بخشی از مقاله
خلاصه
روشهای طراحی مرسوم، تشکیل مکانیسم خرابی مطلوب در تغییرمکان هدف و در نتیجه، تسلیم قسمتهای از پیش تعیین شده در تمام ارتفاع را تضمین نمیکند. در این مقاله، با در نظر گرفتن مشکلات موجود در دیوارهای برشی فولادی موجود، ضمن معرفی سیستمهای پانلهای برشی فولادی همراه با مهاربندی همگرا و واگرا، روشی برای تحلیل و طراحی پلاستیک آنها ارائه میشود تا در حالت نهایی، مکانیسم خرابی تسلیم کلی تشکیل شود.
برای این منظور، با تجزیه مدلهای چند طبقه به سه مولفه، روابط بسته نیروهای داخلی آنها در دو حالت تشکیل میدان کششی و تسلیم برشی پانل به دست آمدند. بر پایه تئوری سینماتیک خرابی پلاستیک، مکانیسمهای محتمل و روابط انرژی متناظر آنها حاصل شدند.
بر اساس نیروهای داخلی و با توجه به اینکه منحنی تعادل مکانیسم حاصله از مکانیسم مطلوب در محدوده جابجایی جانبی بام در زیر منحنیهای بقیه مکانیسمها قرار بگیرد، تمامی اعضا طراحی شدند. مقایسه نتایج منحنیهای پوشاور با منحنیهای تئوری نشانگر آن هستند که روش پیشنهادی رضایتبخش بوده و باعث تشکیل مکانیسم پلاستیک مورد نظر میشود.
.1 مقدمه
یکی از سیستمهای نوین مقاوم لرزهای برای ساختمانهای بلند، دیوارهای برشی فولادی بدون سختکننده هستند که به دلیل سختی اولیه و مقاومت بالا و شکلپذیری زیاد در کانون توجه قرار گرفتهاند. با این وجود، در اثر بارهای گسترده وارده از طرف میدان کششی قطری دیوارهای برشی فولادی، نیروهای داخلی بزرگی بر اعضای پیرامونی اعمال میشوند که نیازمند مقاومسازی اعضای موجود و یا اختصاص مقاطع سنگین برای طراحی اعضای جدید است.
همچنین گاهی نیاز میشود که در تغییرمکانهای نسبی پایین نیز تسلیم ورق آغاز شده و به واسطه رفتار چرخهای، انرژی وارده از طرف زلزله تلف شود. پژوهشگران برای کاهش نیروهای وارده بر اعضای پیرامونی، تسلیم زودهنگام ورق و عبور تاسیسات از دهانه دیوار برشی، روشهایی نظیر استفاده از فولادهای با تنش تسلیم پایین و آلومینیوم 1]، 2، [3، ورقهای سوراخ دار 4]، [5، ورقهای با شکافهای چند ردیفی [6]، جدا کردن دیوارهای برشی فولادی از اعضای پیرامونی و قرار دادن دیوار برشی در وسط دیوار 7]، [8 و عدم استفاده از جوشکاری کامل ورق به اعضای پیرامونی [9] پیشنهاد دادهاند.
در دیوارهای برشی سوراخدار، به دلیل ناپیوستگی ورق فولادی و عدم تشکیل میدان کششی قطری کامل، از تمام ظرفیت مقاومت پسکمانشی نمیتوان استفاده کرد. در مورد دیوارهای برشی فولادی با شکاف نیز علاوه بر نیاز به ابزارهای دقیق برای ایجاد شکافها با عرض کم، به علت تمرکز تنش در گوشههای شکاف، گسیختگی در این ناحیه اتفاق میافتد. هزینه تولید و استفاده از فولاد با مقاومت تسلیم پایین و یا آلومینیوم خالص نیز بالاست. یکی از سیستمهایی که در سالهای اخیر برای رفع تمامی مشکلات مذکور پیشنهاد شده است، از ترکیب دیوارهای برشی فولادی و قابهای مهاربندی شده [10] حاصل میشود.
با توجه به محاسن فراوان این سیستم سازهای، با انجام مطالعات لازم میتوان مقبولیت آن را در بین مهندسین عمران افزایش داد. اولین قدم برای استفاده گسترده از پانلهای برشی فولادی همراه با مهاربندی، ارائه روشی سودمند برای تحلیل و طراحی آنها میباشد. هدف استفاده از پانلهای برشی فولادی این است که در هنگام وقوع زلزله، تمامی پانلها در ارتفاع ساختمان تسلیم شده و انرژی ورودی لرزهای را جذب و اتلاف کنند تا به سایر قسمتهای ساختمان آسیبی نرسد و در محدوده رفتار ارتجاعی باقی بمانند.
از سال 1977 میلادی مطالعات زیادی برای یافتن روشی برای افزایش قابلیت جذب انرژی سیستمهای مقاوم لرزهای و کنترل حالت خرابی انجام شده است. یکی از نتایج حاصل از این تحقیقات، روش طراحی ظرفیتی است که بر اساس آن نواحی اتلافکننده انرژی لرزهای بایستی مطابق با نیروهای زلزله آییننامهها طراحی شده و سایر اعضا در اثر بیشینه نیروهای وارده در اثر تسلیم نواحی مذکور، در محدوده رفتار ارتجاعی باقی بمانند.
مازولانی و پیلوسو [11] روش جایگزینی به نام روش طراحی کنترل حالت خرابی را برای طراحی پلاستیک سازههای فولادی ارائه کردند. در همین راستا، با توجه به اینکه روشهای رایج طراحی تضمینکننده تسلیم همه پانلهای برشی فولادی در ارتفاع و تشکیل مکانیسم خرابی مطلوب در تغییرمکان هدف برای سیستمهای سازهای مورد بررسی نیستند، در این مقاله با در نظر گرفتن مدلهای یک، سه، شش و نه طبقه موارد زیر بررسی میشوند:
· حصول روابط بسته برای تخمین نیروهای داخلی اعضای پانلهای برشی همراه با مهاربندیهای همگرا و واگرا به هنگام تشکیل مکانیسم پلاستیک تسلیم کلی با در نظر گرفتن دو حالت تسلیم برشی یا تشکیل میدان کششی پانل.
· تشخیص تمامی مکانیسمهای خرابی محتمل و حصول روابط انرژی برای آنها.
· تعمیم روش طراحی کنترل حالت خرابی به سیستم سازهای مورد مطالعه و بررسی صحت آن با مشاهده مطابقت مکانیسم تشکیل شده با مکانیسم تسلیم کلی و مقایسه منحنیهای تئوریک و تحلیلهای پوشاور.
2. تحلیل سازهها
در این بخش نحوه حصول روابط بسته نیروهای داخلی همه اعضای سیستمهای پانل برشی فولادی همراه با مهاربندیهای همگرا و واگرا ارائه خواهند شد. همانطور که در شکل 1 برای حالت مهاربندی همگرا نشان داده شده است، برای درک رفتار کلی هر دو سیستم سازهای، میتوان آنها را به سه سیستم مقاوم جداگانه تجزیه کرد. مطابق شکل -1 الف، یک مؤلفه سیستمی است که درصدی از بار جانبی طراحی را فقط توسط پانل برشی تحمل میکند. در این مؤلفه فرض بر آن است که قاب هیچگونه رفتار خمشی ندارد و کل بار اختصاصی با تشکیل میدان کششی و یا تسلیم برشی پانل در اثر تغییرشکلها، تحمل میشود. در نتیجه، برای دو حالت خرابی مذکور پانل، کل سهم بار جانبی برای این مؤلفه توسط معادله 1 تعیین میشود.
که در آن = κ درصد بار جانبی، = Fye مقاومت تسلیم مورد انتظار پانل برشی، = τ ye مقاومت تسلیم برشی مورد انتظار پانل برشی، = t w ضخامت پانل، = l طول عضو پیرامونی افقی و = αtf زاویه تمایل میدان کششی پانل برشی نسبت به راستای قائم هستند. در اثر نیروهای وارده از طرف پانل برشی به اعضای پیرامونی، نیروهای مقاوم داخلی در سایر اعضای سازهای به وجود میآید.
شکل -1 تجزیه سیستم پانل برشی فولادی با مهاربندی همگرا به سه مؤلفه به منظور تحلیل
با فرض اینکه ضریب بار افقی به هنگام تشکیل مکانیسم پلاستیک باشد، بقیه بار جانبی توسط رفتار خمشی سیستم مطابق شکل -1ب تحمل میشود. علاوه بر این، مقداری نیروی داخلی نیز در اثر بارهای ثقلی - شکل -1پ - ایجاد میشوند. به منظور طراحی سیستمهای پانل برشی فولادی همراه با مهاربندی، همه نیروهای داخلی تخمین زده شده در اعضا بایستی با یکدیگر جمع شده و مطاق روش کنترل حالت خرابی طراحی گردند.
با توجه به قرارداد علامت مثبت نیروهای محوری و برشی و لنگرهای خمشی مطابق شکل 2، به منظور تحلیل سیستمهای مورد نظر یک طبقه، هر یک از اعضا و اتصالات جدا شده و با استفاده از روابط تعادل استاتیکی فضای دوبعدی - Fx= Fy= Mz=0 - در دستگاههای مختصات اختصاص داده شده، نیروهای مقاوم داخلی اعضا به صورت روابط بسته به دست آمدند.
در مولفه شکل 1 -الف با تجزیه نیروهای گسترده در دو راستای عمود و موازی با اعضای پیرامونی، نیروهای داخلی این اعضا مشخص شده و در نهایت به ترتیب روابط مربوط به نیروهای داخلی مهاربندها، تیر و ستونها مشخص گردیدند. در مولفه شکل -1ب نیز با توجه به تقارن سازه و مفروضاتی مانند اختصاص نقطه عطف ستون در ارتفاع %60 از پای آن و تحمل کل بار جانبی سهم این مولفه توسط ستونها به ترتیب نیروهای داخلی ستونها، تیر، مهاربندها و اعضای پیرامونی تعیین گردیدند.
لازم به ذکر است که بر اساس روابط حاصله برای این مولفه، علاوه بر صفر بودن نیروی محوری اعضای پیرامونی افقی، مقادیر نیروی برشی و لنگر خمشی تمامی اعضای پیرامونی نیز صفر هستند. همچنین در مولفه شکل -1پ، با فرض مقدار صفر برای نیروی محوری تیر و نیروی برشی ستونها، به ترتیب نیروهای داخلی تیر، ستونها، مهاربندها و در نهایت اعضای پیرامونی به صورت روابطی بسته حاصل شدند.
در این مولفه نیز بر اساس محاسبات انجام شده، مقادیر نیروی برشی و لنگر خمشی تمامی اعضای پیرامونی برابر صفر هستند. توجه به این نکته ضروری است که تنها تفاوت در حالت خرابی تسلیم برشی پانل برشی فولادی، نیروهای داخلی اعضای پیرامونی افقی، قائم و مهاربندها در سیستم نشان داده شده در شکل -1الف است که دلیل آن، تفاوت بارهای گسترده وارده به اعضای پیرامونی است
