پاورپوینت بررسی رفتار پریودیک٫ شکل پذیری و سختی پانل های برشی فولادی سخت شده

عنوان تحقیق: بررسی رفتار پریودیک ٫ شکل پذیری و سختی پانل های برشی فولادی سخت شده

مقدمه:
پانل های برشی نقش مهمی را در بهبود رفتار لرزه ای سازه ها ایفا می کند. این سیستم بطور کلی در دیوار های برشی فولادی نازک یا پانل های برشی سخت شده در جان تیرهای پیوندی (Link beam ) سازه های با قاب بادبندی برون محور یافت می شوند.
ظرفیت پس کمانشی , شکل پذیری وقابلیت اتلاف بالای انرژی سبب شده تا این سیستم به عنوان یک ابزار مناسب مورد توجه مهندسان و طراحان ساختمان قرار گیرد.
بطورکلی پانلهای برشی به دو صورت سخت شده و سخت نشده مورد استفاده قرارمی گیرند مقایسه رفتار پانل های سخت نشده وبه شدت سخت شده نشان داده است که پانل های

سخت نشده دارای یک محدوده ی شکل پذیری بیشتری نسبت به پانل های سخت شده و دارای سطح تسلیم وسیعی می باشد
پانل های برشی بطور گسترده در تیرهای پیوندی قاب های بادبندی برون محوروهمچنین به عنوان دیوار برشی فولادی نازک مقاوم در برابر زلزله در قاب های ساختمانی بکارمی رود. شکل پذیری بسیار خوب و تسلیم شدن تحت برش ازاهداف اساسی جهت دستیابی به سیستم پانل های برشی می باشد.
در این تحقیق اثر سخت کننده ها بر روی مقاومت نهائی پانل های برشی وسپس رفتار پریودیک پانل های برشی سخت شده و سخت نشده مورد مطالعه قرار گرفت و در نهایت با توجه به منحنی های هیسترزیس بدست آمده از پانل های برشی سخت نشده سخت کننده های بهینه ی مورد نیاز جهت فراهم نمودن شکل پذیری و اتلاف انرژی مورد تحقیق قرار گرفت.

معرفی دیوار برشی فولادی:
کاربرد اصلی دیوار برشی فولادی جهت مقاومت برشی افقی طبقه و لنگر های واژگونی ناشی از بار های جانبی می باشد. بطورکلی سیستم دیوار برشی فولادی متشکل از یک دیوار فولادی و دو ستون محیطی وتیرهای کف افقی می باشد که دیوار فلزی وستون ها به صورت ترکیبی به عنوان یک تیرورق عمودی عمل می کنند که ستون ها به عنوان بال تیرورق وصفحه ی پرکننده فلزی به عنوان جان آن عمل می کند و تیرهای افقی کم وبیش به عنوان سخت کننده های عرضی جان تیر- ورق عمل می کند. یک دیوار برشی با طراحی صحیح معمولا” دارای شکل پذیری وظرفیت اتلاف انرژی بالایی می باشد لذا دیوارهای برشی یک سیستم موثرو اقتصادی در برابر بارهای

جانبی به حساب می آید همچنین دیوار برشی فولادی دارای سختی اولیه ی نسبتا” بالایی می باشد و بدین لحاظ در محدود کردن تغییرمکان جانبی سازه ها خیلی موثر می باشد در کاربرد های اولیه دیوارهای برشی فولادی در ژاپن و آمریکا دیوارها دارای تعداد زیادی سخت کننده های افقی و قائم بودند بطوری که هدف اصلی سخت کننده ها جلوگیری از کمانش کلی و الاستیک و افزایش مقاومت کمانش برشی دیوار بود.در سالهای اخیر با توجه به اینکه جوشکاری سخت کننده ها به دیوار گران و پر هزینه به نظرمی آید لذا تحقیقات و آزمایشهایی که بر روی نمونه های واقعی انجام گرفت نشان داد که صفحات فولادی پرکننده به علت ظرفیت پس کمانشی آن ٫رفتار موثر و مطلوب و شکل پذیری بالایی را از خود بجای می گذارد در نتیجه در اکثر کاربرد های اخیر دیوارهای برشی فولادی در آمریکا و کانادا بصورت سخت نشده استفاده می گردند.

مراحل تحقیق:
1- مدلسازی و خواص مصالح :
رفتار پانل های برشی سخت شده تحت بارگذاری برشی توسط نرم افزار تحلیل غیرخطی المان محدود Ansys مورد مطالعه قرار گرفته شد وهمچنین اثر تغییرشکل های بزرگ نیز در این تحلیل درنظر گرفته شد.در این تحلیل برای مدل کردن پانل های برشی و سخت کننده ها و اعضای محیطی از المانShell 43 استفاده گردید.بطوریکه این المان دارای قابلیت های پلاستیسیته, خزش,سختی ناشی از تنش, تغییرشکلهای بزرگ وکرنشهای بزرگ می باشد.المان Shell 43 نوع مناسبی برای مدلهای خطی, پیچ دارو سازه های با پوسته ضخیم ومتوسط می باشد. این المان در هر گره دارای شش درجه آزادی می باشد که عبارتند از:

شکل (1):(هندسه المان(Shell 43

Ux : جابجایی در جهت x
Uy : جابجایی در جهتy
Uz : جابجایی در جهتz
θx : چرخش حول محورx
θy : چرخش حول محور y
θz : چرخش حول محور z

در این مدلها از مواد و هندسه غیرخطی استفاده گردید و مصالح صفحات پرکننده نیز ازمواد الاستوپلاستیک در نظر گرفته شد روابط تنش-کرنش مواد در شکل زیر نشان داده شده است بطوری که مدول یانگ و دیگر خصوصیات مصالح مطابق زیر می باشد:
E1=210 Gpa
E2=2.1Gpa
σ=240 Mpa υ= 0.3

2- بارگذاری و شرایط مرزی:
در این تحقیق مدل به 576 المان تقسیم گردید و بار برشی توسط اعمال جابجایی در
یک گره بالای عضو محیطی انجام شد بطوری که این گره به گره های مجاور
متصل شده است تا از ایجاد تمرکز تنش و گسیختگی محلی جلوگیری به عمل آید تحلیل
اجزای محدود با جابجایی کنترل شده صورت گرفت. جزییات قیدها در شکل(2) آمده
است:

شکل(2):شکل شماتیک نمونه ها و شرایط مرزی

بررسی نتایج:
1-بارگذاری یکنواخت:
برای بررسی اثر سخت کننده ها برروی مقاومت نهایی پانل های برشی یک سری نمونه های مشابه تحت بارگذاری برشی یکنواخت انجام شد بطوری که ابتدا یک پانل سخت نشده (0.5* 300*300 میلی متر)تحلیل گردیدو مقاومت نهایی آن محاسبه گردید نوارهای مستطیلی به عنوان اعضای مرزی به لبه های صفحات پرکننده متصل بودندودارای سختی برشی(1000) بود و در شکل (3) نشان داده شده است .بطوری که سختی از رابطه مقابل بدست می آید:

شکل (3):درصد افزایش مقاومت کمانش برشی در مقابل سختی اعضای مرزی

پانل برشی سپس توسط سخت کننده های افقی و عمودی سخت شدند بطوری که منحنی های
پس کمانشی بار تغییرمکان این پانل ها در شکل (4) نشان داده شده است. سخت کننده ها از
نوع نوار های مستطیلی (10*10)میلی متربوده و سختی مناسبی را برای فرم گره های خود
فراهم کرده بود بطوریکه از کمانش کلی پانل ها جلوگیری کرد با توجه به منحنی های بدست
آمده استفاده از سخت کننده ها مقاومت کمانش برشی پانل ها راخیلی بیشتر از مقاومت نهایی
آن افزایش می دهد.
در شکل (5) مد های کمانش و توزیع تنش را برای مدلهای ارائه شده در شکل (4)نشان داده
شده است.
در شکل (6) درصد افزایش مقاومت نهایی پانل ها برای الگوهای مختلف سخت کنندگی نشان
داده شده است شکلهای 4 و6 نشان می دهند که در پانلهای برشی سخت شده مقاومت نهائی
بطور خطی با تعداد سخت کننده ها افزایش می یابد همچنین نشان می دهد که سخت کننده های
تک جهته مقاومت بیشتری نسبت به دو جهته ایجاد می کند بطور مثال مقاومت پانل با دو
سخت کننده طولی مقاومت را در حدود 100 درصد افزایش می دهد در صورتی که با یک

شکل (4):منحنی بار- تغییرمکان پانل های برشی سخت شده
سخت کننده عرضی ویک طولی مقاومت در حدود 80 درصد افزایش می یابد.

