عملکرد لرزه ای نمای شیشه ای اسپایدر

چکیده

سیستم نمای شیشه ای نقطه ای که به عنوان سیستم نمای شیشه ای اسپایدر( عنکبوتی ) شناخته می شود ُ‌در بین معماران دارای محبوبیت بالایی است مخصوصا نسبت به نمای های شیشه ای کرتین وال و امثال آن . این نوع نما بر روی سیستم سازه های پیشتیان از طریق کمترین قطعات نقطه ای یا روتیل ها توسط پیچ مهره نصب میگردد . این نوع سیستم نما اگر  ظرفیت رانشی آن در نظر گرفته نشود در زمان زلزله و بادهای شدید آسیب پذیر خواهد بود . یک تست آزمایشگاهی منحصر فرد در مقیاس واقعی انجام شده است . هدف این تحقیق ارزیابی عملکرد لرزه ای و رانش نما در زلزله می باشد.

در این مقاله آزمایش آزمایشگاهی و نتایج تجربی آن مورد بررسی قرار میگیرد . حداکثر انحراف 2.1 ٪‌ اندازه گیری شده است که بسیار بزرگ تر از برآورد اولیه می باشد .مطالعه تحلیلی برای تقسیر رفتار نمای شیشه ای اسپایدر با استفاده از نتایج تجربی و دیدگاههای ارایه میگردد برای بهبود این سیستم در آینده می باشد .


کلمات کلیدی : نمای اسپایدر شیشه ای – نمای اسپایدر – نمای شیشه ای ثابت نقطه ای  –  ظرفیت رانش نمای اسپایدر

1- مقدمه

1-1 پیش گفتار

سیستم نمای شیشه ای اسپایدر یک سیستم نسبتا جدید از انواع نمای شیشه ای معاصر است که شفافیت و زییایی شنایی بیشتری را نسبت به انواع دیگر نماهای شیشه ای دارا می باشد. در طراحی ساختاری نمای های شیشه ای هر دو عملکرد داخلی و خارجی نمای مورد بررسی قرار میگیرد . در حالی که بار باد بر روی پنل ها در نظر گرفته میشود  اما اقدامات اصلی طراحی خارج از صفحه می باشد . افزایش وزن ُ انبساط حرارتی ُ خیز ناشی از تیر و حرکات ساختمان ناشی از بار باد و زلزله را باید در نظر گرفت . در شکل 1 نمای کلی از نمای شیشه ای اسپایدر و قطعات اتصالی آن نشان داده شده است.

نمای فینگلس پروژه اتوپدیده
نمای اسپایدر فیکس پوینت

از دید طراحی لرزه ای نماهای شیشه ای اسپایدر حساس به رانش هستند و عملکرد آن منوط به ظرفیت جابجایی پنل های شیشه ای در سیستم نمای شیشه ای اسپایدر می باشد که نباید این رانش ها از بزرگ تر ظرفیت دورن صفحه ای باشد . زلزله های شدید و باده ها باعث آسیب رسانده به سازه های ساختمان ها و نیز عناصر غیر سازه ای مانند نمای شیشه ای ساختمان می شوند . دو نگرانی عمده مربوط به عملکرد سیستم های نمای شیشه ای اسپایدر در هنگام وقوع رویداد و بعد از آن وجود دارد

خطرات مربوط به سقوط شیشه در خصوص اسیب به جانی به مردم

کاهش هزینه و نیز زمان تعمیرات

تعداد قابل توجهی از مطالعات ازمایشگاهی و تحلیلی مربوط به عملکرد لرزه ای شبیه سازی شده در خصوص نمای شیشه ای اسپایدر در چند دهه گذشته انجام شده است . گسترده ترین برنامه های ازمایشی بر روی نماهای شیشه ای در دانشگاه میسوری و دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده است . بر اساس این تست ها یک حالت کلی برای ارزیابی سیستم های نمای شیشه ای قابی تحت بارگذاری که توسط معاده 1 بیان شده است ارایه میدهد . ظرفیت (ریزش ) باید از تقاضای رانش فراتر رود که تابهی از جابجایی نسبی لرزه ای و ظرفیت اشغال است .

با این حال ُ‌ عملکرد لرزه ای نمای شیشه ای اسپایدر با نمای شیشه ای قابی متفاوت است و هیچ دستور العمل یا دستورالعمل های طراحی برای ارزیابی ظرفیت درون صفحه ای چنین سیستم های وجود ندارد . بازو های عنکبوتی در نمای های شیشه ای اسپایدر برای اتصال شیشه به سیستم سازه ای نگهبان مورد استفاده قرار میگیرد .همانطور که در شکل 1و 2 نشان داده شده است شیشه به بازوهای عنکبوتی یا استفاده از پیچ و مهرهای مخصوص متصل می شوند .

علی رغم محبوبیت روز افزون نمای اسپایدر مطالعات بسیار محدودی در مورد رفتار این نوع سیستم ها وجود دارد . اخیرا نمای اسپایدر با شیشه های سوراخ دار جهت نصب بر روی بازوهای اسپایدر در کارلیفرنیا پذیرفته شده است و عملکرد آنها  با تست های ساختگی مورد تایید واقع شده است .

نمونه قطعه اسپایدر فینگلس
نمونه قطعه اسپایدر فینگلس

1-2 دامنه و هدف

پروژه تحقیقاتی توسط دانشگاه سوینبرن ُ استرالیا انجام شده تا عملکرد اجرایی نمای اسپایدر را ارزیابی کند . این ازمایش شامل مطالعه ازمایشگاهی و مدل سازی تحلیلی با پنل های شیشه ای سخت است . این مقاله خلاصه ای ازمایش تجربی ازمایشگاهی و تجزیه و تحلیل را ارایه میدهد . جزییات پیکربندی نمای شیشه ای اسپایدر  و مجموعه تست های تجربی، آماده‌سازی، و نتایج آزمایش به ترتیب در بخش‌های ۲، ۳ و ۴ ارائه می‌شوند. عملکرد رانشی توسط نرم افزار المان محدود ANSYS   شبیه سازی شده است که در بخش 5 به آن پرداخته شده است و همچین خلاصه و نتیجه گیری در بخش  6 ارایه شده است.

2- شرح نمونه

این آزمایش بر روی یک نمای شیشه ای اسپایدر معمولی که در شکل ۴ نشان‌داده شده‌است انجام شد، که شامل چهار پانل‌ شیشه‌ای ضخیم ۱۲۰۰ mm * ۱۲۰۰ mm بود که با سیلیکون ۸ میلی متری به هم متصل شدند. چهار نوع مختلف از اتصالات پیچی وجود دارند که در بازار موجود هستند تا بتوان شیشه های نما اسپایدر را با آنها نصب کرد که در شکل ۳ نشان‌داده. بازوهای نمای اسپایدر  به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند  : الف بازوهای عنکبونی نمای اسپایدر معمولی که به سازه نگهبان توسط پیچ و مهره نصب میشوند و اجازه چرخش در محور وسط را به آنها میدهد و نوع ب: قطعات عنکبوتی نمای اسپایدر فینگلس که محکم به هم چسبیده و اجازه چرخش یه قطعات را نمی دهند . آزمایش شرح‌داده‌شده در این مقاله با استفاده از اتصالات پیچ و پین متصل به سازه نگهبان که از ارزان‌ترین و در نتیجه رایج‌ترین نوع اتصالات می باشد در این تست ‌استفاده شده است . .

نمونه های انواع قطعات اسپایدر
نمونه های انواع قطعات اسپایدر

جزییات سوراخ شیشه مطابق با محل اتصال بازوهای عنکبوت و ابعاد اتصالات پیچ رابط  تهیه شده ُ‌ یک ساختار پشتیبان برای تعمیر پانل‌های شیشه‌ای ۱۲۰۰ mm * ۱۲۰۰ mm طراحی شد و با استفاده از ۱۸۰ PFCs همانطور که در شکل ۵ – ۴ نشان‌داده شده‌است، ساخته شد. عملکرد اجرایی – صفحه به سه مولفه اصلی، پانل‌های شیشه‌ای، جزییات اتصالات و سازه پشتیبان وابسته است. در این تست سازه پشتیبان به گونه‌ای طراحی  شد که عملکرد شدید پانل‌های شیشه‌ای و جزییات ارتباط را می توان ارزیابی کرد.  مطالعات تحلیلی اولیه با استفاده از نرم‌افزار اجزای محدود ANSYS نشان داد که حالت‌های بحرانی شکست پانل‌های شیشه‌ای به دلیل تنش کششی بیش از حد در طول قطر کششی پانل‌های شیشه‌ای با بار پیش‌بینی‌شده ۲۴.۵ کیلو نیوتن و یک ظرفیت برشی اسمی ۱۰ میلی متر از فولاد ضد زنگ  ۳۱۶ fittings می‌باشد.

