوپله و در دیوار برشی با بازشوی نامنظم در انتهای دیوار شکل گرفت. آرماتور موجود در دیوار برشی با بازشوی منظم اولین آرماتوری بود که در مقدار نیرو و تغییرمکان افقی کمتری به تسلیم رسید. همچنین او مشاهده کرد که با افزایش فاصله بین دو بازشوی پشت سرهم، آرماتورهای عمودی در مقادیر کمتری از نیرو و تغییرمکان جانبی و آرماتورهای افقی در مقادیر بالاتر نیرو و تغییرمکان جانبی تسلیم میشوند،

۱ Ali 2 Wight 3 Bing 4 Hui

Smeared crack Joint element Beam zone Column zone Nodal zone Panel zone Strut

۱۲ Mosoarca

۲

پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور ۱۱، ۱۲ و ۱۳ شهریورماه ۱۳۹۳، دانشگاه ارومیه

این موضوع به دلیل افزایش مقطع بتنی در ستون میانی بین بازشوها و کاهش مقطع بتنی در ستون حاشیهای میباشد. خرد شدن بتن در دیوار برشی با بازشوی نامنظم بعد از تسلیم آرماتور افقی و عمودی ایجاد میشود در حالی که در دیوار برشی با بازشوی منظم همزمان با تسلیم آرماتور افقی بتن در تیر کوپله خرد میشود بنابراین مکانیزم گسیختگی در دیوار برشی با بازشوی نامنظم شکلپذیر و در دیوار برشی با بازشوی منظم ترد میباشد .[۸]

موسوآرکا در یک کار تحلیلی به بررسی مودهای گسیختگی سه نوع دیوار برشی پرداخت؛ دیوار برشی با بازشوی نامنظم، دیوار برشی با بازشوی منظم و دیوار برشی بدون بازشو. از نتایجی که او تحت این مطالعه بدست آورد میتوان به کاهش سختی در مرحله گسیختگی اشاره کرد که بیشترین کاهش سختی در دیوار برشی با بازشوی منظم به دلیل خرد شدن بتن در تیرهای کوپله و ترکهای شدید در تیرها و پایه دیوار رویت شده است و در دیوار برشی با بازشوی نامنظم به دلیل آرماتورگذاری افقی در تراز کفها و محصورشدگی کافی مقطع بتن فشاری در پایین ستونهای کوچک، کاهش سختی قابل ملاحظهای در مرحلهی گسیختگی رویت نشده است . او پیشنهاد کرد، زاویه α که معرف زاویه بین خط متصل کننده ی دو بازشوی متوالی با خط افق میباشد، بزرگتر از ۳۲ درجه همراه با آرماتورگذاری افقی متراکمتر در نواحی مابین بازشوها باشد. او بیان داشت که به قصد کاهش فاصله بین خاموتها و جلوگیری از کمانش آرماتورهای عمودی و ارتقاء ظرفیت فشاری از طریق محصورشدگی و افزایش ظرفیت باربری مقطع بتنی به خصوص در خمش، در مواردی که زاویه α کوچکتر از ۳۲ درجه میباشد نیاز به آرماتورگذاری عمودی بیشتری است .[۹]

موسوآرکا و استویان۱ با مدلهای تحلیلی و آزمایشگاهی به بررسی عملکرد لرزهای و کاهش سختی دیوار برشی بتنی با بازشوی نامنظم پرداختند. آنها از نتایج مدل تحلیلی دریافتند که تغییرمکان افقی دیوارهای دارای بازشو نامنظم کمتر از دیوار با بازشوی منظم و بیشتر از دیوار بدون بازشو می باشد. همچنین در نمونه با بازشو منظم با مقدار کمتری از بار لرزهای ترک ایجاد می شود و سپس به ترتیب در نمونهی بدون بازشو، نمونه SW23، SW45 و در نهایت نمونه SW67 با بالاترین مقدار بار لرزهای ترک ایجاد میگردد. همچنین آنها دریافتند که در فضای الاستیک دیوار برشی با بازشوی نامنظم سخت تر از دیوار با بازشوی منظم میباشد. سختترین دیوار برشی با بازشوی نامنظم دارای زاویه α برابر ۴۵ درجه (فاصله بین بازشوها کمترین مقدار را نسبت به دو حالت دیگر دارد.) میباشد سپس دیوار دارای زاویه α برابر ۳۲ درجه و در نهایت دیوار دارای زاویه α برابر ۱۸ درجه انعطافپذیرترین دیوار میباشد. صرف نظر از جهت بار لرزهای واردشده، جابهجایی بازشو درب به سمت حاشیه دیوار باعث کاهش سختی دیوار میگردد .[۱۰]

موسوآرکا و استویان توسط مدلهای آزمایشگاهی و تحلیلی به مقایسه اتلاف انرژی دیوارهای برشی با بازشوی نامنظم پرداختند. آنها بیان کردند که از بین فاکتورهای تأثیرگذار بر روی ظرفیت اتلاف انرژی دیوارهای برشی، ابعاد و مکان بازشوها نقش مهمی ایفا میکنند. بیشترین اتلاف انرژی مختص نمونه دیوار برشی بدون بازشو یعنی نمونه SW1 بوده و سپس دیوارهای برشی با بازشوی نامنظم که دارای کمترین فاصله بازشوها از یکدیگر هستند یعنی به ترتیب نمونهی SW23 ، SW45 و SW67 بیشترین اتلاف انرژی را به خود اختصاص میدهند. به عبارتی با افزایش فاصله بین بازشوها و یا کاهش زاویه α ظرفیت اتلاف انرژی نمونهها کاهش مییابد. کمترین اتلاف انرژی در دیوار با بازشوی منظم یعنی نمونه SW8 رویت شد. همچنین قابل ذکر است که نمونه دارای بازشوی منظم SW8 و نمونه دارای بازشوی نامنظم با بیشترین فاصله بین بازشوها (SW67) مقدار یکسان انرژی اتلاف میکنند . زیرا تیرهای کوپله در نمونهی SW8 فاقد آرماتورگذاری ویژه برای نیروی برشی جهت جلوگیری از گسیختگی ترد میباشند و در دیوار با بازشوی نامنظم SW67 به دلیل قرارگیری بازشوها در نزدیکی لبهی دیوار ستونها در پایه ی دیوار با خرد شدن بتن گسیختگی ترد رخ میدهد. جهت افزایش ظرفیت اتلاف انرژی در نمونه SW67 نیاز است تا محصورشدگی بتن در ستونهای پایهی دیوار رخ دهد. به طور کلی آرماتورهای قائم در اتلاف انرژی دیوار نقش داشته و مکان بازشوها در ظرفیت اتلاف انرژی مؤثرند؛ اگر بازشوها به لبههای دیوار نزدیک شوند ظرفیت اتلاف انرژی کاهش مییابد. از بین مطالعاتی که تاکنون انجام شده است مقدار زاویه α برابر ۴۵ درجه در دیوارهای برشی با بازشوهای نامنظم برای مناطق با لرزهخیزی بالا پیشنهاد میگردد زیرا در این مناطق نیاز به شکلپذیری بالای دیوارهای سازهای است. اتلاف انرژی بالای دیوارهای برشی با بازشوهای نامنظم به دلیل ظرفیت بالای تغییرشکل پس از الاستیک میباشد .[۱۱]

استویان و همکاران تحت یک کار آزمایشگاهی روی المانهای سازهای به بررسی دیوار برشی بتن مسلح پرداختند. آنها به این نتیجه رسیدند که مقدار اتلاف انرژی توسط دیوارها به جهت بار افقی وابسته نمیباشد ولی مکان بازشوها روی آن تأثیرگذار است به طوری که بیشترین اتلاف انرژی در دیوار برشی بدون بازشو سپس در دیوار برشی با بازشوهای نزدیک به هم و در نهایت کمترین اتلاف انرژی در دیوار برشی با بازشوهای منظم ایجاد میگردد. با کاهش زاویه α یا به عبارتی با افزایش فاصلهی بازشوها مقدار اتلاف انرژی کاهش مییابد .[۱۲]

۱ Stoian

۳

پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور ۱۱، ۱۲ و ۱۳ شهریورماه ۱۳۹۳، دانشگاه ارومیه

هدف از این تحقیق مدل سازی تحلیلی و بررسی عملکرد دیوارهای برشی با بازشوهای نامنظم میباشد. از یک سو با توجه به این که تاکنون در ادبیات فنی عملکرد دیوارهای برشی با بازشوهای نامنظم بهدرستی تشریح نگردیده است و از سوی دیگر ضوابط آییننامهای دقیق جهت طراحی و بهسازی این نوع دیوارها موجود نمیباشد پرداختن به چگونگی عملکرد این سیستمها الزامی است.