بررسی حرکت گهواره‌ای در ساختمان‌های بتنی دارای سیستم دوگانه قاب خمشی با دیوار برشی

برهانی, عباس; محبی مقدم, بهروز; کریمیان, سمیه

doi:10.30478/jcsm.2020.214722.1142

بررسی حرکت گهواره‌ای در ساختمان‌های بتنی دارای سیستم دوگانه قاب خمشی با دیوار برشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران - سازه، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اسلامشهر، اسلامشهر، ایران

² استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اسلامشهر، اسلامشهر، ایران

³ استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، اسلامشهر، ایران

10.30478/jcsm.2020.214722.1142

چکیده

معمولا در طراحی ساختمان‌ها، فونداسیون به صورت صلب فرض می‌شود و نوع خاک و تاثیری که می‌تواند بر انعطاف‌پذیری شالوده داشته باشد، به صورت مستقیم در مدلسازی‌ها اعمال نمی‌شود. این در حالیست که در نظر گرفتن اندرکنش بین خاک و سازه می‌تواند پاسخ سازه را تحت تاثیر قرار دهد. از سویی امروزه دیوارهای برشی به صورت گسترده‌ای در ساختمانهای بتنی بکار برده می‌شوند. هنگامی که این دیوارها تحت تأثیر زلزله‌های شدید قرار می‌گیرند، بلند شدگی و حرکات نوسانی را می‌‌توان در پایه این سیستم‌ها مشاهده کرد. در نتیجه، شالوده این سیستم‌ها تحت شرایط خاصی از روی زمین بلند میشود. در این مطالعه به بررسی شرایط تکیه‌گاهی پای ستون‌ها و دیوارهای برشی در ساختمان‌های بتنی دارای سیستم دوگانه قاب خمشی با دیوار برشی پرداخته شده است. برای این منظور در ابتدا یک ساختمان بتنی 8 طبقه با سیستم باربر جانبی دوگانه قاب خمشی با دیوار برشی مطابق با مقررات ملی ساختمان ایران و با استفاده از نرم افزار SAP2000 تحلیل و طراحی شد. در مرحله بعد، قاب بیرونی سازه با استفاده از روش اجزاء محدود و نرم افزار ABAQUS تحت دو شرایط مرزی مختلف شبیه‌سازی شد. در حالت اول اثر شالوده به صورت صلب و در حالت دوم اثر شالوده با امکان بلند شدگی (ایجاد حرکت گهواره‌ای) ارزیابی شد. برای در نظر گرفتن امکان بلند شدن فونداسیون و غیرخطی شدن موضعی خاک (حرکت گهواره‌ای)، در زیر دیوارهای برشی و ستون‌های سازه، فنرهایی متناسب با نوع خاک و به کمک مقادیر سختی ارائه شده توسط باولز تعریف شدند. متغیرها به ترتیب شامل نوع شرایط مرزی، مقاومت بتن (بتن با رده‌های C21، C40 و C60) و نوع خاک زیر شالوده (خاک رسی، ماسه‌ای سست و ماسه‌ای متراکم) بودند. نتایج حاصل نشان داد که در نظرگیری امکان بلند شدن سازه با حرکت گهواره‌ای، بستگی به مشخصات خاک زیر شالوده دارد؛ به طوری که نوع خاک می‌تواند نقش تاثیرگذاری بر تنش، تغییرمکان جانبی سازه و برش پایه سازه داشته باشد. همچنین در قاب‌هایی که شرایط مرزی پای ستون‌ها به صورت انعطاف‌پذیر در نظر گرفته شد، تغییر در نوع خاک سبب گردید بیشینه تغییرات تنشِ ایجاد شده در قاب حدوداً به میزان 60 درصد برسد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

تحلیل و طراحی سازه های بتنی

عنوان مقاله [English]

Investigation of the Rocking Motion of RC Buildings Dual Shear Wall-Frame Structures

نویسندگان [English]

Abbas Borhani ¹
Behrouz Mohebimoghaddam ²
Somayeh Karimian ³

¹ M.Sc. Candidate, Department of Civil Engineering, Islamshahr branch, Islamic Azad University, Islamshahr, Iran.

² Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Islamshahr branch, Islamic Azad University, Islamshahr, Iran.

³ Assistant Professor, Young researchers and elite club, Islamshahr branch, Islamic Azad University, Islamshahr, Iran.

چکیده [English]

The foundation is usually assumed to be rigid, in the design of buildings and the impact of soil type on the flexibility of the foundation is not directly applied in simulations. However, considering the interaction between soil and structure can affect the structure's response. On the other hand, shear walls are widely used in concrete buildings today. When these walls are affected by severe earthquakes, elevation and oscillating movements can be seen at the base of these systems. As a result, the foundations of these systems are lifted from the ground under certain conditions. In this study, the support conditions of columns and shear walls in concrete RC buildings with dual shear wall-frame were investigated. For this purpose, at first, an 8-storey concrete building with a dual RC shear wall-frame system was analyzed and designed in accordance with the national building regulations of Iran using SAP2000 software. In the next step, the outer frame of the structure was simulated using finite element method and ABAQUS software under two different boundary conditions. In the first case, the effect of the foundation was evaluated as rigid and in the second case, the effect of the foundation was evaluated with the possibility of lifting (creating a rocking motion). In order to consider the possibility of lifting the foundation and local-nonlinearity of the soil (creating a rocking motion) springs depending on the type of soil were defined with Bowles stiffness values. The variables include the type of boundary conditions, the strength of the concrete (C21, C40, and C60) and the type of soil (Clay, loose sand and dense sand). The results showed that considering the possibility of lifting the structure by a rocking motion depends on the characteristics of the soil under the foundation, so that the type of soil can play a role in stress, lateral displacement and base shear of the structure. Also, in frames where the boundary conditions of the column and shear walls were considered to be flexible, the change in soil type caused the maximum stress changes of the frame to reach about 60%.

