بخشی از مقاله
چکیده
سیستم دیوارهای برشی فولادی یکی از جدیدترین و کارآمدترین سیستمهای مقاوم در برابر بارهای جانبی، مانند زلزله و باد میباشد و در سالهای اخیر استفاده از این سیستم به خصوص در سازههای بلند و در کشورهای زلزلهخیز مانند ژاپن و آمریکا و کشورهای مختلف دنیا بسیار رایج شده است و این سیستم دارای مزایا و برتریهای بسیار زیادی نسبت به سایر سیستمهای مقاوم جانبی دیگر میباشد. از ویژگیهای این سیستم اقتصادی بودن، اجرای آسان، وزن کم نسبت به سیستمهای مشابه، نصب سریع و جذب انرژی بالا در سازه را میتوان نام برد. همچنین این سیستم دارای ضریب رفتار بالا بوده که باعث کاهش ابعاد تیرها و ستونها، افزایش فضای مفید معماری و کاهش اثر نیروی زلزله خواهد شد.
در این پژوهش سیستم دوگانه قاب خمشی فولادی ویژه همراه با دیوار برشی فولادی دارای اتصالات صلب با استفاده از نرم افزار اجزا محدود آباکوس به صورت دو بعدی بر اساس روش عملکرد طراحی گردید. این مدل تحت اثر تحریکات زلزلههای نورتریج و کوبه قرار گرفت. نتایج تحلیلهای صورت گرفته نشان میدهد طراحی بر اساس روش عملکرد به علت کاهش صلبیت و افزایش شکل پذیری در ناحیه فرا خطی، ظرفیت بیشتری را در مستهلک کردن نیروی زلزله به کار میگیرد. روش تغییرمکان در دستیابی به اهداف عملکردی توانمند بوده زیرا از ظرفیت شکل پذیری، بهینه استفاده میکند که این امر باعث حفظ ایستایی سازه و کمک به تحمل پس لرزههای احتمالی و در نهایت ایمنی بیشتر سازه میشود.
-1 مقدمه
از سال 1970 میلادی تا کنون سازههای مهمی با بکارگیری سیستم دیوار برشی فولادی ساخته شده است و تحقیقات آزمایشگاهی و نظری انجام شده روی دیوارهای برشی فولادی همگی نشانگر این است که سیستم مذکور در مناطق با لرزه خیزی بالا عملکرد مطلوبی دارد و رفتار سازههای اجرا شده با سیستم دیوار برشی فولادی در زلزلههای شدید مانند زلزله کوبه1 در سال 1995 و نورتریج 2 در سال 1994 میلادی مطلوب بوده است.
از سازههای ساخته شده با سیستم دیوار برشی فولادی میتوان بیمارستان 6 طبقه آلویو3 در لس آنجلس4 و ساختمان 35 طبقه در کوبه اشاره کرد .[1] سیستم دیوار برشی فولادی دارای سختی و مقاومت کافی برای مقابله با بارهای سنگین جانبی میباشد و توانایی جذب انرژی زیاد در زلزلههای شدید را دارد و همچنین میتواند چرخههای غیر ارتجاعی را تحمل کند. با وجود کمانش قطری فشاری در این سیستم، قطر کششی بار جانبی را تحمل میکند و سیستم رفتار پایداری در باربری از خود نشان میدهد.
این رفتار پایدار سبب شکلپذیری خوب سیستم میشود. همچنین این سیستم بالاترین ضریب شکلپذیری را نسبت به سایر سیستمهای باربر جانبی دوگانه دارد [1] و .[2] دیوارهای برشی فولادی از ورق فولادی که توسط تیرها و ستونها احاطه شده است به نام ورق جان5، تشکیل گردیدهاند که به تیرها و ستونها به ترتیب اعضا مرزی افقی6 و قائم7 گفته میشود. همان طور که در شکل - 1 - نشان داده شده، دیوارهای برشی فولادی مشابه تیر ورق طرهای عمل میکنند که در آن ستونها به منزله بالهای آن، تیرهای طبقات مانند سخت کنندهها و ورقهای فولادی به عنوان جان آن میباشند .[1]
در طی دهه 1980 و 1990، تعداد قابل ملاحظهای کار تحقیقاتی تحلیلی و آزمایشگاهی درباره رفتار پیش کمانش سیستمهای دیوار برشی فولادی نازک غیرسخت انجام گرفته است[8-3] این کارهای تحقیقاتی ابتدا در دانشگاههای کانادا8 و آمریکا9 انجام شده و منجربه یکپارچگی مشخصههای طراحی برای سیستمهای دیوار برشی فولادی در استانداردها و کدهای طراحی شده است. در سال 1994 استاندارد طراحی فولاد کانادا[9] مقررات طراحی برای دیوار برشی فولادی نازک غیرسخت ارائه کرد اگرچه به عنوان ضمیمهای برای کد اصلی طراحی در نظر گرفته شده بود. استاندارد 2001 کانادا[10] بندهای اجباری برای طراحی دیوارهای برشی فولادی در نظر گرفت. این استاندارد مقرراتی برای دیوارهای برشی فولادی با شکل پذیری کم و شکل پذیری زیاد دارد.
تحقیقات بیشتر در دهه اخیر بر روی سیستمهای دیوار برشی فولادی مخصوصاً تحلیل پلاستیک و روشهای طراحی برای دیوار برشی فولادی منجربه مقررات طراحی جدیدتر برای مثال مقررات لرزهای [13-12] AISC1 و استاندارد CAN/CSA S16 کانادا شده است10]و .[14 مشخصههای دیوار برشی فولادی بر اساس آیین نامه AISC به گونهای است که در طراحی عامل مقاومت و بار براساس حالت حدی تعیین میشود و طراحی بر اساس ظرفیت در این استاندارد گنجانده شده است.
برای مثال، تمام المانهای مرزی افقی و المانهای مرزی قائم برای مقاومت در برابر حداکثر نیروهایی که می-تواند توسط پانلهای پرکننده فولادی ایجاد شوند، طراحی میشوند. در آیین نامه مذکور مکانیزم شکست با توجه به معیار تیر ضعیف-ستون قوی محقق شده و ایجاد مفاصل پلاستیک را در دو انتهای تیرها مجاز در نظر گرفته است. مفاهیم طراحی ظرفیت در آخرین آیین نامههای طراحی فولاد کانادا و آمریکا درنظر گرفته شده اما ارزیابی دیدگاه طراحی لرزهای براساس عملکرد دارای محدودیتهایی به شرح زیر میباشد:
- ظرفیت تغییر شکل غیرارتجاعی قابل توجه سیستمهای دیوار برشی فولادی نمیتوانند به طور کامل توسط این کدها استفاده شوند زیرا طراحی اولیه براساس توجه به رفتار ارتجاعی سازه بوده و رفتار غیرالاستیک توسط عامل اصلاح پاسخ R به طور ضمنی مد نظر قرار میگیرد.
- مکانیزم شکست مطلوب در سازه ایجاد نمیشود.[15] اخیراً برمن2 و برونو[16]3یک روش طراحی ظرفیت نسبتاً موثر و دقیق برای المانهای مرزی قائم دیوار برشی فولادی پیشنهاد دادند. این پژوهشگران مدل الاستیک خطی دیوار برشی فولادی و مفاهیم تحلیل پلاستیک را با هم ترکیب کردند. کارهای تحقیقاتی[20-17] روشی مفید برای طراحی المانهای مرزی افقی دیوار برشی فولادی پیشنهاد کردند. ویان4 و همکاران[18] استفاده از تیر کاهش یافته در دو انتهای المانهای مرزی افقی را برای تضمین مکانیزم از پیش تعیین شده شکست در مقررات لرزهای AISC پیشنهاد کردند.
در طی دهه اخیر، فلسفه طراحی لرزهای براساس عملکرد به عنوان یک رویکرد موثر مد نظر قرار گرفته. این روش برای رفتار غیرارتجاعی سیستم سازهای در فرآیند طراحی در نظر گرفته شده. رویکردهای طراحی لرزهای مبتنی بر عملکرد براساس تحلیل پلاستیک انجام میشود. اخیراً برای سیستمهای مقاومت در برابر بارهای جانبی مختلف - مانند قابهای خمشی فولادی با اتصالات صلب و مفصل - در دانشگاه میشیگان5 توسعه داده شدهاند 21]و.[22 در این روشهای طراحی، مکانیزم شکست از پیش انتخاب شده و دریفت هدف به عنوان اهداف عملکرد در نظر گرفته شده است. جزئیات این روشها به صورت گام به گام توسط گوئل6 و چائو7 آورده شده است .[23]
گوش8 و همکاران [24] روشی برای طراحی دیوار برشی فولادی بر اساس تغییرمکان و شکل پذیری سازه ارائه کردند این روش مشابه روشهای توسعه داده شده در دانشگاه میشیگان بوده این پژوهشگران نسبت شکل پذیری هدف و مکانیزم از پیش تعیین شده شکست را به عنوان معیار طراحی در نظر گرفته و مفهوم تعادل انرژی غیرارتجاعی در روش گنجانده شده است. اعتبار این روش به وسیله طراحی دیوارهای برشی فولادی 4 طبقه با اتصال صلب تیرها در مواجه با رکوردهای مختلف زلزله و نسبتهای مختلف شکل پذیری هدف تأیید شده. گوپتا9 و همکاران [25] روش مبتنی بر شکل پذیری غیرالاستیک پیشنهادی توسط گوش و همکاران را با استفاده از بخش نورد گرم استاندارد دردسترس در آمریکا [26] و هند [27]بکار گرفتند. این پژوهشگران اخیراً، در حال بررسی توزیع مناسب برش در سازه با توجه به روش مذکور میباشند.[28]
