بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي رفتار مهاربند کمانش ناپذير با هسته شکاف دار
خلاصه
کاهش پاسخ هاي لرزه اي و استهلاک انرژيهاي حاصل از اعمال نيروهاي شديد به سازه مانند زلزله ، همواره مورد توجه پژوهش گران قرار دارد. مهاربندهاي کمانش ناپذير، يکي از سيستم هاي استهلاک انرژي هستند که همانند ساير سيستم هاي مهار جانبي سازه ها، به کاهش پاسخ هاي سازه در برابر بارهاي وارده کمک ميکنند. اين مهاربندها به طور کلي از يک المان محوري به عنوان هسته تشکيل ميشوند که با تسليم و جاري شدن به جذب انرژي کمک مي کند. علاوه بر آن ، بخشي ديگر از اين مهاربند، هسته را در بر ميگيرد و از کمانش آن در برابر بارهاي فشاري جلوگيري م کند. در مهاربندهاي کمانش ناپذير سنتي، به منظور دست يابي به کرنش يکنواخت در حالت کششي و فشاري، هست ي مهاربند را يکنواخت ميسازند. هم چنين ، بخش نگه دارنده ي هسته از پروفيل هاي توخالي که با ملات پر شده اند ساخته ميشود..
کاستي اين مهاربندها را ميتوان در وزن زياد آن به علت مواد پرکننده پيرامون هسته ، نبود امکان بازرسي چشمي هسته و جايگزيني و تعمير آن پس از ايجاد خسارت دانست . در اين پژوهش ، مهاربند کمانش ناپذير نويني با هسته ي سوراخ دار معرفي ميشود که کاستيهاي مهاربندهاي کمانش ناپذير سنتي را ندارد. حالت هاي مختلف هسته ي اين مهاربندها با تعداد و نوع سوراخ هاي متفاوت ارزيابي شدند و با توجه به رفتار چرخه اي آن ها، چگونگي توزيع تنش ، تغييرشکل هسته و وضعيت مهاربند پس از کمانش ، بهينه ترين شکل هندسي اين مهاربندها انتخاب و پيشنهاد شدند.
کلمات کليدي: بارهاي جانبي، مهاربندهاي کمانش ناپذير، هسته هاي سوراخ دار، سبک سازي
١. مقدمه
استفاده از ابزارهاي جذب انرژي روشي مناسب براي بهبود پاسخ هاي سازه ها در برابر بارهاي لرزه اي است [١].
مهاربندهاي کمانش ناپذير رايج ترين ابزارها براي جذب انرزيهاي وارد بر سازه به علت نيروهاي زلزله وارد بر آن ها ميباشند. اين گونه از مهاربندها همانند مهاربندهاي معمول در سازه نصب ميشوند تا دريف هاي بين طبقه اي را کاهش دهند. بيشتر مهاربندهاي کمانش ناپذير از ميله اي نازک به عنوان هسته ي خود که نقش جاري شدن و جذب انرژيهاي وارد بر سازه به صورت نيروي محوري و هم چنين ، از قلافي براي نگهداري هسته و مقاومت در برابر نيروهاي فشاري وارده از طرف هسته ، ساخته ميشوند [٢]. به منظور دست يابي به ميدان کرنش يکنواختي در برابر کشش و فشار، سطح مقطع هسته ي مهاربندهاي کمانش ناپذير را يکنواخت در نظر ميگيرند. سطح مقطع هاي مستطيل شکل ، دايره اي و صليبيشکل رايج ترين مقطع ها در پژوهش هاي انجام شده در اين زمينه هستند [٣ و ٤]. براي قلاف نيز، به طور معمول از پروفيل هاي قوطيشکل که با ملات پر ميشوند استفاده ميشود [٥ و ٦]. در اين حالت ، ماده ي غيرپيوستگي بايد به هسته اضافه شود تا امکان افزايش حجم آن تحت بار فشاري را فراهم کند و هم چنين ، انتقال بار محوري از هسته به المان هاي کناري را تامين کند [٧]. اين راه حل ، بسيار مفيد است و رفتار رفت و برگشت مناسبي نيز دارد، اگرچه وزن مهاربند در اين حالت افزايش يافته و هم چنين ، بازرسي چشمي هسته ي مهاربند پس از اتفاق افتادن خسارت را غير ممکن ميکند. استفاده از بتن پيش ساخته در پروفيل هاي فولادي، امکان بازرسي و جايگزيني پس از وقوع خسارت را فراهم ميکند. در همه ي مهاربندهاي کمانش ناپذير فولادي، نيازي به استفاده از ملات و لايه ي غيرپيوستگي ندارند و در اين مهاربندها امکان بازرسي و جايگزيني به کمک تعيين ابعاد منطبق با قلاف استفاده شده که از قطعه هاي مختلف تشکيل شده اند و به کمک جوش يا پيچ به هم متصل شده اند فراهم ميشود.
در راستاي بهبود کاستيهاي مهاربندهاي کمانش ناپذير پژوهش هاي فرارواني انجام شده است . در برخي از آ ها از بتن پيش ساخته در مقاطع فولادي به عنوان بخش نگه دارنده استفاده شده است [٨ و ٩]. اين امر، چگونگي بازرسي و جايگزيني هسته ي مهاربند را ممکن ميسازد. به منظور کاهش وزن اين مهاربندها در برخي ديگر از پژوهش ها از هسته ي آلومينيمي به عنوان جايگزيني براي هسته هاي فولادي استفاده شده است [١٠]. با معرفي مهاربندهاي کمانش ناپذير فولادي که در آن ها نيازي به استفاده از ملات و ماده ي غيرچسبنده نيست ، امکان بارزسي هسته و جايگيزيني آن پس از خسارت با ساخت بخش نگه دارنده با چندين قطعه که به هم جوش يا پيچ شده اند، فراهم ميشود [١١ و ١٢]. Piedrafita
و همکارانش [١٣] مهاربند کمانش ناپذير نويني ارايه کردند که در برش جاري ميشود و از ميله اي نازک که با بخش نگهدارنده ي شکاف دار پوشش داده شده است ، تشکيل ميشود. نصب و بازرسي اين مهاربند آسان است ، ولي وزن بالايي دارد و ساز و کار آن در مقايسه با ديگر مهاربندهاي معمول کمانش ناپذير پيچيده ميباشد. Dusicka و همکارانش [١٤] مهاربند کمانش ناپذير سبک وزني طراحي کردند که داراي هسته ي آلومينيومي و بخش نگه دارنده ي شيشه اي است . در پژوهشي ديگر، Piedrafita و همکارانش [١٣] مهاربند کمانش ناپذير نويني پيشنهاد کردند که هسته ي لاغر آن در اثر نيروي برشي تسليم ميشود. هسته ي اين مهاربند به راحتي سر هم ميشود و قابل بازرسي است . کاستي اين مهاربند اين است که وزن بيشتري نسبت به مهاربندهاي ديگر دارد و هم چنين نسبت به آن ها رفتار پيچيده تري دارد و گران تر است . مهاربندهاي کمانش ناپذير با جوش کاري يا با پيچ هايي به کمک ورق هاي اتصال به قاب هاي سازه متصل ميشوند. Chou و همکارانش [١٥] مجموعه اي از آزمايش ها در مورد رفتار مهاربندهاي کمانش ناپذير با ورق هاي اتصال تکي و دوتايي انجام دادند.
نتيجه ي آزمايش ها نشان ميدهند که ورق هاي اتصال تکي نيروي محوري مهاربند را بهتر به سازه منتقل ميکنند و اتصال به کمک ورق هاي دوتايي پايداري بيشتري نسبت به ورق هاي اتصال تکي دارند. Palmer و همکارانش [١٦] آزمايش هاي مختلفي را روي اتصال هاي پيچي و مفصلي مهاربندهاي کمانش ناپذير به سازه انجام دادند. در هر کدام از اين حالت ها، خسارت هاي ايجاد شده در اتصال در اثر جابجاييهاي بزرگ ايجاد شدند ولي در محدوده ي مجاز از نظر آيين نامه قرار داشتند.
