«——【·前言·】——»
由于人口的快速增长,混凝土结构在沙特阿拉伯越来越受欢迎,建造了大量的混凝土建筑,以满足不断增长的人口需要,在过去的50年里,沙特阿拉伯的混凝土设计和制造一直在增长。
具体的设计在沙特的经济中起着重要的作用,随着技术的发展,现在可以使用最先进的计算机软件和技术来分析和设计完整的建筑模型。
在设计结构时,不仅需要考虑结构的死载荷和活载荷,还需要面对各种类型的载荷,需要考虑许多其他因素,可能包括剪力墙的位置、地震力、风荷载、地下的相互作用和建筑的几何形状。
一个工程师不应该只考虑自重,居住在建筑物内的机器、家具和电器的负担,但也应该考虑建筑物在他的余生中应该面临的侧向力的程度。
在这方面,地震力发挥着至关重要的作用,大多数钢筋混凝土结构由于较高的自重而极易受到地震的影响,并且在过去的中表现出较高的破坏性。
地震是造成钢筋混凝土建筑物破坏的主要原因之一,结构失效不仅局限于结构,还包括建筑的管道、管道系统、空调和电气系统的失效。
因此不应孤立地考虑该结构,因为它也会影响其周围环境,并可能在重大破坏中发挥重要作用。
为了解决这个问题,许多研究人员为使钢筋混凝土结构在地震期间的稳定和安全做出了贡献。
Ashour和Rahman 对沙特阿拉伯西部地区进行了地震风险分析,发现东部地区很容易发生地震,艾哈迈德·雅库特对沙特阿拉伯现有的钢筋混凝土结构进行了地震评估。
Sadek和Sobaih对非对称结构进行了非弹性分析,卡拉扬尼斯等人确定了在强地震力下填充钢筋混凝土框架的梁-柱接头的退化。
Luca等人使用欧洲代码对各种遗产结构进行了评估,Lee和Woo评估了3层钢筋混凝土建筑结构的地震性能,在这方面最值得注意的工作是由Shuaraim等人完成的,他在沙特建筑规范中提出了地震建筑的规定。
舒拉伊姆还对钢筋混凝土框架结构进行了可推分析,以检查这些结构的充分性,阿什拉夫·哈比布拉和斯蒂芬·派尔对结构进行了实用的三维推进分析,而陈和邹在后来的负载下优化了漂移设计。
Dhileep等人对高地震力作用下的建筑进行了模态分析,和惠特克等人评估了结构地震设计中的位移响应。
文献综述,我们发现很少有研究人员努力确定钢筋混凝土框架结构中剪力壁的最佳位置。
«——【·建筑模型详细信息·】——»
正在考虑的结构是位于利雅得的苏谋房地产有限公司的新建筑,该结构必须被用作住宅建筑。
图1显示了该建筑的平面视图,这座建筑由七层楼组成,每层都高3.1米。
在建筑中使用了两个剪力墙来抵抗风和地震荷载产生的水平力,该建筑的面积为46.98米,×,18.70米。
建筑在每个方向上的最大跨度不超过6.7米,该建筑的梁状框架和柱状框架布局如图1所示。除一层的天花板高度为4.0米外,该建筑共有7层楼高,平均层高为3.1米。
表1和表2显示了本研究中使用的构件的材料和几何特性,在研究中使用了两种不同大小的柱。
从地面层到第三层的柱的尺寸为700 mm×350 mm,而从第四层到第七层的柱尺寸保持为600 mm×300 mm,如表1所示。
每一柱携带12个沿柱的外围均匀分布的钢筋,本研究采用了两种不同尺寸的梁(梁1和梁2),并根据梁的跨度和位置提供了研究。
厚度、板和剪力墙保持在200 mm,梁和柱的透明覆盖层保持在40 mm,板和墙保持在20 mm。
表2给出了用于建筑建模的材料特性,所有钢筋混凝土的28天强度均保持为28 MPa结构成员。
考虑到梁、柱、板和墙中用于弯曲和剪切的所有钢筋的屈服强度均为420 MPa,混凝土的弹性模量和剪切模量分别为25742MPa和11193MPa。
同样,毒性比、热系数、土壤剖面类型和建筑重要性类别因子的值见表2。
已计算出了楼板的死载荷,并根据UBC-97和ACI-318-14代码确定了所需的密度和分区载荷值。
