بررسی و مقایسه قابلیت روش های المان محدود و المان مجزا برای پیش بینی رفتار داخل صفحه‌ی دیوار بنایی غیر مسلح

عالی جهان, مهرداد; زمانی اهری, غلامرضا

doi:10.22065/jsce.2021.262722.2314

بررسی و مقایسه قابلیت روش های المان محدود و المان مجزا برای پیش بینی رفتار داخل صفحه‌ی دیوار بنایی غیر مسلح

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ گروه مهندسی عمران، دانشکده ی فنی مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

² عضو هیات علمی / دانشگاه ارومیه

10.22065/jsce.2021.262722.2314

چکیده

به طور کلی سازه‌های بنایی از نظر اتصال بین اجزا به دو دسته تقسیم می‌شوند: سازه بنایی بدون ملات که به آن اتصال خشک اطلاق می شود و سازه‌هایی که از ملات جهت اتصال اجزای متشکله با یکدیگر استفاده می‌شود. در اثر شرایط محیطی، وقتی که ملات طی گذر زمان چسبندگی خود را از دست می‌دهد، اجزای تشکیل‌دهنده‌ی دیوار را می‌توان به صورت مجزا از هم در نظر گرفت. عملکرد ضعیف سازه‌های بنایی، منجربه شکست و خرابی تعداد قابل توجهی از این سازه‌ها حتی در زلزله‌های متوسط می‌شود. به ویژه، شکست درون‌صفحه‌ای در دیوارهای سازه‌های بنایی بسیار مشهود است. نتایج تحقیقات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که حالت شکست برشی در بارگذاری جانبی بسیار محتمل است. یکی از ویژگی‌های این حالت شکست، توانایی مقاومت در برابر نیروی برشی زیاد و قابلیت شکل‌پذیری کم‌ است که منجربه شکست ترد در دیوار می‌شود. مطالعات عددی پیشین بر روی سازه‌های بنایی به طور عمده بر اساس روش اجزای محدود بوده که در آن اجزای دیوار به صورت المان‌های پیوسته‌ در نظر گرفته می‌شوند و در عمل، رفتار محلی بخش‌های تشکیل‌دهنده‌ی دیوارها نادیده گرفته شده و باعث می‌شود عملکرد آنها به درستی درک نشود. دراین مقاله، ابتدا مشخصات نمونه‌‌های دیوار بنایی غیر مسلح براساس نتایج بدست آمده از آزمایش‌های قبلی، تعیین شده و سپس مدل‌های عددی با استفاده از دو نرم افزار ABAQUS (نرم‌افزار المان محدود) و 3DEC (نرم‌افزار المان گسسته) کالیبره شده و مورد تحلیل قرار گرفتند. در ادامه، نمودار رفتاری دیوارها با مشخصات مختلف تحت شرایط بارگذاری متفاوت استخراج گردیدند. در نهایت، مقایسه جامعی میان نتایج حاصله از روش‌های اجزای گسسته و اجزای محدود ارائه شد. در نهایت چنین نتیجه گیری شد که رویکرد اجزای گسسته پیش‌بینی دقیق‌تری از دیوارهای بنایی غیر مسلح نسبت به اجزای محدود ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

تحلیل، طراحی و اجرای سازه های مصالح بنایی

عنوان مقاله [English]

Evaluation and Comparison of Capability of Finite Element and Discrete Element Methods for Predicting In-plane Behavior of Unreinforced Masonry Wall

نویسندگان [English]

Mehrdad Aalijahan ¹
Gholamreza Zamani Ahari ²

¹ Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering , Urmia University, Urmia, Iran

² Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Urmia University / Assistant Professor

چکیده [English]

In general, masonry structures are divided into two categories in terms of the connection between components: mortar-free masonry, which is called dry joint, and structures that use mortar to connect the components. Due to environmental conditions, when the mortar loses its adhesion over time, the components of the wall can be considered as discrete elements. The poor performance of masonry structures leads to the failure of a significant number of these structures even in moderate earthquakes. In particular, in-plane failure in the walls of masonry structures is very common. The results of laboratory research show that shear failure is very likely in lateral loading. One of the characteristics of this failure mode is its ability to resist high shear force and low ductility, which leads to brittle failure in the wall. Previous numerical studies on masonry structures have been mainly based on the finite element method in which the wall components are considered as continuous elements and the local behavior of the constituent parts of the walls is ignored and causes their real function to be misunderstood. In this paper, first, the specifications of unreinforced masonry wall specimens were determined based on the results obtained from previous experiments, and then numerical models were calibrated and analyzed using two software ABAQUS (finite element software) and 3DEC (discrete element software). Then, behavioral diagrams of walls with different characteristics were extracted under different loading conditions. Finally, a comprehensive comparison between the results obtained from the discrete element and finite element methods was presented. Finally, it was concluded that the discrete element approach provides a more accurate prediction of unreinforced masonry walls than finite element one.

