دانلود پایان نامه

ا راستای زاویه میدان کشش به خوبی در نظر گرفته شود. مدل تحلیلی مبتنی بر استفاده از المان های غشایی ناهمسانگرد دارای مزایایی نسبت به روش متداول مدل نواری می باشد. در این مدل تکرارها در هر مرحله به آسانی و با تغییر راستای زاویه α براساس روند متداولی که نرم افزارهای مهندسی در این ارتباط دارند انجام می شود.

شکل ۲-۷ مدل غشایی ناهمسانگرد دیوار برشی

۲-۵-۳- تحلیل غیر خطی
در طراحی لرزه ای سازه های فولادی برای لحاظ نمودن واقعی رفتار غیرالاستیک سازه، به کارگیری یک تحلیل غیرخطی مفید و کارآمد می باشد. در روش تحلیل نواری استفاده از المانهای غیرخطی خرپایی برای منظور کردن مناسب اثرات تنش های تسلیم کششی یکنواخت جان بر روی اجزای مرزی افقی و قائم توصیه می شود.
‏استفاده از المان های غیرخطی غشایی ناهمسانگرد در تحلیل المان محدود دیوارهای برشی به شرط وجود در نرم افز ارهای موجود مهندسی جهت مدل کردن دقیق تر دیوار مفید می باشد.
چنانچه از مدل غیر خطی استفاده شود در این صورت اجزای مرزی افقی و قائم می توانند در مقابل مود های ناخواسته مانند کمانش در اثر رفتار غیرالاستیک با اعمال تغییر شکل های مناسب به قاب کنترل کننده باشند. تغییر مکان های مورد نظر می تواند حاصل از تسلیم کامل کششی ورق جان باشند و یا به هر روش دیگری محاسبه شوند. دستورالعمل[۱۰] FEMA356 اطلاعات مفیدی برای نحوه ی محاسبه تغییر مکان ها ارائه می دهد. تحلیل پوش- آور بهترین روش برای دستیابی به نیروهای واقعی اجزای مرزی است. نیروهای محوری و خمشی که با استفاده از این روش برای اعضای مرزی به دست می آیند، کمتر از نظایر آن ها در حالتی هستند که نیروها از طریق طرح براساس ظرفیت حاصل می شوند.
۲-۶-طراحی اولیه
قبل از هر تحلیلی، تعیین اندازه و ابعاد اولیه ورق جان و اعضای مرزی قائم و افقی ضروری است. تعیین ابعاد اولیه اعضای د‏یوار برشی فولاد‏ی براساس فرضیات ساد‏ه کننده ای جهت تعیین نیروهای این اعضا انجام می شود.
در طراحی اولیه ورق جان در گام اول فرض می گردد که ورق جان کل نیروی برشی حاصل از زلزله در سیستم دیوار برشی فولادی را تحمل کند. برای تعیین ظرفیت برشی ورق جان، داشتن α مقدار زاویه میدان کشش ضروری است. چون زاویه α به خصوصیات هندسی اعضای مرزی و ابعاد دیوار وابسته است، لذا در طرح اولیه باید برای زاویه α مقداری را فرض کرد. نمونه های طراحی دیوار برشی فولادی نشان داده است که انتخاب زاویه α در محدوده ۳۰ تا ۵۵ درجه تخمین اولیه مناسبی است.
ظرفیت اسمی برشی ورق جان را می توان مطابق رابطه V=0.5F_y tLsin2α تعیین کرد. که در آن L فاصله محور تا محور ستون ها است. آئین نامه AISC341 ‏از ضریب ۴۲/۰ ‏به جای ضریب ۵۰/۰ ‏در رابطه فوق استفاده کرده است. دلیل انتخاب ۴۲/۰ اعمال ضریب اضافه مقاومت ورق جان معادل ۲/۱ می باشد. از طرف دیگر آیین نامه از L_cf، فاصله بین دو بر ستون به جای L فاصله محور تا محور ستونها برای ارزیابی ظرفیت اسمی برشی ورق جان استفاده کرده است.
بنابراین ظرفیت اسمی برشی ورق جان از رابطه (۲-۴) بدست خواهد آمد :
(۲-۴) V=0.42F_y tL_cf sin2α

