چکیده

دیوار برشی فولادی در چند دهه اخیر به عنوان سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد در ساختمان‌ها مورد توجه قرار گرفته است تا کنون آزمایش‌های چرخه‌ای زیادی روی نمونه‌های مختلف انجام شده است مطالعات نظری و آزمایشگاهی در این مورد حاکی از این است که این سیستم به دلیل رفتار شکل‌پذیر و ظرفیت بالای جذب انرژی، به‌خصوص در ساختمان‌های بلند عملکرد سازه‌ای بسیار مناسبی دارد در این تحقیق ما به دنبال ارائه راهکاری جهت افزایش شکل‌پذیری پانل برشی هستیم برای هدایت ناحیه پلاستیک به داخل دیوار برشی فولادی، بازشوهای مستطیلی در میانه‌ی جان المان‌های مرزی افقی اعمال شده‌است همچنین بازشوهایی در چهار گوشه ورق دیوار برشی، برای باقی ماندن اتصال تیر به ستون در ناحیه الاستیک تا مرحله خرابی در نظر گرفته شد عملکرد دیوار برشی پیشنهادی با نرم‌افزار اجزاء محدود ANSYS بررسی شده است نتایج آنالیز نشان می‌دهد که وجود بازشو در تیر و ورق فولادی باعث هدایت ناحیه پلاستیک به داخل دیوار شده، تا مرحله خرابی ستون‌ها و ناحیه اتصال در حالت الاستیک باقی می‌مانند این امر منجر به یک طرح شکل‌پذیر شده و از شکست ترد جلوگیری می‌کند ابعاد بازشو در تیر فولادی به عنوان پارامتر مورد بررسی قرار گرفت نتایج حاکی از این است که برای افزایش شکل پذیری، طول بازشو باید بین 25/0 الی 35/0 طول تیر و ارتفاع آن بیشتر از 65/0 ارتفاع تیر باشد طبق نتایج، در مرحله خرابی دریفت 6-4 درصد حاصل شد همچنین این الگوی بازشو برای دیوارهایی با نسبت طول به ارتفاع 1، 5/1، 2 و 5/2 مورد بررسی قرار گرفت در پانل‌هایی با نسبت طول به ارتفاع برابر و بیشتر از 5/1 تا لحظه خرابی توزیع مناسب نواحی پلاستیک در داخل ورق فولادی انجام شد که نتیجه یک طرح با شکل‌پذیری بالا بود لیکن در پانل‌هایی با طول و ارتفاع برابر، خرابی به خوبی داخل ورق هدایت نشد و باربری در دریفت حدود 5/2 درصد با خرابی ناحیه اتصال پایان یافت در نهایت پارامتر شکل‌پذیری و و جذب انرژی برای دو نمونه دیوار برشی، یکی بدون بازشو و دیگری دارای بازشو با الگوی پیشنهادی مقایسه شد مشاهده شد که طرح پیشنهادی باعث افزایش 2/3 برابری شکل‌پذیری و افزایش 28/4 برابری جذب انرژی در نمونه دیوار برشی شد


فصل 1: کلیات و تعاریف
1-1 مقدمه1
1-2 ساختار کلی2
1-3 انواع سیستم‌های باربر جانبی3
1-3-1 سیستم دیوار برشی بتنی3
1-3-2 سیستم قاب خمشی فولادی و بتنی3
1-3-3 سیستم مهاربندی فولادی4
1-3-4 سیستم دیوار برشی فولادی5
1-3-4-1 دیوار برشی فولادی تقویت نشده5
1-3-4-2 دیوار برشی تقویت شده6
1-3-4-3 دیوار برشی نیمه‌سخت‌شده8
1-3-4-4 دیوار برشی کامپوزیت8
1-4 مزایا و معایب استفاده از دیوار برشی فولادی10
1-4-1 مزایای دیوار برشی فولادی10
1-4-2 معایب دیوار برشی فولادی 11
1-5 تاریخچه استفاده از دیوار برشی فولادی به‌عنوان سیستم باربر جانبی در سازه‌ها12
1-5-1 ساختمان فولادی 20 طبقه نیپون در توکیو13
1-5-2 ساختمان 53 طبقه در توکیو14
1-5-3 هتل 30 طبقه دالاس در تگزاس15
1-5-4 ساختمان اداری 35 طبقه در کوبه ژاپن16
1-5-5 ساختمان مسکونی 52 طبقه در سان‌فرانسیسکو18
1-5-6 بیمارستان 6 طبقه سیلمار در لوس‌آنجلس، آمریکا19
1-5-7 کاخ دادگستری 23 طبقه ایالات‌متحده امریکا، در شهر سیاتل، ایالت واشینگتن21

فصل 2: بررسی منابع و مروری بر تحقیقات پیشین
2-1 مقدمه23
2-1-1 تغییر مکانهای برشی و خمشی24
2-1-2 انرژی اعوجاج(معیار فن میسز)27
2-1-3 رفتار پس‌کمانشی ورق‌ها29
2-2 مدل‌سازی رفتار دیوار برشی فولادی34
2-2-1 مدل تحلیلی توربرن و همکاران34
2-2-2 مدل آزمایشگاهی تیملر و همکاران39
2-3 شکل‌پذیری40
2-3-1 مطالعه آزمایشگاهی درایور41
2-3-2 مطالعات آزمایشگاهی ویان و برونو45
2-3-3 مطالعه آزمایشگاهی ولیزاده و همکاران47
2-4 تأثیر بازشو بر مقاومت دیوار برشی فولادی53
2-4-1 مدل‌سازی آزمایشگاهی و تحلیلی رابرتز و صبوری‌قمی54
2-4-2 الگوی پیشنهادی ویان برای بازشو62
2-4-3 مطالعات تحلیلی بومیک64
2-5 ضوابط آیین‌نامه‌های طراحی موجود66
2-5-1 تحلیل و طراحی دیوار برشی فولادی مطابق آیین‌نامه CAN/CSA S16-14 کانادا67
2-5-2 آیین‌نامه آمریکا AISC341-1670
2-6 روش حل معادلات در نرم‌افزارV15 ANSYS71

فصل 3: مدلسازی
3-1 مقدمه74
3-2 مدلسازی و فرضیات75
3-2-1 صحت‌سنجی مدل‌سازی77
3-2-1-1 مدل‌سازی78
3-2-1-2 مقایسه رفتار مدل کامپیوتری با آزمایش79
3-2-2 معرفی مشخصات نمونه‌ها و معیار شکست80
3-2-3 نتایج آنالیز85
3-3 مطالعه بر روی نمونه‌هایی با نسبت ضخامت متفاوت87
3-3-1 معرفی مشخصات نمونه‌ها88
3-3-2 توزیع کرنش پلاستیک فون میسز در نمونه‌های مورد بررسی89
3-3-3 نمودارهای نیرو-دریفت طبقه در نمونه‌های مورد بررسی94
3-3-4 نتایج آنالیز97
3-4 بررسی ابعاد بازشو و دیوار98
3-4-1 معرفی مشخصات نمونه‌ها98
3-4-2 توزیع کرنش پلاستیک فون میسز در نمونه‌های مورد بررسی در لحظه خرابی100
3-4-3 نمودارهای نیرو-دریفت طبقه در نمونه‌های مورد بررسی111
3-4-4 نتایج آنالیز118
3-5 بررسی شکل‌پذیری پانل دیوار برشی118
3-6 بررسی جذب انرژی نمونه‌ها120

فصل 4: نتیجه‌گیری و پیشنهاد
4-1 نتیجه‌گیری122
4-2 پیشنهاداتی برای تحقیقات آتی124
مراجع125


فصل 1:

کلیات و تعاریف

  1. مقدمه

دیوارهای برشی فولادی که با نام اختصاری SPSW در آییننامه AISC معرفی میشود، سامانهای است که از ورقهای فولادی، ستونهای حایل و تیرهایی که در تراز هر طبقه وجود دارند تشکیل میشود .

وظیفه دیوار برشی تحمل نیروهای جانبی زلزله، بدون تخریب قسمت باربر اصلی این سیستم یعنی ستونها است .این سیستم شباهت بسیاری به سیستم تیرورق دارد .در شکل )1-1( تصاویری از یک قاب با دیوار برشی فولادی و تیرورق با جان نازک نشان داده شده است .ستونهای قاب با دیوار برشی مانند بالهای تیرورق ،تیرهای آن مشابه با تقویتکنندههای میانی تیرورق و ورق فولادی به مشابه جان تیرورق میباشد. اجزای مختلف سیستم دیوار برشی فولادی به شرح زیر نامگذاری میشوند:

  • ورقهای فولادی عمودی که به تیرها و ستونهای سیستم باربر جانبی متصل است، ورق جان نامیده میشود .
  • ستونها در سیستم دیوار برشی فولادی به اعضای مرزی قائم (VBE) مرسوم هستند.
  • تیرها در این سیستم به عنوان اعضای مرزی افقی (HBE) قلمداد میشود.


شکل )1-1( مقایسه دیوار برشی فولادی با تیرورق

1-2 ساختار کلي

در این فصل به معرفی کلّی سیستم دیوار برشی و بررسی پروژههای اجرا شده با بهرهگیری از این سیستم پرداخته میشود .

در فصل دوم به بررسی تحقیقات و پژوهشهای انجام شده بر روی این سیستم مقاوم جانبی اشاره خواهیم کرد. در ادامه به بازنگری تئوریهای موجود در زمینة دیوار برشی فولادی و مروری بر آییننامههای موجود پرداخته شده است.

در فصل سوم، مدلسازی و نحوة انجام آن آورده شده است. همچنین انواع مدلها و نتایج المانمحدود آنها مورد ارزیابی قرار گرفتهاند.

درفصل چهارم، خلاصة مطالب و نتایج پژوهش انجام شده و پیشنهادات برای تحقیقات آتی ارائه گردیده است.

