بخشی از مقاله
چکیده
درطی سال هاي اخیر، استفاده از دیوار برشی فولادي براي گرفتن نیروهاي جانبی زلزله و باد درساختمان ها، به ویژه ساختمان هاي بلند مطرح و مورد توجه قرار گرفته است این پدیده که در جهان به سرعت رو به گسترش می باشد در ساخت ساختمانهاي جدید و همچنین تقویت ساختمان هاي موجود به خصوص درکشورهاي لرزه خیزي همچون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده که در مقایسه با قابهاي فولادي خمشی، تا حدود50 درصد صرفه جویی درمصرف فولاد را درسازه دارا می باشد در این مطالعه به بررسی رفتار دیوارهاي برشی جدار نازك با 3 نوع مدل صفحه توپر، مدل نواري با تعداد و زوایاي مناسب نوار و سیستم مدل نواري با تعداد و زوایاي نامناسب پرداخته شده است. رفتارهاي مورد بررسی شامل ماکزیمم جابجایی پس از ورود به ناحیه پلاستیک، جابجایی درتراز مقاومت اولین تسلیم سازه، ماکزیمم برش پایه تحمل شده توسط سازه، خواهد بود. قاب هاي 3 و 12 طبقه مدل شدند. در نرم افزار Etabs بارهاي زنده و مرده وارد شده و سپس به تعریف بارگذاريهاي جانبی چرخهاي مربوط به تحلیل استاتیکی و دینامیکی غیر خطی تحت 3 نمونه شتاب نگاشت مورد نظر پرداخته میشود. نتایج نشان میدهد کمترین تغییرمکان حداکثر، حداقل برش پایه و حداقل انرژي کرنشی در همه ي موارد در مدل نواري حالت مناسب رخ میدهد.
واژه هاي کلیدي: دیوار برشی فولادي ورق نازك، مدل نواري، زاویه مناسب مدل نواري، .Abaqus
-1 مقدمه
دانش بشري نه تنها براي جلوگیري از زلزله کافی نیست بلکه حتی پیش بینی وقوع آن نیز در حال حاضر امکان پذیر نمیباشد در این صورت دو راه حل وجود دارد: تسلیم شدن در برابر این رویداد طبیعی و یا مقابله منطقی و اصولی با آن درجهت کاهش هر چه بیشترخسارت احتمالی. تسلیم شدن درمقابل زلزله، ازهیچ پایگاه عقلی، قانونی و شرعی برخوردار نیست. پس باید به مقابله منطقی و علمی با آن برخاست. درطی چند دهه اخیر یک سیستم مقاوم سازهاي جدید مورد توجه محققین قرار گرفته و تحقیقات و مطالعاتی درمورد آن صورت پذیرفته است این سیستم، سیستم دیوار برشی فولادي میباشد که از یک ورق فولادي که توسط یک قاب مرزي محاط شده تشکیل یافته است.
طرح استفاده از دیوار برشی فولادي با ورق نازك براساس نتایج مطالعات انجام شده بر روي تیرورقها براي اولین بار در دهه 80 میلادي در دانشگاه آلبرتاي کانادا توسط تیملر و کولاك مطرح گردید او بررسی ها و مطالعات تئوریک و آزمایشگاهی خود را صرفاً بر روي دیوار برشی فولادي با ورق نازك متمرکز کرده و ضمن انجام آزمایشهایی براي محاسبه ظرفیت نهایی آنها، صفحه نازك جان را با یک سري میله هاي کششی مورب جایگزین نمودند .[1] در سیستم دیواربرشی فولادي اتصال بین تیرها و ستون ها هم می تواند گیردار و هم ساده باشد و برخلاف تیرورق ها که به علت ضعیف بودن بالها، نقش بسزایی در حمل نیرو ندارند، در دیوارهاي برشی فولادي ستونها میتوانند نقش تعیین کنندهاي در باربري و رفتار سیستم ایفا نمایند .[2] از نظر مقاومت وسختی دو نوع دیواربرشی فولادي وجود دارد: .1 دیوار برشی با سخت کننده - تقویت شده - .
.2 دیوار برشی بدون سخت کننده.
مطالعات آزمایشگاهی مختلفی برا روي دیوارهاي برشی فولادي انجام شده است. از جملهي این آزمایشات میتوان تیملر و کولاك [1]،درایو [2] و رضایی [3]، نام برد. این آزمایشات نشان میدهدسیستم مذکور از شکل پذیري بسیار خوبی برخوردار است به طوري که در بعضی گزارشات تحقیقاتی ضریب شکل پذیري تغییر مکان دیوار برشی فولادي تا بیش از 14 رسیده است. براي بهبود منحنی هیسترزیس و افزایش جذب میزان انرژي - افزایش سطح زیرمنحنی هاي هیسترزیس - دردیوارهاي برشی به دو صورت می توان عمل نمود:
الف : افزایش ضخامت ورق فولادي ب : تقویت ورق فولادي به کمک سخت کننده ها آزمایشاتی که توسط تاکاناشی و همکاران [4] بر روي تعدادي پانل برشی فولادي با ورق با ضخامتهاي مختلف و سخت کنندهها با ابعاد، فواصل و آرایشهاي متفاوت صورت گرفته نشان میدهد که با تقویت مؤثر ورق فولادي میتوان منحنیهاي هیسترزیس را در دیوارهاي برشی فولادي از S شکل به دوکی شکل تبدیل کرده و بدین ترتیب با افزایش سطح زیر منحنی هاي مذکور، میزان جذب انرژي را بالا برده و رفتار دیوارهاي مذکور را بهبود بخشید.
