دانلود رایگان ترجمه مقاله دیوارهای کامپوزیت صفحه فولادی (SC) در معرض بارگذاری غیرفعال (ساینس دایرکت – الزویر ۲۰۱۵)

تابع مقاومت استاتیک برای دیوارهای کامپوزیت صفحه فولادی (SC) در معرض بارگذاری غیرفعال

Static resistance function for steel-plate composite (SC) walls subject to impactive loading

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F2146

رویکرد
مقاله حاضر روش یک درجه آزادی (SDOF) را به منظور تشخیص و ارزیابی پاسخ جابجایی پانل های SC پیاده سازی می کند. پانل ها در معرض بارگذاری غیرفعال هستند که مشابه با روش مورداستفاده برای ارزیابی پاسخ جابجایی پانل های RC است که در معرض ضربه موشکی هستند. روش SDOF به دلیل تشابهات بین رفتار برشی خارج از صفحه (Sener and Varma, 2014) و رفتار خمشی (Sener et al., 2015) دیوارهای SC و RC بکار می رود. این روش به طور معمول برای ارزیابی پاسخ پانل های RC به بارهای غیرفعال و تحریک کننده بکار می رود و در تحقیقات و همچنین جوامع عملی مهندسی مشهور است (Biggs, 1964; American Society of Civil Engineers, 1980; U.S. Department of Defense, 2008). روش SDOF جابجایی (کل) ساختاری پانل های RC شامل توسعه مکانیزم فروریختگی و تغییرشکل ناشی از چرخش لولاهای خمیری مشخص می کند و زمانی که پانل قادر به جلوگیری از مدهای شکست محلی (سوراخ شدن) ناشی از ضربه است، مورداستفاده قرار می گیرد.
۳ – ۱٫ روش SDOF برای پانل های RC
روش SDOF شامل حل معادله (۱) است که معادله حرکت برای تعادل دینامیک است. در این معادله، M_e جرم مؤثر سازه، C میرایی مؤثر سازه، R(y) مقاومت استاتیک و به عنوان تابعی از جابجایی y(t) است، F(t) تابع نیروی اعمال شده، y ̇(t) مشتق اول جابجایی نسبت به زمان (سرعت)، و y ̈(t) مشتق دوم جابجایی نسبت به زمان (شتاب) است. پاسخ جابجایی اوج ناشی از بارگذاری غیرفعال یا تحریک-کننده در چرخه اول رخ می دهد، و میرایی سازه، C، تاثیر چشمگیری بر این مقدار ندارد. در نتیجه، میرایی سازه معمولا شامل نمی شود (U.S. Department of Defense, 2008) و معادله (۲) رایج-ترین فرم مورداستفاده از معادله حرکت برای محاسبه جابجایی اوج ناشی از ضربه موشکی است.

همان طور که در شکل ۲ نشان داده شده است، رفتار بار – جابجایی استاتیک پانل های RC رفتار الاستوپلاستیک را نشان می دهد که سخت شدگی ناشی از عمل غشاء کششی را پیروی می کند. بااین حال، تاثیر عمل غشاء کششی معمولا نادیده گرفته می شود و تابع مقاومت، R(y) خمیری کاملا الاستیک فرض می شود که در شکل ۲(b) نشان داده شده است. پارامترهای مهم که این تابع مقاومت ایده آل را تعریف می-کنند، حداکثر مقاومت، R_m و انحراف الاستیک X_E هستند. معادلات لازم برای محاسبه این پارامترها (R_m و X_E) در منابع متعددی دردسترس می باشد (Biggs, 1964; American Society of Civil Engineers, 1980; U.S. Department of Defense, 2008). جرم مؤثر، M_e، برای مدل SDOF با ضرب جرم کل پانل (M_t) در ضریب تبدیل، K_M، محاسبه می شود، که مبتنی هندسه غشاء، شرایط تکیه گاه، و پاسخ موردانتظار (الاستیک، الاستوپلاستیک، یا پلاستیک) است. مقادیر ضریب تبدیل جرم، K_M برای مورد بارگذاری یکنواخت که روی تاوه های RC دو راهه عمل می کند، در تحقیقات موجود هستند و معمولا در همان منابع معادلات لازم برای R_m و X_E نیز در دسترس است. بااین حال، مقادیر K_M برای مورد بار متمرکز مرکزی که بر روی تاوه های دو مسیره با شرایط تکیه گاه مختلف عمل می کند، در متون موجود نیست. K_M را می توان با استفاده از معادلات (۳) – (۶) محاسبه کرد، که در آن معادله (۴) برای جرم مؤثر (M_e) است و تابع شکل جابجایی [Φ(x,y)] را نیز شامل می شود.

تابع نیرو، F(t)، در معادله (۲) را می توان با استفاده از روش Riera توسعه داد، که این روش ممنتوم (اندازه حرکت) شیء غیرفعال را به نیروی کنش برای سازه صلب تبدیل می کند و (زاویه) میل ضربه (Riera, 1980) را شامل می شود. دیگر روش های قابل پذیرش برای توسعه تابع نیرو برای ضربه موشکی در منبع (American Society of Civil Engineers, 1980) فراهم شده است. برای موارد خاص فراتر از پایه طراحی، کمیسیون مقررات هسته ای آمریکا (NRC) تابع نیرویی را ارائه می دهد، که جزء اطلاعات محرمانه محسوب می شود و در دسترس عموم قرار نمی گیرد (موسسه انرژی هسته ای، ۲۰۱۱). برای توابع نیروی ساده شده (مانند پالس های مثلثی یا مستطیلی) و توابع مقاومت فرض شده (الاستیک یا الاستوپلاستیک)، پاسخ ها برای جابجایی اوج در متون (U.S. Department of Defense, 2008) موجود است. مقادیر جابجایی اوج را می توان برای برآورد شکل پذیری موردنیاز جابجایی و ظرفیت چرخش را برای سازه های پانل که در معرض ضربه موشکی هستند، بکاربرد. برای پانل های RC، شکل پذیری موجود (و ظرفیت چرخش موردنیاز) در استاندارد ACI 349 App فراهم شده-اند (موسسه بتن آمریکا). مقاومت کل و عملکرد پانل های RC در برابر بارگذاری غیرفعال را می توان با مقایسه جابجایی های موردنیاز و موجود ارزیابی کرد.

۳ – ۲٫ روش SDOF برای پانل های SC
پیاده سازی روش SDOF برای پانل های SC شامل حل معادله حرکت (۲) جهت تعیین حداکثر جابجایی برای بارگذاری غیرفعال است. دو پارامتر موردنیاز برای تعریف کامل مدل جرم مؤثر، M_e، و تابع مقاومت، R(y) است. مقاله حاضر توسعه تابع مقاومت، R(y)، را براساس محاسبه جرم مؤثر، M_e و ضریب تبادل جرم K_M ارائه می دهد.
جرم مؤثر، M_e، مدل SDOF با استفاده از تابع شکل جابجایی Φ(x,y) متناظر با مکانیزم فروریختگی ساختار پانل محاسبه شد. تحلیل اولیه توسط نویسندگان (Johnson et al., 2014) حاکی از آن بود که مکانیزم های فروریختگی برای پانل های SC با لبه های ثابت مشابه با مکانیزم پانل های RC است، برای مثال، الگوی ترک شعاعی و خطوط تسلیم که در شکل ۳(a) نشان داده شده است. تحقیقات پیشین توسط Sohel and Liew (2011) نشان داد که مکانیزم فروریختگی برای پانل های SC با لبه های با تکیه گاه ساده شامل الگوی ترک شعاعی و خطوط تسلیم بود که در شکل ۳(b) نشان داده شده است. این مکانیزم های فروریختگی برای شرایط مرزی مختلف به عنوان تابع شکل جابجایی Φ(x,y) جهت محاسبه ضریب تبدیل جرم، K_M و جرم مؤثر M_e برای مدل SDOF بکار گرفته شدند. این محاسبات بعدا در یک مقاله پس از تایید مکانیزم های فروریختگی فرضی با استفاده از مدل های عددی ارائه خواهند شد.

تابع مقاومت استاتیک با استفاده از مدل های عددی (المان محدود ۳ بعدی) پانل های SC توسعه یافت. این مدل های المان محدود ۳ بعدی مشابه با مدل های مورداستفاده قبلی برای مطالعات سوراخ شدن موشکی محلی است و با استفاده از نتایج تجربی بزرگ مقیاس مورد سنجش قرار گرفته اند. مطالعات پارامتری دقیق نیز با استفاده از مدل های سنجش شده به منظور بررسی تاثیر پارامترهای متعدد شامل ضخامت پانل SC، نسبت ضخامت دهانه به پانل، مقاومت تراکمی بتن، مقاومت تسلیم ورق فولادی، نسبت آرماتور، نسبت لاغری ورق، نسبت ضخامت فاصله بست به پانل و شرایط مرزی انجام شد. نتایج حاصل از مطالعات تجربی دقیق نشان داد که تابع مقاومت استاتیک برای پانل SC را می توان به عنوان یک منحنی دوخطی با سخت شدگی کرنش تسلیم تاخیری ایده آل سازی کرد و دو نقطه مهار برای منحنی دو سویه را می توان با استفاده از نتایج حاصل از مطالعات پارامتری دقیق تعریف نمود. این نقاط مهار به منظور لحاظ اثرات نسبت کرنش، و تابع مقاومت دوخطی حاصل با سخت شدگی کرنش، R(y) جهت تعریف و حل معادله حرکت برای مدل SDOF پانل های SC بکاربرده شد. ماهیت دوخطی تابع مقاومت استفاده از چارت های پاسخ برای تعیین پاسخ جابجایی اوج و شکل پذیری موردنیاز را نشان می دهد. بااین حال، معادله حرکت را می توان با استفاده از یکی از روش های عددی مانند نسبت بازگشت اختلاف محدود، شتاب ثابت، شتاب خطی، یا روش Newmark حل نمود (Biggs, 1964; Chopra, 2001).
مقاومت استاتیک پانل های SC: مدل های عددی و معیار سنجش
پانل های SC موردنظر در این مقاله صفحات مربعی تخت هستند که در شکل ۴ نشان داده شده است. جزئیات ساختاری پانل های SC مدنظر در این مقاله در الزامات پیوست N9 of AISC N690s1-15 (American Institute of Steel Construction, 2015) صدق می کند. این پانل های SC نماینده دیوارهای داخلی و بیرونی معمول از تاسیسات هسته ای مربوط به ایمنی هستند. تحلیل های المان محدود با استفاده از LS-DYNA نسخه ۹۷۱، انتشار ۵٫۱٫۱ (Hallquist, 2006) انجام شده اند.

۴ – ۱٫ مدل عددی: روش المان محدود سه بعدی (FEM)
نویسندگان مدل های عددی (۳D FEM) را برای پیش بینی شکست محلی (زخمی شدن، سوراخ شدن و نفوذ) پانل های SC که در معرض ضربه موشکی هستند، توسعه و مورد سنجش قرار داده اند (Bruhl et al., 2015a). در مقاله حاضر مدل های ۳D FEM مورد استفاده برای بررسی رفتار سازه پانل های SC مبتنی بر مدل های سنجش شده پیشین برای شکست محلی با سه استثناء هستند. اول، شبکه المان محدود برای مدل اصلی جهت تمرکز بر رفتار سوراخ محلی کوچک (ریز) بود. اندازه شبکه المان محدود برای مطالعه حاضر جهت تمرکز بر رفتار جابجایی سازه پانل های SC بزرگ (درشت) بود، که نسبت به شبکه-های مدل سازی شده برای ارزیابی رفتار سوراخ محلی بسیار بزرگتر بود (در طول دهانه). دوم، مدل المان محدود اصلی بر مدل سازی آسیب موضعی (زخمی شدن، نفوذ، سوراخ) متمرکز است و معیارهای فرسایش برای المان های بتنی را شامل می شود. مطالعه حاضر معیارهای فرسایش برای المان های بتنی را شامل نمی شود زیرا بر پاسخ ساختاری پانل های SC تمرکز می کند که به دلیل ضربه موشکی شکست محلی (سوراخ شدن) را متحمل نمی شوند. سوم، مدل المان محدود اصلی برای تحلیل دینامیک همراه با ضربه موشکی صلب توسعه یافت، و شامل اثرات نرخ کرنش بر مقاومت ماده است. در این مقاله محور اصلی مقاومت استاتیک پانل های SC است و بنابراین اثر نرخ کرنش بر مقاومت مواد شامل نشده است. این امر منجربه تغییر اندک در تعریف پارامترها برای رفتار تنش مدل ماده بتنی (MAT 084/085) در LS-DYNA می شود. وقتی اثرات نرخ کرنش شامل نمی شود، این مدل بتنی یک پاسخ جابجایی (σ-u) دهانه تنش – ترک کششی با سفت شدگی خطی را فرض می کند. پارامترهای ورودی ظرفیت تنش کششی بتنی f_t و بازشدگی ترک (u_0) هستند که متناظر با تنش کششی صفر است. انرژی شکستگی ماده حاصل (تعیین شده) (G_f) برابر با مساحت زیر منحنی σ-u است و چنین محاسبه می شود: (۱/۲×f_t×u_0).