آنچه در این مقاله میخوانید :
چکیده
سازههای فولادی سبک(LSF)که به صورت خشک و به روش تولید صنعتی و نورد سرد (CFS)اجرا میشوند. برای تحمل بارهای جانبی در سازههای سرد نورد شده از بادبند تسمهای یا دیوار برشی استفاده میشود. با توجه به این که وزن مصالح، آماده سازی و اجراء دیواربرشی عوامل محدودکننده استفاده از آن در بهسازی قابها محسوب میشود. تعیین آرایش ها مناسب که سبب کاهش استفاده دیواربرشی گردد، میتواند از عوامل مهم بهبود عملکرد قابها در بهسازی و مقاوم سازی قابها شود. نمونه آزمایشگاهی انتخاب شده برای بررسی عملکرد سیستم قاب فوالدی سبک LSF و صحت مدل سازی در نرمافزار ABAQUS شامل یک سیستم قاب فوالدی سبک LSF است که توسطBin Lin و همکاران (۲۰۱۶) آزمایش گردید. برای این منظور نمونههای تقویت شده قاب در۳ دسته کلی که شامل نمونه تقویت نشده، نمونه مهاربند ضرب دری، نمونه مهاربند ضربدری دو ردیفه و نمونه تقویت شده باورقه ۴۵ درجه تحت بار گذاری منوتونیک قرار گرفت، با مقایسه نتایج بدست آمده از تحلیل نمونههای با نمونه تقویت نشده مشخص گردید که ظرفیت باربری قاب تقویت شده با باد بندهای ضرب دری دو ردیفه نزدیک به قاب پوشش کامل ۴۵ درجه است. استفاده از فوالد با مقاومت تسلیم بالاتر باعث افزایش مقاومت استاتیکی و مقاومت لرزهای بادبند میگردد ولی قابلیت جذب انرژی آن را کاهش میدهد. استفاده از ورق های فوالدی ۴۵ درجه باعث افزایش شکلپذیری قاب میگردد .
کلید واژگان: بهسازی لرزهای، مقاومسازی، سیستم قاب فوالدی سبک (LSF)، مقاطع فوالدی سرد نورد شده فوالدی(CFS)، ABAQUS
مقدمه
نیاز روزافزون به افزایش بهره وری در بخش ساختمان این واقعیت را آشکار کرده است که استفاده از سیستمهای سنتی در امر ساخت و ساز جوابگوی نیاز جامعه نبوده و استفاده از فناوریهای نوین در این بخش اجتناب ناپذیر است در این میان سیستمهای ساختمانی با پتانسیلهای تولید صنعتی و پیش ساختگی میتوانند نیازهای کمی و کیفی صنعت ساختمان را برآورده کنند یکی از این سیستمها، سیستم قاب سبک فولادی است که نه تنها امکان تولید صنعتی و پیش ساختگی آنها وجود دارد بلکه به علت سبکی سیستم در هنگام زمین لرزه آسیب پذیری ساختمان ها را به حداقل میرساند.
معرفی سازه های فولادی سبک (LSF)
ساختمانهای قاب فلزی سبک موسوم به سازه های فولادی سبک (LSF)که به صورت خشک و به روش تولید صنعتی و نورد سرد اجرا میشوند یکی از انواع سیستمهای ساختمانی مدرن میباشند که به وسیله این روش میتوان ساختمانهایی را به صورت طبقات محدود (معمولاً تا ۵ طبقه) را طراحی و اجرا نمود . این نظام ساختمانی از ورق های فولادی تشکیل میشود که مقاطع آن عمدتاً به صورتc،uوzمی باشد. این عناصر فلزی خود به عناصر سازهای اعم از باربر و غیر باربر که وظیفه اصلی آنها پایداری ساختمان است، تقسیم میشوند. این سیستم با تکرار قطعات سبک در ساخت دیوارها و سقفها و مانند ساختمانهای چوبی اجرا میشود قابات این نوع ساختمانها عمدتاً به صورت قابات پیچ و مهره است و جای قرارگیری پیچ ها به روش تولید صنعتی در کارخانه به دقت زیاد با مختصات دقیق و طبق طراحی انجام شده به وسیله دستگاه های مخصوص مشخص میشود. این سیستم یک سیستم سازه ای مستقل میباشد و برای پروژه های انبوه سازی دفاتر و ساختمانهای تجاری ،کوچک ساختمان های چند طبقه واحدهای صنعتی و سالنهای ورزشی یک طبقه بسیار مناسب است. این سیستم قابل تلفیق با سیستمهای سازه ای رایج مانند بتنی یا فلزی بوده و برای بالاتر بردن تعداد طبقات بالاتر از ۵ طبقه با استفاده از سیستم LSF از این سیستمهای مختلط استفاده میشود. در ساخت و تولید این مقاطع به روش نورد سرد مطابق آیین نامه ها اشکال مختلف در ابعاد متفاوت با ضخامتهای مختلف از ورقهای گالوانیزه نازک پدید میآید.
الزامات طراحی و اجرا برای سیستم ساختمانی قاب های سبک فولادی سرد نورد شده (LSF) در مناطق با خطر نسبی کم متوسط و زیاد (مطابق آئین نامه ۲۸۰۰ ایران)
-
استفاده از این سیستم سازه ای به عنوان قاب ساختمانی ساده به همراه دیوار برشی بتن آرمه حداکثر در پنج طبقه یا ارتفاع ۱۸ متر از تراز پایه بلا مانع است.
-
تا حداکثر دو طبقه یا ارتفاع ۷/۲۰ متر از تراز پایه با اجرای مهار بندی قطری بلامانع است.
-
بکارگیری این سیستم در مناطق لرزه خیز با خطر نسبی بسیار زیاد مطابق آئین نامه ( ۲۸۰۰ ایران)مجاز نمی باشد.
-
بکارگیری حداکثر دهانه ۵ متر و حداکثر ارتفاع ناخالص با احتساب ضخامت سقف۶۰ /۳ متر برای هر طبقه در این سیستم مجاز میباشد.
