بخشی از مقاله
سیستم مقاوم لرزه ای دیوار برشی فولادی، از ابتدا تاکنون
چکیده
با توجه به مقاومت پس کمانشی بالا ، انعطاف پذیری قابل توجه ، ویژگی های هیسترتیک پایدار و سختی اولیه بالا، در حال حاضر سیستم دیوار برشی فولادی (SPSW) بعنوان یک سیستم جذاب ، جایگزین سیستم های مقاوم دیگر در برابر بار جانبی زلزله در طراحی سازه در نظر گرفته می شود . این سیستم هر دو مشخصه سختی بالا و شکل پذیری بالا را با هم دارد. سیستم های SPSW ، در مقایسه با دیوار برشی بتنی سنتی ، دارای ساختار سبک تر، افزاینده مساحت طبقه ، سرعت زیاد اجرایی ، قابل توجه بودن از لحاظ اقتصادی و کنترل کیفیت بهتر می باشد. اگر چه پژوهش در زمینه SPSW از اوایل سال1980 در جریان بوده است ، ولی عملکرد سازه ای رضایت بخش سیستم های SPSW در زمین لرزه نورتریج ، امریکا (1994) و کوبه ، ژاپن (1995) منجر شد محققان و مهندسان مطالعات و اجرای بیشتر این سیستم را در دستور کار خود قرار دهند . تحقیقات تجربی و تحلیلی ، عمدتا در دانشگاه های کانادا انجام شد ، دانشگاه های ایالات متحده و بریتانیا نیز جوانب مختلف رفتار لرزه ای SPSW و دستورالعمل های بنیادی جهت اجرای آن به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر بار جانبی موثررا توسعه دادند . نتایج یک مقایسه اقتصادی نشان می دهد که استفاده از سیستم دیوار برشی فولادی نسبت به قاب خمشی فولادی تا 50 درصد در مصرف فولاد صرفه جویی به همراه داشته است. در این مقاله سیر پیشرفت این سیستم، مطالعات عددی و آزمایشگاهی انجام شده، آیین نامه های طراحی، روش های مدلسازی پذیرفته شده و سیستم های نوین در این زمینه جمع آوری و ارائه گردیده است.
کلمات کلیدی: دیوار برشی فولادی ، مقاومت پس کمانشی ، شکل پذیری ، هیسترتیک پایدار، سختی بالا
-1 مقدمه
ایده استفاده مهندسی از دیوارهای برشی فولادی در کاربردهای هوا و فضا که در آن پانل های فولادی در اشکال با سخت کننده و بدون سخت کننده استفاده شد ، سرچشمه گرفته است . استفاده از دیوار برشی فولادی (SPSW) به عنوان یک سیستم اولیه مقاوم در برابر بارهای جانبی در ساخت و سازهای جدید ، و همچنین برای تقویت مقاومت در برابر بار جانبی سازه های موجود ، در اوایل سال 1980 میلادی در ایالات متحده آمریکا و ژاپن آغاز شد . درشکل معمول آن ، سیستم SPSW متشکل از یک پانل برشی فولادی به عنوان یک پرکننده به ساختمان سازه متشکل از تیرها ( المان مرزی افقی یا ( HBE و ستون ها (المان مرزی عمودی یا (VBE ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، اضافه میگردد . قاب سازه ای می تواند ساده یا خمشی مقاوم و اتصال پانل فولادی به این عناصر مرزی نیز می تواند با پیچ یا جوش (معمولا با یک (fish plate انجام پذیرد و با توجه به فلسفه طراحی ، پانل ورق فولادی نیز یا با سخت کننده و یا بدون سخت کننده استفاده می شود .
در ابتدا ، SPSW یا با صفحات ضخیم فولادی و یا با صفحات فولادی سخت شده ساخته شد . این طرح به مفهوم اجتناب از کمانش خارج از صفحه (الاستیک) صفحات فولادی بودند . در ژاپن ( بطور مثال ، در ساختمان با اسکلت فلزی نیپون در توکیو ) این کار با استفاده از صفحات با سخت کننده های سنگین اجرا گردید در حالی که در ایالات متحده آمریکا (به عنوان مثال، در بیمارستان سیلمار در لس آنجلس) ، صفحات نسبتا ضخیم مورد استفاده قرار گرفت . با استفاده از دیوار برشی فولادی ضخیم یا با سخت کننده گزینه ای جذاب به دلیل هزینه بالاتر آن در مقایسه با دیوار برشی بتنی یا پیش تنیده نبود . این امر منجر به یک تغییر تدریجی و کلی نسبت به استفاده از دیوار برشی فولادی با ورق نازک و بدون سخت کننده منجر شده است .
کار پژوهش بر روی سیستم های SPSW بدون سخت کننده نازک در اواخر 1970 آغاز شده است . مطالعات تحلیلی و تجربی انجام شده بر روی این سیستم در دانشگاه های مختلف در سراسر جهان نشان داده اند که سیستم های SPSW بدون سخت کننده نازک دارای مقاومت پس کمانشی ذخیره شده کافی می باشد ، که باعث می شود جایگزین مقرون به صرفه تر سیستم های مختلف سنتی مقاوم در برابر بارهای جانبی گردد .
از مزایای اصلی دیوار برشی فولادی نازک بدون سخت کننده می توان به سختی اولیه بالا، شکل پذیری قابل توجه ، ویژگی های هیسترتیک پایدار و ظرفیت زیاد جذب انرژی های پلاستیک سیستم می باشد . سیستم های SPSW ، در مقایسه با دیوار برشی بتنی سنتی ، دارای ساختار سبک تر، افزایش مساحت طبقه ، سرعت زیاد اجرایی ، قابل توجه بودن از لحاظ اقتصادی و کنترل کیفیت بهتر می باشد (صبوری قمی و همکاران . (2005 با توجه به تحلیل گسترده و همچنین کار تجربی فراوان بر رفتار پس کمانشی SPSW در طول سالهای 1980 و اوایل 1990 توسط محققان مختلف Thorburn) و همکاران 1983، Timler و کولاک سال 1983، Tromposch و کولاک سال 1987، Elgaaly سال 1998، درایور و همکاران. (a1998، عمدتا از دانشگاه آلبرتا ، استانداردهای طراحی و آیین نامه ای در طراحی سیستم هایSPSW اضافه گردید . در سال 1994، استاندارد طراحی فولادی کانادا ، (CAN/CSA -S16-94 (CSA 1994 ، الزامات طراحی برای SPSW نازک بدون سخت کننده را، اگر چه به عنوان یک پیوست به کد اصلی ارائه داد . در دهه گذشته، تجزیه و تحلیل پلاستیک و روش های طراحی برای SPSW ، عمدتا در دانشگاه بوفالو توسعه یافت ، و منجر به ورود مفاد مربوط به طراحی در مقررات لرزه ای (AISC 2005a) AISC گردید .[1] در سال های اخیر، سیستم های دیوار برشی فولادی به عنوان بخشی از سیستم مقاوم در برابر بار جانبی در تعدادی از ساختمان به طور عمده در مناطق به شدت لرزه ای در ژاپن و شمال امریکا استفاده شده است. هتل 56 طبقه و اقامتی ، LA ، در لس آنجلس، ایالات متحده آمریکا آخرین نمونه از سازه های بلند که در آن سیستم های SPSW استفاده شده است که با استفاده از سیستم دیوار برشی فولادی به جای دیوار برشی بتنی ، وزن سازه 35 درصد کاهش یافت . همچنین 20/000 فوت مربع در مقایسه با اجرای دیوار برشی بتنی ، به مساحت طبقات اضافه گردید و منجر به صرفه جویی میلیون ها دلار و کوتاه شدن چند ماهه اجرای پروژه گردید . [2]
شکل- 1 شکل کلی دیوار برشی فولادی ( ( SPSW
مهمترین ساختمانهای ساخته شده با این سیستم در محدوده لرزه خیزی بالا در دنیا ، ساختمان 35 طبقه در کوبه ژاپن است ، این ساختمان در سال 1988 ساخته شده و در جریان زلزله سال 1995 کوبه عملکرد بسیار خوبی از خود نشان داد. همچنین ساختمان 24 طبقه دادگستری ایالات متحده امریکا در سیاتل و ساختمان 6 طبقه در سنت جرج واقع در کبک کانادا نیز نمونه هایی از کاربرد این سیستم است.
نمونه های دیگری از ساختمانهای مهم طراحی شده با سیستم دیوار برشی فولادی به شرح ذیل می باشد :
برج 74 طبقه تجارت بین المللی پکن
برج 53 طبقه شینجوکونومورا ژاپن
ساختمان 30 طبقه هتل هایت ریجنسی((Hyatt Regensy
بیمارستان 6 طبقه آلیوویو کالیفرنیا
مرکز درمانی در چارلزتون کالیفرنیای جنوبی
-2 معرفی دیوار برشی فولادی
در سه دهه اخیر استفاده از دیوار برشی فولادی بعنوان یک سیستم باربر جانبی در ساختمان ها مورد توجه پژوهشگران و طراحان قرار گرفته است این پدیده نوین که در جهان به سرعت رو به گسترش می باشد ، در ساختمانهای جدید و بعضا تقویت ساختمانهای موجود به خصوص در کشورهای با لرزه خیزی بالا همچون آمریکا و ژاپن به کار گرفته شده است. نتایج یک مقایسه اقتصادی نشان می دهد که استفاده از سیستم دیوار برشی فولادی نسبت به قاب خمشی فولادی تا 50 درصد در مصرف فولاد صرفه جویی به همراه داشته است. دیوارهای فولادی یکی از سازه هایی است که در آن نیروی حاصل از زلزله به دیوار نازک فولادی جذب و کمترین خسارت به بنا وارد می شود . برتری این روش علاوه بر نازک تر بودن دیوار فولادی 3) تا 10 میلی متر در مقایسه با 30 سانتی متر)، امکان عبور آسان تاسیسات در مقایسه با بتن مسلح، امکان تعویض دیوار پس از وارد شدن نیروهای زلزله و قیمت ارزان تر آن است. اشکالی که پیش از این در کاربردی کردن این نوع دیوار وجود داشت، نبود محاسبات و شناخت رفتار دقیق دیوار بود که در این پژوهش این محاسبات انجام و نرم افزاری نیز برای تحلیل نیروها و طراحی سیستم تدوین شده است.
سبک تر شدن اسکلت ساختمان به میزان 20 تا 50 درصدی و کاهش هزینه های پی سازه از دیگر برتری های کاربرد دیوارهای برشی فولادی است . ضمنا با استفاده از محاسبات انجام شده می توان بنا را به گونه ای طراحی کرد که نیروهای زلزله در این ورق های فولادی متمرکز شوند. از نقطه نظر اجرایی ، دیوار برشی فولادی سیستمی بسیار ساده بوده و هیچگونه پیچیدگی خاصی در اجرای آن وجود ندارد از این رو مهندسان ، تکنسین ها و کارگران فنی با داشتن دانش فنی موجود و بدون نیاز به کسب مهارت جدید می توانند آن را اجرا نمایند . در این روش دقت انجام کار در حد دقت های متعارف در اجرای سازه های فولادی بوده و با رعایت آن ضریب اطمینان اجرایی به مراتب بالاتر از دیگر انواع سیستم ها می باشد . همچنین با توجه به امکان ساخت قطعات این سیستم در کارخانه و نصب آن در محل ، سرعت اجرای سیستم بالا بوده و از هزینه های اجرایی تا حد زیادی کاسته می شود . سازه های فولادی بر حسب سیستم باربر جانبی و نوع اتصالات سازه به دو نوع قاب ساده و قاب صلب تقسیم بندی می شوند. سازه مهار بندی جانبی در سیستم قاب ساده می تواند دیوار برشی بتنی و یا مهار بادبندی فولادی باشد. در سالیان اخیر استفاده از سیستم قاب ساده با دیوار برشی بتنی در ساخت و ساز شهری رواج گسترده و چشمگیری یافته است. از دلایل استفاده از این نوع سازه ها در می توان به صرفه اقتصادی و سادگی اجرای آن اشاره نمود ومهمترین مزیت این سیستم سرعت بالای اجرای آن می باشد.
از طرفی با توجه به استقبال سازندگان حرفه ای از سیستم های نوین و صنعتی نیاز به صنعتی سازی در ساخت سازه ها بیش از پیش احساس می گرددکه سیستم سازه ای"دیوار برشی فولادی " یکی از فناوری هایی است که صنعتی سازی را نیز در ساخت سازه ها به ارمغان می آورد .
شکل-2 نمونه ای از اجرای دیوار برشی فولادی
مهمترین مزایای دیوار برشی فولادی به شرح ذیل می باشند :
1. شکل پذیری و قابلیت استهلاک انرژی این سیستم بالا می باشد که منجر به کارآمدی سازه در برابر زلزله و اقتصادی شدن طرح ( کاهش مصرف آهن و هزینه نهایی ساخت ) می گردد .
2. دیوار برشی فولادی دارای سختی اولیه بالایی می باشد بنابراین در کنترل تغییر مکان جانبی سازه نقش موثری دارد .
3. با استفاده از جوش کارخانه ای یا استفاده از پیچ و مهره ، سرعت ساخت افزایش یافته و کنترل کیفیت اجرا مطلوب تر خواهد شد .
4. ساده شدن اتصالات و کاهش چشمگیر اتصالات گیردارکه عمدتا با ورقهای ضخیم و جوشکاری های نفوذی چند لایه انجام می شوند . ( کاهش حجم جوشکاری )
5. در مقایسه با دیوار برشی بتنی ، دیوار برشی فولادی تاثیر مهمی در کاهش وزن قابل تحمل ستونها و فونداسیون دارد که منجر به کاهش با جانبی زلزله می گردد .
6. از لحاظ معماری،افزایش فضای مفید طبقات ساختمان به ویژه همکف و زیرزمین که کاربری پارکینگ یا تجاری دارند . در این روش
امکان طراحی دهانه های نسبتا بزرگ بدون افزایش چشمگیر قطر ستونها وجود دارد .
7. امکان ایجاد بازشو در نمای ساختمان .
8. در مناطق سردسیر و در دمای پایین ، کاربردی و موثر می باشد .
9. نوع تقویت نشده آن به علت اقتصادی بودن و بهره گیری از ظرفیت مناسب مقاومتی و شکل پذیری بالای ورق نازک فولادی پس از
کمانش آن ، کارایی بیشتری دارد.
-3 وجه تشابه تیر ورق و دیوار برشی فولادی
رفتار اصلی دیوار برشی فولادی ، مقاومت در برابر برش افقی طبقه و مقابله با لنگر ناشی از بارهای جانبی می باشد . به طور کلی دیوار برشی فولادی از یک تیر ورق فولادی ، دو ستون در دو طرف ورق و دو تیر در بالا و پایین آن تشکیل شده است . این سیستم شبیه یک تیر ورق عمودی عمل می نماید . ورق فولادی جان تیر ورق و ستونها به عنوان بالهای تیر و تیرها نقش سخت کننده تیر ورق را دارند [3].
شکل-3 مشابهت دیوار برشی فولادی به تیر ورق طره فولادی
همچنین سیستم دیوار برشی فولادی از همه خصوصیات خوب سیستم های مهاربندی متمرکز ( CBF) مثل X , V شکل و سیستم مهاربندی خارج از مرکز ( EBF ) کارایی بیشتر و مناسبتری دارد .
شکل-4 مقایسه مهاربندی و دیوار برشی فولادی
-4 مقاومت پس کمانشی پانل برشی فولادی : " تئوری عمل میدان کشش قطری"
اساس ایده دیوارهای برشی فولادی نازک که در 15 سال اخیر بطور جدی مورد توجه قرار گرفته است ، بهره گیری از میدان کششی قطری می
باشد که در اینگونه دیوارها ایجاد می گردد. اولین تحقیقات روی مقاومت پس کمانشی دیوار برشی فولادی توسط واگنر (wagner) در سال 1931 انجام گرفت . وی بر اساس آزمایشهایی که روی پانل های برشی آلومینیومی انجام داد ، تئوری میدان کششی قطری را ارائه نمود . مقاومت اینگونه دیوارها بطور عمده مقاومت پس کمانشی ورقهای نازک یا به عبارت دیگر مقاومت ناشی از میدان کشش قطری است که پس از کمانش ورق فولادی در آن ایجاد می شود . ورق فولادی جان تا قبل از کمانش تحت اثر برش خالص می باشد . در صورتیکه نیروی اعمالی افزایش یابد ، بطوریکه تنش فشاری در جان از تنش بحرانی ورق فولادی بیشتر شود ورق کمانش نموده و صفحه جان چروکیده می گردد . طبیعتا ورق فولادی در جهت تنش فشاری ، افزایش تنش را نمی تواند تحمل نماید ولی در جهت دیگر که تحت اثر تنشهای کششی قرار دارد ، تنشهای مذکور می تواند با جاری شدن ورق فولادی افزایش یافته ودر نتیجه پانل نیروهای قابل توجهی را تحمل نماید . به این پدیده ، پدیده پس کمانشی در ورق فولادی می نامند که در تیر ورقها نیز مشهود است . امروزه دیوار برشی با نیروی پس کمانشی و ظرفیت تغییر شکل شناخته می شود . تحقیقات به تغییر روند استفاده از پانل دیوار برشی فولادی با سخت کننده یا ورق ضخیم به سمت دیوار برشی فولادی جدار نازک بر اساس ارزیابی مقاومت پس کمانشی ( Post-buckling strength) بواسطه میدان کششی قطری (Diagonal tension field) انجامیده است .
واگنر (1931) ثابت کرد یک پانل جدار نازک در اثر کمانش عرضی پایداری خود را از دست نمی دهد و فقط تغییر شکل قطری ایجاد می شود . وقتی از ورق به جای اعضای قطری استفاده می شود ، برش در صفحه باعث ایجاد تنش کششی و فشاری مساوی در وجهی که زاویه با سطح افق دارد ، می گردد . اگر نیروی برشی افزایش یابد تنش فشاری باعث کمانش یا چین خوردگی ورق می شود و افزایش بیشتر باعث افزایش تنش کششی می شود و قطر فشاری همچنان در کمانش عمل می کند . اگر بار افزایش یابد تنش فشاری به تدریج قابل چشم پوشی خواهد شد که به این شرایط کشش قطری خالص گفته می شود [4].
