ستون های قوطی شکل – بررسی رفتار شکل پذیر بار افزون و چرخه ای سیستم دیوار

بررسی رفتار شکل پذیر بار افزون و چرخه ای سیستم دیوار با سخت کننده و ستون های قوطی شکل پر شده با بتن

با توجه به مزایای سیستم دیوارهای برشی فولادی به عنوان سیستم مقاوم جانبی (سختی، مقاومت، شکل پذیری، جذب انرژی). رفتار چرخه ای سیستم دیوار برشی فولادی تقویت میشود. با سخت کننده های افقی و قائم و ستون های مرزی با مقطع قوطی شکل پر شده از بتن در این مقاله بررسی شده است. تحلیل چرخه ای و استاتیکی غیرخطی از نوع کنترل تغییر مکان با نرم افزار ABAQUS. طبق الگوی تغییر مکان پروتکل ATC 24 انجام و منحنی های هیسترزیس برای انواع مدل ها استخراج گردید.

بعد از اعتبار سنجی مدل های عددی با نتایج آزمایشگاهی، چهار مدل جدید دیوار برشی فولادی. با سخت کننده های افقی و قائم به همراه ستون فلزی که از بتن پز شد در نظر گیری و تحلیل شد. نتایج حاصل نشان داد که دیوار برشی فولادی که تقویت می شود. با سخت کننده و ستون های مرزی قوطی پرشده از بتن دارای مزیت بیشتر از ظرفیت پس کمانشی ورق فولادی بود. و افزایش صلبت ستون های مرزی در مدل تقویتی باعث استفاده بیشتر مقاومت صفحه فولادی (مقاومت پس کمانشی) می شود.

ضمناً نتایج نشان داد که انرژی جذب شده نمونه تقویت شده پرشده. با بتن نسبت به نمونه مرجع تقویت نشده بدون بتن در بارگذاری بار افزون حدود 11 درصد افزایش یافت. در حالی که این نسبت برای انرژی جذب شده تجمعی در بارگذاری تجمعی حدود 5.15 برابر بود. که نشان از تأثیر مثبت استفاده ترکیب سخت کننده و بتن دارد. ضمناً ضریب رفتار نمونه تقویتی نیز حدود 21 درصد افزایش یافت.

مقدمه

با توجه به خسارات و تلفات ناشی از زلزله در کشورهای زلزله خیر، خصوصاً کشور ایران که روی گسل های فعال قرار دارد. لزوم طراحی سازه های مقاوم در برابر بارهای زلزله را امری اجتناب ناپذیر می نماید. لذا در طول زمان سیستم های باربر جانبی مختلفی توسط پژوهشگران و محققین برای مقاومت در مقابل بارهای جانبی زلزله ارائه گردیده است. و این روند از میان قاب های ساختمان های سنتی (مصالح بنایی) تا معرفی سیستم های مقاوم سازه ای ادامه داشته است.

پس سیستم دیوار برشی فولادی (Steel shear wall). که یکی از مناسب ترین سیستم های رایج جهت مقاومت و پایداری سازه در برابر بارهای جانبی می باشد. در مناطق لرزه خیز در مقاوم سازی و بهسازی سازه ها بکار گرفته می شود. و در سه دهه اخیر به سرعت در دنیا مورد توجه قرار گرفت. و از این سیستم برای ساخت و مقاوم سازی ساختمان های مهمی در دنیا. به ویژه در کشورهای زلزله خیز چون ژاپن و آمریکا استفاده گردید. و از سیستم های نوین لرزه ای به حساب می آیند.

که از سال 1994 مورد تأیید آیین نامه فولاد کانادا قرار گرفت. و از سال 2005 نیز آیین نامه فولاد آمریکا را به رسمیت شناخته است. (آیین نامه های کانادا و آمریکا صرفاً به ارائه ضوابط در مورد دیوارهای بدون سخت کننده اکتفا می کنند. و دیوارهای دارای سخت کننده را از مباحث مطروحه خارج می کنند. و آیین نامه ایران به صراحت اعلام کرده است. در حوزه هایی که وارد بحث شدهف رعایت ضوابط آن از سوی مهندسین الزامی است. و در حوزه هایی که آیین نامه به آنها ورود نکرده است. مهندسین مجاز هستند به ضوابط آیین نامه های معتبر کشورهای دیگر مراجعه کنند.

البته استاندارد 2800 در ویراش چهارم، برای سیستم دیوار برشی فولادی، ضریب رفتار 9 را (بر اساس روش تنش مجاز) پیشنهاد کرده است. و به این ترتیب بر کفایت این سیستم صحه گذاشت. روش های مختلفی برای تعیین ضریب رفتار وجود دارند. که متداول ترین آنها روش های مورد به کار گیری در آیین نامه های اروپایی، آیین نامه کانادا و روش های انرژی می باشد.

