بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر با توجه به توسعه شهرها و پیشرفت ساخت و ساز در کشورمان، لزوم توجه به پدیده زلزله و نیروی باد برای مهندسین طراح مسئلهای جدی به شمار میرود. برای مهار نیروهای جانبی در ساختمان میتوان از انواع مختلف سیستمهای باربر جانبی استفاده نمود. در این راستا، سیستم دیوار برشی فولادی در سه دهه اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است. بنا بر تحقیقات انجام شده، این سیستم باربر جانبی دارای خصوصیات مثبت متعدد نظیر شکلپذیری بالا، مقاومت کافی، ظرفیت جذب انرژی زیاد، هزینه ساخت مناسب و اجرای آسان هستند.
هم اکنون در بسیاری از کشورها نظیر آمریکا، کانادا، انگلستان، ژاپن و مکزیک برای ساخت بناهای جدید و یا بهسازی ساختمانهای قدیمی از این سیستم بهره میبرند. در این مقاله ابتدا روش المان محدود برای مدلسازی دیوار برشی معرفی و سپس نتایج تحلیل این روش با نتایج مدل آزمایشگاهی مقایسه میشود. تجزیه و تحلیل رفتار هیسترزیس دیوار برشی فولادی توسط روش المان محدود مشخص میکند که تنش فشاری در دیوار برشی وجود داشته و اثرات آن با کاهش نسبت ارتفاع به ضخامت افزایش مییابد.
در ادامه، علاوه بر تشریح مدل نواری کششی متداول، یک مدل نواری اصلاح شده ترکیبی که در آن المانهای فشاری نیز در پانل دیوار برشی در نظر گرفته میشود معرفی میگردد. بر اساس نتایج بدست آمده، مدل نواری اصلاح شده برخلاف مدل نواری کششی در محاسبه اتلاف انرژی و ظرفیت تحمل بار دیوار برشی فولادی از تطابق خوبی نسبت به روش دقیق المان محدود برخوردار است.
-1مقدمه
دیوارهای برشی فولادی به دلیل عملکردنسبتاً خوب لرزهای و اتلاف بالای انرژی در سالهای اخیر موردتوجه مهندسان و محققان قرار گرفتهاند. این سیستم باربر جانبی نوین که کاربرد آن در جهان به سرعت رو به گسترش میباشد در ساخت ساختمانهای جدید و همچنین تقویت ساختمانهای موجود به کار گرفته میشود . - Berman and Bruneau, 2003 - از ویژگیهای منحصر به فرد دیوارهای برشی فولادی که بیشتر باعث جلب توجه شده است میتوان به وزن کم آن نسبت به سیستمهای مشابه، شکلپذیری زیاد، نصب سریع و کاهش قابل ملاحظه تنش پسماند در سازه اشاره نمود.
اولین موارد کاربرد صفحات فولادی به صورت ورق چیندار و پانلهای ساندویچی بود که با استفاده از پیچ و مهره فلزی، پرچ یا جوش به قاب اصلی متصل می شدند. سپس با الهام از صنعت کشتیسازی، ایدهی استفاده از ورق فولادی تقویت شده وارد صنعت ساختمانسازی شد. در سالهای نخستین کاربرد با این فرض که ورق میانی نباید در اثر بارهای وارده دچار کمانش گردد با انتخاب ورقهای ضخیم و یا استفاده از تعداد زیادی سختکننده از کمانش آن جلوگیری میشد. این سختکنندههامعمولاً بهصورت افقی و قائم در نظر گرفته میشدند و امکان قرارگیری سختکننده در یک یا دو طرف صفحه فولادی وجود داشت
استفاده از ورق ضخیم از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و همچنین به کار بردن سختکنندهها نیز از لحاظ مسائل اجرایی با دشواریهایی همراه است. از طرفی ایدهی ورق ضخیم یا ورق سختشده نگرانی جاری شدن تیر یا ستون قبل از جاری شدن صفحه را نیز به همراه دارد. به همین دلیل به تدریج استفاده از ورق نازک سخت نشده مورد توجه محققان قرار گرفته است
با استفاده از ورق نازک در واقع اجازه کمانش به ورق داده شده و مقاومت فراکمانشی آن در جهت مقابله با نیروهای جانبی به کار گرفته میشود. محققین زیادی پدیدهی پس از کمانش در دیوارهای برشی فولادی را به روشهای مختلف تحلیلی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادهاند.
بر مبنای نتایج بدست آمده از آزمایشات تجربی، اگرچه روش عددی المان محدود به خوبی قادر به مدل کردن رفتار دیوارهای برشی میباشد، اما به دلیل مشکلات همگرایی تحت بارهای چرخهای، شبیهسازی دیوار برشی با استفاده از روش المان محدود مشکل بوده لذا همواره محققان به دنبال یافتن روشهای سادهتر در مدلسازی دیوارهای برشی فولادی بودهاند. بدین منظور اولین مطالعه روی ورق نازک بدون سختکننده توسط توربرن منجر به ارائه یک مدل نواری گردید
در این مدل نواری که به استریپ مدل معروف است ورق فولادی به صورت یک سری نوارهای خرپایی مورب دو سر مفصل مدل میشود که در جهت تنشهای کششی اصلی ورق میباشند و مقاومت فشاری در آن نادیده گرفته شده است. لازم به ذکر است که در مدل نواری مذکور صفحه فولادی تنها با المانهای کششی معادل جایگزین میشود. این مدل تحت عنوان Tension Strip - TS - نامگذاری و در شکل 1نشان داده شده است. برخی از نتایج آزمایشات و آنالیزها مناسب بودن مدل نواری کششی TS تحت بارهای یکنواخت را مورد تأیید قرار میدهد . - Timler, 1983 - مدل نواری TS، که بر اساس تئوری میدان کششی ارائه گردیده، به عنوان ضمیمه آییننامه فولاد کانادا پذیرفته شده است
در روش نواری TS سهم فشار در سختی و در ظرفیت اتلاف انرژی دیوار در نظر گرفته نمیشود در صورتی که تأثیر فشار در صفحه دیوار به خصوص در قسمتهای گوشه قابل توجه است به همین دلیل اصلاحاتی در مدل نواری پیشنهاد شد تا پیشبینی دقیقتری از رفتار هیسترزیس نمونه داشته باشد
در این مطالعه، ابتدا عملکرد انواع روشهای مدلسازی دیوار برشی فولادی بررسی میگردد، سپس مدل نواری اصلاح شده یا ترکیبی فوق معرفی میشود.
مدل نواری جدید بر خلاف مدل نواری کششی متداول از المانهای فشاری نیز برای مدلسازی دیوار استفاده میکند. نتایج تحقیقات نشان میدهد که رفتار هیسترزیس دیوار برشی فولادی بدست آمده از روش نواری ترکیبی، تطابق خوبی نسبت به روش دقیق المان محدود دارد. بااینحال به نظر میرسد این روش از پیچیدگیهایی نیز نسبت به مدل نواری کششی برخوردار است.
شکل : - 1 - مدل نواری کششی - TS -
.2 تحلیل دیوار برشی فولادی به روش المان محدود
2،.1 مدل عددی
یکی از روشهایی که به وسیلهی آن میتوان رفتار ورق جان دیوار برشی فولادی را به گونهای مناسب مدلسازی کرد استفاده از المانهای غشایی است. برای مدل سازی صحیح و به منظور نمایش اختلاف مقاومتی که ورق فلزی دیوار در کشش و فشار از خود به نمایش میگذارد لازم است از المانهای ارتوتروپ استفاده شود. در مدلسازی با روش المانهای غشایی باید توجه کرد که شبکه بندی صفحه فلزی به حد کافی ریز باشد. به عنوان نمونه در نرمافزار اجزای محدود ANSYS میتوان از المان Beam 189 برای مدل کردن تیر و ستون و از المان Shell 181 برای مدل کردن ورق فولادی استفاده نمود. این المانها دارای خواص پلاستیک بوده و تغییر شکلهای بزرگ را در نظر میگیرند. برای المان Beam189 سطح مقطع تیر تعریف گردیده و تغییر شکلهای برشی بر اساس تیر تیموشنکو در نظر گرفته شده است. هر دو المان در هر گره سه درجه آزادی جابجایی و سه درجه آزادی دورانی دارند.
2،.2 معرفی مدل آزمایشگاهی
برای ارزیابی نتایج تحلیل دیوار برشی به روش المان محدود از یک نمونهی موجود آزمایشگاهی استفاده میگردد - Choi and Park, . - 2008 در این آزمایش یک قاب یک دهانه سه طبقه تحت بارهای جانبی و ثقلی بررسی شده است. نسبت ارتفاع به ضخامت دیوار برشی 167 میباشد. مقطع ستون در ابعاد H250 ×20ستون در اب و مقطع تیرها در ابعاد H200 ابعاد 16 ×600 ا است - اعداد به ترتیب از سمت چپ عمق، عرض بال، ضخامت جان و ضخامت بال میباشد - . ضخامت ورق فولادی 6 mm و تنش تسلیم فولاد 338 MPa میباشد. ابعاد و جزئیات مدل آزمایشگاهی در شکل - 2 - آمده است. خواص مصالح فولاد شامل مدول الاستیسیته برابر 2 *10 5 MPa و نسبت پواسون 0,3 میباشد. منحنی تنش کرنش فولاد مورد استفاده در تحلیل در شکل - 3 - نشان داده شده است.
