بسم الله الرحمن الرحیم
موضوع: تقویت دیوارهای برشی فولادی، توسط الیاف FRP
فهرست 1-مقدمه 2-مزایای دیوار برشی فولادی 3-ویژگیهای الیاف FRP 4-سابقه ی علمی و تاریخچه کارهای انجام شده 5- نتیجه گیری
مقدمه: در سه دهه اخیر استفاده از دیوار برشی فولادی به عنوان یک سیستم باربرجانبی در ساختمان مورد توجه طراحان قرار گرفته است. این پدیده نوین در جهان بسرعت رو به گسترش است در ساخت و ساز ساختمانهای جدید و بعضا تقویت ساختمانهای موجود به خصوص در کشورهای با لرزه خیزی بالا به کار گرفته شده است. نتایج یک مقایسه اقتصادی نشان میدهد که استفاده از سیستم دیواربرشی فولادی نسبت به سیستم های قاب خمشی فولادی تا 50 درصد در مصرف فولاد صرفه جویی به همراه خواهد داشت. از نقطه نظر اجرایی دیوار برشی فولادی سیستمی بسیار ساده بوده و هیچ گونه پیچیدگی خاصی در اجرای ان وجود ندارد از این رو مهندسان تکنسین ها و کارگران فنی با داشتن دانش فنی موجود بدون نیاز به کسب مهارت جدید می توانند ا ن را اجرا نمایند. دقت انجام کار در حد دقت های متعارف در اجرای سازه های فولادی بوده و با رعایت ان ضریب اطمینان اجرایی به مراتب بالاتری از انواع دیگر سیستم ها میباشد.
همچنین با توجه به امکان ساخت قطعات این سیستم در کارخانه و نصب ان در محل ،سرعت اجرای سیستم بالا بوده و از هزینه های اجرایی تا حد زیادی کاسته می شود. این سیستم جایگزینی تمیزتر و سریع تر به لحاظ اجرایی و ایمن تر به لحاظ مقاومت و رفتار نسبت به دیوار برشی بتنی می باشد ونه تنها در سازه های فولادی بلکه در سازه های بتنی هم مورداستفاده قرار میگیرد. ازنقطه نظر مقایسه با سیستم های مهاربندی و از نظر سختی برشی این سیستم از سخت ترین سیستم های مهاربندی سخت تر بوده و با توجه به امکان ایجاد بازشو در هر نقطه ان ، کارایی سیستم های مهاربندی را از این نظر داراست. نتایج تحقیقات نشان میدهد که رفتار سیستم در محیط پلاستیک و همچنین میزان جذب انرژی ان نسبت به سیستم های مهاربندی بهتر است.
در این سیستم ها به علت گستردگی مصالح و اتصالات ، تعدیل تنش ها به مراتب بهتر از سیستم های مقاوم دیگر ، مثل قابهای خمشی و انواع مهاربندها که که معمولا در انها مصالح به صورت دسته شده و اتصالات به صورت متمرکز می باشند صورت گرفته و رفتار سیستم به خصوص در محیط پلاستیک مناسب تر است. دیوار برشی فولادی از تعدادی پانل برشی تشکیل شده است . هر پانل برشی از یک ورق فولادی و تیر و ستونهایی که ورق را احاطه کرده اند تشکیل شده است . دیوار برشی فولادی مشایه یک تیر ورق طره فولادی است که در ان ستون به منزله ی بالهای تیر ورق و تیرهای طبقات همانند سخت کننده های ان و ورق فولادی به مثابه جان ان می باشد.
تشابه دیوار برشی فولادی با تیر ورق
در این سیستم اتصال بین تیرها و ستون ها می تواند ساده یا صلب باشد و برخلاف تیرورق ها که بال ها به علت ضعیف بودن ،نقش بسزایی در گرفتن نیروها ی برشی ندارد.در دیوار های برشی فولادی به علت قوی بودن ستون ها این اعضا می توانند نقش خوبی در باربری ایفا نمایند. با توجه به مقاومت بالای ورق فولادی به علت بهره گیری از مقاومت پس از کمانش ان ، دیوارهای برشی فولادی بلند و برای نیروهای برشی بزرگ ، ضخامت ورق مورد نیاز اندک به دست می اید. با توجه به ضخامت اندک ورق فولادی برای جلوگیری از کمانش ان تحت اثر بارهای سرویس و به جای افزایش ضخامت ورق میتوان از تعدای سخت کننده قائم و افقی به منظور تقویت دیوارها استفاده نمود. تقویت ورق نه تنها از کمانش ان تحت تاثیر بارهای سرویس جلوگیری میکند بلکه باعث بهبود رفتار ان به ویژه در محیط پلاستیک می شود.
با افزایش ارتفاع ساختمان، استفاده از سیستم قاب خمشی به دلیل تغییر مکان جانبی زیاد در سازه و ایجاد لنگرهای ثانویه در تیرها و ستون ها مقرون به صرفه نیست. از این رو سیستم هایی نظیر سیستم های مهاربندی و دیواربرشی در سازه های بلند کارایی بیشتری دارند. در سالهای اخیر ، از دیوار برشی فولادی به عنوان سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی در تعدادی از ساختمان ها که عمدتا در ژاپن و امریکای شمالی قرار دارند ، استفاده شده است. اساس ایده دیوار های برشی فولادی بهره گیری از میدان کشش قطری است که پس از کمانش ورق فولاد در ان ایجاد می گردد . از دیرباز مشخص شده است که کمانش در ورق ها به معنای پایان تحمل باربری انها نیست و پس از ان مقاومت پس کمانشی قابل ملاحظه ای در پانل های برشی بدون تقویت با شکل گیری میدان کشش قطری به وجود می اید .در نقطه حدی کمانش الاستیک، مکانیزم تحمل بار از برش داخل صفحه به میدان کشش قطری تغییر می یابد و سپس با تسلیم ورق فولادی مقدار قابل ملاحظه ای انرژی در بارهای دوره ای جذب میشود.
مزایا : دیوار برشی فولادی نسبت به سایر سیستم ها ی ساختمانی در هزینه اجرا ، عملکرد و سهولت طراحی،مزایای بسیاری دارد. در مقایسه با دیوارهای برشی بتنی ،کاهش ضخامت یک منفعت اساسی می باشد. کاهش جرم هم میتواند در طراحی فوندسیون مهم باشد. و مهمترین مزیت این سیستم این است که دیوار برشی فولادی در زمان بسیار کمتری نسبت به دیوار برشی بتنی نصب میشود. دیوارهای برشی فولادی می توانند به عنوان گزینه ای برای قابهای مهاربندی شده در نظر گرفته شده است. انها میتوانند سختی و مقاومت معادلی تامین نمایند و مساحت پلان مشابه یا کمتری نیاز داشته باشد.
سرعت ساخت دیوارهای برشی نیز با قابهای مهاربندی قابل مقایسه است. در حالی که معمولا مقدار زیادی از جوشکاری بصورت کارگاهی و جوش ورقهای جان را میتوان بصورت یک پاس جوش گوشه انتخاب کرد و بنابراین معمولا عملیات نصب با سرعت بیشتری انجام میشود. سختی و مقاومت سیستم عملکرد خوبی را تحت بارهای جانبی متوسط، تضمین میکنند . شکل پذیری ورقهای فولادی در دیوارهای برشی فولادی منجر به عملکرد مطلوب خوب تحت بار لرزه ای شدید میشود. بدلیل اینکه دیوارهای برشی فولادی سختی و مقاومت زیادی تامین می نمایند در دهانه های کوتاهتر میتوانند استفاده شوند این موضوع منجر به انعطاف پذیری بیشتر برای استفاده از فضای معماری میشود.
بطور خلاصه علاوه بر مزایایی که سیستم دیوار برشی فولادی نسبت به سایر سیستم های مهاربندی دارد استفاده از این سیستم نسبت به دیوار برشی بتنی مزایایی را در بر دارد. 1-کاهش ورن ساختمان و به تبع ان کاهش نیروهای جانبی وارده 2-کاهش ابعاد و هزینه ساخت پی ها 3- افزایش فضای مفید طبقات ساختمان 4-استفاده از مصالح یکسان فولاد در ساخت دیوار برشی فولادی و قابهای فولادی مجاور ان 5- سرعت ساخت و نصب بالا 6-مناسب بودن سیستم به منظور استفاده از ان در بهسازی سازه های ضعیف 7-سختی و مقاومت و شکل پذیری و جذب انرژی زیاد این سیستم نسبت به دیگر سیستم ها ی مقاوم در برابر بار جانبی
موضوع بازشو در دیوار برشی فولادی : در طراحی سازه هایی به غیر ار سازه های بلند و مهم ،تامین فضاهای مناسب داخلی و ملاحظات معماری ،از مهمترین اهداف طراحی است که پس از ان مهندس طراح مقید به ایجاد سازه مناسب در چاچوب فضاهای تعیین شده خواهد بود . اعمال چنین نیازهای معماری و زیباسازی را میتوان یکی از عوامب ایجاد بازشو در دیوارهای برشی فولادی به حساب اورد . همچنین ملاحظات غیر سازه ای از قبیل موقعیت و مسیر سیستم های تاسیسات میتواند از دیگر عوامل موثر در ایجاد بازشو در دیوارهای برشی فولادی گردد .علاوه بر این گاهی در سیستم های غیرساختمانی که به صورت سیستم مقاوم در برابر بار طراحی شده اند نیز ممکن است بدلیل ملاحظات خاص سازه ای و غیرسازه ای ، نیاز به بازشو در پلیت فولادی داشته باشیم.
