مقاوم سازی ساختمانهای فلزی با استفاده از دیوار برشی فولادی
خلاصه
در این مقاله با مقاوم سازی یک سازه ده طبقه با قاب خمشی ضعیف به دو روش ، مقایسه ای بین دو سیستم باربر جانبی دیوار برشی فولادی و مهاربند
ضربدری صورت گرفته است .به این ترتیب که با یک سری عملیات سعی و خطا قاب خمشی مورد نظر توسط این دو سیستم تقویت می گردد و مطابق
دستورالعمل بهسازی وبا استفاده از روش استاتیکی غیر خطی کنترل می گردد.
نهایتا با مقایسه این دو روش مقاوم سازی دیده می شود که مقاوم سازی با
استفاده از دیوار برشی فولادی باعث می ش ود از قاب موجود استفاده بهینه گردد و همچنین میزان فولاد مصرفی در حالت استفاده از دیوار برشی فولادی
حدود 30 % کمتر از مهاربند ضربدری است و چنانچه از ورق با حداقل ضخامت 3 میلی متر استف اده گردد، میزان فولاد مصرفی حدود 15 % کمتر از حالت
استفاده از مهاربند ضربدری است
کلمات کلیدی : مقاوم سازی، دیوار برشی فولادی ، تحلیل استاتیکی غیر خطی
مقدمه
دیوارهای برشی فولادی برای گرفتن نیروهای جانبی زلزله و باد در ساخنمانهای بلند درسه دهه اخیر مطرح و مورد توجه قرار گرفته است .
این سیتم
سازه ای که در جهان به سرعت رو به گسترش می باشد در ساخت ساختمانهای جدید و همچنین تقویت ساختمانهای موجود بخصوص در کشورهای
زلزله خیزی همچون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده است .استفاده از این سیستم سازه ای در مقایسه با قابهای فولادی ممان گیر تا حدود % 50 صرفه
جویی در مصرف فولاد را در سازه ساخ تمانها بهمراه داشته است .
با در نظر گرفتن حجم وسیعی از ساختمانهای موجود که در مناطق زلزله خیز کشور و
بدون اعمال ضوابط جدید آیین نامه ای ساخته شده اند و در برابر زلزله نا امن می باشند ، می توان ابعاد گسترده فاجعه ای که در کمین یک یک
شهرها و روستا های کشور است را تا حدودی در ذهن تجسم کرد .لذا اولین عکس العمل مهندسین سازه در رابطه با سازه های ناامن در برابر
زلزله،بهسازی این سازه ها می باشد .ارائه یک طرح بهسازی به عوامل متعددی همچون هزینه های ساخت واجرا ، سهولت اجرا ودر دسترس بودن مصالح
وداشتن کمترین تداخل با سر ویس دهی ساختمان بستگی دارد .
همچنین طرح تقویت باید دارای ترکیب مطلوبی از خواص مقاومت ،سختی و شکل
پذیری باشد .
استفاده از بادبندهای پس کشیده ، ، x ، k، ∧ ، ∨ از متداولترین روش های تقویت می توان به استفاده از دیوار برشی ، استفاده از بادبندهای فلزی
استفاده از میراگرها وبه کارگیری سیتم های جدا ساز لرزه ای اشاره نمود .هدف از این پژوهش مقایسه دو روش مقاوم سازی استفاده ار بادبند ضربدری
و دیوار برشی فولادی است.
معرفی دیوار برشی فولادی وتحقیقات انجام شده برروی آن
در یک نگاه کلی دیوارهای برشی فولادی از سه جزء اصلی تشکیل می شوند: 1- ورقه فولادی ، 2- دو ستون مرزی که به صورت عمودی در اطراف ورق
فولادی قرار می گیرند ، 3- دو تیر افقی، که مرزهای بالا و پایین ورق فولادی را تشکیل می دهد.اجزای توضیح داده شده در بالا در شکل ( 1) به خوبی
مشخص است .
دیوار برشی فولادی، همراه ستونهای مرزی اطراف خود، عملکردی مشابه یک تیر ورق دارد که در آن تیرها به عوان سخت کننده ، ستونها
به عنوان بال و ورق فولادی به عنوان جان تیر ورق عمل می کند.
ابتدا در ساخت دیوارهای برشی فولادی در آمریکا وژاپن از سخت کننده های قایم و افقی استفاده می شد که نتیجه آن جلوگیری از کمانش ورق و بالا
بردن مقاومت برشی ورق فولادی بود اما به دلیل هزینه و وقت زیادی که صرف جوشکاری برای اتصال سخت کننده ها به دیوار می شد ، مطالعات
وآزمایشات متعددی در آمریکا و ژاپن بر روی دیوارهای برشی بدون سخت کننده صورت گرفت .اساس ایده استفاده از دیوارهای برشی فولادی بدون
1
سخت کننده بهره گیری از میدان کششی قطری است که پس از ک مانش ورق فولادی در آن ایجاد می گردد .
شکل ( 2) یک پانل را پس از کمانش ورق
جان آن نشان می دهد.
