مقاوم سازی دیوار برشی
دیوارهای برشی که جهت مقاوم‌سازی سازه‌ها کاربرد دارند، در اشکال مختلفی ساخته می‌شوند که رایج‌ترین نوع آن‌ها دیوار برشی بتن آرمه می‌باشد. طراحی این دیوارها بر اساس ظرفیت تغییر شکل و عملکرد تخریب می‌باشد. معمولاً در دهانه‌های بزرگ طبقات پایینی قاب‌ها، عوارض شدیدی رخ می‌دهد و مکانی است که دیوارها باید به شکلی طراحی گردند که جا به جایی جانبی سازه را محدود کنند. با توجه به محدودیت نسبت نیروی محوری و آرماتورهای عرضی مورد نیاز در المان‌های مرزی، مقدار فولاد مورد نیاز در این مقاطع زیاد خواهد بود که موجب تراکم بالای میلگرد در اجزای مرزی شده و مشکلاتی در بتن‌ریزی در پی خواهد داشت.
از دیگر معایب استفاده از این دیوارها ضخامت زیاد آن‌ها خصوصاً در طبقات زیرین که نیروهای محوری بزرگ می‌باشد، است که باعث اشغال فضای مفید طبقه می‌شود. از آنجایی که در بحث مقاوم‌سازی معیارهای معماری همواره باید مورد توجه قرار گیرند، ممکن است استفاده از این نوع دیوارها با توجه به ضخامت آن‌ها موجب بروز مشکلاتی گردد. با گذشت زمان، نوع دیگری از دیوارهای برشی فولادی به عنوان جایگزینی برای دیوارهای برشی بتن آرمه مورد استفاده قرار گرفتند. این دیوارها قابلیت شکل‌پذیری بالایی نسبت به دیوارهای بتن آرمه داشته و همچنین با کمانش ورق فولادی میدان کشش قطری در دیوارها به وجود می‌آید. دیوارهای فولادی مقاومت بالایی در تحمل بارهای جانبی دارند و وزن آن‌ها نیز کم می‌باشد. مشکل این دیوارها کمانش ورق فولادی قبل از رسیدن به مقاومت نهایی فولاد است و برای جلوگیری از این امر استفاده از سخت‌کننده‌ها رواج یافت اما بعد از آن به دلیل هزینه بالای سخت‌کننده‌ها، از بتن یا الیاف پلیمری برای جلوگیری از کمانش ورق استفاده شد که سیستم دیوار برشی فولادی کامپوزیتی نامیده می‌شوند. در دیوارهای برشی فولادی کامپوزیتی از بتن یا ورقه‌های پلیمری برای جلوگیری از کمانش ورق فولادی استفاده می‌گردد. مزیت این سیستم‌ها ظرفیت انتقال بار بالا و استهلاک انرژی زیاد آن‌ها می‌باشد و بسته به شکل این دیوارها ممکن است از ظرفیت شکل‌پذیری بالایی نیز برخوردار باشند و عملکرد لرزه‌ای مطلوبی دارند. با توجه به ضخامت کم این دیوارها به رغم رفتار لرزه‌ای مطلوب آن‌ها می‌توان در بحث مقاوم‌سازی از این سیستم‌ها استفاده کرد.
پیشنهاد برای مطالعه
تحقیقات پیشین
در صورت استفاده از سخت‌کننده‌ها جهت جلوگیری از کمانش ورق فولادی قبل از رسیدن به تسلیم هزینه‌های ساخت افزایش زیادی می‌یافت لذا جایگزینی برای این سیستم که استفاده از کامپوزیت در این دیوارها می‌باشد، ساخته شد که در این دیوارها از پوشش بتنی یا ورقه‌هایی از جنس الیاف پلیمری برای تقویت ورق فولادی استفاده می‌گردد. این دیوارها عملکرد لرزه‌ای بهتری نسبت به دیوار برشی فولادی دارند. همانطور که در ابتدا ذکر شده بود برای جلوگیری از کمانش دیوار برشی فولادی می‌توان از پوشش بتنی در یک یا هر دو سمت ورق فولادی استفاده نمود. این پوشش بتنی می‌تواند به صورت درجا اجرا شود که برای اتصال آن به فولاد باید از برش گیرها استفاده شود یا می‌تواند به صورت پیش ساخته باشد و به وسیله بولت به دیوار فولادی متصل گردد. این امر موجب جلوگیری از کمانش خارج صفحه‌ای ورق فولادی می‌شود و همچنین مقاومت برشی و استهلاک انرژی سیستم را بهبود می‌بخشد. در سیستم نوین پانل بتنی با قاب اطرافش درگیر نیست و یک فاصله بین دیوار بتنی و المان‌های مرزی وجود دارد. مطالعات انجام شده نشان می‌داد که هر دو سیستم، کارآمد و با شکل‌پذیری و استهلاک انرژی بالا می‌باشند فقط سیستم نوین رفتار شکل‌پذیرتری داشت ولی مقاومت برشی و سختی سیستم سنتی کمی بیشتر بود. در سال 2009 ، هوو و دونگ رفتار هیسترتیک دیوار برشی فولادی کمانش تاب را تحلیل کردند و مورد آزمایش قرار دادند. نتایج نشان می‌داد که استفاده از فولاد کمانش تاب نمی‌تواند روند کمانش و جا به جایی خارج از صفحه را به تنهایی محدود کند ولی از لایه بتنی در برابر آسیب‌های حاصل از بارگذاری چرخه‌ای محافظت می‌کند.
در سال‌های اخیر محققان سیستم جدیدی را معرفی کرده‌اند و مطالعات آزمایشگاهی و عددی بر روی آن‌ها انجام داده‌اند و نتایج به دست آمده را با مدل‌های المان محدود که توسط نرم افزارهای انسیس و آباکوس ایجاد شده بودند مقایسه و اعتبارسنجی کرده‌اند. در سال 2008 تأثیر استفاده از لایه FRP بر روی دیوار برشی فولادی را به صورت عددی، آزمایشگاهی و تحت بارگذاری چرخه‌ای بررسی شد و نتایج نشان می‌داد که صفحه FRP نقش یک قید جانبی را برای ورق فولادی بازی می‌کند. همچنین صفحه FRP توانست تنش‌های برشی را به تمامی نقاط ورق فولادی گسترش دهد و موجب افزایش در سختی و جذب انرژی گردید ولی شکل‌پذیری دیوار را به میزان اندکی کاهش داد. در سال 2012 دیوارهای برشی فولادی که با استفاده از الیاف پلیمری کربنی مقاوم شده بودند تحت بررسی و ارزیابی قرار گرفتند و طی فرآیندی رفتار غیرخطی این دیوار را با دیوار برشی فولادی مقایسه شده که نتایج نشان داد اضافه کردن لایه پلیمری باعث افزایش در جذب انرژی، سختی و مقاومت شده ولی باعث کاهش شکل‌پذیری دیوار می‌شود. در سال 2012در تحقیقی تجربی به بررسی دیوارهای برشی فولادی تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای پرداخته شد. الیاف کربنی در برابر خوردگی مقاوم بوده ولی در صورت تماس با فلزات ممکن است که عمل گالوانیزه شدن بین فلز و الیاف رخ دهد همچنین پیوند الیاف شیشه‌ای با فلزات مستحکم‌تر از الیاف کربنی می‌باشد و کرنش شکست الیاف شیشه‌ای از کربن بیشتر است. در سال 2014 تأثیر الیاف FRP بر عملکرد دیوارهای برشی فولادی با نقطه تسلیم پایین مورد تحقیق قرار گرفت و طبق آزمایش‌ها و تحلیل‌های عددی، دیوارهای با نقطه تسلیم پایین مشخصات بهتری در هر دو محدوده الاستیک و غیر الاستیک نسبت به دیوارهای فولادی معمولی دارا می‌باشند. همچنین افزودن لایه کربن به این نوع دیوارها پارامترهای لرزه‌ای چون سختی، جذب انرژی، ظرفیت برشی و مقدار مقاومت اضافه را افزایش می‌دهد. سیستم FRP، راهکاری موثر برای مقابله با کابوس زلزله است. در سال 2015 چندین مدل که با نرم افزار انسیس و به صورت غیر خطی مدل شده بودند مورد بررسی قرار گرفتند و این مدل‌ها دیوارهای برشی فولادی تقویت‌شده با الیاف شیشه بودند. افزودن لایه پلیمری سختی و ظرفیت برشی و جذب انرژی را افزایش داد ولی شکل‌پذیری با کاهش کمی همراه بود. همچنین تأثیر نحوه قرارگیری زوایای الیاف نشان داد که در زاویه 60 درجه جذب انرژی اندکی افزایش می‌یابد و در زاویه 90 درجه با کاهش 15 درصدی همراه است و با تغییر مصالح فولادی و جهت چرخش الیاف به 45 و 30 درجه متغیر خواهد بود. با توجه به مطالب عنوان شده و مزیت‌های قابل توجه سیستم‌های تقویت شده با الیاف پلیمری مطالعه روی دیوارهای برشی فولادی کامپوزیتی و رفتار لرزه‌ای سازه‌هایی که دارای این نوع از دیوارهای برشی هستند در این پژوهش مورد توجه می‌باشد.
