محصولات سازه نوین JK system مقالات معرفی دیوار JK و بررسی عملکرد لرزه ای آن
فرستادن به ایمیل چاپ

معرفی دیوار JK و بررسی عملکرد لرزه ای آن

سید امین موسوی، کارشناس ارشد زلزله

آدرس ایمیل جهت جلوگیری از رباتهای هرزنامه محافظت شده اند، جهت مشاهده آنها شما نیاز به فعال ساختن جاوا اسکریپت دارید

چکیده

دیوار (Joseph Kiefer) JK، دیواری ساخته شده از بتن سبک و مسلح شده با تکنیک JK است و این مطالعه به بررسی عملکرد لرزه ای آن اختصاص یافته است.  تکنیک جدیدی، موسوم به تکنیک JK، به منظور مسلح کردن دیوارهای برشی بتنی در متن حاضر معرفی شده و مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این روش از پانل و بیم JK به منظور مسلح کردن بتن استفاده شده است. پانل JK متشکل از شبکه ای سه بعدی و پیوسته از جنس فولاد گالوانیزه می باشد که دارای تارهایی مستقیم در دو سفره و تارهایی مورب می باشد که تمام تارهای مستقیم را به یکدیگر متصل می کنند. بیم JK خرپایی متشکل از مفتول های فولادی می باشد که از داخل پانل JK به صورت قائم و افقی عبور می کند. در این مطالعه یک دیوار با ابعاد مشخص با استفاده از 5 جزئیات مختلف تحت بار فزاینده درون صفحه جانبی قرار گرفته و منحنی های ظرفیت دیوارها به عنوان شاخص عملکرد دیوار مدنظر قرار گرفته است. با توجه به نتایج بدست آمده پانل JK نسبت به روش های متداول  باعث بهبود در عملکرد دیوار می شود. عمده ترین علت این امر پیوستگی تارهای مستقیم پانل به یکدیگر می باشد. این پیوستگی باعث می شود که تارهای مجاور یکدیگر را در کرنش های زیاد حمایت کرده و گسیختگی را به تعویق بیاندازند. در انتها کاربردهای مختلفی که می توان برای دیوارهای JK متصور شد، معرفی شده است.

کلمات کلیدی: پانل JK، شکلپذیری، عملکرد لرزه ای، بتن سبک

1- مقدمه

طبق بررسی صورت گرفته توسط فینتل (1) دیوارهای برشی رفتار بسیار خوبی در زلزله های پیشین از خود نشان داده اند. به همین دلیل تا به امروز مطالعات فراوانی در زمینه عملکرد این دیوارها در برابر زلزله انجام گرفته (2-4) که خلاصه ای از نتایج  این مطالعات در FEMA306 و FEMA307 گردآوری شده است (5 و 6). اگرچه امروزه برای مهندسین و محققین این امر روشن است که عملکرد دیوارهای برشی بتنی بسیار به جزئیات مسلح کردن بتن بستگی دارد بطوری که در بسیاری از آیین نامه ها الزامات ویژه ای برای طراحی لرزه ای دیوارهای بتنی مقرر گردیده است (7 و 8).

2- معرفی دیوار JK

دیوار JK دیواریست متشکل از بتن سبک EPS، پانل JK، بیم JK و در صورت نیاز تعدادی میلگرد تقویتی.

2-1- بتن سبک EPS

بتن سبک EPS، بتنی است که در آن به جای استفاده از سنگ دانه های متداول از دانه های پلی استایرن (EPS) استفاده شده است. مزایای این نوع بتن نسبت به سایر بتن های سبک و سنگین در مطالعات گذشته ثابت شده است (9-11). از جمله مهم ترین این مزایا می توان به شکل پذیری و دوام بالا اشاره کرد. شایان ذکر است که بسته به طرح اختلاط چگالی این بتن سبک مصرفی در دیوار JK بین 600 تا 1200 کیلوگرم بر مترمکعب و مقاومت آن بین 3 تا 8 مگاپاسکال می باشد.

 

2-2- پانل و بیم JK

پانل JK در واقع شبکه ای سه بعدی متشکل از دو سفره تار مستقیم می باشد که توسط تارهایی قطری به یکدیگر متصل شده اند. تارهای مستقیم نقش آرماتورهای قائم را در دیوار ایفا می کنند و تارهای قطری همزمان هم نقش آرماتورهای قائم و هم نقش آرماتورهای افقی را در دیوار دارند. پانل JK در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل 1. پانل JK

بیم JK نیز خرپایی است که بال های فوقانی و تحتانی آن دو مفتول به قطر 5/4 میلیمتر بوده و المان قطری آن نیز یک مفتول با قطر مشابه می باشد. این بیم ها بصورت قائم و افقی از داخل شبکه پانل عبور می کنند (شکل 2). فرم شبکه ای موجود در بیم و پانل JK باعث می شود که پیوستگی خوبی بین بتن و تسلیحات JK ایجاد شود. به عبارت دیگر طول وصله ها و نیز طول پیوستگی در این تکنیک بسیار کمتر از تکنیک های متداول می باشد.

 

 

شکل 2. عبور بیم JK از داخل پانل JK

 

3- بررسی عملکرد لرزه ای دیوار JK

برای این منظور دو تیپ دیوار لاغر (slender) و عریض (squat) مدنظر قرار گرفته و با جزئیات مختلف مسلح شده اند. به منظور مدل سازی از نرم افزار Abaqus(12) استفاده شده است.

 

3-1- دیوار لاغر

دیوار در نظر گرفته شده دارای ارتفاع 2.6 متر،طول 1.4 متر و ضخامت 12 سانتیمتر می باشد. به منظور بررسی عملکرد لرزه ای دیوارهای لاغر JK، به خصوص نحوه خاص تسلیحات بکار رفته در این سیستم، 5 دیوار با ابعاد یکسان و تسلیحات مختلف تحت بار فزاینده جانبی درون صفحه قرار گرفته اند. جزئیات هر یک از دیوارها در جدول 1 و شکل 3 نشان داده شده است.

 

جدول1. جزئیات دیوارهای لاغر درنظر گرفته شده

دیوار

تسلیحات

وزن تسلیحات(kg)

W1

آرماتورهای افقی و قائم مطابق مینیمم آرماتور لازم طبق ACI318-08

16.5

W2

پانل JK

10.4

W3

پانل و بیم JK-دو عدد بیم قائم در گوشه ها و سه عدد بیم افقی (یک بیم افقی در بالای دیوار، یک بیم افقی در پایین دیوار و یک بیم افقی مابین آنها)

17.5

W4

آرماتورهای افقی و قائم بطوری که وزن تسلیحات تقریبا مشابه w2باشد

11

W5

پانل و بیم JKبه همراه آرماتورهای افقی (4 عدد آرماتور با قطر 8 میلیمتر)

19.6

شکل3. تسلیحات دیوارهای مختلف

منحنی های ظرفیت هر یک از دیوارها در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل4. منحنی ظرفیت دیوار های لاغر درنظر گرفته شده

 

شایان ذکر است که در W5 به علت استفاده از آرماتورهای افقی اضافی، ظرفیت و شکل پذیری دیوار افزایش چشمگیری داشته است. مزیت اصلی پانل های JK با دقت در منحنی دیوارهای W2 و W4 آشکار می گردد. این دو دیوار با اینکه از نظر وزن تسلیحات مصرفی تقریبا با هم برابرند و حتی W4 قدری سنگین تر است، اما عملکرد دیوار W2 هم ازنظر ظرفیت و هم از نظر شکل پذیری بهتر از W4 می باشد. علت این امر این است که به دلیل متصل بودن تارهای قائم پانل به یکدیگر، تارهای مجاور یکدیگر را حمایت کرده و مانع رشد سریع کرنش در تارهای قائم می شوند. به بیان دیگر در پانل JK ناحیه پلاستیک در تمام طول دیوار پخش می شود در حالی که در مورد روش های متداول، ناحیه پلاستیک تنها در آرماتورهای کناری متمرکز است. این امر به وضوح در شکل های 5 و 6 نشان داده شده است.

 

شکل5. گسترش ناحیه پلاستیک در تسلیحات دیوارW2 (تسلیم گششی با رنگ قرمز و تسلیم فشاری با رنگ آبی نشان داده شده است.)

 

 

شکل6. گسترش ناحیه پلاستیک در تسلیحات دیوار W4(تسلیم گششی با رنگ قرمز و تسلیم فشاری با رنگ آبی نشان داده شده است.)

 

3-2- دیوار عریض

دیوار عریض درنظر گرفته شده دارای ارتفاع 2.6 متر، طول 4.85 متر و ضخامت 12 سانتیمتر می باشد. در این مورد دو نوع تسلیحات مختلف درنظر گرفته شده است که در جدول 2 نشان داده شده اند.

 

دیوار

تسلیحات

وزن تسلیحات (Kg)

SQW1

آرماتورهای قائم و افقی طبق مینیمم مقدار تعیین شده در ACI318-08

59

SQW2

پانل JK

42

 

 

منحنی های ظرفیت این دو دیوار در شکل 7 نشان داده شده است. واضح است که پانل JK در دیوارهای عریض نیز هم از نظر ظرفیت و هم از نظر شکل پذیری، منجر به عملکرد بهتری در مقایسه با تسلیحات متداول می شود.

 

شکل7. منحنی ظرفیت دیوارهای عریض درنظر گرفته شده

 

 

شکل8. گسترش ناحیه پلاستیک در تسلیحات دیوارSQW2(تسلیم گششی با رنگ قرمز و تسلیم فشاری با رنگ آبی نشان داده شده است.)

 

4- کاربردهای دیوار JK

با توجه به نتایج بدست آمده می توان دو عامل سبک بودن و شکل پذیری را در دیوارهای JK مشاهده کرد. بنابراین دیوارهای مذکور می توانند در موارد زیر مورد استفاده قرار گیرند.

4-1- استفاده به عنوان یک سیستم سازه ای کامل

می توان از دیوارهای JK به عنوان دیوارهای باربر که در عین حال دیوار برشی ویژه نیز می باشند استفاده کرد. بدین ترتیب تمام دیوارهای موجود در این سیستم یا بخشی از آنها باربر بوده و سازه نیاز به اسکلت نخواهد داشت. چنین سیستمی از نظر لرزه ای بسیار مناسب می باشد. چراکه در عین سبک بودن دارای درجه نامعینی بالایی بوده و مسیرهای مختلفی برای انتقال بار وجود دارند. محدودیت ها و الزامات این سیستم در آیین نامه های مختلف نظیر ASCE7-05(13) موجود می باشد.

 

4-2- استفاده به عنوان میان قاب در سازه های دارای اسکلت

از دیوارهای JK می توان به عنوان میان قابها و دیوارهای غیرباربر در سازه های گوناگون استفاده کرد. این تکنیک هم قابل استفاده به منظور بهسازی سازه های موجود و هم قابل استفاده در مرحله طراحی می باشد. در صورتی که در مرحله طراحی تصمیم به استفاده از دیوارهای JK شود بار مرده و وزن اسکلت لازم  به شدت کاهش می یابد. مقایسه ای بین دیوارهای سنتی، دیوارهای 3D پانل و دیوار JK برای یک ساخاتمان 12 طبقه فلزی در جدول زیر ارئه شده است.

 

 

وزن مرده (ton)

وزن اسکلت (Kg/m2)

دیوار آجر توخالی 20 سانتی و سقف تیرچه یونولیت

3010

76

دیوار و سقف هر دو    3Dپانل

2320

64

دیوار JKو سقف مینی بیم

1935

42

 

 

شایان ذکر است که دو عامل مهم در کاهش وزن اسکلت مورد نیاز در سازه فوق دخیل هستند. سبک بودن دیوارها و سقف ها و باربر بودن دیوارهای میان قابی. در واقع سیستم سازه برای سازه فوق از قاب مهاربندی شده به قاب فلزی مرکب با دیوار برشی بتنی تبدیل شده است. الزامات مربوط به چنین سیستمی در آیین نامه های مختلف از جمله AISC 341-05(14) آمده است.

4-3- کاربردهای غیر ساختمانی

از جمله سایر کاربردهای دیوارهای JK یا به عبارتی مسلح کردن به روش JK می توان به دیواره های تونل، پایدار کردن شیروانی ها، و ساخت سازه های تزئینی و نمادین اشاره کرد.

 

5- نتیجه گیری

در این مطالعه عملکرد دیوارهای JK و به بیانی کلی تر، مسلح کردن بتن به روش JK ، مورد ارزیابی قرار گرفت. بر اساس نتایج بدست آمده پانل های JK به دلیل پیوستگی، سازه مناسبی برای دیوارهای شکل پذیر می باشند و می توانند جایگزین مناسبی برای روش های متداول موجود باشند. همچنین می توان در موارد متنوعی از این تکنیک استفاده کرد. می توان سازه های بنایی و نیز سازه های دارای اسکلت موجود را به کمک این تکنیک بهسازی کرد و یا با استفاده از این دیوارها در مرحله طراحی، صرفه جویی قابل ملاحظه ای از نظر فنی و اقتصادی نمود.

 

6- مراجع

1. Fintel M, 1995, ‘Performance of buildings with shear walls in earthquakes of the last thirty years’, PCI Journal; 40(3):62-80.

2. Daniel Palermo and Frank J. Vecchio, 2002,’Behavior of three-dimensional reinforced concrete shear walls’, ACI Structural Journal, 81-89.

3.  Werasak Raongjant, Meng Jing, 2008, ‘Finite element analysis on lightweight reinforced concrete shear walls with different web reinforcement’, The 6th PSU Engineering Conference, p: 61-67.

4.  D. Dan, A. Fabian, V. Stoian, 2011,’Theoretical and experimental study on composite steel-concrete shear walls with vertical steel encased profiles’,  Journal of Constructional Steel Research, 67: 800-813.

5. FEMA306, 1998, 'Evaluation of earthquake damaged concrete and masonry wall buildings, Basic procedures manual', Prepared by the Applied Technology Council (ATC43 project) Redwood City, California, funded by federal Emergency Management Agency, Washington, D.C.

6. FEMA307, 1998, 'Evaluation of earthquake damaged concrete and masonry wall buildings, Technical resources', Prepared by the Applied Technology Council (ATC43 project) Redwood City, California, funded by federal Emergency Management Agency, Washington, D.C.

7. ACI 318, 2008, 'Building code requirements for structural concrete (ACI 318-08) and commentary', American Concrete Institute.

8. Eurocode8. Design provisions for earthquake resistance of structures- Part 1-3: General rules-Specific rules for various materials and elements. Bruxelles: CEN- European Committee for Standardization; 1995.

9. Babu DS, Babu KG (2004), 'Performance of fly ash concretes containing lightweight EPS aggregates', Cement & Concrete Composites, 26: 605-611.

10. Chen B, Liu J (2004), 'Properties of lightweight expanded polystyrene concrete reinforced with steel fiber', Cement and Concrete Research, 34: 1259-1263.

11. Babu DS, Babu KG, Tiong-Huan W, (2006), 'Effect of polystyrene aggregate size on strength and moisture migration characteristics of lightweight concrete', Cement & Concrete Composites, 28: 520-527.

12. Abaqus/CAE 6.9.1, 2009, Dassault Systemes Simulia Corp., RI, USA.

13. ASCE7-05 (2005), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia.

14. ANSI/AISC341-05 (2005), Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Inc, Chicago, Illinoise.

این مقاله توسط مهندس سید امین موسوی نگاشته شده است.

پیشاپیش از حسن امانت داری شما در انتشار این مطلب تشکر می کنیم.

مطالب مرتبط

شبکه های اجتماعی