]شکل ( 1)-شباهت دیوار برشی و تیر ورق [ 1
]شکل 2)- پانل پس از کمانش جان ( ورق فولادی[
پدیده مذکور، پس کمانش در ورق فولادی نامیده می شود.
این پدیده در تیرورق ها بسیار مشهور بوده وپانل در چنین حالتی تا جاری شدن ورق فولادی
از خ ود مقاومت نشان می دهد که در نتیجه می تواند نیروهای قابل ملاحظه ای را تحمل نماید .این پدیده در تیر ورق ها بسیار مشهود بوده و طرح
استفاده از آن در دیوار برشی فولادی بر اساس نتایج مطالعات انجام شده برروی تیر ورق ها برای اولین بار در در دهه 80 میلادی در دانشگاه آلبرتای
کانادا توسط کولاک و همکاران مطرح گردید.
وهمکاران ، سعید صبوری و همکار ، و Elghali، وهمکاران Luble ، وهمکاران Driver ، وهمکاران Timler پس از او، دانشمندان بسیاری همچون آستانه اصل آزمایشات متعددی را در این زمینه انجام داده اند.
تحلیل و طراحی دیوارهای برشی فولادی مطالعات تئوریک در زمینه طراحی و آنالیز دیوارهای برشی فولادی، در نهایت منجر به ارائه دو مدل رفتاری در این زمینه گردیده است .
مدل اول بر مبنای جایگزینی تعدادی نوار مورب به جای صفحه پرکننده میباشد (مدل نواری) که توسط توربرن ( 1983 ) به منظور طراحی دیوارهای برشی فولادی پذیرفته شده است شکل ( 3) .
این روش همچنین در آیین نامه (CAN/CSA S16- ارائه گردیده [ 3] و بعنوان ضمیمه آیین نامه فولاد کانادا ( 01 4] در بخش 17 که مربوط به دیوارهای برشی فولادی است آمده است.
.مدل دوم، بر مبنای ](AISC مشخصات لرزه ای سازه های فولادی ( 2005 اندرکنش صفحه با قاب محیطی می باشد (مدل اندرکنش) که توسط صبوری و رابرتز ( 1991 ) ارائه شده است .در طراحی دیوارهای برشی فولادی در این مقاله از روش اول استفاده شده است.
[ شکل 3-دیوار برشی فولادی که ورق جان در آن با میله های کششی جایگزین شده است[ 4 روش طراحی بدینگونه است که ابتدا برای طرح اولیه مقاطعِ تیروستون و جان ، دیوار برشی مشابه با یک خرپای قائم با مهاربند های صرفاکششی تخمین زده می شود شکل( 4) .
در واقع به جای هر صفحه فولادی، یک بادبند معادل در نظر گرفته می شود.پس از تحلیل سازه و بدست آوردن سطح مقطع بدست می (t) بادبندها ، براساس فرمولبندی انرژی کرنشی الاستیک _رابطه 1_ برای زاویه میدان کششی فرض شده ، ضخامت صفحه فولادی که در ورق رخ خواهد داد بدست می آید (α ) آید.سپس با استفاده از روابط بر اساس سختی تیر و ستون و ضخامت ورق ، زاویه میدان کششی .
رابطه ٢ شکل 4-مدل مهاربند معادل و مدل نواری (1) s عرض دهانه : L ، زاویه بین بادبند و ستون : θ ، ضریب اضافه مقاومت که برای دیوار های برشی برابر 1,1 می باشد : Ω زاویه تشکیل میدان کشش قطری در صفحه فولادی می باشد .
(زاویه نوارهای مورب جایگزین شده با راستای قائم) که از رابطه ( 2) بدست می : α آید.
(2) سطح مقطع تیر می باشد .
سپس با استفاده Ab ارتفاع طبقه و d به ترتیب سطح مقطع و ممان اینرسی ستون های کناری IC وA C در این رابطه از رابطه 3 ورق به یکسری نوارهای معادل تبدیل میشود که در شکل ( 4) آمده است.
مطالعات متعددی در زمینه تعیین تعداد نوارهای مورب انجام شده که در نهایت به انتخاب 10 نوار مورب برای آنالیز منجر شده است.
(3) به ترتیب عرض دهانه دوار و ارتفاع دیوار می باشد.
به منظور حصول اطمینان از کفایت سختی ستون های کناری که تحت تأثیر میدان کشش H و L قطری دچار کمانش نشوند، باید ممان اینرسی آنها از رابطه 4 پیروی کند.
(4) الزام میدارد علاوه بر طراحی اولیه ، ستونها برای نیروهای ناشی از بار ثقلی در CAN/CSA-S16-02( 2002،CSA) در این روش،آیین نامه کانادا در واقع نسبت مقاومت مورد انتظار دیوار به برش B نیز کنترل گردند_رابطه ۵_، که ضریب B ترکیب با نیروهای افزایش یافته ناشی از زلزله با ضریب طراحی در حالت نهایی است و در واقع به این طریق اضافه مقاومت ورق دیوار در حالت نهایی دیده می شود وستونها برای آن طراحی می شوند.
