بخشی از مقاله
مقايسه ديوارهاي برشي فولادي با ورق صاف و موج دار با سوراخ مرکزي تحت بار سيکلي
چکيده
ديوارهاي برشي فولادي يکي از سيستم هاي نوين در سازه هاي بلند مرتبه و ساختمان هاي با اهميت زياد براي مقابله با نيروهاي جانبي زلزله و باد در سه دهه اخير مورد توجه قرار گرفته است .اين سيستم تشکيل شده است از يک پانل فولادي که با يک قاب فولادي احاطه شده است و به صورت سخت شده و سخت نشده کاربرد دارد. ايده استفاده از ورق هاي موج دار براي حذف سخت کننده ها در ديواربرشي فولادي مطرح گرديد و تحقيقاتي نيز بر روي آن انجام شده است . استفاده گسترده از صفحه هاي فولادي موج دار به عنوان جان تير و ديوارهاي برشي، نياز به بررسي هرچه دقيق تر و جامع تر اين اعضاي سازه اي را بيش از پيش لازم ساخته است . سختي اوليه قابل توجه شکل پذيري مناسب ، توانايي بالا در اتلاف انرژي و دارا بودن هندسه ي خاص از جمله دلايل اصلي براي اين بررسي است . رفتار غيرخطي و هيسترسيس ديوارهاي برشي فولادي موج دار سوراخ دار و شکل پذيري ، سختي، جذب انرژي و پوش نمودار نيرو- جابجايي در اين تحقيق مورد تجزيه تحليل قرار گرفت . نمونه هاي مختلف ديوار برشي فولادي موج دار با سوراخ مرکزي با سخت کننده دور سوراخ با ورق موج دار ذوزنقه اي، سينوسي و مستطيلي با ترتيب موج قائم و افقي و ديواربرشي با ورق صاف تحت بارسيکلي مورد بررسي قرار گرفت . نتايج حاکي از آن بود نمونه ساده نسبت به نمونه هاي ديگر داراي سختياوليه ، شکل پذيري خوب و مقاومت بالاتر ولي جذب انرژي کمتري داشت . نمونه ذوزنقه با موج قائم نسبت موج قائم سينوسي و مستطيلي رفتار بهتري از خود نشان داد مقاومت ، شکل پذيري و جذب انرژي بالاتري داشت و نمونه سينوسي قائم بالاترين جذب انرژي را از کل نمونه دارا بود. و در نمونه هاي ذوزنقه ، سينوسي ، مستطيلي با موج افقي ، نمونه سينوسي افقي مقاومت تسليم و جذب انرژي بالاتري داشت ولي ذوزنقه افقي مقاومت و شکل پذيري بهتري از خود نشان داد.
واژگان کليدي :ديواربرشي فولادي، ورق موج دار ، جذب انرژي، شکل پذيري، سوراخ مرکزي
١- مقدمه
سيستم ديواربرشي فولادي به عنوان يک سيستم مقاوم در برابر بارهاي جانبي در سه دهه اخير به سرعت در دنيا مورد توجه قرار گرفته و از اين سيستم براي ساخت و مقاوم سازي ساختمان هاي مهمي دردنيا بويژه درکشورهاي زلزله خيز چون ژاپن و آمريکا استفاده شده است . [١] ديوارهاي برشي فولادي از ورق فولادي که توسط تيرها و ستون ها احاطه شده است ، تشکيل گرديده اند. که به تيرها وستون ها عناصر مرزي ميگويند . ديوارهاي برشي فولادي مشابه تيرورق طرهاي عمل مينمايند، که درآن ستون هابه منظور بال هاي تير ورق ، تيرهاي طبقات همانند سخت کننده هاي آن و ورق هاي فولادي به عنوان جان تيرورق ميباشد . [٢] در زمينه ديواربرشي فولادي تحقيقات زيادي صورت گرفته است اما نخستين تحقيق در زمينه ديواربرشي فولادي با ورق موج دار در سال ٢٠٠٥ توسط Berman and Bruneau انجام شد سه نمونه را براي استفاده در سازه سرد نورد تحت بارگذاري قرار دادند .نمونه هاي آزمايشي براي مقاوم سازي ساختمان يک بيمارستان طراحي شده بود .دو نمونه ورق صاف به ضخامت ٠.٩ ميلي متر و يک نمونه ورق موج دار به ضخامت ٠.٧ ميلي متر ورق موج دار با زاويه ٤٥ درجه مدل شده بود.آنها نتيجه گرفتند که نمونه هاي با ورق صاف داراي شکل پذيري بيشتري هستند .منحني هيسترسيس ورق موج دار نامتقارن بود بنابراين آنها پيشنهاد کردند دو دهانه با جهت ورق مخالف به کار برده شود.[٣] در سال ٢٠٠٨ ميلادي تحقيقاتي بر روي سيستم ديواربرشي فولادي با ورق موج دار توسط S.Tippingو B.Stojadinovig انجام شد که در اين آزمايش استفاده از ديواربرشي با ورق موج دار را براي ساختمان هاي مسکوني با قاب هاي سبک سرد نورد شده پيشنهاد کردند .اين پژوهشگران معتقد بودند، استفاده از اين سامانه باعث افزايش ظرفيت برشي ديواربرشي فولادي ميگردد .آنها براي طراحي صحيح سيستم ديواربرشي با ورق موج دار براي ساختمان هاي مسکوني با قاب هاي سبک سرد نورد شده ، يک سري پارامتر طراحي ارائه نمودند [٤]. فرشته امامي و همکاران در سال ٢٠١٣ در دانشگاه شريف در يک آزمايش تجربي و نرم افزاري سه نمونه ديواربرشي فولادي موج دار تحت بارگذاري دوره اي قرار دادن ،نمونه ها براساس روش اندرکنش قاب و ورق طراحي و ساخته شد و تنها اختلاف نمونه اول با دو نمونه ديگر، در موج دار شدن ورق ها بود. با انجام آزمايشات و تعيين رفتار هيسترسيس هر يک از نمونه ها تحت بار شبه استاتيکي مشخص شد که نمونه ساده داراي مقاومت نهايي بالاتري مي باشد و کاهش سختي درآن با وارد شدن به محور پلاستيک به صورت تدريجي ميباشد. ولي رفتار هيسترسيس نمونه هاي موج دار مشابه و در مقايسه با نمونه اول سختي الاستيک و مقاومت کمانش بالاتر دارند و از نظر شکل پذيري و ميزان جذب انرژي نهايي شرايط مطلوب تري نسبت به ديواربرشي ساده دارد و کل انرژي جذب شده در نمونه موج دار حدود ٥٢ % بيشتر از نمونه ساده ميباشد در مقابل مقاومت نهايي نمونه ديواربرشي ساده حدود ١٧% بالاتر از مقاومت نهايي نمونه هاي موج دار ميباشد.[٥] يک روش جديد براي توسعه عوامل پاسخ لرزه اي براي طراحي سيستم هاي سازه اي به تازگي توسط شوراي فناوري کاربردي توسعه و در ٦٩٥ -FEMA P توسط Laszlo Gergly Vigh و همکارانش در سال ٢٠١٣ منتشر شده است . متدولوؤي ارزيابي ٦٩٥ -FEMA P يک رويکرد جامع و هدفمند است که براي بررسي فاکتور عملکرد بر اساس تجزيه و تحليل ساختاري غير خطي و با توجه به عدم قطعيت در نيازمنديهاي طراحي، حمايت از داده هاي آزمون ، و مدل هاي غير خطي فراهم ميکند. هدف از اين روش اين است که اطمينان حاصل شود که سازه هايي که با فاکتور عملکرد انتخاب شده طراحي شده اند به شکل قابل قبولي داراي احتمال کم فروپاشي ساختاري تحت زلزله شديد ( نادر ) باشند. اين روش براساس طراحي و ارزيابي طرح نمونه اوليه ساختمان است که عملکرد فروپاشي از طريق يک سري از تجزيه و تحليل هاي استاتيکي و ديناميکي غير خطي با استفاده از مدل عددي که براي داده - هاي آزمون تجربي کاليبره شده اند ارزيابي شد. اين روش براي ارزيابي فاکتور عملکرد لرزه اي براي يک سيستم ديواربرشي فولادي سبک -قاب مقاوم در برابر نيروي لرزه اي که تازه پيشنهاد شده و توسط Tipping Mar و همکاران از دانشگاه برکلي، کاليفرنيا توسعه داده شد مورد استفاده قرار گرفت . اين سيستم متشکل ازورق هاي فولادي برشي براي استفاده در سازه هاي مسکوني و تجاري اندازه متوسط است . کاليبراسيون پارامترهاي مدل تجزيه و تحليل غير خطي به داده هاي تجربي با استفاده از الگوريتم ژنتيک انجام ميشود. سيستم هاي اوليه که در مطالعه مورد بررسي قرار گرفتند نشان داد که براي رسيدن به معيار پذيرش ٦٩٥ -FEMA P براي يک عامل اصلاح پاسخ لرزه اي، R برابر با ٤ است .[٦]
٢- مشخصات مکانيکي مدل
در همه نمونه ها از فولاد مصرفي براي اجزاي مرزي تير و ستون با تنش حد تسليم ٣٤٠مگاپاسکال و تنش حد نهايي ٤٥٠ مگاپاسکال و ورق فولادي با تنش حد تسليم ٢٨٠ مگاپاسگال و تنش نهايي ٥٠٠ مگاپاسگال استفاده شده است ، مدل رفتاري فولاد نيز به صورت دو خطي در نظر گرفته شده است . مشخصات مکانيکي استفاده شده را در جدول ١ مشاهده ميکنيد.
٣- معرفي مدل ها
در اين مقاله ٧ نمونه ديواربرشي شامل نمونه هاي با ورق صاف و موج دار ذوزنقه اي، سينوسي و مستطيلي با ترتيب موج قائم و افقي با سوراخ در مرکز ديوار به قطر ٤٠٠ ميليمتر و يک سخت کننده دورسوراخ به ابعاد سوراخ و طول ٩٠ ميلي متر ضخامت ٥ ميلي متر استفاده شده است . که با نرم افزار اجزاء محدود مدل شد و تحت بار رفت و برگشتي پروتکل ATC٢٤ با جابجايي ٧٠ ميليمتر مورد بررسي قرار گرفت . در تمامي مدل ها ارتفاع ، دهانه و ضخامت ورق فولادي و سوراخ مرکز ديوار ثابت و شکل ورق فولادي در ديواربرشي به عنوان متغير در نظر گرفته شده است که در شکل (١) نشان داده شده است .جدول (٢) : مشخصات نمونه هاي استفاده شده در اين مقاله ميباشد.
شکل (١) : جزئيات نمونه ورق هاي موج دار جدول (٢) : مشخصات نمونه هاي استفاده شده
٤- شرايط مرزي :
ورق فولادي و اعضاي مرزي تير و ستون با المان (Sr٤)Shell مدل شده است . المان پوسته يک المان چهار گره ي دو انحنايي با انتگرال گيري کاهش يافته بوده که در اين المان هر گره داراي ٦ درجه آزادي شامل ٣ درجه انتقال و ٣ درجه دوران ميباشد. شرايط مرزي به گونه اي تعريف شده که اتصال ورق فولادي به اعضاء مرزي گيردار باشد . علاوه بر اين ، براي تأمين صلبيت کافي در تير بالايي و اينکه تغييرشکل همه گره هاي بالايي يکسان شود، در محل اتصال تير به ستون در جان ستون يک ناحيه صلب تعريف شده است و يک بار فشاري ٨٠ کيلونيوتني برروي هر ستون جمعا ١٦٠ کيلونيوتن اعمال شده است . تحليل از نوع
General,static ميباشد.
٥- معرفي و اعتبار سنجي مدل سازي عددي
يکي از مزاياي استفاده از ديواربرشي فولادي سهولت استفاده از سوراخ در ورق ميان قاب است . که گاهي اوقات براي عبور تاسيسات (آب و برق )، اهداف معماري، و يا دلايل ساختاري مورد نياز است . با اين حال ، در ساخت ساز فعلي و طراحان سازه عمدتا در برابر استفاده از سوراخ در ديواربرشي، و محل قرار- گيري آن و جزئيات خاص و محدوديت هاي موجود نميتوان در هر زمان سوراخ مورد استفاده قرار گيرد. از آنجا که ، اگر يک ديوار برشي سوراخ دار به درستي طراحي نشده باشد، عملکرد لرزه اي ساختار آن ممکن است کاهش يافته و علاوه بر اين ، معمولا تحليل سازه پيچيده تر ميشود. پس از تحقيقات اخير، ديوار- هايبرشي فولادي (SPSW) به عنوان يک سيستم قابل اعتماد در برابر بار جانبي و مقاوم در مناطق لرزه اي با خطر زياد شناخته شده است .نمونه آزمايشگاهي توسط عرفان علوي و فريبرزناطقي در پژوهشگاه زلزله ايران که در سال ٢٠١٣ انجام شد.[٨] مدل انتخابي اعتبار سنجي شده ديواربرشي با سوراخ مرکزي spsws نمونه آزمايشگاهي ميباشد. در اين پژوهش جهت مدل سازي از نرم افزار اجزائ محدود ١-٦.١١ ABAQUS استفاده شده است [٩].
٦- بررسي مدل ها
ضريب شکل پذيري که با μ نشان داده ميشود برابر است با نسبت تغييرمکان نهايي به تغيير مکان تسليم و سختي که با E نشان داده م شود که از تقسيم بار تسليم بر تغيير مکان تسليم به دست ميآيد. جذب انرژي از سطح زير نمودار نيرو- جابجايي بدست ميآيد. با بررسي نمودارهاي در مدل هاي ساخته شده که در شکل هاي ٦ تا ١٠ ارائه شده است . شکل پذيري، جذب انرژي، سختي، مقاومت حداکثر مورد تجزيه تحليل قرار گرفت . معيار خرابي در مدل هاي بررسي شده کاهش ١٠ درصدي مقاومت نسبت به مقاومت حداکثر در نظر گرفته شد و شکل پذيري نيز با توجه به همين معيار بدست آمد.
