دانلود رایگان ترجمه مقاله آنالیز تناوبی قاب های بتن مسلح در مورد به کارگیری روش های مختلف در مدل فیبر

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده
در این تحقیق، براساس تحلیل غیرخطی قاب‌های خمشی بتن مسلح، اثر چسبندگی-لغزش بین بتن و آرماتورها در امتداد طول تیر، ستون و المان‌های اتصالی برای معادلات عددی اعمال گردید. نظریه حاکم در این معادلات مشابه نظریه مدل تار بود، اما فرض چسبندگی کامل بین بتن و آرماتور حذف گردید. دقت روش پیشنهادی در درنظرگیری رفتار غیرخطی واقعی قاب‌های بتن مسلح با دقت سایر روش‌های پیشنهادی برای درنظرگیری اثر چسبندگی-لغزش در تحلیل مدل تار مقایسه شد. توانایی در مدلسازی طول مدفون آرماتورها در اتصالات و مدلسازی غیرخطی چسبندگی-لغزش ازجمله قابلیت‌های این روش است. دقت نتایج تحلیلی با نتایج آزمایشگاهی حاصل از دو نمونه تحت بار تناوبی مقایسه گردید. مقایسه نشان داد که روش پیشنهادی می‌تواند رفتار غیرخطی قاب‌های بتن مسلح را با دقت بسیار خوبی مدل کند.
کلیدواژه‌ها: اثر چسبندگی-لغزش، اثر بیرون کشیدگی، تحلیل تناوبی، قاب‌های بتن مسلح
مقدمه
بسیاری از مدل‌های تحلیلی برای تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح (RC) طراحی شده‌اند. هرچند مدلسازی دوبعدی و سه بعدی در یک روش المان محدود می‌تواند تحلیل دقیقتری حاصل کند، اما زمان تحلیل را بسیار افزایش می‌دهد. بنابراین، چنین روش‌هایی معمولاً برای مدل سازی قطعات سازه‌ای بکار می‌روند، در حالی که روش‌های راحت‌تر برای مدلسازی کل سازه استفاده می‌شوند. مدل یک قطعه‌ای کلاف و همکارانش یکی از مدل‌های ساده‌ای است که برای تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح بکار می‌رود. مدل‌های مختلف دارای خصوصیت پلاستیسیته متمرکز (برانکالونی و همکاران 1983) بعدها معرفی گردید و توضیح دقیق‌تری از رفتار غیرخطی المان‌های قاب‌های بتن مسلح به واسطه مدل‌های با پلاستیسیته توزیع یافته (مدل سلیمانی و همکاران 1979) ارائه گردید. سایر مدل‌ها (مدل فیلیپو و همکاران 1992) ازجمله مدل‌های چندفنری که از المان‌های فرعی بهره می‌گیرند نیز طراحی شدند. یکی از پرکاربردترین مدل‌ها مدل تار است. در این روش، هر المان به تعدادی قطعه بتنی و تار فولادی تقسیم می‌شود و مشخصات مقطع المان با لحاظ کردن اثرات رفتار تار‌ها ایجاد می‌شوند. این روش چسبندگی کاملی بین بتن و آرماتور فرض می‌کند، اما این فرضیه چندان مناسب یا واقع بینانه نیست و سبب ایجاد اختلافی قابل توجه بین نتایج تجربی و آزمایشگاهی می‌شود. بلابری و هسو و نیز کواک و کیم از روش تار استفاده می‌کنند اما برای اصلاح و کاهش خطای تحلیل حاصل از فرضیه مذکور، رفتار تنش-کرنش آرماتورها را اصلاح کردند. بدین صورت، آن‌ها از روشی معادل بهره گرفتند. لیم کاتانانیو و اسپاسون (2002) از روش تار بهره گرفتند اما فرضیه چسبندگی کامل را حذف نمودند. جهت انجام این کار، آن‌ها بین درجات آزادی بتن و آرماتورها در المان‌های تیر-ستون تمایز ایجاد کردند. این روش اصلاح شده برای المان‌های تیر-ستون در مطالعه حاضر بکار رفته است، اما برای مدلسازی قاب‌های بتن مسلح، یک المان اتصالی نیز نیاز است. آنچه مهم است مطابقت و شباهت المان‌های اتصالی با المان‌های تیر-ستون است. در روش‌های اولیه تحلیل غیرخطی قاب‌های بتن مسلح، اثر غیرخطی اتصالات تیر-ستون با استفاده از کالیبراسیون مفصل‌های پلاستیک در المان‌های تیر-ستون مجاور درنظر گرفته می‌شوند. در چنین شرایطی، المان اتصالی جداگانه مدل نمی‌شود، بلکه اثرش بر المان‌های مجاور لحاظ می‌گردد. براساس این، اتصالات قاب‌های بتن مسلح در نواحی بحرانی تعیین می‌شوند و تحت تأثیر اثرات مختلفی همانند نیروی برشی زیاد و اثر چسبندگی-لغزش قرار می‌گیرند، از این رو این اتصالات به مدلسازی دقیق‌تر نیاز دارند. براساس روشی دیگر، رفتارهای هر کدام از المان‌های اتصالی، تیر و ستون تفکیک می‌شوند. فنر دورانی با طول صفر یک چنین المان اتصالی است. در این نوع مدلسازی، اثر تغییرشکل برشی با استفاده از یک فنر درنظر گرفته می‌شود که رفتار حاکم آن خمشی-دورانی است. در نوعی دیگر، همانند روش قبلی، 2 فنر در مدلسازی اتصال بکار می‌روند. در یک فنر، اثر تغییرشکل برشی لحاظ می‌شود و در دیگری اثر تغییرشکل برشی ناشی از لغزش آرماتور منظور می‌گردد. به منظور کالیبره کردن چنین المان‌های اتصالی، نتایج آزمایشگاهی یا روابط تخمینی نیرو-تغییرشکل در اتصالات باید بکار روند، اما محاسبه‌ی دقیق چنین روابطی آسان نیست به ویژه در سازه‌هایی که از تعداد زیادی از انواع المان‌های اتصالی برخوردارند. افزون براین، در چنین مواردی، فاکتورهای مختلف مؤثر بر رفتار غیرخطی اتصالات تفکیک نمی‌شوند اما بطور کلی در این مدل‌ها بکار گرفته می‌شوند. در برخی روش‌های جدیدتر، المان‌های اتصالی به صورت صفحات دوبعدی مدلسازی می‌شوند، اما برای بکارگیری چنین المان‌هایی در امتداد المان‌های تیر-ستون مجاور در مونتاژ کردن کل قاب بتن مسلح، المان‌های موقتی نیز استفاده می‌شوند تا ارتباطی بین درجات آزادی صفحه اتصال و المان‌های خطی مجاورش بوجود آید. چنین المان‌هایی معمولاً روابط دوبعدی داشته و توانایی مدلسازی جداگانه‌ی رفتار بتن و آرماتورها و اندرکنش بین آنها را دارند. این المان‌ها با این حال همانند روش‌های المان محدود زمان مدلسازی و محاسبات را افزایش می‌دهند. علاوه براین، زمانی که لازم است به درجات آزادی بتن و آرماتورها در المان اتصالی با درجات آزادی متناظر در المان‌های تیر-ستون خطی مجاور مطابقت داشته باشند، این نوع مدلسازی محدودیت‌های خودش را دارد. نوع دیگر المان اتصالی با کردآوری یک سری قطعات یک بعدی ساخته می‌شود که برای مدل سازی رفتار غالب در اتصالات المان بکار می‌روند و کالیبراسیون آنها از طریق نتایج آزمایشگاهی انجام می‌گیرد. این نوع مدلسازی به رفتار نیرو-تغییرشکل هر قطعه مؤثر متکی است و چون روابط نیرو-تغییرشکل بطور تقریبی محاسبه می‌شوند، چنین مدلسازی دقتی کامل نخواهد شد و به فرآیند کالیبراسیون قوی‌ای نیاز خواهد شد. لیمکاتانیو (2000) یک المان اتصالی داخلی را براساس تفکیک درجات آزادی آرماتورهایی که از داخل اتصالات عبور می‌کردند و بتن معرفی کرد. هرچند این المان می‌تواند اندرکنش بین بتن و آرماتورها را به شکل بسیار خوبی مدل کند، اما دقت ندارد زیرا از پیش درجات آزادی مشابهی برای هر 4 وجه پیرامون المان اتصالی فرض می‌گیرد و تغییرشکل برشی صفحات اتصال را نادیده می‌گیرد. نکته مهم دیگر در مورد انواع مدل‌های موجود این است که اغلب آنها برای مطالعه‌ی اتصالات در محل‌های مختلف قاب قابل استفاده نیستند. بنابراین، اغلب آنها برای تنها یکی از محل‌های داخلی، خارجی یا کنج مفیدند. در مطالعه حاضر، المان تیر-ستون با لیمکاتانیو و اسپاسون برای مدلسازی المان‌های تیر و ستون بکار گرفته شد زیرا المان از دقت خوبی برخوردار است و اندرکنش بین بتن و آرماتورها را درنظر می‌گیرد. یک المان اتصالی نیز تعریف و استفاده می‌شود که علاوه بر انعطاف پذیری‌اش در مدلسازی انواع مختلف المان‌های اتصالی مانند شالوده داخلی، خارجی و کنج می‌تواند با المان تیر-ستون فوقانی مونتاژ شود. علاوه براین، این مدلسازی فاکتورهایی همچون اثر چسبندگی-لغزش بین آرماتورهایی که از اتصالات عبور می‌کنند، اثر بیرون کشیدگی آرماتورهایی که در داخل اتصالات مقید می‌شوند، رفتار غیرخطی مصالح و اثر برش-تغییرشکل املان های مختلف تیر-ستون را درنظر می‌گیرد. مدلسازی معرفی شده به راحتی قابل استفاده است. برای مدل کردن المان‌های اتصالی، یک سازوکار بیرون کشیدگی، یک المان فرعی بتن مسلح و یک المان فرعی بتنی ابتدا به عنوان بخش‌های تشکیل دهنده‌ی المان اتصال بتن مسلح تعریف می‌شوند. این بخش‌ها سپس مونتاژ می‌شوند تا 4 نوع المان اتصالی را بوجود آورند تا در کنار المان‌های تیر-ستون در مدلسازی قاب‌های قاب خمشی بتن مسلح بکار گرفته شوند. جهت سادگی، RCF، RCMRF، BCE، JE، RSCE و CSE در متن بجای قاب بتن مسلح، قاب خمشی بتن مسلح، المان تیر-ستون، المان اتصالی، المان فرعی بتن مسلح و المان فرعی بتنی به ترتیب بکار می‌روند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

In this research, based on a nonlinear analysis of reinforced concrete moment-resisting frames, the bondslip effect between concrete and bars along the lengths of beam, column, and joint elements was applied to numerical equations. The governing theory in the numerical equations was similar to that of the fiber model, but the perfect bond assumption between the concrete and bar was removed. The precision of the proposed method in considering the real nonlinear behavior of reinforced concrete frames was compared to the precision of other suggested methods for considering the bond-slip effect in fiber model analysis. Among the capabilities of this method are its ability of modeling the embedded lengths of bars within joints and nonlinear modeling of bond-slip. The precision of the analytical results were compared with the experimental results achieved from 2 specimens under cyclic loading. The comparison showed that the proposed method can model the nonlinear behavior of reinforced concrete frames with very good precision.

Key Words: Bond-slip effect, pull-out effect, cyclic analysis, RC frames

Introduction

Many analytical models have been devised for the nonlinear analysis of reinforced concrete (RC) frames. Although 2-dimensional and 3-dimensional modeling in a finite element method can make for more accurate analysis, it considerably increases the expense and time of analysis. Therefore, such methods are typically used for modeling structural parts while easier methods are utilized for the full modeling of structures. The one-component model of Clough et al. (1965) is one of the simple models used for nonlinear analysis of RC frames. Various models with concentrated plasticity (Brancaleoni et al., 1983) were presented later and a more accurate description of the nonlinear behavior of the elements of RC frames became available through models with distributed plasticity (Soleimani et al., 1979). Other models (Filippou et al., 1992), including multispring models that use subelements, were devised. One of the most commonly used methods is the fiber model. In this method, an element is divided into a number of concrete and steel fiber lengths, and the element section specifications are worked out by adding up the effects of the fibers’ behavior. This method assumes a perfect bond between concrete and bar (Spacone et al., 1996; Mazars et al, 2006), but this assumption is not very appropriate or realistic and causes a considerable difference between analytical and experimental results (Kwak and Kim, 2006). Belarbi and Hsu (1994), as well as Kwak and Kim (2002), made use of the fiber method, but in order to modify it and reduce the error of analysis resulting from the perfect bond assumption, they modified the stress-strain behavior of the bars. In this way, they drew on an equivalent method. Limkatanyu and Spacone (2002a) used the fiber model but removed the perfect bond assumption. In order to achieve this, they differentiated between the degrees of freedom of the concrete and of the bars in the beam-column elements. This modified method was used for beam-column elements in the present study, but for modeling RC frames, a joint element is also needed. What matters is the compatibility and assimilability of joint elements with beam-column elements. In initial methods of nonlinear analysis of RC frames, the nonlinear effect of beamcolumn joints is considered using calibration of plastic hinges within adjacent beam-column elements (Otani, 1974). In such a situation, the joint element is not modeled separately, but rather its effect on the adjacent elements is considered. From there, the joints of RC frames are located in critical zones and they are affected by different effects such as high shear force and the bond-slip effect, so the joints need more precise modeling (Lee et al., 2009). Based on another approach, the behaviors of each of the elements of joint, beam, and column are separated. The zero-length rotational spring is one such joint element (Alath and Kunnath, 1995). In this kind of modeling, the effect of shear deformation is considered using a spring whose governing behavior is moment-rotation. In another type, as in the previous approach, 2 springs are used in the joint modeling. In one spring, the effect of shear deformation is taken into account, and in the other, the effect of deformation resulting from bar slip is taken into account (Biddah and Ghobarah, 1999). In order to calibrate such joint elements, experimental results or estimated force-deformation relationships at the joints should be used, but a precise calculation of such relationships is not easy, especially in structures that enjoy a high multiplicity of joint element types. Moreover, in such cases, various factors affecting the nonlinear behavior of joints are not separated but are generally applied in the models. In some newer methods, joint elements are modeled as 2- dimensional planes, but in order to use such elements along with adjacent beam-column elements in assembling the whole of the RC frame, transient elements are also utilized so that there will be a connection between the degrees of freedom of joint plane and of adjacent linear elements (Elmorsi et al., 2000). Such elements typically have 2-dimensional formulations and are capable of separately modeling the behavior of concrete and bars and the interactions between them. These elements, however, like finite element methods, increase the modeling time and the amount of calculations. Furthermore, when there is a need for the degrees of freedom of the concrete and bars in the joint element to be compatible with the corresponding degrees of freedom in the adjacent linear beam-column elements, this type of modeling has its own limitations. Another type of joint element is created by assembling a series of one-dimensional components that are used for modeling the dominant behavior of joint elements and whose calibration is carried out through experimental results (Lowes et al., 2004). This kind of modeling relies on the behavior of force deformation for each effective component, and because force-deformation relations are calculated approximately, such modeling will not be completely precise and will need a strong calibration process. Limkatanyu (2000) introduced an interior joint element based on the separation of the degrees of freedom of bars going through the joints and concrete. Although this element can model the interaction between concrete and bars very well, it loses precision because it presupposes identical degrees of freedom for all 4 sides around the joint element and ignores the shear deformation of joint planes. Another important point about the existing types of models is that most of them cannot be used for studying joints in different frame locations. Thus, most of them are useful for only one of various interior, exterior, or corner locations. In the present study, the beam-column element introduced by Limkatanyu and Spacone (2002a) was used for modeling beam and column elements since it enjoys good precision and includes the interaction between the concrete and bars (Limkatanyu and Spacone, 2002b). A joint element was also defined and used, which, in addition to its flexibility in modeling different types of joint elements such as interior, exterior, corner, and footing, is capable of being assembled with the above beam-column element. Moreover, this modeling takes into consideration such factors as the bond-slip effect between the bars that pass through joints, the pull-out effect of bars that are restrained within joints, the nonlinear behavior of materials, and the shear-deformation effect of different beam-column elements. The introduced modeling is easy to use. In order to model the joint elements, a pull-out mechanism, an RC subelement, and a concrete subelement were first defined as the composing parts of the RC joint element. These parts were then assembled to produce 4 types of joint elements to be used along with beam-column elements in the modeling of RC moment-resisting frames. For simplicity’s sake, RCF, RCMRF, BCE, JE, RCSE, and CSE are used in the text instead of reinforced concrete frame, reinforced concrete moment-resisting frame, beam-column element, joint element, reinforced concrete subelement, and concrete subelement, respectively.