کلیدواژه‌ها [English]

Keywords: Rocking motion
Seismic Behavior
Soil-Structure Interaction
Finite Element Method
RC Shear Wall

مراجع

[1] Housner G. W., (1963), "The Behavior of Inverted Pendulum Structures During Earthquakes", Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 53, No. 2, pp. 403-417.

[2] Rutenberg A., Jennings P. C. and Housner G. W., (1982), “The Response of Veternas Hospital Building 41 in the San Fernando Earthquake”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 10, pp. 359-379.

[3] Yim C. and Chopra A. K., (1984), “Earthquake Response of Structures with Partial Uplift on Winkler Foundation”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 12, pp. 263-281.

[4] Haggblad, D., Nordgren, G., (1987),"Modeling nonlinear soil-structure interaction using interface elements, elastic-plastic soil elements and absorbing infinite elements", Computers & Structures, Vol. 26, No. 1, pp. 307-324.

[5] Noorzaei, J., Godbole, P.N., Viladkar, M.N., (1993), "Nonlinear soil structure interaction of plane frames- a parametric study", Computers & Structures, Vol. 49, No. 3, pp. 561-566.

[6] Nakhaei, M., Ghannad, M.A., (2008), "The effect of soil-structure interaction on damage index of buildings", Engineering Structures, Vol. 30, pp. 1491-1499.

[7] Vetr, M. G., Nouri, A. R., & Kalantari, A. (2016). Seismic evaluation of rocking structures through performance assessment and fragility analysis. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 15(1), 115-127.

[8] Pelekis, I., Madabhushi, G. S., & DeJong, M. J. (2018). Seismic performance of buildings with structural and foundation rocking in centrifuge testing. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 47(12), 2390-2409.

[9] Khanmohammadi, M., & Mohsenzadeh, V. (2018). Effects of foundation rocking and uplifting on displacement amplification factor. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 17(3), 511-525.

[10] Anderson, D D, (2003). Effect of foundation rocking on the seismic response of shear walls. Canadian Journal of Civil Engineering, 30: 360–365.

]11 [نادرپور, حسین؛ محمدرضا شارعی و پویان فخاریان، ۱۳۹۷، کاربرد روش های هوش مصنوعی جهت تخمین مقاومت برشی دیوار برشی بتن آرمه، دهمین کنفرانس ملی بتن، تهران، انجمن بتن ایران

[12] Gokkus, U., Yildirim, M., & Yilmazoglu, A. (2018). Prediction of Concrete and Steel Materials Contained by Cantilever Retaining Wall by Modeling the Artificial Neural Networks. Journal of Soft Computing in Civil Engineering, 2(4), 47-61.

‌]13 [مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، (1392)، طرح و اجرای ساختمان های بتنی، دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان [وزارت مسکن و شهرسازی، معاونت امور مسکن و ساختمان]، تهران: نشر توسعه ایران.

]14 [مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، (1392)، بارهای وارد بر ساختمان، دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان [وزارت مسکن و شهرسازی]، تهران: نشر توسعه ایران.

[15] آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (استاندارد 2800)، (1392)، ویرایش جهارم، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، وزارت مسکن و شهرسازی.

[16] SAP 2000. (2009). Advanced structural analysis program. Version 12. Berkeley, CA, USA: Computers and Structures, Inc. (CSI).

[17] Abaqus theory manual.Version Hibbitt.(2016).Pawtucket (RI): Karlsson and Sorensen, Inc.

[18] Bowles, Joseph E. (1996), “Foundation Analysis and Design”. 5th edition. McGraw-Hill

[19] Grigorian, C. E., & Grigorian, M. (2016). Performance control and efficient design of rocking-wall moment frames. Journal of Structural Engineering, 142(2), 04015139.

[20] Grigorian, M., & Grigorian, C. (2016). An introduction to the structural design of rocking wall-frames with a view to collapse prevention, self-alignment and repairability. The structural design of tall and special buildings, 25(2), 93-111.

[21] Khanmohammadi, M., & Heydari, S. (2015). Seismic behavior improvement of reinforced concrete shear wall buildings using multiple rocking systems. Engineering Structures, 100, 577-589.

[22] Pollino, M. (2015). Seismic design for enhanced building performance using rocking steel braced frames. Engineering Structures, 83, 129-139.

[23] Nayal, R., & Rasheed, H. A. (2006). Tension stiffening model for concrete beams reinforced with steel and FRP bars. Journal of Materials in Civil Engineering, 18(6), 831-841.

[24] Lew, H. S., Bao, Y., Sadek, F., Main, J. A., Pujol, S., & Sozen, M. A. (2011). An experimental and computational study of reinforced concrete assemblies under a column removal scenario. NIST Technical Note, 1720, 106.