بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه روشی نوین جهت تأمین عملکرد لرزهای ناحیه چشمه اتصال در اتصالات لنگرگیر تیر به ستونهای صلیبی
خلاصه
در طراحی اغلب سازه ها از سیستم های باربر جانبی در راستای دو جهت اصلی و متعامد ساختمان استفاده میشود . در این سیستمهای باربر جانبی، عملکرد ستون بهعنوان عنصر اصلی در تحمل تقاضا های مقاومتی و عملکردی حاصل از زلزله در هر دو راستای عمود بر هم، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.از آن جا که در محل تلاقی سیستم های باربر جانبی تأمین سختی و مقاوت کافی در دو راستای متعامد با پیچیدگی های خاص همراه است، استفاده از مقاطع با رفتار مشابه حول هر دو محور اصلی برای ستون ها ضروری به نظر می رسد. مقاطع صلیبی دارای رفتار مشابه در هر دو راستا می باشند و در ظاهر بدلیل باز بودن مقطع، انجام اتصالات مرتبط با ورق های پیوستگی و اتصالات تیر به ستون سهل تر به نظر می رسد.
به طور معمول از المان تیر-ستون معمولی برای تحلیل سازهها با ستونهای صلیبی استفاده میشود. ممان اینرسی این مقاطع نیز برابر مجموع ممان اینرسی مقاطع I شکل تشکیل دهنده آن در نظر گرفته میشود و فرض میشود توزیع لنگر در این مقاطع بر اساس سختی این عناصر انجام میشود. در این تحقیق با استفاده از تحلیلهای عددی غیرخطی محدوده اعتبار این فرض مورد بررسی قرار میگیرد. همچنین تأثیر جزئیات اتصال بر چگونگی توزیع لنگر در مقطع، مورد بررسی قرار میگیرد. در پایان جزئیات جدید برای تقویت ناحیه چشمه اتصال تیر به ستون صلیبی ارائه میشود و اثر آن بر بهبود چگونگی توزیع لنگر بین اجزای مقطع نشان داده میشود.
کلمات کلیدی: تحلیل مقاطع صلیبی، توزیع لنگر، اتصال تیر به ستون صلیبی، تقویت ناحیه چشمه اتصال، ورقهای مایل
.1 مقدمه
تمام سازهها برای انتقال بار ثقلی و جانبی وارد بر ساختمان، دارای سیستمهای باربر ثقلی و جانبی میباشند. در اکثر سیستمهای باربر ثقلی و جانبی ستون یکی از اجزای اصلی سیستم باربر استعمدتاً. سیستمهای باربر جانبی سازه در راستای دو جهت اصلی و متعامد ساختمان قرار میگیرند.. بخش مهمی از عملکرد سیستم باربر ثقلی و جانبی به عملکرد ستونهای آن، که وظیفه انتقال بار در ارتفاع سازه را به عهده دارند، وابسته است. ستونهای محل تلاقی این دو سیستم متعامد بدین دلیل که باید دارای سختی و مقاومت کافی در هر دو راستا باشند، یکی از اجزای نسبتاً پیچییده در سازهها میباشند. به علاوه این ستون ها باید امکان ایجاد اتصال صلب را در هر دو جهت فراهم آورند. این ویژگی با استفاده از مقاطع رایج H یا W شکل قابل حصول نیست، زیرا این مقاطع یک محور قوی در راستای عمود بر جان و یک محور ضعیف در راستای جان از لحاط سختی و مقاومتی داشته و نمیتوانند
تقاضاهای مقاومتی و عملکردی حاصل از زلزله در سازه را در هر دو راستا برآورده نمایند.
این نقص مهندسان را به سمت استفاده از مقاطع با رفتار مشابه در هر دو راستای متعامد هدایت کرد. از جمله این مقاطع، مقاطع قوطی شکل می-باشند که دارای رفتار و خواص مشابه در هر دو راستای متعامد میباشند و بدلیل قرار گرفتن مصالح با فاصله از تار خنثی دارای سختی و مقاومت خمشی مناسبی خواهند بود و علاوه بر آن به دلیل بسته بودن مقطع مقاومت و سختی پیچشی آنها نسبت به مقاطع باز مقدار بسیار بالاتری است. نقطه ضعف این مقاطع بسته بودن مقطع و در نتیجه عدم دسترسی به داخل مقطع و به تبع آن دشواری انجام اتصالات مرتبط با ورقهای پیوستگی و اتصالات تیر به ستون است . گزینه دیگری که مورد توجه مهندسان قرار گرفت مقاطع صلیبی شکل بود. این مقاطع دارای رفتار مشابه در هر دو راستا بوده و در ظاهر بدلیل باز بودن مقطع، انجام اتصالات مرتبط با ورقهای پیوستگی و اتصالات تیر به ستون سهلتر از مقاطع قوطی شکل است.
1
ظرفیت خمشی و پیچشی مقطع صلیبی: با توجه به قرارگیری بخش زیادی از مصالح حول تار خنثی شعاع ژیراسیون این مقطع نسبت به سایر مقاطع با مساحت برابر، مقدار کمتری است و در نتیجه مقاومت و سختی خمشی و پیچشی کمتری دارد و امکان کمانش پیچشی یا جانبی-پیچشی مقدم بر
کمانش جانبی وجود دارد.
ساخت مقطع صلیبی: برای ساخت مقطع از مقاطع نوردشده میبایست یک پروفیل H یا W شکل را از وسط برش زده و نصف کرد و این دو قسمت T شکل را به پروفیل H یا W دیگر جوش داد، البته در نواحی چشمه اتصال این جوش باید نفودی کامل باشد. در مورد مقاطع ساختهشده از ورق نیز ابتدا دو مقطع H یا W شکل با استفاده از ورقها و جوش، ساخته و سپس فرایند فوقمجدداً تکرار میشود.
استاندارد شماره 358 انجمن ساخت و ساز فولادی ایالات متحده آمریکا ویرایش سال 1F0 2005 این نوع ستونها را مشمول ستونها با امکان انجام اتصالات از پیش تایید شده21F میداند. این استاندارد ستونهای صلیبی ساخته شده از مقاطع W یا H شکل را شامل میشود و در مورد مقاطع ساخته شده از ورق سکوت اختیار کرده است .[1]
استاندارد شماره 360 انجمن ساخت و ساز فولادی ایالات متحده آمریکا ویرایش سال 3F20052 در مورد ستونهای صلیبی ساختهشده از مقاطع نوردشده تصریح میکند که جوش مقاطع T شکل به مقطع W شکل در ناحیه چشمه اتصال و dc در بالا وپایین آن به صورت نفودی کامل باشد .[2]
در سال 2009 تاهیر و همکاران43F ظرفیت ستونهای صلیبی ساخته شده از مقاطع تیر I شکل، را مورد بررسی قرار دادند. آنها ابتدا ظرفیت مقاطع را بر اساس آییننامههای یوروکد5F34 و استاندارد بریتانیا65F پیشبینی کردند و سپس آزمایشهایی جهت راستیآزمایی این پیشبینیها ترتیب دادند آنها در مورد فواید استفاده از ستونهای صلیبی به موارد زیر اشاره میکنند:
1. افزایش سختی ستونها: سختی جانبی ستون متناسب با مقدار I/L میباشد و در نتیجه هرچه مقدار I بزرگتر باشد، سختی ستون نیز افزایش مییابد. این نوع مقطع در هر دو راستا دارای مقدار I یکسان میباشد و در نتیجه دارای محور ضعیف نمیباشد. سختی ستونها به همراه سختی تیرها و اتصالات صلب در جهت کاهش تغییر مکان جانبی قابهای خمشی با افزایش سختی قاب خمشی به کار میرود.
2. افزایش ظرفیت محوری ستون: استفاده از تیرهای I شکل،F7 UB 6، در ساخت ستونها ممان اینرسی بیشتری نسبت به مقاطع H شکل ستون خواهد داشت و در نتیجه مقدار r مقطع ستون افزایش مییابد و به تبع مقدار λ=kL/r کاهش و ظرفیت محوری ستون افرایش مییابد.