پیشنهاد برای مطالعه
صحت سنجی
برای صحت سنجی و مقایسه نتایج به دست آمده از نرم افزار مدل آزمایشگاهی لوبل و همکاران در نرم‌افزار آباکوس مدلسازی گشت. این نمونه دارای اتصالات صلب می‌باشد و برای تیرها و ستون‌ها از مقطع استفاده شده است. ورق فولادی مورد استفاده به ابعاد میلی‌متر مربع و ضخامتی برابر 1.5 میلی‌متر دارد. برای مدلسازی تمامی اجزا از المان پوسته سه بعدی و چهار گره‌ای استفاده شده است. به علاوه تمامی قیدهای تکیه‌گاهی در محل اتصال به زمین گیردار بوده و رفتار فولاد به صورت غیر خطی، دوخطی می‌باشد. برای تعریف مصالح فولاد تیر و ستون و همچنین ورق فولادی از گزینه Bi-Linear Kinematic material استفاده شده است. این دیوار تحت بارگذاری چرخه‌ای قرار گرفته است. بارگذاری تحت پروتکل ATC-24 انجام گرفت و آنالیز به صورت Dynamic Explicit انجام شد. همچنین به دلیل اینکه در آزمایش کمانش تیر و ستون گزارش نشده است جا به جایی خارج از صفحه این المان‌ها بسته شده است. نمودار 1 مقایسه نمودار هیسترزیس به دست آمده از آزمایش و نرم‌افزار را نشان می‌دهد.
برای شناخت رفتار سیستم FRP در تقویت ستون بتنی، پیشنهاد می‌کنیم تا به مقاله ” بررسی اثرات FRP در مقاوم سازی ستون بتن آرمه ” مراجعه نمایید.
نمودار 1 : مقایسه نمودار هیسترزیس به دست آمده از نتایج آزمایشگاهی و آباکوس
شکل 1 : تنش‌های به وجود آمده ورق فولادی دیوار
نمونه‌های مدلسازی شده با الیاف در نرم‌افزار
برای بررسی پارامترهای مختلف از جمله جنس الیاف به کار رفته، تعداد لایه‌ها و زوایای قرارگیری الیاف بر عملکرد لرزه‌ای دیوار 7 نمونه مدلسازی شد. نمونه‌ها با الیاف کربن (CFRP)، آرامید (AFRP) و شیشه (GFRP) و یا زوایای 60، 30، 45، 90 در 4 و 2 لایه تقویت شدند. جدول 1 شامل اطلاعات مربوط به نمونه‌های مدلسازی می‌باشد. برای متصل کردن پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) به ورق فولادی از رزین استفاده می‌شود. در مدلسازی برای اتصال الیاف و دیوار فولادی از قید tie استفاده شده است. از اثر جداشدگی بین رزین و الیاف صرف نظر شده است. به عبارت دیگر مقاومت برشی چسب از مقادیر نیازهای برشی وارده بیشتر می‌باشد. رفتار الیاف به صورت خطی در نظر گرفته شده است. برای مدلسازی مصالح FRP از گزینه Lamina material استفاده شده است. برای مدلسازی آن‌ها از المان سه بعدی پوسته چهار گره‌ای استفاده شده است. مشخصات الیاف به کار رفته به ترتیب در جداول 2 و 3 ذکر شده است.