 

 

 

1-3 انواع سیستمهای باربر جانبي

ابتدا به معرفی اجمالی سیستمهای معمول مقاوم در برابر بارهای جانبی میپردازیم:

1-3-1 سیستم دیوار برشي بتني

یکی از مطمئنترین روشها برای مقابله با نیروهای جانبی استفاده از دیوار برشی بتنی است. دیوار برشی به عنوان یک ستون طره بزرگ و مقاوم در برابر نیروهای لرزهای عمل میکند. دیوار برشی بتن مسلح به دو صورت درجا و پیشساخته اجرا میشود. زمانبر و دستوپاگیر بودن پروسه ساخت و محدودیتهای معماری از جمله معایب این سیستم مقاوم جانبی است.

1-3-2 سیستم قاب خمشي فولادی و بتني

این اصطلاح زمانی به یک قاب اطلاق میشود که گرههای موجود در قاب اتصالات مفصلی نداشته و کاملاً صلب و اتصالات ممانگیر باشند .معمولاً از لحاظ استاتیکی نامعین هستند. البته چرخش کل یک گره با حفظ حالت و زوایای اعضای متصل به آن صورت میپذیرد که مقدار چرخش و پخش لنگر در بین اعضا به سختی اعضای متصل بستگی دارد. اعضای قابهای خمشی رفتاری مثل تیرستونها دارند. گیرداری ستونها طول مؤثر آنها را کاهش داده و اجازه میدهد ستونها لاغرتر باشند. از آنجاییکه اعضای قاب خمشی به خمش کار میکنند، معمولاً دارای سطح مقطع بزرگتری نسبت به اعضای قاب ساده دارند و از این رو هزینه ساخت سازه در این روش بهطور قابل توجهی افزایش مییابد. به همین دلیل امروزه این سیستم مقاوم جانبی در برخی موارد توجیه اقتصادی ندارد.

1-3-3 سیستم مهاربندی فولادی

سیستم مهاربندی متشکل از تیرها و ستونهایی است که با اعضایی فولادی و با اتصالاتی مفصلی به هم متصل شدهاند و توسط مهاربندهای مورب در برابر نیروهای جانبی مقاومت میکنند. قاب خمشی در اثر حرکات شدید زمین، تغییرمکانهای زیادی را تجربه میکند و سه مسئله مهم یعنی آسیب دیدگی اعضای غیرسازهای، تشدید اثر P-Δ و همینطور ترکخوردگی و آسیبدیدگی اتصال تیر به ستون در ساختمانها را به دنبال دارد. به همین دلیل مهندسین به استفاده بیشتر از قابهای مهاربندی رویآوردهاند. مهاربندی به شکل تکی معمولاً ظرفیت شکلپذیری کمی دارد. رفتار هیسترتیک مهاربندی در کشش و فشار متقارن نیست و در هنگام بارگذاری یکطرفه معمولاً مقاومت زیادی از دست میدهند. بهخاطر همین رفتار پیچیده، توزیع واقعی نیروهای داخلی و تغییرشکلها با آنچه روشهای مرسوم طراحی پیشبینی میکنند مغایرت دارد.

سادهسازیهای طراحی و ملاحظات اجرایی معمولاً موجب میشوند که مهاربندیهای بعضی از طبقات بسیار قویتر از آنچه مورد نیاز است بوده و در بعضی طبقات نتایجی نزدیک به اهداف طراحی داشته باشند. همه مسائل گفته شده به اضافه درنظرگرفتن از دست رفتن مقاومت مهاربندی پس از کمانش موجب میشوند در یک ساختمان با بعضی از طبقات ضعیف روبرو باشیم که خرابیهای ناشی از زلزله و سایر بارهای جانبی در آنها متمرکز میشود که اگر منجر به خرابی کلی نشود، خرابی اعضای غیرسازهای را به دنبال خواهدداشت.

به همین خاطر از سال 1990 ضوابط طراحی مهاربندها تغییر کرد و تحقیقات زیادی برای بهبود وضعیت فوق صورت گرفت.

1-3-4 سیستم دیوار برشي فولادی

دیوار برشی فولادی در مقایسه با دیوار برشی بتنی، از قابلیت بالای اتلاف انرژی برخوردار است و منحنی هیسترزیس پایدارتری دارد. بهعلاوه این سیستم سبکتر است و باعث کاهش وزن کلی سازه و در نتیجه کاهش نیروی زلزله میشود. همچنین دیوار برشی فولادی به لحاظ معماری، حجم کمتری اشغال کرده و نیز امکان ایجاد بازشو را فراهم میکند .بررسیهای اقتصادی سیستم حاکی از آن است که استفاده از آن خصوصاً به جای قابهای خمشی صرفهجویی قابلملاحظهای در مصرف فولاد به دنبال دارد. البته گاهی ترکیبی از دو سیستم باربر جانبی نیز مورد استفاده قرار میگیرد که نمونههای آن ساختمان نیپون استیل و شینجوکونومورا در توکیو میباشند .

سه نوع دیوار برشی فولادی وجود دارد:

1-3-4-1 دیوار برشي فولادی تقویت نشده

محبوبترین نوع دیوار برشی فولادی در آمریکا، دیوار برشی بدونسختکننده با جان نازک میباشد .

