تحقیق مقاله بررسی عوامل موثر در سیستم های مقاوم در برابر بار های جانبی

مقدمه :

دو عامل تعیین کننده در سیستم های مقاوم در برابر بارهای جانبی مانند سیستمهای مهاربند،‌دیوارهای برشی فولادی، قابهای ممان گیر، دیوارهای برشی بتنی و غیره سختی[1] و مقاومت [2] آنها میباشد. که به کمک دیاگرام بار – تغییر مکان جانبی آنها تعیین میگردد. در شکل 6-1 یک نمونه از این دیاگرامها در یک تصویر کلی نشان داده شده است.

در دیاگرام مذکور شیب خط OA سختی سیستم مقاوم نامیده می شود و Fu مقاومت و یا بار نهایی سیستم مذکور می باشد. همانطور که در شکل 6-1 b مشاهده میگردد رابطه بین بار و تغییر مکان جانبی در محیط الاستیک بصورت زیر است:

(6-1)    (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                                     F=KU

 (شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 6-1 تصویر کلی دیاگرام بار – تغییر مکان جانبی سیستم

(6-2)       (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                                   

سختی و مقاومت :

با توجه به لزوم کنترل تغییر مکان جانبی در ساختمانها،‌ سختی سیستم های مقاوم در برابر بارهای جانبی از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. طبیعتاً همانطور که در شکل 6-1- b مشاهده می گردد سیستم هایی که دارای سختی بیشتری می باشند، تغییر مکان جانبی آنها در مقابل بارهای جانبی کمتر است.

از جمله عواملی که در رابطه با آنها لزوم کنترل تغییر مکان جانبی نقش اساسی دارد، میتوان به موارد زیر اشاره نمود.

 (شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 6-2 تعیین سختی سیستم در تراز دلخواه

- اثرات

- آسیب دیدن اجزاء غیر سازه ای

- حفظ تجهیزات و لوازم حساس در ساختمانهای خاص

- تأمین ایمنی

در عمل،‌ هنگامی که بارهای جانبی به سازه اعمال میگردد، سازه جا به جا شده و در نتیجه بارهای قائم نسبت به محورهای قابها و دیوارها خارج از محوری پیدا می نمایند. متعاقب آن سازه تحت اثر لنگری اضافه قرار می گیرد. جابجایی اضافی، باعث لنگر داخلی بیشتر برای تعادل با لنگر اعمالی ناشی از بارهای قائم خواهد شد. این اثر بار قائم ‍P بر تغییر مکان جانبی  به اثر  موسوم است . اثر مذکور در یک طره در شکل 6-3 بصورت ساده نشان داده شده است.

 ( شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 6-3 اثر

چنانچه سازه انعطاف پذیر و بار وزنی آن زیاد باشد، در حالت بحرانی نیروهای اضافی ناشی از اثر  ممکن است باعث افزایش تنش ها بیش از حد مجاز در بعضی از اعضاء شده و با ایجاد ناپایداری موجب انهدام سازه شوند. لذا استفاده از سیستم های مقاومی که در برابر نیروهای جانبی دارای سختی بیشتر و طبیعتاً تغییر مکان جانبی کمتری هستند میتوانند در کنترل این پدیده بسیار مؤثر باشند.

همچنین در صورت جابجایی قابل توجه سازه و در نتیجه تغییر شکل های زیاد، اعضای غیر سازه ای نظیر دربها، آسانسورها، تیغه ها ، نماها ، میان قاب ها و بخصوص تأسیسات ممکن است دچار آسیبهای جدی گردند. در بعضی ساختمانهای خاص همچون بیمارستانها ، موزه ها ، آزمایشگاهها و غیره که تجهیزات و لوازم حساسی رد آنها قرار دارد، جابجایی زیاد میتواند موجب خسارات جبران ناپذیر گردد که بدین لحاظ استفاده از سیستم های مقاوم با سختی زیاد را الزامی می نماید.

گر چه عموم محققین معتقدند که شتاب، مهمترین پارامتر نحوه پاسخ افراد به ارتعاش می باشد و ممکن است برای ساکنین ساختمانها بخصوص ساختمانهای بلند ایجاد انواع واکشنهای نامطلوب از اضطراب تا حالت تهوع نماید و باعث سلب آسایش آنها گردد، ولی جابجایی زیاد نیز میتواند باعث عدم ایمنی بخصوص در زلزله که نسبت به نوسانات باد، به دفعات کمتر بروز نموده و زمان ارتعاش معمولاً کوتاه بوده ولی حرکات آن شدیدتر می‌باشد، گردد. لذا معیار طراحی در زلزله قبل از آسایش که معمولاً در رابطه با باد مطرح است، ایمنی خواهد بود.

تغییر مکانهای جانبی را میتوان با افزایش سختی کاهش داد، ولی این افزایش سختی تأثیر مهمی بر کاهش شتابها نخواهد داشت. این موضوع را میتوان با در نظر گرفتن معادله عمومی حرکت یک سازه ، بخوبی مشاهده نمود.

(6-3)           (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                            

از این رابطه میتوان دریافت که شتاب متناسب با  است که Umax تغییر اوج تغییر مکان و  فرکانس دورانی این حرکت می باشند. افزایش سختی سازه با ضریبی مانند  باعث کاهش Umax­ با همان ضریب میگردد. در نتیجه حاصلضرب  و شتاب اوج بدون تغییر می مانند.

6-1 دیاگرام بار – تغییر مکان برشی دیوارهای برشی فولادی

در صورتی که یک پانل برشی فولادی به عنوان یک طبقه مجزا بصورت شکل 6-4 در نظر گرفته شود، برای دستیابی به دیاگرام بار – تغییر مکان برشی آن با توجه به تئوری ارائه شده توسط نویسنده و همکار،‌میتوان ورق فولادی و قاب را از یکدیگر تفکیک نموده و دیاگرام مذکور را برای هر کدام از آنها بدست آورد. سپس با جمع آثار آنها به دیاگرام بار – تغییر مکان برشی پانل دست یافت.

6-1-1- دیاگرام بار – تغییر مکان برشی ورق فولادی

در صورتی که فرض کنیم :

 (شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 6-4 : پانل برشی فولادی به صورت یک طبقه مجزا

- رفتار ورق فولادی بصورت الاستیک و کاملا پلاستیک باشد.

- ستونها به اندازه کافی صلب باشند بطوری که بتوان از تغییر شکل آنها در محاسبه تغییر شکل برشی ورق فولادی صرفنظر نمود و همچنین بتوان فرض نمود میدان کششی تشکیل شده پس از کمانش ورق بصورت یکنواخت تمام سطح ورق را فراگیرد.

- ورق فولادی دارای اتصال ساده با قاب اطراف خود باشد.

- اختلاف بین مقدار میان کششی در دو طبقه مجاور کوچک بوده بطوریکه ممان ایجاد شده در تیرهای طبقات در اثر میدان کششی ناچیز باشد.

- بتوان از اثر تنشهای ناشی از خمش بر روی تنش های کمانشی ورق صرفنظرنمود. میتوان ورق فولادی را قبل از کمانش و بعد از آن مورد بررسی قرار داده و دیاگرام بارجانبی – تغییر مکان برشی آنرا بدست آورد. در شکل 6-5 دیاگرام مذکور نشان داده شده است. همانطور که در این شکل مشاهده میگردد نقطه C حد کمانش و نقطه D حد جاری شدن ورق فولادی را نشان میدهند که در مباحث بعد به روش محاسبه حدود ذکر شده پرداخته شده است.

 (شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 6-5 دیاگرام بار – تغییر مکان برشی ورق فولادی

قبل از کمانش

تا قبل از کمانش ورق فولادی وضعیت تنش ها در شکل 6-6 a- نشان داده شده است. در این حالت تنش های مساوی کششی و فشاری اصلی در امتداد زاویه ْ45 و ْ135 تا زمان رسیدن آنها به تنش بحرانی کمانش ورق تشکیل میگردد. تنش برشی بحرانی ورق فولادی با فرض تکیه گاه ساده از تئوری کلاسیک پایداری قابل محاسبه است.

(6-4)        (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                               

که در آنt ضخامت ورق فولادی ، E ضریب ارتجاعی[3] و  ضریب پواسون[4] بوده و K از روابط زیر بدست می آید.

(6-5)           (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                           برای             

(6-6)                (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                      برای             

در این حالت نیروی برشی ورق فولادی هنگام کمانش آن برابر خواهد بود با

(6-7)                 (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                

 (شکل  در فایل اصلی موجود است)

شکل 6-6 وضعیت تنش ها در ورق فولادی قبل و بعد از کمانش ورق

همچنین تغییر مکان برشی ورق فولادی هنگام کمانش آن از رابطه زیر قابل محاسبه است.

(6-8)        (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                         

که در آن  کرنش برشی[5] و همانطور که در تئوری های کلاسیک صفحات آمده است مقدار آن برابر است با

(6-9)                (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                          

G در رابطه فوق ضریب ارتجاعی برشی می باشد.

(6-10)           (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                         

در شکل (6-5) بار و تغییر مکان برشی در نقطه C که حد کمانش ورق فولادی را نشان میدهد به ترتیب به کمک روابط (6-7) و (6-8) بدست می آید.

در صورت ضخیم بودن ورق فولادی بطوری که تنش برشی بحرانی  ، در آن از یک تنش برشی حد جاری شدن آن  ، تجاوز نماید، در آنصورت،‌از نقطه نظر تئوریک ورق فولادی زمانی جاری خواهد شد که

(6-11)         (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                       

به عبارت دیگر در این شرایط ، نقطه C در شکل 6-5 به نقطه D منتقل خواهد گردید.

در رابطه (6-11) ،  حد جاری شدن ورق فولادی در آزمایش تک محوری کششی بوده و مقدار تنش برشی حد جاری شدن ورق فولادی ،  براساس معیار جاری شدن فون میزس[6] می باشد.

پس از کمانش

در صورت نازک بودن ورق فولادی و کمانش آن قبل از جاری شدن، ورق پس از کمانش قادر به تحمل تنش های فشاری بیشتر نخواهد بود ولی همانطور که در شکل 6-6 مشاهده میگردد، تنش های کششی تا جاری شدن ورق فولادی میتوانند افزایش یابند. بدین ترتیب پس از کمانش ورق با شکل گیری تدریجی میدان کششی و گسترش آن در تمام سطح آن مکانیزم باربری جدیدی ایجاد میگردد که در شکل 6-6b-  نشان داده شده است و آن را پس کمانش[7] می‌نامند.

اگر زاویه میدان کششی بوجود آمده  فرض شود، شکل 6-6- b ، تنش های داده شده در ورق فولادی هنگام جاری شدن در مختصات x-y بدون منظور نمودن تنش های بحرانی هنگام کمانش برابر خواهد بود با

(6-12)        (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                        

(6-13)            (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                    

(6-14)                (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                   

همانطور که در شکل 6-6- c مشاهده می گردد تنش های ورق فولادی در مختصات x-y پس از کمانش با منظور نمودن تنش های بحرانی از روابط زیر قابل محاسبه می باشد.

(6-15)            (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                    

(6-16)           (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                     

(6-17)             (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                

در روابط فوق  ، تنش حد جاری شدن میدان کششی بوجود آمده در ورق میباشد.

براساس معیار جاری شدن فون میزس، ورق فولادی زمانی جاری می گردد که

(6-18)                                      

                    (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                               

با قراردادن مقادیر از روابط (6-15) ، (6-16) و (6-17) در رابطه (6-18) و با توجه به اینکه

(6-19)          (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                            

می باشد، می توان نوشت

(6-20)          (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                        

بدین ترتیب به کمک رابطه ‌(6-20) میتوان  را در زمان جاری شدن ورق فولادی محاسبه نمود. در این حالت نیروی برشی ورق هنگام جاری شدن آن که حد نهائی باربری آن میباشد برابر خواهد بود با

(6-21)      (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                             

همچنین تغییر مکان برشی ورق فولادی هنگام جاری شدن که تغییر مکان برشی حد الاستیک نامیده میشود از رابطه زیر قابل محاسبه است.

(6-22)      (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                

در این رابطه Uwcr ، تغییر مکان برشی ورق فولادی در هنگام کمانش میباشد و از رابطه (6-8) قابل محاسبه است و Uwpb تغییر مکان برشی ناشی از تنش های میدان کششی،  است که در شکل 6-6-b نشان داده شده است و میتوان آنرا با مساوی قراردادن کار انجام شده توسط نیروی برشی ناشی از تنش مذکور، با انرژی کرنشی [8] ورق فولادی محاسبه نمود.

(6-23)       (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                  

در رابطه فوق F0 به صورت عمومی زیر قابل بیان می باشد.

(6-24)       (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                      

در صورتی که مقادیر  را از روابط (6-12) و (6-13) و (6-14) در رابطه (6-24) قرار دهیم و با توجه به این نکته که

(6-25)      (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                                

می باشد میتوان نوشت

(6-26 )      (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                         

با ساده نمودن رابطه ‌ (6-26) حاصل بصورت زیر خواهد بود.