براساس تحقیقات برمن و برونو مقدار V که از رابطه فوق تعیین می شود کمتر از مقاومت نظری ورق جان براساس تسلیم کششی یکنواخت در امتداد زاویه α می باشد که منعکس کننده تفاوت بین اولین تسلیم تا تسلیم کامل ورق جان در اثر توزیع غیر یکنواخت تنش در محدوده ارتجاعی است.
‏در طراحی به روش تنش مجاز حداقل ضخامت ورق جان که از رابطه (۲-۵) بدست می آید برابر است با :
(۲-۵) t_w≥(۱.۶۷V_a)/(0.42F_y L_cf sin2α)
در رابطه (۲-۵) V_a نیروی برشی موجود در دیوار برشی در اثر ترکیبات متعارف بارگذاری است. استفاده از ورق های با ضخامت کمتر از ۶ میلی متر مراقبت های ویژه ای را در هنگام ساخت و نصب ایجاب می کند. در هر حال به کارگیری ورق های نازک در دیوارهای برشی فولادی از مزایای این سیستم است که حمل و نقل آن را آسان می کند.

۲-۷- اثر بازشو در دیوارهای برشی فولادی
‏وجود بازشو در ورق فولادی پانل های برشی باعث کاهش مقاومت و سختی آنها می گردد. تحقیقات نشان می دهد در صورتی که یک بازشو دایره ای با قطری مساوی با عرض پانل، ‏(b)،‏در مرکز آن ایجاد گردد، ‏همانطور که در شکل (۲-۸) مشاهده می شود چهار گره پلاستیک در ستونها تشکیل می شود بطوری که دو تای آن در وسط ستونها قرار دارند. لذا با فرض آنکه باربری ورق فولادی صفر باشد، بار برشی نهائی پانل در این حالت برابر خواهد بود با
(۲-۶) F_pu=(8M_fp)/d=2F_fu

۲-۸ پانل برشی با بازشو دایره ای با قطری برابر با عرض پانل

در صورتی که قطر بازشو صفر باشد، بار برشی نهایی پانل با توجه به نمودار شکل (۲-۹) بدست می آید :
(۲-۷) F_pu=F_fu+F_wu
و یا
(۲-۸) F_pu=(4M_fp)/d+bt(τ_cr+0.5σ_ty sin2θ)
برای بازشوهایی با قطر D که مقدار آن بین صفر و عرض پانل، b، باشد، بار نهائی کاهش یافته پانل، F_(pu,r)، را می توان بطور تقریبی با درون یابی خطی بین F_(pu,a_0 ) ‏و F_pu ‏بدست آورد.
(۲-۹) F_(pu,r)=F_(pu,a_0 )+(F_pu-F_(pu,a_0 ) )×(۱-D/b)
رابطه فوق را به این صورت نیز می توان نوشت :
(۲-۱۰) F_(pu,r)=F_fu (1+D/b)+F_wu×(۱-D/b)
که در آن
(۲-۱۱) F_wu=σ_xy bt=bt(τ_cr+1/2 σ_ty sin2α)
(۲-۱۲) F_fu=(4M_fp)/d
M_fp= ممان پلاستیک در
ستونها
همچنین برای محاسبه سختی کاهش یافته پانل، K_(p,r)، مشابه مقاومت کاهش یافته، می توان با تقریب سختی قاب،(K_f)، را با ضریب (۱+D/b) افزایش داده و سختی ورق فولادی، K_w، را با ضریب (۱-D/b) کاهش داد، لذا می توان نوشت :
(۲-۱۳) K_(f,a)=K_f (1+D/b)

شکل ۲-۹ دیاگرام بار تغییر مکان برشی پانل

(۲-۱۴) K_(w,r)=K_w (1-D/b)
به این ترتیب با داشتن سختی و برش نهائی کاهش یافته و تعدیل شده ورق فولادی و قاب، د‏یاگرام بار-تغییر مکان برشی پانل برای هر بازشوی د‏ایره ای با قطر معین قابل محاسبه و ترسیم است.
در شکلهای ۲-۱۰ ‏و ۲-۱۱ به ترتیب کاهش مقاومت و سختی ورق فولادی تعدادی پانل برشی که توسط صبوری و همکار از طریق آزمایش بدست آورده شده، نشان داده شده است. در شکل های مذکور F_(wu,r) برش نهائی کاهش یافته ورق، F_wu بار برشی نهائی ورق بدون بازشو، K_(w,r) سختی کاهش یافته ورق و K_w سختی ورق بدون بازشو می باشد. در این آزمایشها که برروی پانل هائی با ابعاد مختلف و همچنین ورقهایی با ضخامت های متفاوت انجام گرفته است، همانطور که در شکل های (۳-۴) ‏و(۴-۴) ‏مشاهده می گردد، در صورتی که کاهش مقاومت و سختی بصورت خطی با افزایش قطر بازشوی دایره ای در نظرگرفته شود، ضمن تطابق خوب با نتایج آزمایشگاهی، محاسبات انجام شده در جهت اطمینان می باشد.
همچنین تحقیقات نشان می دهد، در صورتی که یک بازشوی مربعی در مرکز ورق فولادی ایجاد گردد میتوان رفتار آن را مانند یک بازشوی دایره ای که دارای قطری برابر با قطر مربع باشد، فرض نمود.
این مطلب را می توان با تقریب خوب و در جهت اطمینان برای کلیه اشکال دیگر بسط داد. و رفتار آنها را مشابه یک بازشوی دایره ای که شکل مورد نظر در آن محاط شده ‏باشد در نظرگرفت.
با توجه به اینکه میدان کشش قطری پس ازکمانش ورق فولادی در مرکز آن شکل گرفته و به تدریج همه ورق را در بر می گیرد، لذا وجود بازشو در مرکز ورق بیشترین اثر کاهنده را در سختی برشی و مقاومت برشی نهائی آن خواهد داشت. لذا در صورت قرار گیری بازشو در دیگر قسمتهای ورق فولادی، می توان از همان روش و روابط ارائه شده برای کاهش مقاومت و سختی ورق در محاسبات با اطمینان استفاده نمود.

۲-۱۰ کاهش مقاومت برشی نهایی ورق فولادی در پانل برشی با بازشو

۲-۱۱ کاهش سختی برشی ورق فولادی در پانل برشی با بازشو دایره ای

۲-۸- دیوارهای برشی فولادی تقویت شده
‏در دیوارهای برشی فولادی معمولا به دو علت عمده زیر از تقویت استفاده می شود :
جلوگیری از کمانش ورق فولادی در ناحیه الاستیک
بهبود منحنی های هیسترزیس برای افزایش جذب انرژی
برای جلو گیری ازکمانش ورق فولادی در ناحیه الاستیک و بهبود منحنی های هیسترزیس، یا می بایست ضخامت ورق تا حد زیادی افزایش یابد که بسیار غیر اقتصادی می باشد و یا باید ورق فولادی به کمک سخت کننده ها، تقویت شده و به تعدادی زیر صفحه تقسیم شود. ابعاد زیر صفحه ها و سختی تقویت کننده ها لازم است طوری طراحی گردند که ازکمانش کلی ورق فولادی وکمانش زیر صفحه ها در ناحیه الاستیک جلو گیری به عمل آید.
برخلاف دیوارهای برشی با ورق جان سخت نشده، دیوارهای برشی با ورق های سخت شده ‏قادرخواهند بود نیرو های فشاری قابل ملاحظه ای را در ورق جان توسعه دهند. بنابراین اعضای مرزی دیوارهای برشی فولادی سخت شده تحت اثر خمش زیادی قرار ندارند.
به بیان دیگر صلبیت ورق جان به اندازه ‏ای است که نیرو های قابل ملاحظه ای در محل اتصال ورق به اجزای مرزی ایجاد نمی شود. برای تضمین وقوع تسلیم قبل از کمانش و به تاخیر افتادن ناپایداری قطری ورق جان در این حالت لازم است. τ_cr تنش بحرانی ورق جان از τ_y تنش تسلیم ورق جان بیشتر باشد.
برای ورقی که تقویت کننده های عرضی و طولی در آن تعبیه شده است،. τ_cr از رابطه (۲-۱۵) تعیین می شود.
(۲-۱۵) τ_cr=(π^۲ E(5.34/(S_1^2 )+4/(S_2^2 )))/(12(1-ϑ^۲)t_w^2 )
براساس معیار فون میسز τ_y=F_y/√۳ می باشد، بنابراین t_min حداقل ضخامت ورق برای وقوع تسلیم قبل از کمانش از رابطه (۲-۱۶) به دست خواهد آمد
(۲-۱۶) t_min=√((۱۲(۱-ϑ^۲ ) F_y)/(√۳ π^۲ E(5.34/(S_1^2 )+4/(S_2^2 )) ))
که در آن :
s_1= فاصله کوتاهتر بین سخت کننده ها
s_2= فاصله بزرگتر بین سخت کننده ها
t_min= حداقل ضخامت جان برای وقوع تسلیم قبل از کمانش قطری
ϑ= ضریب پوآسون
چنانچه S_1=S_2=S باشد آن گاه رابطه (۲-۱۶) را می توان به صورت رابطه (۲-۱۷) بازنویسی کرد:
(۲-۱۷) S/t_w ≤۳.۸۲√(E/F_y )
در رابطه ( فوق )، S ‏ فاصله بین تقویت کننده ها و t_w حداقل ضخامت جان است.
‏چانچه تقویت کننده ها فقط در یک جهت تعبیه شوند، د‏ر این صورت حد نسبت لاغری جان برابر است با :
(۲-۱۸) S/t_w ≤۲.۸۸√(E/F_y )
در صورتی که جان ورق دیوار برشی ضوابط روابط (۲-۱۷‏) یا (۲-۱۸) را برحسب مورد ارضا کند آنگاه V_n ظرفیت برشی اسمی جان چنین است:
(۲-۱۹) V_n=0.6F_y t_w L_cf

L_cf = فاصله آزاد بین بالهای عضو مرزی قائم
I_st حداقل ممان اینرسی تقویت کننده ها برابر است با :
(۲-۲۰) I_st≥at_w^3 j
که در آن
(۲-۲۱) j=2.5(h/a)^2-2≥۰.۵
در رابطه فوق h فاصله بین بال ها و a فاصله بین تقویت کننده های میانی می باشد.
‏چون اجزای مرزی قائم مانند بال های تیر ورق عمل می کند، در این صورت ابعاد ‏اعضای قائم در تیر ورق مانند اعضای افقی
در دیوارهای برشی فولادی خواهد بود. S_(x ) ‏ فاصله بین تقویت کننده های قائم به جای h و a فاصله بین تقویت کننده های افقی در روابط (۲-۲۰‏) و (۲-۲۱) استفاده ‏می شود.
هنگامی که تنها تیرها نقش سخت کننده را در دیوار برشی فولادی برعهده داشته باشد، آن گاه a/S_x یا a/h مقدار بزرگی خواهد داشت و در این صورت از عملکرد حوزه کشش نمی توان در طراحی دیوار برشی استفاده کرد.
به عبارت دیگر کمانش برشی در دیوار برشی توسط ضریب C_v تعیین می شود. C_v نسبت تنش بحرانی به تنش تسلیم می باشد.
برای دیوار برشی فولادی که توسط تیرهای قوی در بام و کف مهار شود استفاده از حوزه کشش مجاز می باشد.

σ_tf تنش کششی در ورق جان به صورت محافضه کارانه ای از رابطه (۷-۳) بدست می آید :
(۲-۲۲) σ_tf=R_y F_y (1-C_v )
در رابطه فوق، R_y F_y تنش تسلیم مورد انتظار فولاد ورق جان است.
σ_tf برای محاسبه مقاومت مورد نیاز ورق جان که تحت اثر ترکیبات نیرو های زلزله و سایر نیروها قرار دارد به کار می رود.
ضابطه مشخصی برای زاویه ای که در آن عملکرد میدان کشش در ورق جان دیوار برشی شکل می گیرد در دست نیست. بنابراین زاویه γ که ابتدا در آن امتداد میدان کشش در تیر ورق توسعه می یابد وزاویه α تعیین می شوند و هر کدام نیروی بیشتری حاصل کردند ملاک محاسبه خواهند بود.
(۲-۲۳) tan^4 α=(۱+(t_w L)/(2A_c ))/(1+t_w h(1/A_b +h^3/(360I_c L)) )
(۲-۲۴) tanγ=S_x/a
γ زاویه میدان کشش با راستای قائم در ورق پرکننده دیوار برشی است.

شکل ۲-۱۲ دیوار برشی سخت شده با تقویت های افقی و قائم

σ_۱۱ برای زوایای α و γ توسط روابط زیر بدست می آید :
(۲-۲۵-الف) σ_۱۱≤R_y F_y (1-C_v ) cos^2 α
(۲-۲۵-ب)


دیدگاهتان را بنویسید