عملکرد هیسترتیک دیوار برشی ساندویچی راه راه FRP فولادی پر شده با فوم

خلاصه

دیوار برشی ساندویچی فولادی پلیمری تقویت‌شده با فیبر کربن موجدار (FRP) جدید با فوم(CFSSW) برای سازه های اسکلت فلزی که در معرض باد شدید یا بارهای لرزه ای قرار دارند پیشنهاد شده است. برای کاهش تغییر شکل بیش از حد کمانش خارج از صفحه دیوار برشی معمولی ورق فولادی (SPSW)، ورقه‌های موجدار FRP در دو طرف ورق فولادی (SP) ثابت می‌شوند. علاوه بر این، برای بهبود بیشتر رفتار هیسترتیک دیوار برشی، فوم PET به عنوان پرکننده بین لایه‌های FRP موج‌دار و ورق فولادی انتخاب می‌شود. سه نمونه دیوار برشی تک طبقه با مقیاس 1/3 با استفاده به عنوان تخته دیواری، صفحه فولادی تخت، ورق فولادی با ورقه های FRP موجدار (VCP) و صفحه ساندویچ فولادی موجدار FRP پر شده با فوم (VCSP) ساخته شد. . آزمایش‌های تجربی تحت بارگذاری افقی سیکل پایین برای بررسی عملکرد برشی آنها انجام شد.اتلاف انرژیظرفیت. تنها با استفاده از صفحات موجدار FRP به عنوان اجزای مهار کمانش، سختی اولیه، ظرفیت باربری نهایی و اتلاف انرژی تجمعی دیوار برشی ورق فولادی معمولی را می توان به ترتیب 22.01٪، 13.93٪ و 49.07٪ بهبود بخشید. سهم فوم PET پر شده باعث افزایش سفتی اولیه، ظرفیت باربری و اتلاف انرژی به ترتیب 28.17٪، 36.39٪ و 105.93٪ شد. علاوه بر این، با اثر مهاری تنها ورقه های موجدار FRP یا هر دو فوم FRP و PET پر شده، حداکثر جابجایی های خارج از صفحه ورق فولادی تحت نیروی برشی به ترتیب 67.9٪ و 92.1٪ کاهش یافت. علاوه بر این، فوم PET می تواند به ورقه های FRP کمک کند تا به طور موثر نیروهای برشی را تحمل کنند و ظرفیت برشی نهایی را تا 5.9٪ بیشتر از ظرفیت برشی نهایی اسمی ورق فولادی افزایش دهد.

