امروز به این پرسش می‌پردازیم که آیا جغرافیا تنها به یک منطقه‌ی زلزله‌خیز محدود است؟

پس از بررسی منطقه‌ی زلزله‌خیز، خواص مواد پلیمر تقویت‌شده با الیاف شیشه (GFRP) را تحلیل خواهیم کرد.

از یک سو، این ماده مزایایی همچون مقاومت بالا، مقاومت در برابر خوردگی، وزن کم و دوام زیاد دارد.

از سوی دیگر، محدودیت‌هایی نیز دارد، از جمله رفتار ترد، سختی پایین و کارایی کمتر، که استفاده از آن را در مناطق زلزله‌خیز، به‌ویژه در سازه‌هایی که برای اتلاف انرژی طراحی می‌شوند، تحت تأثیر قرار می‌دهد.

برای رفع این چالش، کار تحقیقاتی گروه خود را ارائه می‌دهم و یک مقطع ترکیبی نوآورانه را پیشنهاد می‌کنم.

پس از مرحله‌ی طراحی اولیه، بر روی تیر تمرکز کردیم و آن را با سه روش مختلف طراحی نمودیم که یکی از آن‌ها ترکیبی است.

سپس، این تیر با استفاده از روش‌های اجزای محدود و روش‌های تحلیلی مورد بررسی قرار گرفت، که به‌زودی به آن خواهیم پرداخت.

مطالعه‌ی موردی ما شامل یک قاب مقاوم در برابر زلزله در ساختمان‌های مسکونی است که به‌طور منظم در پلان و ارتفاع طراحی شده و مطابق با مقررات نیروی کار و خطرات لرزه‌ای منطقه طراحی شده است، از جمله اولویت‌های طراحی لرزه‌ای بر اساس Asce 7.

پس از تکمیل مرحله‌ی طراحی قاب، بر روی تیری که در شکل مشخص شده تمرکز کردیم.

انتخاب این تیر به دلیل قرارگیری بیشتر آن در معرض عوامل محیطی نسبت به تیرهای داخلی ساختمان و همچنین تحمل بارهای بیشتر نسبت به تیرهای طبقات دیگر بوده است.

این تیر با سه روش مختلف طراحی شده است:

• مقطع بتن مسلح با استفاده از میلگردهای فولادی معمولی مطابق با استاندارد ACI 318.

• همان مقطع با همان ظرفیت خمشی اما با میلگردهای کامپوزیتیGFRP مطابق با استاندارد ACI 414.

• مقطع ترکیبی نوآورانه که دارای همان مقطع و ظرفیت خمشی است، اما از ویژگی‌های مواد مختلف در این مقطع حداکثر بهره را می‌برد.

در این روش، میلگردهای GFRP در نواحی خاصی از مقطع قرار می‌گیرند و میلگردهای فولادی طولی در بخش‌های داخلی مقطع به کار می‌روند.

استفاده از این ترکیب باعث می‌شود که پوشش بتن نسبت به مقاطع فولادی معمولی دو برابر شود و در نتیجه، دوام و شکل‌پذیری مقطع بهبود یابد.

رویکرد طراحی مطابق با استانداردهای موجود انجام شد، اما برخی تنظیمات برای ترکیب این دو مصالح در مقطع اعمال گردید.

این روش با هدف بهبود پایداری و دوام سازه‌های بتن مسلح اجرا شده است.

در این طراحی، از استاندارد ACI 414 برای عناصر مسلح‌شده با GFRP و از استاندارد ACI 318 برای عناصر مسلح‌شده با فولاد پیروی شده است، با این تفاوت که برخی اصلاحات و انتخاب‌های لازم برای در نظر گرفتن این مقطع ترکیبی نوآورانه انجام شده است، به‌ویژه در رابطه با ضریب کاهش مقاومت برای مقاطع کنترل‌شده توسط کشش.

ضریب کاهش مقاومت و تأثیر آن در طراحی مقاطع ترکیبی

کد طراحی فعلی مقدار 0.55 را برای عنصری که فقط با GFRP مسلح شده است و مقدار 0.9 را برای عنصری که فقط با فولاد مسلح شده است، پیشنهاد می‌کند.

