رفتار اتصالات برشی و عملکرد کلی سیستم‌های ساندویچ پانل بتنی پیش‌ساخته تحت بارهای لرزه‌ای و جانبی

رفتار اتصالات برشی و عملکرد کلی سیستم‌های ساندویچ پانل بتنی پیش‌ساخته تحت بارهای لرزه‌ای و جانبی

مقدمه

ساندویچ پانل‌های بتنی پیش‌ساخته (Precast Concrete Sandwich Panels – PCSP) یکی از مصالح محبوب در سازه‌های صنعتی، تجاری و حتی مسکونی مدرن هستند. این پانل‌ها معمولاً از دو لایه بتنی (wythes) خارجی تشکیل شده‌اند که توسط یک لایه عایق حرارتی (مانند پلی‌استایرن، پلی‌یورتان یا فوم XPS) از هم جدا می‌شوند. اتصالات برشی (shear connectors) نقش حیاتی در انتقال تنش برشی بین دو لایه بتنی ایفا می‌کنند و عملکرد کلی پانل را از حالت غیر کامپوزیت به کامپوزیت جزئی یا کامل تبدیل می‌نمایند. صنعت پوشش آریانا

در مناطق با خطر لرزه‌ای بالا، عملکرد این سیستم‌ها تحت بارهای جانبی و لرزه‌ای (cyclic lateral loads) به شدت وابسته به رفتار اتصالات برشی است. اتصالات ضعیف می‌توانند منجر به دلمینیشن (delamination)، کمانش محلی، کاهش ظرفیت باربری و حتی شکست زودرس شوند. تحقیقات اخیر (تا سال ۲۰۲۵–۲۰۲۶) نشان می‌دهد که اتصالات خشک (dry connections) مانند bolt-steel plate، hybrid grouted sleeve-anchor و GFRP/FRP connectors می‌توانند عملکرد لرزه‌ای نزدیک به دیوارهای بتن‌ریزی درجا (CIP) ارائه دهند، در حالی که اتصالات سنتی گاهی ناکافی هستند.

انواع اتصالات برشی در ساندویچ پانل‌های بتنی پیش‌ساخته

اتصالات برشی در PCSP به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. اتصالات فلزی سنتی (steel ties, trusses, pins): مانند میلگردهای خمیده، pin-type یا welded plates. این اتصالات ظرفیت برشی بالایی دارند اما پل حرارتی (thermal bridge) ایجاد می‌کنند و در بارگذاری چرخه‌ای ممکن است دچار خستگی یا تخریب بتن اطراف شوند.
2. اتصالات غیرفلزی پیشرفته (FRP, GFRP, BFRP, stainless steel-GFRP hybrid): این نوع اتصالات مقاومت برشی مناسب (اغلب ۵۰–۱۵۰ kN در هر کانکتور) و عایق حرارتی عالی ارائه می‌دهند. مطالعات نشان داده که GFRP pin-type connectors می‌توانند composite action جزئی (α ≈ ۰٫۰۳–۰٫۲) ایجاد کنند و رفتار ductile مناسبی تحت بارهای جانبی داشته باشند.
3. اتصالات هیبریدی و خشک (bolt-steel plate, grouted corrugated metallic duct hybrid, socket connection): این اتصالات در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. مثلاً اتصال bolt-steel plate با استفاده از UHPC در نقاط بحرانی، ظرفیت باربری را تا ۷–۸٪ افزایش و ductility را تا ۴۰٪ بهبود می‌بخشد.
4. اتصالات عمودی و افقی سیستم: در سازه‌های کامل PCSP، اتصالات افقی (بین پانل‌ها) اغلب با grouted sleeve یا bolted-plate و اتصالات عمودی با shear keys یا hybrid anchors اجرا می‌شوند.

رفتار اتصالات برشی تحت بارهای لرزه‌ای و جانبی

تحت بارگذاری چرخه‌ای (low-cyclic loading) شبیه‌سازی‌شده لرزه، رفتار اتصالات برشی به شرح زیر است:

