بخشی از مقاله
مقدمه
یکی از انواع دیوار برشی ، دیوار برشی فولادی می باشد که معمولا در قابهای فولادی مورد استفاده قرار می گیرد . دیوار برشی فولادی بعنوان یک المان اصلی مقاوم در برابر نیروی جانبی ، در دهه ۷۰ میلادی برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت . دیوار برشی فولادی در حالت کلی از قاب (تیر و ممتون) و صفحه فولادی تشکیل می شود . صفحه فولادی نقش اصلی را در ایجاد سختی و شکل پذیری دیوار دارد و عامل اصلی در تعیین مقاومت برشی دیوار می باشد . ایده آل ترین حالت رفتار دیوار ، زمانی اتفاق می افتد که صفحه اصلی به حد جاری شدن برشی برسد. اما در عمل صفحه فولادی قبل از اینکه جاری شود ، بعلت هندسه خاص خود، کمانش می کند. کمانش دو تأثیر عمده در رفتار دیوار خواهد داشت ، اول اینکه باعث کاهش مقاومت و سختی دیوار می گردد و دوم اینکه کمانش با ایجاد تغییر شکلی زیاد باعث مشکلات معماری صی گردد . مهندسان به صنظور افزایش مقاومت دیوار از طریق جلوگیری از کمانش صفحه فولادی » از نعمخمت کننده ها استفاده کردند . استفاده از اسمخامت کننده ها با وجود اینکه باعث افزایش مقاوصامت میگردد . اما دارای هزینه های اجرایی زیاد و نیازمند صرف زمان زیادی می باشد . از طرفی صفحه فولادی ، بعل، از کمانش نیز می تواند نیروی قابل توجهی را تحمل کند .
رفتار بعد از کمانش (DOSl Buckling ) ورق که با ایجاد عملی ناحیه کششی (TeriSiOrl Field ACIion)، در ورق صورت می گیرد ، محققان را واداشت که با استفاده از دیوار برشی فولادی بدون سخت کننده های جانبی ، از تمامی ظرفیت برشی دیوار تا رسیدن به گسیختگی هندسی استفاده در سالهای اخیر نوع خاصی از دیوار برشی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته که مرکب از دیوار برشی فولادی به همراه یک یا دو پوشش بتن آرمه متصل به صفحه فولادی است که به دیوار برشی مرکب C-SPW موسوم است.
دیوار برشی مرکب (C-SPW) که در این تحقیق مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است، تشکیل می شود از المانهای مرزی تیر و ستون ، صفحه فولادی متصل به قاب و پوشش برشی بتن آرمه که بوسیله اتصالات برشی(گل میخ یا بولت ) به صفحه فولادی متصل می گردد (شکل ۱).
۲- مروری بر تحقیقات گذشته و اهداف تحقیق
تاکاناشی (Takandshi) در سال ۱۹۷۳ [۱]، اولین تحقیقات مهم را بر روی ۱۲ نمونه آزمایشگاهی یک طبقه دیوار برشی فولادی انجام داد ، همچنین تاکاناشی آزمایشاتی روی دو نمونه دیوار برشی فولادی دو طبقه انجام داد که از نتیجه این آزمایش ، در طراحی یک برج در ژاپن استفاده گردید. با توجه به اینکه مقاومت برشی بدست آمده از آزمایش، با معیار تسلیم ون میسز Von Mics در برش خالص، یعنی ، تطابق خوبی داشت ، محقق به این نتیجه رسید که می توان از قواعد فرمولهای تئوری تیر ها برای بدست آوردن سختی و مقاومت دیوار برشی فولادی ساخته شده استفاده کرد. در سال ۱۹۸۳ ، کولاک (Kulak) و تیملر (Timler) [۲] بر روی یک نمونه دیوار برشی فولادی بدون سخت کننده دو طبقه ساخته شده در آزمایشگاه تحقیقات کردند که در همان سال توربورن (ThorburT) بر اساس نتایج این آزمایشات ، رابطه ای را برای بدست آوردن زاویه اقطار تولید شده بعد از کمانش ورق در ناحیه کشش (Tension Field) ارائه نموده است . در آمریکا، الگالی و کاسز Elgdaly and Caccese ) (در سال ۱۹۹۳ آزمایشات گسترده ای را بر روی شش سیستم دیوار برشی ۳ طبقه انجام دادند و بر اساس این آزمایشات پیشنهاد کردند که در ساخت یک ساختمان باید ازدیوار برشی فولادی با ضخامت کم استفاده گردد .