(5) که نسبت تنش تسلیم متوسط فولاد به تنش تسلیم طراحی و تنش تسلیم طراحی صفحه فولادی است و فاصله خالص بین ضخامت ورق می باشد.در این روش نیروهای محوری داخل ستون ناشی از tw ستونها زاویه تشکیل میدان کشش قطری در صفحه فولادی و باید برای حداقل دو طبقه اول BMu می باشد .لنگر Vu لنگر پای ستون ناشی از بار زلزله Mu بدست آید ،که BMu زلزله باید از لنگر واژگونی بدست می آید.
همچنین لنگر های خمشی ستونها ناشی از میدان B در نظر گرفته شود.سپس لنگر در دیگر طبقات با ضرب لنگر واژگونی آن طبقه در افزایش یابند،وطراحی انجام گیرد.
B میدان کششی ورق نیز باید با ضریب طراحی مدل اولیه مدل مورد مطالعه یک ساختمان ده طبقه متقارن با 5 دهانه 5 متری می باشد .
بارگذاری ثقلی طبق آیین نامه بارگذاری ایران می باشد .
با انتخاب % 2800 ) برای لحاظ نمودن اثرات بارگذاری زلزله ، طراحی تنها برای 70 - سیستم قاب خمشی متوسط و احتساب برش پایه متناظر طبق استاندارد ( 84 برش بدست آمده صورت گرفت .
پلان ساختمان مورد نظر درشکل( 5) آمده است.
شکل 5-پلان ساختمان ده طبقه با سیستم قاب خمشی متوسط و برای ستونها از نوع قوطی شکل با رعایت ضوابط مربوط به مقطع فشرده طبق مبحث 10 انتخاب HE-A پروفیل مورد استفاده برای تیرها از نوع گردید.
مقاوم سازی با دیوار برشی فولادی در تقویت سازه مورد نظر توسط دیوار برشی فولادی ، روش کار به این طریق است که ابتدا دیوار برشی فولادی به طور مجزا طراحی می گردد و پس از طراحی به قاب موجود اضافه می گردد و سپس کل سازه مورد ارزیابی قرار می گیرد .
این کار از آن جهت صورت می گیرد که رفتار قاب و دیوار به طور جدا از هم و در ترکیب با هم دیده شود .
آیین نامه آمریکا ، ضریب رفتارسیستم دوگانه R برای طراحی دیوار برشی فولادی،ابتدا به محاسبه بار جانبی ناشی از زلزله پرداخته می شود.
پیوست زلزله مطابق با روش R پیشنهاد داده است .بدین ترتیب با داشتن R= قاب خمشی همراه با دیوار های برشی فولادی بدون سخت کننده را برابر 11 استاتیکی معادل از استاندارد 2800 محاسبه می گردد.
ابتدا با فرض آنکه حدود % 30 از برش پایه کل سازه تقویت شده توسط دیوار برشی فولادی تحمل گردد ، به طراحی دیوار مورد نظر پرداخته وسپس با ترکیب آن با سازه قبلی به بررسی وضعیت جدید می پردازیم .چنانچه از دو دیوار برای تقویت سازه مورد نظر استفاده گردد ،با بدست آوردن سهم برش هر دیوار ، دیوارها طراحی می گردند و سپس توسط دیافراگم به سازه موجود متصل می گردند شکل( 6) ، سپس به ارزیابی سازه تقویت شده پرداخته می شود.
وبراساس ضوابط دستورالعمل SAP 2000 (Ver به منظور ارزیابی سازه تقویت شده از روش تحلیل استاتیکی غیر خطی با استفاده از نرم افزار( 10.1 بهسازی[ 5] استفاده می گردد.
بارگذاری سازه و تعریف مفاصل غیر خطی(برای کلیه تیرها و ستونها ) و بدست آوردن تغییر مکان هدف ، همگی مطابق با ضوابط مندرج در دستور العمل صورت می پذیرد .
شکل 6- نمایی کلی ازترکیب قاب ودیوار برشی فولادی قابل ذکر است منحنی نیرو-تغییر شکل اعضای نواری جان در دیوار برشی فولادی با مدل دو خطی الاستو –پلاستیک مدل گردیده است .
اثرات سخت شدگی کرنشی نیز با در نظر گرفتن شیبی معادل 3% شیب قسمت ارتجاعی منظور می گردد.
با توجه به ارزیابی صورت گرفته از سازه در تغییر مکان هدف 45 سانتی متر) تعداد زیادی از ستونها بخصوص ستونهای اطراف دیوار برشی جوابگوی نیروهای بوجود آمده نبودند و این خرابی حاکی از آن بود که ) دیوار برشی به دلیل سختی بیشتر برش بیشتری را جذب می کند و خرابی بیشتری در آن اتفاق می افتد .لذا نتیجه گرفته می شود که دیوار طراحی شده % جوابگوی نیاز لرزه ای سازه موجود نمی باشد وباید دیواری با قدرت باربری بیشتری طراحی نمود.
لذا دیوارها را برای دو برابر نیروی قبل یعنی برای 60