بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي نقش سخت کننده ها و پارامترهاي تيرپيوند برشکل پذيري و مقاومت نهايي سيستم مهاربندي واگرا (EBF )
چکيده
در مقابله با بارهاي جانبي از جمله زمين لرزه ، قاب با مهاربندي واگرا از سختي بــالا و قـدرت جـذب انـرژي مطلوبـي برخوردار است . در اين سيستم مهاربندي ، سختي و شکل پذيري مورد نياز قاب توسط تير پيوند کــه يکـي از مـهمترين اجـزاء قاب مي باشد، تامين مي گردد، که ميزان آن بستگي به مشخصات و جزئيات تير پيوند دارد. بهترين حالت جهت تامين سختي و شکل پذيري مطلوب هنگامي ايجاد مي شود که تير پيوند در برش عمل نمايد. در اين حالت نقش سخت کننده ها در جلوگــيري از کمانش زودهنگام جان داراي اهميت زيادي است و با قرار دادن سخت کننده هاي مناسب در جان تير پيوند مي توان از جذب انرژي بالايي بهره گرفت . در اين مقاله با استفاده از مدل اجزاء محدود و نرم افزار ANSYS به بررسي رفتار هيسترزيس قــاب با مهاربندي واگرا، نقش سخت کننده ها و ديگر پارامترهاي تير پيوند در مقاومت نهايي و شکل پذيري قاب پرداخته شده است .
١- مقدمه
براي کنترل سازه ها در مقابل نيروهاي ناشي از زلزله روش هاي مختلفي ارائه شده اســت ، اسـتفاده از سيسـتمهاي قـاب خمشي و خرپايي (مهاربندي همگرا CBF ) از متداولترين اين روش ها است . قاب خمشي شکل پذيـري مناسـبي را بـه سـبب جاري شدن خمشي المانهاي تير از خود نشان مي دهد اما سختي محــدودي دارد و همچنيـن اجـراي آن بـا دشـواري صـورت مي پذيرد. از طرف ديگر قاب مهاربندي شده همگرا سختي بالايي دارد، اما به علت کمانش بادبند قطري ، خرابــي آن تـرد و در نتيجه شکل پذيري کمي دارد. به منظور کم کردن نقص هايي که در سيستمهاي خمشي و مــهاربندي همگـرا وجـود دارد، ايـده استفاده از سيستم مهاربندي واگرا (EBF) در اواسط دهه هفتاد توسط پوپوف ارائه گرديد[١٠]. اين سيستم سختي مناســبي در بار خدمت دارا مي باشد که باعث کاهش تغيير شکل ها در سازه مي گردد. از ســوي ديگـر در بارهـاي جـانبي شـديد از جملـه زمين لرزه هاي قوي ، از قابليت جذب انرژي و شکل پذيري مطلوبي برخوردار است . بدين ترتيب دو نياز اساسي سازه در مقابله با نيروهاي جانبي يعني سختي وشکل پذيري توسط اين سيستم تامين مي گردد. امروزه استفاده از سيستمهاي مــهاربندي واگـرا بدليل قدرت جذب انرژي زياد در هنگام زلزله ، سختي قابل ملاحظه و امکانات معماري بــالاتر روزبـه روز گسـترش بيشـتري مي يابد. در دو دهه اخير نيز تحقيقات زيادي در مورد عملکرد تير پيوند و مکانيزم هاي شکست آن انجام گرديده اسـت [٧,٨,٩].
در اين مقاله به بررسي رفتار هيسترزيس يک قاب با مهاربندي واگرا و تاثيرات فواصل سخت کننده ها، ضخامت سـخت کننده ها، ضخامت بال تير، ضخامت جان تير و طول تير پيوند پرداخته شده است .
٢- مهاربندي واگرا
در سيستم مهاربندي واگرا به جاي برخورد بادبند به محل اتصال تير و ستون يا تقاطع محور دو بادبند در يک نقطه بــا
ايجاد انحرافي برابر(e) بادبند به تير متصل مي شود (شکل ١و٢). تير پيوند که بين ستون و بادبند (تک قطري ) يا بين دو بادبند
(دو قطري ) قرار گرفته ، مانند فيوزي از وارد شدن نيروي بيش از حد به بادبندها و کمـانش آنـها جلـوگـيري مي کنـد. در ايـن سيستم نيروي محوري بادبندهاي قطري به ستونها و يا به صورت برش يا خمش در تير پيوند به بادبند ديگر منتقل مي گـردد و در طي چندين بارگذاري رفت و برگشتي تير پيوند به صورت غير ارتجاعي تغيير شکل مي دهد و جذب انرژي به صورتي که در قابهاي گيردار ملاحظه مي گردد، انجام مي شود. تيرهاي پيوند کوتاه در فاز برشي تسليم مــي شـوند در حـالي کـه تيرهـاي پيوند بلند دچار تسليم خمشي مي شوند. معيار تسليم تير پيوند توسط پوپوف وکاساي [٥] به صورت زير ارائه شده است
بطوريکه در روابط بالا، Mp برابر با ممان پلاستيک مقطع تير پيوند و Vp برابر با برش پلاستيک مقطع تير پيوند مي باشند.
شکل -١:مهاربندي واگرا وجزئيات تير پيوند شکل -٢: مدل و جزئيات اتصالات
مکانيزم تسليم برشي تيرهاي پيوند کوتاه بهتر از مکانيزم تسليم خمشي تيرهاي پيوند بلند مي باشد زيرا نــيروي برشـي در تمام طول تير پيوند ثابت مي باشد و کرنش هاي برشي غيرارتجاعي بطور يکنواخت در طول تير پيوند توزيع شــده کـه ايـن عمل ايجاد چرخشهاي غيرارتجاعي بزرگ تير پيوند را بدون ايجاد کرنشهاي موضعي زياد ميسر مي سازد.