شکل (5):مدهای کمانشی و توزیع تنش در مدلهای آزمایشی

شکل (6):درصد افزایش مقاومت نهایی ناشی از سخت شدگی

2-بارگذاری پریودی:
1- پانل های سخت نشده:
تحلیل پانل های سخت نشده تحت بار پریودی برشی با پانلهای مربعی به ابعاد 300*300*1میلی متر که دارای سختی های اعضای مرزی برابر با:
a :ضعیف :سختی برابر34
b :متوسط :سختی برابر 268
c :قوی :سختی برابر 2150
با شرایط مرزی ارائه شده در شکل (2)انجام گردید.بطوری که پانلها بوسیله بارگذاری پریودی توسط اعمال یک جابجایی خیلی کوچک افقی در گره بالایی تحت بارگذاری بوده اند شکل (7)تاریخچه زمانی اعمال جابجایی را نشان می دهد.لازم به ذکر است که سختی اعضای مرزی اثر ناچیزی برروی ظرفیت پس کمانشی پانل های برشی داشته است.

شکل (7): تاریخچه زمانی اعمال جابجایی به مدلها

در طول دوره بارگذاری کوتاه اولیه پانلهای نازک دارای مد کمانشی اول گردیدند یعنی یک نیم موج بزرگ در بخش میانی آن بوجود آمد در دوره بعدی به دلیل شکل گیری بعضی نواحی پلاستیک وارد مد کمانشی دوم وبه همین ترتیب وارد مد کمانشی سوم گردید جهت ارزیابی تغییرشکل های ایجاد شده و ظرفیت اتلاف انرژی پانلها با سختی اعضای مرزی مختلف منحنی های تغییر مکان- نیروی برشی در شکل 8 تا 10 ارائه شده است.

شکل 8 ) منحنی هیسترزیس مدل a
شکل 9 ) منحنی هیسترزیس مدل b

شکل 10 ) منحنی هیسترزیس مدل c
نقطه قابل توجه در شکل8 تا 10 پدیده گلویی شدن منحنی های هیسترزیس می باشد که بخاطر سخت نشدن و رفتار شکل پذیر پانل ها می باشد وکمانش آنها نیز مقدم بر تسلیم شدن مصالح می باشد حتی در مدل سوم که اعضا دارای سختی خیلی قوی بودندنیز این اثر قابل مشاهده است به این ترتیب می توان نتیجه گرفت که سختی اعضای مرزی تاثیری برسختی و تغییرشکل پانل ندارد برای اجتناب از پدیده گلویی شدن می توان از شیوه های زیر استفاده کرد :

1) استفاده از صفحات ضخیم که غیر اقتصادی می باشد .
2) استفاده از سخت کننده ها .
3) استفاده از فولاد با نقطه تسلیم پایین که سبب تغییرشکل نواحی تسلیم قبل از کمانش می گردد.
2- پانلهای سخت شده :
اثر سخت کننده ها بروی رفتار پریودیک پانلهای برشی در این قسمت بحث می شود مشخصات مدل های بکار برده شده در این قسمت در جدول (1) ارائه شده است مدلهای 1تا 6 برای بررسی رفتاربارگذاری پریودیک پانل های سخت شده با سخت کننده های صلب مختلف انتخاب گردیدند مدل های 7 تا 9 برای مطالعه اثر فاصله سخت کننده ها و 10 تا 15 برای مطالعه اثر ابعاد پانل که همه بصورت مربعی بودند در نظر گرفته شد مدل 16 برای تثبیت نتایج نسبت مختلف ابعاد پانل در نظر گرفته شد در جدول(1) داریم:
Is :ممان اینرسی سطح سخت کننده ها
β=(E Is)/(b D) : نسبت سختی سخت کننده ها به پانل

تمامی اعضای مرزی دارای سختی بیشتر از 500 بوده اند .
جدول(1): مشخصات هندسی پانلها , سخت کننده ها و بارهای کمانشی

تاریخچه زمانی جابجایی بکار برده شده برای این مدل ها در شکل (11) ارائه شده است.
شکل (12) مد اول کمانشی دو نمونه یکی با سخت کننده (مدل5) ودیگری بدون سخت کننده
(مدل 1) را نشان می دهد.
شکل (11): تاریخچه زمانی اعمال جابجایی به مدلها
شکل (12): مد کمانشی اول دو نمونه مدل

در شکل 13 یک مقایسه ای بین منحنی های هیسترزیس نمونه های 1 تا 6 فراهم شده است منحنی های هیسترزیس سه تا از مدل ها نیزدر شکل 14 ارائه شده است نتایج مدل های ارائه شده در شکل های 13 و 14 و جدول 1 نشان می دهد که افزایش سختی سخت کننده ها بار کمانشی برشی الاستیک را افزایش می دهد که بیش از بار تسلیم مدل 5 بود بطوری که اثر پینچینگ حذف شده و اتلاف انرژی بیشتری در نمونه ها مشاهده گردید.
شکل (13): مقایسه منحنی های هیسترزیس مدل های 1 تا 6

