تحلیل تناوبی قاب های بتن مسلح در مورد به کارگیری روش های مختلف در مدل تار جهت در نظرگیری اثر چسبندگی-لغزش Cyclic analysis of RC frames with respect to employing different methods in the fiber model for consideration of bond-slip effect
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی عمران، مدیریت ساخت، زلزله و سازه
در این تحقیق، براساس تحلیل غیرخطی قاب‌های خمشی بتن مسلح، اثر چسبندگی-لغزش بین بتن و آرماتورها در امتداد طول تیر، ستون و المان‌های اتصالی برای معادلات عددی اعمال گردید. نظریه حاکم در این معادلات مشابه نظریه مدل تار بود، اما فرض چسبندگی کامل بین بتن و آرماتور حذف گردید. دقت روش پیشنهادی در درنظرگیری رفتار غیرخطی واقعی قاب‌های بتن مسلح با دقت سایر روش‌های پیشنهادی برای درنظرگیری اثر چسبندگی-لغزش در تحلیل مدل تار مقایسه شد. توانایی در مدلسازی طول مدفون آرماتورها در اتصالات و مدلسازی غیرخطی چسبندگی-لغزش ازجمله قابلیت‌های این روش است. دقت نتایج تحلیلی با نتایج آزمایشگاهی حاصل از دو نمونه تحت بار تناوبی مقایسه گردید. مقایسه نشان داد که روش پیشنهادی می‌تواند رفتار غیرخطی قاب‌های بتن مسلح را با دقت بسیار خوبی مدل کند. کلیدواژه‌ها: اثر چسبندگی-لغزش، اثر بیرون کشیدگی، تحلیل تناوبی، قاب‌های بتن مسلح مقدمه بسیاری از مدل‌های تحلیلی برای تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح (RC) طراحی شده‌اند. هرچند مدلسازی دوبعدی و سه بعدی در یک روش المان محدود می‌تواند تحلیل دقیقتری حاصل کند، اما زمان تحلیل را بسیار افزایش می‌دهد. بنابراین، چنین روش‌هایی معمولاً برای مدل سازی قطعات سازه‌ای بکار می‌روند، در حالی که روش‌های راحت‌تر برای مدلسازی کل سازه استفاده می‌شوند. مدل یک قطعه‌ای کلاف و همکارانش یکی از مدل‌های ساده‌ای است که برای تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح بکار می‌رود. مدل‌های مختلف دارای خصوصیت پلاستیسیته متمرکز (برانکالونی و همکاران ۱۹۸۳) بعدها معرفی گردید و توضیح دقیقتری از رفتار غیرخطی المان‌های قاب‌های بتن مسلح به واسطه مدل‌های با پلاستیسیته توزیع یافته (مدل سلیمانی و همکاران ۱۹۷۹) ارائه گردید. سایر مدل‌ها (مدل فیلیپو و همکاران ۱۹۹۲) ازجمله مدل‌های چندفنری که از المان‌های فرعی بهره می‌گیرند نیز طراحی شدند. یکی از پرکاربردترین مدل‌ها مدل تار است. در این روش، هر المان به تعدادی قطعه بتنی و تار فولادی تقسیم می‌شود و مشخصات مقطع المان با لحاظ کردن اثرات رفتار تار‌ها ایجاد می‌شوند. این روش چسبندگی کاملی بین بتن و آرماتور فرض می‌کند، اما این فرضیه چندان مناسب یا واقع بینانه نیست و سبب ایجاد اختلافی قابل توجه بین نتایج تجربی و آزمایشگاهی می‌شود. بلابری و هسو و نیز کواک و کیم از روش تار استفاده می‌کنند اما برای اصلاح و کاهش خطای تحلیل حاصل از فرضیه مذکور، رفتار تنش-کرنش آرماتورها را اصلاح کردند. بدین صورت، آنها از روشی معادل بهره گرفتند. لیم کاتانانیو و اسپاسون (۲۰۰۲) از روش تار بهره گرفتند اما فرضیه چسبندگی کامل را حذف نمودند. جهت انجام این کار، آنها بین درجات آزادی بتن و آرماتورها در المان‌های تیر-ستون تمایز ایجاد کردند. این روش اصلاح شده برای المان‌های تیر-ستون در مطالعه حاضر بکار رفته است، اما برای مدلسازی قاب‌های بتن مسلح، یک المان اتصالی نیز نیاز است. آنچه مهم است مطابقت و شباهت المان‌های اتصالی با المان‌های تیر-ستون است. در روش‌های اولیه تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح، اثر غیرخطی اتصالات تیر-ستون با استفاده از کالیبراسیون مفصل‌های پلاستیک در المان‌های تیر-ستون مجاور درنظر گرفته می‌شوند. در چنین شرایطی، المان اتصالی جداگانه مدل نمی‌شود، بلکه اثرش بر المان‌های مجاور لحاظ می‌گردد. براساس این، اتصالات قاب‌های بتن مسلح در نواحی بحرانی تعیین می‌شوند و تحت تأثیر اثرات مختلفی همانند نیروی برشی زیاد و اثر چسبندگی-لغزش قرار می‌گیرند، از این رو این اتصالات به مدلسازی دقیق‌تر نیاز دارند. براساس روشی دیگر، رفتارهای هر کدام از المان‌های اتصالی، تیر و ستون تفکیک می‌شوند. فنر دورانی با طول صفر یک چنین المان اتصالی است. در این نوع مدلسازی، اثر تغییرشکل برشی با استفاده از یک فنر درنظر گرفته می‌شود که رفتار حاکم آن خمشی-دورانی است. در نوعی دیگر، همانند روش قبلی، ۲ فنر در مدلسازی اتصال بکار می‌روند. در یک فنر، اثر تغییرشکل برشی لحاظ می‌شود و در دیگری اثر تغییرشکل برشی ناشی از لغزش آرماتور منظور می‌گردد. به منظور کالیبره کردن چنین المان‌های اتصالی، نتایج آزمایشگاهی یا روابط تخمینی نیرو-تغییرشکل در اتصالات باید بکار روند، اما محاسبه‌ی دقیق چنین روابطی آسان نیست به ویژه در سازه‌هایی که از تعداد زیادی از انواع المان‌های اتصالی برخوردارند. افزون براین، در چنین مواردی، فاکتورهای مختلف مؤثر بر رفتار غیرخطی اتصالات تفکیک نمی‌شوند اما بطور کلی در این مدل‌ها بکار گرفته می‌شوند. در برخی روش‌های جدیدتر، المان‌های اتصالی به صورت صفحات دوبعدی مدلسازی می‌شوند، اما برای بکارگیری چنین المان‌هایی در امتداد المان‌های تیر-ستون مجاور در مونتاژ کردن کل قاب بتن مسلح، المان‌های موقتی نیز استفاده می‌شوند تا ارتباطی بین درجات آزادی صفحه اتصال و المان‌های خطی مجاورش بوجود آید. چنین المان‌هایی معمولاً روابط دوبعدی داشته و توانایی مدلسازی جداگانه‌ی رفتار بتن و آرماتورها و اندرکنش بین آنها را دارند. این المان‌ها با این حال همانند روش‌های المان محدود زمان مدلسازی و محاسبات را افزایش می‌دهند. علاوه براین، زمانی که لازم است به درجات آزادی بتن و آرماتورها در المان اتصالی با درجات آزادی متناظر در المان‌های تیر-ستون خطی مجاور مطابقت داشته باشند، این نوع مدلسازی محدودیت‌های خودش را دارد. نوع دیگر المان اتصالی با کردآوری یک سری قطعات یک بعدی ساخته می‌شود که برای مدل سازی رفتار غالب در اتصالات المان بکار می‌روند و کالیبراسیون آنها از طریق نتایج آزمایشگاهی انجام می‌گیرد. این نوع مدلسازی به رفتار نیرو-تغییرشکل هر قطعه مؤثر متکی است و چون روابط نیرو-تغییرشکل بطور تقریبی محاسبه می‌شوند، چنین مدلسازی دقتی کامل نخواهد شد و به فرآیند کالیبراسیون قوی‌ای نیاز خواهد شد. لیمکاتانیو (۲۰۰۰) یک المان اتصالی داخلی را براساس تفکیک درجات آزادی آرماتورهایی که از داخل اتصالات عبور می‌کردند و بتن معرفی کرد. هرچند این المان می‌تواند اندرکنش بین بتن و آرماتورها را به شکل بسیار خوبی مدل کند، اما دقت ندارد زیرا از پیش درجات آزادی مشابهی برای هر ۴ وجه پیرامون المان اتصالی فرض می‌گیرد و تغییرشکل برشی صفحات اتصال را نادیده می‌گیرد. نکته مهم دیگر در مورد انواع مدل‌های موجود این است که اغلب آنها برای مطالعه‌ی اتصالات در محل‌های مختلف قاب قابل استفاده نیستند. بنابراین، اغلب آنها برای تنها یکی از محل‌های داخلی، خارجی یا کنج مفیدند. در مطالعه حاضر، المان تیر-ستون با لیمکاتانیو و اسپاسون برای مدلسازی المان‌های تیر و ستون بکار گرفته شد زیرا المان از دقت خوبی برخوردار است و اندرکنش بین بتن و آرماتورها را درنظر می‌گیرد. یک المان اتصالی نیز تعریف و استفاده می‌شود که علاوه بر انعطاف پذیری‌اش در مدلسازی انواع مختلف المان‌های اتصالی مانند شالوده داخلی، خارجی و کنج می‌تواند با المان تیر-ستون فوقانی مونتاژ شود. علاوه براین، این مدلسازی فاکتورهایی همچون اثر چسبندگی-لغزش بین آرماتورهایی که از اتصالات عبور می‌کنند، اثر بیرون کشیدگی آرماتورهایی که در داخل اتصالات مقید می‌شوند، رفتار غیرخطی مصالح و اثر برش-تغییرشکل املان های مختلف تیر-ستون را درنظر می‌گیرد. مدلسازی معرفی شده به راحتی قابل استفاده است. برای مدل کردن المان‌های اتصالی، یک سازوکار بیرون کشیدگی، یک المان فرعی بتن مسلح و یک المان فرعی بتنی ابتدا به عنوان بخش‌های تشکیل دهنده‌ی المان اتصال بتن مسلح تعریف می‌شوند. این بخش‌ها سپس مونتاژ می‌شوند تا ۴ نوع المان اتصالی را بوجود آورند تا در کنار المان‌های تیر-ستون در مدلسازی قاب‌های قاب خمشی بتن مسلح بکار گرفته شوند. جهت سادگی، RCF، RCMRF، BCE، JE، RSCE و CSE در متن بجای قاب بتن مسلح، قاب خمشی بتن مسلح، المان تیر-ستون، المان اتصالی، المان فرعی بتن مسلح و المان فرعی بتنی به ترتیب بکار می‌روند.
در این تحقیق، براساس تحلیل غیرخطی قاب‌های خمشی بتن مسلح، اثر چسبندگی-لغزش بین بتن و آرماتورها در امتداد طول تیر، ستون و المان‌های اتصالی برای معادلات عددی اعمال گردید. نظریه حاکم در این معادلات مشابه نظریه مدل تار بود، اما فرض چسبندگی کامل بین بتن و آرماتور حذف گردید. دقت روش پیشنهادی در درنظرگیری رفتار غیرخطی واقعی قاب‌های بتن مسلح با دقت سایر روش‌های پیشنهادی برای درنظرگیری اثر چسبندگی-لغزش در تحلیل مدل تار مقایسه شد. توانایی در مدلسازی طول مدفون آرماتورها در اتصالات و مدلسازی غیرخطی چسبندگی-لغزش ازجمله قابلیت‌های این روش است. دقت نتایج تحلیلی با نتایج آزمایشگاهی حاصل از دو نمونه تحت بار تناوبی مقایسه گردید. مقایسه نشان داد که روش پیشنهادی می‌تواند رفتار غیرخطی قاب‌های بتن مسلح را با دقت بسیار خوبی مدل کند. کلیدواژه‌ها: اثر چسبندگی-لغزش، اثر بیرون کشیدگی، تحلیل تناوبی، قاب‌های بتن مسلح مقدمه بسیاری از مدل‌های تحلیلی برای تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح (RC) طراحی شده‌اند. هرچند مدلسازی دوبعدی و سه بعدی در یک روش المان محدود می‌تواند تحلیل دقیقتری حاصل کند، اما زمان تحلیل را بسیار افزایش می‌دهد. بنابراین، چنین روش‌هایی معمولاً برای مدل سازی قطعات سازه‌ای بکار می‌روند، در حالی که روش‌های راحت‌تر برای مدلسازی کل سازه استفاده می‌شوند. مدل یک قطعه‌ای کلاف و همکارانش یکی از مدل‌های ساده‌ای است که برای تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح بکار می‌رود. مدل‌های مختلف دارای خصوصیت پلاستیسیته متمرکز (برانکالونی و همکاران ۱۹۸۳) بعدها معرفی گردید و توضیح دقیقتری از رفتار غیرخطی المان‌های قاب‌های بتن مسلح به واسطه مدل‌های با پلاستیسیته توزیع یافته (مدل سلیمانی و همکاران ۱۹۷۹) ارائه گردید. سایر مدل‌ها (مدل فیلیپو و همکاران ۱۹۹۲) ازجمله مدل‌های چندفنری که از المان‌های فرعی بهره می‌گیرند نیز طراحی شدند. یکی از پرکاربردترین مدل‌ها مدل تار است. در این روش، هر المان به تعدادی قطعه بتنی و تار فولادی تقسیم می‌شود و مشخصات مقطع المان با لحاظ کردن اثرات رفتار تار‌ها ایجاد می‌شوند. این روش چسبندگی کاملی بین بتن و آرماتور فرض می‌کند، اما این فرضیه چندان مناسب یا واقع بینانه نیست و سبب ایجاد اختلافی قابل توجه بین نتایج تجربی و آزمایشگاهی می‌شود. بلابری و هسو و نیز کواک و کیم از روش تار استفاده می‌کنند اما برای اصلاح و کاهش خطای تحلیل حاصل از فرضیه مذکور، رفتار تنش-کرنش آرماتورها را اصلاح کردند. بدین صورت، آنها از روشی معادل بهره گرفتند. لیم کاتانانیو و اسپاسون (۲۰۰۲) از روش تار بهره گرفتند اما فرضیه چسبندگی کامل را حذف نمودند. جهت انجام این کار، آنها بین درجات آزادی بتن و آرماتورها در المان‌های تیر-ستون تمایز ایجاد کردند. این روش اصلاح شده برای المان‌های تیر-ستون در مطالعه حاضر بکار رفته است، اما برای مدلسازی قاب‌های بتن مسلح، یک المان اتصالی نیز نیاز است. آنچه مهم است مطابقت و شباهت المان‌های اتصالی با المان‌های تیر-ستون است. در روش‌های اولیه تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح، اثر غیرخطی اتصالات تیر-ستون با استفاده از کالیبراسیون مفصل‌های پلاستیک در المان‌های تیر-ستون مجاور درنظر گرفته می‌شوند. در چنین شرایطی، المان اتصالی جداگانه مدل نمی‌شود، بلکه اثرش بر المان‌های مجاور لحاظ می‌گردد. براساس این، اتصالات قاب‌های بتن مسلح در نواحی بحرانی تعیین می‌شوند و تحت تأثیر اثرات مختلفی همانند نیروی برشی زیاد و اثر چسبندگی-لغزش قرار می‌گیرند، از این رو این اتصالات به مدلسازی دقیق‌تر نیاز دارند. براساس روشی دیگر، رفتارهای هر کدام از المان‌های اتصالی، تیر و ستون تفکیک می‌شوند. فنر دورانی با طول صفر یک چنین المان اتصالی است. در این نوع مدلسازی، اثر تغییرشکل برشی با استفاده از یک فنر درنظر گرفته می‌شود که رفتار حاکم آن خمشی-دورانی است. در نوعی دیگر، همانند روش قبلی، ۲ فنر در مدلسازی اتصال بکار می‌روند. در یک فنر، اثر تغییرشکل برشی لحاظ می‌شود و در دیگری اثر تغییرشکل برشی ناشی از لغزش آرماتور منظور می‌گردد. به منظور کالیبره کردن چنین المان‌های اتصالی، نتایج آزمایشگاهی یا روابط تخمینی نیرو-تغییرشکل در اتصالات باید بکار روند، اما محاسبه‌ی دقیق چنین روابطی آسان نیست به ویژه در سازه‌هایی که از تعداد زیادی از انواع المان‌های اتصالی برخوردارند. افزون براین، در چنین مواردی، فاکتورهای مختلف مؤثر بر رفتار غیرخطی اتصالات تفکیک نمی‌شوند اما بطور کلی در این مدل‌ها بکار گرفته می‌شوند. در برخی روش‌های جدیدتر، المان‌های اتصالی به صورت صفحات دوبعدی مدلسازی می‌شوند، اما برای بکارگیری چنین المان‌هایی در امتداد المان‌های تیر-ستون مجاور در مونتاژ کردن کل قاب بتن مسلح، المان‌های موقتی نیز استفاده می‌شوند تا ارتباطی بین درجات آزادی صفحه اتصال و المان‌های خطی مجاورش بوجود آید. چنین المان‌هایی معمولاً روابط دوبعدی داشته و توانایی مدلسازی جداگانه‌ی رفتار بتن و آرماتورها و اندرکنش بین آنها را دارند. این المان‌ها با این حال همانند روش‌های المان محدود زمان مدلسازی و محاسبات را افزایش می‌دهند. علاوه براین، زمانی که لازم است به درجات آزادی بتن و آرماتورها در المان اتصالی با درجات آزادی متناظر در المان‌های تیر-ستون خطی مجاور مطابقت داشته باشند، این نوع مدلسازی محدودیت‌های خودش را دارد. نوع دیگر المان اتصالی با کردآوری یک سری قطعات یک بعدی ساخته می‌شود که برای مدل سازی رفتار غالب در اتصالات المان بکار می‌روند و کالیبراسیون آنها از طریق نتایج آزمایشگاهی انجام می‌گیرد. این نوع مدلسازی به رفتار