دانلود رایگان ترجمه مقاله ارزیابی عملکرد دیواره های ساختمانی با عناصر فیوز ساختمانی – MDPI 2014

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده
این مقاله عملکرد مفهوم فیوز ساختاری توسعه یافته برای استفاده به عنوان یک سیستم جداسازی لرزه ای در طراحی و مقاوم سازی دیوارهای ساختمانی پر را بررسی می کند. یک برنامه آزمایشگاهی توسعه یافته و برای مطالعه رفتار سیستم فیوز ساختاری تحت بارهای چرخه ای و ارزیابی عملکرد سیستم با مواد ساختمانی مختلف اجرا شده است. تست های چرخه ای با اعمال بارهای جابجایی کنترل شده در طبقات اول، دوم و سوم فریم تست فولادی سه طبقه ی دو دهانه با دیوارهای اجری پر با استفاده از پروتکل بارگیری شبه استاتیک انجام شد تا یک پاسخ حالت اولیه در سیستم ساختاری ایجاد نماید. مطالعه پارامتری نیز با جایگزینی پنل های اجری پر با دیوارهای پر ساخته شده از واحد های ساختمانی بتنی و بلوک های بتنی سبک اتوکلاو و اعمال لودهای افزایشی یکنواخت ، جایجایی کنترل شده در طبقه بالای فریم تست کامل شد.
کلمات کلیدی: دیوارهای پر ساختمانی؛ جداسازی لرزه ای؛ تست بار جانبی چرخه ای؛ فیوز ساختاری
1-مقدمه
دیوارهای ساختمانی پر یکی از عناصر ساختمانی رایج در سراسر جهان می باشند. دیوارهای پر ساخته شده از مواد ساختمانی مختلف اغلب هم در ساختارهای بتنی و هم فولادی برای پر کردن دریچه های فریم استفاده می شوند. این نوع از ساخت و ساز به ویژه در کشورهای در حال توسعه رایج می باشد که مواد ساختمانی مانند اجرهای رسی، واحدهای ساختمانی بتنی، و کاشی های خاک رس توخالی به راحتی در دسترس هستند. در بسیاری از موارد، دیوارهای پر به عنوان عناصر معماری رفتار شده و تاثیر ان روی رفتار ساختار در نظر گرفته نشده است. این فلسفه طراحی می تواند به طراحی غیراقتصادی همچنین رفتار غیرقابل انتظار و حتی فروپاشی فاجعه بار منجر گردد.
توسط محققان زیادی مستند شده که دیوارهای ساختمانی پر به طور چشمگیری رفتار صفحه ای و پاسخ فریم های ساختاری را تحت تاثیر قرار می دهند. دیوارهای پر ساختمانی سفتی فریم ساختار را افزایش می دهند و در کل در محدود کردن خمش ساختمان تحت بار جانبی کمک می کند. گرچه این افزایش در سفتی برای محدود کردن لغزش ساختمان در طی طوفان های بادی و زلزله های جزئی تا متوسط مفید می باشد، می تواند تاثیر منفی روی کارایی ساختار ها در رخدادهای زلزله ای داشته باشد. یک مقاله مروری جامع در مورد این مسئله توسط نشان داده شده است.
خواص ساختاری دیوارهای ساختمانی پر اغلب توسط طراحان نادیده گرفته شده است که افزایش در سفتی و کاهش بالقوه در چکش خواری اعمال شده در فریم های ساختاری با افزودن مواد ساختمانی پر تقویت نشده را نادیده گرفته اند. نوعا، فری های ساختمانی بتنی و فولادی برای مقاومت در برابر جاذبه و بارهای جانبی طراحی شده اند. دیوارهای پر اغلب به صورت عناصر غیرساختاری در نظر گرفته شده اند گرچه آنها تاثیر چشمگیری روی رفتار صفحه ای و عملکرد لرزه ای ساختار دارند.
ناددیه گرفتن سهم دیوارهای پر ساختمانی در استحکام و سفتی فریم های ساختمانی می تواند به آسیب دیوارهای ساختمانی و همچنین استفاده ناکارآمد از مواد و طراحی غیراقتصادی منجر گردد. طبق غفلت از اثر پنلهای پر، همانطور که با کدهای ساختمانی مختلف پیشنهاد شده است، به طراحی لرزه ای سالم منجر نمی شود. این فرض که دیوارهای بنایی پر در فریم های فولاد و بتن تنها ظرفیت بار جانبی این ساختارها را افزایش می دهد یک تصور غلط می باشد. این نظارت می تواند به تشدید آسیب ساختاری و فروپاشی ساختمان منجر گردد که توانایی فریم برای پراکنده ساختن انرژی لرزه ای ورودی به طور چشمگیری دست بالا در نظر گرفته شده است. فشار بالا بر دیوارهای پر و ایجاد مکانیسم فروپاشی در فریم های ساختاری می تواند اتفاق افتد اگر برهم کنش ترکیبی بین دیوارهای پر ساختمانی و فریم های اتصال در طی طراحی در نظر گرفته نشده باشد. دو فلسفه طراحی رایج توسعه یافته اند که تاثیر دیوارهای پر روی پاسخ فریم های ساختاری به بارهای جانبی را در نظر می گیرند. یک روش جداسازی دیوارهای پر از فریم های اتصال با شکاف فیزیکی می باشد. این به فریم اجازه می هد تا مستقل از دیوارهای ساختمانی عمل نماید و بدون در نظر گرفتن برهمکنش بین عناصر فریم و پنل های پر طراحی گردد. جداسازی پنل های پر از فریم می تواند از شکستگی شدید و آسیب به مواد ساختمانی پیشگیری نماید. این یک ملاحظه مهم می باشد از آنجایی که باقیمانده پر کردن از دیوارهای پر آسیب دیده و فروریخته یک مسئله ایمنی زندگی برای ساختمانها در نواحی لرزه ای می باشد . با جداسازی دیوارهای پر از فریم های بتنی یا فولادی ، ساختار می تواند انرژی لرزه ای ووردی را در یک حالت قابل پیش بینی و ایمن پراکنده سازد.
روش دوم طراحی رایج برای فریم های ساختاری پر برای تشخیص سهم پنل ها در قدرت و سفتی فریم ساختاری و طراحی دیوارهای ساختمانی به عنوان عناصر ساختاری می باشد. در بسیاری از موارد اندازه اعضای ساختاری در فریم ساختمان با محدودیتهای رانش ساختمان یا معیار تعمیرپذیری دیگر به جای ملاحظات استحکام دیکته شده است. با در نظر گرفتن خواص ساختاری دیوارهای ساختمانی پر در محاسبات رانش ساختمانی، اندازه اعضای فریم می تواند کاهش یابد، که منجر به طراحی اقتصادی تر می گردد. این روش نیاز به ملاحظات دقیق برهم کنش ترکبیی بین فریم ساختاری و پنل های پر دارد طوریکه هر دو می توانند برای مقاوم سازی ایمن در برابر بارهای جانبی طراحی شوند. یک عیب این روش، این است که فریم ساختاری وقتی که در معرض نیروهای لرزه ای بزرگ قرار می گیرد نمی تواند مستقل از دیوارهای پر عمل نماید. سفتی مازاد پنل های پر دوره طبیعی ساختار را کاهش می دهد که منجر به بارهای لرزه ای بزرگتر می شود. اگر دیوارهای پر به طور مناسب و دقیق طراحی نشده باشند شکستگی شدید دیوارهای ساختمانی پر و ریختن آوار می تواند اتفاق افتد.
یک مفهوم جدید در کارایی و طراحی ویدارهای ساختمانی پر ایده ی سیستم فیوز ساختمانی می باشد. مفهوم فیوز ساختاری دو روش طراحی رایج را با مجاز کردن دیوارهای ساختمانی پر برای درگیر شدن با فریم اتصال تا به یک سطح از پیش تعیین شده ای از بار جانبی ترکیب می کند. شکستگی ترد و شکننده دیوارهای پر یا عناصر فریم با اعمال یک مکانیسم فیوز پیشگیری شده است که مواد پر کردن را از فریم تحت بارهای بیشتر جدا می کند. برای بارهای کمتر، استحکام و سفتی مواد ساختمانی در ترکیب با فریم ساختاری عمل می کند تا خمش های جانبی را محدود نماید. تحت بارهای حانبی بیشتر، پنل های پر، با استفاده از مکانیسم فیوز از ساختار رها شده اند، که از آسیب به دیوارهای ساختمانی و تشکیل مکانیسم شکست فریم جلوگیری می کند. با این سیستم، فریم ساختاری می تواند برای مقاومت بیشتر در برابر نیروهای جانبی بیشتر بدون تاثیر مواد ساختمانی طراحی گردد.