采用ACI-318规范确定双向固体板系统的板厚度,此外地砖、水管、空调和其他抵押品也被考虑。
根据沙特建筑规范(SBC)的规定,公共房间的活负荷值为5.0 kN/m2,而停车、灌装库和私人房间的活负荷值为3.0 kN/m2,分别为5.0 kN/m2和2.0 kN/m2。
对于最顶部的屋顶,考虑进入条件的活负载值为2.0 kN/m2,考虑了暖通空调设备的活负载值为5.0 kN/m2。
这种荷载取决于许多因素,如区域因子、占用重要性因子、X和Y方向的响应修正因子(R)以及土壤类型,以确定ETABS的地震荷载。
R因子代表了所考虑的建筑侧向抗力系统固有的超强度和整体延性能力。
对于坚固和韧性的建筑框架,R的值相对较高,重要性因素是根据结构的重要性来决定的,对于正常结构或普通结构,I的值取为1.0。
对于核电站、医院、学校等重要建筑,I的值将大于1.0。
统一建筑规范已被用于寻找区域因子、响应修正因子(R)和占用重要因子。
表2给出了在X和Y方向上使用的Rw值。考虑了钢筋混凝土结构的C型土壤轮廓线的时间周期常数为0.03。
根据UBC-97计算了建筑物的风荷载。利雅得地区155公里/小时的风速。
所有混凝土框架构件均按照ACI318-14设计规范进行设计,材料强度符合ASTM(美国材料测试标准)标准,活荷载根据SBC(沙特建筑规范)确定,根据UBC-97计算了建筑物的风荷载和地震荷载。
利用结构分析程序建立了建筑物的计算机模型,采用有限元法求解器来计算建筑物的响应。为了观察剪力墙对针对建筑模型,编制了四种类型的建筑模型。
图2显示了在不同位置承载剪力墙的三维模型,基于剪力墙,本研究考虑了四种不同的情况。
案例1:没有考虑剪力墙,并在没有剪力墙的情况下监测建筑响应,如图2(a).所示
案例2:认为两个剪力墙靠近建筑的几何质心,其质心和刚度心之间的偏心最小,如图2(b).所示。
案例3:两个剪力墙的总刚度均匀分布在建筑物的所有四个面上,如图2(c).所示。
案例4:两个剪力墙位于建筑的两个相对角,位置如图2(d).所示。
除地震带外,该建筑的每个案例都有恒定的参数,根据UBC-97的地震带,每个案例都受到不同的地震力的作用。
这些区域从轻微的地震1到地震4区最危险的地震力量不等。表3给出了本研究所考虑的地震带及其分区因素。
区域1的力非常小,没有显著的影响,这就是为什么要考虑从区域2到区域4的力。
«——【·结果和讨论·】——»
这部分包括建筑结构在EQX方向受到地震力时的结果,结果以层高度与位移曲线的形式表示。
位移的参考点是a点下的建筑角,分析确保了结构在上述建筑规范给出的允许范围内保持稳定。
图3(a)-(d)显示了每种情况下相对于楼层高度的最大位移,图3(a)为建筑物内无剪力墙时,不同地震带下建筑模型的位移剖面。
该建筑的响应类似于SDOF(单自由度系统),当对2A、2B和3区施加力时,没有观察到建筑物位移的显著变化。
在第4区,可以观察到建筑的位移显著增加,这些位移对应于结构的非线性行为,在达到6米高度时,2A、2B和3区的位移值相似,但在这个高度之后,这些值就开始出现偏差,直到建筑物的最大高度。
23.9 mm、39.5 mm、34.7 mm和71.9 mm是2A、2B区海拔21.5 m、分别是3和4,图3(b)显示了当剪力墙靠近几何质心或建筑中心时,建筑的位移轮廓(案例2)。
通过提供图2所示的建筑剪力墙,大大降低了各层层面上的层位移,2A、2B、3和4区的峰值位移分别为6.8 mm、14.9 mm、24.4 mm和29.5 mm。
当建筑物中提供剪力墙时,根据地震带,观察到位移约4到6次减少。