3. کاهش فولاد مصرفی: افزایش مقدار I و به تبع آن افرایش مقدار r و کاهش مقدار λ=kL/r موجب افزایش ظرفیت محوری ستون و در نتیجه کاهش مصرف فولاد خواهد شد.
این آزمایشها و تحقیقات تنها به حالت وجود نیروهای محوری محدود شدهاند و به عملکرد لرزهای این ستونها اشارهای نمیکنند .[3] همانطور که در شکل1 نشان داده شده است، مقاطع صلیبی از دو مقطع I شکل عمود بر هم تشکیل شده است. به طورمعمول فرض میشود که ممان اینرسی این مقطع در هر دو جهت X و Y با هم برابر و مقدار آن بر حسب رابطه 1 بدست میآید.
IY* I *X I X IY (1)
که IX و IY به ترتیب ممان اینرسی مقطع I شکل حول محور قوی و ضعیف خود میباشد.
2
شکل -1 ستون با مقطع صلیبی
در تحلیل سازهها با ستونهای صلیبی از المان تیر-ستون با سختی معادل I*X و I*Y استفاده میشود. در این تحلیلها فرض میشود که در صورت ایجاد لنگر M*X در مقطع ستون، این لنگر به نسبت سختی محورهای قوی و ضعیف مقطع I شکل تشکیل دهنده مقطع صلیبی، بین دو I تشکیل دهنده مقطع صلیبی توزیع میشود. در رابطهی 2 مقدار لنگر ایجادشده حول محورهای قوی و ضعیف ستون نشان داده شده است.
هدف از این تحقیق پاسخ به سوالات زیر میباشد:
.1 .محدوده اعتبار این روش چه مقدار بوده و این روش تا چه حدی منطبق با واقعیت است؟
2. روش و جزئیات اتصالات رایج تیر به ستون صلیبی چه تأثیری بر توزیع لنگر بین محورهای قوی و ضعیف ستون خواهد داشت؟
3. چه راهکارهایی جهت اصلاح اتصالات و بهبود توزیع لنگر بین مقاطع I قوی و ضعیف ستون وجود دارد؟
.2روش انجام کار
برای بررسی اعتبار روش فوق از تحلیل اجزای محدود غیرخطی با استفاده از نرم افزار ABAQUS 6.10-1 استفاده شده است. در این تحلیل بخشی از ستون بین دو نقطه عطف در بالا و پایین طبقه در نظر گرفته شده است. در تراز طبقه دو تیر به ستون متصل شده است. با توجه به تشکیل نقطه عطف در نیمی از ارتفاع ستون و نیمی از طول تیر در اثر زلزله، طول تیر نیز برابر نیمی از طول واقعی آن در نطر میشود. در نقاط انتهای تیر غلتکهایی تعبیه شده است که از تغییرمکان راستای y و z جلوگیری کرده ولی محدودیتی جهت تغییرمکان راستای x ایجاد نمیکند. در تراز نقطه عطف موجود در تراز پایین طبقه مفصل تعبیه شده است که از تغییر مکان در هر سه راستا جلوگیری میکند. در تراز فوقانی ستون نیز تغییرمکان افزاینده در جهت X به ستون اعمال میشود. مقطع ستون w18*143 میباشد. جهت تیرها از مقطع w10*112استفاده شده است.
در این مدل تیرها و ستون از فولاد ASTM A36 با Fy برابر 36 Ksi (250Mpa) تشکیل شدهاند . فولاد مصرفی دارای E برابر 2900Ksi (200Gpa) و مدول الاستیسیته برابر 0/3 است. تیرها به ستونها با استفاده از جوش نفوذی کامل متصل شده است.
.3بررسی الگوهای رایج اتصال تیر به ستون با مقاطع صلیبی
توجه داریم که جهت به کار گرفتن این ستونها در قابهای خمشی و استفاده از سختی و مقاومت آن ها در هر دو راستا ایجاد اتصال صلب بین تیرها و ستون ضروری است. به منظور ایجاد اتصال صلب در این ستونها در قاب های خمشی ویژه طبق توصیه استاندارد شماره 341 انجمن ساخت و ساز فولادی ایالات متحده آمریکا ویرایش سال 1F20057 فراهم آوردن الزامات زیر ضروری است:
1. ظرفیت خمشی ستون بیشتر از تیر باشد.
2. ناحیه چشمه اتصال ستون میبایست توانایی انتقال لنگر را از ناحیه تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها به ستونها داشته باشد .[4]
3
در اتصال معمول تیر به ستونهای W شکل در صورتی که به دلیل لهیدگی جان و .... نیاز به تعبیه ورق پیوستگی باشد، با استفاده از این ورقها و جان محصور در این ناحیه و عملکرد برشی این ناحیه لنگر انتقال مییابد ولی در این مقاطع بخشی از ظرفیت مقطع ناشی از محور ضعیف ستون می-باشد . برای بررسی صحت فرضیات مذکور، دو مدل شامل اتصالات مستقیم تیر به ستون بدون حضور ورق پیوستگی و با حضور ورق پیوستگی ساخته شده است. در ابتدا به منظور بررسی رفتار ستون در محدوده الاستیک رفتار الاستیک و خطی مصالح در نظر گرفته شده است و از جاری شدن آنها صرف نظر شده است. سپس رفتار غیرخطی مصالح به صورت الاستیک -پلاستیک کامل در نظر گرفته شده است. تحلیل نشان میدهد که:
.1 در مدل بدون ورق پیوستگی در حالت الاستیک میزان Mx/M*x در حدود %98 و میزان My/M*x در حدود %2 میباشد. در شکل 2 چگونگی تغییرات این نسبتها با افزایش تغییر شکل آورده شده است.
شکل -2 نسبت لنگر ایجاد شده حول محور ضعیف و قوی ستون در مقاطع صلیبی با در نظر گرفتن رفتار خطی مصالح در مدل 1
.2 در صورتی که رفتار ستون به صورت دو خطی و الاستیک - پلاستیک کامل در نظر گرفته شود، محور ضعیف مقطع تنها در صورتی که ناحیه جان محور قوی در محدوده اتصال جاری شود، وارد باربری میشود و میزان My/M*x از %2 به %10 افزایش مییابد.
این نتایج بیانگر این مطلب است که امکان بسیج کردن محور ضعیف ستونهای صلیبی بدون انجام تمهیدات خاص میسر نیست، به عبارت دیگر تحلیل سازه با استفاده از المان تیر-ستون و توزیع لنگر بین محورهای قوی و ضعیف آن بر اساس سختی این محورها امری نادرست است.
شکل -3 نسبت لنگر ایجاد شده حول محور ضعیف و قوی ستون در مقاطع صلیبی با در نظر گرفتن رفتار دوخطی مصالح در مدل 1
در شکل 4 چگونگی عملکرد این اتصال در اثر اعمال تغییر مکان در انتهای ستون با بزرگنمایی 5 برابر نشان داده شده است.
4
شکل -4 عدم به کار افتادن همزمان محور قوی و ضعیف ستون صلیبی در اتصال بدون وجود ورق پیوستگی
. .3 در مدل با ورق پیوستگی، در حالت الاستیک میزان Mx/M*x در حدود %73/5 و میزان My/M*x در حدود %26/5 میباشد.
شکل -5 نسبت لنگر ایجاد شده حول محور ضعیف و قوی ستون در مقاطع صلیبی با در نظر گرفتن رفتار خطی مصالح در مدل 2
.4 در صورتی که رفتار ستون به صورت دو خطی و الاستیک - پلاستیک کامل در نظر گرفته شود، پس از جاری شدن ناحیه چشمه اتصال محور قوی مقطع، محور ضعیف مقطع لنگر بیشتری جذب میکند و My/M*x از %26/5 به %35 افزایش مییابد.