معرفی

سازه های فولادی به طور گسترده ای در ساختمان های مرتفع استفاده می شود. بیشتر ساختمان‌های سازه‌های فولادی از دیوار برشی به عنوان اجزای اصلی برای مقاومت در برابر باد و بارهای لرزه‌ای استفاده می‌کنند. از دهه 1960، سیستم دیوار برشی صفحه فولادی (SPSW) به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر نیروی جانبی موثر در نظر گرفته شده است. دیوار برشی ورق فولادی معمولی از قاب فولادی مرزی و صفحه فولادی پرکننده تشکیل شده است، همانطور که در شکل 1(a) نشان داده شده است. تحت نیروی برشی داخل صفحه، ورق فولادی نازک می تواند از استحکام پس کمانش برای مقاومت در برابر جابجایی جانبی قاب استفاده کند و تغییر شکل پلاستیکی بیشتری ایجاد کند [1]. با این حال، هنگامی که در معرض نیروی افقی چرخه‌ای قرار می‌گیرند، صفحات فولادی نازک مستعد کمانش هستند که باعث ایجاد صدای پر سر و صدا و جابجایی ناخوشایند خارج از صفحه می‌شوند [2]. علاوه بر این، کمانش صفحه فولادی نازک نیز منجر به پدیده گیرکردن منحنی‌های هیسترتیک می‌شود. نشان دادن از دست دادن اتلاف انرژی [3]، [4]. بنابراین افزایش سختی خارج از صفحه تخته دیواری برای جلوگیری از عواقب کمانش برشی ضروری است. آستانه و همکاران [5]، [6] پانل بتنی را پیشنهاد کردند که توسط ناودانی های سر برشی متصل شده اند تا سختی خارج از صفحه ورق فولادی پرکننده را افزایش دهند. بر اساس این مفهوم طراحی، Guo و همکاران. [7]، [8] یک SPSW کمانشی جدید با استفاده از پیچ‌ها و سوراخ‌های با استحکام بالا برای اتصال پانل‌های بتنی با صفحه فولادی پرکننده پیشنهاد کردند (شکل 1(b) را ببینید). پانل بتنی می تواند به طور موثری کمانش برشی را مهار کرده و ظرفیت باربری و اتلاف انرژی را افزایش دهد. برای SPSW دارای کمانش، پانل بتنی اجازه می دهد تا از مقاومت تسلیم 0.866 عبور کند. برای جلوگیری از عواقب کمانش برشی، باید سفتی خارج از صفحه تخته دیواری را افزایش داد. آستانه و همکاران [5]، [6] پانل بتنی را پیشنهاد کردند که توسط ناودانی های سر برشی متصل شده اند تا سختی خارج از صفحه ورق فولادی پرکننده را افزایش دهند. بر اساس این مفهوم طراحی، Guo و همکاران. [7]، [8] یک SPSW کمانشی جدید با استفاده از پیچ‌ها و سوراخ‌های با استحکام بالا برای اتصال پانل‌های بتنی با صفحه فولادی پرکننده پیشنهاد کردند (شکل 1(b) را ببینید). پانل بتنی می تواند به طور موثری کمانش برشی را مهار کرده و ظرفیت باربری و اتلاف انرژی را افزایش دهد. برای SPSW دارای کمانش، پانل بتنی اجازه می دهد تا از مقاومت تسلیم 0.866 عبور کند. برای جلوگیری از عواقب کمانش برشی، باید سفتی خارج از صفحه تخته دیواری را افزایش داد. آستانه و همکاران [5]، [6] پانل بتنی را پیشنهاد کردند که توسط ناودانی های سر برشی متصل شده اند تا سختی خارج از صفحه ورق فولادی پرکننده را افزایش دهند. بر اساس این مفهوم طراحی، Guo و همکاران. [7]، [8] یک SPSW کمانشی جدید با استفاده از پیچ‌ها و سوراخ‌های با استحکام بالا برای اتصال پانل‌های بتنی با صفحه فولادی پرکننده پیشنهاد کردند (شکل 1(b) را ببینید). پانل بتنی می تواند به طور موثری کمانش برشی را مهار کرده و ظرفیت باربری و اتلاف انرژی را افزایش دهد. برای SPSW دارای کمانش، پانل بتنی اجازه می دهد تا از مقاومت تسلیم 0.866 عبور کند. [6] پانل بتنی را پیشنهاد کرد که توسط ناودانی سر برشی متصل شده است تا سختی خارج از صفحه ورق فولادی پرکننده را افزایش دهد. بر اساس این مفهوم طراحی، Guo و همکاران. [7]، [8] یک SPSW کمانشی جدید با استفاده از پیچ‌ها و سوراخ‌های با استحکام بالا برای اتصال پانل‌های بتنی با صفحه فولادی پرکننده پیشنهاد کردند (شکل 1(b) را ببینید). پانل بتنی می تواند به طور موثری کمانش برشی را مهار کرده و ظرفیت باربری و اتلاف انرژی را افزایش دهد. برای SPSW دارای کمانش، پانل بتنی اجازه می دهد تا از مقاومت تسلیم 0.866 عبور کند. [6] پانل بتنی را پیشنهاد کرد که توسط ناودانی سر برشی متصل شده است تا سختی خارج از صفحه ورق فولادی پرکننده را افزایش دهد. بر اساس این مفهوم طراحی، Guo و همکاران. [7]، [8] یک SPSW کمانشی جدید با استفاده از پیچ‌ها و سوراخ‌های با استحکام بالا برای اتصال پانل‌های بتنی با صفحه فولادی پرکننده پیشنهاد کردند (شکل 1(b) را ببینید). پانل بتنی می تواند به طور موثری کمانش برشی را مهار کرده و ظرفیت باربری و اتلاف انرژی را افزایش دهد. برای SPSW دارای کمانش، پانل بتنی اجازه می دهد تا از مقاومت تسلیم 0.866 عبور کند. پانل بتنی می تواند به طور موثری کمانش برشی را مهار کرده و ظرفیت باربری و اتلاف انرژی را افزایش دهد. برای SPSW دارای کمانش، پانل بتنی اجازه می دهد تا از مقاومت تسلیم 0.866 عبور کند. پانل بتنی می تواند به طور موثری کمانش برشی را مهار کرده و ظرفیت باربری و اتلاف انرژی را افزایش دهد. برای SPSW دارای کمانش، پانل بتنی اجازه می دهد تا از مقاومت تسلیم 0.866 عبور کند.f _vy به استحکام تسلیم برشی f _vyورق فولادی [9]، [10]. دیوار برشی ورق فولادی سفت شده با بار کمانش برشی بالاتر را می توان به دست آورد ورق دنده فولادی پیوند [10]، [11]، فولاد کانالی [12]، [13]، فولاد T شکل [14] یا فولاد شکل سرد [15] ، [16] در دو طرف تخته دیواری SPSW، از طریق اتصال پیچ یا جوش. SPSW سفت شده معمولی از سخت‌کننده‌های افقی، عمودی، مایل یا متقاطع استفاده می‌کند تا کمانش صفحه فولادی را مهار کند، همانطور که در شکل 1 (c) نشان داده شده است. در مقایسه با پانل های بتنی، این سخت کننده ها جرم کمتری دارند که به کاهش تغییر شکل ناشی از نیروی دینامیکی [17] کمک می کند و ساخت و مونتاژ درجا را تسهیل می کند. با این حال، این سخت‌کننده‌ها مستقیماً مقاومت برشی را برای سیستم دیوار برشی ایجاد نمی‌کنند، یعنی سخت‌کننده‌ها یا پانل بتنی پوششی به طور کامل مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرند.

