چکیده
سیستم دیوار برشی صفحات فولادی در تعدادی از ساختمان ها بعنوان یک سیستم ابتکاری مقاومتی نیروی جانبی بکار برده شده است. دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار شده در مقایسه با دیوارهای برشی صفحات فولادی غیرمستحکم، دارای استحکام و جذب انرژی بالاتری در حین بارگذاری دینامیک، مثلاً در حین بارگذاری زمین لرزه ای، هستند. البته درها و پنجره ها بخاطر شرایط عملکردی مختلف ساختار، اغلب در دیوارهای برشی صفحات فولادی قرار داده می شوند. این درها و پنجره ها ممکن است تأثیر منفی بر روی توان کلی دیوار برشی داشته باشند که نیاز به استحکام بیشتر را ایجاب کند. بنابراین، یک برنامه تحقیقات آزمایشی آماده شد تا رفتار زمین لرزه های دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار شده، با درو پنجره یا بدون در و پنجره، را بررسی کند. قدرت، استحکام، شکل پذیری، و جذب انرژی بر اساس نتایج تست های بارگذاری دوره ای وارونه بر روی سه نمونه ارزیابی شدند. دو تا از دیوارهای آزمایشی دارای در و پنجره بودند، درحالیکه دیوار دیگر بدون در و پنجره بود. نتایج برنامه آزمایشی نشان داد که دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار شده رفتار زمین لرزه ای رضایتمندانه ای نشان میدهند، و همانطور که پیش بینی می شد، خصویات قدرت و استحکام دیوارها در دیوارهای دارای در و پنجره کمتر بود. علاوه بر این برنامه آزمایشی، یک مطالعه تحلیلی که از مدل عنصر متناهی ترکیبی ستون-بدنه (FE) از دیوار یک طبقه با ستون های مرزی استفاده میکرد، انجام شده است تا عوامل مهم تأثیرگذار بر روی کاهش قدرت برشی دیوارهای مهار شده دارای در و پنجره تعیین کند. بعلاوه، تحلیل پارامتری و محاسبات گسترده انجام می شوند تا فرمول ساده شده ای برای تعیین ضریب کاهش قدرت برشی ایجاد گردد. همچنین، مدل های FE الاستو-پلاستیک پیچیده از سه نمونه برای بررسی کامل رفتار مقاومتی نیروی جانبی دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار شده ایجاد شده اند. سازگاری خوبی بین نتایج آزمایشی و عددی مشاهده می شود. و سرانجام اینکه، یک روش طراحی برای محاسبه توان مقاومت جانبی، بر اساس تحلیل مدل FE و برنامه آزمایشی، پیشنهاد می گردد که برای تکنیک طراحی معمول برای دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار شده مورد استفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار شده، تحقیقات آزمایشی، دیوارهای دارای در و پنجره، ضریب کاهش قدرت برشی، مکانیزم شکست، توان مقاومت جانبی
1- مقدمه
سیستم دیوارهای برشی صفحات فولادی (SPWS) در تعدادی از ساختمان ها در آمریکای شمالی و ژاپن بعنوان یک سیستم ابتکاری مقاومت نیروی جانبی مورد استفاده قرار گرفته است. سیستم های SPWS، در مراحل اولیه توسعه خود، بمنظور اهداف تحلیل و طراحی مانند شاه تیرهای صفحات متمایل عمودی مورد استفاده قرار می گرفتند. این راهکارهای طراحی خیلی محافظه کارانه و سنتی بودند. در این راهکار از کمانش صفحات فولادی توسط انتخاب صفحه ضخیم به انداره مناسب جلوگیری میشد. و این بخاطر این حقیقت بود که اطلاعاتی در مورد رفتار پس از کمانش صفحات فولادی نازک وجود نداشت.
بخاطر حجم زیادی فولاد مصرفی و افزایش هزینه، سیستم های SPWS ضخیم بتدریج با سیستم های SPWS نازک جایگزین شدند. سیستم های SPWS نازک توسط محققان زیادی مورد مطالعه قرار گرفته اند. این مطالعه تحقیقاتی شامل تست مدل ها و مدل های تحلیلی از جمله، تحلیلی عنصر متناهی غیرخطی می باشد. پیشنهادات طراحی هم وجود داشت. پی برده شده بود که قدرت افزایشی پس از کمانش، را می توان در سیستم های SPWS نازک بکار برد وقتی که میدان کششی ایجاد می گردد. البته این قدرت پس از کمانش فقط در ستون های مرزی بکار برده می شود، که با قدرت کافی برای مقاومت در برابر نیروهای ساختمانی طراحی می شوند که بخاطر عملکرد میدان کششی صفحات فولادی نازک ایجاد می گردند. در این حالت، سیستم SPWS نازک، قدرت بالا و شکل پذیری خوبی در برابر جذب انرژی وابسته نشان میدهد.
علاوه بر این تحقیقات، یک مدل نواری هم پیشنهاد شد و در نتیجه برای محاسبه قدرت سیستم های SPWS مهار نشده بکار برده شد. این مدل سپس برای ایجاد اساس روش طراح یاتخاذ شده در کد طراحی کانادایی (CAN/CSA 2001)، استاندارد نمایندگی مدیریت اضطراری فدرال FEMA 450 (FEMA 2003)، و دستورالعمل های طراحی زمین لرزه ای ساختمان فولادی مؤسسه آمریکایی (AISC 2005) استفاده شد.
البته، کدهای طراحی ذکر شده نیازمند این بودند که SPWS فقط در برابر بارهای افقی مقاومت داشته باشد، درحالیکه ستون های مرزی سیستم SPWS در مقابل بارهای عمودی مقاومت می کردند. برای سازگار بودن با این شرایط، توالی ساخت میدان، ابتدا ستون های اسکلت اصلی و عناصر تیرهای پابرجا، و سپس دیوارهای برشی فولادی نصب می گردند یا با عناصر اسکلت اصلی متصل می گردند. البته این توالی ممکن است منجر به استحکام جانبی غیرکافی اسکلت اصلی و مدت زمان ساخت طولانی تری گردد. در نتیجه، میتوان از پشت بندهای SPWS در توالی صحیح استفاده کرد تا از کمانش اولیه صفحات مشروط به بار عمودی جلوگیری شود. همچنین، حلقه های پسماند جایگزینی-بار اثر فشرده سازی مهمی را بعلت کمانش اولیه صفحات فولادی مهار نشده با کاهش وابسته در توان مصرف انرژی نشان میدهند، درحالیکه SPWS های مهار شده خصوصیات مقاومت زمین لرزه ای بهتری را از خود نشان میدهند. در اوایل دهه 1970، تاکاناشی و همکارانش، یک سری آزمایشات بر روی دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار شده انجام دادند.
آنها پی بردند که قدرت های برشی نمونه ها را میتوان بخوبی توسط معیار بازده von Mises برای حالت برشی خالص پیش بینی کرد. با این وجود، از آن زمان، رفتار مقاومتی نیروی جانبی سیستم های SPWS مهار شده بطور جامع مورد بررسی قرار نگرفته است. درک کامل و روش طراحی عملی برای دیوارهای برشی صفحات فولادی مهارشده هنوز هم وجود ندارد.
علاوه بر SPWS های مستحکم، سیستم های دارای در و پنجره، ایجاب شده توسط شرایط مورد نیاز عملکردی ساختارها، بتدریج توجه افرادی را در سالهای اخیر به خود جلب کرده اند. سه نوع شکل در و پنجره برای دیوارهای برشی صفحات فولادی در مقالات ذکر شده است، همانطور که در بترتیب در شکل های 1 (a)-(c) نشان داده شده است. ابتدا دیوارهای برشی صفحات فولادی سوراخ دار پیشنهاد شد و رابرتز و صبوری قمی آنها را بصورت آزمایشی مورد مطالعه قرار دادند. محققان یک سری آزمایشات بارگذاری دوره ای شبه-استاتیک بر روی دیوارهای برشی صفحات فولادی مهار نشده با در و پنجره های دایره ای در مرکز انجام دادند. بر اساس این تحقیقات، آنها پیشنهاد کردند که استحکام و قدرت نهایی یک دیوار سوراخ دار را میتوان با اعمال یک عامل کاهش خطی برای قدرت و استحکام یک دیوار بدون سوراخ و مستحکم مشابه، بصورت محافظه کارانه ای تقریب زنی کرد. ویان و برونو مطالعه تحلیلی و آزمایشی بر روی SPWS های سوراخ دار مهار نشده انجام دادند که در شکل 1 (a) نشان داده شده است. پوربا و برونو هم تحلیل عددی دیگری بر اساس نتایج آزمایشی SPWS ها انجام دادند و عامل کاهش دقیق تری را نسبت به عامل پیشنهاد شده توسط رابرتز و صبوری قمی برای محاسبه قدرت دیوار سوراخ دار پیشنهاد کردند که شامل پیشنهادات طراحی و ملاحظات در مورد نسبت سوراخ دار بودن یک دیوار بود. شکل 1 (b)، SPWS های مهار نشده دارای در و پنجره را نشان میدهد، که در آنها، یک ستون داخلی اسکلت فولادی اصلی را به سیستم SPWS در امتداد لبه در یا پنجره متصل می سازد. لی، مطالعات آزمایشی و عددی برای بررسی رفتار مقاومت نیروی جانبی این سیستم SPWS مهار نشده دارای در و پنجره انجام داد. چوی و پارک، تحقیقات آزمایشی و تئوری در مورد سیستم SPWS دارای پنجره بدون ستون های داخلی انجام دادند، همانطور که در شکل 1 (c) نشان داده شده است، تا مکانیزم شکست را تعیین کند. آنها سپس روش تحلیلی برای توان مقاومت جانبی SPWS های مهار نشده پیشنهاد کردند.
شکل 1 (d) ، SPWS های دارای پنجره های کوچک را نشان میدهد، همانطور که در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته است. این دیوارها مشابه دیوارهای استفاده شده در هتل کنفرانس بین المللی مالی تیانجین در تیانجین چین هستند. مهارکننده های افقی و عمودی برای جلوگیری از کمانش نیمه کامل صفحات فولادی و تقویت پنجره ها در نظر گرفته شده است.
بخاطر عدم وجود تحقیقات تئوری و آزمایشی در مورد SPWS های دارای پنجره در مقالات، با مهاربندی و بدون مهاربندی، یک برنامه تحقیقاتی جامع ایجاد شد. این برنامه شامل یک برنامه آزمایشی، شبیه سازی های عناصر محدود با جزئیات کامل و مطالعات تئوری عملی بمنظور اهداف طراحی بود. هدف اصلی این تحقیق اینست که یک روش محاسباتی برای تعیین توان مقاومت جانبی SPWS ها برای راهکار طراحی معمول، با استفاده از ضریب کاهش قدرت برشی دیوارهای مهار شده دارای پنجره ایجاد کند.
2. برنامه آزمایشی
2.1 واحدهای آزمایش
نمونه های اصلی واحدهای آزمایش برنامه آزمایشی در سه طبقه هتل کنفرانس مالی بین المللی تیانجین در تیانجین چین واقع است. سه دیوار برشی صفحات فولادی نمونه برای تست های مدل مقیاس 1/5 بر اساس تنظیمات کلی آنها انتخاب شدند. اولین نمونه آزمایش با استفاده از یک SPWS دارای پنجره تنظیم می گردد و SPWS-1 نامیده می شود. نمونه آزمایشی دوم که یک SPWS بدون پنجره است، SPWS-2 نامیده می شود. نمونه آزمایشی سوم یک SPWS دارای دو پنجره و یک ستون داخلی است و SPWS-3 نامیده می شود.
ابعاد کلی هر یک از این سه نمونه آزمایشی با هم یکسان هستند همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. ضخامت هر صفحه SPWS در هر مورد، 4 میلیمتر است. ستون های مرزی، ستون های لوله فولادی پر شده با بتن (CFST) هستند. یک تیر فولادی سنگین دارای شکل I با ابعاد 20 × 20 × 80 × 300، در بالای صفحه بالایی قرار داده شد تا از کمانش موضعی پایانی جلوگیری شود در جاییکه که چکش بار افقی را ایجاد میکرد و انتقال یکسان بار به صفحات دیواری و ستون ها را فراهم می کرد. پایین نمونه های آزمایشی به تیر I-شکل فولادی سفتی با ابعاد 40 × 30 × 800 × 990 متصل شدند، که با اتصال به زمان مهار شده بود. نیمه صفحه پایینی و صفحه بالایی برای شبیه سازی شرایط مرزی در راهکار طراحی معمول طراحی شده بودند. موقعیت و ابعاد پنجره ها در شکل 3 نشان داده شده است. بخش U-شکل با مهار بندی 3 × 12 × 24 به هر دو طرف صفحات دیواری جوش شدند تا از کمانش ناکامل صفحات دیواری تحت بار جلوگیری شود و استحکام بیشتری در پنجره ها بوجود بیاید. بخش های مستطیلی، 14 × 30، به یک طرف صفحات دیواری در پایین هر پنجره جوش شدند تا عملکرد محدودیت جانبی ایجاد شده بوسیله قطعه های بتنی ساختار واقعی شبیه سازی شود. تصاویر نسبت های نمونه های آزمایشی واقعی در شکل 4 نشان داده شده است.