这表明,剪力墙照顾了大部分的侧向力,我们还观察到,在这个案例-2中,位移的增加与带向力的增加成正比,如图3(b).所示图3(c)显示了案例3中剪力墙分布时的位移剖面,如图2(c).所示。
2A、2B、3和4区的峰值位移值分别为19 mm、20.6 mm、29.7 mm和56.4 mm,在这种情况下,位移值与情况1相比减少,但这些值仍然高于案例2的位移值。
案例2在4区的最大位移为24.4 mm,小于案例3的位移的一半,与案例1和案例2一样,该建筑的响应是SDOF系统。
当力从2A区增加到2B区时,位移没有明显增加,如图3(c).所示图3:(d)显示了在案例3中,当剪力墙位于建筑的两个相对角时,建筑在各楼层的位移剖面,如图2(d).所示。
在这种情况下,我们观察到不同的结构响应行为,直到层高达到18.0m,3区力比4区力表现出更多的位移。
除此之外,这些位移与地震力成正比,2A、2B、3和4区的峰值位移值分别为14.9 mm、25.7 mm、40.3 mm和44.8 mm,我们还观察到,3区和4区的位移差异远低于病例1区和2区的相应差异。
在角落A的(X)和(Y)方向和分别如图4(a)和图4(b)所示,图4(a)和图4(b)分别显示了在x向和y向作用的地震力在不同区域因素下的最大位移。
这些绘制的位移是当建筑物在特定区域因素下受到地震力时,在每个情况下的点A处获得的最大值。图4(a)显示,案例1(无剪力墙)显示了每个应用区域系数下的最大位移值。
在例1的区域因子4处发现的最大位移为71.9 mm,当剪力墙位于建筑的几何中心附近,如案例2,这个位移最小。
同样,在第4区发现的最大位移为29.5毫米,但该值明显小于例1的相应值,例3的结构反应优于例1和例4,但并不优于例2。
案例3显示,在区域系数为0.4时的最大位移为56.4 mm,甚至大于案例4。当剪力墙位于建筑物的两个相对角落时(案例4),仅对区域1和区域4的位移响应优于案例3。
但是,在第3区,位移甚至比所有的病例都要高,这可能是由于由于建筑的刚度和质心的偏心度而产生的扭转力的爆发。
图4(b)显示了当地震力在y方向(EQY)上施加时,建筑模型的光谱响应。建筑模型的总体响应与EQX相似。
案例1(无剪力墙)的位移值最高,但这些位移值高于EQX方向上相应的位移值。与EQX方向一样,案例2(位于质心附近的剪力壁)表现出最好的性能,位移值明显低于案例1。
当向Y方向施加地震力时,情况-3的结构行为没有显著改善。
当剪力壁位于两个相对的角时(情况4),观察到相对更好的响应,特别是在区域1和4,如图4(b).所示。
«——【·结论·】——»
通过对试验结果的分析,发现在地震事件中,建筑物中剪力墙的存在对减少位移和抵抗地震力起着至关重要的作用。
然而,它需要仔细地分析和理解剪力墙的位置,建筑几何学起着重要的作用。当在建筑的相反角落设置剪力墙的存在,对EQY方向的影响甚至没有影响。
随着建筑刚度中心的变化和质心偏心的增加,可能产生扭转效应,甚至剪力墙的存在对建筑的性能没有影响甚至不利影响。
另一个重要的参数是建筑物的振动方式,在所有情况下,建筑都作为一个单一自由度振荡系统振动。
当剪力墙位于建筑中心附近时,与没有剪力墙存在时的案例1相比,位移减少了4到6倍。在EQX的情况下,对情况3和情况4观察到不同的位移响应行为,即使是剪力壁的存在也不能对恢复结构位移有很大的贡献。
在小位移范围内,所有情况下的结构响应都是线性的,但对于较高的地震力,结构响应呈非线性变化。
它促使人们研究材料在非弹性范围内时的结构失效前的坍塌行为,以及由于永久变形而引起的结构几何变形。
目前的研究涉及的是建筑的特定给定几何形状,非常接近常规的,然而需要在未来的研究中进一步探索不规则的建筑形状,这在丰后的建筑设计中越来越受欢迎。