بررسی رفتار استاتیکی غیرخطی و ارائه مدل ماکرو برای تحلیل غیرخطی دیوارهای برشی بتن مسلح سه بعدی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Shear walls are important systems used to resist vertical loads and earthquakes. Evaluation of building during earthquakes shows successful performance of these walls to minimize damage. The behavior of shear walls depends on the aspect ratio. Shear walls with high aspect ratio (more than two) are called flexural or slender walls. Walls with low aspect ratio (less than one) are called short or squat and if aspect ratio of walls is between one and two, walls are called shear-flexural. In shear flexural wallboth flexural and shear behavior can occur. The height to the length ratio of shear walls in tall building is 10 to 12. Hence, these walls are flexural or slender and shear deformations are negligible. Efficient analytical models that predict actual behavior of structures must be applied to analyse seismic behavior of flexural walls for design purposes.The analytical models should be able to contribute to the effective factors and main characteristic of the response of shear wall. Moreover, these models must have ability to simulate non-linear behaviors of walls. Three common methods of modeling aremicro or small scale, meso or medium scale and macro or large scale. Majority of research have focused on walls with rectangular sections but walls with non-rectangular and flanged sections have not yet been well studied. Present regulations and guidelines do not have specific clauses for walls with non-rectangular sections. However, flanged walls has better performance than walls with rectangular section due to participation of the Thus, the present study focuses on analyzing and modeling behavior of slender shear walls with non-rectangular cross-section, including L-shaped, T-shaped, and H-shaped sections. However, we have also tried to propose a macro model based on the lumped plasticity to analyze and predict behavior of three dimensional shear walls. In our proposed model linear behavior of the wall before cracking is considered. For this purpose, we initially used finite element method (micro) in software Abaqus 6.12 and fiber method (meso) in software Opensees 2.4.0 for nonlinear static analysis of shear walls. In order to evaluate the accuracy of obtained results from two modeling methods, three experimental RC shear walls samples were selected and results of the modeling were compared. The results show that analysis of slender RC shear walls with fiber modeling method is much more fasterand more accurate than the finite element method. Although, the finite element method and fiber method yield accurate information on the local behavior of walls, they are complex and time consuming. Also, in some cases detailed local information is not required and overall predictionof walls behavior are considered. Due to these reasons, researchers have considered macro modeling method. In this study we tried to simulate and predict non-linear behavior of shear wall using macro modeling. In present study shear wall model with two members, rotation spring at the base of wall for modeling nonlinear behavior of wall and elastic part that is equal length of wall. The proposed macro model parameters are dependent on the characteristics of wall geometry and mechanical properties of materials. After determining model parameters effective factors are identified and a direct formula is presented to express model parameters. A compressive axial load on the wall, shape of cross section of wall, a percontage of longitudinal reinforcement and aspect ratio of shear wall were identified as the effective factors. By evaluation these factors in 460 samples of wall, we presented the formula to determine model parameters. The advantage of the proposed modelisefficiency and applicability for the walls with both rectangular and non-rectangular sections. The accuracy of the proposed model using experimental results was confirmed. Also, comparison of obtained results to those of Code 360 demonstrates the efficiency and accuracy of the proposed model. Key Words 3D slender shear walls, shear walls with flanged section, a large scale (macro) modeling, hinge plastic.

