بخشی از مقاله
چکیده
در دهه ی اخیر، دیوار برشی فولادی نیمه نگه داری شده در لبه ها به عنوان یک گزینه ی جایگزین نوع کلاسیک آن پیشنهاد شده است. یعنی ورق پانل با ستون های اصلی اتصالی نداشته و با فاصله مشخصی از آن اجرا می شود و پانل تنها به تیرها اتصال دارد. این دیوارها، شرایطی را در سازه ایجاد می کند که بواسطه آن سیستم باربر قائم از سیستم باربر افقی جدا شده و اندرکنش این دو سیستم که در دیوارهای برشی فولادی سنتی باعث غیر اقتصادی شدن مقاطع ستون های کناری و در نتیجه افزایش نیروهای لرزه ای می شود، به حداقل برسد. در سیستم دیوار برشی فولادی نیمه نگه داری شده در لبه ها ورق دیوار به جای اینکه به ستون های اصلی قاب متصل شود، به ستون های فرعی متصل می شود.
بدیهی است ستون های فرعی در باربری قائم سازه هیچ گونه نقشی نداشته، اما در باربری جانبی به ورق دیوار کمک می کند. بدین ترتیب اثر میدان کشش روی ستون های باربر قائم از بین رفته و مشکل افزایش بی رویه مقطع ستون ها که درنوع سنتی آن بعضاً به صورت یک معضل در می آمد، حل می گردد. در این تحقیق از مقاطع نبشی به عنوان ستون های فرعی جهت جلوگیری از تغییر مکان زیاد لبه های غیر متصل به ستون های اصلی، استفاده شده است.
این ستون ها از یک طرف در صفحه دیوار دچار خمش شده و از طرف دیگر از کمانش خارج از صفحه ورق ها جلوگیری می کنند. در این پژوهش با لحاظ نمودن ضخامت های مختلف برای ورق دیوار - لاغری ورق - ، نسبتِ ارتفاع به طول قاب - اشکال مربعی یا مستطیلی قاب - و تاثیر دهانه و اثر طبقات در رفتار چرخه ای دیوار برشی فولادی نیمه متصل با بهره گیری از روش تحلیل غیر خطی سازه و استفاده از روش المان محدود و با توجه به پیچیدگی رفتاری ورق فولادی حین کمانش، تحلیل کمانشی خطی و غیر خطی توسط نرم افزار المان محدود ABAQUS انجام می شود که با اعمال متغیرهای ذکر شده که آنالیزهای مورد بررسی، آنالیز کمانش خطی - - Eigen Value Buckling Analysis و آنالیز غیر خطی - - Static RIKS می باشد، صورت گرفته است.
-1مقدمه
از حدود سه دهه پیش، محققین زیادی در نقاط مختلف دنیا از جمله [1] Driver، آستانه اصل [2]، صبوری قمی [3] و دیگران، به بررسی رفتار دیوارهای برشی فولادی پرداخته اند و نتایج نظری و آزمایشگاهی زیادی نیز ارائه داده اند. همه این مطالعات نشان می دهد دیوارهای برشی فولادی سنتی به مقاطع قوی برای ستون های کنار خود جهت جلوگیری از کمانش و تسلیم نیاز دارند. در نتیجه ستون های کنار دیوار برشی به مقاطع غیر اقتصادی نیاز پیدا می کنند.
Lu و Xue در سال 1994 برای اولین بار به منظور کاهش نیروهای وارده به ستون ها و فونداسیون ، ایده جداسازی ورق فولادی از ستون ها را ارائه نمودند .[4] آن ها چهار حالت مختلف اتصال دیوار برشی را در یک قاب سه دهانه و دوازده طبقه با اتصالات گیردار تیر به ستون در قاب های خارجی و تعبیه ورق در قاب میانی، تحت بارگذاری یکنواخت، مورد بررسی قرار دادند. نتایج این تحلیل نشان داد که عدم اتصال ورق فولادی به ستون های قاب و اتصال آن ها فقط به تیرهای طبقات، نقش مثبتی در تامین ایمنی ستون ها و کوچک تر شدن ابعادشان دارد و در این حالت، ورق فولادی بخش عمده ای از برش طبقه را را تحمل می کند، لذا ورق فولادی به طور موثرتری به کارگرفته می شود.[5]
آن ها هم چنین در تحلیل دیگری[6] که به روش المان محدود روی نمونه های یک دهانه و یک طبقه با اتصالات مفصلی تیر به ستون و ورق فولادی متصل به تیرهای طبقه و جداشده از ستون ها انجام دادند به بررسی تاثیر نسبت عرض پانل به ضخامت ورق فولادی و نسبت ابعاد هندسی پانل بر تغییر شکل قاب پرداختند و با استفاده از نتایج آن معادلاتی تجربی جهت تخمین پاسخ بار-تغییرمکان جانبی این سیستم ارائه نمودند.
بعدها در سال،2001 درایور و همکاران به طور کیفی پیشنهاد پیشنهاد نمودند که ورق دیوار به همراه اعضای مرزی خود با تیرهای واسطه ای که در تراز تیرهای اصلی هستند به اعضای قاب متصل شوند [5] و .[7] دیوارهای برشی فولادی نیمه نگه داری شده در لبه ها که ایده اولیه آن در سال 1383 توسط آقای حبیب نژاد در دانشگاه تربیت مدرس شکل گرفته است. در ساختمان هندسی این دیوارها، به شکل جدا کردن کامل ورق دیوار از ستون های باربر قائم و اتصال ورق به ستون های فرعی است که صرفا برای ایجاد میدان کشش در ورق دیوار به کار می آیند.
هدف این تحقیق ارزیابی ظرفیت نهایی سیستم دیوار برشی فولادی جدید تحت اثر بارهای جانبی وارده و بررسی حداکثر نیروی جانبی قابل تحمل توسط دیوار با توجه به میزان تغیر مکان جانبی آن می باشد. در این راستا ضخامت های مختلف برای پانل دیوار - نسبت لاغری ورق - ، نسبتِ ارتفاع به طول قاب - اشکال مربعی و مستطیلی قاب - بر ظرفیت دیوار برشی فولادی غیر متصل به ستون ها باید مورد بررسی قرار گیرد. همچنین علاوه بر موارد قبلی، اثر طبقات و دهانه ها در رفتار چرخه ای دیوار برشی فولادی نیمه متصل نیز مورد بررسی قرار می گیرد - شکل . - 1
-2 فرضیات مدلسازی
در نمونه های مورد بررسی، در این تحقیق از المان های کاهش یافته پوسته S4R که مناسب برای پوسته های ضخیم و نازک می باشند، استفاده شده است. پوسته S4R یک المان چهار گرهی دو انحنایی با انتگرال گیری کاهش یافته است. هر گره از المان فوق 6 درجه آزادی یعنی 3 درجه انتقال و 3 درجه دوران دارد. در این پژوهش جهت دستیابی به بهترین مش بندی که اولا نتایج همگرا باشد و همچنین زمان تحلیل توسط رایانه به حداقل برسد آنالیز همگرایی انجام شده است.
جهت دستیابی به بهترین مش بندی، اندازه المان ها در قاب ریزتر بوده و در پانل، درشت تر دانه بندی شده است. با بکار گیری المان های ریزتر همواری منحنی های نیرو- تغییرشکل تا حد قابل توجهی واضح تر می باشند. لذا این پارامتر نیز در مطالعات مربوط به انتخاب اندازه المان ها در نظر گرفته شد. جهت دست یابی به اندازه بهینه المان ها و محدوده ناحیه با مش بندی ریز، آنالیز های مختلفی با شرایط مختلف صورت گرفته شد.
-3ضوابط طراحی
برای طراحی سازه های فولادی به طور کلی از دو روش استاندارد - ASCE7-2010 - 1 و آیین نامه آمریکایی 2 - AISC341-2010 - استفاده می شود. در این روش بخش عمده از مفاهیم روش طرح نهایی، طرح خمیری و طرح حدی را در بر می گیرد. لفظ حالات حدی زمانی اطلاق می شود که سازه و یا بخشی از آن دیگر قادر به ایفای نقش خود نمی باشد. حالات حدی استحکام بر اساس ظرفیت باربری سازه است و استحکام خمیری، کمانشی، ترد شکنی، خستگی و نظایر آن را در بر می گیرد. با توجه به گسترش قابل توجه این روش در کشور، در این تحقیق برای طراحی و بدست آوردن مقاومت نهایی دیوار برشی از آیین نامه دیوار برشی امریکا استفاده گردیده است.
-4معرفی نمونه های مورد بررسی و مشخصات آن ها
متغیرها، لاغری ورق در سه ضخامت، ابعاد قاب با سه نسبت 0/8، 1 و 1/5، تعداد طبقات 3، 5 و 7 طبقه و همچنین تعداد دهانه ها 1، 3 و 5 دهنه برای تحلیل انتخاب شدند - جدول . - 1 با بهره گیری از روش تحلیل غیر خطی سازه و استفاده از روش عناصر محدود و با توجه به پیچیدگی رفتاری ورق فولادی حین کمانش، تحلیل کمانشی خطی و غیر خطی توسط نرم افزار المان محدود ABAQUS انجام می شود که با اعمال متغیرهای ذکر شده تعداد 81 آنالیز ایجاد می گردد که آنالیزهای مورد بررسی، آنالیز کمانش خطی Eigen Value Buckling Analysis و آنالیز کمانش غیرخطی Static RIKS می باشد. در نهایت مقادیر آن ها با مقادیر تئوری مقایسه می شوند.
