ارائه و مقایسه روش¬¬¬های مختلف مدل سازی غیر خطی دیوارهای برشی بتنی سه بعدی

STUDENT

DEGREE

YEAR

One of the most common lateral load resistant systems in buildings is concrete shear walls. Correct estimation of seismic behavior, correct analysis and correct design of such a system needs an accurate modeling method that shows the real behavior. Analytical model must be capable to predict characteristics of seismic behavior of RC shear walls like initial stiffness, first yielding, stiffness degradation, resistant degradation, hysteretic behavior and energy dissipation. Initial investigations shows that most of the past researches concentrated on planer shear walls and there is no comprehensive investigation on modeling 3D shear walls. Shear wall’s seismic behavior depends on the ratio of height of the wall to wall’s width. An aspect ratio less than one leads to shear behavior, between one and two leads to flexural-shear behavior and greater than two leads to flexural behavior. The main purpose of this study is development and comparison of capabilities of modeling methods for 3D shear walls at the scale of micro, meso, and macro modeling. 3D solid elements are used in FEM modeling method that is performed in Abaqus software and fiber elements are used as meso modeling method performed in Opensees software. In this study based on FEM and fiber modeling and analysis, a new macro modeling method is presented. Depending on software capabilities, past investigations have mostly embarked on planer shear walls. On the other hand, the focus of this study is on 3D shear walls using 3D FEM and fiber elements modeling. As an accuracy test, the results of the represented modeling methods were compared with the experimental results of four specimens consisting of two planer shear wall, an H shaped and a T shaped shear wall, showing a good resemblance. In this study to compare the FEM and fiber modeling methods capabilities, three H shaped walls 15, 21 and 30 m high, three T shaped walls 15, 21 and 30 m high, and three L shaped wall 15, 21 and 30 m high were modeled with the both modeling methods. The results showed that the fiber modeling method compares well with the FEM presenting an accurate estimation of both the total and local behavior. The comparison also showed that analysis of the fiber elements model took a few minutes while analysis of the FEM model lasted 6 to 8 hours to complete. Initial shear wall specimens contained 0.6% reinforcement in their sections. For representing the macro modeling method, besides 9 initial specimens, 9 specimens with 1.5% reinforcement in their sections and 9 specimens with 2% reinforcement were taken into account to assess the reinforcement percentage effect. For comparison with the results of the macro modeling, the extra specimens were also modeled with the fiber modeling method. The comparison between the results of macro and fiber elements modeling methods showed the capability of the macro modeling in prediction of lateral behavior of the shear walls. The comparison also showed that analysis of the presented macro model took about 2 to 3 minutes while analysis of the fibers model continued to about 15 minutes. Key Words Opensees, Abaqus, Macro Modeling, Meso Modeling, Micro Modeling.

