دانلود رایگان مقاله تحلیل لرزه ای و طراحی ستون های دیوار برشی کامپوزیت بتن ورقه فولادی

چکیده

     این مقاله نتایج حاصل از مطالعات عددی در واکنش یکنواخت سطح صاف ستون  های دیوار برشی کامپوزیت بتن  ورقه فولادی (SC) را ارائه می دهد. نتایج حاصل از عنصر محدود ستون  های دیوار sc 98 بمنظور بررسی تأثیر نسبت طول به عرض دیوار ، نسبت آرماتور، نسبت باریکی، بار محوری، قدرت بازدهی صفحات فولادی و مقاومت فشرده تک محوری بتن در واکنش مسطح و تشکیل (a) معادلات قابل پیش بینی جهت ایجاد نیروی جانبی سه  خطی در مقابل واکنش جابجایی ستون  های دیوار SC  و (b) معادله طراحی مبتنی بر مکانیک برای اوج مقاومت خمشی بکار می  روند که بر تعامل برش موجود و نیروی محوری نظارت می  کند. طراحی آزمایشات بمنظور انتخاب 98 ستون انجام می  گیرد. مدل عنصر محدود پایه با استفاده از داده  های حاصل از آزمایشات چرخشی معکوس و سطح غیر ارتجاعی 4 ستون دیوار SC با مقیاس بزرگ مورد تأیید قرار گرفت. 

1. مقدمه

     دیوار برشی کامپوزیت بتن  ورقه فولادی (SC) جهت ساخت و ساز در ایالات متحده با استفاده از صفحه  های فولادی، بتن پر، و اتصالات ایجاد گردیده که جهت محکم کردن صفحه  های فولادی و بتن پر مورد استفاده قرار می  گیرند. گرچه رفتار لرزه  ای دیوار SC به تفصیل در 25 سال گذشته مورد مطالعه قرار گرفته، تعداد درخواست  ها محدود شده  اند. معادلات تجربی جهت پیش بینی مقاومت اولیه و ظرفیت بار جانبی دیوارهای SC ارائه گردیده، اما تأثیر متغیرهای طراحی اصلی از جمله نسبت طول به عرض دیوار، نسبت  های آرماتور و باریکی، بار محوری و ویژگی  های مواد بطور سیستماتیک شرح داده نشده است. متغیرهای طراحی به دلایل زیر مورد بررسی قرار گرفته  اند:

• گسترش معادلات قابل پیش بینی جهت مشخص کردن واکنش لرزه  ای سه-خطی یک ستون دیوار SC را تا حداکثر میزان مجاز که برای دربر گرفتن در استاندارد آنالیز مناسب بوده مشخص می  نماید. 

• بررسی و اعتبار یک معادله مبتنی بر مکانیک برای حداکثر مقاومت خمشی ستون دیوار SC که برای دربر  گرفتن استاندارد طراحی لرزه  ای مناسب است.

     ادامه این مقاله مبانی فنی برای معادلات قابل پیش بینی را جهت مشخص نمودن واکنش سه-خطی معادله مبتنی بر مکانیک برای حداکثر مقاومت خمشی فراهم می  کند. مرور این موضوع بر مطالعاتی تمرکز می  کند که بر رفتار ستون  های دیوار SC با توجه به متغیر  های طراحی مهم ذکر شده در بالا نظرت دارد. 

2. بررسی ادبیات

     Fukumoto و همکارانش صفحه فولادی با مقیاس 4/1، بتن غیر مسطح و دیوارهای برشی کامپوزیت تحت بارهای برشی و محوری جهت مطالعه تأثیر عمل کامپوزیت بین صفحات فولادی و بتن پر، نسبت باریکی و شیوه  های سفت کننده برای صفحات فلزی در واکنش به دیوارهای SC را مورد آزمایش قرار دادند. دیوارهای کامپوزیت بوسیله اسمبل کردن جعبه  های فولادی جوشکاری شده و پر کردن آنها با بتن ایجاد می  گردند: نتایج کیفی مربوط به ساخت خاص مورد استفاده قرار گرفت.

      Takeda و همکاران 7 پانل دیوار کامپوزیت را در معرض بار  گذاری چرخشی سطح که در برش خالص لود گردیده قرار دادند. تمرکز اصلی مطالعه آنها تأثیر ضخامت صفحات فولادی، پارتیشن بندی وب  ها و استفاده از ستون در واکنش به برش  های پانل SC بشمار میرفت. نمونه  ها از دو صفحه فولادی، بتن پر، ستون  های فولادی که صفحات را به نقاط روی نقشه متصل نموده و پارتیشن بندی وب  ها که صفحات فولادی را بهم متصل کرده تشکیل شده است. نتایج مطالعه Takeda نشان می  دهد که ایجاد ستون در فضای مورد نظر هیچ تأثیری بر حداکثر مقاومت ندارد.این نویسندگان واکنش پیش از اوج مقاومت را به چهار گروه تقسیم بندی نمود: 1) ارتجاعی، 2) ترک خوردگی پس از بتن، 3) پس کمانش صفحات فلزی و 4) بازدهی پس از صفحات فولادی. واکنش برشی پانل-های SC با استفاده از رابطه جابجایی نیروی تغییر پذیر بصورت ایده  آل درآمده زیرا ظرفیت بار جانبی در فشارهای برشی کمتر از %2 کیفیت خود را از دست نداد.

      Sesaki و همکاران 7 دیوار لبه  دار را با نسبت طول به عرض بین 0.33 و 0.5 جهت بررسی تأثیر نسبت طول به عرض، نسبت تقویت  سازی، بار محوری و استفاده از ستون  های چسبیده به انتهای صفحات دیوار وب در واکنش خمشی-برشی دیوارهای SC مورد آزمایش قرار دادند. نسبت باریکی صفحه به میزان 33 مورد استفاده قرار گرفت. آنها در مورد سختی جانبی و مقاومت افزایش دیوارهای SC لبه  دار با کاهش نسبت برشی دهانه به عمق و افزایش نسبت آرماتور گزارش تهیه کرده که تا حدی ذاتی است. افزایش در بار محوری منجر به افزایش در مقاومت جانبی گردیده اما باعث افزایش سختی اولیه نمی  گردد.

      Ozaki و همکاران دیوارها با نسبت طول به عرض و آرماتور مختلف تحت بار محوری جهت بررسی واکنش سطح دیوارهای SC بحرانی-برشی و بحرانی-خمشی را مورد آزمایش قرار دادند. 5 نمونه بحرانی-برشی SC با نسبت طول به عرض 0.5 تا 0.85 و نسبت  های آرماتور از 0.7% تا 2% مورد آزمایش قرار گرفت. نسبت آرماتور تأثیر اندکی بر سختی اولیه و قدرت ترک خوردگی دیوارهای SC برشی-بحرانی داشته اما بطور قابل توجهی بر بارهای بازده و جانبی تأثیر گذاشت. جابجایی  های مربوط به بارهای بازده و جانبی تحت تأثیر نسبت تقویت ساز قرار نگرفتند. 4 دیوار SC خمشی-بحرانی با نسبت طول به عرض 0.7 و 0.85 و نسبت آرماتور 2% مورد آزمایش قرار گرفتند. پارامترهای طراحی در این قسمت از بررسی نسبت طول به عرض، نیروی محوری، و نوع ارتباط دیوار SC با فونداسیون در نظر گرفته شد. Ozaki و همکاران پیشنهاد کردند که مقاومت خمشی دیوار SC خمشی-بحرانی با استفاده از نتایج آنالیز برش عرضی قالب پذیر محاسبه گردد. 

     Nie و همکاران 12 دیوار را در معرض بارهای جانبی محوری و چرخشی بمنظور بررسی تأثیر نسبت آرماتور، مقاومت بتن، ضخامت سطح فولا و صفحه لبه دار و نسبت طول به عرض دیوار در واکنش به سطح دیوارهای SC قرار دادند. نسبت طول به عرض و آرماتور از 4.6% تا 7.1% و از 1 تا 2 متغیر بودند. 12 نمونه که بوسیله کمانش و شکستگی موضعی صفحات فولادی مشخص شده در خمش شکست خوردند. نتایج آزمایشات آنها نشان دادند که حداکثر مقاومت افزایش یافته با کاهش نسبت دهانه به عمق برشی افزایش یافت. تغییر در مقاومت فشرده بتن تأثیر اندکی بر مقاومت نمونه  های SC دارد. 

     Kurt و همکاران تأثیرات نسبت طول به عرض دیوار، ضخامت دیوار، نسبت آرماتور در واکنش یکنواخت ستون  های دیوار SC را گزارش کردند. کد  های عنصر محدود ABAQUS و LSDYNA برای شبیه سازی  های عددی مورد استفاده قرار گرفتند. داده  های حاصل از آزمایشات 8 ستون دیوار SC و شبیه سازی  های عددی جهت استخراج معادلات طراحی برای ظرفیت بار جانبی ستون دیوار SC مورد استفاده قرار گرفتند. معادله پیشنهادی برای ظرفیت خمشی درون سطح برای نسبت طول به عرض تقسیم بندی گردید: 1) برای نسبت طول به عرض 0.5 و کمتر، ظرفیت برابر لحظه مربوط به شروع بازدهی صفحات فولادی در انتهای فشرده سازی دیوار بوده و 2) برای نسبت طول به عرض 1.5 و بیشتر، ظرفیت برابر با ظرفیت لنگر شکل پذیر برش عرضی دیوار است. ظرفیت خمشی برای نسبت طول به عرض متوسط بوسیله میان یابی خطی تعیین گردیده اما در مورد ضخامت دیوار توضیح می  دهد. تأثیر نیروهای محوری و برشی همزمان بر ظرفیت خمشی مورد توجه قرار نگرفته است. 

3. مطالعه پارامتری در مرد ستون  های دیوار SC

     یک پروژه پژوهشی در دانشگاه در بوفالو در سال 2013 انجام گرفت که عملکرد لرزه  ای ستون  های دیوار کامپوزیت SC را برای ساختمان  ها و زیر ساخت  های مأموریت بحرانی مورد بررسی قرار داد. دیوارهای SC در این مطالعه از دو صفحه فولادی و بتن پر تشکیل گردیده: ساختمان معرفی شده در ابتدای این مقاله. صفحات فولادی با هم و با بتن پر بوسیله میله  ها و ستون  های سر دار بهم متصل بودند. این پروژه پژوهشی که شامل یک برنامه آزمایشی که بدنبال آن مطالعات آماری و تحلیل آمده، بر رفتار سطح ستون  های دیوار SC خمشی و خمشی-برشی-بحرانی متمرکز میشود. در برنامه آزمایشی 4 نمونه بزرگ با نسبت طول به عرض 1 تحت بار چرخشی جابجایی کنترل شده مورد آزمایش قرار گرفتند. متغیرهای طراحی شامل ضخامت دیوار، نسبت آرماتور و نسبت باریکی بودند. دیوارها خمشی-بحرانی بودند. یک مدل عنصر محدود قوی در LS DYNA جهت شبیه سازی رفتار چرخشی معکوس و سطح غیر قابل انعطاف دیوارها خمشی-بحرانی توسعه یافتند. مدل LS DYNA برای محاسبات واکنش سطح با استفاده از نتایج آزمایش  های چرخشی ستون  های دیوارهای SC مورد تأیید قرار گرفتند. داده  های آزمایشی جهت توسعه مدل  های تحلیلی ساده شده مناسب برای آنالیز و طراحی اولیه دیوارهای SC مورد استفاده قرار گرفتند. در مطالعه گزارش شده در این مقاله، این مدل LS DYNA تأیید شده برای بارگیری درون سطح جهت انجام مطالعه پارامتری در مورد واکنش یکنواخت درون سطح دیوارهای SC استفاده میشود. نتایج این مطالعه پارامتری جهت بررسی متغیرهای طراحی در واکنش یکنواخت ستون-های دیوار SC و استنتاج معادلات مورد استفاده قرار گرفته که رابطه جابجایی نیروی جانبی سه خطی را برای یک ستون دیوار SC مانند آنچه در ادامه توضیح داده شده مشخص می  نماید. 

abstract

     This paper presents results of numerical studies on the in-plane monotonic response of steel-plate concrete (SC) composite shear wall piers. Results of finite element analysis of 98 SC wall piers are used to investigate the effects of wall aspect ratio, reinforcement ratio, slenderness ratio, axial load, yield strength of the steel faceplates, and uniaxial compressive strength of concrete on in-plane response, and to formulate (a) predictive equations to establish the trilinear lateral force versus lateral displacement response of SC wall piers up to peak strength, sufficient for seismic analysis of structures including SC wall piers and (b) a mechanics-based design equation for peak flexural strength, which addresses the interaction of co-existing shear and axial force. Design of Experiments is used to select the 98 piers. The baseline finite element model was formally validated using data from reversed cyclic, inelastic in-plane tests of four large-scale SC wall piers.

1. Introduction

     Steel-plate concrete (SC) composite shear walls used or proposed for construction in the United States are constructed using steel faceplates, infill concrete, and connectors used to anchor the steel faceplates together and to the infill concrete. Although the seismic behavior of SC walls has been studied in some detail over the past 25+ years [1–20], the number of applications to date has been limited. Empirical equations to predict the initial stiffness and lateral load capacity of SC walls have been proposed, but effects of key design variables, including wall aspect ratio, reinforcement and slenderness ratios, axial load, and material properties have not been systemically accounted for. Herein, these design variables are addressed explicitly to

Develop predictive equations to fully characterize the trilinear seismic response of an SC wall pier up to peak strength, suitable for inclusion in an analysis standard.

Verify and validate a mechanics-based equation for the peak flexural strength of an SC wall pier, suitable for inclusion in a seismic design standard.

     The following sections of this paper provide the technical bases for the predictive equations to characterize trilinear response and the mechanics-based equation for peak flexural strength. The literature review that follows immediately below focuses on those studies that address the behavior of SC wall piers considering one or more of the key design variables listed above.

2. Literature review

     Fukumoto et al. [21] tested 1/4-scale steel plate, plain concrete, and composite shear walls under axial and shear loads to study the effects of composite action between the steel faceplates and the infill concrete, slenderness ratio, and stiffening methods for the steel faceplates, on the response of SC walls. The composite walls were constructed by assembling welded steel boxes and infilling them with concrete: different from the construction discussed above. Qualitative conclusions were drawn but they were by-and-large specific to the construction used.

     Takeda et al. [22] subjected seven composite wall panels to in-plane cyclic loading in pure shear. The primary focus of their study was the effect of thickness of steel faceplates, partitioning webs, and the use of studs, on the shear response of SC panels. The specimens were composed of two steel faceplates, infill concrete, headed steel studs anchoring the faceplates to the infill, and the partitioning webs joining the steel faceplates: somewhat different to the construction discussed above. The results of the Takeda study indicated that stud spacing, in the range considered, had no effect on peak strength. These authors parsed the pre-peakstrength response into four regions: (1) elastic, (2) post-concrete cracking, (3) post-buckling of steel faceplates, and (4) postyielding of steel faceplates. The shear response of these SC panels was idealized using a perfectly plastic force-displacement relationship because their lateral load capacity did not deteriorate at shear strains less than 2%.

     Sasaki et al. [23] tested seven flanged walls with aspect ratios ranging between 0.33 and 0.5 to investigate the effects of aspect ratio, reinforcement ratio, axial load, and the use of headed studs attached to the end plates of the web wall on the flexural-shear response of SC walls. A faceplate slenderness ratio of 33 was used. They reported the lateral stiffness and strength of a flanged SC walls increase with decreasing shear span-to-depth ratio and increasing reinforcement ratio, which is somewhat intuitive. Increases in axial load led to an increase in lateral strength but not initial stiffness.

     Ozaki et al. [14] tested flanged walls with different aspect and reinforcement ratios under lateral loading to investigate the inplane response of shear-critical and flexure-critical SC walls. Five shear-critical SC specimens with aspect ratios ranging from 0.5 to 0.85 and reinforcement ratios ranging from 0.7% to 2% were tested. The reinforcement ratio had a small effect on the initial stiffness and cracking strength of the shear-critical SC walls but it significantly affected the yield and the peak lateral loads. The displacements corresponding to the yield and lateral loads were not affected by reinforcement ratio. Four flexure-critical SC walls with aspect ratios of 0.7 and 0.85, and a reinforcement ratio of 2%, were also tested. The design parameters considered in this part of their study were aspect ratio, axial force, and type of SC wall connection to the foundation. Ozaki et al. proposed that the bending strength of flexure-critical SC walls be calculated using the results of plastic cross-section analysis. The interaction of axial force and bending moment was ignored.

