بخشی از مقاله
ارزیابی رفتار دیوار برشی فولادي نیمه مقید در لبه ها به صورت تقویت شده و تقویت نشده
خلاصه
در دیوارهاي برشی فولادي نیمه مقید در لبهها، ورق دیوار به ستونهاي اصلی قاب متصل نمیشود و در عوض به ستونهاي فرعی که صرفاً براي ایجاد میدان کشش در ورق استفاده میشوند، وصل میشود که این کار باعث میشود تا ابعاد ستونهاي اصلی بزرگ نشود و طرح، اقتصادي باشد. یکی از مشکلات این سیستم همانند نوع سنتی آن، کمانشی میباشد که در اثر میدان کششی ایجاد شده در ورق رخ میدهد. این مقاله به بررسی چند مدل متفاوت از پیکربندي سختکنندهها در روي ورق با استفاده از روش اجزاء محدود به آنالیز غیرخطی مدلها و مقایسه نمودارهاي ظرفیت آنها پرداخته است. از مقایسه حالتهاي مختلف نتیجه میشود که استفاده از سخت کنندههاي قطري بهینهترین نتیجه را براي تقویت دیوارهاي برشی فولادي نیمه مقید در لبهها دارد.
کلمات کلیدي:دیوار برشی فولادي، نیمه مقید در لبهها، سخت کننده، میدان کششی
1. مقدمه
امروزه استفاده از دیوار برشی فولادي به عنوان یک سیستم باربر جانبی لرزهاي به طور کارآمد در بهسازي لرزهاي به منظور افزایش مقاومت جانبی و سختی ساختمانها در برابر زلزله، در سازههاي بتنی و فولادي مورد توجه قرار گرفته است. وظیفه اصلی دیوار برشی فولادي مقاومت در برابر نیروهاي برشی ایجاد شده در طبقات و لنگر واژگونی حاصل از آن در اثر زمینلرزه میباشد. استفاده از دیوار برشی فولادي حتی قبل از آنکه ضوابط مربوط به آن توسط آییننامههاي طراحی تدوین شود، مورد توجه بوده است.
در سال 2004 میلادي آییننامههاي مختلف از جمله آییننامه طراحی سازههاي فولادي کانادا، FEMA450، ضوابطی را براي طراحی دیوار برشی فولادي ارائه کردند .[1] درسال 2005 میلادي ضوابط مربوط به طراحی دیوارهاي برشی فولادي ویژه به آییننامه طراحی لرزهاي سازههاي فولادي((AISC 341-2005 اضافه گردید .[2]
در کلیه تحقیقات انجام گرفته در مورد رفتار دیوارهاي برشی فولادي نازك تقویت نشده، فرض بر این بوده است که اعضاي مرزي (تیرها و ستونهاي کنار دیوار) داراي مقاومت و سختی کافی باشند، طوریکه در هنگام اعمال تنشهاي کششی ناشی از رفتار بعد از کمانش برشی ورق (میدان کشش)، تسلیم نشوند و به پایداري کلی سازه آسیب نرسد. این امر باعث میشود که ابعاد مقاطع به کار رفته براي تیرها و ستونهاي اطراف دیوار افزایش چشمگیري یافته، طوریکه طرح از لحاظ اقتصادي در مقایسه با حالت عدم استفاده از این سیستم مثلاً( استفاده از سیستم مهاربند)، به صرفه نباشد .[3]
در سالهاي اخیر مدلی پیشنهاد شد که در آن ورق دیوار به جاي اتصال به ستونهاي اصلی سازه که بارهاي قائم را منتقل میکنند، به ستون-هاي فرعی متصل شوند که باربر قائم نبوده و براي ایجاد میدان کشش، از آنها استفاده میشوند. بنابراین، این نوع جدید از دیوارهاي برشی فولادي، شرایطی را در سازه ایجاد میکند که به وسیله آن میتوان سیستم باربر قائم را با تمهیداتی از سیستم باربر افقی جدا کرد و اندرکنش این دو سیستم که در دیوارهاي برشی فولادي سنتی بعضاً به صورت یک معضل در میآید و باعث میشود که مقاطع ستونهاي کنار دیوار به شکل کاملاً غیراقتصادي بشود، به حداقل برسد از این سیستم با نام دیوار برشی فولادي نیمه مقید یاد میشود .[3]
یکی از مشکلات این سیستم همانند نوع سنتی آن، کمانشی میباشد که در اثر میدان کششی ایجاد شده در ورق رخ میدهد. اساس و فلسفه طراحی دیوار برشی فولادي به ایجاد میدان کششی میباشد که پس از کمانش ورق نازك فولادي رخ میدهد .[4] با استفاده از سخت کنندهها میتوان از کمانش ورق جلوگیري کرد [5] ولی مهار کمانش داخلی صفحههاي فولادي با سخت کننده در صورتی که راهحل بهینه در چیدمان آن منظور نگردد از نظر اقتصادي توجیه ندارد.
2. نمونه آزمایشی
مدلسازي در این تحقیق براساس نمونه آزمایشی محرمی و همکاران [6] انجام شد. نمونه آزمایشی در مقیاس 1:1، شامل یک قاب یک طبقه یک دهانه بود که ورق به جاي اتصال با ستونهاي اصلی به ستونهاي فرعی متصل بود.
درجات آزادي انتقالی عمود بر صفحه براي جان تیرها بسته شده است. یعنی در واقع امکان جابجایی فقط در امتداد اعمال بار براي قاب ممکن میباشد. در این مدل کلیه اتصالات تیر و ستون و ورق به اعضاي پیرامونی به صورت گیردار و همچنین تکیهگاه این نمونه به صورت صلب در نظر گرفته شد. بارگذاري این نمونه براساس دستورالعمل ATC24 با روش کنترل تغییرمکان به نمونهها اعمال شد. شکل 1 الگوي بارگذاري مدل را نشان میدهد.
شکل 2 منحنی بار-تغییرمکان روش اجزاء محدود و نمونه آزمایش شده توسط محرمی و همکارانش را نشان میدهند. مقایسه نمودارها بیانگر تطابق نسبتاً خوبیبین دو منحنی است و اختلاف ناچیزي دارند که این اختلاف را میشود در عدم شرایط یکسان مدلسازي در محیط آزمایشگاه و محیط نرم- افزار بیان کرد. لازم به ذکر است حتی در معرفی رفتار چرخهاي فولاد، رفتار کینماتیک و ایزوتروپیک متفاوت است و با در نظرگیري هرکدام از این دو رفتار نتایج متفاوتی بدست میآید.
3. معرفی جزئیات المانها و مصالح در ABAQUS
براي مدلسازي دیوار برشی فولادي نیمه مقید مذکور از المان SHELL براي مدلسازي تیر و ستونها و ورق استفاده شد. مشخصات اجزاي دیوار برشی فولادي نیمه مقید در جدول 1 آورده شده است.
خصوصیات مصالح عبارت است از ضریب پواسون 0.3 و تنش تسلیم تیر، ستونهاي اصلی و فرعی 300 مگاپاسکال و تنش تسلیم و نهایی ورق به ترتیب 200 مگاپاسکال و 300 مگاپاسکال است. مدول الاستیسیته مصالح نیز 200 گیگاپاسکال میباشد.
4. تحلیل استاتیکی غیرخطی
آییننامههایی همچون FEMA و ATC استفاده از روش پوشآور را به عنوان روشی ساده شده و بادقت نسبتاً قابلقبول از رفتار غیرخطی سازه و البته در جهت اطمینان براي تعیین نقطه عملکردي سازه توصیه میکنند. در این شیوه عملکرد سازه در وضعیت حداکثر پاسخ سازه به زلزله طرح بررسی می-گردد. بدین ترتیب که ابتدا نقطهاي را به عنوان نقطه کنترل که معمولاً در تراز بام قرار دارد انتخاب گردیده و جابجایی در این تراز به سازه اعمال می-شود. این رابطه به صورت منحنی ظرفیت یا پوشآور بیان میشود که بیانگر تغییرات برش پایه سازه با جابجایی نقطه کنترل سازه میباشد.
5. معرفی مدلها و نتایج
در ابتدا مدل با ضخامت ورق 2 میلیمتر و ورق سخت کننده با عرض 100 میلیمتر و ضخامت 10 میلیمتر درنظر گرفته شد و مدلها با آنالیز استاتیکی غیرخطی 11.6 سانتیمتر پوش داده شدهاند. شکلهاي 3 و 4 به ترتیب نمودارهاي میلهاي بار و سختی مدلها را براي سخت کنندههاي مختلف نشان می- دهند (اعداد نوشته شده در زیر نمودار تعداد سخت کنندههاي افقی و قائم را به ترتیب از چپ به راست نشان میدهند). شکل 5 چند نمونه از مدل اولیه به منظور انتخاب چیدمان برتر را نشان میدهد.
براي مقایسه عملکرد سخت کنندهها براي اینکه، نمونهها از نظر مقدار مصالح مصرفی یکسان باشند سخت کننده نمونهاي که به صورت صلیب سخت شده است را با عرض 140 میلیمتر و ضخامت 10 میلیمتر در نظر گرفتیم تا از نظر مقدار مصالح مصرفی با دو نمونه دیگر یکسان باشند. نتایج به صورت نمودار بار-تغییرمکان و منحنیهاي هیسترزیس در اشکال 6، 7، 8، 9 و10 نشان داده شدهاند. سخت کنندههاي افقی و قائم تأثیراتی متفاوتی را از خود بجا گذاشتند. با توجه به سطح زیر نمودارهاي هیسترزیس نمونهها قابل مشاهده است که نمونهاي که با سخت کننده ضربدري تقویت شد انرژي بیشتري را جذب میکند. در نمونههایی که از سخت کننده بهره میبرند سطح زیر نمودار هیسترزیس بیشتر از حالت بدون سخت کننده است و میدانیم که سطح زیر نمودار هیسترزیس بیانگر جذب انرژي سیستم است و هرچه این سطح بیشتر باشد استهلاك انرژي بیشتري صورت میگیرد.