• ظرفیت برشی و انتقال نیرو: اتصالات باید بتوانند نیروی برشی افقی (in-plane shear) ناشی از باد/زلزله و نیروی برشی عمودی (out-of-plane) ناشی از وزن خود را منتقل کنند. در تست‌های push-off و cyclic، اتصالات S-type یا GFRP اغلب شکست ductile (خمشی-برشی) نشان می‌دهند، در حالی که اتصالات فلزی سنتی ممکن است brittle باشند.
• کاهش سختی و تخریب: در بارهای تکراری، bond-slip بین کانکتور و بتن، crushing بتن اطراف و دلمینیشن لایه عایق رخ می‌دهد. مطالعات عددی (با نرم‌افزارهایی مانند Abaqus و fiber-based FE) نشان می‌دهد که سختی اولیه بالا است اما پس از ۵–۱۰ سیکل، کاهش ۳۰–۶۰٪ سختی مشاهده می‌شود.
• انرژی dissipation: اتصالات هیبریدی (مانند grouted corrugated metallic duct hybrid) انرژی dissipation بالاتری نسبت به اتصالات تک‌گانه دارند. در یک مطالعه، دیوارهای هیبریدی peak load بالاتر و انرژی تجمعی ۲۰–۴۰٪ بیشتر از CIP نشان دادند.
• حالت‌های شکست رایج:
  • شکست برشی کانکتور (shear failure)
  • دلمینیشن لایه عایق و رویه‌ها
  • کمانش محلی wythe خارجی
  • pull-out یا breakout بتن اطراف اتصال

عملکرد کلی سیستم‌های ساندویچ پانل بتنی پیش‌ساخته تحت بارهای لرزه‌ای

در سطح سیستم (full-scale یا shaking table tests)، عملکرد PCSP به عوامل زیر وابسته است:

• ظرفیت باربری جانبی: بسیاری از سیستم‌ها (به‌ویژه با bolt-steel plate یا socket connection) سختی جانبی بالا و حاشیه ایمنی مناسب نشان می‌دهند. در تست‌های میز لرزه‌ای، سازه‌های bolt-connected بدون ترک سازه‌ای تا سطح شتاب بالا دوام آوردند.
• ductility و انرژی جذب: ductility سیستم‌های پیش‌ساخته اغلب ۷۰–۹۶٪ سیستم CIP است. با افزایش نسبت فشاری محوری (axial compression ratio)، ظرفیت باربری افزایش اما ductility کاهش می‌یابد. اتصالات هیبریدی می‌توانند این کاهش را جبران کنند.
• توزیع ترک و حالت شکست: شکست معمولاً bending-shear است؛ ترک‌های خمشی در پایه و ترک‌های برشی در میانه ارتفاع. در پانل‌های با عایق، ترک‌ها اغلب در نزدیکی اتصالات متمرکز می‌شوند.
• مقایسه با بتن‌ریزی درجا: در بسیاری از تحقیقات (۲۰۲۳–۲۰۲۵)، سیستم‌های پیش‌ساخته با اتصالات مناسب (hybrid، UHPC-reinforced) ظرفیت ۱٫۰۲–۱٫۲ برابر، انرژی dissipation ۰٫۶۴–۰٫۸۹ برابر و سختی مشابه یا بهتر از CIP نشان دادند.
• عوامل مؤثر بر عملکرد لرزه‌ای:
  • نوع و تعداد کانکتورها (spacing, arrangement)
  • ضخامت wytheها و عایق
  • نسبت فشاری محوری (بالاتر از ۰٫۳ عملکرد را بهبود می‌بخشد اما ductility را محدود می‌کند)
  • وجود بازشوها (openings) که تنش را متمرکز می‌کنند

نتیجه‌گیری و پیشنهادات طراحی

اتصالات برشی در ساندویچ پانل‌های بتنی پیش‌ساخته قلب عملکرد لرزه‌ای سیستم هستند. اتصالات پیشرفته هیبریدی و غیرفلزی (GFRP-hybrid، bolt-steel plate با UHPC) می‌توانند عملکردی نزدیک یا حتی برتر از سیستم‌های سنتی ارائه دهند، به شرطی که:

• طراحی بر اساس استانداردهای لرزه‌ای (مانند ASCE 7، Eurocode 8 یا مبحث ۶ و ۹ ایران) انجام شود.
• تست‌های تجربی و عددی برای هر نوع اتصال انجام گیرد.
• از مدل‌های ساده‌شده (مانند strut-and-tie برای پیش‌بینی ظرفیت) استفاده شود.

در مناطق با خطر لرزه‌ای بالا، توصیه می‌شود از اتصالات خشک-هیبریدی با حداقل α=۰٫۱–۰٫۲ (composite action) و ductility بالا استفاده شود تا هم سرعت اجرا حفظ شود و هم ایمنی لرزه‌ای تضمین گردد.