این امر موجب ضعف مقاومت دیوار برشی بدلیل انقطاع مسیر تنش در صفحه و ایجاد تمرکز تنش شدید در لبه های بازشو میگردد و لازم است که این ضعف را به روشی جبران نمود. یکی از روشهای تقویت ، استفاده از سخت کننده های فولادی می باشد . در این روش پلیت های فولادی با ضخامت و ابعاد مشخص برش داده شده و توسط فرایند جوش بصورت قطری یا عمودی و افقی یا بصورت های دیگر در اطراف بازشو با فرایند جوش به ورق متصل میگردد. یکی از روشهای جایگزین و جدیدی که میتوان بکار برد استفاده از الیاف FRP می باشد.این نوارها را میتوان در عرضهای مختلف تهیه نمود و با رزین های مخصوص به پلیت فولادی چسباند.
ویژگیهای الیاف FRP: FRP( فیبرهای پلیمری تقویت شده) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله ی یک زرین از جنس پلیمر احاطه شده است . فیبرهای اف ار پی به روش پلی اکریلونیتریل ساخته میشوند . محصولات پلیمری مورد اسفاده در سازه ها به شکل ورق های اف ار پی ، میلگردهای اف ار پی و مش های اف ار پی و پروفیل های اف ار پی وجود دارند. رزین به کار رفته به صورت یک محیط چسباننده برای نگهداری الیاف در کنار مقاومت پایینی که دارد نقش چندان مهمی در خواص مکانیکی کامپوزیت ساخته شده برعهده ندارد علاوه بر نگهداری الیاف در کنار هم ، رزین موجود در کامپوزیت به عنوان عامل محافظت در برابر عوامل محیطی و همچنین عامل توزیع تنش روی وجه ورق کامپوزیت نیز عمل میکند .
از FRPدر تقویت سازه های بتنی و فلزی هم استفاده میشود . نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت در برابر خوردگی وخنثی بودن الکترومغناطیسی از جمله ویژگی های این الیاف است.از مزایای استفاده از این الیاف میتوان به : 1- ورن کم (چگالی ان در حدود 20درصد فولاد است) 2- مقاومت کششی و حتی فشاری بالا 3-مقاومت در برابر خوردگی 4-مقاومت در برابر خستگی ناشی از بارگذاری 5-نفوذناپذیری مغناطیسی 6-امکان تقویت به صورت خارجی 7-حمل و نقل اسان 8- سرعت اجرای بالا به دلیل وزن کم و…. اشاره نمود . این الیاف با داشتن ورن حدود 20 درصد ورن فولاد مقاومتی حدود 2 تا 10 برابر فولاد ، از خود نشان میدهد.
در گذشته بهای نسبتا سنگین این الیاف سبب شده بود که استفاده از ان در صنعت ساختمان ناچیز و محدود باشد لیکن امروزه به دلیل گستردگی تولید این مواد و به طبع ان کاهش بهای ان و همچنین به سبب برتری های خاص این الیاف میتوان توجیه مناسب اقتصادی برای استفاده از ان ها ارائه نمود . این الیاف در انواع مختلفی از جمله الیاف کربنی CFRP و الیاف شیشه GFRP تولید میگردند که هر کدام مشخصات مکانیکی خاصی دارند. ازجمله مواردی که میتوان از این الیاف بهره برد تقویت پلیت داخلی دیوار برشی فولادی می باشد . این الیاف در تقویت پلیت های فولادی بازشودار که بدلیل ایجاد بازشو در انها دچار نوعی نقص در سیستم میدان کششی ورق شده اند هم میتواند سودمند باشد.
بدلیل اینکه صفحات فولادی تحت بار جانبی قابل ملاحظه ،کمانش خارج از صفحه خواهند داشت و همچنین وجود بازشو، تمرکز تنش بالایی را در اطراف بازشو بوجود می اورد که باعث کاهش ظرفیت بابری ورق میشود ، با چسباندن الیاف FRP در اطراف بازشو میتوان از مقاومت کششی بالای این الیاف بهره برد و تمرکز تنش در اطراف بازشو ورق فولادی را به تاخیر انداخت و بدین طریق امکان رسیدن تنشهای صفحه فولادی به تنش تسلیم افزایش یافته و در نتیجه ظرفیت باربری جانبی دیوار برشی فولادی افزایش خواهد یافت. همچنین وجود این الیاف ، کمانش خارج از صفحه ورق دیوار برشی فولادی را کنترل خواهد نمود و در نتیجه توزیع تنشها در ورق فولادی یکنواخت تر خواهد شد و سختی جانبی دیوار بالا رفته و از این طریق هم ظرفیت بابری صفحه فولادی را افزایش خواهد داد. در نتیجه استفاده از این روش برای تقویت دیوار برشی فولادی دارای بازشو امری ضروری به نظر میرسد و جایگزینی مناسب برای پلیت های فولادی تقویتی میباشد که به روش جوش به دیوار برشی متصل میشوند تا سختی ان را افزایش دهند.
سابقه ی علمی : 1- مطالعات عددی با استفاده از نرم افزار اباکوس توسط محمد مهدی چمن ارا و علی نیکخو بر روی تعدادی قاب تک دهانه و یک طبقه با مقیاس 1/2 به ابعاد 1200 در 1800 میلیمتر و پلیت با ضخامت 1.5 میلیمتر انجام شد.نمونه های دیوار برشی فولادی دارای بازشو مستطیلی با ابعاد مختلف، تحت بارگذاری سیکلی جانبی و تحت بارقائم 8 تن بر روی هرستون بودند. در تمام نمونه ها المانهای مرزی چهار طرف دیوار IPB160 در نظر گرفته شد.روش اعمال نیرو بصورت کنترل نیرو بود و افزایش نیرو تا حدی ادامه یافت که تغییرمکان نسبی بالای دیوار به 0/05 ارتفاع دیوار (150سانتیمتر) یعنی به 7/5 سانتیمتر رسید. دیوار با ارایش های مختلف الیاف FRP بصورت افقی ، قائم ،افقی و قائم ،قطری و ضربدری ، تقویت گردید.
مشخصات مواد و مصالح در نظر گرفته شده در مدلسازی
نتایج تحلیل: تاثیر پهنا در کاهش ظرفیت بیشتر از ارتفاع بوده به طوری که در بازشوهایی که پهنای کمتری دارند ، ظرفیت برشی (2 تا 6 درصد) سختی (6 تا 11 درصد) جذب انرژی (تا 6 درصد) بیشتر است. همچنین در بازشوهایی که پهنای بیشتری دارند کمانش (4 تا 12 درصد) بیشتر است. جابجایی پهنا و ارتفاع تاثیر قابل توجهی بر روی پارامترها ندارد. توزیع تنش در اعضا مرزی بسیار متغیر بوده که با افزودن انواع سخت کننده ها توزیع تنش یکنواخت تر می گردد . در دیوارهای برشی فولادی بازشودارتقویت شده با FRP ، عموما با اضافه شدن سخت کننده ها ، تنشها در دیوار به حد قابل ملاحظه ای کاهش می یابد . این در حالی است که تنشهای بزرگتری در سخت کننده ها بوجود می اید که نشان از افزایش ظرفیت پس کمانشی و توسعه ی بهتر عملکرد میدان کششی در ورق پرکننده ی انها می باشد.
بیشترین تاثیر بر روی کمانش خارج از صفحه را به ترتیب سخت کننده های افقی- قائم ، قائم، و ضربدری دارند. سخت کننده های FRP باعث افزایش سختی الاستیک و ظرفیت برشی و مقاومت در دیوار می شوند. سخت کننده های افقی قائم در افزایش سختی سیستم (تا 15 درصد ) جذب انرژی ( تا 22درصد) و ظرفیت برشی (تا 24درصد) بسیار موثرند این درحالی است که این نوع ارایش سخت کننده ها موثرترین ارایش ( به دلیل محصور کردن محیط بازشو و پیوستگی سخت کننده ها ی دور تا دور بازشو) در کاهش کمانش خارج از صفحه هستند.
افزودن سخت کننده های قطری بر خلاف دیوار برشی فولادی بدون بازشو بر روی کمانش خارج از صفحه در دیوار برشی بازشودار اثر چندانی ندارد اما باعث بهبود رفتار هیسترزیس دیوار برشی شده و اضافه کردن این نوع سخت کننده ها به عنوان عامل تقویتی دیوارهای برشی فولادی بازشودار سبب افزایش ظرفیت باربری ( تا 26 درصد) جذب انرژی (تا 22 درصد) و سختی سیستم ( تا 18 درصد) میگردد. افزودن سخت کننده های ضربدری تا 25 درصد کمانش خارج از صفحه را کاهش میدهد و همچنین سخت کننده های قطری سبب افزایش ظرفیت بابری (تا 48 درصد)، جذب انرژی ( تا 33 درصد) ، وسختی سیستم (تا 38 درصد) میگردد.
2- یک سری مطالعات عددی توسط مسعود قلی زاده و یاسر یدالهی بروی تعداد زیادی نمونه دیوار برشی فولادی با ابعاد ورق 1250میلیمتر و با ضخامت های پلیت 4و 6 و 8 و 12 میلیمتر و با تنش تسلیم پایین در دو حالت تقویت شده و تقویت نشده با الیاف FRP ، تحت زوایای مختلف الیاف ،0 و 45 و 45- درجه در یک و دو طرف دیوار ، توسط نرم افزار ANSYS مدلسازی و تحت بارگذاری پوش اور قرار گرفت تا اثر الیاف روی پلیت های نازک و ضخیم بررسی گردد.در این بررسی جهت صحت سنجی از مدل ازمایشگاهی چن (شکل3) استفاده شد . در این مدل از مقاطع H250*250*9*14 در ستون و از H244*175*7*11 در تیرها و از ورقی به ضخامت 8 میلیمتر به عنوان پرکننده استفاده شد. از فولاد A572G72 در مصالح فولادی اعضا و از فولاد LPY100 برای ورق استفاده شد.
نتایج نشان داد که با نصب الیاف تقویتی بر روی ورق فولادی میزان ظرفیت باربری افزایش و اتلاف انرژی کاهش خواهد یافت که این نتایج در مدل هایی که از دو طرف تقویت شده اند دارای شرایط بهتری است. همچنین با افزایش ضخامت ورق فولادی، بر میزان ظرفیت باربری مدل های مقاوم شده با FRP افزوده میگردد و در مقابل شکل پذیری و اتلاف انرژی ان کم خواهد شد.همچنین استفاده از الیاف در مدل هایی با ضحامت ورق پایین تر ، نتایج مناسب تری را از این نوع مقاوم سازی نسبت به ورق های ضخیم نشان میدهد. نصب الیاف بر روی دیوار تحت زوایای 45 درجه نسبت به حالت متعامد دارای رفتار بهتری خواهد بود چرا که ظرفیت باربری را افزایش خواهد داد اما میزان اتلاف انرژی را نسبت به حالت مدل مقاوم نشده کاهش میدهد.
3-مهدی راغب یک سری مطالعات عددی با نرم افزار اباکوس بر روی دیوار برشی فولادی تقویت شده با الیاف FRP انجام داد.برای مدلسازی نمونه از مدل ازمایشگاهی حاتمی و راغب استفاده گردید . دو نمونه در نظر گرفته شد. یک نمونه بدون تقویت و یک نمونه تقویت شده با الیاف CFRP در نظر گرفته شد. نمونه ها دارای عرض2 متر و ارتفاع 1متر و ضخامت 3 میلیمتر بودند و نوع فولاد ST37 در نظر گرفته شد. ضخامت و وزن واحد سطح پلیمر الیافی 0/176 میلیمتر و 0/03 نیوتن میباشد. برای المانهای مرزی از 2IPE200 که در بالها بوسیله ی پلیت 12 میلیمتر تقویت شدند استفاده گردید و تحت بارگذاری چرخه ای مطابق جدول5 قرار گرفت.
در نمونه های دیوار برشی پدیده ی کمانش خارج از صفحه قابل مشاهده بود . با ضخامت 3 میلیمتر برای صفحه ی فولادی حداکثر جابجایی خارج از صفحه ی نمونه ی تقویت نشده 8 میلیمتر و برای نمونه ی تقویت شده 5 میلیمتر مشاهده گردید.و رفتار پس از کمانش و جذب انرژی همچنان که بارگذاری افزایش داده میشد توسعه می یافت.جهت اجرای ورق کامپوزیتی ، ابتدا وذرق فولادی توسط سیستم سند بلاست ناصاف شده و سپس مقدار مشخصی از رزین اپوکسی به ورق اضافه شده و در نهایت الیاف به ان پشبانده شد. جهت خذف هرگونه حباب هوا مراقبت های لازم به عمل امد. لایه ها به طور طولی به هر دو طرف ورق فولادی چسبانده شد و ورق فولادی در قاب مربوطه توسط پیچ های 6 میلیمتری با فاصله ی 150 میلیمتر در اطراف به قسمت L شکل از قبل پیش بینی شده در قاب بسته شد.
توافق خوبی بین نتایج ازمایشگاهی و عددی دیده میشود
نمودار هیسترزیس مدل ازمایشگاهی و نرم افزاری (نمونه ی تقویت شده)
نمودار هیسترزیس مدل ازمایشگاهی و نرم افزاری (نمونه ی تقویت نشده)
یک مدلسازی هم در مقیاس بزرگ انجام شد . نمونه ها دارای طول 6 متر و ارتفاع 3 متر در نظر گرفته شد. ضریب الاستیسیته فولا 206 گیگاپاسکال و فولاد ازنوع ST37 با ضخامت 7 میلیمتر با تنش تسلیم 235 مگاپاسکال برای پلیت و ضحامت پلیمر الیافی ، 2 میلیمتر در نظر گرفته شد مشخصات پلیمیر الیافی مانند قبل در نظر گرفته شد و تحلیل پوش اور استاتیکی بر روی ان انجام گرفت.
نتایج : مشاهده شد که میزان جذب انرژی در سیستم تقویت شده حدود 2.1 برابر قاب تقویت نشده بود. همچنین استفاده از تقویت باعث افزایش سختی حدود 1.4 برابر میگردد. اما شکل پذیری نمونه بطور جزئی کاهش یافت. دلیل این موضوع این است که وجود CFRP باعث به تعویق انداختن کمانش و تسلیم ورق فولادی می شود و این الیاف همانند یک تکیه گاه جانبی برای ورق فولادی عمل می نماید.مقدار کمانش خارج از صفحه برای نمونه ی تقویت نشده ، 8 میلیمتر و برای نمونه ی تقویت شده 5 میلیمتر بدست امد. همچنین استفاده از الیاف کمانش و تسلیم ورق فولادی را به تعویق انداخته و در نتیجه باعث افزایش ظرفیت برش تسلیم و برش پلاستک شده و در نتیجه ضریب مقاومت افزون در مقایسه با حالت بدون تقویت ، افزایش می یابد.
4- خاضعی و ناطقی هم تحقیقات ازمایشگاهی بر روی چند نمونه قاب یک طبقه یک دهانه فولادی کامپوزیتی با الیاف GFRP انجام دادند . 5 نمونه مورد ازمایش قرار گرفت که یک نمونه بدون تقویت و 4 نمونه دیگر با الیاف در چهار حالت قرارگیری تحت بار سیکلی طبق پروتکل ATC-24 در راستای قطری قرار گرفتند. ابعاد پلیت مربعی 400 میلیمتر بود که از اطراف توسط دو ناودانی 100 که پشت به پشت قرار گرفته و المانهای مرزی و ورق فولادی مابین انها توسط بولت های به قطر 10 میلیمتر بهم متصل شدند. ضخامت پلیت فولادی 0/9 میلیمتر و ضخامت الیاف0/508 میلیمتر در نظر گرفته شد.
مشخصات مواد و مصالح مورد استفاده:
در نمونه اول دو لایه الیاف در دو طرف دیوار با زوایای 0 و 90 درجه و در نمونه دوم دو لایه الیاف در دو طرف دیوار با زوایای 45 و 45- درجه و در نمونه سوم دو لایه الیاف در هر طرف دیوار با زوایای 0 و 90 درجه ، جمعا چهار لایه و در نمونه چهارم دو لایه الیاف در هر طرف دیوار با زوایای 45 و 45- ، جمعا چهار لایه به پلیت فولادی متصل گردید.
جزئیات ساخت نمونه ی ازمایشگاهی
نمایی از دستگاه ازمایش و نمونه ی ساخته شده
نتایج مطالعات انها نشان داد که اگر پلیت فولادی با الیاف FRP تقویت گردد مقاوت نهایی و تسلیم دیوار برشی بطور قابل محسوسی افزایش می یابد. جهت الیاف یکی از مهمترین متغیرها در مقاومت دیوار برشی می باشد. اگر لایه های FRP در جهت میدان کشش قرار گیرند بیشترین مقاومت حاصل می گردد و همچنین سختی نمونه ها به بیشترین مقدار نسبت به حالات دیگر میرسد. انرژی تجمعی جذب شده در نمونه های تقویت شده نسبت به نمونه ی تقویت نشده افزایش داشت.و همچنین جهت قرارگیری الیاف در ظرفیت اتلاف انرژی تاثیر محسوسی نداشت هر چند قرار گیری در زاویه ی میدان کشش مقدار ان را تا حدکمی نسبت به بقیه حالتها افزیش داد.
همچنین استفاده از الیاف تاثیر زیادی روی مقاومت پس از کمانش ورق بدلیل بهبود عملکرد میدان کشش داشتند اما کمانش ورق تقویت شده همانند نوع تقویت نشده ی ان در سطوح پایین بارگذاری رخ داد و استفاده از الیاف ظرفیت برشی و سطح زیر نمودار هیسترزیس نمونه های دارای الیاف را نسبت به دیوار برشی فولادی بدون الیاف تا حد زیادی افزایش میدهد و اما شکل پذیری نمونه های تقویت شده با الیاف نسبت به نمونه تقویت نشده کاهش داشت. درعوض سختی جانبی دیوار نسبت به نمونه ی بدون الیاف افزایش زیادی را نشان میداد.
5- حاتمی و قمری و رهایی نیز تحقیقات عددی روی تعداد زیادی نمونه قاب یک طبقه یک دهانه در 4 اندازه با ابعاد 2.5 و 3 و 5 و 6 متر عرض با ارتفاع 3 متر فاصله ی محور تا محور المانهای مرزی و ضخامت 7 میلیمتر برای تمام نمونه ها که 4 نمونه دارای عرضهای مذکور بدون لایه های تقویتی CFRP و 20 نمونه ی دیگر دارای تقویت های CFRP که زاویه ی این تقویت ها به ترتیب 0 و 30 و 45 و 60 و 90 درجه نسبت به افق بودند و به پلیت فولادی چسبانده شد و مورد بررسی عددی توسط نرم افزار المان محدود ANSYS قرار دادند.نمونه ها تحت بارگذاری سیکلی قرار داده شد.
جزئیات مدل مورد ازمایش:
مشخصات مواد و مصالح بکار رفته: نمونه های مورد ازمایش :
S : دیوار برشی بدون تقویت
SC : دیوار برشی تقویت شده با الیاف
SC-32.5-45
نوع دیوار
ارتفاع دیوار
عرض دیوار
زاویه ی الیاف
نتایج ازمایش:
نتایج نشان داد که استفاده از الیاف در جذب انرژی در پلیت ها موثر است. دیوارهای تقویت شده و تقویت نشده ی دارای عرض بیشتر ، ظرفیت برشی ، سختی و جذب انرژی بالاتری دارند. تقویت های FRP باعث افزایش سختی ظرفیت برشی و مقاومت افزون میشوند نمونه های تقویت شده دارای مقاومت افزون بالاتری نسبت به نمونه های تقویت نشده هستند مقایسه مقاومت افزون نمونه های تقویت شده و نشده نشان میدهد که الیاف تاثیر روشنی روی مقاومت افزون نمونه ها با نسبت های عرض به ارتفاع مختلف ندارد. و همچنین الیاف باعث توزیع تنش بهتری در ورق فولادی نسبت به حالت تقویت نشده میشود .و یک سری معادلات برای محاسبه ی رفتار غیرخطی سیستم کامپوزیتی با استفاده از نتایج انالیز الاستیک ارائه شد.
روابط پیشنهادی محاسبه ی مقاومت افزون ، ظرفیت باربری ، شکل پذیری ، انرژی جذب شده و سختی سیستم کامپوزیتی بر حسب زاویه ی قرار گیری الیاف
6- حاتمی و رهایی یک سری تحقیقات عددی و ازمایشگاهی بر روی رفتار کمانشی و پس کمانشی دیوارهای برشی فولادی کامپوزیتی با الیاف FRP انجام دادند و نتایج را با نمونه های ازمایشگاهی مورد مقایسه قرار داردند. دو نمونه به ابعاد 1متر ارتفاع و 2 متر عرض در نظر گرفته شد که یک نمونه بدون تقویت FRP و نمونه دیگر با الیاف FRP پوشیده شد. ضخامت پلیت فولادی 3 میلیمتر وضخامت الیاف 0/176 میلیمتر در نظر گرفته شد. برای المانهای مرزی از 2IPE200 که در بالها بوسیله ی پلیت 12 میلیمتر تقویت شدند استفاده گردید .نمونه ها تحت بارگذاری سیکلی قرار گرفتند و نتایج نشان داد که تقویت های FRPبدلیل مقاومت در برابر تنشهای کششی ناشی از میدان کشش بوجود امده در پلیت فولادی ، تاثیر بسزایی در مقاومت پس از کمانش ورق دارند . همچنین سختی دیوارهای برشی تقویت شده با الیاف نسبت به نمونه ی بدون تقویت افزایش زیادی یافت. سختی و جذب انرژی در حالت تقویت شده نسبت به تقویت نشده به ترتیب 1/5 و 1/37 برابر گردید. همچنین اضافه نمودن الیاف باعث کاهش جابجایی خارج از صفحه ی پلیت فولادی میگردد و در عوض شکل پذیری دیوار برشی را حدود 8 درصد کاهش میدهد.
مشخصات مواد و مصالح مصرفی- سیکل بارگذاری – نمونه ی ازمایشگاهی
نتایج بارگذاری پوش اور روی نمونه ها:
7- رهایی و علیپور تحقیقاتی عددی با استفاده از نرم افزار اباکوس روی نمونه های دیوار برشی یک طبقه ی یک دهانه با ابعاد 3 متر در 3 متر و ضخامت پلیت 3 میلیمتر داری بازشوهای مربعی با ابعاد مختلف در مرکز که توسط 4 نوع مختلف از نوارهای FRP با مدول الاستسیته متفاوت و عرضها و ضخامتهای مختلف و با ارایش های مختلف در اطراف بازشو به پلیت متصل شده را انجام دادند.
مشخصات مصالح FRP
A
B
C
مشاهده شد اساسا سختی دیوار و ظرفیت مقاومت برشی با ایجاد بازشو در دیوار کاهش می یابد و این کاهش با نسبت سایز بازشو در دیوار رابطه ای خطی دارد. سخت کننده های با ایجاد تکیه گاهی برای تنشهای مایل، از تمرکز کرنش جلوگیری کرده و عملکرد میدان تنش را در ورق بهبود میبخشد. تمرکز کرنش در گوشه های بازشو اساسا با استفاده از نوارهای FRP کاهش یافت.
کرنش های اصلی در گوشه های پلیت تقویت نشده از 24.4%به 12%برای نوارهای 100میلیمتر در 3 میلیمتر و 6.8%در نوارهای 300میلیمتر در 1میلیمتر کاهش یافت. استفاده از سخت کننده های با عرض کم و ضخامت زیاد باعث سختی بیشتر دیوار برشی میگردد در حالی که مقاومت برشی نهایی و مقاومت برشی تسلیم ، با استفاده از نوارهای عریض و با ضخامت کمتر ، افزایش بیشتری را نشان میدهد. همچنین سختی بیشتر و ظرفیت برشی بیشتر ، با استفاده از الیاف دارای مدول الاستیسیته بالاتر میسر می گردد. استفاده از نوارهای FRP در حالت سوم که ترکیب افقی و عمودی و مورب در اطراف بازشو میباشد ، بدلیل انکه نوارها تحت زاویه ی 45 درجه قرار گرفته است و در جهت میدان کشش پلیت فولادی است ، تنشهای کششی زیادی را تحمل مینماید. اگرچه این حالت باعث افزایش سختی بیشتر میگردد اما احتمال گسیختگی و پارگی در ان نسبت به حالتی که نوارها بصورت افقی و عمودی در اطراف بازشو قرار دارند بیشتر است.
نتیجه گیری: با توجه به ازمایشات تجربی و نتایج عددی که با استفاده از نرم افزار اجزا محدود بر روی نمونه های زیاد دیوار برشی فولادی بازشودار و غیر بازشودار تقویت شده با الیاف FRP انجام شد نشان داد که در صورت تقویت پلیت های فولادی دیوار برشی با الیاف کربنی، مشخصات مکانیکی و پارامترهای لرزه ای دیوار، مانند سختی و جذب انرژی و ظرفیت بابری دیوار بطور چشمگیری افزایش خواهد داشت و همچنین باعث کاهش کمانش خارج از صفحه ی ورق میگردد.ضمن اینکه در پلیت های دارای بازشو این عمل موجب کاهش تمرکز تنش در لبه های بازشو گردیده و نهایتا ظرفیت باربری دیوار افزایش قابل توجه می یابد. بنابراین یک روش دیگر تقویت دیوارهای برشی فولادی استفاده از این الیاف میباشد که به جهت سبک بودن و سهل الاجرا بودن ،بر پلیت های تقویتی فولادی که با فرایند جوش به ورق نازک فولادی متصل میشود ارجعیت دارد و روش نوینی در سیستم ساختمانی می باشد.
منابع: 1-چمن ارا محمد مهدی و علی نیکخو 1392. بررسی اثر مقاوم سازی دیوار برشی فولادی بازشودار با الیاف FRP به روش عددی، پزوهشنامه زلزله شناسی و مهندسی زلزله 92.دانشگاه ازاد اسلامی واحدعلوم تحقیقات بروجرد 2-قلی زاده، مسعود و یاسر یدالهی، 1392، مقاوم سازی دیوارهای برشی فولادی با تنش تسلیم پائین توسط الیاف FRP، کنفرانس بین المللی عمران، معماری و توسعه پایدار شهری، تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز 3-راغب، مهدی، 1391، مقاوم سازی دیوارهای برشی صفحه ای فولادی تا استفاده از پلیمرهای الیافی کربن، دومین کنفرانس ملی یافته های نوین در مهندسی عمران، نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد 4-F. Nateghi-Alahi, M. Khazaei-Poul (2012) Experimental study of steel plate shear walls with infill plates strengthened by GFRP laminates . jornal of construction steel research . Elsevier 5-F. Hatami, A. Ghamari, A. Rahai . Investigating the properties of steel shear walls reinforced with Carbon Fiber Polymers (CFRP) .(2012) . jornal of construction steel research . Elsevier 6-F.hatami and A.rahai (2008). an investigation of FRP composite steel shear walls (CSSW) under cyclic loading on laboratory. 14 word conference on earthquake engineering. 7- M. Alipour Tabrizi, A. Rahai . Perforated Steel Shear Walls With Frp Reinforcement Of Opening Edges (2011) .Australian Journal of Basic and Applied Sciences
با سپاس از توجه شما