بررسی رفتار شکل پذیر بار افزون و چرخه ای سیستم دیوار با سخت کننده و ستون های قوطی شکل پر شده با بتن
با توجه به مزایای سیستم دیوارهای برشی فولادی به عنوان سیستم مقاوم جانبی (سختی، مقاومت، شکل پذیری، جذب انرژی). رفتار چرخه ای سیستم دیوار برشی فولادی تقویت میشود. با سخت کننده های افقی و قائم و ستون های مرزی با مقطع قوطی شکل پر شده از بتن در این مقاله بررسی شده است. تحلیل چرخه ای و استاتیکی غیرخطی از نوع کنترل تغییر مکان با نرم افزار ABAQUS. طبق الگوی تغییر مکان پروتکل ATC 24 انجام و منحنی های هیسترزیس برای انواع مدل ها استخراج گردید.
بعد از اعتبار سنجی مدل های عددی با نتایج آزمایشگاهی، چهار مدل جدید دیوار برشی فولادی. با سخت کننده های افقی و قائم به همراه ستون فلزی که از بتن پز شد در نظر گیری و تحلیل شد. نتایج حاصل نشان داد که دیوار برشی فولادی که تقویت می شود. با سخت کننده و ستون های مرزی قوطی پرشده از بتن دارای مزیت بیشتر از ظرفیت پس کمانشی ورق فولادی بود. و افزایش صلبت ستون های مرزی در مدل تقویتی باعث استفاده بیشتر مقاومت صفحه فولادی (مقاومت پس کمانشی) می شود.
ضمناً نتایج نشان داد که انرژی جذب شده نمونه تقویت شده پرشده. با بتن نسبت به نمونه مرجع تقویت نشده بدون بتن در بارگذاری بار افزون حدود 11 درصد افزایش یافت. در حالی که این نسبت برای انرژی جذب شده تجمعی در بارگذاری تجمعی حدود 5.15 برابر بود. که نشان از تأثیر مثبت استفاده ترکیب سخت کننده و بتن دارد. ضمناً ضریب رفتار نمونه تقویتی نیز حدود 21 درصد افزایش یافت.
مقدمه
با توجه به خسارات و تلفات ناشی از زلزله در کشورهای زلزله خیر، خصوصاً کشور ایران که روی گسل های فعال قرار دارد. لزوم طراحی سازه های مقاوم در برابر بارهای زلزله را امری اجتناب ناپذیر می نماید. لذا در طول زمان سیستم های باربر جانبی مختلفی توسط پژوهشگران و محققین برای مقاومت در مقابل بارهای جانبی زلزله ارائه گردیده است. و این روند از میان قاب های ساختمان های سنتی (مصالح بنایی) تا معرفی سیستم های مقاوم سازه ای ادامه داشته است.
پس سیستم دیوار برشی فولادی (Steel shear wall). که یکی از مناسب ترین سیستم های رایج جهت مقاومت و پایداری سازه در برابر بارهای جانبی می باشد. در مناطق لرزه خیز در مقاوم سازی و بهسازی سازه ها بکار گرفته می شود. و در سه دهه اخیر به سرعت در دنیا مورد توجه قرار گرفت. و از این سیستم برای ساخت و مقاوم سازی ساختمان های مهمی در دنیا. به ویژه در کشورهای زلزله خیز چون ژاپن و آمریکا استفاده گردید. و از سیستم های نوین لرزه ای به حساب می آیند.
که از سال 1994 مورد تأیید آیین نامه فولاد کانادا قرار گرفت. و از سال 2005 نیز آیین نامه فولاد آمریکا را به رسمیت شناخته است. (آیین نامه های کانادا و آمریکا صرفاً به ارائه ضوابط در مورد دیوارهای بدون سخت کننده اکتفا می کنند. و دیوارهای دارای سخت کننده را از مباحث مطروحه خارج می کنند. و آیین نامه ایران به صراحت اعلام کرده است. در حوزه هایی که وارد بحث شدهف رعایت ضوابط آن از سوی مهندسین الزامی است. و در حوزه هایی که آیین نامه به آنها ورود نکرده است. مهندسین مجاز هستند به ضوابط آیین نامه های معتبر کشورهای دیگر مراجعه کنند.
البته استاندارد 2800 در ویراش چهارم، برای سیستم دیوار برشی فولادی، ضریب رفتار 9 را (بر اساس روش تنش مجاز) پیشنهاد کرده است. و به این ترتیب بر کفایت این سیستم صحه گذاشت. روش های مختلفی برای تعیین ضریب رفتار وجود دارند. که متداول ترین آنها روش های مورد به کار گیری در آیین نامه های اروپایی، آیین نامه کانادا و روش های انرژی می باشد.
ستون های قوطی شکل
در این تحقیق برای تعیین ضریب رفتار نمونه های دیوار برشی از روش دو خطی یوانگ استفاده گردید. تا کنون مطالعات تئوری و آزمایشگاهی فراوانی در خصوص رفتار دیوار برشی فولادی انجام پذیرفت. که این تحقیقات مؤید تأمین همزمان سختی، مقاومت و شکل پذیری در دیوارهای برشی فولادی می باشد. همچنین آستانه اصل ضرایب رفتار را برای دیوار برشی فولادی پیشنهاد می دهد.
و این دیوارها ممکن است به دو صورت ورق با سخت کننده و یا ورق بدون سخت کننده به کار می روند. تحقیقات آزمایشگاهی زیادی بر روی دیوار برشی فولادی یک دهانه و یک طبقه را آزمایش کردند. و هدف از این آزمایش بررسی عملکرد فولاد نرم بود. قلهکی دو نمونه دیوار برشی فولادی یک دهانه سه طبقه بدون سخت کننده را آزمایش کردند. رهنورد و همکارانش تحقیقاتی در خصوص پارامترهای مهم عددی در دیوار برشی کامپوزیت انجام دادند.
عناصر مقاوم در مقابل نیروهای جانبی مؤثر بر یک سازه مانند باد یا زلزله. قاب های خمشی، مهاربندها، دیوارهای برشی و یا دو گانه (ترکیبی از آنها) می باشند. استفاده از قاب خمشی به عنوان عنصر مقاوم در برابر بارهای جانبی زلزله، احتیاج به جزئیات خاصی دارد. که باید شکل پذیری مورد نیاز آن را تأمین کند. این جزئیات از لحاظ اجرایی غالباً دست و پا گیر بوده. و در صورتی می توان از اجرای دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجرا و نظارت کارگاهی خیلی خوب باشد.
به دلیل عدم تحقق این امر و در جهت کنترل تغییر مکان جانبی سازه. در اثر بارهای جانبی و تأمین شکل پذیری مورد نیاز سیستم دیوار برشی فولادی. با بهره گیری از مفهوم میدان کشش قطری همانند تیر ورقها، در ساختمان های متوسط و بلند. کشورهای ایالات متحده آمریکا، ژاپن و کانادا به عنوان سیستم مقاوم جانبی مطلوب مورد استفاده قرار گرفت. سیستم دیوار برشی فولادی در ساختمان های با متراژ زیاد و همچنین ساختمان های بلند، اقتصادی تر از سیستم قاب خمشی می باشد.
دیوار بررسی فولادی متشکل از یک ورق نازک فولادی است که توسط تیرها و ستونهای قاب فولادی احاطه می شود. و تیرها و ستون ها می توانند از فولاد ساختمانی با مقاومت معمولی (St37) یا فولاد با مقاومت بالا (st52). و برای دیوار برشی فولادی از ورق نازک با مقاومت تسلیم پایین یا عادی استفاده نمود. از جمله ساختمان های ایجادی با این سیستم می توان بیمارستان 6 طبقه در لوس آنجلس (Olive view). در اوایل دهه 80 میلادی، و برج 51 طبقه شیتجو کونومورا در توکیو بکارگیری شد.
ستون های قوطی شکل
ساختمان بین المللی لاس وگاس (Cosmopolitan) در سال 2009 و ساختمان اداری 35 طبقه در کوبه (High rise). به طوری که ساختمان بیمارستان 6 طبقه (Olive view). در لوس آنجلس و ساختمان اداری 35 طبقه در کوبه (High rise) دو سازه مهمی هستند. که در آنها از سیستم دیوار برشی فولادی به عنوا سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی بکار رفت. و دو زلزله شدید نورثریج (Northridge) و کوبه را پشت سر گذاشتند و مطالعات مورد انجام بر روی این دو ساختمان. پس از زلزله همگی از رفتار بسیار خوب سیستم دیوارهای برشی فولادی در طول زلزله. و وارد شدن کمترین خسارت به این دو ساختمان حکایت می کنند.
همچنین شیشکین و همکارانش تحقیقات وسیعی روی رفتار پانل دیوار برشی ورق فولادی انجام دادند. و دریافتند که رفتار دیوارهای برشی سخت شدند تحت بارهای سیکلی بهتر از پانل های سخت نشدند. و بسیاری از تحقیقات عددی خود را برای دیوارهای برشی ورق فولادی ارائه دادند. طی بیست سال اخیر، تعداد قابل ملاحظه ای از تحقیقات در آمریکای شمالی و ژاپن. بر روی رفتار دیوارهای برشی مرکب حین بارهای رفت و برگشتی و مدل های تحلیلی در این دیوارها متمرکز گردید. با وجود اینکه دیتاهای تحقیقاتی با ارزشی از این نوع سیستم در دسترس است. و ضمن اینکه تعداد زیادی از ساختمان های مهم نیز بر مبنای این سیستم سازه ای بنا شد.
اطلاعات مربوط به طراحی لرزه ای این سیستم در آیین نامه های لرزه ای موجود بسیار محدود می باشد. صبوری و روبرتز، نتایج 16 آزمایش پانل برشی فولادی با بارگذاری قطری را گزارش دادند. نمونه ها در این آزمایشات شامل ضخامت ورق فولادی 1/32 اینچ یا 3/64 اینچ می باشند. بعضی از پانل ها نیز دارای سوراخ بودند. آزمایشات نشان داد که همه پانل ها شکل پذیری کافی را دارا بوده و چهار تکیه گاه بارهای غیر خطی بزرگ را تحمل می کنند. حلقه های هیسترزیس در تحقیق روبرتز نشان می دهد. که بدون کمترین کاهش در مقاومت شکل پذیری نمونه ها به بیش از 7 می رسد.
یکی از جنبه های جالب این برنامه آزمایشی تحقیق اثر سوراخ در مقاومت و سختی دیوار بود. محققان به این نتیجه رسیدند که مقاومت و سختی با افزایش ابعاد سوراخ (1-D/d) به طور خطی کاهش می یابد. تکنولوژی طراحی و ساخت دیوار برشی فولادی طی سالهای اخیر پیشرفت چشم گیری داشته است. و ضوابط طراحی و اجرای آن در آیین نامه های مختلف. مانند آیین نامه فولاد، آیین نامه لرزه ای AISC و ضوابط FEMA 450 وارد شده است.
صحت سنجی دیوار برشی های فولادی تحلیل شده
کمانش دو تأثیر عمده در سیستم دیوار فولادی دارد. اول اینکه باعث کاهش مقاومت و سختی سیستم می گردد. و دوم اینکه با ایجاد تغییر شکل زیاد باعث بروز مشکلات معماری می گردد. به منظور افزایش مقاومت دیوار از طریق جلوگیری از کمانش صفحه فولادی از سخت کننده ها استفاده می شود. استفاده از سخت کننده ها با وجود اینکه باعث افزایش مقاومت می گردد. اما دارای هزینه اجرایی قابل توجه و نیازمند صرف زمان زیادی می باشد. از طرفی صفحه فولادی پس از کمانش نیز می تواند نیروی قابل توجهی را تحمل کند. رفتار بعد از کمانش ورق که با ایجاد عمل ناحیه کششی در ورق صورت می گیرد.
محققان را واداشت که با استفاده از دیوار برشی فولادی تقویتی با سخت کننده ها. تقریباً از تمام ظرفیت برشی دیوار تا رسیدن به گسیختگی استفاده کنند. برای جلوگیری از کمانش ورق فولادی، در سال های اخیر نوع خاصی از دیوار برشی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفت. که مرکب از دیوار برشی با صفحه فولادی همراه با سخت کننده می باشد. همچنین استفاده از ستون های پر شده توسط بتن جهت افزایش سختی و مقاومت ستون صورت گرفته است. در این تحقیق برای صحت سنجی از مدل اصلی سیستم دیوار برشی فولادی صبوری و همکاران بکارگیری شد. و در محیط نرم افزاری اجزای محدود ABAQUS مدل سازی صورت پذیرفت.
ستون های قوطی شکل
شکل 1 نمونه اصلی آزمایشگاهی دیوار برشی همراه با سخت کننده های افقی و قائم. در یک طرف دیوار را پس از کمانش در ورق تحت بار یکنواخت نشان می دهد. شکل 2 نمونه ای مش بندی مدل عددی مشابه مدل آزمایشگاهی و تغییر مکان مدل را نشان می دهد. بارگذاری چرخه ای از نوع رفت و برگشتی طبق پروتکل ATC24 مطابق شکل 3 به مدل های اعمال گردید. برای مدل سازی اجزاء تیر، ستون ها، پانل های برشی و سخت کننده های عمودی و افقی نمونه ها. از المان چهار گره ای پسته ای با انتگرال گیری کاهش یافته (S4R) استفاده. و برای مش بندی نمونه ها از مش منظم مکعبی به ابعاد 50 میلی متر استفاده گردید.
اتصال تیر به ستون، پانل به قاب و سخت کننده ها به پانل و قاب اطراف به صورت گیردار در نظرگیری شد. جنس مصالح پانل از فولاد St14 با تنش تسلیم 192 مگاپاسگال و جنس تیر و ستون های قاب اطراف از فولاد st52. و سخت کننده های افقی قائم پانل نیز از فولاد St37 انتخاب گردیده اند.
فولاد رسول دلاکان
با سالها تجربۀ ارزشمند و گرانبها در عرصه تأمین و توزیع انواع ورق آلیاژی و انواع فولاد آلیاژی. و با گواهینامه ها و آنالیزهای معتبری که ضمیمه محصولاتش به مشتریان خویش میها می کند. توانسته رضایتمندی مشتریان خویش را همواره فراهم آورد.
صنعتگر شریف و گرامی از اینکه ما را جهت خرید کالا (فولاد آلیاژی) مورد نیاز خویش. انتخاب می نمایید از شما سپاسگزاریم.
ارتباط با ما
02128423820 – 09122136675
واتس آپ: 09122136675 – فکس: 02128423820
اینستاگرام: fooladdalakan
ایمیل : fooladrasuldalakan@gmail.com