یکی از معمول ترین سیستم های باربر جانبی در ساختمان های امروزی دیوارهای برشی بتنی هستند. پیش بینی رفتار لرزه ای، آنالیز و طراحی صحیح این سیستم ها نیاز به یک مدلسازی صحیح، کارا و جامع دارد که بتواند رفتار مشابه واقعیت از خود نشان دهد. مدل تحلیلی باید قادر به پیش بینی مشخصه های پاسخ تناوبی دیوارهای برشی شامل سختی اولیه، نقطه تسلیم، تنزل سختی، زوال مقاومت، شکل منحنی هیسترتیک و اتلاف انرژی دیوارها باشند. مطالعات انجام شده نشان داد تعداد اندکی از تحقیقات موجود در مورد مدلسازی دیوارهای برشی سه بعدی می باشد و اطلاعات موجود در این زمینه بسیار اندک است. دیوارهای برشی با توجه به نسبت ابعادی آن ها که همان نسبت ارتفاع به عرض آن ها می باشد، دارای رفتارهای متفاوتی می باشند. در صورتی که نسبت ابعادی دیوار کوچک تر از یک باشد دیوار کوتاه و دارای رفتار برشی، در صورتی که نسبت ابعادی دیوار مابین یک و دو باشد دیوار دارای رفتار خمشی برشی و اگر نسبت ابعادی دیوار بزرگ تر از دو باشد دیوار دارای رفتار خمشی می باشد. هدف از این تحقیق، شرح، توسعه و مقایسه قابلیت های سه روش مدلسازی دیوارهای برشی بلند سه بعدی شامل مدل های با مقیاس کوچک (Micro)، مدل های با مقیاس متوسط (Meso) و مدل های با مقیاس بزرگ (Macro) می باشد. از میان روش های اجزای محدود موجود از روش مدلسازی سه بعدی به کمک المان های Solid و از میان روش های مزو موجود روش مدلسازی فایبر جهت مدلسازی مورد استفاده قرار گرفته و در ادامه بر اساس نتایج حاصل از مدل های دقیق تر مدل ماکرو جهت مدلسازی دیوارهای برشی سه بعدی در حالت مدلسازی صفحه ای و مدلسازی سه بعدی ارائه گردید. در بررسی قابلیت مدل های با مقیاس کوچک از نرم افزار Abaqus ومدل های با مقیاس متوسط و بزرگ از نرم افزار Opensees استفاده شده است. در ابتدای تحقیق بر اساس توانایی های نرم افزارهای موجود، داده های موجود در تحقیقات پیشین که در زمینه مدلسازی دیوارهای برشی با مقطع مستطیلی صورت گرفته بود و فرض هایی که در این تحقیق در نظر گرفته شد، دو روش اجزای محدود و روش فایبری به منظور مدلسازی دیوارهای برشی سه بعدی ارائه گردید. به منظور صحت سنجی و مقایسه روش های ارائه شده چهار نمونه آزمایشگاهی شامل دو دیوار با مقطع مستطیلی، یک دیوار H شکل و یک دیوار T شکل به وسیله دو روش ارائه شده مورد مدلسازی قرار گرفته و نتایج حاصل از مدلسازی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیده و صحت روش ها به اثبات رسید. در ادامه به منظور مقایسه توانایی های دو روش فایبر و اجزای محدود 9 دیوار برشی شامل دیوارهای برشی H شکل، T شکل و L شکل که هر یک در سه ارتفاع 15، 21 و 30 متری در نرم افزار Etabs طراحی شده و به کمک روش های ارائه شده مدلسازی گردیدند. مقایسه نتایج حاصله از دو روش مدلسازی در مورد این دیوارها نشان داد مدل فایبری ارائه شده که زمان چند ساعته آنالیز به روش اجزای محدود را به چند دقیقه کاهش داده، دقت لازم را در برآورد رفتار موضعی و کلی دیوارها ایجاد می نماید. پس از اثبات دقت روش فایبری ارائه شده علاوه بر دیوارهای اولیه که دارای 6/0 درصد فولاد در سطح مقطع خود بودند دو دسته دیوار دیگر دارای 5/1 درصد و 2 درصد فولاد در سطح مقطع خود که هر دسته شامل 9 دیوار برشی شامل دیوارهای برشی H شکل، T شکل و L شکل که هر یک در سه ارتفاع 15، 21 و 30 متری در نظر گرفته شده اند، به کمک روش فایبری ارائه شده مدلسازی گردیدند. بر اساس فرض وقوع رفتار غیر خطی در تکیه گاه دیوار که نتایج حاصل از مدل های اجزای محدود و نتایج آزمایشگاهی موجود نیز این فرض را تایید می نمود، مدلی ماکرو به منظور مدلسازی صفحه ای دیوارهای برشی سه بعدی با فرض وقوع رفتار غیر خطی در یک فنر پیچشی نقطه ای در تکیه گاه دیوار و مدلسازی الاستیک ارتفاع دیوار ارائه گردید. 27 دیوار مدل شده به روش فایبری که دارای تنوع در شکل سطح مقطع، تنوع در نسبت ابعادی و تنوع در درصد فولاد سطح مقطع بوده اند به کمک روش ماکرو ارائه شده نیز مدلسازی گردیده و مقایسه نتایج حاصله با نتایج مدلسازی فایبری نشان داد مدل ماکرو که زمان آنالیز را در مقایسه با روش فایبری به یک سوم کاهش می دهد، در پیش بینی رفتار کلی دیوارها دارای دقت مناسبی می باشد. در ادامه سه دیوار H شکل دارای 6/0 درصد فولاد در سطح مقطع خود به همراه سازه کلی همراه آن ها که در نرم افزار Etabs طراحی شده بودند به روش فایبری ارائه شده به صورت سه بعدی مدلسازی گردیدند و مشابه آنچه در حالت مدلسازی صفحه ای به منظور مدلسازی ماکرو ارائه گردیده بود مدلی ماکرو جهت مدلسازی سه بعدی اینگونه دیوارها ارائه شده و سه دیوار H شکل اشاره شده به کمک آن مدلسازی گردیدند. نتایج نشان داد مدل ماکرو سه بعدی ارائه شده علاوه بر برآورد صحیح رفتار کلی دیوار زمان آنالیز را نسبت به روش فایبر به یک سوم کاهش می دهد. در انتهای این تحقیق روش مدلسازی فایبری ارائه شده به منظور مدلسازی دیوارهای برشی بلند اصلاح گردید تا بتوان از آن به عنوان روشی جهت مدلسازی دیوارهای کوتاه استفاده نمود. مدلسازی یک دیوار کوتاه نشان داد روش فایبری اصلاح شده قادر به مدلسازی رفتار دیوارهای برشی کوتاه نیز می باشد. کلمات کلیدی دیوارهای برشی سه بعدی، مدل های با مقیاس کوچک (Micro)، مدل هایی با مقیاس متوسط (Meso)، مدلسازی فایبر، مدل هایی با مقیاس بزرگ (Macro)، Abaqus، Opensees