ستون های قوطی شکل

در این تحقیق برای تعیین ضریب رفتار نمونه های دیوار برشی از روش دو خطی یوانگ استفاده گردید. تا کنون مطالعات تئوری و آزمایشگاهی فراوانی در خصوص رفتار دیوار برشی فولادی انجام پذیرفت. که این تحقیقات مؤید تأمین همزمان سختی، مقاومت و شکل پذیری در دیوارهای برشی فولادی می باشد. همچنین آستانه اصل ضرایب رفتار را برای دیوار برشی فولادی پیشنهاد می دهد.

و این دیوارها ممکن است به دو صورت ورق با سخت کننده و یا ورق بدون سخت کننده به کار می روند. تحقیقات آزمایشگاهی زیادی بر روی دیوار برشی فولادی یک دهانه و یک طبقه را آزمایش کردند. و هدف از این آزمایش بررسی عملکرد فولاد نرم بود. قلهکی دو نمونه دیوار برشی فولادی یک دهانه سه طبقه بدون سخت کننده را آزمایش کردند. رهنورد و همکارانش تحقیقاتی در خصوص پارامترهای مهم عددی در دیوار برشی کامپوزیت انجام دادند.

عناصر مقاوم در مقابل نیروهای جانبی مؤثر بر یک سازه مانند باد یا زلزله. قاب های خمشی، مهاربندها، دیوارهای برشی و یا دو گانه (ترکیبی از آنها) می باشند. استفاده از قاب خمشی به عنوان عنصر مقاوم در برابر بارهای جانبی زلزله، احتیاج به جزئیات خاصی دارد. که باید شکل پذیری مورد نیاز آن را تأمین کند. این جزئیات از لحاظ اجرایی غالباً دست و پا گیر بوده. و در صورتی می توان از اجرای دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجرا و نظارت کارگاهی خیلی خوب باشد.

به دلیل عدم تحقق این امر و در جهت کنترل تغییر مکان جانبی سازه. در اثر بارهای جانبی و تأمین شکل پذیری مورد نیاز سیستم دیوار برشی فولادی. با بهره گیری از مفهوم میدان کشش قطری همانند تیر ورقها، در ساختمان های متوسط و بلند. کشورهای ایالات متحده آمریکا، ژاپن و کانادا به عنوان سیستم مقاوم جانبی مطلوب مورد استفاده قرار گرفت. سیستم دیوار برشی فولادی در ساختمان های با متراژ زیاد و همچنین ساختمان های بلند، اقتصادی تر از سیستم قاب خمشی می باشد.

دیوار بررسی فولادی متشکل از یک ورق نازک فولادی است که توسط تیرها و ستونهای قاب فولادی احاطه می شود. و تیرها و ستون ها می توانند از فولاد ساختمانی با مقاومت معمولی (St37) یا فولاد با مقاومت بالا (st52). و برای دیوار برشی فولادی از ورق نازک با مقاومت تسلیم پایین یا عادی استفاده نمود. از جمله ساختمان های ایجادی با این سیستم می توان بیمارستان 6 طبقه در لوس آنجلس (Olive view). در اوایل دهه 80 میلادی، و برج 51 طبقه شیتجو کونومورا در توکیو بکارگیری شد.

ستون های قوطی شکل

ساختمان بین المللی لاس وگاس (Cosmopolitan) در سال 2009 و ساختمان اداری 35 طبقه در کوبه (High rise). به طوری که ساختمان بیمارستان 6 طبقه (Olive view). در لوس آنجلس و ساختمان اداری 35 طبقه در کوبه (High rise) دو سازه مهمی هستند. که در آنها از سیستم دیوار برشی فولادی به عنوا سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی بکار رفت. و دو زلزله شدید نورثریج (Northridge) و کوبه را پشت سر گذاشتند و مطالعات مورد انجام بر روی این دو ساختمان. پس از زلزله همگی از رفتار بسیار خوب سیستم دیوارهای برشی فولادی در طول زلزله. و وارد شدن کمترین خسارت به این دو ساختمان حکایت می کنند.

همچنین شیشکین و همکارانش تحقیقات وسیعی روی رفتار پانل دیوار برشی ورق فولادی انجام دادند. و دریافتند که رفتار دیوارهای برشی سخت شدند تحت بارهای سیکلی بهتر از پانل های سخت نشدند. و بسیاری از تحقیقات عددی خود را برای دیوارهای برشی ورق فولادی ارائه دادند. طی بیست سال اخیر، تعداد قابل ملاحظه ای از تحقیقات در آمریکای شمالی و ژاپن. بر روی رفتار دیوارهای برشی مرکب حین بارهای رفت و برگشتی و مدل های تحلیلی در این دیوارها متمرکز گردید. با وجود اینکه دیتاهای تحقیقاتی با ارزشی از این نوع سیستم در دسترس است. و ضمن اینکه تعداد زیادی از ساختمان های مهم نیز بر مبنای این سیستم سازه ای بنا شد.

اطلاعات مربوط به طراحی لرزه ای این سیستم در آیین نامه های لرزه ای موجود بسیار محدود می باشد. صبوری و روبرتز، نتایج 16 آزمایش پانل برشی فولادی با بارگذاری قطری را گزارش دادند. نمونه ها در این آزمایشات شامل ضخامت ورق فولادی 1/32 اینچ یا 3/64 اینچ می باشند. بعضی از پانل ها نیز دارای سوراخ بودند. آزمایشات نشان داد که همه پانل ها شکل پذیری کافی را دارا بوده و چهار تکیه گاه بارهای غیر خطی بزرگ را تحمل می کنند. حلقه های هیسترزیس در تحقیق روبرتز نشان می دهد. که بدون کمترین کاهش در مقاومت شکل پذیری نمونه ها به بیش از 7 می رسد.

یکی از جنبه های جالب این برنامه آزمایشی تحقیق اثر سوراخ در مقاومت و سختی دیوار بود. محققان به این نتیجه رسیدند که مقاومت و سختی با افزایش ابعاد سوراخ (1-D/d) به طور خطی کاهش می یابد. تکنولوژی طراحی و ساخت دیوار برشی فولادی طی سالهای اخیر پیشرفت چشم گیری داشته است. و ضوابط طراحی و اجرای آن در آیین نامه های مختلف. مانند آیین نامه فولاد، آیین نامه لرزه ای AISC و ضوابط FEMA 450 وارد شده است.

صحت سنجی دیوار برشی های فولادی تحلیل شده

کمانش دو تأثیر عمده در سیستم دیوار فولادی دارد. اول اینکه باعث کاهش مقاومت و سختی سیستم می گردد. و دوم اینکه با ایجاد تغییر شکل زیاد باعث بروز مشکلات معماری می گردد. به منظور افزایش مقاومت دیوار از طریق جلوگیری از کمانش صفحه فولادی از سخت کننده ها استفاده می شود. استفاده از سخت کننده ها با وجود اینکه باعث افزایش مقاومت می گردد. اما دارای هزینه اجرایی قابل توجه و نیازمند صرف زمان زیادی می باشد. از طرفی صفحه فولادی پس از کمانش نیز می تواند نیروی قابل توجهی را تحمل کند. رفتار بعد از کمانش ورق که با ایجاد عمل ناحیه کششی در ورق صورت می گیرد.

محققان را واداشت که با استفاده از دیوار برشی فولادی تقویتی با سخت کننده ها. تقریباً از تمام ظرفیت برشی دیوار تا رسیدن به گسیختگی استفاده کنند. برای جلوگیری از کمانش ورق فولادی، در سال های اخیر نوع خاصی از دیوار برشی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفت. که مرکب از دیوار برشی با صفحه فولادی همراه با سخت کننده می باشد. همچنین استفاده از ستون های پر شده توسط بتن جهت افزایش سختی و مقاومت ستون صورت گرفته است. در این تحقیق برای صحت سنجی از مدل اصلی سیستم دیوار برشی فولادی صبوری و همکاران بکارگیری شد. و در محیط نرم افزاری اجزای محدود ABAQUS مدل سازی صورت پذیرفت.

ستون های قوطی شکل

شکل 1 نمونه اصلی آزمایشگاهی دیوار برشی همراه با سخت کننده های افقی و قائم. در یک طرف دیوار را پس از کمانش در ورق تحت بار یکنواخت نشان می دهد. شکل 2 نمونه ای مش بندی مدل عددی مشابه مدل آزمایشگاهی و تغییر مکان مدل را نشان می دهد. بارگذاری چرخه ای از نوع رفت و برگشتی طبق پروتکل ATC24 مطابق شکل 3 به مدل های اعمال گردید. برای مدل سازی اجزاء تیر، ستون ها، پانل های برشی و سخت کننده های عمودی و افقی نمونه ها. از المان چهار گره ای پسته ای با انتگرال گیری کاهش یافته (S4R) استفاده. و برای مش بندی نمونه ها از مش منظم مکعبی به ابعاد 50 میلی متر استفاده گردید.

اتصال تیر به ستون، پانل به قاب و سخت کننده ها به پانل و قاب اطراف به صورت گیردار در نظرگیری شد. جنس مصالح پانل از فولاد St14 با تنش تسلیم 192 مگاپاسگال و جنس تیر و ستون های قاب اطراف از فولاد st52. و سخت کننده های افقی قائم پانل نیز از فولاد St37 انتخاب گردیده اند.

مدول الاستیسیته فولاد مصرفی 210 گیگاپاسگال و ضریب پواسون 0.3 مور نظر قرار گرفت. برای σy تنش تسلیم،  ε_y کرنش تسلیم و  ε_u کرنش نهایی مصالح تعریفی دارای قابلیت سخت شوندگی سینماتیک می باشد. از معیار فون مایزز برای گسیختگی به کار گیری گردید. تشکیل میدان کشش قطری در شکل 5 نمایان و مشخص است.

همچنان که از شکل 6 پیداست حداکثر نیروی برشی برای نمونه آزمایشگاهی و مدل عددی به ترتیب 800 کیلونیوتن و 826 کیلونیوتن می باشد. که اختلاف حداکثر نیروی برشی در این مدل ها 2% میباشد. و نتایج حاکی از انطباق قابل قبول میزان سختی و مقاومت می باشد.

مدل های مورد مطالعه

پس از صحت سنجی مدل های تحلیلی ساخته شده و نتایج آزمایشگاهی و داشتن دقت نسبی. در این تحقیق، چهار مدل اصلی سیستم دیوار ABAQUS مدل سازی گردید. نمونه UCUS به عنوان مدل بدون بتن و بدون سخت کننده و نمونه UCS بعنوان مدل بدون بتن و با سخت کننده. و نمونه CUS بعنوان مدل با بتن و بدون سخت کننده و نهایتاً نمونه CS بعنوان مدل با بتن و با سخت کننده می باشند. طبق طراحی مورد انجام، ستون های مرزی با مقطع قوطی BOX 300*300 میلی متر و ورق فولادی. و سخت کننده ها به ضخامت 8 میلی متر و بال های تیرهای بالا و پایین دیوار برشی. به ابعاد 150*8 و جان 8*300 میلی متر می باشد.

ورق فولادی مورد بکارگیری در نمونه ها با تنش تسلیم 280 مگا پاسکال و تیرها و ستون ها از فولاد A572. با تنش تسلیم 345 مگا پاسگال می باشد. بارگذاری چرخه ای از نوع رفت و برگشتی طبق پروتکل ATC24 به مدل ها اعمال شده است. برای مدل سازی فولاد از المان S4R و برای مدل سازی بتن از المان C3D&R بکارگیری گردید. نمونه های عددی به همراه شرایط مرزی در شکل 7 نمایان و مشخص است.

ستون های قوطی شکل

تجزیه و تحلیل نتایج

در این تحقیق جهت تعیین تغییر مکان نظیر جاری شدن در نرم افزار ABAQUS. با اعمال بارگذاری یک طرفه از نوع تیر وبه بالاترین نقطه سازه. تحلیل استاتیکی غیرخطی مدل های یک طبقه و یک دهانه دیوار برشی فولادی ورق نازک تقویت نشده. و تقویت شده با سخت کننده های افقی و قائم در دو حالت ستون های مرزی قوطی خالی و پر شده. از بتن تغییر مکان مذکر تعیین می شود. همچنین تحلیل چرخ های با اعمال بارهای چرخه ای. از نوع کنترل تغییر مکان طبق الگوی بارگذاری چرخه ای در محیط نرم افزار ABAQUS برای انواع مدل های انجام می شود. خروجی تحلیل های چرخه ای، منحنی های هیسترزیس می باشد. که منحنی های مذکور برای ارزیابی رفتار انواع مدل ها از لحاظ مشخصه ای رفتاری عمده شامل سختی، مقاومت. شکل پذیری و جذب انرژی و وضعیت جمع شدگی منحنی هیسترزیس و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.

تحلیل نتایج بار افزون (Push Over)

دیاگرام تنش نمونه ها تحت بارگذاری یک طرفه بار افزون در شکل 8 نشان داده شده است. با توجه به نحوه توزیع در شکل 8-الف تمرکز تنش در اطراف اتصال تیر به ستون مشاهده می شود. در حالی که در نمونه با ستن پر شده با بتن این تمرکز تنش مشهود نیست. اما در نمونه های دارای سخت کننده حداکثر تنش در قسمت های میانی سخت کننده ها. و به صورت تقریباً یکنواخت در سرتاسر دیوار توزیع می گردد.

