دیوار برشی – قاب خمشی – انواع سامانه مهار بندی و دیوار برشی بتنی

به منظور مهار نیروهای جانبی از انواع مختلف سامانه های باربر جانبی استفاده میشود که از آن جمله میتوان به سامانه قاب خمشی انواع سامانه مهار بندی و دیوار برشی بتنی اشاره کرد که هر یک دارای ویژگی های خاصی هستند.

انتخاب نوع سامانه مقاوم در برابر نیروهای جانبی بستگی به ترکیب بارگذاری چگونگی رفتار سازه نحوه هدایت بارهای ثقلی به پایه و طرح معماری دارد.

بعلاوه به مواردی چون ابعاد هندسی سازه محدودیت های آیین نامه ای مقدار نیروی جانبی حداکثر تغییر مکان و … بستگی دارد.

تجربه زلزله های اخیر و گذشته و نیز مطالعه تاثیرات بار جانبی نکات ضعف سازه ای سامانه های مختلف را مشخص می کند. در این راستا مهندسین همیشه در پی یافتن سامانه ایده آل مقاوم در برابر بارهای جانبی هستند که در کنار مقاومت و سختی بالا شکل پذیری زیادی داشته باشد.

لذا دیوار برشی فولادی نیز برای مقابله بغیروی جانبی زلزله و باد در ساختمانها به ویژه در ساختمان های بلند در سه دهه اخیر مطرح و مورد توجه قرار گرفته است این پدیده نوین که در جهان به سرعت رو به افزایش است در ساخت ساختمانهای جدید و هم چنین تقویت ساختمانهای موجود به خصوص در کشورهای زلزله خیزی هم چون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده است.

دیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی

دیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی ساختمانهای فولادی در حدود ۱۵ سال اخیر مورد توجه خاص مهندسین قرار گرفته است. ویژگیهای منحصر به فرد آن باعث جلب توجه بیشتر همگان شده است از ویژگی های اقتصادی بودن آن اجرای راحت و آسان وزن کم نسبت به سیستمهای مشابه شکل پذیری زیاد، نصب سریع جذب انرژی بالا و کاهش قابل ملاحظه تنش پسماند در سازه را می توان نام برد این سامانه نیز برای ترمیم و تقویت ساختمانهای بتنی مورد استفاده قرار میگیرد چون این سیستم دارای وزن کم بوده به سازه بار اضافی وارد نکرده و حتی با اتصالاتش باعث تقویت تیر و ستونهای اطراف خود می شود.

و همچنین این سامانه نیازی به تجهیزات خاص ندارد و میتوان بدون تخلیه ساختمان و تخریب اعضا سازه ای به بقیه اجزای سازه ای وصل شود.

البته طراحی این سیستم در ساختمان های بتنی به غیر از حالت ترمیمی اقتصادی به نظر نمی آید.

چون اگر ورق دیوار برشی فولادی را عضو شکل پذیر در نظر بگیریم هر چه بتوان نیرویی که توسط ورق جان به اعضای مجاور نظیر تیرها و ستونها منتقل میشود را کاهش داد ابعاد تیرها و ستونها ظریف تر شده و سازه اقتصادی تر است و از آن جایی که نیروهای اعمالی توسط عضو شکل پذیر ورق جان به سایر اعضا رابطه مستقیمی با تنش تسلیم عضو شکل پذیر ورق جان دارد لذا استفاده از ورق جان با تنش تسلیم پایین (lyp) میتواند موجب کاهش تقاضای نیرو در تیرها و ستونهای سیستم باربر جانبی گردد.

در این تحقیق تلاش میگردد تا رفتار دیوارهای برشی فولادی در ساختمانهای فولادی مورد بررسی قرار گیرد.

بیان مساله

لرزه خیزی کشور ایران و اهمیت طراحی مقاوم سازه ها در برابر نیروهای جانبی از امور حیاتی برای آینده و توسعه ایرانی پایدار است. طراحان کشور ایرانی همیشه با نیروهای ثقلی و نحوه طراحی مقاوم برای این چنین نیروهایی آشنایی کافی داشته و به خوبی این امر را بجا آورده اند اما در سالهای اخیر با توجه به توسعه شهرها و ترقی ساخت و ساز در هر گوشه از کشور لزوم توجه به مساله زلزله و در ساختمانهای بلند مرتبه اهمیت دادن به نیروهای باد را برای طراحان مسئله ای جدی ساخته است.

به منظور مهار نیروهای جانبی از انواع مختلف سامانه های باربر جانبی استفاده می شود که هر یک دارای ویژگی هایی است.

دیوار برشی فولادی بخصوص در سه دهه اخیر مطرح و مورد توجه قرار گرفته است و به سرعت در حال گسترش میباشد. در سالهای اخیر دیوارهای برشی فولادی با سخت کننده و بدون سخت کننده در کشورهای مثل آمریکا و ژاپن و غیره بکار رفته اند.

در سالهای اخیر استفاده از ورقهای فولادی با تنش تسلیم پایین LYP در ژاپن رایج شده و این ورقها به طور موفقیت آمیزی در دیوارهای برشی فولادی مورد استفاده قرار میگیرند تنش تسلیم این فولادها حدود نصف تنش تسلیم فولادهای 37-st می باشد.

با استفاده از دیوارهای برشی فولادی با ورق با تنش تسلیم پایین میتوان رفتار لرزه ای مناسب تری را از سازه انتظار داشت و نیز به دلیل کاهش تقاضای نیروی اعمالی از طرف ورق جان به اعضای کناری شاهد کاهش ابعاد اعضای مجاور نظیر تیر و ستوها خواهیم بود.

به منظور بررسی رفتار دیوار برشی فولادی و دست یافتن به نتایج پنج نمونه دیوار برشی فولادی با ورق تنش تسلیم پایین را مورد بررسی قرار میدهیم. این پنج نمونه را به کمک برنامه مدلسازی اجزا محدود Abaqus مدل کردیم و با نتایج به دست آمده نمودار آن را در برنامه Excel رسم می کنیم و نمودارهای حاصل را با نمودار حاصل از نتایج آزمایشگاهی مقایسه میکنیم و بدین وسیله میتوان به نتایج خاصی در مورد رفتار دیوار برشی فولادی با ورق تنش تسلیم پایین (LYP) دست یافت.

ابتدا با جزئیات دیوار برشی فولادی آشنا میشویم سپس در فصل سوم تاریخچه دیوار برشی فولادی و نیز مطالعات نظری و آزمایشگاهی را که توسط افراد مختلف در دانشگاه و نقاط مختلف جهان صورت گرفته است را مورد بررسی قرار میدهیم و در آخر این فصل به برخی از ساختمان هایی که با استفاده از دیوار برشی فولادی مورد تقویت و بازسازی قرار گرفته اند را معرفی و بررسی می کنیم در فصل چهارم ابتدا با برنامه مدلسازی اجزا محدود Abaqus آشنا میشویم و سپس به معرفی نمونه های مورد بررسی دیوار برشی فولادی می پردازیم .

معرفی سیستم دیوار برشی فولادی دیوارهای برشی فولادی با توجه به ضخامت اندک و بر حسب غالب بودن کمانش ورق یا جاری شدن برشی به دو صورت با سخت کننده و بدون سخت کننده مورد استفاده قرار میگیرند دیوار برشی فولادی از یک سری ورق فولادی که توسط تیرها و ستونها محاط شده است تشکیل گشته است.

ترکیب حاصل از صفحه جان و ستونهای اطراف در دیوار برشی فولادی با مقطع یک تیر ورق قابل مقایسه است که می توان گفت ستونها نقش بالهای تیر ورق و دیوار برشی نقش جان تیر ورق را ایفا کرده و تیرهای طبقات مانند سخت کننده های عرضی در تیر ورق ها عمل می کنند.

از مزایای دیوار برشی فولادی میتوان به موارد زیر اشاره کرد :

۱ – دیوارهای برشی فولادی بسیار راحت اجرا میشوند و در کارگاههای ساختمانی کاملا قابل ساخت می باشند و به هیچ تکنولوژی و فن آوری خاصی احتیاج ندارند.

دیوارهای برشی فولادی از تمامی خصوصیات خوب سامانه های مهاربندی متمرکز (CBF) مانند X و شکل و سامانه برون از مرکز (EBF) بهره مند است.

از نظر اقتصادی نیز بسیار مناسب میباشند در مقایسه با قاب خمشی ۵۰ درصد صرفه جویی در مصرف فولاد داریم و در مقایسه با سیستمهای دیگر نیز مقرون به صرفه است.

۴ در مقایسه با دیوار برشی بتنی امکان استفاده از آنها در کاربردهای مقاوم سازی راحت تر و سریع تر می باشد.

۵ بعد از زلزله های شدید با هزینه بسیار کمتری نسبت به دیوارهای بتنی میتوان آنها را تعمیر نمود و در صورت نیاز بهسازی نمود.

۶ از نظر معماری به لحاظ ضخامت اندک دیوارهای برشی فولادی مخصوصا در طبقات پایین سازه از مطلوبیت بالایی برخودار هستند.

از معایب دیوار برشی نیز میتوان به موارد زیر اشاره نمود

از آنجایی که در دیوارهای برشی فولادی سخت نشده جذب انرژی توسط مکانیزم حوزه کششی قطری صورت می گیرد کمانش دیوار به تغییر شکلهای خارج از صفحه می انجامد، باعث ایجاد مشکلاتی در زمینه بهره برداری می شود.

۲ با توجه به ضخامت اندک دیوارهای برشی فولادی این دیوارها در مقابل آتش سوزی خوردگی و هر گونه عامل خارجی دیگر، آسیب پذیر است.

جوش دادن سخت کننده ها به دیوارهای برشی فولادی سخت شده کاری وقت گیر و بر هزینه میباشد و نیز اثرات حرارتی ایجاد شده از جوشکاری موجب تغییر در خصوصیات مکانیکی فولاد مصرفی در دیوارها میباشد.

و علت عدم گسترش اجرای این دیوارها کمبود اصلاعات مربوط به طراحی این دیوارها و نیز نقص اطلاعات کافی راجع به رفتار لرزه ای این اعضا می باشد.