به عنوان جایگزین بتن و سخت کننده ها، پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRPs) مواد امیدوارکننده ای برای تقویت سازه های فولادی و بتنی در نظر گرفته می شوند [18]. FRPهای چسبیده خارجی در امتداد جهت کششی اصلی اجزای ساختاری می توانند به افزایش ظرفیت باربری [19] و همچنین عمر خستگی [20] کمک کنند. این تکنیک تقویتی همچنین در سیستم دیوار برشی صفحه فولادی [21]، [22]، [23]، [24]، [25]، [26] استفاده شده است. FRP در دو طرف دیوار برشی ورق فولادی به صفحات ماهی جوش داده شده بر روی عناصر قاب مرزی توسط اتصالات پیچ وصل شد (شکل 2 را ببینید) [25]. نتایج آزمایش نشان داد که FRP ظرفیت باربری و سفتی را افزایش می دهد. با این حال، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، از کمانش تخته دیواری جلوگیری نشد. که مقاومت برشی ورق فولادی را محدود کرده و بر ظرفیت اتلاف انرژی تأثیر می گذارد. علاوه بر این، شکل پذیری نیز تحت تأثیر کرنش نهایی پایین تر ورقه های FRP قرار گرفت.

برای بهره‌برداری بهتر از FRP به عنوان تقویت سیستم‌های دیوار برشی ورق فولادی، این مقاله یک دیوار برشی ساندویچی فولادی FRP و کربن موجدار پر شده با فوم، مونتاژ ورقه‌های FRP کربن موجدار دوبل، فوم‌های پلی اتیلن ترفتالات (PET)، ورق فولادی مسطح را ارائه می‌کند. ، تیرها و ستون های قاب، ورق ماهی و پیچ و مهره. شکل 4 فوم PET و ورقه های کربن FRP را نشان می دهد که با پیچ و مهره به دو طرف صفحه فولادی تخت متصل شده اند.

CFSSW پیشنهادی مزایایی دارد. ورقه‌های FRP طول عمودی کامل تخته دیوار را پوشش می‌دهند و با استحکام کششی بالا FRP کربن، کمک مستقیمی به مقاومت برشی می‌کنند. خواص الاستیک فوم پر شده ظرفیت تغییر شکل را بهبود می بخشد و شکل پذیری کلی را افزایش می دهد. سفتی خمشی بالای سطح مقطع کامپوزیت می تواند به مهار کمانش تخته دیواری کمک کند. هیچ لنگر خمشی اضافی بر روی ستون های قاب منتقل نمی شود، زیرا لمینت های FRP به ستون های قاب متصل نمی شوند. مواد سبک سنج PET و FRP پیش ساخته، حمل و نقل و مونتاژ در محل را تسهیل می کنند و بار مرده روی سازه را کاهش می دهند [27]، [28]. علاوه بر این، در مقایسه با ورق فولادی موجدار، ورقه های FRP موجدار در CFSSW عملکرد خستگی بهتر و استحکام کششی بالاتری دارند [29]، [30].