مقدار پایین‌تر برای GFRP نشان‌دهنده‌ی رفتار شکننده‌ی آن و کاهش قابل توجه ظرفیت اضافی در مرحله‌ی طراحی است.

با این حال، در مقطع ترکیبی، افزودن فولاد باعث جبران عدم شکل‌پذیری GFRP می‌شود.

به همین دلیل، ما پیشنهاد می‌کنیم که از مقدار پیشنهادی ACI 318 برای عنصر مسلح‌شده با فولاد استفاده شود.

اتخاذ ضریب کاهش مقاومت فولاد برای مقاطع تحت کنترل کشش به این معنی است که الزامات کرنش مرجع، حداقل آرماتور، سطح مقطع و نسبت آرماتور تعادلی مشابه با فولاد در نظر گرفته شوند.

برای اطمینان، جزئیات این انتخاب را بررسی نخواهیم کرد، اما در مورد مقاومت برشی، پیشنهاد ما این است که تنها مشارکت بتن و خاموت‌های GFRP در نظر گرفته شود.

این یک روش محافظه‌کارانه است، زیرا در حال حاضر مدل‌های معتبری در ادبیات علمی برای ارزیابی ظرفیت این سیستم ترکیبی نوآورانه با خاموت‌های دو لایه و ساخته‌شده از دو ماده‌ی مختلف وجود ندارد.

در مورد مشارکت بتن در مقاومت برشی، فرمول‌های پیشنهادی در کد فعلی بسته به ضریب کاهش مقاومت مرتبط با GFRP متفاوت هستند.

دلیل این کاهش، مدول الاستیسیته‌ی پایین‌تر GFRP است که منجر به تغییر شکل و ترک‌خوردگی بیشتر در اعضای مسلح‌شده با GFRP می‌شود و این ترک‌ها مقاومت برشی این عناصر را کاهش می‌دهند.

با این حال، در مقاطع ترکیبی، افزودن فولاد در بخش داخلی مقطع، سختی عنصر را بهبود می‌بخشد و پاسخی مشابه با عناصر مسلح‌شده با فولاد ایجاد می‌کند.

به همین دلیل، ما پیشنهاد می‌کنیم که از فرمول پیشنهادی ACI 318 برای عنصر مسلح‌شده با فولاد استفاده شود.

رویکرد پیشنهادی در اینجا خلاصه شده است و با شبیه‌سازی‌های عددی بیشتر و آزمایش‌های تجربی مورد اعتبارسنجی قرار خواهد گرفت.

جزئیات بیشتر درباره‌ی این رویکرد در مقاله‌ای که در حال بررسی است، موجود خواهد بود.

این روش منجر به طراحی سه تیر مختلف با همان مقطع عرضی و ظرفیت خمشی یکسان می‌شود که مطابق با الزامات مورد انتظار در کد طراحی خواهد بود.


به طور خاص، برای آرماتور فولادی، طراحی مطابق با ACI 318 (شامل الزامات لرزه‌ای) و برای آرماتور GFRP، مطابق با ACI 414 انجام شده است.

طراحی تیر مورد بررسی، در منطقه لرزه‌خیز از طریق یوروکد 8 تأیید شده است.

کد آمریکایی عمدتاً بررسی‌های لازم برای مناطق لرزه‌خیز را تنها از نظر ابعاد و مقدار آرماتور مشخص می‌کند، در حالی که یوروکد 8 شامل بررسی شکل‌پذیری محلی بر اساس انحنای مقطع است.

نیاز لرزه‌ای با فرض معادل‌سازی بین ضریب رفتار از یوروکد 8 و ضریب اصلاح پاسخ و ضریب اهمیت از ASC 7 ارزیابی شد.

این نیاز لرزه‌ای وابسته به ویژگی‌های سازه و محل قرارگیری در منطقه لرزه‌خیز است، در حالی که ظرفیت سازه طبق یوروکد 8 به عنوان نسبت انحنای نهایی به انحنای تسلیم مورد بررسی قرار گرفت.

در این مطالعه‌ی موردی، این ظرفیت از طریق روش‌های فایبر و روش اجزای محدود ارزیابی شد.


به‌طور خاص، برای تحلیل مقطع، ویژگی‌های مواد در این شکل نشان داده شده‌اند.

در اینجا، تحلیل مقطع بخش هیبریدی را ارائه می‌دهیم که با تعیین تعادل انحنا در حالت‌های حدی مختلف، از جمله تسلیم فولاد، حد الاستیک کرنش بتن (برای بتن محصور و غیر محصور) و کرنش نهایی بتن، ارزیابی شده است.

بدیهی است که این تحلیل مقطع برای تمامی تیرهای طراحی‌شده انجام شده و نتایج به‌صورت منحنی‌های لنگر-انحنا نمایش داده شده‌اند.

این منحنی‌ها نشان می‌دهند که مقطع هیبریدی از نظر ظرفیت و انحنای نهایی، عملکردی مشابه مقطع فولادی دارد.

با این حال، سختی مقطع هیبریدی در مقایسه با مقطع فولادی کمتر است و همچنین انحنای نهایی آن نسبت به مقطع فولادی کاهش بیشتری دارد.

این مسئله به دلیل مدول الاستیسیته پایین‌تر میلگردهای GFRP و کرنش نهایی بیشتر آن در مقایسه با مقطع فولادی است.

اما همان‌طور که در جدول نشان داده‌ام، مقطع هیبریدی و مقطع فولادی از نظر شکل‌پذیری محلی برای مناطق با خطر لرزه‌ای بالا، مطابق با الزامات یوروکد 8 هستند.

در مقابل، همان‌طور که انتظار می‌رفت، مقطعی که تنها با GFRP تقویت شده است، شکل‌پذیری محدودی داشته و مطابق با الزامات یوروکد، برای مناطق لرزه‌خیز نامناسب است.

تحلیل مقطع از طریق مدل‌سازی اجزای محدود با استفاده از نرم‌افزار OpenSees و با به‌کارگیری روش فایبر برای در نظر گرفتن مواد مختلف موجود در روش فایبر (بتن محصور و غیر محصور، فولاد و GFRP)، مورد اعتبارسنجی قرار گرفت.

ویژگی‌های مواد به کار رفته در نرم‌افزار در شکل نشان داده شده‌اند و تحلیل از طریق تحلیل استاتیکی افزایشی با کنترل جابجایی انجام شده است.

نتایج به‌صورت منحنی‌های لنگر-انحنا ارائه شده و با نتایج حاصل از تحلیل مقطع مطابقت دارند.

به‌طور خاص، از نظر ظرفیت و شکل‌پذیری، مقدار به‌دست‌آمده کمتر از ۱۰٪ با نتایج تحلیل فایبر تفاوت دارد و هر دو روش تأیید می‌کنند که مقطع هیبریدی برای مناطق لرزه‌خیز، مطابق با الزامات یوروکد 8 است.

تفاوت بین دو ماده و دو مدل از نظر مقاومت، به دلیل رفتار متفاوت و ویژگی‌های مواد در نرم‌افزار، به‌ویژه تفاوت بین مقادیر طراحی و میانگین مقادیر ویژگی‌های مواد ایجاد شده است.

بدیهی است که اگر ویژگی‌های مواد یکسان باشند، دو مدل با یکدیگر تطابق دارند.

با توجه به این نتایج، می‌توان تأیید کرد که استفاده از GFRP محدود به مناطق غیر لرزه‌خیز نیست.

هر دو روش، مناسب‌بودن مقطع هیبریدی برای مناطق لرزه‌خیز مطابق با الزامات یوروکد 8 را نشان می‌دهند.

مقطع هیبریدی از نظر مقاومت و شکل‌پذیری، عملکردی مشابه مقطع فولادی دارد و شکل‌پذیری آن به طور قابل توجهی در مقایسه با تیر تقویت‌شده تنها با GFRP بهبود یافته است.

آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی فایبر دقیق‌تر، گام بعدی این پژوهش خواهد بود.