نشریه شماره   166   دوهفته نامه آرشیو PDF پیام ساختمان

دیوار برشی فولادی و شکل‌پذیری آن

مجید قلهکی*

دیوار برشی فولادی به دلیل رفتار لرزه‌ای مناسب، چندی است که مورد استقبال طراحان در سرتاسر دنیا قرار گرفته و ساختمان‌های زیادی در مرحله طراحی و تقویت از این سیستم استفاده نموده‌اند. اگر چه دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک بیش از نوع دارای سخت کننده آن به کار گرفته شده‌اند، اما نصب سخت‌کننده باعث جلوگیری از کمانش دیوار تحت بارهای سرویس (مانند باد) گردیده و از این بابت در سازه‌های بلند مورد توجه است، شكل(1). نصب سخت‌کننده علاوه بر افزایش سختی و مقاومت باعث افزایش جذب انرژی شده و شکل چرخه‌های هیسترزیس را از حالت S شکل به حالت دوکی شکل تغییر می‌دهد، شکل(٢).

شکل 1- دیوار برشی فولادی تقویت‌شده و تقویت نشده با بازشو متمرکز

شکل ٢- 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 استفاده‌شده که مزایای رفتار آن در طرح و تقویت سازه‌ها مشخص است، اما در برخی از مناطق مانند ژاپن به دلیل وجود زلزله‌های خفیف و یا وزش بادهای شدید، این بارها، بار سرویس تلقی شده و استفاده از دیوار برشي فولادي دارای سخت‌کننده به دلیل جلوگیری از کمانش ورق با استقبال بیشتری روبه‌روست. در سال 1973، مهندس تاکاهاشی (پژوهشگر صنعت ساختمان) و همکاران، برای بهبود رفتار کمانشی پانل های برشی فولادی، پانل‌های برشی با آرایش‌های مختلف سخت‌کننده‌ 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 ورق‌ها به دست آوردند. طرح استفاده از دیوارهای برشی فولادی با ورق نازک بر اساس نتایج مطالعات انجام‌شده بر روی تیر ورق‌ها برای اولین بار در سال 1983 در دانشگاه آلبرتای کانادا توسط تیملر و کولاک، مطرح گردید. در سال‌های1991و 1992، مهندس صبوری و رابرتز به بررسی رفتار پانل‌های برشی و اثر بازشوهای دایره‌ای 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 آزمایش‌ها 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 قابل‌توجهی 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 دایره‌ای در ورق با ضخامت بیشتر می‌توان به سختی و مقاومت مورد نیاز در طراحی دست یافت، شکل (٣).

شکل ٣- دیوار برشی فولادی با بازشو گسترده

این مهندسان در سال 2007، دو نمونه دیوار برشی فولادی با تفاوت در نوع اتصال تیرهای میانی به ستون‌ها را مورد آزمایش قرار داده و دریافتند که ضریب شکل‌پذیری نمونه دارای اتصال‌گیردار 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 صرف‌نظر 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 شکل‌پذیر با سخت‌کننده 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 ساختمان‌های بتنی تقویت‌شده با دیوار برشی فولادی و تأثیر شکل‌پذیری بر ضریب رفتار قاب فولادی سرد نورد شده مسلح به دیوار برشی فولادی پرداختم. همچنین در سال 2012، اينجانب و مهندس ستاری، به بررسی اثر مؤلفه افقی زلزله در حضور مؤلفه قائم زلزله بر روی دیوارهای برشی فولادی پرداختيم.

مودهاي كمانشي پانل برشي فولادي داراي سخت‌كننده

تعداد، ابعاد و نحوه آرایش سخت کننده‌ها می‌تواند باعث ایجاد دو مود کمانشی در پانل برشی فولادی شود:

الف) ایجاد کمانش کلی در ورق پانل

ب) ایجاد کمانش در زیر پانل‌های ورق

در حالت اول، طراحی سيستم اقتصادی نبوده و این مود کمانش زمانی رخ می‌دهد که ابعاد، تعداد و نحوه آرایش سخت کننده‌ها از مقادیر حداقلی کمتر باشد. در این صورت نه تنها سخت‌کننده‌ها کمکی به افزایش سختی، مقاومت و جذب انرژی نمی‌کنند، بلکه به دلیل ممانعت از تشکیل میدان کشش قطری در ورق، از تمام ظرفیت پس‌کمانشی ورق به صورت بهینه استفاده نمی‌شود؛ بنابراین بر مبنای فرض تشکیل میدان کشش قطری در هر یک از زیر پانل های ورق (حالت ب) سخت‌كننده‌ها طراحی می‌گردند. در مود طراحي موضعي، ابعاد و تعداد سخت‌کننده‌ها به گونه‌ای طرح می‌گردد که پس از تشکیل میدان کشش قطری در ورق، تا زمان تسلیم آن، هر یک از زیر پانل‌ها مقاومت نمایند.

مود کمانش کلی

تنش برشی بحرانی در حالت کمانش کلی با فرض اورتوتروپیک بودن ورق محاسبه می‌گردد. به این معنی که ورق تقویت‌شده در دو جهت مانند صفحه‌ای 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 کننده‌ها 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 سخت‌کننده‌ها 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 قرارگيري سخت‌کننده‌ها در پانل

اگر محل اتصال ورق به تیر و ستون‌های 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 ستون‌های 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