دیوار برشی فولادی و شکل پذیری آن

مجید قلهکی* دیوار برشی فولادی به دلیل رفتار لرزه ای مناسب، چندی است که مورد استقبال طراحان در سرتاسر دنیا قرار گرفته و ساختمان های زیادی در مرحله طراحی و تقویت از این سیستم استفاده نموده اند. اگر چه دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک بیش از نوع دارای سخت کننده آن به کار گرفته شده اند، اما نصب سخت کننده باعث جلوگیری از کمانش دیوار تحت بارهای سرویس (مانند باد) گردیده و از این بابت در سازه های بلند مورد توجه است، شکل(1). نصب سخت کننده علاوه بر افزایش سختی و مقاومت باعث افزایش جذب انرژی شده و شکل چرخه های هیسترزیس را از حالت S شکل به حالت دوکی شکل تغییر میدهد، شکل(2). شکل 1- دیوار برشی فولادی تقویت شده و تقویت نشده با بازشو متمرکز شکل 2- رفتار هیسترزیس دیوار برشی فولادی دارای سخت کننده (راست) و بدون سخت کننده (چپ) در آمریکای شمالی و ایران معمولاً در طراحیها از دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک استفاده شده که مزایای رفتار آن در طرح و تقویت سازه ها مشخص است، اما در برخی از مناطق مانند ژاپن به دلیل وجود زلزله های خفیف و یا وزش بادهای شدید، این بارها، بار سرویس تلقی شده و استفاده از دیوار برشی فولادی دارای سخت کننده به دلیل جلوگیری از کمانش ورق با استقبال بیشتری روبه روست. در سال 1973، مهندس تاکاهاشی (پژوهشگر صنعت ساختمان) و همکاران، برای بهبود رفتار کمانشی پانل های برشی فولادی، پانل های برشی با آرایش های مختلف سخت کننده را مورد آزمایش قرار داده و حداقل ممان اینرسی لازم را برای جلوگیری از کمانش کلی ورق فولادی و انتقال آن به کمانش موضعی در زیر ورق ها به دست آوردند. طرح استفاده از دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک بر اساس نتایج مطالعات انجام شده بر روی تیر ورق ها برای اولین بار در سال 1983 در دانشگاه آلبرتای کانادا توسط تیملر و کولاک، مطرح گردید. در سال های1991و 1992، مهندس صبوری و رابرتز به بررسی رفتار پانل های برشی و اثر بازشوهای دایره ای بر روی مقاومت و سختی آنها پرداختند، نتایج نشان داد که مقاومت و سختی ورق با بازشو با نسبت D ⁄d (d ارتفاع پانل و D قطر بازشو)، نسبت به مقاومت و سختی ورق بدون بازشو کاهش مییابد و از نتایج این آزمایش ها برای تعیین منحنی رفتاری بار- تغییرمکان ورق با بازشو استفاده گردید. در سال 2004، ویان و برونیو، به منظور کاهش مقاومت کلی پانل، به بررسی پانل برشی با تعداد قابل توجهی سوراخ در مقایسه با نمونه بدون بازشو پرداختند، هدف از این آزمایش، بیشتر بررسی اثر بازشوهای گسترده در کاهش سختی و مقاومت الاستیک پانل بود. آنها در نتایج خود کاربرد این سیستم را بیشتر برای زمانی بیان کردند که مینیمم ضخامت ورقی مورد نیاز در طراحی موجود نباشد، آنگاه با ایجاد بازشوهای گسترده دایره ای در ورق با ضخامت بیشتر میتوان به سختی و مقاومت مورد نیاز در طراحی دست یافت، شکل (3). شکل 3- دیوار برشی فولادی با بازشو گسترده این مهندسان در سال 2007، دو نمونه دیوار برشی فولادی با تفاوت در نوع اتصال تیرهای میانی به ستون ها را مورد آزمایش قرار داده و دریافتند که ضریب شکل پذیری نمونه دارای اتصال گیردار بر مبنای بارگذاری ATC-24 برابر 63/6 و برای نمونه دارای اتصال ساده برابر 24/8 میباشد. این مطالعات نشان داد که اثر نوع اتصال تیر به ستون بر روی سختی اولیه این دیوارها قابل صرف نظر بوده و مقاومت نمونه دارای اتصال گیردار نسبت به اتصال ساده حدود 26 درصد بیشتر و میزان جذب انرژی نمونه اتصال گیردار بیشتر از نمونه اتصال ساده بوده و اثر نوع اتصال تیر به ستون بر روی زاویه میدان کشش قطری ناچیز است. در سال2009، مهندس سجادی به بررسی جذب انرژی و ضریب رفتار دیوارهای برشی فولادی شکل پذیر با سخت کننده با بازشو و بدون بازشو پرداخت. در سال 2009، قلهکی و رضاییفر، اثر مقاومت افزون را بر روی ضریب رفتار دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک مورد بررسی قراردادند. در سال 2011 بنده به بررسی رفتار ساختمان های بتنی تقویت شده با دیوار برشی فولادی و تأثیر شکل پذیری بر ضریب رفتار قاب فولادی سرد نورد شده مسلح به دیوار برشی فولادی پرداختم. همچنین در سال 2012، اینجانب و مهندس ستاری، به بررسی اثر مؤلفه افقی زلزله در حضور مؤلفه قائم زلزله بر روی دیوارهای برشی فولادی پرداختیم. مودهای کمانشی پانل برشی فولادی دارای سخت کننده تعداد، ابعاد و نحوه آرایش سخت کننده ها میتواند باعث ایجاد دو مود کمانشی در پانل برشی فولادی شود: الف) ایجاد کمانش کلی در ورق پانل ب) ایجاد کمانش در زیر پانل های ورق در حالت اول، طراحی سیستم اقتصادی نبوده و این مود کمانش زمانی رخ میدهد که ابعاد، تعداد و نحوه آرایش سخت کننده ها از مقادیر حداقلی کمتر باشد. در این صورت نه تنها سخت کننده ها کمکی به افزایش سختی، مقاومت و جذب انرژی نمیکنند، بلکه به دلیل ممانعت از تشکیل میدان کشش قطری در ورق، از تمام ظرفیت پس کمانشی ورق به صورت بهینه استفاده نمیشود؛ بنابراین بر مبنای فرض تشکیل میدان کشش قطری در هر یک از زیر پانل های ورق (حالت ب) سخت کننده ها طراحی میگردند. در مود طراحی موضعی، ابعاد و تعداد سخت کننده ها به گونه ای طرح میگردد که پس از تشکیل میدان کشش قطری در ورق، تا زمان تسلیم آن، هر یک از زیر پانل ها مقاومت نمایند. مود کمانش کلی تنش برشی بحرانی در حالت کمانش کلی با فرض اورتوتروپیک بودن ورق محاسبه میگردد. به این معنی که ورق تقویت شده در دو جهت مانند صفحه ای عمل میکند که در دو جهت دارای سختیهای متفاوتی است. در این صورت تنش بحرانی برای کمانش کلی (τ_crg ) از رابطه زیر به دست میآید: در روابط فوق،t ضخامت ورق فولادی، I_x و I_y به ترتیب ممان اینرسی سخت کننده ها در جهتx و y و حول محور گذرنده از مرکز ورق میباشد.b و d به ترتیب عرض و ارتفاع ورق، E مدول الاستیسیته، ضریب پواسون، S_x و S_y به ترتیب فاصله سخت کننده ها در جهت x و y و K_g ضریب کمانش کلی است که با توجه به شرایط مرزی ورق دیوار برشی تعیین میگردد و در τ_sy=σ_y /√3 ، σ_y تنش تسلیم ورق فولادی است. شکل 4- وضعیت قرارگیری سخت کننده ها در پانل اگر محل اتصال ورق به تیر و ستون های اطراف به صورت گیردار باشد،K_g=6/9 و اگر این شرایط به صورت ساده در نظر گرفته شود، K_g=3/64 فرض میشود. در عمل شرایط مرزی ورق دیوار برشی فولادی به صورت نیمه گیردار نزدیک تر میباشد. با این حال اگر اتصال ورق به تیرها و ستون های اطراف به صورت جوشی باشد، شرایط به حالت گیردار و اگر اتصال ورق به صورت پیچی باشد، به حالت ساده نزدیک تر است. *استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان