مطالعه تحلیلی وآزمایشگاهی دیوارهای برشی فولادی تقویت شده قطری
چکیده
برمبنای تحقیقات انجام شده در دهه های اخیر، دیوار برشی فولادی به عنوان یک سیستم مناسب باربر جانبی و اقتصادی در طراحی لرزه ای سازه ها و مقاوم سازی ساختمانهای موجود شناخته شده است که به صورت تقویت شده یا نشده و یا سوراخ دار بکار می رود. از طرفی، پیچیدگی رفتار غیر خطی این سیستم بدلایلی از قبیل لاغری نسبتا" زیاد ورق نازک فولادی و اثرات مودهای کمانشی ورق ، عملکرد میدان کششی ورق پس از کمانش، مراحل تسلیم دیوار ، تنوع مودهای گسیختگی ترد و شکل پذیر، حلقه های هیسترزیس دیوار، نقش المانهای مرزی و اتصالات آنها ، اثرات سخت کننده ها و بازشوها ؛ همچنین وجود برخی مشکلات اجرائ? و نبود ضوابط کافی و جامع برای طراحی این سیستم در آیین نامه های ساختمانی نیاز به تحقیق بر روی آن را کماکان ضروری ساخته است. مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی معدودی که تاکنون بر روی دیوارهای برشی فولادی تقویت شده صورت گرفته نشان می دهند که تقویت یک دیوار برشی فولادی بوسیله سخت کننده های متداول افقی و قائم مناسب، بهبود رفتار غیر خطی آن را سبب می گردد .در حالیکه ، استفاده از این سخت کننده ها که عمدتا" برای جلوگیری از کمانش برشی الاستیک ورق پر کننده بکارمی روند هزینه بر و وقت گیر می باشد. از اینرو، در این تحقیق مطالعه تحلیلی و آزمایشگاهی دیوارهای برشی فولادی و تقویت آنها با سخت کننده های قطری مد نظر قرار گرفته تا علاوه بر صرفه جوئی در مراحل اجرا ، بتوان از مزایای سیستم تقویت شده به صورت بهینه ای بهره برد. بدین منظور انجام مطالعات تحلیلی، آزمایشگاهی و نظری بر روی این سیستم جدید برنامه ریزی گردید. از روش اجزاء محدود و آنالیز غیرخطی با لحاظ اثرات تغییر شکلهای هندسی غیرخطی، کمانشی و پس کمانشی ورقهای نازک فولادی جهت مدل سازی و بررسی رفتار غیر خطی دیوارهای برشی فولادی در انجام تحلیلهای عددی بهره گرفته شده است. میزان دقت نتایج تحلیلی با نتایج آزمایشگاهی معتبر موجود در ادبیات علمی سنجیده شده و از آن ، اطمینان حاصل شده است. مطالعات آزمایشگاهی بر روی 6 نمونه دیوار برشی فولادی با مقیاس1:2 شامل 2 دیوار تقویت نشده و 4 دیوار تقویت شده قطری به انجام رسیده که در یکی از نمونه ها از قاب پیرامونی با اتصالات مفصل فیزیکی متداول استفاده شده و در نمونه ای دیگر از ترکیب یک بازشوی استراتژیک با سخت کننده های قطری بر اساس نتایج حاصل شده طی تحقیق، استفاده گردیده و رفتار های غیرخطی هیسترتیک آنها مورد بررسی قرار گرفته اند. از مطالعات نظری و بر مبنای نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی، روابط تئوریک حاکم بر دیوار تقویت شده قطری به منظور برآورد ظرفیت مقاومت برشی و طراحی سخت کننده های قطری توسعه داده شده و نتیجه گردیده اند. همچنین، به نقش صلبیت اتصالات تیر به ستون و سختی و مقاومت المانهای مرزی در رفتار غیرخطی و مقاومت برشی دیوارهای فولادی پرداخته شده و روابطی نیز جهت تأمین مقاومت برشی اعضای مرزی و تخمین مقاومت برشی کل دیوارهای برشی فولادی با اعضای مرزی ضعیف تا قوی پیشنهاد شده اند. بعلاوه ، نتایج نشان می دهند که استفاده از قابهای خمشی محیطی با اتصالات صلب تیر به ستون نسبت به قابهای ساده ساختمانی در سیستم دیوارهای برشی فولادی، موجب بهبود رفتار غیر خطی دیوار، جذب انرژی بیشتر، و افزایش مقاومت برشی سیستم می گردند. انرژیهای جذب شده، ضرایب شکل پذیری، ضرایب رفتار و تشدید جابه جایی نسبی سازه ها نیز برای نمونه های مختلف محاسبه و با یکدیگر مقایسه شده اند. نتایج دلالت دارند بر اینکه سخت کننده های قطری باعث افزایش قابل ملاحظه مقاومت برشی حد کمانش الاستیک ورق فولادی ( بزرگتر یا مساوی 3 برابر) و ظرفیت برشی نهایی سیستم ، بسته به ابعاد سخت کننده ها، نسبت به حالت تقویت نشده گردیده و رفتار هیسترتیک دیوار را بهبود بخشیده اند. همچنین، سیستم تقویت شده قطری با سوراخ استراتژیک رفتار هیسترتیک مناسبی تحت بارگذاری چرخه ای داشته و بیشترین دوام و جذب انرژی را نسبت به نمونه های تقویت نشده و تقویت شده معادل خود داشته است. در بین نمونه های تقویت شده قطری، نمونه های تقویت شده قطری به همراه گوشه بهترین رفتار غیر خطی را ازخود نشان داده اند و بیشترین جذب انرژی را در زمانهای متناظر داشته اند. تقویت کننده های قطری به ویژه در ترکیب با سخت کننده های گوشه موجب دوکی شکل شدن منحنی های هیسترزیس و کاهش پدیده باریک شوندگی در آنها نسبت به دیوارهای سخت نشده شده اند. مقایسه رفتار ستونهای با اتصالات گیردار و مفصل ساده و مشاهده وقوع برخی مودهای خرابی در لحظات نهایی در پای ستونهای با اتصال ساده نشان می دهد که در قابهای ساده ساختمانی نیاز است تا پای ستونها با شرایط اتصال گیردار در سیستمهای مقاوم لرزه ای همانند دیوارهای برشی یا حتی بادبندیها طراحی و اجرا گردند؛ و اتصال ساده جان ستون به کف ستون به تنهایی ممکن است مقاومت کافی در مقابله با نیروهای وارده را نداشته باشد. بررسی ضرایب رفتار حاصله نشان می دهد که ضریب رفتار دیوارهای تقویت شده قطری از دیوار های برشی تقویت نشده بیشتر است، و ضریب رفتار حالت حدی دیوارهای برشی فولادی تقویت شده قطری در قابهای ویژه ساختمانی حدود 9 می باشد. همچنین ، برای دیوارهای برشی فولادی تقویت شده قطری در قاب ساده ساختمانی عدد 8 ، و برای دیوارهای برشی فولادی تقویت نشده در قاب ویژه ساختمانی نیز عدد 8 نتیجه شده است. مقایسه ضرایب شکل پذیری دیوارهای برشی فولادی تقویت شده قطری و تقویت نشده نشان میدهد که این سیستم دارای ضرایب شکل پذیری بزرگتری می باشد. برمبنای نتایج ، مدلهای رفتار لرزه ای بار- جابه جایی جانبی دیوارهای برشی فولادی تقویت نشده و تقویت شده قطری به همراه روابط نظری مربوطه جهت محاسبه سختی جانبی اجزاء دیوار و سیستم پیشنهاد شده اند؛ و بر آن اساس، پارامترهای مدل سازی رفتار غیرخطی اجزاء فولادی به روش دستورالعمل بهسازی لرزه ای، fema 356 ، برای دیوارهای برشی فولادی تقویت نشده و تقویت شده قطری توسعه داده شده اند.