پیشنهاد برای مطالعه
جدول 1 : اطلاعات مربوط به نمونه‌های ساخته‌شده در نرم‌افزار
| زوایای الیاف | ضخامت ورقه‌های FRP | تعداد لایه‌ها | نمونه |
| -60 & +60 | 0.75 mm | 4 | 4 CFRP 60 |
| +45 & -45 | 0.75 mm | 4 | 4 CFRP 45 |
| +30 & -30 | 0.75 mm | 4 | 4 CFRP 30 |
| 0 & 90 | 0.75 mm | 4 | 4 CFRP 90 |
| +60 & -60 | 0.75 mm | 4 | 4 AFRP 60 |
| +60 & -60 | 0.75 mm | 4 | 4 GFRP 60 |
| +30 & -30 | 0.75 mm | 2 | 2 CFRP 30 |
جدول 2 : مشخصات مکانیکی ورقه‌های FRP
| G23 (GPa) | G13 (GPa) | G12 (GPa) | V12 | E2 (GPa) | E1 (GPa) | چگالی | |
| 3.24 | 7.17 | 7.17 | 0.28 | 10.3 | 181 | 1600 | CFRP |
| 2 | 2.3 | 2.3 | 0.34 | 5.5 | 76 | 1500 | GFRP |
| 3.18 | 4.5 | 4.5 | 0.27 | 8.9 | 43 | 2000 | AFRP |
جدول 3 : مقادیر کرنش‌های فروپاشی ورقه‌های FRP
نمودار 2 : نمودارهای هیسترزیس نمونه‌های تقویت شده با الیاف
مقاومت نمونه
طبق بررسی‌ها و نتایج به دست آمده از تحلیل المان محدود در این پژوهش مشخص گردید که استفاده از ورقه‌های FRP به میزان قابل‌توجهی مقاومت نمونه‌ها را افزایش می‌دهد. بسته به نوع الیاف مصرفی و زوایای قرارگیری الیاف میزان افزایش مقاومت متفاوت خواهد بود. میزان افزایش مقاومت نمونه‌ها به ترتیب برای نمونه‌های 4CFRP60، 4CFRP45، 4CFRP30، 4GFRP60، 4AFRP60، 4CFRP90، 2CFRP30 برابر است با 94%، 92%، 82%، 66%، 66%، 58% و 58%. نمودار میزان مقاومت حداکثری تمامی نمونه‌ها را نشان می‌دهد.
نمودار 3 : مقایسه مقاومت نمونه‌ها
استهلاک انرژی نمونه‌ها
استهلاک انرژی نمونه‌های تقویت شده با الیاف نسبت به نمونه تقویت نشده افزایش داشته است. استهلاک انرژی به دست آمده از تحلیل المان محدود نشان می‌دهد که همانطور که انتظار می‌رفت استهلاک انرژی با افزایش همراه شود ولی این افزایش بستگی به عوامل متعددی دارد از جمله اینکه از چه جنس الیافی در تحلیل استفاده شود و یا اینکه جهت قرارگیری الیاف به چه صورت باشد. البته تعداد لایه‌های به کار رفته نیز می‌تواند در میزان افزایش انرژی مستهلک شده تأثیرگذار واقع شود. طبق نتایج به دست آمده از تحلیل‌ها بیشترین افزایش میزان استهلاک انرژی در نمونه 4CFRP60 به میزان 64% و کمترین افزایش در نمونه 4CFRP90 با افزایش 27% رخ داده است. میزان افزایش استهلاک انرژی در باقی نمونه‌ها به ترتیب ذیل می‌باشد :
پیشنهاد برای مطالعه
4CFRP45 برابر 60%، 4CFRP30 برابر 52%، 4AFRP60 برابر 50%، 4GFRP60 برابر 37%، 2CFRP30 برابر 32% همانطور که مشاهده می‌شود استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) در بیشتر نمونه‌ها باعث افزایش 50 درصدی در میزان استهلاک انرژی گردیده است و این برای یک سیستم باربر جانبی می‌تواند یک مزیت محسوب شود. نمودار 4 شامل مقادیر استهلاک انرژی در نمونه‌های تقویت شده و دیوار برشی فولادی تقویت نشده می‌باشد.
نمودار 4 : مقایسه استهلاک انرژی نمونه‌ها
ضریب شکل‌پذیری نمونه‌ها
نمونه‌های تقویت شده با الیاف در مقایسه با دیوار برشی فولادی تقویت نشده با کاهش شکل‌پذیری همراه بودند. ضریب شکل‌پذیری با محاسبه نسبت جابه‌جایی حداکثری به جابه‌جایی در نقطه تسلیم به دست آمده است. کاهش ضریب شکل‌پذیری نمونه‌ها به ترتیب برای نمونه‌های 4GFRP60، 2CFRP30، 4CFRP90، 4AFRP60، 4CFRP30، 4CFRP60، 4CFRP45 برابر 58%، 44%، 42%، 37%، 33%، 32% و 29% می‌باشد. میزان مقادیر شکل‌پذیری برای تمامی نمونه‌های تحلیل شده در نمودار 5 ذکر شده است.
نمودار 5 : مقایسه ضریب شکل‌پذیری نمونه‌ها
پیشنهاد برای مطالعه
نتیجه‌گیری
در این مقاله رفتار دیوار برشی فولادی تقویت شده با ورقه‌های FRP تحت بارگذاری چرخه‌ای به روش المان محدود مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین هدف از این مطالعات تحقیق درباره تأثیر جنس الیاف به کار برده، زوایای قرارگیری الیاف و تعداد لایه‌ها بر رفتار لرزه‌ای شامل مقاومت، استهلاک انرژی و شکل‌پذیری دیوارهای برشی فولادی می‌باشد.
- با استفاده از روش المان محدود مشخص شد که الیاف کربن نسبت به الیاف شیشه و آرامید مقاومت و استهلاک انرژی دیوار را بیشتر افزایش می‌دهد همچنین شکل‌پذیری دیوار با الیاف شیشه بیشترین کاهش را داشته و با الیاف کربن شکل‌پذیری بیشتری را به همراه داشت. البته باید این نکته توجه داشت که الیافی که استفاده می‌شوند بسته به نوع آن‌ها خواص مکانیکی متفاوتی دارند یعنی ممکن است که نتایج با استفاده از نوع دیگری از الیاف شیشه یا کربن دچار تغییر شود. در این پژوهش میزان افزایش مقاومت و استهلاک انرژی برای نمونه تقویت‌شده با کربن به ترتیب برابر با 94 % و 64 % و کاهش شکل‌پذیری آن برابر با 32% است. این مقادیر برای الیاف شیشه به ترتیب برای افزایش مقاومت و استهلاک انرژی و کاهش شکل‌پذیری برابر با 66 % و 37 % و 58 % می‌باشد.برای کسب اطلاعات بیشتر از خواص الیاف FRP، پیشنهاد می‌کنیم تا مقاله جامع و پرکاربرد ” مزایا و مشخصات مکانیکی انواع محصولات FRP ” را مطالعه نمایید.
- از عوامل مهم دیگر نقش زاویه قرارگیری الیاف می‌باشد. مقاومت و استهلاک انرژی در نمونه‌های تقویت‌شده با الیاف با زاویه 60 درجه بیشترین افزایش را دارند (% 94 و 64 %) و بالعکس نمونه با زاویه 0 و 90 کمترین افزایش را در مقاومت و استهلاک انرژی دارند (% 58 و 27 %). در شکل‌پذیری نمونه تقویت شده با الیاف 0 و 90 درجه بیشترین کاهش را دارند (42%) و نمونه تقویت شده با الیاف 45 درجه کمترین کاهش شکل‌پذیری را دارد (29%).
- تعداد لایه‌های الیاف به کار رفته در نمونه‌ها نیز در پارامترهای لرزه‌ای مؤثر است. نمونه تقویت شده با 2 لایه الیاف مقاومت، استهلاک انرژی و شکل‌پذیری کمتری نسبت به نمونه دارای 4 لایه دارد. افزایش مقاومت و استهلاک انرژی در نمونه با 2 لایه به ترتیب 58 % و 32 % و کاهش شکل‌پذیری آن برابر 44 % می‌باشد در صورتیکه افزایش مقاومت و استهلاک انرژی در نمونه با 4 لایه به ترتیب 82 % و 52 % و کاهش شکل‌پذیری آن برابر 35 % است. برای کسب اطلاعات در رابطه با تعداد لایه FRP در تقویت انواع المان سازه‌ایی از ” راهنمای کامل استفاده از FRP ” کمک بگیرید.
- با توجه به مبحث مقاوم‌سازی می‌توان از سیستم دیوارهای برشی فولادی مقاوم شده با تقویت کننده‌های کامپوزیت FRP برای تقویت ساختمان‌های موجود استفاده نمود. با توجه به الزامات ساختمانی که مورد مقاوم‌سازی قرار می‌گیرد می‌توان فاکتورهای مختلف از جمله جنس الیاف، تعداد لایه‌ها و زوایای قرارگیری آن‌ها را به طوری مورد استفاده قرار داد تا نیازهای لرزه‌ای و سازه‌ای فراهم شود.