با مقایسه نتایج آزمایشگاهی قاب خمشی و دیوار برشی جدار نازك، سختی دیوار برشی جدار نازك 10 برابر قاب خمشی میباشد. همچنین مقاومت نهایی دیوار برشی 3 برابر قاب خمشی است. همچنین قاب در نسبت بسیار پایین تري نسبت به نمونه دیوار برشی ، انرژي را جذب می کند به همین نسبت، میزان اتلاف انرژي نیز در قاب بسیار پایین تر از پانل دیوار برشی است .[5] با مقایسه دیوار برشی جدار نازك با اتصال صلب تیر به ستون و اتصال مفصلی تیر به ستون منحنی هیسترزیس آنها اختلاف کمی دارد و علت اصلی اختلاف در بار حاصل از تغییر مکان، اختلاف بین تنش تسلیم است از مقایسه بین منحنی هاي چرخه اي و میزان انرژي جذب شده، مشخص می شود که تأثیر نوع اتصال تیر به ستون بر روي رفتار این سیستم تقریباً ناچیز و بی اهمیت است .[5] نتایج حاصل از تحلیل استاتیکی غیر خطی تحت یک بار در تراز انتهایی به همراه نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که سختی اولیه و مقاومت نهایی درنمونه تحلیلی بیشتر از نتایج آزمایشگاهی است.
-2 مدل تحلیل نواري
بطور معمول در دیوار برشی فولادي جدارنازك انتظار می رود صفحات فولادي در امتداد قطر کششی دچارکمانش شوند. پس از کمانش، عملکرد زمینه تنش مورب یک مکانیزم مناسبی براي مقابله با نیروهاي برشی در دیوار می گردد. این رفتار باید در تجزیه و تحلیل و مدل سازي دیوار برشی با استفاده از عناصر پوسته مورد استفاده قرار گیرد تا اینکه صفحه بتواند به کمانش برسد. اگر نرم افزارها توانایی تجزیه و تحلیل کمانش پوسته را ندارند براي شبیه سازي قطر فشاري دیوار برشی میتوان از عناصر پوسته و مواد ایزوتروپیک استفاده نمود. بنابراین با این حال اگر نرم افزار تجزیه و تحلیل، داراي مواد ایزوتروپیک نیز نباشد یا حداقل، عناصر پوسته ارتوتروپیک را شامل باشند در آن صورت صفحات فولادي را میتوان با یک سري از اعضاهاي خرپایی درامتداد میدان تنش جایگزین نمود.[6]
این روش معمول بنام روش نواري - خرپایی - که در آئین نامه کانادا ارائه شده و بر مبناي تئوري کشش مورب خالص واگنر - - 1931 بنا شده است و نشان دهنده پانل هاي برشی هستد که به عنوان یک سري از اعضاي نواري متمایل که فقط قادر به انتقال نیروهاي کششی و در جهت همان نیروها در پانل عمل مینمایند. مساحت هر نوار برابر حاصل ضرب عرض نوار در ضخامت ورق می باشد .[7] براي بررسی اثرات تغییر زاویه شیب نوارهاي کششی، درمدل سه طبقه الگالی چهار زاویه مختلف مورد بررسی و تحلیل قرار گرقته است. زوایاي انتخاب شده 34 ، 41، 47، 55 درجه است. نتایج نشان می دهد سختی اولیه در همه نمونههاتقریباً یکسان است اما انتخاب زاویه کوچکتر از 45 درجه موجب افزایش مقاومت تا 12 درصد می شود. با این وجود می توان گفت که فرمول ارائه شده در آیین نامه کانادا قابل قبول است و حتی می توان به صورت محافظهکارانه زاویه 45 درجه را مدنظر قرار داد .[8]
-3 صحت سنجی مدلسازي
جهت بررسی و صحت سنجی مدل در نرم افزار المان محدود از نمونه هاي آزمایشگاهی نیلسون بهره گرفته شده است که روند مدل سازي به شرح ذیل می باشد :[9]
-4 تحلیل المان محدود
به منظور انجام بررسی هاي مورد نظر بر روي دیوارهاي برشی فولادي جدار نازك، طراحی به حالت دو بعدي در نرم افزار Etabs انجام شده و بعد از مشخص شدن ابعاد مقاطع و نیروهاي زلزله وارد بر هر طبقه، براي انجام تحلیل تاریخچه زمانی و تحلیل دینامیکی غیرخطی تحت 3 شتاب نگاست نزدیک به گسل، قاب هاي مورد نظر با ابعاد مقاطع و نیروي هاي به دست آمده در نرم افزار Abaqus مدل سازي شد.
-5 مشخصات مدلهاي مورد بررسی
در این مطالعه به بررسی رفتار دیوارهاي برشی جدار نازك با 3 نوع مدل صفحه توپر، مدل نواري با تعداد و زوایاي مناسب نوار و سیستم مدل نواري با تعداد و زوایاي نامناسب پرداخته شده است. براي اینکه بررسی شامل سازه هاي متعارف باشد، براي هرمدل مهاربندي دو تراز ارتفاعی 3 طبقه و 12 مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
