بخشی از مقاله
بررسی رفتار لرزه ای دیوار برشی فولادی موج دار در اثر تغییر جهت موج ورق جان با شکل موج سینوسی، مثلثی و ذوزنقه ای
چکیده:
دیوار برشی، یک سیستم کارآمـد بـاربر جـانبی در سـازه هـا اسـت در ایـن سیستم، نوع رفتار سازهای، خمشی ،برشی و یا تواماً می باشد. دیوار برشی فولادی در دو حالت سخت شده و سـخت نشـده کـاربرد دارد . یکـی از نـوع آوری هایی کهاخیراً در دیوار برشی فولادی بکار برده مـی شـود اسـتفاده از ورق موج دار بجای ورق های ساده است. ایده جایگزینی دیوار برشی فولادی موج دار به عنوان دیوار برشی فولادی سخت شـده در سـالهای اخیـر مطـرح شده و نتایج مطلوبی نیز بدست آمده است.مطالعات در ایـن مـورد مبـین آن است که ظرفیت اتلاف انرژی،نسبت شکل پـذیری و سـختی اولیـه سیسـتم های دارای این تکنولوژی بدلیل داشـتن سـختی خـارج از صـفحه زیـاد در مقایسه با نمونه های سخت نشده و نیز نمونه های سخت شده بیشـتر اسـت . در این مقاله با استفاده از روش اجزاء محدود و مدل سازی توسط نرم افـزار Abaqus/CAEبه بررسی و مقایسه رفتار هیسـترزیس مـدل هـا بـا تغییـر زاویه جهت انتشار موج های سینوسی، مثلثی و ذوزنقه ای، تحت بارگـذاری چرخه ای پرداخته شده که نتایج این پژوهش حاکی از عملکرد لرزه ای بهتـر موج سینوسی نسبت به دو موج مثلثـی و ذوزنقـه ای از نقطـه نظـر قابلیـت جذب انرژی، میزان شکل پذیری و ظرفیت باربری می باشد و این پارامتر هـا با تغییر جهت موج در هر مورد نیز تغییـر چشـمگیری دارد و درکـل رفتـار هسیترزیس دیوار های با موج قائم مناسب تر از رفتار دیوار با جهات مختلـف است.
کلمات کلیدی : دیوار برشی فولادی موج دار ، جهت موج سینوسی و مثلثی و ذوزنقه ای ، هیسترزیس ، بار گذاری چرخه ای
مقدمه:
استفاده از دیوار های برشی فولادی در سالهای اخیر به دلیل ساخت سریع وآسان و شکل پذیری و مقاومت بالایی که دارند کاربرد فراوانی پیدا کرده است.سیستم باربر جانبی در ساختمانهای فولادی معمولاً به صورت قاب خمشی مقاوم و یا قابهای مهار بندی شده طراحی می شوند که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند به عنوان مثال شکل پذیری در قابهای خمشی معمولاً بالاتر از قابهای مهاربندی شده است و سختی قابهای مهار بندی شده معمولاً بیشتر از قابهای خمشی است اما هزینه ساخت قابهای مهار بندی شده بیشتر است. دیوار برشی فولادی همچنین به عنوان یکی از گزینه های با اهمیت و مورد توجه به عنوان یک سیستم مقاوم باربر جانبی می باشد که مناسب برای هر سازه جدید یا به عنوان وسیله ای برای مقاوم سازی ساختمانهای موجود می باشد . یک دیوار برشی به درستی طراحی شده رفتار بسیار شکل پذیر و ظرفیت اتلاف انرژی نسبتاً بزرگی دارد و بهخاطر سختی زیاد دیوارهای برشی، معمولا درصد بالایی از برش طبقه توسط این سیستم باربر جانبی، تحمل میگردد. همچنین این سیستم باربر، از طریق تغییر شکلهای خمیری برشی، انرژی لرزهای را مستهلک مینماید.رفتار کمانش پانل برشی می تواند از حالت کلی به موضعی یا حالت مابین کمانشی به واسطه اضافه کردن سخت کننده ها تبدیل یابد بنابراین دیوار برشی فولادی در دو نوع سخت شده و سخت نشده بکار برده می شود که نوع سخت شده سختی و مقاومت بالاتری دارد همچنین سختی پانل می تواند به شدت میزان اتلاف انرژی تحت بارگذاری چرخه ای را افزایش دهد .[1] از آنجایی هزینه ساخت و ساز پانل های سخت شده فوق العاده بالاتر است، پانل برشی موج دار به عنوان یک سیستم مقاوم بار جانبی نوین به عنوان جایگزین در سالهای اخیر پیشنهاد شده است این نوع از دیوار برشی فولادی بخاطر سختی خارج از صفحه، مقاومت کمانشی بزرگتری دارد. .[2] ابتدا پژوهش روی رفتار کمانش برشی صفحات موج دار توسط ایزلی و مک فارلند شروع شد.[3] پس از آن مطالعات عددی و آزمایشگاهی روی رفتار کمانشی و مقاومت جان های موج دار توسط الگالی و همکاران انجام شد..[4,5] به طور اساسی صفحات موج دار مقاومت بالایی در برابر نیرو های درون صفحه ای (در راستای موج) دارند در حالی که سختی آنها در راستای عمود بر جهت موج ناچیز می باشد. در مجموع دیوار های برشی فولادی موج دار به عنوان یک گزینه بهبود دهنده با توجه به دلایل زیر در نظر گرفته شده اند:سخنی اولیه بیشتر، کمانش موضعی (یا با اثر متقابل) در برگشت از کمانش کلی، سختی خارج از صفحه بیشتر ، هزینه ساخت و ساز پایین تر و رفتار آکاردئونی پانل های موج دار.در این مقاله بر طبق روش اجزای محدود توسط نرم افزار Abaqus/CAE 6.11 به بررسی رفتار لرزه ای جهات مختلف موج سینوسی، مثلثی و ذوزنقه ای ورق جان نصب شده در دیوار برشی فولادی موج دار پرداخته شده است. همه مدل ها در ضخامتها و شرایط مرزی قابهای پیرامونی و اتصالات آنها مشابه هستند و تمام مدل ها در پایین ثابت شده اند و اتصالات تیر به ستون گیر دار(مقاومت کننده لنگر) دارند، تست ها و تحلیل ها با اعمال بارگذاری چرخه ای بر اساس روش تایید شده برای شبیه سازی بار های لرزه ای چرخه ای آیین نامه AISC-341-10 انجام شدند[6] و همچنین بارهای ثقلی در هیچکدام از مدل ها اعمال نشدند.
فرضیات تحلیل مدل ها در این مقاله با استفاده از آنالیز غیر خطی به روش اجزاء محدود به بررسی اثر پارامتر های مختلف موثر در تغییر شکل هندسی موج های سینوسی، مثلثی و ذوزنقه ای بر رفتار دیوار برشی فولادی موج دار و مقایسه آنها پرداخته شده است به این منظور از نرم افزار تحلیلی به روش اجزاء محدود آباکوس استفاده شده و برای انجام تحلیل غیر خطی مدل ها در نرم افزار از مشخصه غیر خطی بودن هندسی و غیر خطی بودن مصالح استفاده شده است که برای لحاظ اثر غیر خطی هندسی، تغییر شکل های بزرگ و سخت شدگی تنشی و برای اثر غیر خطی مصالح مدل الاستو پلاستیک برای توصیف مدل رفتاری مصالح در نظر گرفته شده است. و از روش نیوتنی کامل به عنوان تکنیک حل معادلات غیر خطی استفاده شده و به منظور حصول همگرایی بهتر و افزایش دقت نتایج ، سایز افزایش 0,01 و سایز مش بندی 30 میلی متر در نظر گرفته شده است.
همچنین در انجام مدل سازی، تنها مصالح مصرفی، فولاد می باشد، با توجـه به مصالح فولاد، معیار تسلیم فون مایسز انتخاب شده است و خواص مـواد در فشــار و کشــش یکســان بــوده و قــانون ســخت شــوندگی نیــز ســینماتیک (Kinematic) انتخاب شده است. مدول الاستیسیته فولاد معادل E= 2.1 E6 kg/ میباشد و ضریب پوآسـون 0.3 اسـت و بـرای سـاده سـازی مدل سازی رفتار تنش کرنش فولاد بـه صـورت نمـودار دو خطـی بـا شـیب معادل 0.02E بعد از Fy در نظر گرفتـه شـده اسـت.خصوصـیات مکـانیکیمصالح مورد استفاده نیز مطابق با جدول 1 است .
تست صحت سنجی مدل سازی
جهت بررسی صحت عملکرد نرم افزار و تعیین دقت آن از مقایسه نتایج حاصل از مدل سازی توسط نرم افزار و نتایج مطالعات آزمایشگاهی و نمونه های ساخته شده روی رفتارسیکلی دیوارهای برشی فولادی با موج ذوزنقهای عمودی، نمونه شماره [7] 2 استفاده شده است. این نمونهها تحت بار مونوتونیک قرار گرفتهاند.مدل های مورد بررسی شامل یک قاب یک طبقه و یک دهانه ای می باشند که از HEB 140 برای تیر فوقانی و HEB 200 برای تیر تحتانی و پروفیل HEB 160 برای ستونها استفاده شده است و طول دهنه قاب که تشکیل دهنده جان پانل می باشد از ورق فولادی موج دار پوشیده شده است مطابق شکل.1 برای مدل سازی نمونه های آزمایشگاهی از المان 4) Shell S4R گره مضاعف با پوسته نازک یا ضخیم ، به روش انتگرالی کاهش یافته، با کرنش غشایی محدود) که دارای شش درجه آزادی در هر گره می باشد(سه درجه آزادی جابجایی در راستای محور های X,Y,Z و سه درجه آزادی دورانی در راستای محور های X,Y,Z )، استفاده شده است که شامل صفحات بال و جان و سخت کننده ها می باشد. این المان دارای خواص پلاستیسیته ، تغییر شکل بزرگ، سخت شدگی تنشی ، خزش و کرنش کوچک می باشد و برای سازه های پوسته ای در حالت غیر خطی بسیار مناسب می باشد.برای انجام تحلیل غیر خطی مدل ها تغییر شکل های بزرگ و سخت شدگی تنشی در نظر گرفته شده و مدل ها تحت بارگذاری مونوتونیک تحلیل شده اند. با توجه به نتایج ارائه شده در شکل2 مشاهده می شود که نمودار مقاومت - تغییر مکان بدست آمده از روند مدل سازی و تحلیل بسیار شبیه به رفتار نمونه آزمایشگاهی میباشد این نمودار ها نشان میدهند که قسمت الاستیک دو نمودار مربوط به نمونه مدل سازی شده و نمونه آزمایشگاهی با دقت بالایی بر هم منطبقاند. بنا براین روند مدل سازی و نوع المانهای انتخاب شده که به صورت Shell Extrude در نظر گرفته شده است قابل قبول ارزیابی میگردد.
مشخصات هندسی مدل های مورد بررسی
همان گونه که در شکل 3 نشان داده شده است در این پژوهش از سه شکل هندسی موج ذوزنقه ای، سینوسی و مثلثی برای ورق فولادی جان دیوار برشی موج دار استفاده شده است که در تمام مدل ها ضخامت ورق جان دیوار برشی ثابت و برابر 8 میلی متر در نظر گرفته شده است.
یکی از محور اصلی در این پژوهش بررسی رفتار دیوار برشی فولادی موجدار تحت بار استاتیکی سایکلیک [2] است لذا برای اعمال بارگذاری سایکلیک از استاندارد AISC_341_10 امریکا [6] که یک استاندارد به روز ومعتبر است استفاده شده است .پروتکل بارسایکلیک مورد استفاده طبق نمودارشکل 4 می باشد .این پروتکل براساس گامهای بارگذاری ( شماره سیکل ) از مهمترین معیار های ارزیابی لرزه ای بشمار می رود، بررسی شدند این و دوران ارائه شده است که با توجه به ابعاد قاب دیوار برشی مدل ها (منحنی های مقایسه ای در شکل6 آمده است.
(2300 mm × 2000 mm و رابطه (1) میزان تغییر مکان های بالای قاب( ) بدست آمده و اعمال شده اند (1)× = ×H که در آن میزان زاویه دوران×و ×Hارتفاع دیوار می باشد؟
