اثر اتصال لولائی بین تیر و ستون در دیوارهای برشی فولادی

چكیده
در سه دهه اخیر دیوارهای برشی فولادی (ssw) به عنوان یك سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی مورد توجه قرار گرفته است و در ساختمانهای متعددی در جهان به مورد اجرا گذاشته شده است. این پدیده نوین در جهان به سرعت رو به گسترش می باشد در ساخت ساختمانهای جدید و همچنین تقویت ساختمانهای موجود خصوص در كشورهای زلزل هخیزی همچون آمریكا و ژاپن بكار گرفته شده است. در تحقیقات حاضر اثر اتصال لولائی بین تیر و ستون بر روی رفتار دیوارهای برشی فولادی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این بررسی با اتصال لولائی بین تیر و ستون، دیوارهای برشی فولادی با ورق نازك در دو حالت تقویت شده و بدون تقویت با سه روش متداول جایگزینی ورق با میله، المانهای محدود و روش صبوری_روبرتس در محدوده الاستیك خطی مورد بررسی قرارگرفته اند. نتایج نشان می دهد كه اثر اتصال لولائی بین تیر و ستون بر روی رفتار دیوارهای برشی فولادی ناچیز می باشد.
-1 مقدمه
دیوارهای برشی فولادی از دهه 1970 میلادی در ساختمانهای مختلف به عنوان سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی به ویژه زلزله مورد استفاده قرارگرفته است. سیستم مذكور در دو زلزله قوی نورث ریچ آمریكا و كوبه ژاپن و همچنین در آزمایشگاه ها از خود رفتار بسیار مناسبی را نشان داده است، لذا استفاده از آن در كشورهای زلزله خیز جهان به سرعت رو به گسترش می باشد. بكارگیری این سیستم در مقایسه با قابهای فولادی ممان گیر تاحدود 50% صرفه جوئی درمصرف فولاد را در سازه ساختمان به همراه داشته است.
دیوار برشی فولادی كه از یك ورق فولادی كه توسط تیرها و ستونها محاط شده است تشكیل یافته، مشابه یك تیر ورق كه بصورت قائم قرار گرفته باشد عمل می نماید. این سیستم از نظر اجرائی، سیستمی بسیار ساده بوده و هیچگونه پیچیدگی خاصی در آن وجود ندارد. دیوارهای برشی فولادی جایگزینی تمیزتر و سریعتر به لحاظ اجرائی و مطمئن تر به لحاظ مقاومت و رفتار برای دیوارهای برشی بتنی نه تنها در ساز ه های فولادی بلكه در سازه های بتنی نیز می باشد. همچنین سیستم مذكور از تمام خصوصیات خوب سیستم های مهاربندی متمركز (cbf) و نیز خارج از مركز (ebf) به لحاظ اجرائی، كارائی و رفتاری بهره مند بوده و در بسیاری از موارد بهتر عمل می كند.
سیستم از نظر سختی برشی از سخت ترین سیتم های مهاربندی كه x شكل می باشد، سخت تر بوده و با توجه به امكان ایجاد بازشو در هر نقطه از آن، كارائی همه سیستم های مهاربندی را از این نظر دارا می باشد. همچنین رفتار سیستم در محیط پلاستیك و میزان جذب انرژی آن نسبت به سیست مهای مهاربندی بهتر است. در این سیستم به علت گستردگی مصالح و اتصالات، تعدیل تنشها به مراتب بهتر از سیست مهای مقاوم دیگر در برابر بارهای جانبی مانند قابها و انواع مهاربندها كه معمولاً در آنها مصالح به صورت دسته شده و اتصالات متمركز می باشند، صورت گرفته و رفتار سیستم به ویژه در محیط پلاستیك مناسبتر می باشد. علاوه بر موارد فوق به دلیل اینكه میزان جابجائی جانبی این نوع دیوار برشی نسبت به مشابه بتنی خود كمتر است لذا در ساز ههای ساختمان های بلند بیشتر مورد استفاده است.
در این مقاله برای بررسی اثر اتصال لولائی بین تیر و ستون بر روی رفتار دیوارهای برشی فولادی ، یك دیوار چهار طبقه مورد مطالعه قرار گرفته است. در دیوار مذكور ستونها و تیرهای انتهائی بنحوی طراحی گردیده اند كه پاسخگوی نیر وهای وارده از طرف ورق تا حد جاری شدن ورق باشند. به دیوار مذكور نیروهای جانبی تا حد الاستیك ورق فولادی وارد گردیده است.در محاسبات فوق برای مشاهده اثر اتصال لولائی بین تیر و ستون در دیوارهای برشی فولادی تقویت شده و بدون تقویت، یكبار محاسبات با فرض كمانش ورق و تشكیل میدان كشش قطری و بار دیگر بر اساس عدم كمانش ورق انجام گردیده است. همچنین برای حصول اطمینان از نتایج، محاسبات به سه روش متداول در رابطه با دیوارهای برشی فولادی یعنی روش جایگزینی ورق با میله، روش المانهای محدود با استفاده از نرم افزار ((ansys و روش صبوری_روبرتس انجام یافته است.

