مهندسی عمران ایران

مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازی

مهندسی عمران ایران

مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازی

بررسی رفتار لرزه ای و طراحی لرزه ای دیوارهای برشی فلزی مرکب

این مقاله در مورد رفتار لرزه ای و طراحی لرزه ای دیوارهای برشی فلزی مرکب است . دیوار برشی فلزی مرکب یک صفحه فلزی جوش شده به ستون های عمودی و تیرهای افقی است. که در یک یا دو طرف آن دیوار بتنی مسلح قرار دارد و فولاد و بتن به وسیله یک سری رابط های مکانیکی (پیچ یا گل میخ) به هم متصل شده اند و تشکیل یک دیوار برشی مرکب را داده اند .
دیوار برشی مرکب در تعداد کمی از ساختمان های آمریکا و ژاپن مورد استفاده قرار گرفته است . این دیوارها برای ساختمان های با اهمیت زیاد که پس از وقوع زلزله اهمیت خاص دارد و وقفه در بهره برداری از آنها بطور غیر مستقیم موجب افزایش تلفات و خسارات در نواحی زلزله زده می شود مانند بیمارستان ها ارائه و مورد بحث قرار گرفته است.
به تازگی دو نمونه از دیوارهای برشی های مرکب در دانشگاه کالیفرنیا مورد آزمایش و مطالعه قرار گرفته است که نتایج آزمایشات به صورت خلاصه در این مقاله آمده است.
مقدمه
سیستم مهاربندی جانبی که در این مقاله معرفی شده است از یک دیوار برشی فلزی (SSW) به همراه دیوار بتنی مسلح که در یک یا دو سمت صفحه فلزی قرار می گیرد، تشکیل شده است . پیوند دیوار بتنی و صفحه فلزی بوسیله رابطه ای مکانیکی مثل گل میخ برشی یا پیچ تامین می شود.
در ضوابط لرزه ای آیین نامه AISC این سیستم مهار بندی به نام دیوار برشی فلزی مرکب (Composite Steel Plate Shear Walls) و یا به اختصار C-SPW معرفی شده است و این سیستم در سال های اخیر در بعضی از ساختمان های بلند و یا در سازه های با اهمیت زیاد همچون بیمارستان ها بکار رفته و این پدیده نوین به سرعت رو به گسترش می باشد.
در این مقاله اطلاعات کلی از دیوار برشی فلزی مرکب، موارد استعمال ، رفتار لرزه ای، نتایج آزمایشات انجام شده بر روی دو نمونه از دیوارهای برشی مرکب و توصیه هایی در مورد طراحی این سیستم جدید در سازه های با مهاربند جانبی بیان شده است
اجزای اصلی یک دیوار برشی فلزی مرکب
یک دیوار برشی مرکب از دیوار برشی فلزی، دیوار بتنی، رابط های برشی، تیر و ستون های مرزی، اتصالات دیوار برشی فلزی به تیر و ستون های مرزی و اتصالات تیر به ستون تشکیل شده است که در ادامه به معرفی این اجزا و نقش آنها در کل سیستم پرداخته می شود.
دیوار برشی فلزی
نقش اصلی صفحه فلزی در دیوار برشی مرکب تامین مقاومت و سختی و همچنین مشارکت در محدود کردن اندازه لنگر واژگونی است . در دیوار برشی فلزی برش طبقه توسط توسعه عمل میدان کششی قطری تحمل می شود ولی در دیوار برشی فلزی مرکب دیوار بتنی با مهار کردن صفحه فلزی و جلوگیری از کمانش آن باعث بالا رفتن ظرفیت برشی دیوار برشی فلزی، تا حد تسلیم در برش می شود . البته دیوار بتنی نیز در تحمل مقداری از برش طبقه مشارکت می کند.
این عضو معمولا یک صفحه فلزی نسبتا نازک است ولی صفحات نازکتر از 3.8 in به دلیل مشکلات در حمل و نقل، ساخت و نصب توصیه نمی شود. همچنین صفحات نازک برای عملکرد مناسب احتیاج به تعداد زیادتری رابط های برشی دارد تا کمانش صفحه را تا تسلیم در برش به عقب بیندازد.
دیوار بتنی مسلح         دیوار بتنی مسلح می تواند در یک یا دو طرف یا بین دو دیوار برشی فلزی (ساندویچی) قرار داشته باشد. در همه این موارد دیوار بتنی به واسطه تشکیل میدان فشاری قطری در سختی و مقاومت برشی سیستم مشارکت می کند و بخاطر وجود آرماتور در دیوار اندکی شکل پذیر است.
دیوار بتنی می تواند در محل اجرا یا یه صورت پیش ساخته استفاده شود ولی در هر صورت نقش اصلی آن ممانعت از کمانش دیوار برشی فلزی قبل از رسیدن به نقطه تسلیم برشی است . این عمل بوسیله پیوند صفحه فلزی و دیوار بتنی با رابطهای برشی انجام می شود.
رابط های برشی         رابط های برشی عمل اتصال عناصر فلزی دیوار مرکب را به بتن انجام می دهند . برای دیوار بتنی که در محل اجرا می شود از گل میخ های برشی که به صفحه فلزی جوش می شود استفاده می کنند . البته امکان استفاده از دیگر اتصال دهنده های برشی مثل استفاده از پروفیل ناودانی وجود دارد ولی ممکن است نسبت به گل میخ مقرون به صرفه نباشد. آزمایشات دیوار بتنی مرکب نشان داده که در بعضی موارد، گل میخ های برشی به دلیل کمانش موضعی صفحه فلزی علاوه بر برش در معرض کشش نیز قرار می گیرند. در دیوار بتنی پیش ساخته، پیچها می توانند عمل اتصال دیوار بتنی و دیوار برشی فلزی را انجام دهند.
ستونهای مرزی           از جمله وظایف ستون های مرزی کنترل لنگر واژگونی توسط بار ثقلی ستون های اطراف دیوار برشی مرکب می باشد . همچنین ستون ها، یک نقطه مهار برای عمل میدان کششی قطری صفحه فلزی و یک عضو باربر برای عنصر فشاری قطری دیوار بتنی هستند . در سازه های با ستون های نسبتا بزرگ ستونها می توانند مقدار قابل توجهی از برش طبقه را نیز منتقل کنند.
تیرهای مرزی تیرهای فوقانی و تحتانی دیوار برشی مرکب همچون ستون های مرزی نقش مهار کننده برای عمل میدان کششی صفحه فلزی و یک عنصر باربر برای عضو فشاری قطری دیوار بتنی را دارد . به دلیل لنگر واژگونی، تیرها در معرض جریان برشی نسبتا بزرگی در انتهای شان هستند . این تیرها علاوه بر نیروهای فوق، بارهای ثقلی منتقل شده از کف را نیز تحمل می کنند.
اتصال دیوار برشی به قطعات مرزی دیوار برشی فلزی بوسیله پیچ یا جوش به تیر و ستون های مرزی متصل می شود . نقش اصلی این اتصالات انتقال برش و کشش می باشد . همچنین امکان اتصال دیوار بتنی بوسیله رابط های مکانیکی به اجزای مرزی وجود دارد . این رابط ها، نیروی برشی وارد بر دیوار بتنی را منتقل می کنند.
اتصال تیر به ستون      این اتصالات نقش بزرگی را در عملکرد دیوار بازی می کنند . در سیستم های دوگانه جایی که قاب فلزی یک سیستم پشتیبان برای دیوار برشی مرکب است اتصالات باید اتصال خمشی باشد.

برخی از مزایای استفاده از دیوار برشی فلزی مرکب ۱- یک دیوار برشی مرکب نسبت به دیوار برشی بتنی با ظرفیت برشی مشابه و احتمالا سختی برشی بیشتر دارای ضخامت و وزن کمتر است . سطح مقطع کوچکتر به لحاظ معماری چه از نظر نما و چه از نظر سطح مفید ساختمان، بسیار مفید می باشد و وزن کمتر دیوار برشی مرکب باعث کاهش نیروی لرزه ای و در نتیجه کوچکتر شدن ضخامت پی (فونداسیون) و دیوارها می شود.
۲- برای ساخت دیوار برشی مرکب می توان آن را در محل اجرا یا از قطعات پیش ساخته استفاده کرد . از آنجا که دیوار برشی فلزی می تواند سختی و پایداری لازم را در مدت ساخت و نصب تامین کند امکان ساخت دیوار بتنی مسلح مستقل از ساخت اسکلت فلزی و در خارج از شرایط کارگاهی وجود دارد که در این صورت باید به صفحه فلزی پیچ شود.
۳- در دیوار برشی فلزی، برش طبقه بوسیله عمل میدان کششی قطری صفحه فلزی بعد از کمانش ناشی از فشار قطری تحمل می شود . در دیوار برشی مرکب، دیواربتنی از کمانش قبل از تسلیم صفحه فلزی جلوگیری می کند . در نتیجه صفحه فلزی تا تسلیم در برش در مقابل برش طبقه مقاومت می کند که نسبت به نقطه تسلیم کششی قطری بزرگتر است.
۴- در دیوار برشی مرکب پس از وقوع زلزله های متوسط با فراوانی بالا، کمانش دیوار برشی فلزی و ترک های دیوار بتنی افزایش می یابند که نیاز به تعمیرات دارند. این گونه تعمیرات اگر چه به لحاظ سازه ای گران نمی باشد ولی از نظر عدم امکان سکونت در مدت تعمیرات هزینه بالایی دارد.
۵- دیوار بتن مسلح در دیوار برشی مرکب نقش عایق رطوبت و صدا را نیز داشته و همچنین پوشش نسوزی را برای دیوار برشی فلزی نیز ایجاد می کند.

ادامه دارد...

http://www.civilmaster.ir/fa/articles/22-articles/239-behavior-of-shear-walls2.html

واژه‌ها:

· اتصالات برشی

· تیرهای مرزی

· دیوار برشی

· دیوار برشی فلزی مرکب