نشریه شماره   167   دوهفته نامه آرشیو PDF پیام ساختمان

ديوار برشي فولادي و شكل پذيري آن


دکترمجید قلهکی*

دیوار برشی فولادی به دلیل رفتار لرزه‌ای مناسب، چندی است که مورد استقبال طراحان در سرتاسر دنیا قرارگرفته 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 گرفته‌شده‌اند، اما نصب سخت کننده باعث جلوگیری از کمانش دیوار تحت بارهای سرویس (مانند باد) گردیده و از این لحاظ در سازه‌های بلند مورد توجه است. در شماره گذشته در رابطه با تاريخچه ديوار‌هاي برشي و ايده شكل‌گيري‌ آن توضيحاتي داده شد و در اين شماره به بررسي مودهاي كمانشي و ساير بحث‌هاي تخصصي در اين مقوله خواهيم پرداخت.

مودهاي كمانشي پانل برشي فولادي داراي سخت کننده

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 سخت کننده‌ها 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 کننده‌ها طراحی می‌شود. در مود طراحي موضعي، ابعاد و تعداد سخت کننده‌ها به گونه‌ای طرح می شود که پس از تشکیل میدان کشش قطری در ورق، تا زمان تسلیم آن، هر یک از زیر پانل‌ها مقاومت کنند.

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 ( ) از رابطه زیر به دست
می‌آید: [14].

در روابط فوق، ضخامتT ورق فولادی، IX و IY به ترتیب ممان اینرسی سخت کننده‌ها 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 سخت‌کننده‌ها 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 ستون‌های 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 ستون‌های 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 کننده‌ها ( ) از رابطه کلاسیک زیر به دست می‌آید: [15].

شرایط لازم برای سخت‌کننده‌ها

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 کننده‌ها با توجه به ابعاد ورق فولادی به دست می‌آید:

در رابطه فوق در صورتی که رابطه ساده‌تر زیر به دست می‌آید که حداقل ممان اینرسی لازم سخت‌کننده‌ها (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.

صحت‌سنجی مدل اجزای محدود با نمونه آزمایشگاهی

به منظور کالیبره نمودن مدل‌ها با نمونه‌ آزمایشگاهی، بين نتایج آزمایش انجام شده توسط صبوری و سجادی [9] (شکل 7)، و نتایج مدل‌سازی‌ اجزای محدود ABAQUS 6.10.1 [16] مقايسه انجام شد، كه نتايج حاکی از انطباق قابل‌قبول 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