در اين پژوهش ، مهاربند کمانش ناپذير نويني ارايه ميشود. اين مهاربند، مطابق با مهاربندهاي رايج ، زير بار محوري جاري ميشود ولي، هسته ي سنگين مهاربندهاي معمول در اين مهاربند به کمک ورقي که قطعه قطقه سوراخ دار شده است ، جايگزين ميشود. پس از بررسي نمونه هاي آزمايشگاهي ساخته شده از اين گونه ي نوين مهاربندهاي کمانش ناپذير، الگوي عددي از آن ها ساخته ميشود و نتيجه هاي به دست امده از آن با نتيجه هاي به دست آمده از نمونه هاي آزمايشگاهي مقايسه مي شوند. سپس ، به منظور دست يابي به طرحي بهينه براي تعداد و نوع سوراخ هاي هسته در اين مهاربند، اين الگو تحت بارگذاري رفت و برگشت قرار ميگيرد. نتيجه هاي اين تحليل شامل نمودارهاي چرخه اي رفتار مهاربندها، توزيع تنش و چگونگي تغيير در آن ها و هم چنين وضعيت هسته پس از وقوع کمانش ، منجر به انتخاب هندسه ي مناسب براي هسته ي مهاربند پيشنهاد شده خواهد شد.
٢. مهاربندهاي کمانش ناپذير سوراخ دار
مهاربندهاي نوين کمانش ناپذير سوراخ دار، مطابق شکل ١، داراي هسته اي قطعه قطعه خالي شده هستند تا نيروي حاصل از جاريشدن هسته را به پيرامون مهاربند و بخش کناري هسته منتقل کنند. اين مهاربند از دو ورق فولادي به عنوان نوارهاي کناري ١ که به کمک بخش نگهدارنده ٢ فولادي پايدار شده اند، تشکيل ميشود. به منظور انتقال نيروي محوري، هسته و واحد نگهدارنده به کمک پيچ هاي داخلي ٣ به هم وصل ميشوند. هسته ي مهاربند به گونه اي از نظر هندسي طراحي ميشود که نوارهاي کناري در فاصله هايي برابر به کمک المان هاي قائم ٤ به هم متصل شوند.
حفره هاي موجود در هسته ي مهاربند به کمک برش آب ٥ ايجاد ميشوند تا تغييري در ويژگيهاي مکانيکي مواد تشکيل دهنده ي آن ايجاد نکنند. نوارهاي کناري هسته ي مهاربند به گونه اي طراحي ميشوند که ، مطابق با مهاربندهاي کمانش ناپذير معمول ، در برابر بار محوري جاري شوند. از طرف ديگر، المان هاي قائم هسته به گونه اي طراحي ميشوند که در برابر بارهاي وارده در محدوده الاستيک باقي بمانند. اين المان ها به همراه واحد نگهدارنده ، نقش پايدار نگه داشتن نوارهاي کناري در برابر بارهاي فشاري را ايفا ميکنند. المان نگهدارنده با جوش دادن چهار ميله ي مستطيل شکل به يکديگر ساخته ميشود تا حالت قوطيشکل پيدا کند. دو عدد از اين ميله ها داراي شکاف هايي هستند و در روبه روي هم قرار ميگيرند تا هسته ي مهاربند را پوشش دهند. رويهم گذاري مهاربند با فشار دادن هسته ي روغن کاريشده به درون واحد نگهدارنده و قرار دادن آن ها در محل تعيين شده به کمک پيچ هاي داخلي انجام ميشود. طراحي نوارهاي کناري هسته ي مهاربند بر پايه ي توزيع يکنواخت تنش انجام ميشود. نيروي جاريشدن ، Fy، و نيروي نهايي، Fu، براي هسته ميتوانند به ترتيب به کمک رابطه هاي زير به دست آيند:
در اين رابطه ها، t و b، مطابق با شکل ٢، به ترتيب ضخامت و عرض نوارهاي کناري هستند.
