چکیده ای از تحقیقات
و بررسی ها
پیرامون دیوار برشی فولادی
– کارشناسی ارشد سازه
تاریخ: 1394/3/25
عناوین وموضوعات:
1: دیوار برشی فولادی چیست؟
2: نتایج آزمایشات مقاومت بر روی دیوار برشی
3: روش طراحی دیوار برشی
4: مقایسه زمان تناوب طبیعی ارتعاشات سیستم دیوار برشی فولادی با سیستم قاب خمشی فولادی و بتنی
5: محبث المانهای مرزی
6: زمان تناوب
7: رفتار لرزه های دیوار برشی مرکب و طراحی آن
8: مزایای استفاده از دیوار برشی فولادی جدار نازک برای مقاوم سازی سازه فولادی
دیوار برشی فولادی چیست؟
برای مقابله با نیروهای جانبی و مقاوم سازی کاربرد دارد. حال اینکه ما از دیوار برشی برای این انتخاب استفاده کنیم بستگی به نوع بار گذاری طرح هندسی سازه و محدودیت های آئین نامه دارد. دیوار برشی رواج بسیار زیادی در سالهای اخیر پیدا کرده زیرا هم ارزانتر تمام می شود و هم در مقابل نیروهای انفجاری قابلیت مقابله بیشتری دارد.
وظیفه دیوار برشی مقابله در مقابل بار افقی طبقه و لنگر واژگونی جانبی می باشد.
مزایای دیوار برشی
1- نرمی زیاد دارد و انرژی را در خود هدر می دهد.
2- سختی بالایی دارد و باعث استحکام طبقه می شود.
3- در مقایسه با دیوار بتنی هم ارزانتر و کابری آسان تری دارد.
نتایج آزمایشات مقاومت بر روی دیوار برشی
بررسی مسائل از روی رفتار پس کمانشی تیر ورق می باشد یعنی این مبنا نقطه شروع آزمایشها متفاوت بود. واگنر اولین کسی بود که تئوری میدان کششی ناقص را (رفتار پس کمانشی) مطرح کرد. پلر بر روی رفتار خمثی بالها کار کرد. در آخر دانشمند هرزوگ ظرفیت نهایی تیر ورق ها را قابل پیش بینی کرد.
بر روی دیوار بررشی بامبنای تیر ورق اولین آزمایشها در کانادا – و بعد در آمریکا و ژاپن و غیره صورت گرفت روش این آزمایشها برای مطالعه گاهی بار یکنوا و گاهی بار چرخه ای برای شبیه سازی بار لرزه ای بود.
دانشمندان کانادایی آزمایشها را بدون سخت کننده انجام دادند.
این آزمایشها نشان دهنده ی رفتار شکل پذیر و افزایش مقاومت بسیار خوب دیوار برشی بود که با آزمایشهای پراکنده دیگر همخوانی خوبی داشت.
دانشمندی دیگر به نام درایور در سال 1998 یک ساختمان چهار طبقه را با دیوار برشی فولادی آنالیز کرد. این نمونه از یک سامانه دوگانه دیوار برشی جوش شده به یک قالب خمشی می باشد. در اثر کمانش ستون در محل انتقال جوش ها تیر به ستون خرابی ایجاد می شود. تا قبل از کمانش ستون رفتارها کاما خوب و جذب نیرو شکل پذیری عالی می باشد. علت این خرابی آزمایشگاهی را می توان به تمرکز تنش دستگاه مربوط ساخت که در سازه های واقعی تمرکز تنش نداریم. به هر حال با وجود خرابی زود هنگام ستون میزان شکل پذیری و مقاومت افزایش یافت.
. در آزمایشات دیگر در دانشگاه کلمبیا نتایج حاصل شده به این صورت است که دیوار برشی از مقاومت خمشی قاب کم می کند چون مثل یک سامانه بادبند عمل می کند که این خود باعث کاهش چرخش اتصالات تیر و ستون می گردد.
و همچنین بررسی آزمایش در طبقات بیشتر از اثر کاهشی دیوار برشی بر شکل پذیری قاب و جذب نیرو نشان می دهد. یعنی در ارتفاعات زیاد دیوار خمشی عملکرد بهتری نشان می دهد.
یک آزمایش بسیار مهم در دانشگاه آلبرتا کانادا بر ساختمان 4 طبقه حاکی از آن است که با وجود افزایش نیروی قائم علاوه بر بار چرخه ای قابلیت شکل پذیری نمونه قابل توجه است .
تغییر مکان در یک طرف 9 برابر و در طرف دیگر 5/5 برابر حد جاری شدن پیش رفته است.
نتایج تحقیات 20 دانشمند نشان می دهد که محدود ساختن نسبت عرض به ضخامت به کمتر از 20 در اتصالات خمثی دیوار برشی را قادر خواهد ساخت تا حدود 3 درصد انحراف جانبی را بدون خرابی جانبی تحمل کند و همچنین خرابیهای قابل توجه بعد از کمانش ورق رخ می دهد.
مطالعات انجام شده در انگلیس
توسط صبوری قمی و رابرتز بر روی 16 نمونه
نمونه شامل پانلهای فولادی تحت بارگذاری قطری هستند. نمونه این آزمایش شامل صفحات فولادی پیچ شده در داخل یک قاب چهار گوش مفصلی هستند. و نمونه ها دارای سوراخ نیز می باشند.
آزمایش نشان می دهد که پانلها دارای شکل پذیری خوبی هستند بدون آنکه از مقاومتشان کم شود. در این آزمایش اثر سوراخ نیز بررسی شد و به این نتیجه رسیدند که مقاومت و سختی به صورت خطی با افزایش مقداری[1 – D/d]کاهش می یابد
همچنین این پژوهشگران نتایج یک تحلیل غیر خطی را بر روی دیوار برشی با استفاده از ورق فولادی نازک ارائه کردند. که در آن پاسخ الاستیک و غیر الاستیک و رفتار نسبت به بار لرزه ای نیز لحاظ شده است. سعی شده این آزمایش پاسخ گوی دیوارهای نازک – ضخیم– و تقویت شده و یا با بازشو نیز باشد. همچنین رفتار و عملکرد قاب و ورق نیز به صورت جداگانه برسی شد. و اندر کنش آنها مد نظر است. این آزمایش یک آزمایش کامل است و فقط لحاظ کردن یک ضریب تعدیل شرایط واقعی را ایجاد می کند.
مطالعات آمریکا
یک دانشمند آمریکایی به نام ایلگالی مطالعات را با بار گذاری چرخه ای افقی بر روی نمونه یک طبقه و یک دهانه بدون سخت کننده انجام داده است.
بر اساس این آزمایش این نتایج به دست آمد که وقتی یک صفحه فلزی بدون سخت کننده و عنوان دیوار برشی به کار می رود رفتار غیر الاستیک با جاری شدن دیوار آغاز شده و مقاومت سامانه را تشکیل مفاصل الاستیک در ستون ها تعیین می کند.
این دانشمند همچنین به این نتیجه رسید که وقتی صفحات نازک به کار می روند مد خرابی را ناپایداری ستون ها تعیین می کنند. این دانشمند و همکارانش پیشنهاد می کنند که ساختمان با سامانه دیوار برشی فولادی طوری طراحی شود که در لرزه و بادهای کوچک به صورت الاستیک عمل کند چرا که در لرزه های شدید (صفحات نازک بدون سخت کننده) تسلیم صفحات پیش از کمانش ستون ها اتفاق بیفتد.
در آخر این آزمایشات به ما این نتیجه گیری را می دهند که یک دیوار برشی از جنس فولاد با ورق نازک و سخت کننده و استفاده مرکب عملکرد خوبی دارد.
روش طراحی دیوار برشی
2 فرضیه حاکم است.
فرضیه اول: ورق فولادی به صورت تعدادی میله مورب است که در آن دیوار ورق نازک است. روش خوبی نیست چون برای ورق های ضخیم و بازشوها مدل تحلیل ندارد.