منحنی های بار-تغییر مکان بار افزون نمونه ها تحت بارهای یکنواخت در شکل 9 نمایان و مشخص است. شکل 9-الف برش پایه-تغییر مکان مدل بدون تقویت (بدون سخت کننده و ستون های مرزی قوطی خالی). را در مقایسه با نمودار برش پایه-تغییر مکان مدل تقویت شدهف سختی یکسان و همچنین مقاومت تقریباً یکسانی را نشان می دهد. که عدم دقت در چنین دیاگرامی را نسبت به دیاگرام چرخه ای را نشان می دهد. که در نمونه تحت بار چرخه ای این اشکال رفع شده است.

در مقایسه دیاگرام نمونه CUS با CS در شکل 9-ب سختی تقریباً یکسان حاصل شد. که با دیاگرام شکل 9-الف تقریباً همخوانی داشته است. استفاده از بتن در دیوار با سخت کننده مفیدتر از دیوار بدون سخت کننده بوده است. که تأیید این مسأله افت مقاومت در نمونه CUS ناشی از کمانش ورق فولادی در اندر کنش با ستون های بتنی می باشد. با مقایسه دیاگرام CUS و UCUS تحت بار یکنواخت در شکل 9-ج نتیجه می شود. که بتن در ستون باعث می شود که مقاومت در سختی نمونه افزایش یابد.

ستون های قوطی شکل

با مقایسه دیاگرام UCS با Cs تحت بار یکنواخت در شکل 9-نشان داد که هر دو نمونه دارای سخت کننده می باشند. در حالی که نمونه با بتن همانند دیاگرام قبلی افزایش سختی و افزایش مقاومت را نسبت به نمونه بدون بتن را نمایش می دهد. ضمناً مقایسه منحنی بار-تغییر مکان همه نمونه ها در شکل 9-5 نمایان و مشخص است.

بررسی و ارزیابی پویایی سازه های ساختمانی در برابر لرزه های شدید. با وجود اینکه طراحی آنها بر اساس مقاومتی به مراتب پایین تر از مقاومت مورد نیاز الاستیک انجام می گیرد. نشان می دهد که این گونه سازه ها به دلیل رفتار غیر خطی مصالح مصرفی و امکان تغییر شکل کافی سیستم سازه ای قادرند. که در برابر زلزله های شدید، مقاومت کافی از خود نشان دهند. در حقیقت چنین سازه هایی با تحمل تغییر مکان های زیاد در رفتار لرزه ای غیر خطی. انرژی ورودی زلزله را جذب و مستهلک می نمایند.

با توجه به چنین ویژگی، در این بخش به بیان رفتار لرزه ای واقعی سازه ها در برابر زلزله می پردازد. و پارامترهایی مانند پارامترهای نیاز و ظرفیت که در تحلیل غیر الاستیک سازه ها نقش دارند مورد مطالعه و بررسی قرار خواهند گرفت. تا چند سال قبل، مفهومی از نام های کلی « ضریب رفتار ». ضریب اصلاح پاسخ سازه، ضریب کاهش نیرو و یا ضریب کاهش مقاومت سازه در تاریخچه طراحی سازه وجود نداشت. و برای طراح لرزه ای ساختمان ها. این گونه عمل می شد که درصدی از وزن ساختمان به صورت بار افقی معادل بار زلزله به ساختمان اثر داده می شد. و ساختمان برای آن طراحی می گردید.

بعبارت دیگر نیرو ی معادل افقی به صورت V=C₁W محاسبه می گردید. که در آن W وزن ساختمان و C₁ یک ضریب به صورت درصدی از وزن ساختمان (در حدوود 0.1w) است. در طی دهه های اخیر، برای تعدیل پاسخ خطی و الاستیک سازه به این نیرو، مفاهیمی خاص ارائه شده است. تا اواخر دهه هفتاد میلادی، از ضریب K برای این تعدیل استفاده می شد. این ضریب مستقیماً در ضریب C₁ ضرب شده و تعدیل مورد نظر صورت می گرفت.

(V-ZIKC₀SW=KC₁W) دستیابی به این ضرایب برای سیستم های گوناگون سازه ای. به صورت استنباطی بوده، عمدتاً بر اساس قضاوت مهندسی تهیه کنندگان آئین نامه ها بعضاً هم تطابق کامل با واقعیت نداشت. مفهوم اخیر مورد استفاده بود. تا اینکه K جای خود را به ضریب رفتار (R) داد. رفتار کلی یک سازه متعارف به صورت منحنی برش پایه و جابجایی افقی یک درجه آزادی مشخص درشکل 10 نمایان و مشخص است. در این شکل منحنی های بازتاب غیر خطی (شامل بازتاب واقعی و بازتاب دو خطی که ایده آل می شوند) قابل تفکیک و تشخیص هستند. محورهای قائم در این شکل به ترتیب بیانگر مقاومت پایه سازه و تغییر مکان جانبی نسبی طبقه هستند.

تخمین بار مؤثر ناشی از زلزله به ساختمان در روش های تخریب لرزه ای سازه ها در اغلب آئین نامه ها مانند UBC. و استاندارد 2800 ایران بر پایه تحلیل های الاستیک خطی قرار دارد. نیروها به علت آنکه سازه ها دارای رفتار غیرخطی هستند. با استفاده از ضریب کاهش مقاومت طراحی سازه ها یا ضریب رفتار، کاهش می یابد و بدین وسیله تصحیح می شوند. این ضرایب از رابطه زیر قابل محاسبه است.

در رابطه V_e برابر مقاومت الاستیک مورد نیاز زلزله V_design مقاومت طراحی سازه است. با توجه به اینکه روش های طراحی در دو سطح بار نهایی در آئین نامه بتن ایران آئین نامه ACI. و ضرایب با مقاومت در فولاد LRFD و AISC و یا بار مجاز آیین نامه 2800 ایران است. بنابراین V_design می تواند به ترتیب یکی از دو مقدار V_s. (مقاومت متناظر با تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه) یا Vw (مقاومت متناظر با حد ارتجاعی سازه) را به خود اختصاص دهد. و رابطه (2) را می توان به صورت های زیر نیز نوشت:

که در رابطه فوق، R_u همان ضریب رفتار بر مبنای تنش های تسلیم و R_u. همان ضریب رفتار بر مبنای تنش های حد مجاز است. یادآوری می شود علت آنکه طراحی در دو سطح V_s یا V_w انجام می پذیرد. به خاطر آن است که رفتار سازه را در این سطح می توان با یک مدل الاستیک خطی ارزیابی نمود. بین این دو سطح طراحی رابطه 3 برقرار است.

در رابطه فوق y ضریبی است که بر اساس نحوه برخورد آئین نامه های مصالح. با تنش های طراحی (تنش تسلیم یا تنش مجاز) تعیین می شود. و مقدار این ضریب در حدود 1/7 – 1/4 ارزیابی گردید. در آئین نامه UBC97 مقدار این ضرایب 1/4 ارائه شده است. مقدار R برای هر سیستم سازه ای به پارامترهای ظرفیت جذب انرژی، اضافه مقاومت مورد انتظار. درجه نامعینی درجات آزادی، شکل منحنی نیرو-جابجایی، زمان تناوب اصلی سازه، میرایی لزجی و اصطکاکی سازه، نوع زمین و خصوصیات زلزله گذشته بستگی دارد. بنابراین R از رابطه 4 قابل محاسبه است.

در رابطه R_µ ضریب کاهش ناشی از شکل پذیری و R_s ضریب کاهش ناشی از مقاومت می باشد. و به صورت زیر تعریف می شوند:

بطوریکه Vy مقاومت متناظر با حد کلی سازه قبل از فرو ریختگی کلی سازه (از بین رفتن پایداری سازه) است. همچنین R_s از رابطه 6 قابل محاسبه است.

در رابطه فوق C_s مقاومت متناظر با تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه است. به طور خلاصه می توان نوشت:

شکل پذیری µ برابر است با نسبت تغییر مکان نظیر گسیختگی در عضو به تغییر مکان نظیر تسلیم. در واقع ضریب شکل پذیری، بیانگر آن است که سازه تا چه اندازه وارد ناحیه غیر خطی می شود. سختی K عبارت است از نسبت نیرو به جابجایی در منحنی معادل ایده آل شده دو خطی نیرو-جابجایی و سطح. زیر نمودار نیرو-جابجایی هم برابر انرژی تلف شده E. در سیستم و جذب انرژی تجمعی چرخه های مدل E همچنین ظرفیت C_s برابر حداکثر مقاومت سیستم می باشد.

ستون های قوطی شکل

بر اساس منحنی های بار-تغییر مکان و محاسبات انجامی، نتایج مقدار ظرفیت. سختی و شکل پذیر نمونه ها در جدول 1 نمایان و مشخص است. و میزان افزایش این مقدار نسبت به نمونه تقویت نشده UCUS نیز در جدول مربوطه داده شده است. ضمناً ضریب رفتار شکل پذیری، ضریب رفتار اضافه مقاومت، ضریب نهایی کلی همه نمونه های عددی در جدول شماره 1 نمایان و مشخص است.

تحلیل نتایج بارگذاری چرخه ای (cyclie)

منحنی های هیسترزیس بار-تغییر مکان نمونه ها تحت بارهای چرخه ای رفت و برگشتی در شکل 11 نمایان و مشخص است. با مقایسه منحنی های هیسترزیس بار-تغییر مکان نمونه های UCUS و نمونه UCS. تحت بار چرخه ای در شکل 11-الف، نکته قابل توجه افزایش مقدار شکل پذیری در نمونه دیوار برشی با سخت کننده می باشد. همان گوه که در نمودار یکنواخت این دو نمونه بیان شد. اثر سخت کننده در افزایش سختی و مقاومت ناچیز می باشد.

حال آنکه در افزایش شکل پذیری سخت کننده نقش جدی ایفا می کنند. افزایش مقاومت در مقایسه منحنی های هیسترزیس بار-تغییر مکان نموه های CUS. با نمونه UCUS تحت بار چرخه ای در شکل 11-ب این دیاگرام مشهود است. همچنین اثر بتن با ایجاد پدیده پینچینگ (تنگ شدگی) مشهود می باشد. در مقایسه منحنی های هیسترزیس بار-تغییر مکان نمونه های UCS نمونه CS. تحت بار چرخه ای در شکل 11-ج، دیاگرام نمونه CS. افزایش شکل پذیری و مقاومت خوبی را نسبت به نمونه بدون بتن نمایان و مشخص است. و در سیکل های بالا افت سختی (شیب منحنی) ناشی از کشش بتن و کمانش موضعی در محل ایجاد گسیختگی بتن مشاهده می شود.

ستون های قوطی شکل

سخت کننده، شکل پذیری و مساحت زیر نمونه منحنی هیسترزیس را افزایش داده ولی افزایش مقاومت و سختی چندانی در نمونه ایجاد ننموده است.

در مقایسه دو دیاگرام هیسترزیس بار-تغییر مکان نمونه های CUS با نمونه CS تحت بار چرخه ای در شکل 11- د. اثر وجود سخت کننده و عدم وجود سخت کننده با وجود بتن نمایان می باشد. همانگونه که در دیاگرام این دو نمونه مشهود بوده عدم وجود سخت کننده باعث ایجاد پینچینگ زیاد در نمونه ها. و در نتیجه کاهش شکل پذیری ناشی از کمانش موضعی ورق دیوار می باشد.

ستون های قوطی شکل

ضمناً مقایسه منحنی های هیسترزیس بار-تغییر مکان چهار نمونه CS,UCS,CUS,UCUS با هم تحت بار چرخه ای در شکل 11-ه نمایان و مشخص است. نتایج حاصل از تحلیل ها نشان می دهد که منحنی های هیسترزیس دیوار برشی فولادی تقویتی با سخت کننده. و دارای ستون های قوطی شکل که پراست از بتن تحت اثر بارهای رفت و برگشتی. کاملاً پایدار و جذب انرژی آنها بسیار بالا می باشد. و افزایش سختی، شکل پذیری زیادی را نسبت به مدل های دیوار برشی فولادی تقویت نشده نشان می دهد.

همچنین نتایج نشان داد که دیوار برشی با سخت کننده افقی و ستون های پرشده از بتن دارای پایداری کافی بوده. به طوری که علاوه بر تحمل بارهای قائم محوری که ناشی از بارهای ثقلی می باشند. بارهای نهائی وارده از ورق فولادی را نیز به نحو مؤثری تحمل می نماید. به طوری که با کمانش دیرهنگام ورق فولادی وارد ناحیه پلاستیک شده و جذب انرژی را نشان می دهد. در هر سیکل بسته می توان سختی (نسبت نیروی ماکزیمم به جابجایی متناظر) و جذب انرژی (سطح زیر منحنی سیکل بسته). و همچنین دیرفت متناظر (نسبت جابجایی به ارتفاع قاب، از محل اعمال بار تا فونداسیون) بدست می آید. سپس منحنی های تغییرات سختی نسبت به دریفت (شکل 12). و منحنی تغییرات جذب انرژی تجمعی (جمع جذب انرژی کلیه سیکل ها تا دریفت مورد نظر) نسبت به دریفت(شکل 13) ترسیم می گردد.

ضمناً همه نمودارهای تغییرات درصد کاهش سختی (نسبت به سختی اولیه). و همچنین جذب انرژی تجمعی نسبت به دریفت که در چهار نمونه در شکل 14 با هم مقایسه شده اند. بنابراین نتایج نشان می دهد که درصد افزایش سختی نمونه های UCS (بدون بتن و بدون سخت کننده). برابر صفر، 44 و 110 درصد می باشد. با بررسی دیاگرام های افت سختی – دریفت برای دو نمونه فاقد سخت کننده نسبت به نمونه های دارای سخت کننده. کاهش ناگهانی سختی در ابتدای بارگذاری در نمونه ها به وضوح قابل ملاحظه می باشد.