-
طراحی کلیه اجزاء و قابات بر اساس استاندارد AISI و طرح سازهای و لرزه ای آن بر اساس آئین نامه های ۷-۲۰۰۵, ASCE 2003IBC و ویرایشهای بعد از آن انجام گیرد.
-
کنترل سازه در مقابل بار باد بر مبنای مقررات ملی ساختمان ایران مبحث ششم و با در نظر گرفتن سیستم مقاوم درمقابل بار جانبی ناشی از زلزله انجام گردد.
-
رعایت محدودیت حداکثر بار زنده و مرده به ترتیب ۲۵۰ کیلوگرم بر متر مربع و ۳۵۰ کیلوگرم بر متر مربع برای سقفها الزامی است.
-
رعایت ضوابط آئین نامه ۰۵-۳۱۸ ACI و ویرایشهای پس از آن برای طراحی دیوارهای برشی بتن آرمه الزامی است.
-
تامین ضوابط دیافراگم صلب برای کلیه سقفها الزامی است. کلیه قابات اعضاء قائم به اعضاء افقی میبایستی به گونه ای باشد که یکپارچگی اعضاء در ارتفاع سازه تامین گردد.
-
ضوابط مربوط به اجزاء قابی شامل پیچ خودکار پیچ و مهره میبایستی مطابق آئین نامه AISC و استاندارد AISI تامین گردد.
-
در صورت استفاده از قابات ،جوشی رعایت ضوابط و مقررات مربوط به جوشکاری اعضاء سرد نورد شده مطابق استندارد AISI و آئین نامههای AWS و AISC الزامی است.
-
سقف سازه ای این سیستم متشکل از تیرچه فلزی و دال بتن آرمه فوقانی به صورت مقطع مرکب میباشد که میبایستی بر مبنای ضوابط مقاطع مرکب مطابق آئین نامه AISC و دالهای بتن آرمه بر مبنای آئین نامه ACI تامین گردد.
-
بکارگیری مصالح بنائی خارجی و داخلی مجاز نمیباشد.
-
حداکثر وزن متر مربع سطح دیوار تمام شده در جدا کنندههای داخلی نبایستی بیشتر از ۵۰ کیلوگرم بر متر مربع و در دیوارهای خارجی نبایستی بیشتر از ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مربع باشد.
-
سیستم سازه ای فولادی سبک در انواع ساخت و سازها مانند ویلاها خانه های ویلایی تک خانه وار و چند خانوار ، ساختمانهای مسکونی و اداری یک دو و سه طبقه هتلها و هتل آپارتمانها ساختمانهای مدارس و دانشگاهی رستورانها و ……دارای کاربرد میباشد.
ارزیابی رفتار قابهای فولادی سبک سرد نورد شده
برخلاف تصور عمومی، استفاده از سازههای فولادی سبک فقط محدود به چند دهه اخیر نیست و تاریخچه آن به بیش از ۱۰۰ سال پیش برمیگردد. در اوایل قرن نوزدهم میلادی، در سال ۱۸۵۰ در بریتانیا و آمریکا از قطعات فولادی با جدارههای نازک در ساخت پلها استفاده شد. از آن زمان تاکنون نیز از این روش در صنایع هواپیماسازی، خودروسازی و ساختمانسازی استفاده میشود.
استفاده از اعضای فولادی سردکاری شده در ساختمانسازی از حدود سال ۱۸۵۰ در ایالات متحده آمریکا و بریتانیا آغاز شد. اگرچه این اعضای فولادی تا دهه ۱۹۴۰ به صورت گستردهای مورد استفاده قرار نگرفتند، ولی استفاده اولیه از آنها در ساختمانهای فولادی توسط وینترمورد مورد بازنگری قرار گرفت.
از سال ۱۹۴۶ به بعد، استفاده و توسعه ساختمانهای فولادی با اعضای جدارهای نازک سردکاری شده در ایالات متحده شتاب بیشتری گرفت. این امر با انتشار چندین نسخه از مقررات طراحی مربوط به اعضای سازهای فولادی سردکاری شده توسط موسسه فولاد و آهن آمریکا (AISC) رخ داد.
تحقیقات انجام شده در مورد رفتار جانبی قابهای فولادی سردکاری شده بسیار کم است. به عنوان مروری بر تحقیقات گذشته میتوان به پژوهش میلر و پکروز در مورد اثر صفحات پوششی و ظرفیت حمل بار عمودی و افقی اعضای فولادی سردکاری شده اشاره کرد.
علاوه بر این، تلو و همکاران اثر صفحات پوشش گچی را بر روی دیوارههای قابهای فولادی سردکاری شده مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که با استفاده از نگهدارندهها و صفحات پوششی، ظرفیت حمل بار عمودی و افقی پانلها افزایش مییابد.
در کل تحقیقات نسبتاً زیادی در مورد مقاومت جانبی قابهای فولادی سردکاری شده در ساختمانهای فولادی انجام شده است.
صحت سنجی
نمونههای آزمایشگاهی انتخاب شده برای بررسی عملکرد سیستم قاب فولادی سبک LSF و صحت مدل سازی شامل یک سیستم قاب فولادی سبک LSF است که توسط Bin Liu و همکاران (۲۰۱۶) آزمایش گردید قاب مورد نظر قاب فولادی آزمایش شده با مشخصات F-XB می باشد.جهت نمونه سازی از نرم افزار اجزاء محدود استفاده شد نمونه آزمایشگاهی مورد نظر ABAQUS 2017 تحت بار گذاری فشاری در بالای قاب و جابجای جانبی در قاب قرار دارد. لازم به ذکر است فولاد بکار رفته در مدل آزمایشگاهی دارای مدول الاستیسیته Gpa و ضریب پواسون ۰/۳ میباشد. در جدول (۱) خصوصیات مصالح و در اشکال (۱) الی (۳) نمایی از مدل در نرم افزار آباکوس و نحوه بارگذاری و آرایش مورد نظر نشان داده شده است.