فرضیه دوم: توسط سعید صبوری و همکارانش ارائه شد. همه چیز لحاظ شده و روش کاملی است. روش حل آن در منبع موجود است.
مقایسه زمان تناوب طبیعی ارتعاشات سیستم دیوار برشی فولادی با سیستم قاب خنثی فولادی و بتنی از دانشجوی ارشد شهید باهنر کرمان
در این مقاله زمان تناوب طبیعی ارتعاشات دیوار برشی فولادی در آیین نامه های مختلف بررسی و با سیستم قاب خمثی فولادی و بتنی مقایسه گردیده است. در این مقاله فرمولی نیز ارائه شده است. این فرمول دیوار برشی فولادی به صورت یک طره ی عمودی است. که در آن تغییر شکل برشی اینرسی چرخشی بر اساس یک معادله مرتبه4 بیان شده است. خلاصه مقاله این است که تسلیم و کمانش ورق موجب کاهش قابل توجهی در سختی جانبی شده و در نتیجه زمان تناوب طبیعی افزایش می یابد.
چکیده توضیحات:
دیوارهای برشی به دو صورت تقویت شده و نشده استفاده می شوند که در تقویت نشده اجازه کمانش ورق داده می شود و هدف هدایت کشش جهت حمل برش طبقه است.
و دیوارهای برشی می توان از پدیده پس کمانش بهره جست بدون اینکه مشکلی در پایداری سازه به وجود بیاید. منحنی های هیسترزیس نشان گر صحت گفته های قبل می باشند. در مورد زمان تناوب منحنی های هیسترزیس روابط دقیق و تجربی ارائه شده است. روابط دقیق از روش رایلی به دست آمده که تابع شکل آنها تغییر شکل جانبی سازه به علت یک دسته نیروهای جانبی است. روابط تجربی هم از روی رفتار طبیعی ارتعاش ساختمان ها به دست آمده. آیین نامه های زیادی شتاب پایه طراحی را زمان تناوب طبیعی سازه محاسبه می کنند و این موضوع بسیار با اهمیت است.
برای محاسبه ارتعاش سازه می توان از روش دینامیک سازه ها بهره جست. برای این کار بایستی از فرمولهای تجربی که متکی به هندسه مصالح سازه هستند بهره ببریم این فرمولهای تجربی نقش کنترل کننده فرمول های دقیق را بازی می کنند.
محبث المانهای مرزی:
باید در هنگام زلزله در محدوده ی الاستیک باقی بماند. ما انتظارمان از دیوار برشی این است که مثل یک فیوز عمل کرده و شکل پذیری کند. در اینجا باید المان مرزی در هنگام تسلیم از نیروهای جانبی مقاومت کند. پس از تسلیم ورق —‹ سختی کم– زمان تناوب زیاد– و میزان مقاومت در مقابل زلزله بعدی کم می شود.
محاسبه زمان تناوب
∂4u/∂x2∂t2 + m2v2∂4u/KgAw∂t4 EIW∂4a/∂x4 +M ∂2a/∂t2 – mv2 (1 + E/KE)
در تحلیل به روش المان محدود تیرها و ستون ها با المان هشت گره ای مدلی شد کاهش سختی در اثر کمانش ورق فولادی انطباق خوبی با نتایج المان محدود داشت روش المان محدود سختی بیشتری برابر سیستم نشان می دهد که کمی بالا است.
* افزایش زمان تناوب طبیعی سیستم به میزان غیر ارتجائی و همچنین سختی اعضای مرزی بستگی دارد. تغییر در سختی تیرها اثر قابل توجهی در زمان تناوب طبیعی سیستم را نتیجه نداد. در حالی که تغییر در سختی ستونها تاثیر زیادی در زمان تناوب طبیعی سیستم داشت.
*
رفتار لرزه های دیوار برشی مرکب و طراحی آن
جمعی از دانشجویان کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اهواز
دیوار برشی مرکب یک صفحه فلزی جوش شده به تیر و ستون است که در یک یا دو طرف آن دیوار بتنی قرار دارد این دیوار در ساختمان های با اهمیت که خطر لرزه خیزی تلفات بسیاری دارد استفاده می شود.
دیوار فلزی
نقش تامین مقاومت و سختی و محدود کردن لنگر واژگونی است
.
دیوار بتنی
نقش آن در دو طرف صفحه فلزی مثل یک ساندویچ تحمل میدان فشاری قطری و مقاومت برشی سیستم است با توجه به مسلح بودن اندکی در کشش هم نقش بازی می کند.
ستون های مرزی
کنترل لنگر وارژگونی توسط بار ثقلی ستون های اطراف دیوار برشی مرکب می باشد.
تیرهای مرزی
یک عنصر باربر برای عضو فشاری قطری دیوار بتنی و یک مهار کننده برای عمل میدان کششی صفحه فلزی هستند.
مزایای دیوار مرکب
وزن کمتر – قطر کمتر – عملکرد مشابه دیوارهای فلزی و بتنی و همچنین مقاومت بیشتری در مقابل تسلیم برشی قبل از کمانش- بخش بتنی دیوار مرکب نقش عایق را هم دارد.
توصیه های طراحی لرزه ای دیوار برشی فلزی مرکب
باید بتواند هم در مقابل جذب انرژی و هم در مقابل تغییر مکان طراحی طراحی خوبی بکنیم تا اول رفتار خمیری از دیوار برشی بروز دهیم و در آخر کار در لحظات پایانی زلزله دیوار بعد از سر ریز شدن تحمل دیوار آن را به ستون ها و تیرها برای تحمل بار ثقلی جابه جا کند. در کل نقش دیوار تحمل قبل از حادثه می باشد. مثل یک لباس در برابر سرما.
نقش طراحی قسمت بتنی در دیوار مرکب در محاسبه سختی است و در دیگر قسمت های طراحی نقش اصلی بازی نمی کند. دیوار بتنی بر اساس بارهای ثقلی و لنگر خنثی طراحی می شود.
دو نمونه آزمایش نیز به جهت تاثیر این موضوع انجام شد. یکی از نمونه ها بدون درز و بتن در معرض بار ستون و تیرها که دارای حداکثر مقاومت بیشتری نسبت به نمونه با درز بود. زیرا از اول در معرض بار تیر و ستون ها قرار گرفت. اما در عمل دو نمونه در سختی به یک اندازه بودند و مشارکت بتن تغییری در سختی ایجاد نمی کرد.
مزایای استفاده از دیوار برشی فولادی جدار نازک برای مقاوم سازی سازه فولادی
یک آزمایش انجام شده که در آن دیوار برشی فولادی متصل به اعضای اصلی سازه نیست و کیفیت آن مورد برسی قرار گرفته است. دیوار برشی جدار نازک برای افزایش ظرفیت باربری سازه ضعیف بسیار کمک می کند و ظرفیت آن را تا 37 برابر افزایش می دهد. این نوع سیستم ها یک نوع اندرکنشی دارد. بین قاب و دیوار و بستگی به نوع توقع طراح دارد که سازه اصلی یا همان قاب اصلی را به چه اندازه هایی در اندرکنش با دیوار دخیل کند. این مقاله یکسری آزمایشاتی نیز برای بررسی کیفیت این مقاطع جدار نازک انجام داد. شده است که صحت نتایج بالا را به دست می آورد.
مراجع ومنابع :
1 -منبع انگلیسی
1-Astaneh-Asl , Abolhassan , Ph.D. , P.E. Department of Civil &
Environmental Engineering of California, Berkeley.
"Seismic Behavior and Design of Steel Shear Walls"
( STEEL TIPS REPORTS), JAN 2001
2 -منبع فارسی
2 -الف : سیدی ، حسین " بررسی رفتار خرابی دیوار برشی فولادی تحت بارگذاری چرخه ای "پایان نامه کارشناسی
ارشد، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی سهند، اردیبهشت 1385
2 -ب : صبوری، سعید " سیستم های مقاوم در برابر بارهای جانبی، مقدمه ای بر دیوارهای برشی فولادی " انتشارات
انگیزه، پاییز 1380