هنگامي که سازه تحت نيروهاي جانبي شديد يا زمين لرزه هاي قوي قرار مي گيرد، تغييرشــکلهاي زيـاد در سـازه ايجـاد مي شود و بسياري از نقاط سازه تسليم مي گردد. مقداري از انرژي زلزله توسط اجزاء تسليم شده جذب مــي گـردد و سـازه در بيشتر مواقع پايدار باقي مي ماند. بنابراين سازه بايد توانايي تغيير شکلهاي حاصل از نيروهاي جانبي زلزله را داشته باشد که اين توانايي با پارامتري با عنوان شکل پذيري (μ) بيان مي شود و برابر خارج قسمت متناظر حداکثر تغيير مکان قــاب (u∆) بـه تغيـير مکان نظير حد تسليم قاب (y∆)مي باشد:
مقاومت افزون نسبي (Ω ) نيز يکي از عوامل مهم در تعيين ضريب رفتار مي باشد که برابر است با خارج قسمت نيروي تسليم کلي سازه در هنگام تشکيل مکانيزم خرابي (Fu ) به نيروي متناظر با تشکيل اولين لولاي خميري در سازه ( Fy ) است :
٤- مدلسازي
مدلسازي با روش اجزاء محدود انجام گرفته است [١]، تا بررسي و مشاهده تنش ها در نقاط مختلف قاب راحتر بــوده و ساير موارد خرابــي نظـير تمرکـز تنش هـا، کمانش هـاي موضعـي و غـيره در مـدل لحـاظ شـده باشـد. بـر ايـن اسـاس از نرم افزار ANSYS استفاده گرديده است . المان انتخابي جهت مدلسازي ١٨١ S hell از نوع پوسته اي ، چهار گره اي بــا شـش درجه آزادي در هر گره است ، که يکي از سريعترين المانها براي همگرايي در حالت غيرخطي مي باشد. قابليتهاي المــان فـوق
در مرجع [٤] قابل مشاهده است . فرضيات به کار گرفته شده در مدلسازي به شرح زير است :
١- تغيير شکلهاي بزرگ گره ها در نظر گرفته شده است .
٢- اثرات نيروي محوري در کمانش المانها منظور گرديده است .
٣- در مدل از معيار تسليم ون ميسز استفاده شده .
٤- سخت شدگي ايزوتروپيک مي باشد.
٥- مطالعات عددي
در اين مقاله براي کنترل دقت مدلسازي و فرضيات در نظر گرفته شده ، نخست تير رابط برشي که مشخصات و نتــايج آزمايشگاهي آن در مراجع [٢,٣] موجود مي باشد، توسط نرم افزار ANSYS مدل شــده اسـت . منحنـي هيسـترزيس حـاصل از آناليز و آزمايش در شکل (٣) نشان داده شده است . با توجه به منحني ها، نتايج تقريبا مشابه مي باشــد و اختـلاف موجـود بـه علت جزئيات مدلسازي و بارگذاري اعمالي مي باشد.
جهت انجام مطالعات عددي و مدلسازي ، قابي يک دهانه و يک طبقه با عرض ٥ متر و ارتفاع ٣ متر در نظرگرفته شده و به گونه اي طراحي گرديده که کمانش بادبندها و خرابي ستونها قبل از خرابــي تـير پيونـد اتفـاق نيـافتد (شـکل -٢). مـدول الاستيسيته وضريب پواسون به کار رفته به ترتيب برابر kg.cm٢ ٦ ١٠×٢ و ٠.٣ بوده و دياگرام تنــش - کرنـش در نظـر گرفتـه شده مطابق شکل (٤) مي باشد. براي بررسي رفتار هيسترزيس ، تاريخچه بارگذاري مطابق شکل (٥) بــر نمونـه ها اعمـال شـده (شروع اولين گام بارگذاري با توجه به لحظه جاري شدن نمونه ها و ميزان افزايش هــر گـام ١٢٠٠ کيلـوگـرم مي باشـد). سـاير پارامترهاي تير پيوند عبارتند از: ضخامت سخت کننده ها (ts)، فاصله سخت کننده ها( a)، ارتفاع تيرپيوند( d)، ضخامت بال تــير
( tf )، ضخامت جان تير(tw ) و طول تير پيوند (e).
٥-١- قاب مهاربندي واگرا با تير رابط برشي
در اين حالت مقدار(e) را ٦٠ سانتيمتر در نظر گرفته شده و با افزايش تدريجي بار به مشاهده تنش هــا در قـاب و تـير پيوند پرداخته شده است . با ملاحظه تنش ها مشخص مي شود، تنش در سخت کننده ها تا لحظه جاري شدن جـان ، تقريبـا صفـر مي باشد و پس از جاري شدن جان تير پيوند، تنش سخت کننده ها با سرعت شروع به افزايش مي نمايد. نقاط بحرانــي تنـش در سخت کننده ها، محل اتصال به بالها است و از نقطه محل اتصال به بال تــا مرکـز سـخت کننده ها مـيزان تنـش بتدريـج کـاهش مي يابد. قابل ذکر است که سخت کننده ها در نيروي جاري شدن ، جابجايي نظير جاري شدن و سختي الاستيک قاب نقش ناچــيز دارند (شکل -٦). همانطور که اشاره شد، تاثيرات سخت کننده ها پس از جاري شدن جان تير پيوند نمايان مي شود که عبارتند از:
