رفتار عمومی دیوار های برشی فولادی ویژه

کاربردهای بین‌المللی دیوار برشی فولادی 

در مقالات قبل به معرفی دیوار های  برشی فولادی پرداختیم و نمونه پروژه ها و کاربردهای این دیوار ها  را در دو کشور پیشتاز استفاده از این سیستم یعنی کانادا و آمریکا را مورد بررسی قرار دادیم. 

 دیوارهای برشی فولادی ویژه سخت نشده 

دیوارهای برشی فولادی ویژه سخت نشده با جزییات یکسان و روش های تحلیل و طراحی که در ادامه بررسی خواهد شد در کشورهای دیگر نیز به کار گرفته شده است. به طور مثال در شکل زیر یک ساختمان ۲۲ طبقه در مکزیک  که با دیوار برشی فولادی ویژه ساخته شده است مشاهده می شود. طبق محاسباتی که انجام شد مشخص گردید که این جایگزین دارای قیمت کمتر و سرعت ساخت بالاتری نسبت به سازه  ترکیبی با قاب فولادی و دیوار برشی بتنی‌ که در ساختمان های مشابه پیش از آن به کار گرفته می شدند، می باشد.

با توجه به اینکه در دهه اخیر استفاده از این سیستم ترکیبی یعنی اسکلت فولادی و دیوار برشی بتنی در ایران نیز رواج یافته است، می بایست بررسی های مشابهی را انجام داد تا بتوان استفاده از دیوار برشی فولادی را به دلیل مزایای آن جایگزین استفاده از دیوار برشی بتنی در اسکلت فولادی کرد. 

در نیوزیلند دیوار های برشی فولادی در سال ۲۰۰۳ برای مقاوم سازی و تقویت یک ساختمان سه طبقه بتن مسلح موجود در طبقات پایین آن ساختمان به کار گرفته شدند. و سپس برای ایجاد 4 طبقه اضافی با قاب بندی فولادی بر روی ساختمان موجود امتداد یافتند.

ستون های بتنی موجود توسط ورق های فولادی پوشانده شد تا شکل پذیری آن ها را قبل از اتصالشان به دیوار های برشی فولادی ویژه افزایش دهد. 

با توجه به عدم وجود ضوابط آیین نامه ای محلی برای محاسبات طراحی دیوار های برشی فولادی ویژه سخت نشده، می بایست از آیین نامه های  بین المللی از CAN/CSA S16 و یا از AISC341 استفاده شود. 

رفتار کلی دیوار برشی فولادی

بارهای جانبی اعمالی به یک دهانه دارای پوشش دیوار برشی فولادی توسط ورق های جان دیوار  به صورت ترکیبی با  عملکرد خمشی قاب در صورتی که از  اتصالات صلب استفاده شده باشد، مقاوت می شود . یک ورق با سختی مناسب می تواند مقاومت فشاری کافی‌ را فراهم آورد تا  ورق اجازه آن را داشته باشد تا در برش جاری گردد. اگر چه که همان طور که قبلا توضیح داده شد، عموماً ورق های این دیوارها لاغر بود و در فشار کمانش کرده و در آنها میدان کششی قطری به وجود می آید. تیرها(المان های مرزی افقی)HBE و ستون ها(المان های مرزی عمودی) VBEکه دیوار ها به آن ها متصل هستند، می‌بایست قادر به تحمل این نیروی کششی باشند. نیاز مقاومتی قاب ها ی مرزی ورق های جان که با نیروها و تغییر شکلهای ناشی از حرکات جانبی قاب ترکیب می شوند در شکل زیر نشان داده شده است.

 توجه شود که ورق های نازک جان قادر هستند تا مقاومت و سختی به اندازه قاب مهاربندی شده‌ همگرا را که دارای مهار های با مقاطع بزرگی نیز هستند،بدون نیاز به طراحی پیچیده ورق های گاست(Guasset plate) مربوط به این سیستم را فراهم آورد .

زاویه ای که میدان کششی قطری نسبت به محور عمود در این دیوارهای برشی فولادی سخت نشده به وجود می آورد، توسط قوانین انرژی کرنشی الاستیک تعیین شده است.(Timler & kulak)

 t_w ضخامت ورق پوششی ، h ارتفاع طبقه، Lعرضه دهانه، I_c ممان اینرسی المان مرزی عمودی، A_c مساحت مقطع المان های مرزی عمودی و A_b مساحت مقطع المان های مرزی افقی است.

این معادله اولین بر توسط Timler & kulak تعیین شد(۱۹۸۳) و توسط  Kulac & Tromposch با نمونهٔ آزمایش با مقیاس واقعی تست شد و هم چنین توسط دیگر محققین نیز بازبینی گردید. اندازهٔ این زاویه عموماً بین ۳۸ درجه و ۴۵ درجه برای یک دیوار برشی فولادی با طراحی مناسب قرار می گیرد.

Thorburn و همکاران(۱۹۸۳)  جایگزینی ورق جان تو پر را با مجموعه ای از مهارهای قطری دو سر مفصل را به دلیل سهولت تحلیل ارائه کردند. که تعداد ۱۰ نوار در هر دهانه پیشنهاد شده است تا به طور مناسب بتواند نمایندهٔ رفتار دیوار برشی فولادی باشد. قضاوت مهندسی ممکن است تعداد بیشتری را برای دهانه های با ابعاد بزرگتر دیکته کند به طوری که مدل، دارای نوارهای مجزای کافی باشد‌ که بر روی المان های مرزی افقی و عمودی سطحی از کشش را اعمال کنند تا از انطباق نمودار های لنگر خمشی این سیستم معادل با نمودار های واقعی که در اثر کشش اعمالی ناشی از ورق های پیوسته ایجاد می شود اطمینان حاصل شود. در مقالات آتی به بررسی این روش پرداخته خواهد شد. 

با دانستن زوایایی که تنش های کششی عمل می کنند، نیازهای مقاومتی متناظر با این تنش ها در المان های مرزی قابل محاسبه هستند. 
برای مثال برای یک قطعه از تیر ی که در شکل زیر  نشان داده شده است با عرضه دهانهٔ واحد، d_s، که با زاویه‌ٔ آلفا امتداد یافته است نیروی محوری در نوار ورق  جان به صورت زیر به حاصل می شود.

در این رابطه t ضخامت دهانه جان است و Ϭ بیان گر تنش محوری نوار است.
طول واحد در امتداد تیر، d_x ، از تصویر d_s قابل محاسبه است. 
مولفه افقی و عمودی P، H و V با توجه به هندسه حاکم بر مسئله بدست می آیند و برای محاسبه نیروهای گسترده روی تیر ω_H وω_V استفاده می شوند .

در شکل فوق ω_H و  ω_V مولفه های بار توزیع شده از نیروی میدان کشش قطری پنل، P، در واحد عرض، ds می باشند. 

با توزیع آن مقادیر بر روی طول واحد تصویر شده‌، dx داریم:

ورق جانی که  کاملا جاری شده باشد،  یک نیروی افقی کلی در سراسر طول المان مرزی افقی(تیر) اعمال می‌کند که برابر است با:

در صورتی که میدان کششی با زاویه ای به اندازه 45 درجه اعمال شود، خواهیم داشت:

نیرویی که توسط ورق های جان به المان مرزی عمودی اعمال می شود به طور مشابهی محاسبه می شود.
با استفاده از از روش های هندسی مشابه، تنش‌های واحد موازی و عمود در واحد طول  المان مرزی عمودی به ترتیب برابر دو مقدار زیر می باشند.

با استفاده از روابط هندسی مشابه، رانشی را که در آن ورق جان شروع به جاری شدن می کنند با فرض مفصلی بودن انتهای المان های مرزی افقی و عمودی می تواند تخمین زده شود.

رفتار [رککینگ] صلب متناظر، کرنش یکنواخت محوری بر روی تمامی نوارهای میدان کششی قطری اعمال می‌کند.  ε که میتواند به زاویه رانش Ϫ ارتباط داده شود مطابق با ووابط زیر قابل محاسبه است:

که در صورتی که فرض شود که فولاد دارای تنش حد جاری شدن 345(Mpa)‌ و با فرض زاویه‌ٔ زاویه‌ٔ میدان کششی قطری ۴۵ درجه می توان محاسبه کرد که ورق فولادی  در رانشی(دریفت) برابر با 0.34% شروع به جاری شدن می کند.

نیروهای کششی که توسط ورق جان جاری  شده به قاب مرزی وارد می شود می تواند منجر به کشیدن چشمگیر المان های مرزی افقی و عمودی شود. و در صورتی که این  اعضا بر اساس اصول طراحی ظرفیتی طراحی نشده باشند(که در مقالات آتی به آن ها پرداخته خواهد شد)  دیوار برشی فولادی ویژه پس از چند سیکل رفتار غیر الاستیک ممکن است مطابق شکل زیر  شکل ساعت شنی را به خود بگیرد.

منبع

دپارتمان سازه سامانه کارگشا