این نوع دیوار مقاومت فشاری ناچیزی دارد. بنابراین کمانش در مراحل اولیه بارگذاری اتفاق میافتد. بقیه بار توسط میدان کششی ایجاد شده در پانل تحمل میشود. اعضای مرزی در این پانل طوری طراحی میشوند که امکان تشکیل میدان کششی مذکور بهطور مناسب فراهم شود و قطر کششی ایجاد شده در پانل بتواند به مقاومت تسلیم خود برسد. کمانش ورق اغلب منجر به کاهش سختی، مقاومت و جذب انرژی در پانل میشود.

1-3-4-2 دیوار برشي تقویت شده

پایداری کمانشی، ظرفیت جذب انرژی و شرایط بهرهبرداری را میتوان با افزایش ضخامت دیوار یا استفاده از سختکنندههای قائم و افقی بهبود بخشید. بر این اساس نوع دیگری از SPSW، دیوارهای برشی فولادی سختشده هستند. سختکنندهها مقاومت کمانشی ورق را افزایش میدهد. استفاده کافی و مناسب از سختکنندهها، امکان توسعه تسلیمشدگی در ورق و استفاده از تمام ظرفیت پانل را فراهم میسازد.

سختکنندهها تأثیر متوسطی بر سختی و مقاومت دیوار دارند. ولی باعث کاهش قابل توجهی در مقاومت و سختی مورد نیاز در اعضای مرزی، یعنی تیرها و ستونها میشوند. ولی با این همه استفاده از سختکنندهها منجر به یک طرح غیراقتصادی خواهد شد. در ژاپن سیستم دیوار برشی فولادی باسختکننده متداولتر بوده است] 1[. در شکل) 1-2( نمونههایی از سیستم دیوار برشی تقویتشده و تقویتنشده توسط سختکننده را مشاهده میکنیم.

 


 

شکل )1-2( دیوار برشی فولادی با سختکننده و بدون سختکننده.

تحقیقات نشان میدهد که وجود سختکننده زیاد، باعث افزایش ظرفیت کمانش ارتجاعی دیوار برشی فولادی شده و از سویی دیگر باعث کاهش ظرفیت جذب انرژی آن میشود. ولی وجود سختکننده به میزان بهینه میتواند بر افزایش نیروی کمانش ارتجاعی ورق جان دیوار برشی فولادی و ظرفیت جذب انرژی پس از کمانش آن تأثیر مثبتی داشته باشد] 2[.

در عمل نیز گاهی لازم است به دلایل بهرهبرداری نظیر عبور داکت و سیمکشی، در دیوار برشی بازشو ایجاد شود. برای تأمین بازشو در دیوارهای برشی و نیز افزایش مقاومت فشاری ورق جان در برابر پدیده کمانش میتوان از دیوارهای برشی فولادی باسختکننده استفاده کرد. در شکل )1-3( نمونههایی از دیوارهای برشی فولادی با و بدون سختکننده همراه با بازشو نشان داده شده است.

 


شکل )1-3( دیوارهای برشی فولادی بدون سختکننده و با سختکننده همراه بازشو [1]

1-3-4-3 دیوار برشي فولادی نیمه سخت شده

یک نوع دیگر، دیوار برشی فولادی نیمهسختشده میباشد. در این حالت مقاومت پانل ترکیبی از مقاومت کمانشی ورق و مقاومت کششی حاصل از تشکیل میدان کششی میباشد.

1-3-4-4 دیوار برشي کامپوزیت

دیوارهای برشی کامپوزیت نیز به عنوان سیستم مقاوم جانبی ساختمان به کار میروند. در این حالت سختشدگی دیوار برشی فولادی با اضافه کردن بتن به دو طرف دیوار تأمین میشود. سختی دیوار برشی در این حالت باید به اندازهای باشد که امکان تسلیم برشی دیوار را فراهم کند. اجزای دیوار برشی کامپوزیت را در شکل )1-4( مشاهده میکنید.



شکل )1-4( اجزای دیوار برشی مرکب

در گذشته اکثراً دیوارهای برشی فولادی همراه با سختکنندههای قائم و افقی ساخته میشدند و طراحی آنها بدون در نظر گرفتن مقاومت پس از کمانش ورق انجام میگرفت. علت این امر جلوگیری از کمانش زودرس دیوار و استفاده از همه ظرفیت دیوار بود که این موضوع باعث افزایش هزینه ساخت میشد. کولاک و همکاران ]3 و 4[ مطالعات نظری و آزمایشگاهی تمام مقیاس گستردهای روی رفتار استاتیکی و نیمهدینامیکی چرخهای دیوارهای برشی فولادی نازک و بدونسختکننده انجام دادند.

شکل )1-5( سه نوع معمول بهکاررفته دیوار برشی فولادی در سالهای اخیر را نشان میدهد. این سازهها دارای سیستم دوگانه بوده که سیستم اصلی آنها دیوار برشی فولادی و سیستم ثانوی و یا پشتیبان آنها قاب خمشی ویژه است. دیوارهای برشی فولادی معمولاً در کارگاه به بالهای اعضای مرزی جوش میشوند ]1[.


 

(a (b) (c)

شکل )1-5( سه نوع معمول بهکاررفته دیوار برشی فولادی در سالهای اخیر] 1[.

در شکل )1-5( دو سیستم (a) و (b) تفاوتی ندارند، فقط در سیستم (b) دیوار برشی فولادی بهصورت جفت استفادهشده است و ستونها در دو سیستم باربر جانبی و ثقلی مشارکت دارند. ولی در سیستم )c( که بازهم سیستم دوگانه است ،ستونهای نسبتاً بزرگ لولهای در دو طرف که با بتن پر مقاومت پرشدهاند وظیفه حمل حجم بزرگی از بارهای ثقلی را بر عهده دارند. در سیستم اخیر ستونهای وسط بال پهن بوده و فقط در حمل بارهای جانبی مشارکت دارند] 1[.

1-4 مزایا و معایب استفاده از دیوار برشي فولادی

از سال 1970 تاکنون مهندسین سازه از دیوار برشی فولادی بهعنوان سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی در ساختمانهای بلند در مناطق لرزهخیز مانند کالیفرنیا و ژاپن استفاده کردهاند ]5[. مزایا و معایب این سیستم بسته به نوع ساختمانی که در آن لحاظ شده، در زیر آورده شده است.

1-4-1 مزایای دیوار برشي فولادی

  • ضخامت دیوار

دیوار برشی فولادی در مقایسه با دیوار برشی بتنی ضخامت کمتری دارد .مطالعهای بر روی پروژه سنتری ]6[ نشان داد که دیوار برشی فولادی به ضخامت 8/1 اینچ ) 6/4 سانتیمتر( همانند دیوار برشی بتنی با 28 اینچ) 70 سانتیمتر( ضخامت است. همین استفاده منجر به دو درصد صرفهجویی در مترمربع خالص گردید.

  • وزن سازه

دیوار برشی فولادی منجر به وزن کمتر سازه در مقایسه با دیوار برشی بتنی میشود. مطالعهای که بر روی پروژه سنتری] 6[ انجام شد نشان داد که وزن سازه طراحی شده با استفاده از دیوار برشی فولادی 18% کمتر از سازهای بود که با استفاده از هسته دیوار برشی بتنی طراحی گردید، که خود منجر به کاهش بارگذاری بر روی فونداسیون در اثر بارهای ثقلی و لرزهای میشود.

  • سرعت ساخت

استفاده از دیوار برشی فولادی زمان ساخت را کاهش میدهد. نهتنها برپایی سریعی دارد، بلکه دوره عملآوری هم ندارد. مطالعه زمانبندی پروژه سنتری] 6[ نشانگر کاهش یکماهه زمان ساخت پروژه بود .برپاکننده پروژه کاخ دادگستری ایالاتمتحده امریکا در ایالات واشنگتن نشان داد که اجرای دیوار برشی فولادی بسیار آسانتر از قابهای با مهاربندی همگرای ویژه بود.

  • شکلپذیری

ورق فولادی نسبتاً نازک ظرفیت پس از کمانش بالایی دارد. تحقیقات انجامشده بر روی دیوار برشی فولادی شکلپذیری بالای این سیستم را نشان میدهد. علیرغم اینکه در اکثر آزمایشها خرابی خارج از ورق دیوار رخ داد. در این آزمایشها پینچینگ و پارگی نزدیک گوشهها تحت اثر خمش مشاهده شد .درهرصورت، این پارگی عاملی برای کاهش ظرفیت و سختی نبود] 7[.

1-4-2 معایب دیوار برشي فولادی

  • سختي

دیوار برشی فولادی در مقایسه با دیوار برشی بتنی، عمدتاً به علت شکلپذیری خمشی، سختی کمتری

دارد. لذا هنگام استفاده از دیوار برشی فولادی مهندسین سازه باید سختیهای خمشی دیگری نیز فراهم کنند. در پروژههای سنتری و کاخ دادگستری ایالاتمتحده آمریکا ،ستونهای فلزی لولهای شکل مختلط در گوشههای هسته دیوار برای فراهم کردن سختی خمشی به همراه ظرفیت واژگونی ،بهکاربرده شد.

  • مراحل ساخت

نیروی فشاری ابتدایی بیشازحد ورق میتواند تأخیر در ایجاد رفتار حوزه کششی ایجاد کند. این نکته بسیار حائز اهمیت است که مراحل ساخت بهگونهای طراحی شود که از نیروی فشاری ابتدایی بیشازحد جلوگیری شود. در پروژه کاخ دادگستری ایالاتمتحده آمریکا، جوشکاری وصله ورق تا زمانی که اغلب تغییر

شکلهای تحت اثر بار مرده بهمنظور آزاد کردن نیروهای پیش فشار در ورق دیوار اتفاق بیفتد، به عقب افتاد.

  • سیستم جدید

به علت ناآشنایی با این سیستم، پیمانکاران معمولاً هزینه اجرایی بالایی را برای ساختمان تخمین میزنند. این مسئله ممکن است با درگیر کردن پیمانکار در فاز طراحی حل شود.

1-5 تاریخچه استفاده از دیوار برشي فولادی بهعنوان سیستم باربر جانبي در سازهها

بعضی از پروژههای ساختمانی بزرگ که از دیوار برشی فولادی بهعنوان سیستم اصلی باربر جانبی استفاده کردهاند. در ذیل چند نمونه از این ساختمانها دیده میشود.

1-5-1 ساختمان فولادی 20 طبقه نیپون در توکیو

ساختمان 20 طبقه اداری در توکیو ژاپن مربوط به شرکت فولاد نیپون که ساخت آن در سال 1970 میلادی به پایان رسید را شاید بتوان از اولین ساختمانهای مهمی قلمداد کرد که سیستم باربر جانبی در جهت طولی ترکیبی از قاب خمشی و واحدهای دیوار برشی فولادی بشکل H و در جهت عرضی دیوارهای برشی فولادی است )شکل1-6(.

دیوارهای برشی فولادی در ابعاد 12 فوت و 2 اینچ در 9 فوت )در حدود 371 در 275 سانتیمتر( با سختکنندهها در راستای افق و قائم بودند. در هنگام طراحی، بارهای ثقلی به دیوارهای برشی فلزی اعمال نشده بودند بلکه دیوارهای برشی فولادی طوری طراحی شده بودند تا در برابر بارهای طراحی پیچشی خارجی مقاوم باشند ]1[. شکل )1-7( جزئیات دیوار برشی فولادی این ساختمان را نشان میدهد .



شکل)1-6( پلان سازه ساختمان اداری 20 طبقه در توکیو، ژاپن ]1[


شکل)1-7( جزئیات دیوار برشی فولادی ساختمان نیپون ]1[

1-5-2 ساختمان 53 طبقه در توکیو

ساختمان بلندمرتبه 53 طبقه در توکیو ژاپن در ابتدا به همراه دیوار برشی بتن مسلح طراحی شده بود، لیکن طبق گزارش مهندسان این طرح در سال 1978 میلادی به علت مشکلات پروانه ساخت دیوارهای بتنی جای خود را به دیوارهای برشی فولادی دادند. این ساختمان از قاب خمشی پیرامونی و دیوارهای برشی فولادی با سختکنندههای T شکل تشکیل شده است .پانل دیوارها حدود 05/3 متر ارتفاع و 03/5 متر طول دارند و در دو جهت قائم و افق از سختکننده استفاده شدهاست. پانلها به وسیله پیچ به باکسهای محاطی و ستونهای فولادی H توسط پیچ متصلند ]1[. شکل )1-8( برشی از پلان وطبقات را نمایش میدهد.



شکل )1-8( پلان و مقطع عرضی از ساختمان 53 طبقه درتوکیو، ژاپن ]1[

1-5-3 هتل 30 طبقه دالاس در تگزاس

هتل 30 طبقه دالاس تگزاس یک نمونه بسیار خوب استفاده مؤثر از دیوارهای برشی فولادی در منطقهای با لرزهخیزی کم، اما بارهای باد نسبتاً بزرگ میباشد که در سال 1988 اجرا شده است. این سازه دارای سیستم مهاربندی فلزی در جهت طولی و سیستم دیوار برشی فولادی در مقطع عرضی میباشد.

دیوارهای برشی در حدود %60 بارهای ثقلی و ستونهای بالپهن (Wide Flange) در مرز دیوارها% 40 بقیه بارها را تحمل میکنند. با استفاده از دیوارهای برشی فولادی به عنوان عناصر تحملکنندة بارهای ثقلی در حدود یک سوم از میزان فولاد در تیرها و ستونها در مقایسه با قابهای خمشی فولادی صرفهجویی میشود.

شکل )1-9( تصویری از این ساختمان 30 طبقهای را نشان میدهد.



شکل )1-9( نمای هتل 30 طبقه در شهر دالاس، ایالت تگزاس امریکا

1-5-4 ساختمان اداری 35 طبقه در کوبه ژاپن

یکی از مهمترین ساختمانهایی که با استفاده از دیوار برشی فولادی در منطقهای با خطر نسبی لرزهای زیاد ساخته شده است، ساختمان 35 طبقه در کوبه ژاپن است )شکل 1-10(. این ساختمان در سال 1988 میلادی بنا گردیده و در سال 1995 زلزله کوبه را تجربه کرده است. سیستم باربر جانبی این ساختمان یک سیستم ترکیبی شامل قابهای خمشی و دیوارهای برشی فولادی میباشد. دیوارهای برشی در سه طبقه زیرزمین از بتن مسلح، در طبقات اول و دوم دیوار برشی مختلط و در طبقات سوم به بالا از دیوار برشی فولادی باسختکننده ساخته شده است. شکل )1-11( پلان این ساختمان و محل استقرار قابهای فولادی را نشان میدهد. در بازدیدی که از این ساختمان توسط پروفسور آستانهاصل دو هفته پس از زلزله کوبه انجام گرفت ،هیچگونه خسارت قابل ملاحظهای در آن مشاهده نگردید.



شکل )1-10( تصویری از ساختمان 35 طبقهای کوبه

مطالعه انجام شده روی این ساختمان توسط فوجیتانی و همکارانش در سال 1996 نشان داد که خسارت وارده جزئی بوده و محدود به کمانش موضعی ورقهای سختشده فولادی در دیوارهای برشی طبقه 26ام و تغییرمکان جانبی دائمی در آن سقف به میزان 5/22 سانتیمتر در جهت شمال و 5/3 سانتیمتر در جهت غرب می باشد. در تحقیقات بعد از زلزله، تحلیلهای غیرخطی دینامیکی این سازه نشان داد که بین طبقات 24 و 28 طبقه نرم تشکیل میشود.

شکل )1-11( پلان و نماهایی از سیستم باربر جانبی لرزهای ساختمان 35 طبقع کوبه ژاپن

1-5-5 ساختمان مسکوني 52 طبقه در سانفرانسیسکو

ساختمان مسکونی 52 طبقه واقع در سانفرانسیسکو کالیفرنیا را میتوان یکی از مرتفعترین ساختمانها با دیوارهای برشی فولادی در ناحیه بسیار لرزهخیز ایالات متحده آمریکا قلمداد کرد. این ساختمان یک برج مسکونی است که دارای 48 طبقه بالای سطح زمین و 4 طبقه زیرزمین به منظور پارکینگ است .

تصویری از این بنا را در شکل )1-12( مشاهده میکنیم.

سیستم باربر ثقلی در این ساختمان از 4 لوله فولادی بزرگ پر شده با بتن در مرکز ساختمان به عنوان هسته اصلی و شانزده لوله فولادی کوچکتر پر شده با بتن در پیرامون ساختمان تشکیل شده است. سیستم اصلی باربر جانبی این ساختمان از 4 لوله فولادی بزرگ پر شده با بتن که هر کدام در یک گوشه هسته قرار دارند و دیوارهای برشی فولادی به همراه تیرهای اتصال دهنده تشکیل شده است.

دیوارهای برشی فولادی به کمک تیرهای اتصال دهنده به لولههای فولادی پر شده با بتن متصل شدهاند .

اجزای دیوار برشی فولادی قبلاً در کارخانه تهیه و در محلهایی در نیمة ارتفاع هر طبقه توسط وصلههای پیچی به هم متصل میشوند. اتصال تیرها و دیوارهای برشی فولادی به لولههای فولادی پر شده با بتن توسط جوش تأمین میشود.



شکل )1-12( ساختمان مسکونی 52 طبقه واقع در سانفرانسیسکو کالیفرنیا

1-5-6 بیمارستان 6 طبقه سیلمار در لوسآنجلس ،آمریکا

بیمارستان شش طبقه سیلمار جایگزین بیمارستان الیو ویو بود که بر اثر زلزله 1971 سانفرناندو آسیب شدیدی دید و باید تخریب میشد. در این بیمارستان )شکل 1-13( بار قائم توسط قاب خمشی فولادی و بار جانبی توسط دیوار برشی بتنی در دو طبقه اول و دیوار برشی فولادی در چهار طبقه بعدی تحمل میشود .ورقهای دیوارهای فولادی در این ساختمان 16/5 در 33/8 متر و با ضخامت 16 و 19 میلیمتر هستند. دیوار برشی فولادی دارای بازشو و سختکننده در اطراف بازشوها است. شکل )1-14( نحوة قرارگیری سختکنندهها و مقطع تیر، ستون و سختکنندهها را نشان میدهد.

ورقهای دیوار فولادی با اتصالات پیچی به ورقهای وصله در کنار ستونها متصل شدهاند. تیرها مانند سختکنندهها به ورق دیوار فولادی جوش داده شدهاند تا ظرفیت کمانشی ورق را بیشتر کنند. ورق فولادی برای ظرفیت کمانش عمومی ورق طراحی گشته و کمانش موضعی توسط سختکنندهها محدود شدهاست .

عملکرد ناحیه کششی ورق در طراحی اولیه در نظر گرفته نشد، ولی در حالت وجود زلزله MCE عملکرد ناحیه کششی ورق در نظر گرفته شد. این سازه مجهز به دستگاههای لرزهنگاری است. زلزلههای 1988 ویتیر و 1994 نورتریج این سازه را لرزاندند. در زلزله 1994 نورتریج زمانیکه شتاب g66/0 بود، شتاب بام سازه به g3/2 رسید. بعد از این زلزله آسیب شدیدی به اعضای غیرسازهای این بیمارستان وارد شد. آسیب اعضای غیرسازهای و شتاب زیاد بام به دلیل سختی زیاد این سازه و ضخامت زیاد ورقهای فولادی در دیوار برشی فولادی بودهاست ]1[.