شکل ٢ – ضخامت و عرض نوارهاي کناري در هسته ي مهاربندهاي کمانش ناپذير سوراخ دار
در رابطه هاي (١) و (٢)، fy و fu به ترتيب مقاومت هاي جاريشدن و نهايي مصالح هستند. هم چنين ، β ضريب سخت شوندگي آزمايشگاهي است که بيشينه ي نيروي فشاري در اثر اندرکنش بين هسته و واحد نگهدارنده بوجود ميآيد را در بر دارد [١٧]. جابجايي جاري شدن ، ، ميتواند به کمک قانون هوک با در نظر گرفتن ضريب کشساني فولاد، E، به دست آيد:
در اين رابطه ، LLB، طول نوارهاي کناري در هسته ي مهاربند (شکل ١) ميباشد. از آن جا که جابجايي نهايي در بيشتر موردها در محدوده پلاستيک و در خود هسته ي مهاربند اتفاق ميافتد، جابجايي نهايي مهاربند مي تواند به عنوان جابجايي نهايي هسته ي مهاربند، ، برآورد شود. جابجايي نهايي هسته ي مهاربند از رابطه ي زير به دست ميآيد:
در اين رابطه ، ، ضريب شکل پذيري هسته ي مهاربند ميباشد. هسته ي مهاربندها بايد بر پايه ي بيشينه شکل پذيري٨ طراحي شوند تا با دريفت بين طبقه اي به دست آمده از آزمايش ها مطابقت داشته باشند. به منظور تعيين La، فرض بر اين است که کمانش موضعي بيرون صفحه اي رخ نميدهد. رابطه ي اويلر، ، در حالي که چرخش دو انتهاي مهاربند در ناحيه ي جاري شده صفر فرض شوند، مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين صورت اين طول را ميتوان از رابطه ي زير محاسبه کرد:
در اين رابطه ، I، ممان اينرسي نوار کناري هسته ي مهاربند ضريب کشساني مماسي متناظر با نيروي بيشينه در آزمون کشش ميباشد [١٧].
در اين پژوهش ، الگوي عددي چند نمونه از مهاربندهاي نوين کمانش ناپذير، در نرم افزار اجزاي محدود مد سازي شدند و رفتار آن ها تحت بارهاي رفت و برگشتي ارزيابي شدند. سپس ، شکل هاي مختلف هندسي هسته ي مهاربند الگوسازي ميشوند و حالت بهينه ي آن ها انتخاب ميشود. به منظور اطمينان هرچه بيشتر از نتيجه هاي به دست آمده ، نمونه هاي عددي بر اساس آزمايش يکي از پژوهش هاي پيشين مدل سازي شدند. براي اين منظور از نمونه هاي آزمايشگاهي پژوهش Piedrafita و همکارانش [١٨] استفاده شد. اين آزمايش ها روي چند نمونه مهاربند کمانش ناپذير شکاف دار انجام شده اند.
آزمايش هاي انجام شده در اين پژوهش در آزمايشگاه گروه پژوهشي AMADE در دانشگاه Girona صورت گرفته است . شکل ٣، دستگاه آزمون اين آزمايش ها را که اتصال مهاربند به المان هاي پيراموني خود در آن بر پايه ي آيين نامه ي ٠٥-AISC٣٤١ [١٩] طراحي شده است را نشان ميدهد.
شکل ٣ – دستگاه آزمايش ، بخش نگهدارنده و ابزارهاي اندازه گيري جابجايي [١٨]
اتصال مهاربند به ستون هاي کناري اتصال مفصلي است . تغييرشکل بيشينه الگوهاي بارگذاري آيين نامه هاي ٠٥-AISC٣٤١ [١٩] و EN١٥١٢٩ [٢٠] براي طبقه اي به ارتفاع m٣ با در نظر گرفتن ١% دريفت بين طبقه اي به عنوان جابجايي طرح لرزه اي محاسبه شدند. نمونه هاي آزمايشگاهي به کمک جکي هيدروليکي با ظرفيت kN٣٠٠ بارگذاري شدند. اگرچه ، مهاربندهاي کمانش ناپذير با دو هسته در دو انتهاي مهاربند طراحي شدند، آزمايش ها بر روي مهاربندهايي با يک هسته و با در نظر گرفتن نيمي از جابجايي طرح ، نتيجه هاي مشابهي را رقم خواهند زد. اين دستگاه آزمايش ، هزينه هاي آزمون را به شدت کاهش ميدهد. با در نظر گرفتن اين عامل ها، مهاربندهايي با با يک هسته ي جذب کننده ي انرژي ساخته شدند و مورد ازمايش قرار گرفتند. نيمه ي اين مهاربندها همان طوري بودند که در شکل ٤ نشان داده شده اند و نيمه ي ديگر از از مقطعي قوطيشکل با اتصال خارجي به صورت پيچي ساخته شده اند. مقطع قوطيشکل و واحد نگهدارنده به کمک ورقي به هم جوش داده شده اند. يک مبدل داخلي ١، مطابق شکل ٤، نقش اندازه گيري تغييرشکل هسته را بر عهده دارد [١٨].
شکل ٤ – ابزار اندازه گيري تغييرشکل هسته ي مهاربند [١٨]
دو مبدل بيروني، DT١ و DT٢ در شکل ٣ به منظور اندازه گيري تغييرشکل مهاربند مورد استفاده قرار گرفته اند. مبدل
DT١ تغييرشکل هاي هسته و پيچ داخلي را اندازه گيري ميکند و مبدل DT٢ وظيفه ي اندازه گيري تغييرشکل هاي الاستيک بقيه ي بخش هاي مهاربند را بر عهده دارد. هسته ي مهاربندها به کمک راهنماي فولاد SJR٢٧٥ [٢١] ساخته شدند.
ويژگيهاي مکانيکي هسته ي مهاربندها بر پايه ي آزمون هاي کششي استاندارد [٢٢] به دست آمده است . شکاف در هسته ي مهربندها به کمک برش آب ايجاد شدند تا تغييري در اثر گرما در ويژگيهاي مکانيکي آن ها بوجود نيايد. در پژوهش Piedrafita و همکارانش ، مطابق شکل ٥، مهاربند طراحي و ساخته شدند.
شکل ٥ – نمونه هاي آزمايشگاهي مهاربندهاي کمانش ناپذير شکاف دار [١٨]
در پژوهش Piedrafita و همکارانش ، مطابق شکل ٦، نمونه ي آزمايشگاهي بر پايه ي الگوي چرخه اي افزايشي بارگذاري شدند.
٣. الگوي عددي
هدف الگوسازي عددي در اين پژوهش ، مطالعه ي رفتار مهاربند در طول چرخه هاي نخست بارگذاري و هم چنين ، بررسي اندرکنش بين هسته و واحد نگهدارنده ميباشد. علاوه بر اين ، اثر شکل هاي هندسي مختلف هسته ي مهاربند بر روي رفتار کلي آن ها مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت . براي اين منظور از نرم افزار تجاري اجزاي محدود ABAQUS استفاده شده است [٢٣]. الگوي عددي ساخته شده ، مطابق شکل ٧، شامل هسته ، بخش شکاف دار واحد نگهدارنده و اتصال پيچ بيروني ميشود.
همه ي بخش هاي اين الگو به کمک المان CDR٣٨ ساخته شده اند. از الگوي بارگذاري مشابه نمونه هاي آزمايشگاهي براي الگوهاي عددي نيز استفاده شده است . مصالح استفاده شده در الگوي عددي به کمک الگوي ترکيبي جنبشي و ايزوتروپيک در نرم افزار ABAQUS به اين نرم افزار معرفي شده اند. داده هاي مورد استفاده در اين الگو از نتيجه هاي آزمون کششي انجام شده روي نمونه هاي آزمايشگاهي و به شرح جدول ١ به نرم افزار معرفي شده اند.