عملکرد لرزه ای دیوار برشی ساندویچی پیشنهادی با آزمایشات شبه استاتیکی مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از ورق فولادی مسطح (SP)، ورق فولادی با ورقه های FRP موجدار (VCP) و صفحه ساندویچ فولادی موجدار FRP پر شده با فوم (VCSP) به عنوان تخته دیوار، به ترتیب، سه نمونه دیوار برشی یک طبقه با مقیاس 1/3 ساخته شد. نسبت مقیاس بندی با در نظر گرفتن نتایج سایر مطالعات [31]، [32]، [33]، [34]، [35] و با فرض روش طراحی مشابه برای مدل در مقیاس کامل انتخاب شد. آزمایش‌های تجربی سه نمونه تحت بارگذاری چرخه‌ای افقی برای ارزیابی عملکرد هیسترتیک آنها انجام شد. حالت‌های شکست، منحنی‌های پسماند، اتلاف انرژی، تخریب سختی، تغییر شکل خارج از صفحه نمونه‌ها به صورت کمی مقایسه و تجزیه و تحلیل شدند. با وجود تعداد محدودی از نمونه ها،

قطعات بخش

تحلیل کمانش الاستیک

برای جلوگیری از کمانش خارج از صفحه پانل برشی، مقاومت برشی کمانش τcr پانل ساندویچ باید بیشتر از استحکام تسلیم برشی τ _{y باشد}₍ به معادله (1) مراجعه کنید. اگر پانل ساندویچ به صورت ساده ساده شده باشد. صفحه ارتوتروپیک پشتیبانی شده (نگاه کنید به شکل 5)، مقاومت برشی کمانش را می توان با معادله (2) [36]، [37] محاسبه کرد. $τ_{cr} ⩾ τ_{y} = \frac{f_{y,steel}}{\sqrt{3}}$ $τ_{cr} = \frac{K \sqrt[4]{D_{y}^{3} D_{x}}}{b^{2}}$

در معادلات (1)، (2)، K نشان دهنده ضریب کمانش برشی است. D _y و D _x ثابت سفتی خمشی را در مورد محور قوی و محور ضعیف نشان می دهد.

طراحی و ساخت نمونه

برای مشخص کردن تأثیر فردی فوم PET و ورقه ورقه FRP موجدار بر عملکرد هیسترتیک CFSSW، دو نمونه با استفاده از صفحه فولادی تخت (SP) و صفحه فولادی با ورقه های FRP راه راه (VCP)، به ترتیب به عنوان معیار انتخاب شدند. ابعاد تخته دیواری با SP، VCP و VCSP در شکل 12 ارائه شده است. صفحه فولادی Q235 دارای ضخامت 1.8 میلی متر است. هر لمینت موجدار FRP از 4 لایه فیبر کربن با توالی انباشته شدن [0°, 90°, 0°, 90°] تشکیل شده است. M12

نمونه SP

قبل از رسیدن جابجایی بارگذاری به + 2.81 میلی متر (وضعیت اولیه)، هیچ اثر قابل مشاهده ای مشاهده نشد، همانطور که در شکل 21 (a) نشان داده شده است. با این حال، مقدار کرنش در گوشه سمت راست بالای صفحه فولادی پرکننده به 2175 × 10-6 رسید ^که نشان‌دهنده تسلیم موضعی صفحه فولادی است. پس از آن، در حین بارگذاری معکوس، تغییر شکل جزئی رخ داد. هنگامی که جابجایی بارگذاری به 2.81- میلی متر رسید، مقادیر کرنش در گوشه پایین سمت راست و گوشه سمت چپ بالای صفحه فولادی پرکننده 6-10×1548 ^بود و

منحنی های هیسترتیک

منحنی‌های هیسترتیک نمونه‌ها در شکل 24 نشان داده شده‌اند. بر اساس ویژگی‌های ماده فهرست‌شده در جدول 2، ظرفیت تسلیم برشی نامی را می‌توان با معادله به دست آورد. (25). در شکل ها ارائه شده است. 25 و 26. $F_{y} = \frac{f_{y}}{\sqrt{3}} b_{s} t_{w}$

در معادله (25)، f _y نشان دهنده مقاومت تسلیم ورق فولادی است. با توجه به خواص مواد نمونه های آزمایش شده، نیروی تسلیم برشی اسمی F _y 408.11 کیلونیوتن است.

منحنی پسماند نمونه SP یک شکل باریک را نشان می دهد (شکل 24(a))، در نتیجه

نتیجه گیری

دیوار برشی ساندویچی فولادی FRP کربن موجدار جدید با فوم (CFSSW) پیشنهاد شد. آزمایش‌های بارگذاری چرخه‌ای شبه استاتیکی از سه نمونه SPSW با قاب لولایی صلب برای مطالعه عملکرد هیسترتیک CFSSW بدون تأثیر قاب انجام شد. بر اساس تجزیه و تحلیل نتایج تجربی می توان نتایج زیر را گرفت: