مقایسه سیستم دو‌گانه قاب خمشی با بادبند ضربدری با سیستم دو‌گانه

شمار نشریه : 170


مجید قلهکی ، فرسان خالدی

مهم‌ترین پارامترهایی که انتخاب سیستم های سازه‌ای را برای طرح لرزه‌ای تحت تأثیر قرار می‌دهد، عبارتند از مقاومت، سختی و شکل‌پذیری. مقاومت از آن جهت مهم است که از خرابی سازه در بارهای کوچک (زلزله‌های خفیف و متوسط) جلوگیری کند. برای جلوگیری از صدمات ناشی از تغییر شکل‌های زیاد و کاهش اثرات P-Δ باید سازه حد خاصی از سختی را داشته باشد و در نهایت برای جلوگیری فروریزش ناگهانی ساختمان در زلزله‌های شدید باید دارای شکل‌پذیری کافی باشد. هر سیستم باربر زیر را به رسمیت شناخته است: 1- سیستم دیوار باربر، 2- سیستم قاب ساده، 3- سیستم قاب خمشی 4- سیستم دوگانه.

هدف از این تحقیق بررسی و مقایسه سیستم دو گانه قاب خمشی با بادبند ضربدری با سیستم دو گانه است.

دیوار برشی فولادی یک سیستم باربر جانبی نوینی است که در چهار دهه اخیر مورد توجه طراحان و محققین قرار گرفته است. به طور کلی سیستم دیوار برشی فولادی متشکل از ورق‌های فولادی است که توسط تیرها و ستون‌ها احاطه‌شده و همانند جان تیر ورق و تیرهای طبقات مانند سخت کننده‌های عرضی در تیر ورق می‌باشند. (شکل 1)

از مزایای سیستم دیوار برشی فولادی می‌توان به سختی، مقاومت، شکل‌پذیری، ظرفیت جذب انرژی و سرعت اجرای بالای آن اشاره کرد. از جمله سازه‌هایی که در آنها از سیستم دیوار برشی فولادی استفاده شد و در هنگام زلزله عملکرد خوبی نشان داده می‌توان به بیمارستان "آلویه لس‌آنجلس" و ساختمان 35 طبقه در کوبه اشاره کرد.

شکل 1- مقایسه سیستم دیوار برشی فولادی و تیر ورق طره

2- شرح مقاله

همان طور که قبلاً اشاره شد هدف از انجام این تحقیق بررسی و مقایسه رفتار دیوار برشی فولادی با اتصال صلب تیر به ستون با سیستم دو گانه قاب خمشی با بادبند ضربدری می‌باشد. جهت مدل‌سازی عددی از نمونه 3 طبقه دیوار برشی فولادی با مقیاس 3/1 که دارای اتصال گیر تیر به ستون بوده و توسط بنده و همکاران در دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی ساخته و مورد استفاده قرارگرفته است. روند مطالعه بدین صورت است که ابتدا دیوار برشی فولادی را مطابق نمونه آزمایشگاهی مدل‌سازی کرده و پس از تعیین صحت مدل اجزای محدود، مطالعه در دو مرحله انجام می‌شود:

در مرحله اول دیوار برشی فولادی تحت آنالیز استاتیکی غیرخطی، بررسی می‌شود.

در مرحله دوم ورق‌های فولادی از مدل حذف‌شده و به همان حجم فولاد، بادبند ضربدری قرار داده و مدل تحت آنالیز استاتیکی غیرخطی مورد مطالعه قرار گرفته است.

2-1 تعریف مدل آزمایشگاهی

شکل 2، نشان‌دهنده نمای کلی دیوار برشی فولادی ساخته شده است. ابعاد پانل های برشی 1040 میلی‌متر بوده و ستون‌ها از جنس فولاد پر مقاومت به ضخامت جان و بال 15 میلی‌متر، ارتفاع جان 30 میلی‌متر و عرض بال 100 میلی‌متر است. تیرهای طبقه اول و دوم از نوع IPE100 و تیر طبقه سوم از فولاد پر مقاومت با ضخامت بال و جان 15 میلی‌متر، ارتفاع جان 220 میلی‌متر و عرض بال 100 میلی‌متر است. ورق‌های استفاده‌شده از فولاد نرم جاذب انرژی و دارای ضخامت 7.0 میلی‌متر است.

مشخصات مکانیکی مصالح جدول 1 است:

جدول 1- مشخصات مکانیکی اجزای دیوار برشی فولادی

 

 

شکل 2- نمای کلی از مدل آزمایشگاهی دیوار برشی فولادی

نمونه آزمایشگاهی تحت بارگذاری دوره‌ای بر اساس پروتکل بارگذاری ATC24 قرارگرفته و نمودار بار تغییر مکان آن نسبت به طبقه اول مطابق شکل 3 به دست آمده است.(2)

شکل 3- منحنی هیستزسیس نمونه آزمایشگاهی

2-2 تعیین صحت مدل اجزای محدود

جهت مدل‌سازی عددی دیوار برشی از نرم‌افزار ABQUS استفاده شده است. تمام تیرها، ستون‌ها و ورق‌ها با استفاده از المان‌های شل، S4R مدل‌سازی شده‌اند. در تعریف مصالح هر دو نوع غیرخطی شدن هندسه و مصالح در نظر گرفته شده است. جهت کالیبره کردن مدل اجزای محدود با نمونه آزمایشگاهی، مدل اجزای محدود را تحت بار یک جهته که در بالای دیوار قرار داده شده مدل‌سازی نموده و سپس نمودار بار- تغییر مکان طبقه اول آن را به دست آورده و با منحنی پوش حاصل از آزمایش چرخه‌ای مقایسه شده است در شکل 4 ملاحظه می‌شود نمودار پوش حاصل از نمونه آزمایشگاهی و نمودار پوش نمونه اجزای محدود تا تغییر مکان 20 میلی‌متر دارای تطابق خوبی می‌باشد، اما از تغییر مکان 20 میلی‌متر به بعد نمودار اجزای محدود دارای افت می‌باشد، این موضوع به علت کاهش مقاومت مصالح تحت بارهای رفت و برگشتی می‌باشد که در نمونه اجزا محدود تحت بار چرخه‌ای این افت مقاومت در نمودار بار- تغییر مکان مشاهده می‌شود.

شکل 4- مقایسه نمودار بار تغییر مکان مدل اجزاء محدود تحت بار یک جهته با منحنی پوش حاصل از بار چرخه‌ای

2-3 مدل های اجزای محدود

در این مرحله ابتدا برشی فولادی مطابق نمونه آزمایشگاهی مدل‌سازی می‌شود (شکل5).

سپس ورق‌های فولادی را حذف نمود و به جای ورق‌های فولادی، مهاربند ضربدری قرار می‌دهیم (شکل6)

معادل‌سازی ورق با بادبند بدین صورت انجام گرفته است که ابتدا حجم ورق فولادی به دست آورده شده است.

طول مهاربندها 1471 میلیمتر، می‌باشد و سطح مقطع لازم برای مهاربند برابر است با:

با توجه به سطح مقطع به دست آمده می‌توان از نبشی L30x30x5 برای بادبندها استفاده کرد.

1- استادیار دانشکده مهندسی عمران- دانشگاه سمنان

2- دانشجوی کارشناسی ارشد عمران سازه - دانشگاه سمنان