     Nie et al. [24] subjected twelve walls to axial and cyclic lateral loads to investigate the effects of reinforcement ratio, concrete strength, thicknesses of the steel face and flange plates, concrete reinforcement, and wall aspect ratio on the in-plane response of SC walls. The reinforcement and aspect ratios varied from 4.6% to 7.1%, and from 1 to 2, respectively. The twelve specimens failed in flexure, characterized by local buckling and fracture of the steel faceplates. Their test results showed that peak strength increased as shear span-to-depth ratio decreased. Changes in the concrete compressive strength had little effect on the stiffness of the SC specimens.

     Kurt et al. [12] reported the effects of wall aspect ratio, wall thickness, and reinforcement ratio on the monotonic response of SC wall piers. The finite element codes ABAQUS [25] and LSDYNA were used for the numerical simulations. Data from tests of eight SC wall piers [10,12] and the numerical simulations were used to derive design equations for the lateral load capacity of SC wall piers. The proposed equation for in-plane flexural capacity is parsed by aspect ratio (ratio of height to length): (1) for aspect ratios of 0.5 and smaller, the capacity is equal to the moment corresponding to the onset of yielding of the steel faceplates at the compression end of the wall and (2) for aspect ratios of 1.5 and greater, the capacity is equal to the plastic moment capacity of the wall cross-section. The flexural capacity for intermediate aspect ratios is determined by linear interpolation but accounts for wall thickness. The effects of co-existing axial and shearing forces on flexural capacity are not addressed.

3. Parametric study on SC wall piers

     A research project was completed at the University at Buffalo in 2013 that investigated the seismic performance of SC composite wall piers for application to buildings and mission-critical infrastructure [8,10]. The SC walls considered in that study were composed of two steel faceplates and infill concrete: the construction introduced at the beginning of this paper. The steel faceplates were connected together and to the infill concrete using tie rods and headed studs, respectively. The research project, including an experimental program followed by numerical and analytical studies, focused on the in-plane behavior of flexure- and flexure-shearcritical SC wall piers. In the experimental program, four large-size specimens with an aspect ratio (height-to-length) of 1.0 were tested under displacement-controlled cyclic loading. The design variables were wall thickness, reinforcement ratio, and slenderness ratio. The walls were flexure-critical. A robust finite element model was developed in LS-DYNA for the simulation of the reversed cyclic, inelastic in-plane behavior of the flexure-critical SC walls [26]. The LS-DYNA model was formally validated for in-plane response calculations using the results of cyclic tests of SC wall piers. The test data also were used to develop simplified analytical models suitable for preliminary analysis and design of SC walls [11]. In the study reported in this paper, this validated LS-DYNA model for reversed cyclic, inelastic in-plane loading is used to conduct a parametric study on the in-plane monotonic response of SC walls. The results of the parametric study are used to systematically investigate the effects of design variables on the monotonic response of SC wall piers and to derive equations that characterize the trilinear lateral force-displacement relationship for an SC wall pier, all as described below.

چکیده

1.مقدمه

2.بررسی ادبیات

3.مطالعه پارامتری در مرد ستون های دیوار SC

4.تحلیل عنصر محدود دیوارهای SC

5.مطالعه پارامتری دیوارهای SC با استفاده از ANOVA

5.1نتایج تجزیه و تحلیل 

5.2تجزیه و تحلیل واریانس

5.3. معادلات قابل پیش بینی آزمایشی برای واکنش یکنواخت ستونهای دیوار SC

5.4. مناسب بودن مدل رگرسیون

6.معادلات مبتنی بر مکانیک جهت پیش بینی حداکثر مقاومت خشمی

6.1. نتایج تجزیه و تحلیل ها

6.2. تأیید معادلات پیشنهادی

7.تأیید و اعتبار معادلات مبتنی بر مکانیک و ANOVA 

7.1. اثبات

7.2. معتبر سازی

8.خلاصه و جمع بندی

abstract

1. Introduction

2. Literature review

3. Parametric study on SC wall piers

4. Finite element analysis of SC walls 

5. Parametric study of SC walls using ANOVA

5.1. Analysis results

5.2. Analysis of variance

5.3. Empirical predictive equations for the monotonic response of SC

wall piers

5.4. Adequacy of the regression models

6. Mechanics-based equations for predicting peak flexural strength

6.1. Analysis results

6.2. Verification of the proposed equations

7. Verification and validation of the mechanics-based and

7.1. Verification

7.2. Validation

8. Summary and conclusions

Acknowledgements

References