خصوصیات مصالحی فولاد و بتن در جدول 1 نشان داده شده است.
2.2 نقص هندسی اولیه
شکل 5 تغییر شکل خارج از صفحه اندازه گیری شده اولیه را برای نیمه-صفحه پایینی، و صفحات دیواری SPWS سطح های اول و دوم و تیرهای سه نمونه آزمایشی را نشان میدهد، که تغییر شکل خارج از صفحه شمالی مثبت است، درحالیکه تغییر شکل خارج از صفحه بطرف جنوب منفی است. حداکثر تغییر شکل خارج از صفحه اولیه صفحات دیواری بترتیب 16 میلیمتر، 12 میلیمتر و 9 میلیمتر است، درحالیکه حداکثر تغییر شکل تیرهای فولادی بترتیب 18 میلیمتر، 9 میلیمتر و 11 میلیمتر است. از پارامتر بدون بعد برای بررسی تأثیر تغییر شکل خارج از صفحه اولیه استفاده می شود:
که اندازه تغییر شکل خارج از صفحه اولیه، عرض صفحه، و h ارتفاع صفحه است. بنابراین، حداکثر این سه نمونه را میتوان بترتیب به اندازه 0.018، 0.012، و 0.011 محاسبه کرد. مطالعه انجام شده توسط بهبهانی فرد، تا حدودی بر روی استحکام جانبی تأثیر می گذارد، اما تأثیر اصلی بر روی توان مقاومت جانبی سیستم SPSW ندارد زمانیکه کمتر از 0.034 است. چون مطالعه حاضر عمدتاً بر روی ارزیابی تئوری توان مقاومت جانبی تمرکز دارد، نتیجه گیری می شود که تأثیر تغییر شکل هندسی اولیه ممکن است نادیده گرفته شود.
2.3 برنامه بارگذاری و نصب آزمایش
هر نمونه آزمایشی با صفحه موازی با محور شرقی-غربی، در جهت شمالی صفحه و روبروی جهت جنوب قرار داده شد. بارهای عمودی ابتدا در بالای ستون های CFST توسط دو جک هیدرولیک عمودی برای هر سه واحدئ اعمال شدند که نشاندهنده عملکرد بار جاذبه بود. برای SPSW-1 و SPSW-2، هر دو مقدار دو بار عمودی 500kN بود، درحالیکه برای SPSW-3، بارهای ایجاد شده توسط جک های هیدرولیک غربی و شرقی بترتیب 400 و 800kN بود، و شاه تیر دارای استحکام بالا در بالای ستون داخلی و ستون شرقی قرار داده شد تا بار عمودی ایجاد شده توسط جک هیدرولیک شرقی بطور برابر برای ستون داخلی و ستون شرقی اعمال گردد. سپس بارهای افقی نشاندهنده عملکرد زمین لرزه توسط سیستم محرک اعمال شدند که به بالای تیر در یک طرف و دیوار واکنشی از طرف دیگر نتصب شده بود. دو نگهدارنده مثلثی بعنوان دستگا های پشتیبانی جانبی برای جلوگیری از تغییر شکل خارج از صفحه جهانی نمونه ها طراحی شده بودند. نمونه ها از طریق یک تیر مستحکم به یک زیرزمین آزمایشگاهی مهار شده بودند. نصب تست معمول در شکل 6 نشان داده شده است.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 9 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله ترجمه شده ساختارهای دارای دیوارهای نازک