در انگلستان محققانی نظیرقمی (Ghomi) , صبوری ( Sabouri) ، روبرت (Roberts ) در سال ۱۹۹۲ [۴ | آزمایشاتی را بر روی ۱۶ نمونه دیوار برشی فولادی با اتصالات مفصلی انجام دادند که منحنی نیرو- تغییر مکان بدست آمده از آزمایشات نشان داد نمونه ها دارای ضریب شکل پذیری بیشتر از ۷ می باشند بدون اینکه کاهشی در مقاومت آنها صورت گیرد.
همچنین محققان به این نتیجه رسیدند که سختی و مقاومت دیوار با افزایش مقدار (D/d -1)، بصورت خطی کاهش می یابد ، بطوری که d ارتفاع پانل دیوار و D قطر سوراخ ایجاد شده در دیوار می باشد. از مهمترین مطالعاتی که درباره دیوار برشی مرکب (C-SPW) صورت گرفت، یک سری تحقیقات آزمایشگاهی را می توان نام برد که در بین سالهای ۱۹۹۸ تا ۲۰۰۲ توسط پروفسور آستانه اصل و ژائو (ASlameh - dSl , Zhao) در دانشگاه برکلی بر روی دیوار برشی فولادی و مرکب صورت گرفت [۶۰۵].
با توجه به وجود پوشش بتن مسلح در دیوار برشی مرکب (C-SPW)، انتظار می رود که مقاومت و سختی این نوع دیوارها در مقایسه با دیوارهای برشی فولادی ، بیشتر باشد. اما از آنجایی که پوشش بتنی در نیروهای بالا ترک برداشته و در نهایت خرد می گردد، این مسئله باعث کاهش باربری دیوار می گردد و با توجه به اینکه پوششی بتنی مانع کمانشی صفحه فولادی تا قبل از جاری شدن می گردد ، از ظرفیت POSI Buckling ورق استفاده نمی گردد .
نکات ذکر شده باعث ایجاد رفتار خاصی در دیوار برشی مرکب می گردد که قابل بررسی و تحقیق است . در این تحقیق سعی شده است که دیوارهای برشی مرکب (C-SPW) و دیوارهای برشی فولادی بدون سخت کننده ، بطور مجزا تحت بارگذاری جانبی قرار گیرند و با تغییر پارامتر های مختلف تأثیرگذاردر رفتار و ظرفیت دیوار(طول دهنه، تعداد طبقه ، ضخامت ورق) مورد بررسی قرار گیرند، و در نهایت ظرفیت باربری این دو نوع دیوار، با یکدیگر مقایسه شود. همچنین شکل پذیری دو نوع دیوار برشی فولادی و مرکمب مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است و با بررسی پارامتر های مختلف شکل پذیری و بدست آوردن ضریب رفتار، چگونگی رفتار شکل پذیری این دو نوع دیوار مطالعه شده است . بدین منظور این دیوار ها با استفاده از نرم افزار المان محدود ANSYS که قابلیت در نظر گرفتن رفتار غیر خطی را دارد، بصورت سه بعدی شبیه سازی شده، و تحت آنالیز افزاینده غیرخطی قرار گرفته
است .
۳- شرح مدلهای ایجاد شده در تحقیق و ظرفیت برشی مدلها
بدلیل اینکه عملکرد سازه با تغییر پارامتر های مختلف، تغییر می کند ، در مدل کردن دیوار ها پاره ای از پارامترهای موثر بر رفتار دیوار تغییر داده شده است. این پارامتر ها شامل موارد زیر می باشد :
۱- طول دهنه (۳ و ۵ و ۷/۵ متر )
۲- تعداد طبقات ( ۳، ۶ و ۹ و ۱۵ طبقه )
۳- ضخامت صفحه فولادی ( ۴ و ۶ و ۱۲ میلی متر )
ارتفاع همه طبقات ۳ متر لحاظ شده است. همچنین دو پوشش بتن آرمه با ضخامت ۱۰ سانتی متر در دو طرف تمامی دیوارهای برشی مرکمب بطور یکسان در نظر گرفته شده است . به منظور گروه بندی و مقایسه مناسبتر مدلها، مدلهای ساخته شده در سه بخشی نامگذاری شده اند. بخش اول نشان دهنده نوع دیوار . A برای دیوار برشی فولادی ، B برای دیوار برشی مرکب استفاده شده است. بخش دوم نشان دهنده عرضی دهنه دیوار به متر و بخش سوم نشان دهنده تعداد طبقات دیوار است. نمونه ای از این مدل ها در شکلی ۲ نشان داده شده است
. مهمترین فرضیات در مدلسازی این تحقیق به شرح زیر است :
۱- با استفاده از مدلهای موجود در نرم افزار گسیختگی برای قسمت بتنی با معرفی سقاومت فشاری و کشیشی بتن در نظر گرفته شده است . رفتار غیر خطی بتن در کششی با در نظر گرفتن مدل ترک پخشی و در فشار با رفتار پلاستیک همراه با سخت شدگی ، در نظر گرفته شده است ] ۷].
۲- منحنی نیرو - تغییر مکان برای قسمت فولادی سازه به صورت چند خطی و بصورت الاستوپلاستیک در نظر گرفته شده است . همچنین غیر خطی بودن هندسی نیز در نظر گرفته شده است .
۳- برای جلوگیری از طولانی شدن مدلسازی و آنالیز ، مدلسازی با فرض چسبندگی کامل فولاد و بتن در محل گل - میخ ها انجام شده است . بدین منظور در محلی گل میخ ها گره های المان بتن و فولاد با هم یکی شدند .
۴- با توجه به ناچیز بودن اثر نیروهای ثقلی در برابر نیروهای جانبی، از اثر نیرو های ثقلی صرفنظر شده است .
در تمامی مدل ها برای تیر و ستون و صفحه فولادی مدول الاستیسیته مقاومت جاری و مقاومت نهایی در نظر گرفته شده است . همچنین برای بتن، مدول الاستیسیته مقاومت فشاری و مقاومت کششی و برای میلگرد بکار رفته در بتن، مدول الاستیسیته مقاومت جاری شدن مقاومت نهایی در نظر گرفته شده است .
جهت بررسی میزان تاثیر پوششی بتن مسلح در ظرفیت برشی دیوار های برشی مرکب ، تنها تفاوت دیوار برشی فولادی با دیوار برشی مرکب متناظر آن (با طول دهنه، تعداد طبقات و ضخامت صفحه فولادی یکسان) ، در دو پوششی بتن مسلح با ضخامت ۱۰ سانتی متر ایجاد شد که در دو طرف دیوار برشی مرکب مدل گردیده است . بعد از مدل سازی، نیروی برشی پایه براساس روش توزیع آیین نامه ۲۸۰۰ ایران در طبقات سازه توزیع شد و دیوارهای برشی تحت آنالیز افزاینده غیرخطی قرار گرفتند. نمونه ای از منحنی ظرفیت نمونه ها در شکل ۳ آمده است.
منحنی های ظرفیت اطلاعات زیادی درباره رفتار سازه بدست می دهد که از آنجمله می توان به سختی اولیه ، ظرفیت ، مقاومت نهایی، انرژی و غیره اشاره کرد. همانطور که در شکل ۳ مشخص است منحنی نیرو - تفییر مکان در هر دو دیوار تا قبل از شروع جاری شدن بصورت خطی تغیر می کند ، اما شیب این خط راست در دیوار برشی فولادی بیشتر از دیوار برشی مرکب است که نشان دهنده بزرگتر بودن سختی اولیه دیوار برشی مرکب می باشد . همچنین ملاحظه می شود که بدلیل وجود پوشش بتن آرمه در دیوار برشی مرکب ، این دیوار در نیروی بزرگتری نسبت به دیوار برشی فولادی شروع به جاری شدن می کند. بعلت وجود دو نوع مصالح بتن و فولاد در دیوار برشی مرکب و بر هم کنش آنها، در ناحیه غیر خطی نظم مشخصی در شکل منحنی دیوار وجود ندارد . ظرفیت برشی دیوار برشی مرکب نیز مطابق انتظار بزرگتر از دیوار برشی فولادی بدست آمده است. شایان ذکر است که نسبت مقادیری که در شکل ۳ نشان داده شده است با تغییر پارامترهای مختلف، تغییر می کند. در شکل ۴ نمودارهای میله ای مقایسه ای رفتار دو نوع دیوار متناظر با هم ارائه شده است .
