بررسی واکنش دینامیکی مخازن استوانه‌ای آب ساخته‌شده از کامپوزیت سیمانی مهندسی‌شده (ECC) در مقایسه با بتن معمولی

STUDENT

DEGREE

YEAR

One of the important structures used in residential water supply systems and industrial installations is water storage tank. Also, water storage tanks are used for supplying water in a region stricken by an earthquake. Seismic damages of these tanks can cause financial and vital injuries. Therefore, it is important to evaluate the dynamic behaviour of tanks and use effective methods to reduce the seismic vulnerability. In spite of numerous researches done, damages observed in the water storage tanks in recent earthquakes indicate the inadequacy of ordinary methods of construction of this type of reservoirs, so changing the materials and the designing methods of this kind of structures are important. Also, The assumption of the linear behaviour of concrete in existing design codes causes seismic vulnerability of the reservoirs. Considering the effect of cracking and crushing of concrete in nonlinear analysis, leads to the exact evaluation of the dynamic behaviour of the storage tanks. It can reduce the seismic vulnerability of this type of structures. In this study, ANSYS software is used for nonlinear analysis of reservoirs. In order to evaluate the ability of this software in nonlinear analysis of reinforced concrete structures under cyclic loadings, the hysteresis diagram of a reinforced concrete beam was extracted and the results were compared with a laboratory work. In this research, 10 cylindrical tanks with different height and diameters have been selected and are designed based on ACI standard. The results obtained in ANSYS software indicate that the terms exist in ACI standard are inadequate, which cause the vulnerability of the reservoirs during an earthquake. In this study, the role of using ECC in reducing the damages of reservoirs is investigated. Special characteristics of ECC include high tensile strength, tensile strain capacity about 300 times the ordinary concrete and acceptable durability in different environmental conditions. One of the factors that causes the damages of the reservoirs in recent earthquakes is the low tensile strength of concrete, which causes cracking and can lead to wall rupture, fluid leakage from the wall, and corrosion of reinforcements. According to the results obtained in this study, using ECC leads to the increment of the tensile capacity of the wall, which is the most important achievement of the present study. Also, one of the conventional methods for improving the dynamic performance of the reservoirs is the reduction of the bending moment of the wall. Due to the reduction of wall thickness in thanks modelled with ECC, reduction of the bending moment per unit width of the wall is an important achievement. According to the results obtained, In tanks modelled with ECC, the concrete fracture was not observed, and cracks had very small widths, which is not problematic.

یکی از سازههای مورد استفاده در مناطق مسکونی و شهرک‌های صنعتی، مخازن نگهداری آب است. به دلیل نقش حیاتی مخازن در تأمین آب مورد نیاز پس از وقوع زلزله و نیز امکان ایجاد خسارت های جانی و مالی جبران‌ناپذیر در صورت تخریب سازه ی آن، اهمیت بررسی رفتار دینامیکی مخازن و استفاده از روش های مؤثر بر کاهش آسیب پذیری این نوع از سازه‌ها مشخص می گردد. با وجود انجام پژوهش‌های متعدد در این زمینه، آسیبهای مشاهده‌شده در مخازن در زلزلههای اخیر، شاهدی بر عدم کفایت روشهای متداول طراحی و نیاز به بازنگری در مصالح مورد استفاده و روشهای ساخت این‌گونه از سازهها است. یکی از علل وقوع آسیب در جداره‌ی مخازن، استفاده از تئوری‌های حاصل از تحلیل خطی مخازن در آیین‌نامه‌های موجود است. در نظر گرفتن اثر ترک خوردگی و گسیختگی بتن با انجام تحلیل غیرخطی، موجب بررسی دقیق تر رفتار دینامیکی مخازن شده و گامی مؤثر، در راستای کاهش آسیب‌پذیری لرزه‌ای این دسته از سازه‌ها است. در این پایان‌نامه، برای انجام تحلیل غیرخطی مخازن از نرم‌افزار المان محدود انسیس استفاده شده است. در ابتدا لازم است قابلیت این نرم‌افزار در تحلیل‌ غیرخطی سازه‌های بتن‌آرمه تحت اثر اعمال بار چرخه‌ای برآورد شده و امکان در نظر گرفتن ایجاد ترک در بتن‌ یا گسیختگی آن اثبات گردد. بدین منظور، نمودار چرخه‌ای نیرو- جابه‌جایی یک تیر بتن‌آرمه از این نرم‌افزار استخراج شده و نتایج آن، با داده‌های حاصل از انجام تحلیل آزمایشگاهی مقایسه شده است. به منظور انجام این پژوهش، تعداد 10 مخزن بتنی استوانه‌ای با ارتفاع و قطرهای متفاوت انتخاب شده و با استفاده از آیین‌نامه‌ی ACI، ضخامت جداره‌ی هر مخزن و سطح آرماتور مورد نیاز در آن تعیین شده است. نتایج به‌دست آمده در نرم‌افزار انسیس، نشان از ناکارآمدی روابط موجود در آیین‌نامه‌‌ی ACI داشته که این امر می‌تواند آسیب‌پذیری مخازن هنگام وقوع زلزله را توجیه کند. در گام دوم، به بررسی مزایای استفاده از بتن شکل‌پذیر ECC در مخازن، با هدف کاهش آسیب‌پذیری این دسته از سازه‌ها پرداخته شده است. از مشخصه های منحصر به فرد این بتن، میتوان به مقاومت کششی بالا، ظرفیت کرنش کششی در حدود 300 برابر بتن معمولی و دوام قابل قبول در شرایط محیطی متفاوت اشاره کرد. یکی از عوامل ایجاد آسیب در مخازن بتنی در زلزله‌های اخیر، ضعف بتن در تحمل کشش است که با ایجاد ترک در بتن و گسیختگی آن، نشت سیال از جداره مشاهده شده و شرایط لازم برای خوردگی آرماتورها فراهم می‌گردد. بر طبق نتایج به‌دست آمده در این پژوهش، استفاده از بتن ECC منجر به افزایش تنش کششی قابل تحمل در جداره شده که این امر مهم‌ترین دستاورد حاصل از پژوهش حاضر به ‌شمار می‌آید. همچنین یکی از موارد مورد توجه مححققان در پژوهش‌های اخیر، کاهش لنگر خمشی حاکم بر جداره‌ی مخازن بوده که با توجه به کاهش ضخامت جداره و وزن سازه در مخازن مدل‌شده با بتن ECC، کاهش لنگر خمشی در واحد عرض جداره‌ی مخازن، از دیگر نتایج مهم به‌دست آمده در این پایان‌نامه است. بر اساس بررسی انجام‌شده، در مخازن مدل‌شده با بتن ECC، بر خلاف نمونه‌های مدل‌شده با بتن معمولی مشکل خردشدگی بتن مشاهده نشده و ترک‌های ایجاد شده، عرض بسیار کمی داشته که از نظر نشت سیال، مشکل‌ساز نیست. از این رو، استفاده از بتن ECC در مخازن به عنوان یک راهکار کاهش آسیب‌پذیری پیشنهاد شده است. واژگان کلیدی: مخازن بتنی، تحلیل دینامیکی، اندرکنش سیال و سازه، تحلیل غیرخطی، بارگذاری چرخه‌ای، انسیس