عنصر فیوز جزء کلیدی سیستم فیوز ساختاری می باشد. هدف فیوز استفاده به عنوان یک لینک بین فریم ساختاری و دیوارهای ساختمانی پر و جلوگیری از آسیب به مواد پر کردنی می باشد. تحت شرایط بار نوعی، مکانیسم فیوز نیروهای برش طبقه از فریم ساختاری را به پنل های پر ساختمانی منتقل می کند، که برای مقاوم بودن در برابر بارهای جانبی صفحه ای و محدود کردن خمش های فریم کمک می کند. اگر نیروهای برش طبقه به اندازه کافی زیاد باشندکه باعث رفتار غیرالاستیک در پنل های ساختمانی گردند، عنصر فیوز برای شکست طراحی شده و دیوار پر را از فریم رها می کند قبل از اینکه آسیب برای مواد ساختمانی اتفاق افتد.
یک مطالعه تجربی اولیه نشان داد که مفهوم فیوز ساختاری به خوبی سیستم جداسازی لرزه ای عمل می کند. در این مطالعه ، بارهای جابجایی کنترل شده با افزایش یکنواخت، در بالای طبقه یک فریم آزمایشی فولادی سه طبقه ، دو دهانه با دیوارهای آجری پر و عناصر فیوز دیسک الوار اعمال شده بود. طبق نتایج تست، دیوارهای آجری پر سهم چشمگیری در سفتی صفحه ای فریم تست ایجاد کردند تا نقطه ای که عناصر فیوز شکسته شدند. مکانیسم فیوز به طور موفق پنل های پر را از فریم تست جدا کرد، که از آسیب به مواد ساختمانی اجری جلوگیری می کند. از آنجایی که مطالعه اولیه روی مفهوم توسعه و تصحیح مفهوم بر اساس تستهای یکنواخت متمرکز شده است، یک برنامه آزمایشگاهی پیگیری برای مطالعه پاسخ سیستم فیوز ساختاری تخت یک تاریخچه بار چرخه ای و برای ارزیابی کارایی سیستم با مواد ساختمانی پر مختلف توسعه یافته بود.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

This paper discusses the performance of a structural fuse concept developed for use as a seismic isolation system in the design and retrofit of masonry infill walls. An experimental program was developed and executed to study the behavior of the structural fuse system under cyclic loads, and to evaluate the performance of the system with various masonry materials. Cyclic tests were performed by applying displacement controlled loads at the first, second, and third stories of a two-bay, three-story steel test frame with brick infill walls; using a quasi-static loading protocol to create a first mode response in the structural system. A parametric study was also completed by replacing the brick infill panels with infill walls constructed of concrete masonry units and autoclaved aerated concrete blocks, and applying monotonically increasing, displacement controlled loads at the top story of the test frame.

Keywords: masonry infill walls; seismic isolation; cyclic lateral load testing; structural fuse

1. Introduction

Masonry infill walls are a common building element found throughout the world. Infill walls constructed of various masonry materials are often used in both concrete and steel structures to infill the frame openings [1]. This type of construction is particularly common in developing countries where masonry materials such as clay bricks, concrete masonry units, and hollow clay tiles are readily available [2]. In many cases, infill walls are treated as architectural elements and their influence on the behavior of the structure is not considered. This design philosophy can lead to uneconomical design as well as unexpected behavior and even catastrophic collapse. It has been widely documented by many researchers that masonry infill walls significantly influence the in-plane behavior and response of structural frames [3–18]. Masonry infill walls increase the stiffness of structural frames, and in general help to limit building deflection under lateral loads. Although this increase in stiffness is beneficial for limiting building drift during wind storms and minor to moderate earthquakes, it can have a negative impact on the performance of structures during major seismic events. A comprehensive literature review on these issues is presented by Aliaari [19]. The structural properties of masonry infill walls are often overlooked by designers who do not consider the increase in stiffness and potential decrease in ductility introduced into structural frames by the addition of unreinforced masonry infill materials. Typically, concrete and steel building frames are designed to resist all of the gravity and lateral loads, including wind and seismic forces. Infill walls are often treated as nonstructural elements even though they have a significant influence on the in-plane behavior and seismic performance of the structure [20]. Ignoring the contribution of masonry infill walls to the strength and stiffness of building frames can lead to damage in the masonry walls as well as resulting in an inefficient use of materials and uneconomical design [21]. According to Colombo et al. [22], neglecting the effects of the infill panels, as suggested by various building codes, does not lead to a safe seismic design. The assumption that masonry infill walls in concrete and steel frames will only increase the lateral load capacity of these structures is a common misconception [23]. This oversight can result in severe structural damage and collapse in buildings where the ability of the frame to safely dissipate seismic input energy has been significantly overestimated. Overstressing of the masonry walls and the formation of a collapse mechanism in the structural frame can occur if the composite interaction between masonry infill walls and bounding frames is not accounted for during design. Two common design philosophies have been developed which consider the influence of infill walls on the response of structural frames to lateral loads [24]. One approach is to isolate the masonry infill walls from the bounding frame with a physical gap [25]. This allows the frame to act independently of the masonry walls and to be designed without consideration of the interaction between the frame elements and the infill panels. Isolating the infill panels from the frame can prevent severe cracking and damage to the masonry materials. This is an important consideration since falling debris from damaged and collapsed infill walls is a major life safety issue for buildings in seismic areas. By isolating the infill walls from the concrete or steel frame, the structure can dissipate the seismic input energy in a predictable and safe manner. A second common design method for infilled structural frames is to recognize the contribution of the infill panels to the strength and stiffness of the building frame and design the masonry walls as structural elements [26]. In many cases, the size of the structural members in a building frame is dictated by building drift limits or other serviceability criteria rather than strength considerations. By taking into account the structural properties of the masonry infill walls in the calculation of building drift, the framing members can be reduced in size, resulting in a more economical design. This approach requires careful consideration of the composite interaction between the structural frame and the infill panels so that both can be designed to safely resist lateral loads. A disadvantage of this method is that the structural frame cannot act independently of the infill walls when subjected to large seismic forces. The added stiffness of the infill panels decreases the natural period of the structure, which results in higher seismic loads [7]. Severe cracking of the masonry infill walls and shedding of debris can take place if the infill walls are not properly designed and detailed. A new concept in the performance and design of masonry infill walls is the idea of a structural fuse system [19,25–27]. The structural fuse concept combines the two common design approaches by allowing masonry infill walls to be engaged with the bounding frame up to a predetermined level of lateral load. Brittle failure of the infill walls or frame elements is prevented by the introduction of a fuse mechanism, which isolates the infill material from the frame under higher loads. For lower levels of load, the strength and stiffness of the masonry material work compositely with the structural frame to limit lateral deflections. Under higher lateral loads, the infill panels are disengaged from the structure using the fuse mechanism, which prevents damage to the masonry walls and the formation of a frame failure mechanism. With this system, the structural frame can be designed to resist high lateral forces without the influence of the masonry material. The fuse element is the key component of the structural fuse system. The purpose of the fuse is to serve as a link between the structural frame and the masonry infill walls and prevent damage to the infill material. An extensive analytical and experimental study has been carried out on fuse materials and systems [19,25,28]. Under typical loading conditions, the fuse mechanism transfers the story shear forces from the structural frame to the masonry infill panels, which help to resist the in-plane lateral loads and limit frame deflections. If the story shear forces are sufficiently high to cause inelastic behavior in the masonry panels, the fuse element is designed to “break” and disengage the infill wall from the frame before damage occurs to the masonry material. An initial experimental study [25,28] showed that the structural fuse concept works well as a seismic isolation system. In that study, monotonically increasing, displacement controlled loads were applied at the top story of a two-bay, three-story steel test frame with brick infill walls and lumber disk fuse elements. According to the test results, the brick infill walls made a significant contribution to the in-plane stiffness of the test frame, up to the point where the fuse elements failed. The fuse mechanism successfully isolated the infill panels from the test frame, preventing damage to the brick masonry material. Since the initial study [25,28] concentrated on concept development and proof-of-concepts based on monotonic tests, a follow-up experimental program was developed to study the response of the structural fuse system under a cyclic loading history, and to evaluate the performance of the system with various masonry infill materials.