بخشی از مقاله
خلاصه
دیوارهای برشی فولادی معمولا در دو نوع سختشده و سختنشده ساخته میشوند. به طور کلی انواع سختشده از نظر عملکرد لرزهای و نیز مسائل بهرهبرداری مناسبتر میباشند اما بخاطر وجود سختکنندههای متعدد و جزئیات اجرایی فراوان، باید وقت و هزینه زیادی برای ساخت آنها صرف گردد. بنابراین ایده دیوار برشی فولادی موجدار با این هدف ارائه شده است که با بهرهگیری از سختی برون صفحهای ذاتی ورق، که از شکل هندسی موجها ایجاد میگردد، به نوعی بدون به کارگیری هرگونه سختکنندهای، کمانشهای موضعی و کلی ورق تا اندازهای مهار گردند. در سالهای اخیر به دلیل مسائل معماری، تجهیزات و تاسیسات داخل ساختمان و... استفاده از بازشوها اجتناب ناپذیر است.
بازشوها در سازههای امروزی میتوانند تاثیرات مهمی در رفتار سازه مثلا در سختی و مقاومت ایجاد کنند، در این پژوهش به روش المان محدود و با استفاده از نرم افزار اجزای محدود آباکوس به تحلیل غیرخطی دیوار برشی فولادی موجدار دارای بازشو شش ضلعی با تقویت اطراف بازشو پرداخته شده است. تحلیل و آنالیز مدلها نشان میدهد با افزایش ابعاد بازشو بدون تقویت مقاومت و سختی کاهش، و با تقویت اطراف بازشو میزان مقاومت و سختی افزایش مییابد.
-1 مقدمه
دیوار برشی فولادی از سال 1970 میلادی در ساختمانهای مختلف بویژه ساختمانهای بلند بعنوان یک سیستم با عملکرد مناسب جهت مقابله با نیروهای جانبی شناخته شده است. دیوار برشی فولادی شامل ورق پرکننده فولادی میباشد که پیرامون آن را سیستم تیرها و ستونها در بر گرفته است شکل . - 1 - این سیستم همانند یک تیر ورق فولادی که بصورت طرهای قرار گرفته شده و از پایه گیردار میباشد در نظر گرفته میشود که ستونها نقش بالهای تیرورق را ایفا میکنند در حالیکه تیرها به عنوان سختکنندههای جان عمل میکنند.
سختی الاستیک بالا، شکلپذیری زیاد و رفتار هیسترزیس پایدار در بارگذاری رفت و بر گشتی از خصوصیات این سیستم میباشد. همچنین استفاده از دیوارهای برشی فولادی سبب صرفهجویی در مصرف فولاد نسبت به سیستم قاب خمشی میگردد. با توجه به جذب و اتلاف انرژی بالا کاربرد این سیستم در مناطق لرزهخیز مطلوب و اقتصادی میباشد.[1] اولین تحقیق قابل توجه برای بررسی مقاومت پس ازکمانش پانلهای برشی بر روی تیرورقها توسط واگنر در سال 1931 انجام گرفته است. پس از او دانشمندان بسیاری مانند کوهن ، باسلر، پورتر و ... بر روی میدان کشش قطری تیرورقها مطالعه نمودند بطوریکه در محاسبه مقاومت نهایی سختی بالها نیز با توجه به نتایج آزمایشگاهی درنظر گرفته شد.
در مطالعات بر روی دیوارهای برشی فولادی، اخیرا دیوار های دارای بازشو مد نظر محققان قرار گرفته است. زیرا در مواردی وجود بازشوها به دلایل معماری و یا عبورسیستمهای تاسیساتی در دیوار اجتناب ناپذیر می باشد. وجود بازشو باعث کاهش ظرفیت وسختی سیستم میگردد. در سال 1973، Takahashi و همکاران یک سری از مطالعات آزمایشگاهی و المان محدود روی دیوار برشی فولادی با ورق نازک تقویت شده با آزمایشهای رفت و برگشتی شبه استاتیکی از 12 نمونه 1 و 2 طبقه را انجام دادند .تمام نمونه ها دارای سخت کننده های عمودی یا عمودی و افقی در یک یا دو طرف ورق فولادی به جزء نمونه اول بودند که نتایج نشان داد نمونهها قادرند تغییر شکلهای بزرگی را تحمل کنند و رفتار بسیار پایدار و شکلپذیری از خود نشان دهند.
در سال 1991، صبوری قمی و رابرتز درانگلستان آزمایشهای رفت و برگشتی شبه استاتیکی را روی 16 پانل نازک تقویتنشده جهت بررسی تغییرات بار- تغییرمکان انجام دادند که بعضی از پانلها دارای بازشو بودند. تمام پانلها شکلپذیری کافی از خود نشان دادند، همچنین این محققین نتیجه گرفتند که مقاومت و سختی بطور خطی با ضریب - - 1 D d کاهش مییابد که D قطر بازشو و d ارتفاع پانل میباشد .[2] در سال 2012 آقای حسینزاده و تهرانیزاده بازشو مستطیل شکل با سختی زیاد در دیوار برشی فولادی را معرفی کردند. در این تحقیق تعدای دیوار برشی فولادی با و بدون بازشو به صورت عددی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و نتایج نشان داد که استفاده از صفحات دارای ضخامت مختلف و یا استفاده از پروفیلهای ضعیفتر برای عناصر مرزی میتواند رفتار و باربری سیستم را دچار تغییرات کند، همچنین هندسه و نوع بازشو در دیوارهای برشی باعث تغییر درنتایج میشود .
[3] در سال 2013 آقای امامی و مفید مطالعه آزمایشگاهی از رفتار چرخهای دیوار برشی فولادی ذوزنقهای ورق موجدار انجام دادند که سختی، نسبت شکلپذیری و ظرفیت اتلاف انرژی از سه دیوار برشی فولادی - بدون سخت کننده، ذوزنقهای موجدار عمودی و افقی - مختلف را مود مقایسه قرار دادند که نتایج آزمایش نشان داد اگرچه مقاومت نهایی نمونه غیر سختشده نزدیک 17 درصد بزرگتر نسبت به نمونههای موجدار بود اما ظرفیت اتلاف انرژی، نسبت شکلپذیری و سختی اولیه نمونه موجدار به ترتیب حدود 52 ، 40 و 20 درصد بزرگتر از نمونه سختنشده است .[4] در این مقاله به تاثیرات تقویت اطراف بازشو و همچنین اشکال مختلف با ابعاد متفاوت بازشو بر روی رفتار دیوار برشی فولادی دارای بازشو پرداخته شده است.
-3 روشهای مدلسازی دیوار برشی فولادی
-1-3 روش نواری: این روش براساس تحقیقات انجام شده توسط کولاک و همکارانش میباشد که در آن پانلهای برشی به صورت یک سری اعضای نواری مورب مدل شدهاند که فقط قادر به تحمل نیروهای کششی میباشند. استفاده از مدل نواری فقط محدود به دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک است و استفاده از آن درصفحات ضخیم با خطاهای زیاد همراه میباشد که این امر به نوبه خود از دقت محاسبات میکاهد و جوابهای دور از واقعیت را ارائه میکند. در این مدل برای دیوارهای برشی فولادی در حالتهای دارای بازشو و یا با سختکننده هیچ راهحلی ارائه نشده است.[5]
-2-3 روش اندرکنش ورق وقاب - : - PFI برای از میان بردن محدودیتهای روش نواری، صبوری و روبرتس یک روش کلی برای تحلیل و آنالیز دیوارهای برشی فولادی در حالتهای مختلف با سختکننده، بدون سختکننده، با بازشو و بدون بازشو و با ورق نازک و ضخیم ارائه دادند. در این روش که اندرکنش ورق و قاب - Plate-Frame Interaction - PFI نامیده میشود، ابتدا رفتار ورق فولادی و قاب محیطی به صورت جداگانه مورد مطالعه قرار گرفته و سپس با استفاده از اصل جمع آثار قوا، رفتار پانل و اندرکنش ورق با قاب مورد بررسی قرار میگیرد.[5]
-3-3 روش اصلاحشده اندرکنش ورق وقاب : - M-PFI - روش قبلی در تحلیل دیوارها تنها اثر نیروهای برشی را لحاظ مینمود. خرازی و همکاران در سال 2008 روش M-PFI را ارائه کردند. ویژگی این روش نسبت به روش PFI آن است که اثر لنگر واژگونی را بر پاسخ سیستم دیوار برشی فولادی در دیاگرام بار-جابجایی لحاظ میشود. این مدل رفتار دیوارهای برشی فولادی را به سه بخش تقسیم میکرد: کمانش الاستیک، پس کمانش و تسلیم. ابتدا تحلیل برشی بر روی رفتار ورق و قاب بصورت جداگانه انجام میشود و سپس روابط نیروی برشی در مقابل تغییر مکان پانل با جمع رفتار برشی هر یک بدست میآید. پس از آن تحلیل خمشی - با فرض اینکه ورق و قاب بصورت واحد عمل میکنند - صورت میگیرد. این مدل درمقایسه با نتایج آزمایشگاهی متعدد سازگاری خوبی ازخود نشان داده است.[5]
-4-3 روش اجزای محدود : - FE - با توجه به پیشرفتهای صورت گرفته در توانایی محاسباتی کامپیوترها در سالهای اخیر، مدلسازی به روش FE سه بعدی برای مطالعهی رفتار سیستمهای دیوار برشی فولادی بسیار رایج شده است و معمولا اثر غیرخطی بودن هندسه و مواد در آن لحاظ میشود. روشهای FE به منظور مطالعهی رفتار خرابی سیستمهای دیوار برشی فولادی تحت بار جانبی و بارهای دیگر همچون انفجار و شبیهسازی کارهای آزمایشگاهی پذیرفته شده است .[5]
در این تحقیق برای مدلسازی از روش اندرکنش ورق و قاب - PFI - استفاده شده است.
-4 نحوهی مدلسازی دیوار برشی فولادی
شکل -2 خواص هندسی صفحه ذوزنقه ای موجدار - mm -
برای اینکه در بارگذاری تمرکز تنش در بالهای ستون ایجاد نگردد از دو پلیت صلب به ابعاد 160 * 160 میلیمتر - در مدل صلب ضخامت تعریف نمیشود - و همچنین برای مدلسازی تیر کف آزمایشگاه یک پلیت صلب به ابعاد 200 * 4000 میلیمتر مدل شد. در این مقاله دیوار برشی فولادی با نرمافزار اجزای محدود غیر خطی آباکوس مطابق شکل - 3 - مدل شد و صحت و دقت نتایج با نمونه آزمایشگاهی کنترل گردید.
