Home / Back

 

 

رفتار زلزله‌اي

و طراحي ديوارهاي برشي فولادي

ترجمه : حميد رضا کاظمی

کارشناسی عمران دانشگاه فردوسی

مقدمه

تعدادي از مزاياي استفاده از ديوارهاي برشي با صفحات فولادي براي مقابله با بارهاي جانبي

گزارشات فولادي (TIPS)

موارد استفاده از ديوارهاي برشي فولادي و عملكرد لرزه‌اي آنها

آزمايش ديوارهاي برشي فولادي در آزماشگاهها

طراحي لرزه‌اي ديوارهاي برشي فولادي

نتيجه و كاربرد طراحي لرزه‌اي

 

مقدمه

سيستم‌هاي شامل ديوارهاي برشي صفحات فولادي ( ديوارهاي برشي ساخته‌شده از صفحات فولادي) در سال‌هاي اخير براي مقابله با بارهاي جانبي در بسياري از مناطق زلزله‌خيز استفاده شده است .شكل I دو نوع پايه‌اي از ديوارهاي برشي فولادي را نشان مي‌دهد؛ تقويت‌شده و تقويت‌نشده، بادهنه و بدون دهنه.

ديوارهاي برشي تقويت‌نشده در آمريكاي شمالي بسيار محبوب بوده‌اند در حاليكه در سال‌هاي اخيثر در ژاپن تقريباً همه ديوارهاي برشي فولادي استفاده شده از نوع تقويت‌شده بوده‌اند.

Top

تعدادي از مزاياي استفاده از ديوارهاي برشي با صفحات فولادي براي مقابله با بارهاي جانبي عبارتند از:

سيستمي كه به طور مناسب طراحي و تحليل شده باشد، بسيار چكش‌خوار ايت و ظرفيت توزيع انرژي نسبتاً بالايي دارد. در نتيجه ديوارهاي برشي فولادي مي‌توانند سيستم‌هاي مقاوم مؤثر به‌صرفه‌اي در مقابل بارهاي جانبي باشند.

سيستم شامل ديوارهاي برشي فولادي داراي استحكام ابتدايي نسبتاً زيادي هستند در نتيجه در برابر محدودكردن شيب بسيار كارآمد مي‌باشند.

در مقايسه با ديوارهاي برشي ساخته‌شده با بتن مسلح، ديوارهاي برشي فولادي بسيار سبكتر هستند كه منجر به تحمل وزن كمتر به وسيله فونداسيون و ستون‌ها مي‌شود، به دليل جرم كمتر سازه، بار لرزه‌اي كمتري نيز خواهيم داشت.

با استفاده از ديوارهاي برشي فولادي كه در كارخانه اتصالات آنها به هم جوش داده و پايه‌هايشان پيچ شده است، برپايي و هزينه ساخت و ساز را مي‌‌توان كاهش داد، بازرسي و كنترل كيفيت نتيجه شده در اثر استفاده از اين سيستم‌ها نيز كارآمدتر هستند.

بنا به ضخامت نسبتاً كم ديوارهاي برشي با صفحات فولادي در مقايسه با نوع ساخته‌شده از بتن مسلح، از ديدگاه معماري نوع اول فضاي بسيار كمتري را اشغال مي‌كند.

اگر از ديوارهاي برشي ساخته‌شده با بتن مسلح در ساختمان‌هاي چندطبقه استفاده شوند، ديوارهاي طبقات پائيني بسيار ضخيم مي‌شوند و فضاي زيادي از پلان طبقه را اشغال مي‌كنند.

مجدداً در مقايسه با ديوارهاي برشي با بتن مسلح، نوع ساخته شده آن از ضخامت فولادي، هنگامي كه براي تقويت لرزه‌اي يك ساختمان پيش‌ساخته به كار مي‌روند، بسيار راحتتر و سريع‌تر مي‌توان از آن‌ها استفاده كرد.

سيستم‌هايي كه در آن‌ها ديوارهاي برشي با صفحات فولادي به همراه اجزاء از پيش جوش داده و پيچ‌شده، ساخته مي‌شوند، كارآمدتر از نوع سنتي هستند. اين سيستم‌ها هم‌چنين در مناطق سردسيري كه سازه‌هاي بتني در دماهاي بسيار پايين اقتصادي نيست بسيار سودمند و اقتصادي مي‌باشند.

از سال 1970، ساختمان‌هاي مهمي به وسيله ديوارهاي برشي با صفحات فولادي در آمريكا و ژاپن طراحي و ساخته شده‌اند. براي اطلاعات بيشتر در مورد گزارشات فولادي (TIPS) مي‌توان به وب‌سايت www.aisc.org مراجعه كرد. اين اطلاعات به طور رايگان براي استفاده شخصي قابل بارگذاري (Download) مي‌باشند.

Top

گزارشات فولادي (TIPS) شامل:

مقدمه‌اي در باب ديوارهاي برشي فولادي و انواع آن

كاربرد ديوارهاي برشي فولادي در ساختمان‌ها و عملكرد لرزه‌اي اين ساختمان‌ها در برابر زلزله‌هاي بزرگ.

نتايج تحقيقات آزمايشگاهي ديوارهاي برشي فولادي

شرايط قانوني موجود و مطرح‌شده، مربوط به طراحي لرزه‌اي ديوارهاي برشي فولادي.

طراحي لرزه‌اي ديوارهاي برشي فولادي

ارائه‌ نمونه‌هايي از سيستم‌هاي اقتصادي و كارآمد ديوارهاي برشي فولادي مي‌باشند.

بخش‌هاي بعدي خلاصه‌اي از موارد بالا، به همراه اطلاعاتي كه در مورد آزمايشات بيشتري كه بعد از انتشار گزارشات فولادي (TIPS) بر روي ديوارهاي برشي فولادي انجام شده‌اند، ارائه مي‌دهند.

براي ارائه نظرات خود به نويسنده مقاله مي‌توانيد از آدرس پست الكترونيك

Astaneh @ ce.berkeley.edu استفاده نماييد.

Top

موارد استفاده از ديوارهاي برشي فولادي و عملكرد لرزه‌اي آنها

از سال 1970 تاكنون در تعدادي از ساختمان‌هاي ژاپن و ايالات متحده ديوارهاي برشي فولادي به كار رفته‌اند. اين موارد در گزارش (TIPS)Steel ، (Aaraneh –Asl,2001) ارائه شده‌اند.

دو نمونه از اين موارد در معرض زلزله‌هاي نستباً بزرگ قرار گرفته و عملكرد آن‌ها مشاهده شده است. اين دو ساختمان عبارتند از: بيمارستان 6 طبقه‌اي «سايلمار» (Sylaan) در لوس‌آنجلس كه در سال 1994 به وسيله زلزله«نرث‌ريدج» (Northnidge) و ديگري ساختمان 35 طبقه‌اي «كب» (Kobe) ژاپن كه در سال 1995 به وسيله زلزله كب لرزانده شده‌اند.

بيمارستان 6 طبقه‌اي در لس‌آنجلس، كاليفرنيا

اين ساختمان جايگزين بيمارستان «اليوويو» (Olive wiew) شده بود . بيمارستان اليوويو به وسيله بتن مسلح ساخته شده بود و در سال 1971 در زلزله «سن فرناندو» قسمت‌هايي از آن فرو ريخته شد كه بعداً ناچاراً به همين دليل تخريب شد.

در اين ساختمان بار ؟؟به وسيله يك قاب فضايي فولادي مهار مي‌شود. بار جانبي نيز به وسيله ديوارهاي برشي ساخته‌شده از بتن مسلح (در دو طبقه اول) و ديوار برشي با صفحات فولادي (در چهار طبقه بالايي) مقاومت مي‌شود.

عرض صفحه ديوار برشي فولادي در اين ساختمان 25 فوت، ارتفاع آن 5.5 فوت و ضخات صفحه‌اي ديوار 5,8 ¾ است.

همان‌طور كه در شكل 4 نشان داده شده است ديوارهاي داراي دهانه براي پنجره ؟؟تقويت‌كننده (قطعات تقويتي) مي‌باشند. صفحات فولادي به fin plates بر روي ستون‌ها پيچ شده‌اند. تيرهاي افقي همانند تقويت‌كننده‌ها كانال‌هاي دوتايي هستند كه به صفحات فولادي جوش داده شده‌اند تا فرم جعبه‌مانندي را (همان‌طور كه در شكل 4 نشان داده شده‌اند) شكل دهند.

بنا به نظر طراحان (Troye Richad 1990),(youssef , 2000) قسمت‌هاي دوتايي كانال‌هاي جعبه‌مانند براي شكل‌دادن گشتاوري اجزاء تقويت‌كننده در مرزهاي صفحات فولادي و براي افزايش قابليت تاب برداشتن (انعطاف) و رقات استفاده شده بود.

CSMIP بيمارستان سايلما را با وسايل زلزله‌سنج تجهيز كرده است. شكل شماره 5 اطلاعات ضبط‌شده به وسيله تجهيزات CSMIP نصب‌شده در ساختمان را در مدت زلزله 1994‌ «نرك‌ريدج» نشان مي‌دهد.

در هنگام زلزله شتاب در سقف ساختمان به 2.3g رسيد كه شتاب ثبت‌شده در كف 0.66g بود. تحقيقات در مورد ميزان خسارات وارده به اين ساختمان، در نتيجه زلزله 1994 «نرك‌ريدج» ( به وسيله نويسنده) نشان داد كه خسارات شديدي به بعضي از اجزاي غيرسازه‌اي‌ مانند سقف‌هاي معلق و سيستم آب‌پاش (براي اطفاء حريق) وارد شده است. اين خسارات در نتيجه شكستگي تعدادي از آب‌پاش‌ها و زير آب رفتن بعضي از طبقات بوده است. خسارات غيرسازه‌اي به روشني نشانگر سختي بالاي اين ساختمان بود كه مي‌تواند آن‌ها در نتيجه نسبتاً بالاي شتاب از طبقات پائيني به طبقات بالايي ساختمان نيز دانست.

ساختمان اداري 35 طبقه در كب ژاپن

يكي از مهمترين ساختمان‌هاي ساخته‌شده با ديوارهاي برشي فولادي در يك منطقه زلزله‌خيز بزرگ را مي‌توان ساختمان 35 طبقه‌اي در كب ژاپن دانست.

شكل6، پلان استخوان‌بندي و چارچوب اين ساختمان را نشان مي‌دهد نويسنده مقاله از اين ساختمان در حدود 2هفته بعد از زلزله بازديد نمود ولي خسارات قابل مشاهده‌اي را نيافت. اين ساختمان در سال 1988 ساخته شده بود و در سال 1995 در معرض زلزله «كب» قرار گرفت.

سيستم سازه‌اي در اين ساختمان شامل يك سيستم دوتايي از قاب‌هاي فولادي و ديوارهاي برشي مي‌باشد. ديوارهاي برشي در 3 طبقه زير زمين از بتن مسلح ساخته شده‌اند.

ديوارهاي طبقات اول و دوم ديوارهاي مركب هستند و در طبقات بالتر نيز ديوارها از نوع ديوارهاي برشي فولادي مي‌باشند. مطالعات بر روي اين ساختمان (AIJ ,1995) (Fujitaniet.al ,1996) نشان داد كه خسارات وارده جزئي مي‌باشند و شامل تاب‌برداشتن ديوارهاي برشي تقويت‌شده با صفحات فولادي در طبقه 26 و يك شيب دائمي در سقف 225 ميلي‌متري در جهت شمال و 35 ميلي‌متري در جهت غرب مي‌باشد. نتايج غير ايستايي اين سازه بعد از زلزله كه در منابع فوق منتشر شده است، نشان مي‌دهد كه سستي طبقات ممكن است در بين طبقات 24-28 ساختمان شكل گرفته باشد (AIJ , 1995).

بيشينه شيب در طبقات داخلي بين 107% در طبقه 24 و در قاب شمالي ـ جنوبي بود.

Top

«آزمايش ديوارهاي برشي فولادي در آزماشگاهها»

برخي از محققان در ايالات متحده، ژاپن، كانادا و انگلستان بر روي رفتار ديوارهاي برشي فولادي مطالعه كردند و آزمايش‌هايي نيز بر روي رفتار ادواري آنها توسط اين محققان به عمل آمده است. خلاصة قابل فهم‌تري از اين آزمايش در گزارش فولاد TIPS، (Astoneh-Asl,2001 a) كه قابل دسترسي در وب سايت www.aisc.org است، تهيه شده است.

در فصل بعدي آزمايشاتي كه اخيراً توسط A.Astaneh-Asl، Q.zhao در دانشگاه بريكلي كاليفرنيا انجام شده است، ارائه مي‌شود.

فعلاً دو پروژة مشابه تحقيقاتي در رشتة مهندسي عمران و محيط زيست از دانشگاه بريكلي كاليفرنيا در مورد ديوارهاي برشي وجود دارد. يكي از آنها در مورد ديوارهاي برشي مركب (Astouch – Asl, Zhao, 1998-2000) و ديگري در مورد ديوارهاي برشي با صفحات فولادي (Astandh-Asl, Zhao, 2000-2001) مي‌باشد. پروژة ديوارهاي برشي مركب تحت نظر سازمان ملي علوم مي‌باشد. اطلاعات بيشتر در مورد پروژة ديوارهاي برشي مركب را مي‌توان در (Astaneh-Asl, Zhao, 2001) يافت.

اطلاعاترفتار و طراحي ديوارهاي برشي مركب در يك نوك فولادي (Astaneh-Asl, 2001 b) نمايان خواهد شد.

در مطالب بعدي بحث ما به آزمايشات انجام شده بر روي ديوارهاي برشي با صفحات فولادي، در دانشگاه بريكلي محدود خواهد شد.

دو نمونه مورد ‌آزمايش قرار گرفتند، نمونه‌ها به اندازة اندازة واقعي بودند كه نمايانگر سيستم دوتايي ديوارهاي برشي فولادي – قاب گشتاوري (؟!) در ساختمان‌هاي چند طبقه بودند.

شكل 9 اين سيستم ديوار برشي فولادي را نشان مي‌دهد. تعدادي از سازه‌ها با اين نوع ديوارهاي برشي فولادي توسط (SWMB) طراحي شده‌اند. هدف اصلي از اين آزمايشات برقرار كردن رفتارهاي ادواري سيستم‌هاي شامل ديوار برشي فولادي، در حالي كه تيوپهاي پر از بتن را به عنوان المان فردي و ستون داخلي و تيرها به كار مي‌گرفتند بود. البته ديوارهاي برشي فولادي به عنوان سيسستم مقاوم در برابر بارهاي جانبي در نظر گرفته شده بودند.

پارامترهاي اصلي كه بررسي شدند عبارتند از: استحكام، مقاومت و نرمي، شكلپذيري (چكش خواري) تحت جابجايي‌هاي ادواري برشي. هم چنين رفتار وصله‌هاي متوسط پيچ شده همانند ساير مناطق اتصالي برقرار شد. (؟)

Top

نمونه‌ها به اندازة اندازة واقعي ديوارهاي برشي استفاده شده در ساختمان‌ها بودند.

نمونه‌ها بعد از تجهيز در شروع آزمايش مستقر مي‌شوند (شكل 8) و سپس در معرض جابجايي‌هاي ادواري برشي فزاينده قرار گرفتند تا زماني كه خرابي به صورت كاهش زياد مقاومت بروز كند.

زيرنويس شكل 9: اجزاء سازندة سيستم مورد آزمايش و وصلة پيچي

زيرنويس شكل 10: نمونه‌هاي آزمايشي در انتهاي آزمايش.

نمونة اول كه داراي ديوارهاي برشي با ديدگاه نسبي 1 (افقي) به z1

نمونه‌ها به صورت فيلي (نشكن) غير شكننده و به طرز مطلوبي رفتار كردند. تا زماني كه شيب طبقة داخلي حدوداً 0.6% بود هردو نمونه تقريباً ايست(ساكن) بودند. در اين تراز شيب، تعدادي از خطوط تسليم بر روي سطح ديوار همانند ستون WF (ستون بدون وزن) ظاهر شدند. هنگامي كه شيب طبقة داخلي به 22% رسيد فشردگي قطري در پانل‌هاي ديوار شروع به كمانش و حوزه‌هاي كششي قطري در حال تسليم بودند.

در اين تراز، در نمونه 1، ستون WF كمانش منطقه‌اي را گسترش داد.

نمونة 1، مي‌توانست 79 دور را تحمل كند كه 39 تا از آن‌ها غير ايستا بودند. قبل از رسيدن شيب طبقة داخلي به بيش از33% و ماكزيمم نيروي برش، نمونة 1 مي‌توانست 79 دور را تحمل كند كه 39 تا از آنها غير ايستا بودند.

در اين تراز شيب، تير رابطه طبقة بالاتر از قسمت سينة ستون (به خاطر سائيدگي گردش كم (؟) ترك خورد و نيروي برشي نمونه‌ها به 60% ظرفيت ماكزيمم رسيد.

نمونه z1 ، به دليل اين نقطه تسليمي مشابه، نمونة 6 و در نتيجة آن بارگذاري مشابهي با اين نمونه داشت به طرز مشابهي نيز عمل كرد. نقطة تسليم نمونة z1 در تراز شيب 0.007 بود. نمونه دوم مي‌توانست بيش از 29 دور را تحمل كندكه شامل 15 دور غير ايستا قبل از رسيدن به شيب 22% بود. در اين نقطه هنگامي كه بار در حدود 1240kips بود، تير رابط بالا شكست و بار تا حدود 750kips كاهش يافت.

در پايان هر آزمايش، بار جاذبه‌اي تحمل شده توسط سيستم تقريباً دست نخورده باقي ماند و تيوپ پر از بستن نيز صدمه‌اي متحمل نشد.

ديوارهاي برشي صفحه فولادي، برش شديدي (تسليم كننده‌اي) را بر روي تقريباً تمام سطحش تحمل كرده است.

ستون I شكل كه وزني را تحمل نمي‌كند، نيز تاب موضعي تسليم كننده‌اي در مفصل‌ها و شكستگي نهايي درون منطقة موضعي تاب برداشته، را تجربه كرد.

هرچند هيچكدام از اين وقايع به نظر نمي‌رسيد كه بر روي نيروي برشي سيستم تأثير گذاشته باشد. نمونه، برش بيشتري را پذيرفت، اگرچه ستون I شكل در حال تغيير شكل دادن و آسيب ديدن بود. نتايج كامل آزمايشات انجام شده بر روي ديوارهاي برش فولادي را مي‌توان در (Astaneh-Asl, Zhao 2001) يافت.

Top

«طراحي لرزه‌اي ديوارهاي برشي فولادي»

ظرفيت برشي ديوارهاي برشي فولادي را مي‌توان با استفاده از روش‌هاي مشخصات فني در (AISC 1999), AISC براي ظرفيت برشي شاهتير ورقي، برقرار كرد.

براي زمينة معادله‌ها و اين كه چرا چنين معادله‌هايي مي‌تواند براي ديوارهاي برشي مورد استفاده قرار گيرد، خواننده به راهنماي (SSRC 1998) SSRC تأليف «تئودور.وي گالمبوس» (Theodore.V.Galambos) و گزارش فولادي (Astaneh-Asl 2001) ارجاع داده مي‌شود. جزئيات بيشتر روش و بحث در اين مورد را كه قابل Down load كردن در دروب سايت www.aisc.org است را مي‌توان در گزارش فولاد (TIPS) (Astaneh-Asl,2001) يافت.

Top

«نتيجه و كاربرد طراحي لرزه‌اي»

براساس نتايج به دست آمده از آزمايشات كه در اينجا گزارش شده است و پيشرفت تكنولوژي خلاصه شده در گزارش فولاد (Astaneh-Asl, 2001) (TIPS) شرايط طراحي لرزه‌اي گسترش يافته و توسط نويسنده پيشنهاد مي‌شود. اين شرايط در 2 قسمت به عنوان ضميمه به اين مقاله پيوست مي‌شود. ضميمة I شامل شرايط مطرح شده براي برقراري بارهاي لرزه‌اي براي سيستم‌هاي شامل ديوارهاي برشي فولادي است.

ضميمة II شامل شرايط طرح شده براي طراحي لرزه‌اي ديوارهاي برشي فولادي است. اين ضميمه هم‌چنين شامل شرايطي ديگري همانند مقررات (شرايط) طرح جزئيات اجرايي براي فراهم آوردن سفتي مطلوب براي چگونگي برپا كردن ديوار مي‌باشد.

شرايط پيشنهادي مطرح شده (ضميمه‌هاي I و II) در جولاي 2001 توسط نويسنده پيشنهاد شده و هم‌اكنون توسط هيأت مؤلفان آيين‌نامه براي تغييراتو پالايش احتمالي براي دخول نهايي در آيين‌نامة طراحي لرزه‌اي در حال باربيني مي‌باشد.

اين پيشنهادات در حال حاضر فقط براي اطلاع‌رساني بوده و استفاده از اين اطلاعات مسئوليت شخصي براي معبري آن دارد. ارسال هرگونه پيشنهادي و سؤال در مورد اين طرح از طرف خواننده به آدرس الكترونيكي Astaneh@cc.berekeley.cdu يا نمابر (510) 64395258 باعث دلگرمي نويسنده خواهد بود. چنين پيشنهاداتي باعث پيشرفت بوده و به طور قطع در اصلاح طرح لحاظ مي‌شود.

Top