ستون های قوطی شکل

که نشان دهنده کمانش ناگهانی ورق دیوار می باشد. همچنین مقداری سخت شوندگی نیز در ادامه بارگذاری در این دو نمونه ایجاد شده است. که می تواند ناشی از عملکرد بخش کششی ورق در انتقال نیروی برشی بین ستون های اطراف دیوار باشد. پس از آنکه بخش فشاری ورق دیوار دچار کمانش می گردد. بخش کششی ورق همانند یک مهاربند کششی سختی جانبی دیوار را تأمین می نماید. حال آنکه رفتار نمونه های دارای سخت کننده از نظر افت سختی به مراتب بهتر و دیاگرام آنها دارای شیبی ملایم تر است.

نتیجه گیری

با مطالعه تحلیلی و صحت سنجی نتایج مدل عددی با نمونه های آزمایشگاهی. نمونه های جدید سیستم دیوار برشی فولادی تقویتی با سخت کننده های افقی و قائم. و نمونه های سیستم دیوار برشی فولادی تقویت نشده در دو حالت ستون های مرزی پر شده. با بتن و ستون های مرزی تو خای انتخاب گردیدند که نتایج زیر حال گردید.

بیشترین افزایش سختی، مقاومت و شکل پذیری به ترتیب برابر 525,30,109 درصد مربوط به سیستم دیوار برشی فولادی تقویتی با سخت کننده های افقی. و ستون های مرزی پر شده با بتن (CS) می باشد.

بیشترین مقاومت در نمونه با بتن و با سخت کننده برابر 2600 کیلو نیوتن و بیشترین شکل پذیری برابر 25 میلی متر می باشد.

در مجموع با احتساب مصالح مصرفی نمونه با بتن و با سخت کننده بهترین عملکرد را در مقابل بارهای جانبی وارده دارد. و تنش و کرنش پلاستیک در ستون و ورق دیوار برشی با سخت کننده و با ستون با حضور بتن کمتر می باشد.

در مدل با سخت کننده و ستون با حضور بتن با افزایش جابجایی سختی و نیرو که توسط قاب جذب می شود بیشتر می شود.

مدل با سخت کننده و با ستون های قوطی شکل پر است با بتن دارای پایداری کافی می باشد. به طوری که علاوه بر تحمل بارهای قائم محوری که ناشی از بارهای ثقلی می باشند. بارهای نهائی وارده از ورق فولادی را نیز به نحو مؤثری تحمل می نماید. به طوری که ورق فولادی برای جذب انرژی به حالت پلاستیک می رود دارای استحکام کافی بوده و دچار کمانش نمی گردد.

ستون های قوطی شکل

میزان جذب انرژی نمونه های Cs,CUS,UCS نسبت به نمونه UCUS در بارگذاری بار افزون به ترتیب 11,7.2,2.3 درصد افزایش داشته است.

میزان افزایش ضریب رفتار کلی R نمونه های CS,CUS,UCS. نسبت به نمونه تقویت نشده UCUS در بارگذاری بار افزون به ترتیب 21,1.8,1.2 درصد افزایش داشته است.

منحنی های هیسترزیس دیوار برشی فولادی تقویتی با سخت کننده. و دارای ستون های قوطی شکل که پر است از بتن تحت اثر بارهای رفت و برگشتی. کاملاً پایدار و جذب انرژی آنها بسیار بالا می باشد. و افزایش سختی، شکل پذیری زیادی را نسبت به مدل های دیوار برشی فولادی تقویت نشده نشان می دهد.

میزان جذب انرژی تجمعی نمونه های CS,CUS,UCS نسبت به نمونه UCUS در بارگذاری چرخه ای به ترتیب 415,66,295 درصد افزایش داشته است.

میزان افزایش سختی نمونه های CS,CUS,UCS نسبت به نمونه UCUS به ترتیب 110,44,0 درصد می باشد. که نشان از تأثیر مثبت بکارگیری بتن در ستون ها به همراه سخت کننده دارد.

محمد کاظم شربتدار – علی مونسی

1- دانشیار دانشکده مهندسی عمران دانشگاه سمنان

2- دانشجوی دکتری مهندسی سازه، دانشکده مهنسی عمران دانشگاه سمنان

برای پیدا کردن مکان فعالیت استیل دی بر روی کلمه (نقشه) کلید نمایید

استیل دی –Steel day

02166396590– 09922704358

آدرس دفتر مرکزی: تهران – جاده قدیم کرج – بعد از کارخانه شیرپاستوریزه – فتح سیزدهم – مجتمع پایتخت- واحد C9

ارتباط با ما در شبکه های اجتماعی (با کلیک بر روی لینک های زیر به ما بپیوندید)

https://t.me/steel_day تلگرام

https://www.instagram.com/steel_day.ir اینستاگرام

https://twitter.com/MDlakan توی