دیوار برشی فولادی و شکل پذیری آن

دکترمجید قلهکی* دیوار برشی فولادی به دلیل رفتار لرزه ای مناسب، چندی است که مورد استقبال طراحان در سرتاسر دنیا قرارگرفته 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 لحاظ در سازه های بلند مورد توجه است. در شماره گذشته در رابطه با تاریخچه دیوار های برشی و ایده شکل گیری آن توضیحاتی داده شد و در این شماره به بررسی مودهای کمانشی و سایر بحث های تخصصی در این مقوله خواهیم پرداخت. 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 میشود. در مود طراحی موضعی، ابعاد و تعداد سخت کننده ها به گونه ای طرح می شود که پس از تشکیل میدان کشش قطری در ورق، تا زمان تسلیم آن، هر یک از زیر پانل ها مقاومت کنند. 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 ( ) از رابطه زیر به دست میآید: [14]. در روابط فوق، ضخامتT ورق فولادی، IX و IY به ترتیب ممان اینرسی سخت کننده ها در جهت و و حول محور گذرنده از مرکز ورق میباشد. BوD به ترتیب عرض و ارتفاع ورق، E مدول الاستیسیته،V ضریب پواسون، SX و SYبه ترتیب فاصله سخت کننده ها در جهت X و Y وK ضریب کمانش کلی است که با توجه به شرایط مرزی ورق دیوار برشی تعیین میشود که تنش تسلیم ورق فولادی است، شکل (4). اگر محل اتصال ورق به تیر و ستون های اطراف به صورت گیردار باشد، و اگر این شرایط به صورت ساده در نظر گرفته شود، فرض میشود. در عمل شرایط مرزی ورق دیوار برشی فولادی به صورت نیمه گیردار نزدیک تر است. 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. مود کمانش موضعی اگر کمانش در مود موضعی اتفاق افتد، تنش برشی بحرانی الاستیک کمانش برای زیر ورق فولادی محصور در میان سخت کننده ها ( ) از رابطه کلاسیک زیر به دست میآید: [15]. شرایط لازم برای سخت کننده ها برای این که کمانش موضعی زودتر از کمانش کلی اتفاق افتد، باید رابطه (7) اقناع گردد: بر این اساس، رابطه لازم برای ممان اینرسی لازم سخت کننده ها با توجه به ابعاد ورق فولادی به دست میآید: در رابطه فوق در صورتی که رابطه ساده تر زیر به دست میآید که حداقل ممان اینرسی لازم سخت کننده ها (افقی و عمودی)، برای انتقال مود کمانش از حالت کلی به موضعی است. همچنین بهتر است برای به دست آوردن مقدار ممان اینرسی با ضریب اطمینان بالا با استفاده از رابطه (8)، مقدار (ضریب کمانش کلی) را برابر مقدار حداقل، یعنی 64/3 (حالت اتصال ساده ورق به قاب اطراف)، در نظر گرفت. صحت سنجی مدل اجزای محدود با نمونه آزمایشگاهی به منظور کالیبره نمودن مدل ها با نمونه آزمایشگاهی، بین نتایج آزمایش انجام شده توسط صبوری و سجادی [9] (شکل 7)، و نتایج مدل سازی اجزای محدود ABAQUS 6.10.1 [16] مقایسه انجام شد، که نتایج حاکی از انطباق قابل قبول میزان سختی و مقاومت آنها دارد، (شکل 5). شکل 5- مقایسه منحنی پوش نمونه اجزاء محدود با نمونه آزمایشگاهی *استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان