بخشی از مقاله
چکیده
نظر به وجود گسلهای فراوان در اکثر نقاط کشور ما، نیروی زلزله در اکثر موارد نیروی غالب میباشد. دیوار برشی فولادی، زمان تناوب اصلی،جهت جلوگیری از آسیبهای وارده به سازهها در مقابل نیروی زلزله، راهکارهای مختلفی وجود دارد نرمافزار اجزاءمحدود، تحلیل فرکانسی که از جملهی آنها میتوان به دیوارهای برشی فولادی اشاره کرد. آییننامههای طراحی ساختمانها روابط تجربی سادهای را جهت محاسبه زمان تناوب طبیعی سازه بر حسب نوع سازه - فولادی یا بتنمسلح - ، نوع سیستم سازهای - قاب، دیوار برشی و غیره - و ارتفاع سازه ارائه کردهاند. برش پایه در بیشتر آیین نامه های ساختمانی با استفاده از زمان تناوب ارتعاشی سازه اندازهگیری میشود.
در این مقاله با استفاده از نرمافزار اجزاءمحدود آباکوس، زمان تناوب اصلی بیست نمونه دیوار برشی فولادی تحت شرایط مختلفی - دارای بازشوی مربعی و در حالت قبل و پس از کمانش - محاسبه شده است. در این
تحقیق ویژگیهایی مانند تعداد و نوع آرایش بازشوهای مربعی شکل و ارتفاع سازهها به عنوان پارامترهای مؤثر بر زمان تناوب اصلی سازه مورد بررسی قرار گرفتهاند.
نتایج بدست آمده حاکی از آن است که در اثر کمانش در ورق، زمان تناوب به طور میانگین حدود 2/35 برابر افزایش مییابد. در پایان این تحقیق، پس از بررسی و مقایسه میان زمان تناوب آییننامهای و نرمافزاری، مشخص میشود. آیین نامه ها بدون در نظر گرفتن عوامل تأثیرگذار در دیوار برشی، فرمولهایی را ارائه میکنند که زمانهای تناوب بیشتری نسبت به زمان تناوب نرم افزاری ارائه میدهند.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر با توجه به توسعه شهرها و ترقی ساخت و ساز در هر گوشه از کشور، لزوم توجه به مساله زلزله در ساختمانهای بلند مرتبه اهمیت دادن به نیروی باد را برای طراحان مسئلهای جدی ساخته است. به منظور مهار نیروهای جانبی از انواع مختلف سامانههای باربر جانبی استفاده میشود که هر یک دارای ویژگیهایی است. انتخاب نوع سامانه مقاوم در برابر نیروهای جانبی بستگی به ترکیب بارگذاری، چگونگی رفتار سازه، نحوه هدایت بارهای ثقلی به پایه وطرح معماری دارد. بعلاوه انتخاب نوع سامانه مقاوم در برابر بارهای جانبی علاوه بر موارد فوق بستگی به ابعاد هندسی سازه محدودیتهای آییننامهای، مقدار نیروی جانبی، حداکثر تغییر مکان وغیره دارد. دیوار برشی فولادی شامل تعدادی ورق فولادی است که توسط تیرها و ستونها احاطهاند.
به بیان سادهتر، این دیوار شبیه یک تیر ورق طره فولادی بوده که ورق، ستونها و تیرهای آن به ترتیب مشابه جان، بالها و سختکنندههای آن میباشند، با این تفاوت که مقاومت و سختی تیرها و ستونها، اثر قابل توجهی برروی رفتار این سیستم در مقایسه با سختکنندهها و بالهای تیر ورقها دارد. درکل سیستم دیوار برشی فلزی تشکیل شده است از یک دیوار صفحهای فلزی و دو ستون مرزی وتیر افقی طبقه، علاوه بر این، صفحه فلزی و دو ستون مرزی به عنوان یک صفحه قائم باربر - تیر ورق - که در شکل پایین نشان داده شده است عمل میکنند. ستونها به عنوان بالهای تیر ورق قائم وخود ورق به عنوان جان عمل میکنند. تیرهای افقی طبقه کم و بیش به عنوان سختکنندههای عرضی در تیر ورق عمل میکند
محققین زیادی عملکرد دیوار برشی فولادی و اثر پارامترهای مختلف مؤثر بر رفتار آن را با استفاده از نرمافزارهای تحلیلی و یا نمونههای آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادهاند که از آن جمله میتوان به محاسبه سختی دیوار برشی فولادی [1]، محاسبه پریود طبیعی دیوار برشی فولادی [2]، محاسبه ظرفیت برشی [3]، وجود بازشو در دیوار برشی [4] و ضریب رفتار دیوار برشی [5] اشاره کرد.
در همین راستا برای آنالیز دیوار برشی فولادی بدون سختکننده مدلی نیز توسط توربورن [6] در سال 1983 ارائه گردید، که براساس تئوری میدان کشش قطری خالص واگنر - [7] - 1931 میباشد. در این مدل که مدل نواری نامیده شده فرض میشود که مقاومت ورق فولادی قبل از کمانش قابل اغماض است و رفتاری غالب در تحمل بار برشی، طبقه میدان کشش قطری است.
در انگلستان صبوری قمی و روبرتز [8] در سال 1992 و روبرتز [9]، نتایج 16 آزمایش انجام شده بر روی پانلهای فولادی تحت بارگذاری قطری را منتشر ساختند. نمونه این آزمایشها شامل صفحات فولادی پیچ شده در داخل یک قاب چهارگوش مفصلی میباشد. آزمایشها نشان میدهد که همه پانلها دارای شکلپذیری بسیار خوبی میباشند، بدون آنکه ار مقاومتشان کاسته شود. یکی از زمینههای جالب برنامه آزمایش، بررسی اثر سوراخ در مقاومت و سختی دیوارها میباشد. محققین به این نتیجه رسیدهاند که که مقاومت و سختی به صورت خطی کاهش مییابد.
در سال 1999 میلادی، رضایی [10] آزمایشهایی با دامنه کم بر روی دو نمونه دیوار برشی فولادی چهار طبقه در مقیاس کوچک انجام و فرکانس نمونهها را اندازهگیری نمود. همچنین رضایی دو نمونه دیوار برشی فولادی چهار طبقه را از طریق اجزاءمحدود مدل کرد. او در هر طبقه 1600 کیلوگرم بار اضافه کرد که مجموعاً 6800 کیلوگرم شد. سپس هر دو نمونهی آزمایشگاهی و نرمافزاری با یکدیگر مورد بررسی قرار گرفتند و در پایان مشاهده شد که مدل تحلیلی به خوبی با نتایج آزمایشگاهی موافقت میکند.
علینیا و دستفان [11] در سال 2006 میلادی تحقیقاتی را نیز بر روی مدل المان محدود دیوار برشی فولادی با استفاده از نرمافزار انسیس برای بررسی تأثیر صلبیتهای اعضای مرزی بر رفتار کمانش برشی و فرا کمانشی پانل انجام دادند که حاصل آن منظور نکردن اعضای مرزی به عنوان تکیهگاههای ساده بود. ایشان دریافتند که سختی اعضای مرزی تأثیر زیادی بر افزایش بار کمانشی دارد، لیکن بر مقاومت فرا کمانشی اثری ندارد.
توپکایا و کربان در سال 2009 میلادی [2]، تحلیلهای فرکانسی برروی 40 نمونه دیوار برشی فولادی 2 - تا 10 طبقه - را انجام و مدت زمان طبیعی آنها را اندازهگیری کردند. سپس به این نتیجه رسیدند که فرمولهای آییننامهای غالباً زمان تناوب دیوار برشی فولادی را دست کم میگیرند و هیچ اصلاحیهای در حال حاضر برای این فرمولهای تجربی موجود نیست.
بومیک [12]، اثر سوراخهای دایرهای بر روی دیوار برشی فولادی یک طبقه و چهار طبقه را جهت تعیین پریود اصلی سازهها مورد بررسی قرار داد. ارتفاع تمام دیوارها 3/8 متر بود. همچنین 2 دیوار برشی فولادی سوراخشدهی چهار طبقه، با ضخامت ثابت و متغیر را مطرح کرد و زمانهای تناوب آنها را بدست آورد. مشاهده شد که سوراخ در میزان سختی و زمان تناوب دیوار اثر کوچکی دارد. در سال 2013 تحلیل لرزهای غیرخطی برای یک دیوار برشی فولادی سوراخدار توسط بومیک و همکاران [13] صورت گرفت.
در این پژوهش در 8 مدل سوراخهای دایرهای در ورق جان مفروض شده و در هر مدل تعداد و مختصات سوراخها تغییر میکند. تحلیل به کمک شبکهبندی روی ورق صورت گرفته و روش تحقیق به روش المان محدود غیرخطی است. همان طور که انتظار میرفت هر آنچه تعداد سوراخهای دایره ای افزایش یابد و همچنین به هم نزدیکتر باشند، مقدار بیشتری از سختی و مقاومت ورق کاسته میشود.
در ادامه بررسی نقش سوراخها یا بازشوها در ورق جان این بار در سال 2014 باز بومیک [14] بود که به تنهایی به مطالعه این موضوع پرداخت. او در مدل خود ورقی به ضخامت 8 میلیمتر ، ارتفاع 2000 میلیمتر و دهانه3000 میلیمتر متصور شد و با روش المان محدود و شبکهبندی بسیار ریز و متفاوت در در محیط المان مرزی و سوراخ به بررسی تأثیر سوراخی با قطر 500 میلیمتر در مرکز ورق جان پرداخت. دریافت او از کار خود، تاییدی است بر مطالعات گذشته، زیرا او دریافت که هر چقدر سوراخ یا بازشو به مرکز ورق جان بیشتر نزدیک شود مقدار سختی و ظرفیت باربری ورق بیشتر کاهش خواهد یافت.
زمان تناوب به دو دستهی تجربی توسط آییننامهها و نرمافزاری ارائه شدهاند. یکی از مهمترین نرمافزارهای اجزاءمحدود، نرمافزار آباکوس است که بهوسیلهی آن می توان زمان تناوب اصلی سازهها را با دقت بالایی محاسبه نمود. بیشتر آییننامههای طراحی لرزهای ساختمانها از زمان تناوب طبیعی سازه جهت تعیین شتاب پایه طراحی استفاده میکنند. در نتیجه محاسبهی دقیق زمان تناوب طبیعی سازهها از اهمیت بالایی در اندازهگیری شدت نیروهای جانبی در طراحی برخوردار است. مشخصات طرح، فرمولهای تجربی جهت تخمین زمان تناوب پایه سیستم فراهم میآورد، که این فرمولها معمولاً به شکل سیستم سازهای و مصالح مورد استفاده بستگی دارد. دو استفاده کلی میتوان از این فرمولها داشت. اولاً وقتیکه زمان تناوب واقعی سیستم در دست نیست، این روابط در طراحی مفید هستند.