کلیدواژه‌ها [English]

Unreinforced masonry structure
Discrete element method
Finite element method
Masonry wall
Dry Joint

مراجع

[1] Cundall, P. A., St’rack, O. D. L., (1979), “A discrete numerical model for granular assemblies”, Géotechnique, PP.47-65.

[2] Li, T., Silva, P.F., Belarbi, A., Nanni, A. and Myers, J.J., (2001), “Retrofit of un-reinforced infill masonry walls with FRP”, Journal of Composites for Construction, Vol. 5, pp.559-563.

[3] ElGawady, M.A., Lestuzzi, P. and Badoux, M., (2005), “Aseismic retrofitting of unreinforced masonry walls using FRP”, Composites Part B: Engineering, Vol. 37(2-3), pp.148-162.

[4] Tomazevic, M., (1999), “Earthquake-resistant design of masonry buildings”, Imperial College Press, ISBN 1-86094-066.

[5] Turner, M. J., Clough, R. W., Martin, H. C., Topp, L. P., (1956), “Stiffness and deflection analysis of complex structures”, Journal of Aeronautical Society, Vol. 23, pp. 805-823.

[6] Williams, J.R., Connor, R., (1999), “Discrete Element Simulation and the Contact Problem”, Archives of Computational Methods in Engineering, PP.279-304.

[7] Vasconcelos, Graça, (2005), “Experimental investigations on the mechanics of stone masonry: characterization of granites and behavior of ancient masonry shear walls”, Minho Univercity, Doctoral Thesis in Civil Engineering.

[8] Giamundo, V., Sarhosis, V., Lignola, G.P., Sheng, Y., Manfredi, G., (2014), “Evaluation of different computational modelling strategies for the analysis of low strength masonry structures”, Elsevier, pp.160-169.

[9] Smoljanovic, Hrvoje, Zivaljic, N., Nikolic, Z., (2015), “A finite-discrete element model for dry stone masonry structures strengthened with steel clamps and bolts”, Elsevier, pp.117-129.

[10] Çaktı, Eser, Saygılı, Özden, Lemos, Jose V., Oliveira, Carlos S., (2016), “Discrete element modeling of a scaled masonry structure and its validation”, Elsevier, pp.224-236.

[11] Bui, T.T., Limam, A, Sarhosis, V., (2017), “Discrete element modelling of the in-plane and out-of-plane behavior of dry-joint masonry wall constructions”, Elsevier, pp.277-294.

[12] Miglietta, Paola Costanza, Bentz, Evan C., Grasselli, (2017), “Finite/discrete element modelling of reversed cyclic tests on unreinforced masonry structures”, Engineering Structures, Elsevier, pp.159-169.

[13] Fukumoto, Yutaka, Yoshida, Jun, Sakaguchi, Hide, “The effects of block shape on the seismic behavior of dry-stone masonry retaining walls: A numerical investigation by discrete element modeling”, Elsevier, (2014).

[14] Pantò, B., Cannizzaro, F., Caliò, I., (2016), “3D macro-element modelling approach for seismic assessment of historical masonry churches”, Elsevier, pp.40-59.

[15] Lengyel, G., (2017), “Discrete element analysis of gothic masonry vaults for self-weight and horizontal support displacement”, Elsevier, pp.195-209.

[16] Cannizzaro, F., Pantò, B., Caddemi, S., (2018), “A Discrete Macro-Element Method (DMEM) for the nonlinear structural assessment of masonry arches”, Engineering Structures, Elsevier, Vol. 168, pp.243-256.

[17] Foti, D., Vacca, V., & Facchini, I., (2018), “DEM modeling and experimental analysis of the static behavior of a dry-joints masonry cross vaults”, Construction and Building Materials, Vol. 170, pp.111-120.‏

[18] Baraldi, D., Cecchi, A., & Tralli, A., (2015), “Continuous and discrete models for masonry like material: A critical comparative study”, European Journal of Mechanics-A/Solids, Vol. 50, pp.39-58.‏

[19] Senthivel, R., & Lourenço, P. B., (2009), “Finite element modelling of deformation characteristics of historical stone masonry shear walls”, Engineering structures, Vol. 31(9), pp.1930-1943.

[20] UDEC, “Universal Distinct Element Code”, Version 5.2, Manual of 3DEC, User’s Guide, Minneapolis: ICG 2011.

[21] Roca, P., (2004), “Simplified methods for assessment of masonry shear-walls”, International Workshop on Masonry Walls and Earthquakes, Guimarães, pp.101-118.