تعریف نوع تحلیل و خروجی های مورد نیاز
یکی از وقت گیرترین مراحل انجام چنین مدل سازی هایی مطابق دادن منحنی بار تغییر مکان است. هر منحنی بار – تغییر مکان مربوط به یک قطعه فولادی معمولا یک ناحیه خطی دارد که بدست آوردن آن با نرم افزار غیر خطی کار چندان دشواری نیست قطعه دوم این منحنی که معمولاً تغییر شکلهای غیر ارتجاعی آغاز میگردد، کاملاً غیر خطی است و دنبال کردن این قسمت با نرم افزار کار بسیار دشواری است. همان گونه در شکل (۴) که مشاهده میشود در آزمایشگاه ۲۶ بدست آمده است. این بار در تحلیل انجام شده ۲۷/۲۲ kn بدست آمده است. یعنی دقت حل انجام شده در یافتن بار شکست تیر در حدود ۹۶ درصد است. خطای شبیه سازی اجزای محدود به طور میانگین ۴ درصد است که رضایت بخش تلقی میشود.
شکل (۴) نمودار صحت سنجی مدل ازمایشگاهی و عددی را نشان می دهد. لازم بذکر است که در این صحت سنجی با توجه به اینکه بارگذاری آزمایش صورت گرفته بصورت سایکلیک میباشد در صحت سنجی نمودار پوش آن طبق FEMA رسم شده و نمونه ها با هم مقایسه میگردند از مقایسه نمودارها اختلاف ۱۰ درصدی بیانگر صحت سنجی مناسب میباشد.
مجموعه نتایج بررسی شده نشان میدهد که تحلیل انجام شده از دقت قابل قبولی برخوردار است.

معرفی نمونههای پیشنهادی
برای تعریف نمونه های تقویت شده ابتدا مرور جامعی بر تحقیقات صورت گرفته توسط سایر محققین انجام شد این تحقیقات را از نظر ایده به کار رفته در تقویت سیستم قاب فولادی و انتظار محققین گذشته از رفتار سیستم قاب فولادی تقویت شده میتوان به این نتیجه رسید که با استفاده از انواع بادبندها و دیوار برشی میتوان به ظرفیت خمشی و همچنین ظرفیت برشی قاب را افزایش داد و به علت گیردار شدن قابات روش میزان شکل پذیری سیستم قاب فولادی را نیز افزایش داد. و تقویت برشی سیستم قاب فولادی بیشتر بر قدرت باربری سازه تاثیر داشته و به صورت کمی بر شکل پذیری آن تاثیر میگذارد. به این ترتیب در تاریخچه موضوع تنوع چندانی در شکل قرارگیری بادبندها در تقویت سیستم قاب فولادی به چشم نمیخورد در ادامه با تعریف مهاربند ضریدری و ضرب دری دوردیفه و در مدل C بجای مهاربند از ورق ۴۵ درجه در گوشه استفاده شده است. حال به بررسی آنها می پردازیم.
معرفی نمونه مبنا
همان گونه که در شکل (۵) نشان داده شده است، ابتدا سیستم قاب فولادی سبک معرفی شد نمونه مبنا بدون تقویت بادبند میباشد .

نمونه A
در این مدل همان گونه که در شکل (۶) مشاهده مینمایید از مهاربند ضربدری استفاده شده است. این نوع از مهاربند که مهاربند همگرا نیز معروف میباشد حالتی است که دو عضو مهاربند به صورت قطری زاویه متقابل یک دهانه را به هم متصل مینماید.

نمونه B
در این مدل همان گونه که در شکل (۷) مشاهده مینمایید از مهاربند ضرب دری در دو ردیف استفاده شده است. این نوع از مهاربند حالتی است که دو عضو مهاربند به صورت قطری زاویه متقابل یک دهانه را به هم متصل مینماید.

نمونه C تقویت بصورت ۴۵ درجه
در این مدل همان گونه که در شکل (۸) مشاهده مینمایید ازمهاربند ضرب دری استفاده نشده است و در آن از ورق فولادی بازاویه ۴۵درجه استفاده شده است.

جنس مواد
این سیستم که شباهت زیادی به روشهای ساخت ساختمانهای چوبی دارد بر اساس کاربرد اجزایی به نام استاد Stud یا وادار و تراک (Track)یا رانر شکل گرفته است و از ترکیب نیمرخ های فولادی گالوانیزه سرد نورد شده ساختار اصلی ساختمان برپا میشود. مقاطع مورد استفاده در این سیستم U،C و Z است، که معمولاً با قابات سرد به یکدیگر متصل می شوند.
مقاطع فولادی جدار نازک ورقهای فولادی گالوانیزه هستند که با استفاده از نورد سرد و با استفاده از روش Roll Forming در کارخانه شکل دهی میشوند بر اساس آیین نامه تدوین شده برای مقاطع فولادی سبک نورد شده ضخامت فلز پایه ضخامت فلز بدون احتساب پوشش های محافظ بین ۰/۵ میلی متر تا ۳ میلی متر تدوین شده است. تولید و برش این مقاطع در کارخانه باعث میگردد تولید مقاطع با کیفیت مناسب و یکنواخت در حجم و سرعت بسیار بالا انجام گیرد. قرارگیری این مقاطع فولادی در فواصل نزدیک به هم دیوارهای باربری را ایجاد می نماید که مقاومت و سختی مناسبی را در برابر بارهای جانبی ناشی از باد و زمین لرزه دارا می باشند.
شرایط مرزی و بارگذاری
موارد مورد نیاز در محیط بار به شکل زیر است:
-
شرط مرزی جابجایی ثابت و از پایین به صورت کاملاً صلب میباشد.
-
نیرویی از نوع Pressure به صورت ثقلی و ثابت از بالا به سطح رویه قاب میزان KN ۲۰۰ وارد میگردد.
-
جابجایی از کنار به قاب وارد میگردد.
-
بارگذاری نیز به صورت خطی به سازه اعمال گردیده است.
مش بندی
مش بندی مورد استفاده برای تمامی نمونهها از نوع M3D4R (المان پیوسته ۳ بعدی ۴ نقطه ای) با انتگرال کاهش یافته میباشد.
بررسی نمودارهای مونوتونیک نیرو – تغییر مکان
نمونهها تحت تاثیر تغییر شکل مونوتونیک قرار گرفته و تحلیل ها به صورت استاتیکی انجام شدهاند در شکل (۱۱-۹) مقایسه نمودارهای نیرو تغییر مکان نمونه های تقویت شده در مقایسه با نمونه مبنا بدون تقویت ارائه شده است. در هر نمودار منحنی نیرو و تغییر مکان یکی از مدل ها با منحنی نیرو و تغییر مکان مدل مبنی بدون تقویت مقایسه شدهاند جهت بررسی آسان تر منحنیهای نیرو و تغییر مکان نمونه این منحنی ها با منحنی معادل دو خطی نیز ساده سازی شده که نمودار معادل دو خطی نیز در شکلها نشان داده شدهاند. جدول ۲ مقادیر ، مقاومت درصد افزایش مقاومت و سطح زیر نمودار نیرو تغییر مکان مدلهای تقویت شده ارائه شدهاند. مقایسه این مقادیر در شکلهای ۱۲ ، ۱۳نشان داده شدهاند.
مقایسه نمونه مبنا با نمونه A نمودار بار افزون( منحنی نیرو – تغییر مکان)
همان گونه که در شکل (۹) مشاهده میشود حداکثر نیروی برشی قابل تحمل در قاب ۲۸/۴۲ میباشد که در حدود ۶۶/۷ در صد نسبت
به نمونه مینا افزایش داشته است.

مقایسه نمونه مبنا با نمونه B نمودار بار افزون (منحنی نیرو- تغییر مکان)
همان گونه که در شکل (۱۰) مشاهده مینمایید نمودار نیرو – تغییر مکان برای نمونه مبنا و نمونه B با توجه به خروجی های نرم افزار ارائه شده است میشود حداکثر نیروی برشی قابل تحمل در قاب KN میباشد که در حدود ۸۳/۷ در صد نسبت به مدل مبنا افزایش داشته است.

مقایسه نمونه مبنا با نمونه C نمودار بار افزون (منحنی نیرو – تغییر مکان)
همان گونه که در شکل (۱۱) مشاهده مینمایید نمودار نیرو – تغییر مکان برای نمونه مبنا و نمونه C با توجه به خروجی های نرم افزار ارائه شده است میشود حداکثر نیروی برشی قابل تحمل در قاب ۲۹/۲۲ KNمیباشد که در حدود ۷۸/۹ در صد نسبت به نمونه مبنا افزایش داشته است.



بررسی نتایج
همان گونه که در جدول شماره ۳ و اشکال ۱۳ و ۱۴ مشخص است با بررسی خروجیهای بدست آمده برای هر یک از نمونه ها نتایج زیر قابل محاسبه میباشند.
۱ – حداکثر نیروی برشی قابل تحمل برای قاب
۲- نسبت نیروی برشی قاب تقویت شده به قاب مبنا
شکل پذیری
شکل پذیری خصوصیتی از سازه است که در آن اعضا در تمام یا قسمتی از طول خود بدون تغییر قابل ملاحظهای در مقاومت قادر به قبول تغییر شکلهای عمدتاً پلاستیک میباشند. در شکل ۱۲ نمودار ایده آل دو خطی معادل برای ارزیابی شاخص شکل پذیری رسم شده است . با ایده آل کردن منحنی رفتار کلی سازه به منحنیهای معادل دو خطی بصورت الاستیک و پلاستیک کامل ضریب شکل پذیری کلی سازه (۱) از رابطه (۱) بصورت تقسیم تغییر مکان جانبی نسبی حداکثر (du) به تغییر مکان جانبی نسبی تسلیم (du) بدست می آید. در جدول شماره ۲ و شکل ۱۵ نمودار شکل پذیری نمونه ها مشخص است.



مبنا

نتیجه گیری
بادبندها به عنوان نوعی سیستم کنترل غیر فعال نقش موثری در ایجاد مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله دارند. یکی از روش های بهره گیری بیشتر و اقتصادی تر از قابلیت بادبندها استفاده از ظرفیت غیر ارتجاعی آنها است. بادبندهای معمولی تحت کشش دارای عملکرد خوبی هستند ولی در زیر فشار دچار کمانش شده شکل پذیری خوبی ندارند. با توجه به اینکه بارگذاری از نوع خطی استاتیکی بوده است رفتار نمودارهای جذب انرژی با مدلهای مختلف از سه نمونه مهاربند مختلف که برای تقویت قاب LSF استفاده میشود مدلسازی شده است. با مشاهده نمودارهای قابهای بالا اطلاعات زیادی در مورد آنها به صورت شهودی میتوان کسب کرد. اولین یافته سطح زیر نمودار است که در حقیقت مقدار انرژی مستهلک شده حاصل از بارها در سازه است هر چه این سطح بزرگتر باشد میزان شکل پذیری سازه بیشتر بوده و سازه پتانسیل بیشتری بر مستهلک سازی انرژی وارد خواهد داشت. این نکته در مناطق لرزه خیز که هدف از طراحی بیشتر کردن شکل پذیری سازه است میتواند بسیار حائز اهمیت باشد . تقارن در نمودارهای بالا در سیکل های ابتدایی نیز نشان دهنده رفتار یکسان سازه دربرابر بارهای سیکلی میباشد و هرچه میزان این تقارن در نمودار بیشتر باشد رفتار یکنواختی از سازه در بارهای سیکلی وجود خواهد داشت.
۱ – همچنین در نمودارهای هر چه شیب نمودار کاهش یابد در حقیقت با زوال سختی سازه مواجه میباشیم کاهش سختی اکثراً در انواع سازهها که در چرخه های بارگذاری طولانی قرار میگیرند و وارد محدوده پلاستیک میشوند رخ میدهد. که در این نمودارهای در تمامی آنها کاهش سختی را مشاهده میکنیم. همچنین علاوه بر رفتار کلی نمودارهای تمامی مدلها ، خود مدلها در مقایسه با یکدیگر رفتارهای زیر را از خود نشان میدهند.
۲- نیروی تسلیم در نمودار نشانگر مقاومت استاتیکی و بازه تغییر شکل پلاستیک نشانگر مقاومت لرزشی باد بند است. پارامترهایی نظیر مساحت نمودار و تغییر شکل کل نمادی از قابلیت جذب انرژی بادبند میباشد. یک مهندس طراح باید هر سه مورد را در نظر بگیرد.
۳–از بین هندسه های مشخص شده ، هندسه B بیشترین قابلیت جذب انرژی و مقاومت در مقابل زلزله و هندسه C نشانگر بیشترین مقاومت استاتیکی است.
۴- افزایش ضخامت نبشی تشکیل دهنده هسته باعث افزایش مقاومت استاتیکی نمونه و کاهش قابلیت جذب انرژی در زلزله را دارد.
۵- استفاده از فولاد با مقاومت تسلیم بالاتر باعث افزایش مقاومت استاتیکی و مقاومت زلزله بادبند میگردد ولی قابلیت جذب انرژی آن را کاهش میدهد.
۶- استفاده از ورقهای فولادی ۴۵ درجه باعث افزایش شکل پذیری قاب میگردد.