نقشه سازه نگهبان نمای اسپایدر
نقشه سازه نگهبان نمای اسپایدر

3- راه اندازی ازمایش

1-3 جزییات راه اندازی تست

ساختار پشتیبان (‏قاب آبی)‏در شکل ۵ a نشان‌داده شده‌است. سه عضو عمودی و دو عضو افقی با استفاده از پیچ‌های   24 میلی متری به هم متصل شده و نرم شده‌اند تا قاب را به عنوان یک مکانیزم در نظر بگیرند. تیغه عمودی در هر دو انتها قطع شدند تا یک لباس مسطح در سمت جلو سازه پشتیبان ایجاد کنند (‏شکل ۵)‏.  این سازه قادر به مقاومت در برابر ۱۰۰ کیلو نیوتن در برابر بار جانبی و ۱۵۰ میلی متر جا بجایی در صفحه بود.

از حرکت سازه پشتیبان در جهت خارج از صفحه توسط چهار مجموعه غلتک‌ سوار بر تیر  بالا جلوگیری شد (‏شکل ۵ a)‏.  غلطک اطمینان حاصل می کند که سازه پشتیبان با جهت بارگذاری تنظیم شده‌است.  هنگامی که ساختار پشتیبان برای ثابت کردن بازوهای عنکبوت، پانل‌های شیشه‌ای و فیشورسیلانت تشکیل شد (‏شکل ۵ ) یک فیلم چسبنده شفاف به پانل‌های شیشه‌ای چسبانده شده  تا قطعات شیشه‌ای پس از هر گونه شکست شیشه از ریزش جلوگیری شود .

سازه نگهبان نمای اسپایدر
سازه نگهبان نمای اسپایدر
سازه نگهبان نمای اسپایدر
سازه نگهبان نمای اسپایدر

یک چک 300 نیوتنی با قطر 50 میلی متر که در عکس مشخص است برای ایجاد بار جانبی به سازه نگهبان تعبیه گردیده . بازوهای بارگیری را می توان در هر زمانی قفل کرد و تنظیم کرد تا تقاضای جابجایی مورد نیاز را افزایش دهد (‏شکل ۶)‏. ناحیه آزمایش همچنین از تورهای شکار به دنبال شکستگی و اطمینان از ایمنی در آزمایشگاه نیز فرا گرفته شده‌است.

2-3 ابزار و روش تست

روش تست به شرح ذیل بود :

  • نمونه در گوشه سمت راست بالا در یک گام به روش گام‌به‌گام با افزایش‌های جابجایی ۵ میلی متر تا زمان شکست کشیده شد.
  • دو سیستم اندازه‌گیری برای کسب اطمینان خوب در کسب اطلاعات به کار گرفته شدند:
  • اندازه‌گیری جابجایی با LVDTs ‏جابجایی خطی و  سرعت خطی
  • انحنا در ۱۱ نقطه (‏افقی، عمودی و خارج از صفحه اندازه‌گیری شدند (‏شکل ۶)‏و بار اعمالی با استفاده از یک سلول بار (‏شکل ۶)‏اندازه‌گیری شد.
  • داده‌های جا به جا شده برای نقاط هدف که از نظر تاکتیکی در موقعیت تاکتیکی قرار گرفته و با برچسب‌های چسبنده retro مشخص شده‌اند (‏شکل ۸ )
  • عکس‌هایی از اهداف قبل و بعد از توالی بارگیری و حرکت نسبی در موقعیت آن‌ها با استفاده از نرم‌افزار براساس اصول مثلث بندی تفسیر شدند.
جانمای جک هیدرولیکی جهت اعمال بارهای لرزه ای به سازه نمای اسپایدر

4- نتایج تجربی و تست

منحنی بار – جابجایی در بالای ساختار پشتیبان اندازه‌گیری می‌شود (‏LVDT در شکل ۶)‏از آزمون در شکل ۷ نشان‌داده شده‌است. این نشان می‌دهد که ساختار به صورت خطی تا شکست عمل می‌کند. حداکثر جابجایی ۵۸.۵ mm با بار الکتریکی ۱۶ kN قبل از شکست اندازه‌گیری شد. با کمال تعجب، این امر منجر به حداکثر ۲.۱ درصدی ظرفیت رانش برای سیستم با آسیب جزئی به سیلنت و تسلیم بازوهای عنکبوت قبل از شکست فاجعه‌بار یکی از پانل‌های شیشه‌ای شد. شکست سیستم و پانل شیشه‌ای به ترتیب در شکل ۸ a و ۸ b نشان‌داده شده‌اند. لایه‌های طلق های لمینیت  از قطعات شیشه در حال سقوط محافظت می‌کردند.

تحلیل المان محدود پوش آور نمای اسپایدر
تحلیل المان محدود پوش آور نمای اسپایدر
پنل شیشه ای نمای اسپایدر پس از شکست پانل شیشه ای
پنل شیشه ای نمای اسپایدر پس از شکست پانل شیشه ای
پنل شیشه ای نمای اسپایدر پس از شکست پانل شیشه ای
پنل شیشه ای نمای اسپایدر پس از شکست پانل شیشه ای

در طول آزمایش عملی مشاهده شد که پانل‌های شیشه‌ای و بازوهای عنکبوت همگی به صورت اجسام صلب چرخیده بودند در حالی که فیشورسیلانت در فصل مشترک تغییر شکل داده بود. بازوهای عنکبوت بکار رفته در این آزمایش ظرفیت گشتاور اصطکاکی ۲۰۰ Nm را داشت که در آن چرخش رخ می‌داد. یک تحلیل خرپایی ساده برای تعیین اعمال بار (‏تنش و یا فشردگی)‏در پانل‌ها که در شکل ۹ a نشان‌داده شده‌است، انجام شد یک تحلیل خرپایی ساده برای تعیین اعمال بار (‏تنش و یا فشردگی)‏در پانل‌ها که در شکل ۹ a نشان‌داده شده‌است، انجام شد . مکان‌های اولیه (‏آبی)‏و نهایی (‏قرمز)‏پانل‌ها در شکل ۹ b نشان داده می‌شوند و این نشان‌دهنده ترجمه‌ای است که قبل از شکست در پانل‌های شیشه‌ای رخ داده‌است.

در طول مرحله اول بارگیری با جابجایی ۳ میلیمتری، چرخش در چند بازو دیده شد (‏شکل ۱۰ a ) . سیلانت مانع چرخش بازوهای متصل به PFC در فصل مشترک چهار تخته شد چون سیلانت در برابر رفتار برشی و فشاری سفت بود (‏شکل ۱۰ a  )

 

میزان جابجایی
میزان جابجایی
نمایش محور های چرخشی بازو اسپایدر
نمایش محور های چرخشی بازو اسپایدر

شکل ۹ “قاب شیشه‌ای و بازوهای عنکبوت نوشته شده از جمله جهت چرخشی” ب ” ترجمه بازوها و پانل‌های شیشه‌ای

جالب است که پانل‌های شیشه‌ای نیز در یک جهت خارج از صفحه نسبت به یکدیگر جابجا می‌شوند . مقدار قابل‌توجهی از حرکت خارج از صفحه بین بازوهای PBB۴ (‏پانل پی بی B۴)‏به pdb۲ و PAB۳ به PCB۱ (‏شکل ۱۰ b)‏با حداکثر حرکت دیفرانسیلی حدود ۱۰ mm مشاهده شد که منجر به شروع ترک‌خوردگی و شکست فاجعه‌بار پانل دست سمت راست شد همانطور که در شکل ۸ نشان‌داده شده‌است.

تحلیل جابجایی بازوهای اسپایدر
تحلیل جابجایی بازوهای اسپایدر
تحلیل جابجایی بازوهای اسپایدر
تحلیل جابجایی بازوهای اسپایدر

شکل ۱۰ “جابجایی بازوهای عنکبوت در جهت عمودی” ب ” حرکت خارج از صفحه بازوهای عنکبوت