تأثیر فولاد نرم و تغییرات ورق و بررسی ضخامت و جهت قرارگیری الیاف در شکل پذیری. و مقاومت نهایی دیوارهای برشی فولادی نیمه مقید تقویت شده با الیاف پلیمری شیشه (GFRP)
فولاد نرم-نوع جدیدی از دیوارهای برشی فولادی که دیوار برشی فولادی نیمه، مقید نامیده میشود برخلاف دیوار برشی فولادی سنتی. که ورق فولادی به ستونهای اصلی سازه متصل است، ورق فولادی به ستونهای فرعی.که وظیفه نیروهای پس کمانش ورق را دارند متصل میشود. برای بهبود عملکرد دیوار برشی فولادی نیمه مقید میتوان از الیاف پلیمری استفاده کرد. این مقاله، تأثیر تنش تسلیم و ضخامت ورق و هم چنین ضخامت و جهت قرار گیری الیاف. بر دیوار برشی فولادی نیمه مقید تقویت شده با الیاف پلیمری از جنس شیشه (GFRP) را مورد بررسی قرار میدهد.
نتایج نشان میدهد استفاده از ورق با تنش تسلیم پایین در سیستم دیوار برشی فولادی نیمه مقید تقویت شده. با الیاف، رفتار سیستم را بهبود بخشیده و جذب انرژی و شکل پذیری را افزایش می دهد. افزایش ضخامت ورق، سختی داخلی را افزایش داده و در افزایش مقاومت نهایی نسبت به افزایش تنش تسلیم مؤثرتر است. همچنین پارامترهای لرزه ای سیستم پیشنهاد شده با افزایش ضخامت الیاف، تا حد بهینه افزایش می یابند.
مقدمه
دیوار برشی فولادی SSw شبیه یک تیر ورق است که به صورت قائم. در تمام ارتفاع ساختمان قرار داده شده است. استفاده از دیوار برشی فولادی. به علت سختی و شکلپذیری بالا و پایداری حلقه های هیسترزیس. به عنوان سیستم مقاوم لرزه ای در تمام دنیا در حال افزایش است. تعداد زیادی از محققان در جهان مثل Driver -Elgaaly-Astaneh و Sabouri-Ghomi و همکارانش، تمرکز تحقیقاتشان. را بر روی رفتار دیوار برشی فولادی قرار داده اند و بررسی های تئوری و آزمایشگاهی فراوانی انجام داده اند. سختی، شکل پذیری و جذب انرژی مناسب دیوارهای برشی فولادی. باعث شده است تا بعنوان یک سیستم باربر جانبی کار آمد مورد استفاده قرار گیرد.
فولاد نرم
در رابطه با سه پارامتر ذکر شده به عنوان پارامترهای لرزه ای. یک سیستم باربر جانبی، نیز، محققین زیادی به مطالعه و پژوهش پرداختند. اساس ایده دیوار برشی فولادی استفاده از رفتار پس کمانشی ورق می باشد. که تنش زیادی به ستونها وارد میکند بنابراین برای جلوگیری از تغییر شکلهای بزرگ ستون. و فرو ریختن سازه باید از ستونهای قوی استفاده کرد که این امر موجب غیر اقتصادی شدن سیستم میشود. محققین برای رفع این مشکل پیشنهاداتی را ارائه کرند.Xue. و Lu برای اولین بار در یک تحقیق عددی در سال 1994 شکل دیوار برشی فولادی. را طوری در نظر گرفتند که لبه های ورق دیوار آزاد بوده و به ستونها. متصل نشود و بدین ترتیب میدان کشش از ورق به ستون ها منتقل نگردد.
آنان نتیجه گرفتند که اگر ورق فقط به تیرها متصل شده باشد، اقتصادی ترین سیستم حاصل شده. و در عین حال سازه دارای رفتاری مناسب می باشد. Driver و همکارانش در سال 2001 پیشنهاد دادند. که ورق دیوار به همراه اعضای مرزی خود با تیرهای واسطه ای که در تراز تیرهای اصلی هستند،. به اعضای قالب متصل شوند. آنها تأکید کردند،. اگرچه ستون را میتوان طوری طراحی کرد که هم در برابر بارهای جانبی. (مهار میدان کشش و نیروهای داخلی اعضای قاب به سبب بار جانبی) و هم. برای بارهای قائم مقاوم باشد، اما جدا کردن این دو حالت میتواند سودمند باشد. در ادامه سیستم جدیدی توسط Moharrami و همکارانش پیشنهاد شد که دیوار برشی فولادی نیمه مقید SSSSw نام داشت.
در این نوع از دیوار برشی فولادی، ورق فولادی به ستونهای اصلی قاب که وظیفه تحل بار ثقلی را دارند. متصل نیست، بلکه به ستون های ثانویه ای وصل است که تحت بار قائم قرار ندارند. بعدها Jahanpour و همکارانش ظرفیت باربری نهایی این سیستم را مورد ارزیابی قرار دادند. از سوی دیگر مطالعات اخیر نشان میدهد الیاف تقویت شده پلیمری (FRP) با افزایش. مقاومت نهایی، سختی و شکل پذیری برای بهبود پارامترهای لرزه ای. سازه های فلزی آسیب دیده و یا غیر استاندارد مناسب هستند. الیاف FRP تا نقطه گسیختگی رفتار خطی از خود نشان می دهند. که این امر میتواند سبب افزایش سختی و مقاومت نهایی سازه شود.
برای بهبود رفتار دیوار برشی فولادی نیمه مقید میتوان از الیاف پلیمری شیشه GFRP استفاده کرد. این مقاله با کمک نرم افزار ABAQUS به بررسی پارامترهای لرزه ای دیوار برشی فولاد نیمه مرکب. با الیاف CSSSSW می پردازد و در کنار آن تأثیر ضخامت ورق فولادی، استفاده از فولاد. با تنش تسلیم پایین LYP ضخامت الیاف پلیمری و جهت قرار گیری لایه ها را نیز مورد بررسی قرار میدهد. نتایج نشان میدهد استفاده از فولاد LYP در سیستم پیشنهادی مناسب بوده. و آن را به سمت شکل پذیری و جذب انرژی بالا سوق میدهد، بعلاوه افزایش ضخامت.ورق فولادی بیش از افزایش تنش تسلیم فولاد در پارامترهای لرزه ای مؤثر است. هم چنین با افزایش ضخامت لایه های GFRP. تا حد بهینه میتوان ظرفیت برشی سیستم و شکل پذیری آنرا افزایش داد.
تحلیل عددی – فرضیات اساسی در تحلیل
مدلسازی های انجام شده برای بررسی تأثیر ضخامت و تنش تسلیم ورق. و همچنین تأثیر ضخامت و جهت قرار گیری الیاف در سیستم CSSSW انجام شده است.
برای تقویت کلیه سیستم ها در هر سمت ورق از تعداد 5 لایه 1 میلیمتری الیاف پلیمری. در فواصل یکسان در هر یک از راستاهای قطری ورق استفاده شده است. مشخصات مکانیکی الیاف پلیمری در مدلهای المان محدود ذکر شده و میزان تنش و کرنش آنها نشان داده شده است.
در تحلیل های پوش آور رفتار الیاف پلیمری به صورت لایه ای و کامپوزیت در نظر گرفته میشود. هم چنین به جهت ساده سازی مدلهای عددی در نرم افزار، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است.
1- رفتار لایه های GFRP الاستیک خطی در نظر گرفته میشود.
2- هیچ لغزشی در محل چسبندگی بین لایه های GFRP و فولاد وجود ندارد.
3- الیاف پلیمری و ماده چسبنده در مدل المان محدود، هر دو بعنوان یک لایه در نظر گرفته میشوند.
4- تئوری فون مایزز Von Misses بدلیل دقت بالا در مدلسازیها استفاده شده است.
5-از حرکت خارج از صفحه ستونها در تمامی مدلها جلوگیری شده است.
6-فولاد مورد استفاده دارای رفتار غیر خطی است (رفتار دو خطی).
روش مطالعه
برای مدل کردن آنالیز الاستیک غیر خطی المان محدود، از نرم افزار ABAQUS نسخه 6.5.1 استفاده شده است. برای مدل کردن ورق، تیر و ستون از المان Solid از نوع سه بعدی 10 گرهی C3D10. و برای مدل کردن لایه های GFRP از المان S4R. (المان پوسته ای 4 گره ای با انتگرال کاهش یافته) استفاده شد.
صحت سنجی مدل
بمنظور صحت سنجی نتایج بدست آمده از نرم افزار، این نتایج با نتایج نمونه ساخته شده. توسط محرمی در مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن مورد مقایسه قرار گرفته است. سازگار بسیار مناسبی بین نتایج بدست آمده برقرار است.
مشخصات مکانیکی مدل مورد آزمایش توسط محرمی و همکاران ارائه شده است.
مدلسازی های انجام شده
نمونه ساخته شده توسط محرمی و همکارانش بعنوان مدل اولیه S در نظر گرفته شد. در این مقاله سعی شده است تا از خاصیت بالا بودن مقاومت کششی نهایی. و هم چنین پایین بودن مدول الاستیسیته الیاف. در مقایسه با فولاد استفاده و این مواد بعنوان عضو کمکی در کنار ورق فولادی برای تحمل بارهای جانبی. استفاده شود هم چنین تأثیر این تسلیح در ضخامتهای متغیر ورق و الیاف،. تنش های متفاومت ورق فولادی و طرز قرارگیری الیاف نیز مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور مدلسازیهایی طبق جداول موجود در تحقیق انجام شده است.
تحلیل و نتایج
نتایج بدست آمده برای مدلهای مختلف ارائه شده، نتایج برای ورق با ضخامت و تنش تسلیم متفاومت. با و بدون الیاف و هم چنین تأثیر ضخامت و جهت قرارگیری الیاف. بر روی مقاومت و شکل پذیری دیوارهای برشی فولادی نیمه مقید در لبه ها ارائه شده اند. زاویه قرار گیری الیاف به صورت صفر درجه.(افقی)- 90 درجه (عمودی) و 45 درجه است که مدل آن ترسیم شده است.
تأثیر تغییرات تنش تسلیم ورق بر مقاومت نهایی، جذب انرژی شکل پذیری به ترتیب نشان داده شده اند. میتوان فهمید که با افزایش تنش تسلیم در ورق مقاومت نهایی به صورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد. (هرچه تنش تسلیم ورق بیشتر میشود مقاومت نهایی آن نیز بیشتر میشود). و با مسلح کردن ورق با الیاف این روند. تغییر نمی کند و شیب مانند قبل ثابت می ماند ولی تسلیح با افزایش مقاومت کششی سیستم سبب می شود.
مقادیر مقاومت نهایی نظیر به نظیر برای هر مدل به طور میانگین 59 درصد افزایش یابند. با افزایش تنش تسلیم ورق، تأثیر تغییر انرژی جذب شده، همانند. تغییر در مقاومت نهایی بوده و با افزایش تنش تسلیم در ورق،. انرژی جذب شده، بصورت خطی با شیب ثابت، افزایش می یابد. و با مسلح کردن ورق با الیاف این روند تکرار میشود. با افزایش انرژی ورق و نه قاب، مقادیر انرژی جذب شده، نظیر به نظیر برای هر مدل. به طور میانگین 40 درصد افزایش یابد. با افزایش تنش تسلیم در ورق، شکل پذیری به صورت خطی. با شیب ثابت کاهش می یابد و با مسلح کردن ورق با الیاف این روند تکرار میشود.
فولاد نرم
نتایج مربوط به تغییر ضخامت ورق بر سه پارامتر مقاومت نهائی، جذب انرژی و شکل پذیری نشان داده شده اند. با افزایش ضخامت ورق مقاومت نهایی به صورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد. در مدل های مسلح شده نیز با افزایش ضخامت ورق مقاومت نهایی افزایش می یابد. با این تفاوت که در این حالت شیب این افزایش به ازای افزایش ضخامت ورق،. ثابت نیست و با اضافه شدن ضخامت ورق از 1 به 2 میلیمتر، جهش چشمگیری در افزایش مقاومت. در مدلهای مسلح شده مشاهده میشود. با افزایش ضخامت ورق انرژی جذب شده، افزایش می یابد. و با افزایش ضخامت ورق از 4 میلیمتر به 5 میلیمتر،. تأثیر افزایش ضخامت در افزایش انرژی جذب شده کاهش می یابد،. به عبارت دیگر با افزایش ضخامت از حد بهینه، تأثیر این پارامتر در افزایش انرژی جذب شده کاهش می یابد.
فولاد نرم
در مدلهای مسلح شده نیز با افزایش ضخامت، انرژی جذب شده افزایش می یابد. با این تفاوت که به ازای افزایش ضخامت ورق از 1 به 2 میلیمتر جهش چشمگیری در افزایش. انرژی جذب شده در مدلهای مسلح شده مشاهده میشود همچنین در مدلهای مسلح شده روند توضیح داده شده. در افزایش ضخامت از 4 میلیمتر به 5 میلیمتر ملاحظه میگردد و در این حالت. با کاهش نسبت ضخامت الیاف به ضخامت ورق، تأثیر افزایش ضخامت در افزایش انرژی جذب شده کاهش می یابد،.
فولاد نرم
بعبارت دیگر با افزایش ضخامت از حد بهینه، تأثیر این پارامتر در افزایش انرژی جذب شده کاهش می یابد. با انجام مدلسازی های بیشتر میتوان این نسبت بهینه را پیدا کرد. تغییر ضخامت ورق و افزایش تدریجی آن تأثیر یکنواختی در شکل پذیری ندارد و با افزایش ضخامت. از 1 به 2 میلیمتر شکل پذیری افزایش می یابد، با افزایش ضخامت ورق. از 2 به 3 و از 3 به 4 میلیمتر تقریباً شکل پذیری ثابت می ماند. و با افزایش ضخامت از 4 به 5 میلیمتر کاهش شکل پذیری مشاهده میشود. با تسلیح ورق به کمک الیاف این روند تکرار میشود با این تفاوت که شکل پذیری مدلها. به طور میانگین 15 درصد کاهش می یابد.
نتایج بدست آمده برای تغییرات الیاف و جهت قرار گیری آن نشان داده شده است. با افزایش ضخامت الیاف مقاومت نهایی در حالتی که طرز قرار گیری الیاف. به شکل ضربدری می باشد، با توجه به اینکه راستای الیاف هم راستا با میدان کششی قطری بوده،. بیشترین تأثیر را داشته و به ازای قرارگیری الیاف به شکل افقی در یک سمت و عمودی در سمت دیگر کمترین تأثیر را در بر خواهد داشت. با افزایش ضخامت الیاف با توجه به افزایش نسبت ضخامت الیاف به ضخامت ورق، انرژی جذب شده تقریباً به صورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد،.
انرژی جذب شده تقریباً بصورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد، با توجه به نمودار مشخص میشود که انرژی جذب شده در حالتی که طرز قرار گیری الیاف به شکل ضربدری می باشد با توجه به اینکه راستای الیاف هم راستا با میدان کششی قطری بوده، بیشترین تأثیر را داشته و بهینه ترین حالت را دارد. هر چند افزایش ضخامت الیاف در افزایش مقاومت نهای و افزایش انرژی جذب شده مفید است. اما این تغییر در شکل پذیری تأثیر سو داشته و با افزایش ضخامت الیاف، شکل پذیری کاهش می یابد، لذا بهترین ضخامت را باید با در نظر گرفتن همزمان مقاومت نهایی، انرژی جذب شده و شکل پذیری یافت. شکل پذیری در حالتی که طرز قرار گیری الیاف به شکل ضربدری می باشد کمترین مقدار را نسبت به حالت های دیگر قرار گیری الیاف داراست.
منحنی های بار – تغییر مکان برای دیوارهای برشی فولادی نیمه مقید برای حالتهای تقویت نشده و تقویت شده، وقتی که ورق دارای ضخامت ثابت ولی تنش تسلیم های متفاوت است. برای ضخامت ثابت ورق، با افزایش تنش تسلیم هم در حالت تقویت شده و هم در حالت تقویت نشده، مقاومت و شکل پذیری سیستم در حال افزایش است.
منحنی های بار-تغییر مکان دیوار برشی فولادی نیمه مقید را در حالتهای تقویت شده و تقویت نشده برای ورق با ضخامت های متغیر و تنش تسلیم ثابت نشان میدهد.
منحنی های بار-تغییر مکان دیوار برشی فولادی نیمه مقید در حالت تقویت شده برای جهت های قرار گیری مختلف الیاف پلیمری شیشه. منحنی های بار-تغییر مکان دیوار برشی فولادهای نیمه مقید در حالت تقویت شده برای ضخامت های مختلف الیاف پلیمری شیشه را نشان میدهد.
نتیجه گیری
در مقاله اخیر تأثیر تقویت دیوار برشی فولادی نیمه مقید را الیاف پلیمری شیشه در ضخامت های متغیر و جهت های قرار گیری مختلف و هم چنین ضخامت و تنش تسلیم مختلف برای ورق دیوار مورد بررسی قرار گرفت. با افزایش تنش تسلیم در ورق، مقاومت نهایی به صورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد و با مسلح کردن ورق با الیاف این روند تغییر نمی کند و شیب مانند قبل ثابت می ماند ولی تسلیح با افزایش مقاومت کششی سیستم سبب می شود مقادیر نهایی نظیر به نظیر برای هر مدل به طور میانگین 59 درصد افزایش یاید با افزایش تنش تسلیم ورق، تأثیر تغییر انرژی جذب شده همانند تغییر در مقاومت نهایی بوده و با افزایش تنش تسلیم در ورق، انرژی جذب شده به صورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد.
فولاد نرم
(مساحت زیر منحنی بار-تغییر مکان افزایش یافته و باعث افزایش جذب شده می شود) و با مسلح کردن ورق با الیاف این روند تکرار میشود و شیب مانند قبل ثابت می ماند ولی تسلیح سبب میشود با افزایش جذب انرژی ورق و نه قاب، مقادیر انرژی جذب شده نظیر به نظیر برای هر مدل به طول میانگین 40 درصد افزایش یاد. هم چنین با افزایش تنش تسلیم در ورق، شکل پذیری به صورت خطی با شیب ثابت کاهش می یابد و با مسلح کردن ورق با الیاف این روند تکرار میشود.
بار افزایش ضخامت ورق، مقاومت نهایی بصورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد. در مدلهای مسلح شده نیز با افزایش ضخامت ورق مقاومت نهایی افزایش می یابد با این تفاوت که در این حالت شیب این افزایش به ازای افزایش ضخامت ورق، ثابت نیست و با اضافه شدن ضخامت ورق از 1 به 2 میلیمتر، جهش چشمگیری در افزایش مقاومت در مدلهای مسلح شده مشاهده میشود.با افزایش ضخامت ورق انرژی جذب شده افزایش می یابد و با افزایش ضخامت ورق از 4 به 5 میلیمتر با کاهش نسبت ضخامت الیاف به ضخامت ورق، تأثیر افزایش ضخامت در افزایش انرژی جذب شده کاهش می یابد،.
فولاد نرم
به عبارت دیگر با افزایش ضخامت از حد بهینه تأثیر این پارامتر در افزایش انرژی جذب شده کاهش می یابد. با انجام مدلسازی های بیشتر میتوان این نسبت بهینه را پیدا کرد. در مدلهای مسلح شده نیز با افزایش ضخامت، انرژی جذب شده افزایش می یابد با این تفاوت که به ازای افزایش ضخامت ورق از 1 به 2 میلیمتر جهش چشمگیری در افزایش انرژی جذب شده در مدلهای مسلح شده مشاهده میشود. تغییر ضخامت ورق و افزایش تدریجی آن تأثیر یکنواختی در شگل پذیری افزایش می یابد با افزایش ضخامت ورق از 2 به 3 و از 3 به 4 میلیمتر، تقریباً شکل پذیری ثابت می ماند و با افزایش ضخامت از 4 به 5 میلیمتر، کاهش شکل پذیری مشاهده میشود با این تفاوت که شکل پذیری مدلها به طور میانگین 15 درصد کاهش می یابد.
فولاد نرم
با افزایش ضخامت الیاف مقاومت نهایی افزایش می یابد، با توجه به نمودارها مشخص شد که مقاومت نهایی در حالتی که طرز قرار گیری الیاف به شکل ضربدری میباشد، با توجه به اینکه راستای الیاف هم راستا با میدان کشش قطری بوده بیشترین تأثیر را داشته و به ازای قرار گیری الیاف به شکل افقی در یک سمت و عمودی در سمت دیگر، کمترین تأثیر را در بر خواهد داشت.
فولاد نرم
با افزایش ضخامت الیاف با توجه به افزایش نسبت ضخامت الیاف به ضخامت ورق، انرژی جذب شده تقریباً به صورت خطی با شیب ثابت افزایش می یابد و در حالتی که طرز قرار گیری الیاف به شکل ضربدری می باشد بیشترین مقدار و بهینه ترین حالت را دارد هرچند افزایش ضخامت الیاف در افزایش مقاومت نهایی و افزایش انرژی جذب شده مفید است، اما این تغییر در شکل پذیری تأثیر سو داشته و با افزایش ضخامت الیاف شکل پذیری کاهش می یابد، لذا بهینه ترین ضخامت را باید با در نظر گرفتن همزمان مقاومت نهایی، انرژی جذب شده و شکل پذیری یافت. شکل پذیری در حالتی که طرز قرار گیری الیاف به شکل ضربدری می باشد. کمترین مقدار را نسبت به حالتهای دیگر قرارگیری الیاف داراست.
