بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی لرزه ای و تخریب پیش رونده اتصال تیر به ستون ساید پلیت
چکیده:
اتصالات جدید تیر به ستون شناخته شده به نام ساید پلیت در این مقاله مورد ارزیابی لرزه ای و تخریب پیش رونده قرار گرفته است. ظرفیت خمشی و زاویه دریفت بر اساس معیار های پذیرش ائین نامه AISC Seismic Provisions 2010 مورد ارزیابی قرار گرفته است در حالی که تخریب پیش رونده باید دارای ظرفیت چرخش قابل قبول در اتصالات بر مبنای ائین نامه UFC 4-023-03(DoD) باشد. نتایج انالیز نشان داد که ظرفیت چرخشی و توانایی توسعه حداکثر ظرفیت در تیر متصل شد در این نوع اتصال قابل قبول می باشد. همچنین اتصال پیشنهاد شده دارای پتانسیل بسیار بالایی در دور نگه داشتن مفاصل پلاستیک از چشمه اتصال بود در حالی که زاویه دریفت ان از 0.06 رادیان تجاوز نموده بود. به طور کلی نتایج انالیز اثبات نمود که این نوع اتصال دارای مقاومت کافی و انعطاف پذیری مناسب بدون هیچ گونه ترک در جوش شیاری اتصال می باشد.
کلمات کلیدی:اتصال تیر به ستون ساید پلیت ، زاویه دریفت ، تخریب پیش رونده، ارزیابی لرزه ای.
-1 مقدمه
اعتماد پذیری به طراحی سازه های فولادی بعد از زلزله Northridge, California 1994 به خاطر خسارات شدید در اتصالات تیر به ستون که مقدار کمی چرخش پلاستیک را تجربه کرده بودند مورد شک قرار گرفت. شکست ترد اتصال تیر به ستون مخالف فلسفه طراحی بود که معین می نمود مفاصل پلاستیک در تیر جهت اتلاف انرژی بوجود اید نه در چشمه اتصال. از این رو تحقیقات گسترده ای بر روی اتصالات گیردار در قاب های ویژه و متوسط جهت شناخت رفتار انها با استفاده از پروتکل بارگذاری چرخه ای پیشنهاد شده در 2010 AISC Seismic Provisions[1] اغاز شد. این پروتکل توانایی اتصال را در مقابله با چرخش های بزرگ پلاستیک و همچنین مد شکست را بررسی می کند. انجمن مدیریت بحران امریکا FEMA[2] ، ازمایشات زیادی را برای ارزیابی لرزه ای سازه های فولادی انجام داد که می توان به FEMA 350[3] و FEMA 351[4] اشاره کرد. قبل از تخریب Ronan Point اپارتمان در 1968 مهندسین از اهمیت تخریب پیش رونده در طراحی سازه ها اطلاع چندانی نداشتند. سرانجام بعد از حادثه 11 سپتامبر تحقیقات زیادی به این موضوع اختصاص یافت. از این رو Alternate ) Load Path Method مسیر جایگزین انتقال بار) به عنوان یک روش طراحی در ائین نامه های General Services Administration[5] و Department of Defense[6] به عنوان روش مقابله با تخریب پیش رونده مد نظر قرار گرفت. در این روش تخریب جزئی در یک قسمت از سازه بواسطه انتقال نیروها توسط المان های دیگر منجر به تخریب تدرجی نمیشود. شکل 1 تشریح می کند که در هنگام حذف ستون میانی توسط انفجار ، اجزای کناری ان نظیر تیر، ستون و اتصالات توانایی توسعه دادن Alternate Load Path را دارند.
اتصالات در سازه های فولادی به دلیل ظرفیت پیچشی کم دارای اهمیت بالایی در توسعه دادن روش جایگزین نیرو می باشند. مشاهدات زلزله های گذشته نمایان ساخت که طیف وسیعی از اتصالات تیر به ستون قبل از ظرفیت حداکثری تیر دچار تخریب شده اند. اتصالات مرسوم تا قبل از زلزله Northridge به این صورت بود که بال تیر به ستون جوش گوشه می شد در حالی که جان ان پیچ یا پرچ می شد، شکل .2 همان گونه که اشاره شد این نوع اتصال توانایی توسعه حداکثری ظرفیت تیر را با توجه به ظرفیت کم چرخش پلاستیکش ندارد. به طور کلی دو روش جهت بهبود اتصالات تیر به ستون در اکثر ائین نامه های دنیا مطرح می باشد.
-1 روش تقویت اتصال از طریق اضافه کردن ورق های تقویتی در بال با این منظور که مفصل پلاستیک از چشمه اتصال دور شود.
-2 روش ضعیف کردن تیر که معمولا با بریدن بخشی از بال تیر انجام می گیرد با این منظور که مفصل پلاستیک در این ناحیه تشکیل شود.
با توجه به اهمیت اتصال تیر به ستون در هنگام بارهای فوق العاده نظیر زلزله و انفجار، تحقیقات گسترده ای در سرتاسر جهان بر روی رفتار انها انجام پذیرفت. برای نمونهKhandelwal and El-Tawil [7] متغییرهایی که در شکل گیری رفتار زنجیر وار در قاب های ویژه خمشی با اتصالات RBS تاثیر می کند را بررسی کردند.Sadek [8] و همکارانش عملکرد دو نوع مختلف از اتصال تیر و ستون را تحت شرایط حذف ستون میانی بررسی کردند. ارزیابی چندین اتصال تیر به ستون با انجام برنامه ازمایشگاهی و مدلسازی عددی تحت بار انفجار توسطKarns [9] و همکارانش انجام گرفت. این اتصالات شامل اتصالات مرسوم تیر به ستون و اتصال ساید پلیت بودند. اعتبار سنجی نتایج مقاوم سازی اتصالات مرسوم تیر به ستون با استفاده از اضافه کردن ساید پلیت، توسطChou [10] و همکارانش انجام گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که اتصال تقویت شده رفتار قابل قبولی در بارگذاری چرخه ای از خود نشان می دهد هنگامی که کرنش کششی در جوش محل اتصال بال تیر و ستون به شدت کاهش یافت. همچنین این اتصال از زاویه تغییر مکان نسبی 0.04 تجاوز نمود در حالی که هیچ گونه ترک و شکستی در جوش ها مشاهده نشد.
نظر به اهمیت اتصالات تیر به ستون در سازه های فولادی، اتصال ساید پلیت ، شکل 3، در ابتدا جهت مقابله با نیروهای لرزه ای پیشنهاد شد هر چند که به جهت رفتار بسیار خوب ان در مقابله با تخریب پیش رونده در بسیاری از ساختمان های وزارت دفاع امریکا استفاده می شود. پیکر بندی اتصال ساید پلیت به گونه ای می باشد که تضمین می نماید که تمامی تغییر شکل های پلاستیک خارج از ستون ، تیر و جوش های اتصال رخ می دهد. در این تحیق با استفاده از نتایج مدل سازی آزمایشگاهی و مدلسازی عددی در نرم افزارABAQUS [11] رفتار چرخه ای و تخریب پیش رونده اتصال تیر به ستون ساید پلیت مورد بررسی قرار گرفت. مدل های ازمایشگاهی با مقیاس 1/6 از اندازه حقیقی در ازمایشگاه ساختمان و مصالح دانشگاه تکنولوژی مالزی (UTM) ساخته شد. زاویه دریفت و ظرفیت خمشی بر مبنای ائین نامهAISC 2010 [1] جهت ارزیابی لرزه ای و ظرفیت چرخش پلاستیک بر مبنای ائین نامهDoD 2010 [6] جهت توانایی مقابله با تخریب پیش رونده در این تحقیق مورد نظر قرار گرفت.
– 2 روش تحقیق و راه اندازی مدل ازمایشگاهی
1-2 مدل های تحت بررسی و نحوه طراحی انها
در اتصال ساید پلیت بر خلاف اتصال های مرسوم تیر به ستون اتصال تیر به ستون از طریق دو ورق جانبی که در دو سمت اتصال قرار می گیرد انجام می پذیرد. در این حالت از شکست ترد جوش در مجاورت بال تیر به ستون جلوگیری می شود. همچنین از اعوجاج بیش از حد ناحیه برشی اتصال تیر به ستون، Panel Zone، جلوگیری می شود. در این نوع اتصال تمام نیازهای طراحی ائین نامه هایIBC 2009 [12] وAISC 2010 [1] براورده می شود. در قسمت های زیر به این موارد اشاره می شود.
1-1-2 مهاربندی جانبی تیر
ضوابط لرزه ای ائین نامه AISC 2010 [1] حداکثر فاصله زیر را برای جلوگیری از کمانش پیچشی جانبی پیشنهاد می دهد.
که
2-1-2 محدودیت نسبت رابطه تیر و ستون
رابطه زیر برای اطمینان از عملکرد ستون قوی-تیر ضعیف بر مبنای ضوابط لرزه ای ائین نامهAISC 2010 [1] باید مد نظر قرار بگیرد.
که
با توجه به محاسبات بالا مقاطع اعضا محاسبه که در شکل 4 و جدول 1 نشان داده شده است.
2-2 ساخت و اماده سازی مدل ها
ساخت و اماده سازی مدل ها از طریق قرارداد با یک کمپانی خصوصی انجام گرفت. نوع جوش های مورد استفاده در این تحقیق از نوع گاز متال ارک ولدینگ بود که معمولا با نام میگ شناخته می شود. در این نوع جوشکاری سیم جوشکاری به صورت متناوب درون حوضچه جوش هدایت می شود. برای محافظت جوش از الودگی نازل جوش به همراه فرایند جوشکاری اقدام به تزریق گاز محافظ می کند. مزیت های این روش جوشکاری شامل سرعت، پیوستگی جوشکاری و همچنین دوری از اعوجاج در جوشکاری می باشد. شکل 5 اجزا جوش و کارگاه جوشکاری ساخت مدل ها را نشان می دهد.