شکل )1-13( بیمارستان 6 طبقه سیلمار

 



شکل )1-14( جزئیات دیوار برشی فولادی سخت شده بیمارستان سیلمار ]1[

1-5-7 کاخ دادگستری 23 طبقه ایالاتمتحده امریکا، در شهر سیاتل، ایالت واشینگتن

ستونها و تیرها در این سازه از مقاطع بالپهن میباشند. سیستم باربر جانبی این سازه از یک طرف شامل هستهای با 4 ستون مختلط بتنی به همراه دیوار برشی فولادی و قاب خمشی و از طرف دیگر دارای قاب مهاربندیشده فولادی است. شکل )1-15( نمایی از این ساختمان را نشان میدهد.

در شکل) 1-16( نیز سیستم سازهای این ساختمان را میبینید. که متشکل از دو دیوار برشی فولادی است که هر کدام دارای یک بازشو هستند.

 


شکل )1-15( نمای کاخ دادگستری ایالاتمتحده امریکا، واشینگتن



شکل )1-16( سیستم سازهای ساختمان کاخ دادگستری ایالاتمتحده امریکا] 8[

 

فصل 2:

بررسی منابع و مروری بر تحقیقات پیشین

2-1 مقدمه

نتایج آزمایشات انجامگرفته بر روی دیوارهای برشی فولادی تحت بارهای چرخهای نشانگر سختی زیاد، مقاومت کافی، شکلپذیری مناسب و استهلاک زیاد انرژی حاصل از زلزله در این سیستم باربر جانبی لرزهای است. همین امر باعث شده تا از دیوارهای برشی فولادی علاوه بر سازههای نواحداث در بهسازی لرزهای سازههای موجود نیز استفاده شود .مطالعه دیوارهای برشی فولادی از منظر تحلیلی نیز مورد علاقه بسیاری از پژوهشگران بوده است. رفتار این سیستم باربر جانبی لرزهای تحت بارهای استاتیکی و چرخهای مورد بررسی قرار گرفته و مدلهای تحلیلی گوناگونی برای آن ارائه شده است.

تا سال 1980 حد شرایط طراحی دیوار برشی فولادی در آمریکا کمانش خارج از صفحه ورق بود. همین موضوع مهندسین را به سمت طراحی دیوار برشی فولادی با ورقهای سختکنندة سنگین و باصرفه اقتصادی کمی نسبت به دیوار برشی بتنی هدایت میکرد. همانطور که بسلر ]9[ نشان داد، رفتار ناحیه کششی جان تیرورق پس از کمانش میتواند، مقاومت، سختی و شکلپذیری قابلتوجهی را فراهم کند.

ایده بهکارگیری مقاومت پس از کمانش ورق دیوار برشی فولادی ابتدا توسط توربرن ]3[ به شکل قاعده درآمد و توسط تیملر و کولاک ]4[ بهصورت آزمایشگاهی ثابت شد. مطالعات برای ارزیابی مقاومت ،شکلپذیری و رفتار هیسترزیس، قابلیت اتلاف انرژی بالا و صرفه اقتصادی قابلتوجه اینگونه دیوار برشی فولادی بدون سختکننده را نشان داد.

تحقیقات مضاعفی در مورد دیوار برشی فولادی بدون سختکننده بر روی تأثیر اتصال ساده در مقابل اتصال صلب تیر به ستون بر رفتار کلی دیوار برشی فولادی توسط ککسیس ]10[، پاسخ دینامیکی دیوار برشی فولادی توسط صبوری قمی]11[ و رزیا ]12[، دیوار برشی فولادی با ورق نازک توسط برمن و برونو ]13[ و تأثیر سوراخ در ورق بر دیوار برشی فولادی توسط رزیا] 12[ و صبوری قمی] 11[ انجامشده است.

تحقیقات اخیر بر روی مقاومت پس از کمانش جان تیرورق با استفاده از روش اجزاء محدود توسط شهابیان ]14[، لی5 و یو ]15[ و مارش ]16[ نیز بینشی نسبت به رفتار پس از کمانش و برهمکنش خمشی_ برشی دیوار برشی فولادی با نسبت عرض به ضخامت قابلمقایسه با تیرورقهای معمولی) مثلاً 350 یا کمتر( ایجاد کرده است. در تحقیقات اخیر به بررسی تأثیر سختی اعضای مرزی بر روی رفتار قبل و بعد از کمانش ورق جان دیوار برشی فولادی نیز پرداخته شد، که در آن نشان دادهشده است که سختی پیچشی اعضای مرزی بر بار کمانش ارتجاعی و مقاومت پس از کمانش ورق مؤثر است] 17[.

————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

پایان نامه های موجود در سایت فقط در صورت دریافت پکیج طلایی انسیس قابل دریافت است.
برای دریافت این پایان نامه و تمامی پایان نامه های سایت، پکیج طلایی انسیس را خریداری بفرمایید. پس از خریداری پکیج طلایی لینک دانلود پایان نامه ها فعال خواهد شد.
شماره های تماس :
05142241253
09120821418

دریافت پکیج طلایی

————————————————————————————————————————————–