شکل (14): منحنی هیسترزیس مدل های 1 و3و6

مدل 5 سخت کننده هایی با نسبت سختی 30 دارا بود که منحنی هیسترزیس آن بصورت تخم- مرغی شکل در آمده است و هیچ علامتی از پینچینگ در آن مشاهده نشده است پس از آن با افزودن سخت کننده ها در مدل 6رفتار پریودی بطور قابل توجه بهبود نیافت وحتی تغییرشکل ها نیز کاهش یافت. مدلهای 7 تا 9 شامل پانل های مربعی با ابعاد 300*300*1 میلی متر با پنج سخت کننده طولی و پنج سخت کننده عرضی بود که مشخصات آن در جدول شماره 1 آمده است منحنی های هیسترزیس آنها نیز در شکل(15)ارائه شده است تنها تفاوت مدلهای 1تا 6 با مدلهای 7 تا 9 در تعداد سخت کننده های متصل به آن است.
شکل (15): منحنی هیسترزیس مدل های 7 تا 9

مدلهای 10 تا 12 در ابعاد 450*450*1 میلی متر بودند که مشخصات انها نیز در جدول 1 ارائه شده است منحنی های هیسترزیس آنها نیز در شکل( 16)آمده است مدل های 13 تا 15 شبیه مدل های 2 تا6 بود بجزاینکه ابعاد آن در 10 ضرب شده است و بقیه مشخصات آن ثابت نگه داشته شده است منحنی های هیسترزیس این مدل ها در شکل( 17) نشان داده شده است.

شکل (16): منحنی هیسترزیس مدل های 10-12

با توجه به جدول 1و شکل های 13 تا 17 این نتیجه را می توان گرفت که اگر نسبت سختی سخت کننده ها در حدود 30 باقی بماند هیچ گونه پینچینگ در منحنی هیسترزیس مشاهده نمی گردد و کمانش کلی به تاخیر می افتد تا اینکه تسلیم شدن زودتر از کمانش رخ دهد وبا توجه به منحنی های هیسترزیس بدست آمده سطح منحنی های در بر گرفته شده افزایش یافته و انرژی زیادی تلف می گردد همچنین به علت پدیده پس کمانشی پانلها هنوز تغییر شکل مناسبی را از خود نشان می دهند.
شکل (17): منحنی هیسترزیس مدل های 13-15

علاوه بر این افزایش سختی سخت کننده ها نیروی کمانشی را نیز افزایش داده و انرژی زیادی تلف می گردد اما جابجایی به نحو چشمگیری کاهش می یابد و پانل شکل پذیری خود را از دست می دهد بطوری که فاکتور ضریب رفتار نیز کاهش می یابد.
برای مطالعه اثر ضریب منظر پانلها مدل 6 انتخاب گردید این مدل دارای نسبت منظر 1.5 ودارای سه سخت کننده طولی وپنج سخت کننده قائم بوده است شکل(18) شکل مد کمانشی این پانل را نشان می دهد در شکل (19) منحنی هیسترزیس آن نیز ارائه شده است شکل های 18و19 نشان می دهد که اگرچه پانل کمانش کلی نکرده است هیچ اثر پینچینگ هم درمنحنی هیسترزیس آن مشاهده نشده است بنابراین باردیگر با نسبت سختی 30 سخت کننده ها اتلاف انرژی و شکل پذیری مناسبی بوجود آمد.

شکل (18): مد کمانشی اول مدل 16
شکل (19): منحنی هیسترزیس مدل 16

نتیجه گیری:
پانلهای برشی فولادی سخت نشده رفتارشکل پذیری دارند و در طول کمانش در مرحله اول بارگذاری ظرفیت اتلاف انرژی بالایی نداشته است این پدیده در همه مدلهای سخت نشده مشاهده گردید صرفنظر از اینکه اعضای مرزی دارای سختی بوده اند اما استفاده از سخت کننده ها در پانل های فولادی نرم روش معمولی برای جلوگیری از گلویی شدن منحنی هیسترزیس و افزایش ظرفیت اتلاف انرژی می باشد البته سختی زیاد موجب کاهش شکل پذیری سازه می گردد ازاینرو مقدار بهینه سخت کننده باید برای رسیدن به سختی و شکل پذیری کافی استفاده گردد با توجه به مطالعه اخیر به نظر می رسد که نسبت سختی در حدود 30 این رفتار را فراهم می کند .استفاده از فولاد با نقطه تسلیم پایین یا مصالح مشابه ممکن است نیاز به سخت کننده ها راکاهش دهد در هر صورت باید تحقیقات زیادی دراین مورد صورت گیرد.

از توجه شما سپاسگذارم پایان