ارائه و مقایسه روشهای مختلف مدل سازی غیر خطی دیوارهای برشی بتنی سه بعدی

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.