نیرو-تغییرشکل هر قطعه مؤثر متکی است و چون روابط نیرو-تغییرشکل بطور تقریبی محاسبه می‌شوند، چنین مدلسازی دقتی کامل نخواهد شد و به فرآیند کالیبراسیون قوی‌ای نیاز خواهد شد. لیمکاتانیو (۲۰۰۰) یک المان اتصالی داخلی را براساس تفکیک درجات آزادی آرماتورهایی که از داخل اتصالات عبور می‌کردند و بتن معرفی کرد. هرچند این المان می‌تواند اندرکنش بین بتن و آرماتورها را به شکل بسیار خوبی مدل کند، اما دقت ندارد زیرا از پیش درجات آزادی مشابهی برای هر ۴ وجه پیرامون المان اتصالی فرض می‌گیرد و تغییرشکل برشی صفحات اتصال را نادیده می‌گیرد. نکته مهم دیگر در مورد انواع مدل‌های موجود این است که اغلب آنها برای مطالعه‌ی اتصالات در محل‌های مختلف قاب قابل استفاده نیستند. بنابراین، اغلب آنها برای تنها یکی از محل‌های داخلی، خارجی یا کنج مفیدند. در مطالعه حاضر، المان تیر-ستون با لیمکاتانیو و اسپاسون برای مدلسازی المان‌های تیر و ستون بکار گرفته شد زیرا المان از دقت خوبی برخوردار است و اندرکنش بین بتن و آرماتورها را درنظر می‌گیرد. یک المان اتصالی نیز تعریف و استفاده می‌شود که علاوه بر انعطاف پذیری‌اش در مدلسازی انواع مختلف المان‌های اتصالی مانند شالوده داخلی، خارجی و کنج می‌تواند با المان تیر-ستون فوقانی مونتاژ شود. علاوه براین، این مدلسازی فاکتورهایی همچون اثر چسبندگی-لغزش بین آرماتورهایی که از اتصالات عبور می‌کنند، اثر بیرون کشیدگی آرماتورهایی که در داخل اتصالات مقید می‌شوند، رفتار غیرخطی مصالح و اثر برش-تغییرشکل املان های مختلف تیر-ستون را درنظر می‌گیرد. مدلسازی معرفی شده به راحتی قابل استفاده است. برای مدل کردن المان‌های اتصالی، یک سازوکار بیرون کشیدگی، یک المان فرعی بتن مسلح و یک المان فرعی بتنی ابتدا به عنوان بخش‌های تشکیل دهنده‌ی المان اتصال بتن مسلح تعریف می‌شوند. این بخش‌ها سپس مونتاژ می‌شوند تا ۴ نوع المان اتصالی را بوجود آورند تا در کنار المان‌های تیر-ستون در مدلسازی قاب‌های قاب خمشی بتن مسلح بکار گرفته شوند. جهت سادگی، RCF، RCMRF، BCE، JE، RSCE و CSE در متن بجای قاب بتن مسلح، قاب خمشی بتن مسلح، المان تیر-ستون، المان اتصالی، المان فرعی بتن مسلح و المان فرعی بتنی به ترتیب بکار می‌روند.
Description
In this research, based on a nonlinear analysis of reinforced concrete moment-resisting frames, the bondslip effect between concrete and bars along the lengths of beam, column, and joint elements was applied to numerical equations. The governing theory in the numerical equations was similar to that of the fiber model, but the perfect bond assumption between the concrete and bar was removed. The precision of the proposed method in considering the real nonlinear behavior of reinforced concrete frames was compared to the precision of other suggested methods for considering the bond-slip effect in fiber model analysis. Among the capabilities of this method are its ability of modeling the embedded lengths of bars within joints and nonlinear modeling of bond-slip. The precision of the analytical results were compared with the experimental results achieved from 2 specimens under cyclic loading. The comparison showed that the proposed method can model the nonlinear behavior of reinforced concrete frames with very good precision.
