|
نتایج آزمایشات انجام شده بر روی دو نمونه از دیوارهای برشی مرکب
هدف اصلی این پروژه آزمایشگاهی، انجام آزمایش های بارگذاری تناوبی بر روی دو
نمونه از دیوارهای برشی مرکب می باشد تا نظرات و توصیه های طراحی و مدل سازی بهبود
پیدا کند . دو نمونه دیوار برشی مرکب، سیستم با بر جانبی ترکیبی می باشند که در آن
ها دیوار برشی مرکب در میان قاب خمشی قرار گرفته اند.
تنها تفاوت میان دو نمونه دیوار پیشنهاد شده در این مقاله این است که در یکی از
نمونه ها یک درز بین دیوار بتنی و تیرها و ستون های اطراف پانل آن وجود دارد ولی در
نمونه دیگر هیچ درزی وجود ندارد و بتن به طور مستقیم در معرض بارهای وارده از تیرها
و ستون های اطراف پانل می باشد . همانگونه که در ادامه نشان داده می شود، همین
تفاوت به ظاهر ساده، منجر به تفاوت قابل توجهی در عملکرد دیوار همانند شکل پذیری و
کاهش آسیب پذیری شده است.
شکل( ٥) نمایی از دیوارهای برشی مرکب با درز و بدون درز
نمونه های آزمایشی
نمونه های آزمایش عبارت هستند از یک قاب دو طبقه یک دهانه که با مقیاس 0.5
ساخته شده اند. نمونه ها خواص مشابه و یکسانی دارند به جز اینکه یکی از نمونه ها
دارای درزی به اندازه 1.25 اینچ اینچ بین دیوار بتنی و تیرها و ستونهای فولادی
تعبیه شده است. ورق فولادی مورد استفاده در نمونه ها از نوع A36 است . تیرها و
ستونها از نوع فولاد A572 هستند . دیوار بتنی در نمونه ها یک دیوار بتنی پیش ساخته
است که به وسیله پیچهای A325 با قطر 0.5 اینچ به ورق فولادی متصل شده است.
بتن مورد استفاده در نمونه ها دارای Fc=4000 psi می باشد. دیوار بتنی پیش ساخته در
آزمایشگاه قالب گیری و ساخته شد و اتصالات تیر به ستون در نمونه ها از نوع اتصالات
خمشی است.
دستگاه آزمایش
اجزای اصلی استفاده شده در پروژه عبارتند از یک موتور محرک برای بارگذاری تا
1500kips یا 750ton ، یک تیر تحت بارگذاری در بالا و یک تیر تکیه گاهی در پایین که
به بلوک های تکیه گاهی متصل است . و نیز تیری در ارتفاع میانی که صفحه فولادی را از
هر دو طرف مهار کرده است. مهاربندی ها برای شبیه سازی اثرات مهاری طبقات در سازه
حقیقی اضافه شده است.
شکل ( ٦) نمایی از نمونه تحت آزمایشچ
 شکل ( ٧) دستگاه آزمایش
رفتار نمونه ها
ترتیب بارگذاری بر اساس ضوابط لرزه ای آیین نامه AISC اعمال شد است. ترتیب
بارگذاری بر حسب تغییر شکل نسبی نمونه ها که از تقسیم تغییر مکان افقی قسمت فوقانی
نمونه که توسط موتور محرک اندازه گیری می شود بر ارتفاع کل نمونه ها به دست می آید
تعیین می گردد.
خلاصه ای از رفتار نمونه ها تهیه شده :
|
نمونه اول ( دیوار برشی مرکب با درز) بسیار انعطاف پذیر و
مطلوب |
| Drift |
توضیحات |
| 0.044 |
حداکثر تغییر شکل نسبی |
| 0.004 |
خطوط تسلیم ناچیزی در قسمت پایه نمونه مشاهده شد و در مرحله الاستیک
باقی ماند. |
| 0.006 |
نمونه، تسلیم هر سه تیر افقی و تا حدودی تسلیم پایه ستون را نشان داد.
همانگونه که محاسبات پیش بینی میکرد و در عمل نیز مشاهده شد، مقدار تغییر
شکل نسبی 0.06 برای نقطه تسلیم به ثبت رسید. نیروی برشی به هنگام تسلیم در
حدود 300kips ثبت شد. |
| 0.012 |
دیوار برشی فلزی تا حدودی دچار کمانش موضعی در راستای فشار قطری و
تسلیم در راستای کشش قطری شد. در حالیکه پانل بتنی شروع به جدا شدن از قاب
ها و از جا در آمدن و کنده شدن از پانل فولادی کرد. آسیب وارد شده به دیوار
بتنی بسیار کم و به شکل ترکهای مویین بود. |
| 0.024 |
تیرهای میانی و تحتانی نمونه در قاب فلزی شروع به افزایش کمانش موضعی
بال و جان در نزدیکی اتصالات خمشی تیر به ستون کردند. ضمنا پانل بتنی در
طبقه دوم دچار ترکهای قطری شد. |
| 0.03 |
نخستین شکست پانچ ( سوراخ شدگی) در پیچهای بین دیوار فولادی و دیوار
بتنی اتفاق افتاد و دیوار فولادی شروع به ترک برداشتن در گوشه ها کرد. در
طول این چرخه، نمونه به حداکثر مقدار مقاومت برشی خود که حدود
625kips می باشد، دست یافت. |
| 0.036 |
دیوار های بتنی ترک های بزرگی برداشتند و در گوشه ها خرد شدند. همه
تیرها دارای کمانش های موضعی قابل توجهی در نزدیکی اتصالات خمشی، در جان و
بال خود شدند و اولین شکست در ناحیه جان تیر، در قسمت انتهای سمت چپ تیر
میانی رخ داد.و در ستون ها یک مفصل پلاستیک ایجاد شد که تا نیمه ای از طبقه
دوم هم ادامه یافت. |
| 0.042 |
در حدود 10 % کل پیچ هایی که صفحات فولادی را به دیوارهای بتنی متصل می
کردند، یا شکستند و یا به درون صفحات فولادی فرو رفته و آن ها را سوراخ
کردند. دیوار بتنی بالایی در حدود 4 اینچ از محل اولیه خود، در نواحی
محیطی، بالاتر آمدند و یک شکل بشقابی را پدید آوردند. شکست ها از ناحیه ای
که کمانش موضعی با تیرها رخ داده بود شروع شده و گسترش یافتند. در طول این
چرخه نمونه به شکل یک صفحه فولادی که از گوشه ها دچار شکست شده باشد، از
بین رفت. در نتیجه این تخریب، بار و نیروی برشی وارد به نمونه در حدود %20
کاهش یافت. از آن جایی که ظرفیت نمونه در این زمان کمتر از 80 % حداکثر
ظرفیتش بود، نمونه عملا تخریب شده به حساب می آمد، اما با این حال آزمایش
ادامه پیدا کرد. |
| 0.044 |
کمانش موضعی بال ستونها و شکست جان کلیه تیرها به شکلی واضح وجود داشت.
هنگامی که بخش عمده ای از دیوار بتنی تخریب و خرد شد، شکست شدیدی در نزدیکی قسمت جنوبی – میانی
اتصالات خمشی دیوار فولادی اتفاق افتاد. نمونه در طول این چرخه نیز 20 % دیگر از ظرفیت برشی
خود را از دست داد. |
|
نمونه دوم ( دیوار برشی مرکب بدون درز ) نسبت به نمونه اول
رفتاری با شکل پذیری کمتر |
| Drift |
توضیحات |
| 0.042 |
حداکثر تغییر شکل نسبی |
| 0.004 |
نمونه در حالت الاستیک باقی مانده و تنها خطوط تسلیم جزیی در پایین جان
تیرها مشاهده شد. |
| 0.006 |
تسلیم فولاد در جان تیرهای تحتانی و میانی و همین طور در صفحات زیر
ستون مشاهده شد. این مقدار تغییر شکل به عنوان نقطه تسلیم نمونه ثبت شد.
محاسبات غیر الاستیک پیش از انجام آزمایش نیز پیش بینی می کردند که نقطه
تسلیم منتاظر با Drift=0.006 باشد. مقدار بار
وارده در هنگام تسلیم برابر با 440kips بود که
نسبت به نمونه اول 40 % بیشتر است. |
| 0.012 |
بعضی از نقاط گوشه ای و محیطی پانل های دیوار های فلزی دچار تسلیم
شدند، اما هیچ گونه کمانشی قابل تشخیص نبود. دیوار بتنی با فاصله ای به
اندازه 0.25 اینچ شروع به جدا شدن از قاب ها کرد در حدود 0.5 اینچ از پانل
فولادی نیز بلند شد. تسلیم همه جانبه در جان تیر و کلاهک برشی رخ داد |
| 0.018 |
پانل های بتنی شروع به ترک برداشتن در اطراف کناره ها و قسمت های میانی
کردند و پانل فولادی دچار کمانش واضحی شدند. خطوط تسلیم قطری و عمودی در
نزدیکی اتصالات خمشی تیر به ستون مشاهده شد. یک پیچ مقاومت برشی خود را از
دست داد و دچار شکست شد. |
| 0.03 |
نخستین شکست پانچ ( سوراخ شدگی) پیچهایی که صفحات فولادی را به دیوار
بتنی متصل میکنند، رخ داد و در این زمان در ناحیه گوشه های صفحه های فولادی
ترک خوردگی ایجاد شد. نمونه به حداکثر مقدار مقاومت برشی خود که حدود
625kips بود رسید. |
| 0.036 |
دیوارهای بتنی در هر دو طبقه ترک های بزرگی برداشتند و در قسمت های
گوشه دچار شکست شدند. هر سه تیر افقی در اطراف اتصالات خمشی دچار کمانش
شدید موضعی در بال و جان شدند و نخستین شکستگی در جان تیر میانی و در
انتهای سمت راست آن اتفاق افتاد. در این زمان در ستونها مفصل پلاستیک ایجاد
شد و تا نیمه طبقه دوم ادامه یافت. |
| 0.042 |
بیش از 20 % کل پیچ های بین پانل فولادی و پانل بتنی یا شکسته شدند و
یا به درون دیوار فولادی فرو رفتند. پانلهای بتنی فوقانی در حدود 4 اینچ از
جای خود بالا آمده اند. شکستگی ها از نقاطی که بال تیر دچار کمانش موضعی
شد، رخ داد و گسترش یافت. نمونه بیش از 20 % مقاومت برشی خود را از دست داد
و نمونه عملا تخریب شده محسوب می گردد. |
| 0.044 |
کمانش موضعی در بال ستون ها و شکستگی در جان تمامی تیرها به وضوح وجود
داشت. در نزدیکی اتصالات خمشی در قسمت جنوبی – میانی پانل دیوار فولادی،
شکستگس های شدیدی وجود داشت. همچنین دیوار برشی فولادی فوقانی از ستون سمت
راست جدا شد. دیوار بتنی در هر دو طبقه قطعه قطعه شدند. |
شکل ( ٨) نماهایی از رفتار لرزه ای تحت بارگذاری تناوبی دو نمونه آزمایشگاهی
نتایج آزمایش و مقایسه دو نمونه آزمایش با یکدیگر
نتایج و اطلاعات زیادی از این آزمایشات به دست آمده و یکی از نتایج مهم، نمودار
تغییر شکل نسبی تحت نیروی برشی برای نمونه ها بود. این نمودارها اطلاعات ارزشمندی
را در مورد سختی، مقاومت، شکل پذیری و ظرفیت توزیع انرژی سیستم به دست می دهد. همه
این پارامترها در طراحی و تحلیل سازه ها بسیار مهم هستند. هر دو نمونه قادر به
رسیدن به تغییر شکل نسبی بیش از 4% را بدون کاهش مقاومت دارا می باشند و هر دو
قادرند وقتی که مقاومتشان در حدود 80 % بیشینه مقاومت می رسد، دست کم به تغییر شکل
نسبی 5% برسند.
حداکثر مقاومت دیوار بدون درز تا اندازه ای بیشتر از مقاومت نمونه با درز بود. این
موضوع مورد انتظار بود. زیرا در نمونه بدون درز، از ابتدای آزمایش بتن در معرض بار
ستون و تیر قرار داشت و مقاومت آن به مقاومت برشی کل اضافه می شد. با این حال، نکته
جالب آن است که دیور بتنی حتی وقتی که در انتقال برش شرکت می کرد، مقدار ظرفیت برشی
را به طور قابل توجهی افزایش نمیداد و سختی نمونه بدون درز در اطراف بتن به اندازه
کمی بیشتر از سختی نمونه با درز است. و به نظر می رسد که مشارکت دیوار بتنی در
مقاومت برشی مقدار زیادی به مقدار سختی سیستم نمی افزاید.
منابع
مجموعه مقالات پروفسور آستانه اصل در مورد دیوارهای برشی فلزی:
- Seismic Behavior and Design of Steel Shear Walls.
- Experimental and Analytical Studies of Composite Shear Walls.
- Cyclic Behavior of Traditional and an Innovative Composite Shear Walls.
- Seismic Behavior and Design of Composite Steel Plate Shear Walls. |
مقالات