بخشی از مقاله
تأثیر آرایش سخت کننده ها بر رف ر دیوار برشی فولادی
چکیده - از دیوارهای برشی فولادی برای ساخت و مقاومسازی ساختمانهای مهمی در دنیا به ویژه در کشورهای زلزل خیزی چون آمریکا و ژاپن استفاده شده است. مطالعات آزمایشگاهی و نظری همگی حاکی از رفتار بسیار مناسب این سیستم در برابر بارهای سنگین جانبی میباشد. در این مقاله مدلهای متعدد دیوارهای برشی فولادی در نرم افزار اجزا محدود ABAC)US ساخته و از انالیز استاتیکی غیرخطی برای تحلیل نتایج استفاده، و اثرات تغییر شکلهای بزرگ و نیز اثرات غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی نیز در مدلسازی ها لحاظ شد.همچنین با استفاده از دو مدل معتبر آزمایشگاهی مدلسازی صورت گرفته و تاثیر سخت کننده ها بر رفتار دیوار های برشی فولادی و پارامتر های مؤثر بر آن شامل تأثیر نوع آرایش سخت کننده ها و اثر ضخامت دیوار بر ظرفیت باربری و جذب و اتلاف انرژی بررسی شده است که حاکی از رفتار مطلوب و افزایش ظرفیت باربری و جذب انرژی مدل های سخت شده نسبت به مدل بدون سخت کننده دارد.
کلید واژه - جذب و اتلاف انرژی، دیوارهای برشی فولادی، سخت کننده، ظرفیت باربری
مقدمه
دیوارهای برشی فولادی به دلیل رفتار لرزهای مناسب، در سه دهه اخیر مورد استقبال طراحان در سرتاسر دنیا قرار گرفته و ساختمانهای زیادی در مرحله طراحی و تقویت از این سیستم استفاده نموده اندا ۱ ال اگر چه دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک بیش از نوع دارای سخت کننده ان به کار گرفته شدهاند، اما نصب سخت کننده باعث جلوگیری از کمانش دیوار تحت بارهای سرویس نظیر باد گردیده و از این بابت در سازههای بلند مورد توجه است(شکل ۱-۱).
شکل(۱-۱) : دیوارهای برشی فولادی دارای سخت کننده و بدون سخت کننده
برای افزایش میزان جذب انرژی در دیوارهای برشی فولادی و بهبود منحنی های هیسترزیس به دو صورت زیر راه حل وجود دارد که عبارتند از:
۱) افزایش ضخامت ورق دیوار فولادی
۲) تقویت ورق فولادی دیوار به کمک سخت کننده ها راه حل اول غیر اقتصادی است زیرا برای بهبود منحنی های هیسترزیس دیوار های مذکور لازم است ضخامت ورق دیوار آنقدر افزایش داده شود تا ورق قبل از جاری شدن کمانش ننماید که این افزایش ضخامت بسیار قابل توجه خواهد بودا ۲ اراه حل دوم که از طریق تقویت ورق فولادی توسط یک سری سخت کننده صورت می گیرد، کاملاً مؤثر و اقتصادی می باشد و باعث افزایش جذب انرژی و بهبود منحنی هیسترزیس می شود.
مدل سازی و صحت سنجی با استفاده از آزماشهای گذشته
در این تحقیق جهت بررسی صحت مدل سازی با استفاده از المان Shel، نتایج بدست امده از ازمایش انجام شده توسط صبوری و سجادی در سال ۲۰۰۹ ||۳]، با استناد بر آزمایشهای صورت گرفته توسط تاکاهاشی و همکاران ، استفاده شده است. از دو نمونه دیوار برشی فولادی یک طبقه و یک دهانه فاقد بازشو، که یکی از آنان در حالت تقویت شده و دیگری بدون استفاده از سخت کننده به منظور استفاده از صحت نتایج مدل سازی استفاده شده و منحنی های بار - تغییر مکان برشی نمونه های عددی با منحنی های متناظر آزمایشگاهی مقایسه شده اند.
۲- ۱- فرضیات کلی مدل سازی عددی
با توجه به اینکه در این تحقیق از نرم افزار المان محدود ا ABAQUS برای کالیبره نمودن مدل با نمونه آزمایشگاهی استفاده گردیده است، لذا از فرضیات زیر جهت مدلسازی استفاده شده است.
۱) جهت مدلسازی تیر، ستون ها، پانل برشی و سخت کنندههای عمودی و افقی از المان چهار گرهای Shell با انتگرال گیری کاهش یافته (S4R) استفاده گردیده است
۲) جنسی تیر و ستونهای قاب اطراف از فولاد 52st با تنش تسلیم ۴۱۴/۹ و تنش نهایی ۵۵۱/۸ مگاپاسگالی، و جنس سخت کننده های قائم و افقی از فولاد St37 با تنش تسلیم ۲۴۰ و تنش نهایی ۳۷۰ مگاپاسگال انتخاب گردید. جنسی مصالح پانل از فولاد 4 Stl با تنش تسلیم ۱۹۲/۴ و تنش نهایی ۲۷۷/۲ مگاپاسگال، که به اصطلاح فولاد نرم (فولاد جاذب انرژی) نامیده می شود انتخاب گردیده است.
۳) برای تعریف مشخصات الاستیسیته مصالح از مواد ایزوتروپیک که مدول الاستیسیته آنها در تمام جهات یکسان میباشد استفاده گردیده است. مدول الاستیسیته فولاد مصرفی ۲۱۰۰۰۰ مگاپاسگال و ضریب پواسون ۰/۳ در نظر گرفته شده است.
۴) برای تعریف مشخصات پلاستیسیته مصالح از منحنی دو تنش-کرنش استفاده شده است. مصالح تعریف شده دارای قابلیت سخت شوندگی ایزوتروپیک میباشند، این مدل پلاستیسیته مناسب برای فلزات تحت بارگذاری پوشی میباشد. از انجایی که مصالح مورد استفاده فولاد میباشد از معیار فونمایسز برای گسیختگی مصالح استفاده گردیده است. این معیار که بر اساس انرژی اعوجاجی می باشد، مناسبترین معیار برای مصالح انعطاف پذیر مانند فولاد می باشد
۵) بارگذاری نمونه ها بصورت جابجایی انجام و به مدلها اعمال گردیده است. از آنالیز استاتیکی غیرخطی برای تحلیل نتایج استفاده، و اثرات تغییر شکل های بزرگ و نیز اثرات غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی نیز در مدلسازی ها لحاظ شده و برای معادلات از روش حل مستقیم استفاده گردیده است.
۶) با توجه به اینکه انتهای ستونها، پانل و سخت کنندهها در نمونه آزمایشگاهی به تیر صلب کف آزمایشگاه متصل گردیده بود لذا جهت مدلسازی تکیهگاه های گیردار در نرم افزار، تمام درجات آزادی انتقالی و چرخشی گره های انتهایی ستونها، پانل و سخت کننده ها مقید گردیده است.
۲- ۲- صحت سنجی نتایج
با توجه به شرایط اجرایی و به علت وجود بارهای تحت سرویس در دیوارهای برشی فولادی، پانل برشی پس از نصب دارای مقداری اعوجاج اولیه ناشی از کمانش می باشد، لذا جهت شبیه سازی این پدیده در اجزاء محدود در زیر صفحههای بین سخت کنندهها مقداری جابهجایی در جهت عمود بر زیر صفحه ها جهت ایجاد Imperfection (نقص هندسی اولیه) وارد شده است. با توجه به این که در بیشتر مواقع در نرمافزارهای اجزاء محدود نتایج با تغییر اندازه دانه های مش بندی تغییر می کند لذا جهت تعیین اندازه مناسب دانه های مشی، مش بندی با ابعاد ۲۵، ۳۵، ۴۵، ۵۰، ۵۵ و ۶۰ میلیمتر انجام گرفت و پس از بررسی نتایج آنالیز و مقایسه منحنی پوش حاصل از المان محدود با منحنی آزمایشگاهی مش بندی با ابعاد ۵۰ میلیمتر جهت مش بندی مدلها انتخاب گردید. مقایسه منحنی بار - تغییر مکان برشی حاصل از نتایج عددی و آزمایشگاهی در اشکال (۱-۲) و (۲-۲) ارائه شده است. با مشاهده دو شکل مذکور انطباق قابل قبولی بین منحنی عددی و آزمایشگاهی دیده می شود.
شکل (۱-۲)؛ مقایسه منحنیهای مربوط به صحت سنجی نتایج اجزاء محدود و آزمایشگاهی در نمونه سخت شده
شکل (۲-۲): مقایسه منحنی های مربوط به صحت سنجی نتایج اجزاء محدود و آزمایشگاهی در نمونه بدون سخت کننده
۳-۲- مدل سازی و معرفی مشخصات نمونه
در این بخش اثر آرایش سخت کننده ها بر رفتار یک دیوار برشی فولادی با استفاده از نرم افزار ABAQUS بررسی و تعیین می شوند. در روند مدل سازی، تمامی ابعاد و مشخصات مدلها برحسب میلیمتر، ظرفیت باربری و نیروهای اعمالی برحسب نیوتن میباشند. لازم به ذکر است در تمامی مدلهای مورد بررسی H به معنی Horizonal یا افقی و V به معنیVertical یا قائم می باشد.
۴-۲- مقایسه ی نحوه ی آرایش سخت کنندهها در یک دیوار برشی فولادی
در این قسمت پنج حالت مختلف از دیوارهای سخت نشده و سخت شده با تعداد و شکلهای مختلف آرایش سخت کننده ها 52H2V 1HIV.1H2V 2 HIV OHOV J.L. دارای ابعاد و ضخامت ها و مشخصات هندسی مشابهی بودند، بررسی شده است. به عنوان نمونه مدل دیوار برشی بدون سخت کننده نمونه دیوار برشی با دو ساخت کننده افقی و قائم (2H2V) را در زیر مشاهده می کنید شکل های (4-2)(۳-۲)
شکل (3-۲) : نمونه دیوار برشی بدون سخت کننده
شکل (۴-۲) : نمونه دیوار برشی با دو سخت کننده 2H2V
مدلها از لحاظ نسبت ظرفیت باربری مورد بررسی قرار گرفته اند که دیوارهای دارای سخت کنندههای متعامد و متقارن عملکرد بهتری نسبت به سایر مدلها دارند شکل(۵-۲). جهت مقایسه ی بهتر میزان افزایش ظرفیت باربری، مدل های سخت شده نسبت به نمونه های سخت نشده مورد مقایسه قرار گرفته است و همانطور که در شکلی (۶-۲) نشان داده شده است با افزایش تعداد سخت کننده ها، میزان ظرفیت باربری از ۱۱ تا ۲۳ درصد افزایش پیدا میکند .
شکل (۵-۲) مقایسه ظرفیت باربری برای انواع مدل ها
شکل (۶-۲)درصد افزایش ظرفیت باربری مدل ها نسبث به نمونه سخت نشده
درشکل های (۷-۲) و (۸-۲) نمودار بار تغییر مکان مدل ها ارایه شده است. با توجه به این نمودارها مشاهده می شود که با افزایش تعداد سخت کننده ها میزان سطح زیر نمودار که مساوی با ظرفیت اتلاف انرژی می باشد، افزایش می یابد. که این میزان تنها با وجود افزایش دو سخت کننده طولی و عرضی افزایش ۲۰ درصدی داشته است.
شکل (۸-۲):نمودار بار تغییر مکان نمونه های متقارن
شکل (۸-۲):نمودار بار تغییر مکان نمونه های نامتقارن
۲- ۵- مقایسهی رفتار دیوارهای سخت شده با سخت کنندههای متقارن و متعامد
۵-۲- ۱- دیوارهای سخت شده با وزن یکسان با توجه به نتایجی که از مقایسه نحوه ی آرایش سخت کنندهها در دیوار برشی فولادی بدست آمده مقایسه ای بین دیوارهای با سخت کننده های متقارن انجام شد تا تأثیر تعداد سخت کنندههای متقارن در یک دیوار مورد مطالعه قرار گیرد. جهت این امر مطابق مشخصات مندرج در جدول (۱-۲) ازمدلهای و استفاده شده است.
در تمامی این مدلها مقطع تیر و ستون ثابت فرض شده است.
جدول(۱-۲): مشخصات مدلهای سخت شده با سخت کنندههای متقارن و متعامد و وزن یکسان