دیوارهای برشی از سیستم‌های مهم و مؤثری هستند که برای مقاومت در برابر بارهای قائم و زلزله در ساختمان‌ها استفاده می‌شوند. بررسی ساختمان‌ها در طی زلزله‌های اخیر، عملکرد موفق این دیوارها را در به حداقل رساندن خسارات وارده نشان می‌دهد. دیوارهای برشی بسته به نسبت ابعادی، رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند. دیوارهایی با نسبت ارتفاع به طول بالا (بیش‌تر از دو)، دیوارهای خمشی یا لاغر نامیده می‌شوند. دیوارهایی با نسبت ارتفاع به طول پایین (کم‌تر از یک)، دیوارهای کوتاه یا چاق نامیده می‌شوند و در صورتی که نسبت ابعادی دیوار مابین یک و دو باشد، دیوار خمشی-برشی و هر دو رفتار خمشی و برشی در این دیوار‌ها قابل رخ دادن است. نسبت ارتفاع به طول دیوارهای برشی در ساختمان‌های بلند، در نسبت ارتفاع به طول دیوارهای برشی در ساختمان‌های بلند حدود 10 الی 12 می‌باشد. از این رو، این دیوارها در زمره‌ی دیوارهای لاغر یا خمشی قرار می‌گیرند و تغییر شکل‌های برشی در این دیوارها ناچیز است. جهت پیش بینی رفتار لرزه‌ای، آنالیز و طراحیِ این عناصر سازه‌ای نیاز به یک مدل تحلیلی مبسوط و کارا می‌باشد که بتواند تا حد ممکن بازتاب دهنده‌ی رفتار واقعی سازه باشد. این مدل‌های تحلیلی بایستی قابلیت دخیل کردن عوامل مؤثر و مشخصه‌های اصلی پاسخ دیوار‌های برشی را دارا باشند. هم‌چنین مدل‌های مذکور، بایستی توانایی شبیه سازی رفتارهای مهم غیر خطی دیوار را نیز داشته باشند. سه روش کلی در مدل‌سازی این دیوارها شامل روش مدل‌سازی میکرو یا مقیاس کوچک، مزو یا مقیاس متوسط و ماکرو یا مقیاس بزرگ مرسوم می‌باشد. بسیاری از تحقیقات انجام گرفته تا به امروز، بر دیوار‌هایی با مقطع مستطیلی تمرکز کرده و مقاطع غیر مستطیلی و بال‌دار کم‌تر مد نظر قرار گرفته‌اند؛ هم‌چنین در آیین نامه‌ها و دستورالعمل‌های موجود نیز بند مشخصی درباره‌ی دیوارهایی با مقطع غیر مستطیلی آورده نشده است. این در حالی است که عملکرد دیوارهای بال‌دار به دلیل مشارکت بال، بهتر از عملکرد دیوارهای مستطیل شکل است. از این رو در تحقیق حاضر، تمرکز بر تحلیل و مدل‌سازی رفتار دیوارهای برشی بلند با مقطع غیر مستطیلی شامل مقاطع L شکل، T شکل و H شکل است. هم‌چنین سعی شد مدلی ماکرو بر مبنای پلاستیسیته متمرکز، جهت تحلیل و پیش بینی رفتار دیوارهای برشی سه بعدی ارائه گردد به گونه‌ای که رفتار خطی دیوار پیش از ترک خوردگی نیز مد نظر قرار گرفته شود. بدین منظور در بدو امر، از روش اجزاء محدود (میکرو) در نرم افزار Abaqus 6.12و از روش فایبر (مزو) در نرم افزار Opensees 2.4.0 جهت تحلیل استاتیکی غیر خطی دیوارهای برشی استفاده شد. به منظور بررسی و ارزیابی صحت نتایج این دو روش مدل‌سازی، سه نمونه دیوار برشی بتن مسلح آزمایشگاهی انتخاب و نتایج حاصل مقایسه شدند. نتایج بیان‌گر آن است که آنالیز به روش مدل‌سازی فایبر به مراتب سریع‌تر از آنالیز به روش اجزاء محدود دیوارهای برشی بلند است. هم‌چنین مدل‌سازی به روش فایبر دقت قابل قبولی در تحلیل دیوار‌های برشی بتن مسلح بلند از خود نشان می‌دهد. با علم به اینکه، مدل‌های ساخته شده به روش اجزاء محدود و فایبر با اطلاعات دقیق و صحیحی از رفتار محلی همراه هستند، امّا پیچیدگی و زمان‌بر بودن این روش‌ها و هم‌چنین در پاره‌ای از موارد، عدم نیاز به اطلاعات دقیق محلی و لزوم پیش بینی رفتار دیوارها در حالت کلی محققین را بر آن داشت که روش‌های مدل‌سازی ماکرو را مورد توجه قرار دهند. به همین دلیل سعی بر آن شد که رفتار غیرخطی دیوار به روش مدل‌سازی ماکرو شبیه سازی و پیش بینی گردد. در این مدل‌سازی، دیوار برشی با دو عضو، فنر دورانی در پای دیوار و عضو الاستیک مدل می‌شود. قسمت الاستیک برابر با طول دیوار می‌باشد و فنر چرخشی در پای دیوار جهت مدل‌سازی رفتار غیرخطی دیوار استفاده می‌شود. در این حالت، رفتار غیر خطی دیوار، به صورت متمرکز در فنر پای دیوار مدل می‌شود. پارامترهای مدل ماکروی پیشنهاد شده به مشخصات هندسی دیوار و مشخصات مکانیکی مصالح مورد استفاده در آن وابسته می‌باشد. پس از تعیین پارامترهای مدل مذکور، سعی شد عوامل مؤثر بر آنها شناسایی و رابطه‌ای صریح جهت تعیین پارامترها ارائه شود. بار محوری فشاری وارد بر دیوار، شکل سطح مقطع عرضی دیوار، درصد آرماتور طولی و نسبت لاغری دیوار از عوامل مؤثر شناخته شدند. با تغییر این عوامل در بیش از 460 نمونه دیوار، تأثیر هر یک مورد بررسی قرارگرفت و رابطه‌ای جهت تعیین این پارامترها ارائه شد. از نقاط قوت این مدل، کارایی و قابلیت کاربرد آن در دیوارهای مستطیل شکل و دیوارهایی با مقاطع بال‌دار می‌باشد. در نهایت، صحت و دقت مدل عرضه شده با استفاده از نتایج آزمایشگاهی تأیید شد. هم‌چنین جهت اثبات کارایی و دقت مدل ارائه شده، نتایج حاصل با نتایج حاصل از دستور العمل بهسازی 360 نیز مقایسه شد. کلمات کلیدی: دیوار‌های برشی بلند سه بعدی، دیوارهای برشی با مقاطع بال‌دار، مدل‌های با مقیاس بزرگ (ماکرو)، مفصل پلاستیک، لنگر خمشی تسلیم