فلسفه طراحی و اتلاف انرژی تناوبی دیوار های برشی فولادی ویژه

دیوارهای برشی فولادی سخت شده

درکشور ژاپن دیوار برشی فولادی سخت شده نسبت به دیوار برشی فولادی سخت نشده، ترجیح داده می شود زیرا که در این سیستم کمانش الاستیک المان های سازه ای که درتامین مقاومت جانبی سازه مشارکت می کنند، مجاز نیستند.

به تبع این نیاز مندی که ورق‌های فولادی باید به مقاومت برشی پلاستیک نهایی‌ خود برسند، انواع دیگر پیکربندی های سازه ای به گونه ای پدیدار شدند که در آنها المان های که در برش جاری می شوند به گونه ای  که دیوار برشی فولادی در اینجا در نظر گرفت شده است، عمل نمی کنند. این مفهوم شامل چشمه های کوچک جاری شونده در برش هستند که در نیمه دهانه به تیرها متصل می شوند و یا در نیمه ستون های  قرار می گیرند و به عنوان میراگرهای هیسترتیک طراحی شوند که طراحی آن ها در قالب این مقاله نمی گنجد. 

نمونه هایی از اولین ساختمان های با دیوارهای برشی فولادی در ژاپن شامل سازه‌ای فولادی Nippon و ساختمان Nomoura هستند که هر دو در سال ۱۹۷۰ در توکیو ساخته شدند. 

در ساختمان اول دیوارهای برشی فولادی از طبقه 4 به بالا استفاده شده است و برای طبقات پایین این دیوارها با بتن احاطه شده اند. برای نمونه دوم، که  سومین ساختمان بلند توکیو(۵۱ طبقه) در آن زمان به شمار می رفت، به دیوار های  فولادی سه متر در پنج متر با سخت کننده های عمودی در یک طرف و سخت کننده های افقی در سمت دیگر مسلح ‌شدند و هر چشمه به وسیله ۲۰۰ تا ۵۰۰ پیچ به قاب فولادی پیرامونی متصل شده است. 

دقتی که برای عملیات اتصال بولت ها در این پروژه  لازم بود ،  عملیات اجرا را سخت و زمان بر کرد و باعث شد که مدیر پروژه تاکید بر استفاده از جوش در نمونه های مشابه داشته باشد، که در ساختمان بلند دیگری در آن زمان از اتصال جوشی استفاده شد. 

در آن زمان ساختمان های دیگر در ژاپن  با هسته ها‌‌ی دیوار برشی بتنی‌ پیش ساخته، طراحی می‌شدند و انگیزه استفاده از دیوارهای برشی فولادی از آنجا بوجود آمد که مهندسین مایل به استفاده از نمونه های  نوآورانه و غیر رایج بودند.

ساختمان City hall در کوبه که در شکل زیر مشاهده می شود، و متحمل زلزله ساله ۱۹۹۵ کوبه نیز شد از طبقه سوم به بالا دارای دیوار برشی فولادی بود.(دیوار برشی بتنی‌ در طبقات زیرزمین استفاده شد و در دو طبقه به عنوان حد فاصل میانه دیوارهای بتنی‌ و فولادی از دیوارهای کامپوزیتی استفاده شد )

Fujitani و همکاران (۱۹۶۶)  همان طور که در قسمت دوم شکل فوق دیده می شود، کمانش موضعی جزئی در دیوار  برشی فولادی قرار گرفته  در طبقه ۲۶ را گزارش دادند و همچنین دریفت ماندگار به اندازه ۲۲۳ میلی‌ متر و ۳۵ میلی‌ متر را از راستای‌ تراز  اولیه  به ترتیب در جهت شمالی و غربی گزارش کردند.  دقت شود که طبقات بالایی  ساختمان کوتاه (ساختمان جلویی قسمت 1 شکل فوق) به علت مکانیزم طبقه نرم در ترازی که سیستم قاب خمشی دارای مقاطع فولادی احاطه شده با بتن مسلّح به قاب خمشی بتن مسلح معمولی تغییر پیدا کرده است، فرو ریخت. اگر چه که  این ساختمان دارای زمان تناوب بسیار کمتری نسبت به ساختمان در مجاورت  خود داشت که نیروهای لرزه ای بیشتری را نیز جذب میکرد و این مسئله از مقایسه عملکرد لرزه ای دو ساختمان ممانعت به عمل می آورد.

به دنبال گسترش استفاده از فولاد کم مقاومت در ژاپن که دارای  تنش حد جاری شدن پایینی هستند (LYS) بعضی‌ از سازه‌های بلند با هدف استهلاک انرژی  مجهز به دیوارهای برشی فولادی با ورق ها فولادی از این نوع ، شدند. به علت مقاومت پایین این نوع فولاد، ورق های به کار گرفته شده برای مقاومت در برابر بار های جانبی اعمالی از ورق های معمولی‌ ضخیم تر هستند و نیازمند تعداد سخت کننده کمتری برای مقاومت در برابر کمانش هستند. در دو ساختمان ۳۱ و ۲۶ طبقه با چنین مشخصات دیوارها در اطراف اتاق پل  تقریبا با الگویی شطرنجی‌ برای به حداقل رساندن لنگر های واژگونی استفاده شدند. 

نهایتاً توجه شود که روش سنتی به کار گرفته شده  در ژاپن اتصال صلب تیر به ستون را برای تمامی اتصالات دیکته می‌کند که منجر به درجه نا معینی بیشتری نسبت به روش متداول در آمریکایی شمالی می شود. 

 فلسفه  طراحی و اتلاف  انرژی تناوبی(هیسترتیک)

المان دیوار برشی فولادی که برای  اتلاف  انرژی در هر طبقه در نظر گرفته شده است، ورق های جان این دیوار ها هستند. 

با توجه به این که از  مقاومت فشاری ورق های جان صرفه نظر می شود. ‌ این ورق ها تنها در کشش جاری می شوند و رفتار تناوبی(هیسترتیک) یک ورق جان معمولی‌  تقریبا متناظر با یک سری از مهارهای فقط کششی هستند که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. 

این مساله در شکل زیر برای یک نمونه از دیوار برشی فولادی ویژه که اتصالات المان های مرزی افقی به عمودی آن تنها توسط اتصال برشی دوبل نبشی جان فراهم شده‌است نشان داده می شود .

اگر چه در اصل این اتصالات در برابر خمش مقاوم نیستند اما این نبشی ها می‌بایست نیروهای محوری قابل توجهی را در تیر منتقل کنند که این نیروها در هنگام آزمایش یک قاب منفرد به اندازی بزرگ هستند که می توانند مقاومت خمشی را به وجود آورند که غیر قابل صرف نظر کردن می‌باشد. با کم کردن سهم قاب منفرد از کل منحنی هیسترسیس تنها سهم ورق های جان در برابر نیروهای جانبی باقی‌ می ماند که در شکل فوق نشان داده شده است.

مشابه قاب مهاربندی همگرا که دارای  مهار های فقط کششی نیز هستند، می بایست توجه شود قسمت هایی از ورق جان که در چشمه دیوار برشی فولادی ویژه  در سیکل های ابتدایی جاری شده اند  در سیکل‌های بعدی مقاومت جانبی کمی‌ را فراهم می‌کنند، مگر آنکه مقدار بیشینه تغییر مکان جانبی چشمه  نسبت به حالت قبل، بیشتر شود. به این علت که ورق جان می تواند در حالت پلاستیک در کشش افزایش طول یابد اما در فشار کاهش طول نمی‌یابد. به دلیل مشابه مشاهده شده که ورق جان آزادانه کمانش کرده و با الگویی، تصادفی هنگامی که قاب پس از چند مسیر غیر ارتجاعی  به حالت  اولیه خود بازگشته، تا خورده است. 

این رفتار تاکید بر نقش مهم المان های مرزی دیوار برشی فولادی ویژه در محدود کردن تغییر مکانهای جانبی و  کمک در اتلاف انرژی مکانیزم پلاستیک سیستم دارد.
اصول طراحی ظرفیتی در طراحی المان های مرزی می‌بایست استفاده شود، زیرا که جاری شدن قاب مرزی می تواند از جاری شدن کامل ورق های جان‌جلوگیری کند.
به طور مثال، گسیختگی ناشی‌ از ناپایداری کلی‌ در اثر کمانش غیر الاستیک ستون در طبقه اول یه نمونه چهار طبقه آزمایش شده با دیوار برشی فولادی ویژه که توسط Lubell در ساله ۲۰۰۰ آزمایش شده یک نمونه از چنین رفتار نامطلوبی را فراهم می‌کند.

اصول طراحی ظرفیتی مشابهی نیز می‌بایست برای اتصالات، چشمه های اتصال، ورقهای اتصال و تمامی المان های سازه ای دیگر که در جریان  مسیر بار قرار دارند و می‌بایست مقاومت کافی‌ برای  توسعه مکانیزم پلاستیک مطلوب داشته باشند، به کار گرفته شود.
 

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا