SUPERVISOR
Farhad Behnamfar
فرهاد بهنام فر (استاد راهنما)
STUDENT
Hamid Abbasnia marzooni
حمید عباس نیامرزونی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Study of cyclic behavior of reinforced concrete interior connections and an equivalent numerical model for joints
in rc Frames Beam-column connections are considered to be one of the key elements in determining the behavior of structures subjected to all kinds of loads. A glance at the damages caused by past earthquakes indicates that in many cases weakness of joint regions in rc frames was the main source of Destruction. many of existing structures which are located in seismic zones are not designed Based on the criteria of modern seismic design codes therefore structural members, specifically beam-column connections have Inadequate ductility and resistance capacity which leads to compromising of these structures and its inhabitants when strong earthquakes happen Thus it is necessary to more accurately assess the structural capacity of rc members when it comes to Seismic Retrofiting and because criteria used for evaluating the behavoir of structural members such as rc beam-column connections are still based on engineering judgement and lacks a coherent and comprehensive analytical and experimental information, researchin this field seems to be very important. the main objective of this thesis is to study and assess the nonlinear behavior of rc interior beam-column connections in order to more accurately evaluate its structural capacity and also provide a numerical model to simulate the cyclic response of the joint. Therefore modeling connections using OpenSees has been discused first and then resualts pertain to analysis of three tested connections compared to their experimental results in order to verify the results obtained. Comparision of analytical and experimental results demonstrated an appropriate match between them. In the next step two of the three analysed connections has been chosen and by changing some of the parameters influencing the behavior of connections such as axial force, spacing of transverse reinforcement, ratioof column flexural strengthto beam flexuraltrength and beam longitudinal reinforcement bond index, 45 new analytical sample connections defined and the resulting stress versus strain curves of finite element analysis presented in specified groups. after that the data obtained from curves such as disipated energy, stiffness, ductility and maximum strain and stress developed in the joint were compared to results reported by other researchers and ASCE 41-13 recomendations. Results obtained from finite element analysis of sample connections indicated that the maximum strain limit for conforming interior connections with design shear force to shear strength ratio greater than 1.5 and less than 1.2 proposed by ASCE is Conservative in return the mentioned parameter for non conforming interior connections is Non-conservative. In the last phase of this research, a comprehensive numerical model for simulating the cyclic behavior of joints considering strength and stiffness degradation and slipage of beams longitudinal reinforcement passing through the joint is provided. This model can be used in all kind of rc frames so that behavior of rc frames will be assessed more precisely. Key words Seismic evaluation, nonlinear static analysis, reinforced concrete beam-column connection, finite element model, transverse reinforcement details, design shear force to shear strength ratio
اتصالات تیر- ستون در قاب های بتن مسلح از جمله عناصر کلیدی در تعیین رفتار سازه در مقابل انواع بارها است. نگاهی گذرا به خسارت های ناشی از زلزله های گذشته نشان می دهد که در موارد زیادی تخریب در ساختمان های بتن مسلح، به دلیل ضعف در ناحیه اتصالات آن ها صورت گرفته است؛ در صورتی که سایر اعضای سازه ای یا اصلا خسارت ندیده اند و یا دچار خسارت های ناچیزی شده اند. از آنجایی که امروزه بسیاری از سازه های موجود در نواحی لرزه خیز بر اساس ضوابط طراحی لرزه ای آیین نامه های مدرن طراحی و ساخته نشده اند، در نتیجه اعضای سازه ای به ویژه اتصالات تیر- ستون از ظرفیت شکل پذیری و مقاومت کافی برخوردار نبوده که این امر منجر به خطر انداختن این گونه سازه ها و ساکنان آن در هنگام وقوع زلزله های قوی می شود. حال با توجه به این امر نیاز به ارزیابی دقیق تر ظرفیت سازه ای اعضای بتنی در عملیات بهسازی لرزه ای احساس می شود. اما از آنجایی که تا به امروز ضوابط ارزیابی رفتار بعضی از اعضای سازه ای همچون اتصالات تیر- ستون بتن مسلح فاقد اطلاعات تحلیلی و آزمایشگاهی منسجم و جامع بوده، نیاز به انجام تحقیقاتی در این زمینه بجا و مورد نیاز جدی به نظر می رسد. در پایان نامه حاضر هدف اصلی، بررسی و ارزیابی رفتار غیرخطی اتصالات تیر- ستون بتن مسلح میانی به منظور ارزیابی دقیق تر ظرفیت سازه ای آن و همچنین ارائه یک مدل عددی برای شبیه سازی پاسخ چرخه ای چشمه اتصال می باشد. بدین منظور ابتدا نحوه مدل سازی اتصالات توسط نرم افزار OpenSees تشریح شده است و جهت بررسی و ارزیابی صحت نتایج تحلیل غیرخطی سه اتصال مبنای آزمایشگاهی انتخاب و نتایج تحلیل غیرخطی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. مقایسه نتایج تحلیلی حاصل از نرم افزار و نتایج آزمایشگاهی نشان داد که تطابق مناسبی بین نتایج تجربی و تحلیلی وجود دارد. در ادامه دو نمونه از اتصالات مبنای آزمایشگاهی ارزیابی شده انتخاب و سپس با تغییر در بعضی از پارامترهای موثر در رفتار اتصال نظیر نیروی محوری، فاصله آرماتورهای عرضی، نسبت مقاومت خمشی ستون ها به تیرها و شاخص پیوستگی آرماتورهای طولی تیر در داخل چشمه اتصال، 45 نمونه تحلیلی جدید تعریف گردیده و منحنی های رفتاری حاصل از تحلیل اجزاء محدود آن ها در گروه های مشخص ارائه شد. آنگاه داده های بدست آمده از منحنی های رفتاری نظیر میزان انرژی تلف شده، سختی، شکل پذیری و حداکثر تنش و کرنش برشی چشمه اتصال با نتایج حاصل از کارهای آزمایشگاهی انجام گرفته توسط محققین مختلف و همچنین کران های آیین نامه ASCE 41-13 مقایسه شد. نتایج حاصل از تحلیل اجزاء محدود اتصالات مورد مطالعه نشان دادند که این آیین نامه مقدار حداکثر کرنش برشی اتصال را برای اتصالات میانی با شرایط آرماتورگذاری عرضی سازگار و نسبت تلاش برشی به مقاومت برشی بزرگتر از 5/1 دست بالا و بصورت محافظه کارانه و در مقابل این مقدار را برای اتصالات میانی با نسبت تلاش برشی کمتر از 2/1 دست پایین تخمین می زند، در حالی که در اتصالات با شرایط آرماتور برشی ناسازگار، مقادیر توصیه شده توسط آیین نامه برای اتصالات با نیاز برشی بزرگتر از 5/1 و کوچکتر از 2/1 به ترتیب دست پایین و دست بالا و در خلاف جهت اطمینان در نظر گرفته شده است. در آخرین مرحله از این پایان نامه، یک مدل عددی جامع به منظور شبیه سازی رفتار چرخه ای چشمه اتصال با در نظر گرفتن اثرات افت مقاومت و سختی و لغزش آرماتور طولی تیر گذرنده از چشمه اتصال در تغییرشکل های بزرگ ارائه گردید. از قابلیت های این مدل عددی استفاده از این مدل در انواع قاب های بتن مسلح جهت ارزیابی صحیح تر پاسخ و رفتار قاب ها می باشد.