بخشی از مقاله
ترمیم وتقویت سازه هاي بتنی توسط دیوار برشی فولادي
چکیده:
دیوار برشی فولادي براي مقاوم سازي ساختمانهاي فولادي در حدود ١ ٥ سال اخیر مورد توجه خاص مهندسین سازه قرار گرفته است . ویژگیهاي منحصر به فرد آن باعث جلب توجه بیشتر همگان شده است ، از ویژگیهاي آن اقتصادي بودن آن ، اجراي آسان ، وزن کم نسبت به
سیستمهاي مشابه ، شکل پذیري زیاد ، نصب سریع ، جذب انرژي بالاو کاهش قابل ملاحظه تنش پس ماند در سازه را می توان نام برد . تمام دلایل ما را به این فکر وا داشت که استفاده از آن را درترمیم ساختمانهاي بتنی مورد مطالعه قراربدهیم . چون این سیستم داراي وزن کم بوده ، به
سازه بار اضافی وارد نکرده و حتی با اتصالاتش باعث تقویت تیر وستونهاي اطراف خود می شود و همچنین این سیستم نیازي به تجهیزات خاص ندارد و می تواند بدون تخلیه ساختمان و تخریب اعضا سازه اي به بقیه اجزاي سازه اي وصل شود . البته طراحی این سیستم در ساختمانهاي بتنی بغیر از حالت ترمیمی اقتصادي به نظر نمی آید .
در این مقاله توضیحات اولیه اي از دیوار برشی فولادي جهت آشنایی بیشتر ارائه شده ، و در قسمتهاي بعدي بررسی در تقویت وترمیم سازه هاي بتنی مورد مطالعه قرار خواهد گرفت و تفاوت آن با LYP رفتار پانلهاي برشی فولادي 1 سیستم بادبندي مشابه مورد توجه قرار خواهد گرفت ، و در آخر نتایج آزمایشات بررسی خواهند شد .
1- مقدمه:
براي گرفتن نیروهاي جانبی زلزله و باد در ساختمانهاي بلند در سالهاي اخیر SSW دیوارهاي برشی فولادي 2 مطرح و مورد توجه قرار گرفته است . این پدیده نوین که در جهان بسرعت رو به گسترش
می باشد در ساخت ساختمانهاي جدید و همچنین تقویت ساختمانهاي موجود بخصوص در کشورهاي زلزله خیزي همچون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده است . استفاده از آنها در مقایسه با قابهاي ممان گیر تا حدود ٥٠ % صرفه جویی در مصرف فولاد را در ساختمانها بهمراه دارد .
دیوار هاي برشی فولادي از نظر اجرائی ، سیستمی بسیار ساده بوده و هیچگونه پیچیدگی خاصی در آن وجود ندارد. لذا مهندسان ، تکنسینها و کارگران فنی با دانش فنی موجود و بدون نیاز به
کسب مهارت جدید می توانند آنرا اجرا نمایند . دقت انجام کار در حددقت هاي متعارف در اجراي سازه هاي فولادي بوده وبا رعایت آن ضریب اطمینان اجرائی به مراتب بالاتر از انواع سیستم هاي دیگر می باشد . با توجه به سادگی و امکان ساخت آن در کارخانه و نصب آن در محل ، سرعت اجراي سیستم بالا بوده واز هزینه هاي اجرائی تا حد بالایی کاسته می شود . سیستم از نظر
سختی برشی از سخت ترین سیستم هاي مهاربندي که X شکل می باشد ، سخت تر بوده و باتوجه به امکان ایجاد باز شو در هر نقطه از آن ، کارائی همه سیستم هاي مهاربندي را از این نظر دارا می باشد.
همچین رفتار سیستم در محیط پلاستیک و میزان جذب انرژي آن نسبت به سیستم هاي مهار بندي بهتر است .در سیستم دیوار هاي برشی فولادي به علت گستردگی مصالح و اتصالات ، تعدیل تنش ها به مراتب بهتر از سیستمهاي مقاوم دیگر در برابر بارهاي جانبی مانند قاب ها وانواع مهاربندي که معمولأ در آنها مصالح به صورت دسته شده و اتصالات متمرکز می باشند ، صورت گرفته و رفتار سیستم بخصوص در محیط پلاستیک مناسب تر می باشد .
گزارش اولیه تحقیقات انجام شده در تابستان سال 2000 میلادي در آزمایشگاه سازه دیویس هال دانشگاه برکلی کالیفرنیا نشان می دهد ، ظرفیت دیوار هاي برشی فولادي براي مقابله با خطراتی مانند زلزله ، طوفان و انفجار در مقایسه با دیگر سیستم ها مثل قابهاي ممان گیر ویژه حداقل ٪ ٢٥ بیشتر می باشد . در آزمایشگاههاي تحقیقاتی استفاده گردیده است که ظرفیت آن حدودأ 6670
KN می باشد . آزمایشهاي مذکور نشان میدهد ، دیوار برشی فولادي داراي شکل پذیري بسیار بالائی هستند . به لحاظ اهمیت موضوع بودجه این تحقیقات که به منظور دستیابی به یک سیستم مطمئن جهت ساخت ساختمانهاي فدرال آمریکا براي آنکه بتوانند در مقابل خطراتی مانند زلزله ، طوفان و بمب مقاومت نمایند ، توسط بنیاد ملی علوم آمریکا و اداره خدمات عمومی آمریکا تأمین گردیده است .
شکل 1 (شکلی از دیوار برشی فولادي در سازه هاي فولادی با سخت کننده و بدون سخت کننده)
2- ساختمانهاي ساخته شده با استفاده از دیوار برشی فولادی:
اولین ساختمان ساخته شده با استفاده از این روش بیمارستانی در لس آنجلس به نام بیمارستان Sylmar بود .
یکی از بزرگترین سازه هاي ساخته شده با سیستم دیوار برشی فولادي ساختمان شینجوکونومورا 3 در توکیو است که این ساختمان داراي ٥١ طبقه بوده و ارتفاع آن از سطح زمین ٢١١ متر است . ٥ طبقه آن درزیر زمین واقع بوده و ٢٧ مترآن پایین تر از سطح زمین قرار دارد و براي اجتناب از
بکارگیري دیوار برشی بتنی ، از سیستم دیوار برشی /٥ فولادي در هسته هاي مرکزي ساختمان که اطراف آسانسور ها ، پله ها و رایزر هاي تاسیساتی می باشد ، استفاده گردید.
یکی از کاربردهاي این پانلها در تقویت سازه هاي بتنی در ساختمان مرکز درمانی در چارلستون می باشد این سازه در اثر زلزله 1963 آسیب دیده بود. این ساختمان متشکل از ساختمانهاي متعددي از یک تا پنج طبقه می باشد که زیر بنا ي آنها نزدیک به ٣٢٥٠٠ متر مربع است . براي تقویت این
سازه از بهترین تیم طراحی وتحقیقاتی استفاده گردید . بعد از بررسیهاي فراوان این سیستم را با توجه به دلایل زیر مناسب دانستند :
- جلوگیري از اخلال در کار روزانه و کاهش مشکلات براي بیماران ، بعلت سرعت نصب آن
- جلوگیري از کاهش زیر بناي مفید و اتلاف فضاها
- پیش بینی امکان تغییرات در آینده ، زیرا در دیوار برشی فولادي به سادگی می توان تغییرات مورد نظر را اعم از جابجائی معماري و یا ایجاد بازشو به خاطر عبور تاسیسات داد.
- جلو گیري از ازدیاد وزن سازه
به جز ساختمانهاي بالا سازه هاي فراوانی از جمله:
ساختمان مرکزي ٥٤ طبقه بانک وان ملون در پیتسبورگ پنسیلوانیاي آمریکا
ساختمان مسکونی ٥١ طبقه واقع در سان فرانسیسکو
ساختمان ٢٥ طبقه در ادمونتون کانادا
ساختمان ٣٢ طبقه بایرهویچ هوس در لورکوزن آلمان
ساختمان ٢٠ طبقه دادگاه فدرال در سیاتل آمریکا
براي تقویت ساختمان بتنی، کتابخانه ایالتی اورگان را می توان نام برد که در آن براي تقویت از دیوار برشی فولادي استفاده شده است .
3- معرفی سیستم دیوار برشی فولادي براي تقویت سازه هاي بتنی ساخته شده:
سال 1995 زلزله در Hugoken-Nanbu4 که زلزله مهیبی بود ، باعث کشته و مجروح شدن انسانهاي زیادي شد . ساختمانهاي بسیاري آسیب جدي دیدند و ساختمانهایی که قبل از سال 1981 و مخصوصأ قبل از 1971 ساخته شده بودند ، خسارت شدیدي را متحمل گردیدند و حتی برخی از آنها فرو ریختند .
این امر نشانگراین است که آیین نامه و مقررات قدیمی براي طراحی ساختمان بنحو مناسبی نیروهاي زلزله و شکل پذیري سازه اي را در نظر نگرفته اند .
در سال 1999 زلزله در chi –chi تایوان نیز باعث زیان فراوان و تخریب بسیاري از سازه ها شد . دوباره این ساختمانهایی که قبل از سال 1983 طراحی و ساخته شده بودند ، تخریب شدند و بعد از زمین لرزه 1999 تمام مقررات و آیین نامه هاي زلزله مورد باز بینی قرار گرفته و همه مقررات قبلی لغو شدند . ضرایب لرزه اي منطقه اي در هرناحیه تایوان تولید و ایجاد گردید . براي مثال شتاب زمین لرزه در منطقه Taichung از 0.23g به 0.33g افزایش یافت.
در نتیجه تقریبا همه ساختمانها در Taichung مطابق با مقررات طراحی جدید احتیاج به مقاوم سازي پیدا کردند.
. هدف این پروژه افزایش و بهبود بخشیدن مقاومت لرزه اي ساختمانهاي بتن مسلح می باشد . این پروژه شامل سه زیرمجموعه است که شامل :
پیدا کردن و پی بردن به میزان کمبود مقاومت لرزه اي ساختمانهاي بتن آرمه موجود بر اساس آیین نامه جدید
مساله نیروهاي وارد بر سازه کناري و همجوار بعلت تغییر مکانهاي بیش از اندازه جانبی آنها
تحقیق در مورد دو روش براي جذب انرژي توسط پانلهاي برشی فولادي و بادبند فولادي براي بهبود مقاومت لرزه اي سازه هاي موجود .
٤ – مشخصات لرزه اي پانلهاي برشی فولادي با نقطه تسلیم پایین:( LYP)
استفاده از دیوار برشی فولادي باعث بهبود مقاومت لرزه اي سیستم در طراحی ساختمانهاي جدید و مقاوم کردن ساختمانهاي ساخته شده می شود . صفحات فولادي نازك تمایل به کمانش دارند و از این رو ظرفیت جذب انرژي در این صفحات محدود است .
اخیرا روشهاي جدید و تکنولوژي هاي بدست آمده در زمینه فلزات ، صفحات فولادي جدید را در دسترس ما گذاشته است . این نوع فولاد داراي تنش تسلیم کمتر افزایش طول بالا می باشند و توانایی تغییر شکل دادن و جذب انرژي بیشتري را قبل از شکستن از خود نشان می دهند . یکی دیگر از ویژگیهاي آن پایین بودن نقطه تسلیم است که این باعث افزایش ناحیه پلاستیک آن می شود و باعث جذب بیشتر تنش می شود .
پانلهاي برشی فولادي ساخته شده از LYP توانایی جذب و اتلاف انرژي زیادي را دارند ، و می توانند در ساختمانهاي جدید مورد استفاده قرار گیرد . این نوع پانلها همانند دیوار برشی فولادي نسبت به نیروهاي زلزله طراحی و ساخته می شوند . چون این پانلها داراي ویژگی جذب و اتلاف انرژي بالایی هستند ، می توان از آنها بعنوان میراگر براي میرا کردن انرژي لرزه اي استفاده کرد . این نوع میراگر
فلزي در هنگام جذب انرژي استحکام کافی را دارند و همچنین نسبت به میراگرهاي که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند ، نیاز به نگهداري و تعمیر ندارد .
نقطه تسلیم و نقطه نهایی صفحات LYP هردو تحت تاثیر میزان کرنش وارده است . در این تحقیق تاثیر میزان کرنش و نحوه بارگذاري بر روي مشخصات مقاومت لرزه اي پانل صفحه اي مورد آزمایش قرار گرفته است .
مجموعه آزمایشا ت انجام شده ، مطالعه روي رفتار پانلهاي برشی ساخته شده از فولاد LYP تحت سرعت هاي بارگذاري متفاوت و جابجایی هاي نموي است .
مطالعات آزمایشگاهی بروي پانل برشی فولاد: LYP
پانل فولادي برشی ، ساخته شده از فولاد با نقطه تسلیم پایین ، عامل موثري براي جذب انرژي زیادي است . با طراحی و ساخت مناسب پانلهاي برشی فولادي می توان در جذب و تلف کردن مقدار زیادي از انرژي لرزه اي بهره برد . اما رفتار سازه اي این نوع پانل برشی متاثر از شدت کرنشی است .
در نه نمونه تست شده در آزمایش ، می خواهیم رفتار آنها را در هر یک از نحوه بارگذاري متفاوت مورد ارزیابی قرار دهیم. شکل ٢ نحوه طراحی نمونه ها را نشان می دهد . شکل ٣ چگونگی
آزمایش ها را نشان می دهد . در این نمونه ها نسبت عرض به ضخامت پانل ٥٠ گرفته شده است . لبه هاي بیرونی اعضأ به خاطر جلوگیري از ترك خوردن اتصالات بین لبه و پانل و صفحه پاي ستون تراشیده شده است . این کار بخاطر اجتناب تمرکز تنش و سوق دادن صفحه به ناحیه پلاستیک که قبلا بحث آن را کردیم . در این تحقیق تاریخچه بارگذاري پانل برشی فولادي آزمایش و بررسی شده است . سه سرعت بارگذاري 2.5 و 5 و 100 mm/sec انتخاب شده است.
براي دستیابی به سرعت کرنشی این نمونه ها بارگذاري تدریجی به جاي بار لرزه اي اعمال می شود . براي هر سه حالت متفاوت جابه جایی δy، 2δy و 3δy را در هر دوره بارگذاري آزمایش را می پذیریم . آزمایش روي سازه تا زمانی که مقاومت به زیر ٪ ٨٠ مقاومت نهایی رسید متوقف می شود . جدول ١ نتایج آزمایشات را نشان می دهد .
بررسی در نتایج آزمایشات:
شكل ٤ رفتار حلقه اي هيستريسس (hysteresis) پانلهاي برشي را نشان مي دهد . مطالعات نشان مي دهد كه چرخش نسبي آن ها بيشتر از ٪ ٥ است كه بيشتر از زاويه تغيير مكان جانبي مورد نياز سازه مي باشد كه معمولا چرخش نسبي سازه ها را 2.5% كه بيشتر از آن موجب
تخريب در سازه مي شود ، در نظر مي گيرند. با تغيير شكل اطراف المان و تغيير شكل مورد انتظار و زاويه تغيير شكل جانبي ٪ ٥ به نظر مي رسد كه براي پانل برشي كافي مي باشد . بديهي است كه تمام نمونه هاي آزمايش شده زاويه تغيير مكان جانبي آنها بيشتر از ٪ ٥ خواهد بود كه در جدول ١ نشان داده شده است . در آنها مي توان ديد كه بارگذاري سريع و كند حدودا ٪ ١٦ تفاوت ايجاد كرده است.
تفاوت روي مقاومت نهايي پانل فولادي برشي LYP با افزايش بارگذاري يكنواخت ، تأثير نسبت بارگذاري بر روي مجموع ظرفيت استهلاك انرژي قابل صرف نظر كردن است .از شكل ٤ مي توان دريافت كه پانل فولادي آزمايش شده داراي استحكام و جذب انرژي قابل توجهي است و نسبت به دامنه تغيير مكان در شرايط بارگذاري يا تغيير در دامنه حركت بي تفاوت است .
