ارزیابی رفتار دیوار برشی فولادی موجدار تقویت شده با ورق FRP

در میان بلایای طبیعی مختلف زلزله به دلیل ماهیت غیر قابل پیش بینی بودن و نحوه ایجاد خسارت در سازه های ساخت انسان بیش از سایر حوادث طبیعی ذهن بشر را به خود معطوف داشته است. بنابراین به دنبال سازه هایی با ضرایب اطمینان بالاست که مقاومت زیادی را در برابر بارهای جانبی بزرگ از خود نشان دهد. دیوار برشی یکی از این سازه ها می باشد. این سیستم به دلیل عملکرد مناسب از جمله شکل پذیری و استهلاک انرژی زیاد مقاومت و سختی بالا، سبکی و سرعت بالای اجرا و نصب و هم چنین اقتصادی بودن در دهه های اخیر کاربرد فراوانی یافته اند. در این پژوهش به ارزیابی رفتار دیوار برشی فولادی موجدار تقویت شده با ورق FRP پرداخته شده است. بدین منظور از روش اجزای محدود و با استفاده از نرم افزار ABAQUS6-12-3 و تحلیل استاتیکی غیر خطی، به مطالعه اثر ورق FRP بر رفتار دیوار برشی فولادی با اشکال مختلف و تأثیر طول موج بر رفتار دیوار برشی فولادی موجدار تقویت شده با ورق FRP پراخته شده است. نتایج این تحقیق بیانگر این است، در حالتی که از ورق مثلثی استفاده می شود کمانش زودتر از دو فرم دیگر اتفاق میافتد و سیستم دچار افت ظرفیت باربری می شود. که این نقص با تقویت ورق FRP برطرف می شود.

دیوارهای برشی فولادی را می توان بر حسب فلسفه طراحیشان به دو دسته تقسیم کرد: دسته اول، دیوارهای برشی فولادی سخت شده که در آن ها از کمانش صفحات فولادی پرکننده تحت بارهای خدمت قبل از تسلیم برشی جلوگیری شده است و دسته دوم، دیوارهای برشی صفحه فولادی سخت نشده، که در آنها از مقاومت پس کمانشی پانل ها استفاده می شود. از آن جایی که مقاومت حد کمانش در ورق ها حتی اگر پانل ها تقویت شده باشند بسیار کمتر از مقاومت پس کمانشی همان ورق ها به صورت تقویت نشده می باشد، توجه به استفاده از ظرفیت پس کمانشی صفحات فولادی زیادتر شده است. علاوه بر آن، امکان ساخت سازه هایی با قابلیت شکست نرم و امکان بازسازی سریع و کم هزینه سازه های آسیب دیده در این روش بر مزایای سیستم دیوار برشی فولادی با استفاده از ورق نازک )بدون سخت کننده( می افزاید. در انتخاب دیوار برشی فولادی سخت نشده یا سخت شده، لازم است که طراح، عملکرد سازه ای، ملزومات طراحی، اقتصادی، راحتی ساخت، انتقال و احداث را در نظر بگیرد. در شکل (1) نمونه ای از دیوار برشی فولادی با سخت کننده و بدون سخت کننده نشان داده شده است.

در دیوار برشی فولادی موجدار به علت وجود خمهای متعدد در ورق و تبدیل نیروی درون صفحهای به نیروهای برون صفحهای و برعکس در این مکانها، ورقهای صاف تشکیل دهنده ورق موجدار، یکدیگر را مقید نموده و در واقع به نوعی، نقش سخت کنندهها را ایفا مینمایند. بنابراین دیوار برشی فولادی موجدار را از نظر عملکرد سازهای می توان جزء دیوارهای برشی سخت شده محسوب نمود. دیوارهای برشی فولادی موجدار میتوانند مزایای هر دو نوع دیوار برشی سخت شده و سخت نشده را دارا باشند.

از آنجایی که دیوار برشی فولادی موجدار دارای ظرفیت باربری، اتلاف انرژی و سختی مناسبی میباشد و از سوی دیگر دارای هزینه اجرایی و وزن کمتری در شرایط یکسان طراحی خواهد بود بنابراین مطالعه پارامتریک بر روی این دیوارها موضوعیت پیدا می کند.

صحت سنجی

در این پژوهش به بررسی تاثیر ورق FRP بر دیوار برشی فولادی موجدار با اشکال مختلف و تأثیر طول موج بر رفتار دیوار برشی فولادی موجدار تقویت شده با ورق پرداخته می شود.

بارگذاری در این آزمایش به صورت جابه جایی کنترل میباشد و تا جابهجایی 3 درصد ارتفاع طبقه انجام شد. همچنین در مورد سایز مش باید توجه داشت که اگر از المانهای بزرگ استفاده شود، پاسخها دقت کافی را نداشته و اگر از المانهای بسیار کوچک استفاده شود، زمان انجام تحلیل طولانی خواهد شد، باید اندازهی مناسبی را برای المانها انتخاب شود. برای این کار اعضای سیستم را با اندازههای مختلف مش مدل کرده و مشاهده میشود که با افزایش تعداد المانها، پاسخهای مربوط به برش پایه به همگرایی میرسند. شکل) 2( نمودار میزان خطا بر حسب اندازه مش را نشان می دهد. با توجه به این نمودار، مشاهده می شود که وقتی اندازه المان 10 سانتیمتر است، میزان خطا حدود 1 درصد میباشد، که قابل صرفنظر کردن است.

همانگونه که در شکل(3) و (4) مشاهده می شود، خروجی شبیه سازی و مدل آزمایشگاهی تطابق قابل قبولی دارند.

بررسی تاثیر ورق FRP بر دیوار برشی فولادی موجدار با اشکال مختلف

در این قسمت به بررسی اثر تغییرات شکل موج ورق فولادی بدون و با الیاف FRP بر ظرفیت و توزیع تنش پرداخته میشود. بدین منظور شرایط مرزی را ثابت در نظر گرفته و شکل مقطع ورق فولادی تغییر داده میشود (نحنی، ذوزنقهای و مثلثی). جدول(1) و (2)و شکل (5) به ترتیب نمره پروفیل،هندسه ورق و مشخصات مصالح به کار رفته در دیوار را نشان می دهد.

ورق با سطح مقطع ذوزنقهای نسبت به دو فرم دیگر ظرفیت باربری بیشتری دارد. همچنین از لحاظ توزیع تنش فون میزس نیز وضعیت بهتری را دارا میباشد. نکته قابل توجه در شکل موج برای حالت مثلثی میباشد. ورق مثلثی زودتر دچار کمانش میشود در نتیجه منحنی نیرو- تغییر مکان این سیستم دچار افت ظرفیت باربری خواهد شد. ولی این عیب با تقویت FRP برطرف شد. همچنین الیاف FRP ظرفیت باربری سیستم را افزایش میدهد و نکته قابل اشاره اینجاست که راستای صفر و 90 الیاف تاثیر به خصوصی بر عملکرد سیستم نداشته است.

نتیجه گیری

ورق با سطح مقطع ذوزنقهای نسبت به دو فرم دیگر ظرفیت باربری بیشتری دارد. همچتین از لحاظ توزیع تنش فون میزس نیز وضعیت بهتری را دارا می باشد. همچنین در حالتی که از ورق مثلثی استفاده می شود کمانش زودتر از دو فرم دیگر اتفاق میافتد و سیستم دچار افت ظرفیت باربری می شود. که این نقص با تقویت ورق FRP برطرف می شود.با توجه به اینکه در تغییر مکانهای کوچک میزان جذب انرژی و ظرفیت باربری سیستم های دارای طول موج کوتاهتر بیشتر است و با افزایش تغییر مکان میزان جذب انرژی و ظرفیت سیستمهایی که دارای طول موج کوتاهتری هستند، کاهش می یابد، بنابراین در مناطقی که میزان لرزه خیزی کمتر است، استفاده از دیوار برشی با طول موج کوتاهتر ارجحیت دارد. تقویت سیستم با الیاف FRP در طول موج 46 سانتی متر موجب کاهش 31 درصدی تغییر شکل خارج از صفحه می شود ولی در طول موج 9/2 تاثیری ندارد.