بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه دیوارهای برشی فولادی به عنوان یکی از سیستمهای مقاوم در برابر زلزله شناخته شده و کاربرد فراوانی پیدا کرده است . استفاده از سخت کننده مناسب در دیوار برشی فولادی از کمانش کلی ورق جلوگیری کرده و باعث بهبود رفتار کمانشی و افزایش جذب انرژی می شود . در این تحقیق حداقل ممان اینرسی لازم برای جلوگیری از کمانش کلی ورق فولادی با استفاده از تئوری اندرکنش ورق و قاب - PFJ - به وسیله رسم منحنی تنش برشی کمانشی بر حسب ممان اینرسی سخت کننده محاسبه شده است .
نتایج آنالیزهای انجام شده روی دیوارهای برشی فولادی با سخت کننده های افقی ، قائم و متعامد نشان می دهد که استفاده از سخت کننده با ممان اینرسی در محدوده انتقال منحنی یاد شده باعث می شود تا کمانش دیوار برشی فولادی بدون بازشو به سمت کمانش موضعی متمایل گردد . بنابراین استفاده از ممان اینرسی در ناحیه انتقال منحنی یاد شده برای این دیوارهای برشی نتایج قابل قبولی به همراه خواهد داشت .
1. مقدمه
امروزه دیوار برشی فولادی به عنوان یک سیستم کارآمد برای مقابله با زلزله در جهان شناخته شده است . این دیوارها در نوع با و بدون سخت کننده به کار می روند . بررسی رفتار دیوارهای برشی فولادی با سخت کننده به منظور رسیدن به طرحی بهینه با جذب انرژی بیشتر از اهمیت زیادی برخوردار است . در طراحی سخت کننده های دیوارهای برشی فولادی بهتر است مقدار این سخت کننده ها باید در حدی باشد که در زیر صفحه ها کمانش موضعی رخ داده و در عین حال مقدار آنها بهینه و از نظر اقتصادی به صرفه باشد .
یکی از تئوری های مهم و کاربردی در بررسی رفتار دیوارهای برشی فولادی ، تئوری اندرکنش ورق و قاب می باشد در سال 1388 صبوری و سجادی روشی برای تخمین حداقل ممان اینرسی مورد نیاز برای سخت کننده های انواع مختلف دیوارهای برشی فولادی به منظور جلوگیری از کمانش کلی ورق ارائه دادند . [3] این روش بر پایه تئوری اندر کنش ورق و قاب پیشنهاد شد . صبوری و سجادی در سال 1388 نمونه های المان محدودی بدست آمده از این روش را با نمونه های آزمایشگاهی مشابه مقایسه کرده و نتایج قابل توجهی بدست آمد .
در این تحقیق دیوارهای برشی فولادی بدون بازشو با استفاده از نتایج این تحقیق ، تحت آنالیز غیر خطی قرار گرفته و بررسی شده اند . هدف از این تحقیق بررسی تأثیر ممان اینرسی سخت کتتده ها بر رفتار کمانشی زیر صفحه ها در انواع دیوارهای برشی با سخت کننده و بدون بازشو می باشد .
2. تعیین حداقل ممان اینرسی سخت کننده برای جلوگیری از کمانش کلی ورق براساس تئوری اندرکنش ورق و قاب
تئوری اندرکنش ورق و قاب - PFI - توسط صبوری ارائه شد [1] و . [2] در این تئوری دیوار برشی فولادی به صورت یک طبقه مجزا فرض شده و منحنی رفتاری نیروی برشی – تغییر مکان برای ورق و قاب پیرامون به طور جداگانه محاسبه می شود و با جمع آنها منحنی نیروی برشی – تغییر مکان دیوار برشی فولادی بدست می آید که در شکل 1 نشان داده شده است . این تئوری ، توانایی محاسبه ی رفتار نیروی برشی – تغییر مکان دیوارهای برشی فولادی با و بدون سخت کننده ، با و بدون بازشو را دارد .
تعیین حداقل ممان اینرسی لازم سخت کننده ها برای جلوگیری از کمانش کلی ورق با استفاده از المان محدود مطابق مراحل زیر پیشنهاد می شود :
-1 ورق و سخت کننده ها به همراه قاب پیرامون با استفاده از المان محدود و اتصال های قاب پیرامون آن به صورت مفصل مدل شود تا تنش برشی کمانش به دست آمده مربوط به رفتار ورق و سخت کننده ها باشد . همچنین سختی قاب پیرامون باید به اندازه ای باشد که همراه با ورق کمانه نکرده و تغییر شکل آن ناچیز باشد .
-2 پس از انتخاب ضخامت مناسب برای سخت کننده ها ، عرض سخت کننده ها از کم به زیاد افزایش یافته و هر بار با استفاده از آنالیز کمانش الاستیک مقدار تنش برشی کمانش به دست آید .
-3 نمودار منحنی تنش برشی کمانشی بر پایه ی ممان اینرسی سخت کننده رسم شود -4 در نمودار یاد شده پس از ممان اینرسی مشخصی تنش برشی کمانشی تقریباً ثابت می شود . مقدار این ممان اینرسی به عنوان حداقل ممان
اینرسی لازم برای جلوگیری از کمانش کلی تعیین شود .
.3 مشخصات هندسی نمونه ها
در این تحقیق 4 دیوار برشی فولادی بدون سخت کننده با چهار آرایش مختلف سخت کننده مورد بررسی قرار گرفته است . [4] این نمونه ها به ترتیب شامل دو سخت کننده افقی ، دو سخت کننده قائم ، دو سخت کننده افقی و یک سخت کننده قائم ، و دو سخت کننده افقی و دو سخت کننده قائم می باشند . ابعاد نمونه ها شامل ارتفاع 3 متر و طول دهانه ی 6 متر می باشد .
ضخامت ورق فولادی 8 میلیمتر و ضخامت سخت کننده ها 7 میلیمتر می باشد . جنس ورق نمونه ها از نوع فولاد با تنش تسلیم شدن 192/4 مگاپاسگال و جنس تیر و ستون ها از نوع فولاد با تنش تسلیم شدن 414/8 مگاپاسگال انتخاب شده است . سخت کننده ها از نوع یکطرفه هستند . فاصله عمودی سخت کننده های افقی 1 متر و فاصله بین سخت کننده های عمودی در حالت یک سخت کننده قائم 3 متر و در حالت دو سخت کتتده قائم 2 متر می باشد . شمایی از مدل های مورد استفاده در شکل 2 و 3 نشان داده شده است .
مراحل یاد شده برای تعیین حداقل ممان اینرسی لازم برای جلوگیری از کمانش کلی برای این چهار نمونه شده انجام شده و نمونه نمودار بدست آمده به شکل شماتیک در شکل 4 نشان داده شده است . برای مدل کردن نمونه ها از نرم افزار ANSYS 14.0 استفاده شده است
. المان ها از نوع SHELL 181 انتخاب شده اند . عرض سخت کننده ها از مقدار صفر - ورق بدون سخت کننده - تا 400 میلیمتر در نظر گرفته شده و با استفاده از آنالیز کمانش الاستیک تنش برشی کمانشی متناظر هر ممان اینرسی سخت کننده به دست آمده است . با استفاده از رسم مماس بر این منحنی دو نقطه ی P1 و P2 مشخص می گردد. هر گاه ممان اینرسی سخت کتتده کم باشد شکل مود کمانشی ورق و سخت کننده بسیار شبیه به ورق بدون سخت کننده است .
با افزایش ممان اینرسی سخت کننده کمانش موضعی و کمانش سخت کننده ها با ورق همزمان دیده می شود که در اطراف نقطه ی P1 این پدیده ایجاد می شود . با افزایش ممان اینرسی حالتی ایجاد می شود که زیر صفحه ها کمانش موضعی می کنند و سخت کننده ها با ورق کمانه نمی کنند که این پدیده در اطراف نقطه ی P2 اتفاق می افتد . از نقطه ی P2 به بعد با افزایش ممان اینرسی سخت کننده ها همواره کمانش موضعی در زیر صفحه ها ایجاد می شود . نقطه ی P2 نقطه ی متناظر حداقل ممان اینرسی لازم برای جلوگیری از کمانش کلی ورق است . نقطه ی P1 به P2 ناحیه ی انتقال از کمانش کلی به موضعی نامیده می شود
انجام آزمایش بر روی نمونه های دیوارهای برشی فولادی ، می تواند بسیار وقت گیر و زمان بر باشد و به همین دلیل تعداد آنها محدود است . در این تحقیق سعی بر آن شده تا از نمونه های کالیبره شده در آزمایشات قبلی استفاده شود . [3] در این تحقیق برای هر نمونه یکبار عرض و ضخامت سخت کننده طوری در نظر گرفته شده است که دارای ممان اینرسی کمی بیشتر از نقطه P2 باشد و یکبار عرض و ضخامت سخت کننده به گونه ای اختیار شده است که دارای ممان اینرسی بین نقطه P1 و P2 - ناحیه انتقال - باشد . در هر دو حالت نمونه آنالیز غیر خطی قرار گرفته و شکل کمانش زیر صفحه ها بدست آمده است .
.4 بررسی نتایج آنالیز نمونه ها
شکل کمانش زیر صفحه ها در هر چهار نمونه دیوار برشی فولادی در هر دو حالت استفاده از ممان اینرسی بزرگتر از نقطه P2 ، و استفاده از ممان اینرسی ناحیه انتقال از کمانش کلی به موضعی ، در شکل های 5 تا 12 نشان داده شده است .
مشاهده می شود که اگر چه در برخی نمونه ها سخت کننده ها هم دچار کمانش شده اند ، اما شکل کمانش زیر صفحه ها حتی در حالت ممان اینرسی حالت انتقال هم نزدیک به موضعی می باشد .
.5 نتیجه گیری
در این تحقیق چهار نمونه دیوار برشی فولادی بدون بازشو با آرایشهای متفاوت متعامد مورد بررسی قرار گرفته است . سخت کننده ها یکبار با ممان اینرسی بزرگتر از نقطه P2 که به عنوان حداقل ممان اینرسی لازم برای جلوگیری از کمانش کلی ورق معرفی شده است طراحی شده اند و یکبار با ممان اینرسی ناحیه انتقال از کمانش کلی به موضعی مورد بررسی قرار گرفته اند .
نتایج آنالیز غیر خطی نشان می دهد که استفاده از ممان اینرسی ناحیه انتقالی برای همه نمونه های متعامد و غیرمتعامد موجب می شود شکل کمانش زیر صفحه ها به سمت کمانش موضعی میل کند . بنابراین می توان با استفاده از ناحیه انتقال در طراحی سخت کننده های دیوار برشی فولادی بدون بازشو به طرحی دست یافت که علاوه بر بهینه و اقتصادی بودن عملکرد مناسبی نیز داشته باشد