منبع:انجمن مهندسی عمران

 

-2 مشخصات دیوار برشی فولادی


مشخصات دیوار برشی فولادی چهار طبقه مورد مطالعه مطابق شكل 1 می باشد. فولاد مصرفی در آن برای تیرها و ستونها و ورق دارای مشخصات یكسان و مطابق جدول 1 می باشد:










در این دیوار برشی فولادی ، ارتفاع هر طبقه 3000 میلیمتر ، عرض دهانه 6500 میلیمتر ، ضخامت ورق 7میلیمتر و برش پایه6000 kn در نظر گرفته شده است. با توجه به برش پایه و با فرض توزیع نیرو بصورت مثلثی در طبقات، نیروهای مذكور در طبقات مطابق مقادیر نشان داده شده در شكل 1 می باشد. لازم بذكر است كه سیستم طوری طراحی گردیده است كه ورق فولادی در طبقه پائین تحت اثر برش پایه مذكور به حد الاستیك خود نزدیك گردد. همانطور كه در شكل 1 نشان داده شده است تیرهای میانی از نوع ipb در نظر گرفته شده است. دیوار مذكور در دو حالت، یكبار با اتصالات مفصلی بین تیرها و ستونها و بار دیگر با اتصالات گیردار مورد مطالعه قرار گرفته است.
دیوار برشی نشان داده شده در شكل 1 در دو حالت ،یكی با فرض آزاد بودن كمانش ورق و تشكیل میدان كشش قطری در آن) دیوار برشی فولادی با ورق نازك (و دیگری با فرض عدم كمانش ورق فولادی(دیوار برشی فولادی تقویت شده) یكبار با فرض اتصال مفصلی بین تیرها و ستونها و بار دیگر با فرض گیرداری بین آنها، به روشهای مختلف مورد آنالیز قرار گرفته اند.
-3 دیوار برشی فولادی با ورق نازك
در این حالت با توجه به نازك بودن ورق فولادی، ورق در اثر نیروهای وارده كمانه كرده و یك میدان كشش قطری در آن به وجود می آید كه در كلیه ی روشهای مورد استفاده در آنالیز دیوار، این پدیده به دقت مد نظر قرار گرفته است.
-1-3 آنالیز به روش صبوری_روبرتس
در این روش با توجه به اینكه آنالیز بر اساس فرض صلبیت طبقات می باشد، لذا محاسبات بدون توجه به سختی تیرهای میانی با استفاده از مراجع شماره1 و 2 و 3 و4 كه روش مذكور در آنها ارائه گردیده است انجام گردیده و تغییر مكان جانبی طبقات كه از مجموع تغییر مكانهای برشی و خمشی تشكیل گردیده است محاسبه و در جدول 2 آورده شده است. در این روش اتصال بین تیرها و ستونها گیردار توصیه شده است، لذا نوع اتصال بین تیرها و ستونها در آنالیز دیوار برشی فولادی به این روش مشابه سختی تیرها، بی تاثیر می باشد.
-2-3 آنالیز به روش جایگزینی ورق با میله
در این روش با استفاده از مراجع شماره 5 و 6 و 7 و 8 و 9 ورق فولادی با تعداد 10 عدد میله فولادی جایگزین و به كمك نرم افزار عمومی اجزای محدود ansysتغییر مكانهای جانبی طبقات برای دیوار برشی نشان داده شده در شكل 1 آورده شده است، برای اتصال بین تیرها و ستونها ا ز نوع مفصلی و گیردار محاسبه گردیده است. نتایج آنالیزهای مذكور در جدول شماره 3 آورده شده است.








همانطور كه در جداول مذكور مشاهده می گردد، در صورت استفاده از تیرهای میانی متناسب در دیوارهای برشی فولادی، اثر نوع اتصال بین تیرها و ستونها بر روی دیوار برشی فولادی ناچیز بوده و می توان در آنالیزها از آن صرفنظر نمود. با توجه به این نتیجه گیری بنظر میرسد روش پیشنهادی توسط صبوری _روبرتس برای آنالیز دیوارهای برشی فولادی، ضمن سادگی، از كارآئی قابل توجهی برخوردار باشد. همچنین نتایج بدست آمده از تطبیق خوب دو روش المانهای محدود و روش صبوری_روبرتس حكایت دارد و اختلاف قابل توجه روش جایگزینی ورق با میله را با دو روش ذكر شده، نشان می دهد. این اختلاف در طبقات فوقانی بصورت قابل ملاحظه ای افزایش یافته است.
-4 دیوار برشی فولادی تقویت شده
در این حالت با فرض عدم كمانش ورق فولادی، دیوار برشی فولادی نشان داده شده در شكل 1 به روش المانهای محدود با استفاده از نرم افزار ansys و روش صبوری_روبرتس مورد آنالیز قرار گرفت كه نتایج آن در جدولهای شماره 5 و 6 آورده شده است.






جدول 5: مجموع تغییر مكانهای جانبی برشی و خمشی طبقات به روش صبوری_روبرتس برای دیوار برشی تقویت شده.




جدول 6: تغییر مكانهای جانبی در آنالیز به روش المانهای محدود به كمك نرم افزار ansys برای دیوار برشی فولادی تقویت شده با اتصال تیرها به ستونها از نوع مفصلی و گیردار بر حسب میلیمتر.


این حالت برای آنالیز دیوار برشی ذكر شده از روش جایگزینی ورق با میله استفاده نگردید، زیرا در این روش هیچ گونه راه حلی برای آنالیز دیوارهای برشی فولادی تقویت شده ارائه نگردیده است. همانطور كه در جداول ذكر شده مشاهده می گردد،در دیوارهای برشی تقویت شده نیز در صورت استفاده از تیرهای میانی متناسب، اثر اتصال آنها بر روی دیوار برشی فولادی ناچیز بوده و میتوان در آنالیزها از آن صرفنظر نمود.
-5 نتیجه گیری
در این تحقیق یك دیوار برشی فولادی چهار طبقه با روشهای متداول آنالیز دیوارهای برشی فولادی ، روش جایگزینی ورق با میله، روش المانهای محدود و روش صبوری _روبرتس مورد مطالعه قرار گرفت و اثر نوع اتصال بین تیرها و ستونها بر رفتار دیوارهای برشی فولادی، در دو حالت، دیوار با ورق نازك و دیوار تقویت شده در محدوده الاستیك خطی مورد بررسی قرار گرفت و نتایج زیر حاصل گردید:
- اثر نوع اتصال بین تیرها و ستونها بر رفتار دیوارهای برشی فولادی ناچیز بوده و میتوان از آن در آنالیز این دیوارها صرفنظر نمود. این اثر در دیوارهای برشی فولادی تقویت شده كه در آنها میدان كشش قطری كه تا قبل از جاری شدن ورق فولادی تشكیل نمیگردد به مراتب كمتر از دیوارهای برشی فولادی با ورق نازك می باشد.
- با توجه به عدم تاثیر نوع اتصال بین تیرها و ستونها بر رفتار دیوارهای برشی فولادی، روش آنالیز صبوری_روبرتس كه در آن سقف طبقات صلب فرض میگردد، ضمن سادگی به لحاظ توضیح فیزیكی رفتار دیوارهای برشی فولادی، روشی با كارآئی بالا می باشد. در روش جایگزینی ورق با میله كه به آنالیز دیوارهای برشی فولادی با ورق نازك محدود میگردد، نتایج حاصل تا حد زیادی به فرض زاویه تشكیل میدان كشش قطری دارد. با توجه به اینكه طبق نتایج آزمایشگاهی، زاویه میدان كشش قطری عملآ در نقاط مختلف ورق متفاوت است، لذا فرض صحیح این زاویه مشكل می باشد و طبق مطالعات انجام شده در دانشگاه ubc به ویژه وقتی ارتفاع طبقه بیش از عرض دیوار باشد، جوابها به این روش قابل اعتماد نمی باشد.