بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی رفتار لرزها اتصالات خمشی جوشی تیر به ستون قوطی با ورق زیر سر و روسر در قابها خمشی ویژه
چکیده:
در این تحقیق تمرکز اصلی بر روی بررسی عملکرد اتصالات تیرهای شکل با ورق روسری و زیر سری به ستون قوطی شکل در قابهای خمشی ویژه، مطابق با جزئیات مندرج در مبحث دهم استاندارد ملی، تحت اثر نیروهای جانبی است. در واقع هدف اصلی ارائه جزئیات مناسب طراحی و انجام تحلیل های عددی بر روی رفتار هیسترسیس اینگونه اتصالات می باشد تا این اتصالات در قاب های خمشی ویژه فولادی که نقش اصلی باربری جانبی را دارند در شکل پذیری های ویژه مورد ارزیابی قرار گیرند. در این تحقیق با ارائه هندسه مناسب ورق اتصال، هندسه مناسب جوش به کنترل کفایت اتصال طراحی شده از نظر مقاومت و شکل پذیری خواهد رسید. همچنین نتایج این تحقیق می تواند منجر به روز شدن ضوابط مبحث دهم استاندارد ملی در مورد اتصالات تیر شکلبا ورق زیر سری و روسری به ستون قوطی گردد.
۱ - مقدمه
یکی از اتصالات رایج در قاب های خمشی فولادی، اتصال مقاطع با استفاده از ورق روسری و زیر سری به ستونهایی با مقاطع قوطی شکل می باشد. نظر به اینکه این نوع اتصال در آیین نامه ملی کشور مبحث دهم استاندارد ملی ] ۱] معرفی شده و دارای پیش زمینه تحقیقاتی زیادی نمی باشد، نیاز به بازنگری و بررسی دقیق تری خواهد داشت. مقاطع قوطی در مقایسه با مقاطع باز شکل سختی بیشتری در مقابل پیچش و مقاومت بالاتری در کمانش دارند. اما از طرفی دیگر استفاده از ستون های قوطی شکل در قاب های خمشی مشکلاتی نیز در بر دارد که مهمترین آن اتصال ستون به تیر شکل می باشد. لذا برای رفع این مشکل در استفاده از مقاطع قوطی شکل، می بایست از مسیر صحیح انتقال نیرو از تیر به جان ستون اطمینان حاصل نمود و همچنین مفصل پلاستیک در تیر در محلی دور از سطح ستون تشکیل شود که این امر از شکست جوش و کمانش های موضعی جلوگیری می کند. در ادبیات فنی روش های مختلفی برای اتصال تیر به ستون های قوطی شکل ارائه شده است. برخی از این روش ها، روش های ابتکاری و بعضی دیگر نیز اصلاح عملکرد اتصال می باشند. مزروعی و همکاران [۲] هفت آزمایش برای اتصالات با جزئیات اجرایی ایرانی انجام دادند نتایج نشان داد، برای رسیدن به گیرداری کامل باید ورق پوشش ستون توسط جوش کام به ستون متصل شود. مزروعی و همکاران [۳] در ادامه بررسی های آزمایشگاهی به بازرسی فنی جوش نفوذی کامل در اتصالات گیردار فولادی پرداختند و جزئیات موثر در ایجاد جوش با کیفیت مطلوب را ارائه کردند. مزروعی و همکاران و [۵ ] جهت ارزیابی وضعیت موجود اتصالات گیردار جوشی متداول در ایران ۳۲ آزمایش که بیانگر رفتار اتصال بود را به صورت آزمایشگاهی مطالعه کردند. در این تحقیق علمی تاثیر باربری جوش های مختلف از نظر مقاومت و شکل پذیری و روش های مقاوم سازی توسط سخت کننده های مثلثی و تی شکل مشاهده گردید. در تحقیق ارائه شده توسط قاسمیه و همکاران [] اثر چقرمگی الکترود بر رفتار جوش، مقاومت عمود بر صفحه جوش گوشه و اثر سخت کننده مثلثی بر رفتار اتصالات مطالعه شده است. در بررسی آزمایشگاهی دیگری، قاسمیه و همکاران 6]] استفاده از سخت کننده تی شکل خارجی را به عنوان اجزایی مناسب و موثر در بهبود رفتار لرزه ای اتصالات گیردار در مقاطع قوطی شکل معرفی کردند و رفتار چرخه ای این اتصال تقویت شده را به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند. مصیبی و همکاران [۸] در یک کار آزمایشگاهی به بررسی رفتار اتصالات صلب از نوع تیر به ستون قوطی پرداختند و نتایج نشان داد که که وجود سخت کننده های داخلی در مقابل ورقی های زیرین و فوقانی اتصال تاثیر قابل ملاحظه ای بر صلبیت اتصال می گذارد. میر قادری و کرباسی [۹] به منظور اتصال میان تیرهای شکل و ستون های فولادی قوطی شکل پرشده از بتن، از اتصال ورق میانگذر استفاده کرده اند. در این تحقیق با توجه به رفتار خارج از صفحه ستون قوطی در بار محوری پیشنهاد شده است که در حالتی که ستون از بتن پر می شود، از مقطع قوطی شکل و در حالت خالی از ستون لوزی شکل استفاده شود. میر قادری و مرادی [۱۰] در اتصالات تیر به ستون قوطی شکل به بررسی عددی رفتار لرزه ای چشمه اتصال پرداختند. دیلمی و شیراوند [۱۱] در بررسی های خود جزئیات دیگری را برای اتصال گیردار تیر به ستون دوبل ارائه کردند. در ادامه میرقادری و ترابیان ]۱۲] به منظور ارتقاء اتصالات رایج در کشور، متناسب با دو نوع اتصال مطرح شده در مبحث دهم، دو اتصال مناسب برای اتصال خمشی میان ستون های قوطی شکل و تیر و همچنین برای اتصال خمشی میان ستون های H شکل و تیر ارائه کردند. همچنین در خارج از کشور مطالعات اندکی در این زمینه انجام شده است که می توان به موارد ذیل اشاره کرد. K m و همکاران [۱۳-۱۵] آزمایشات با جزئیات مناسبی انجام دادند. نتیجه این مطالعات مبنای تحقیقات علمی انتشارات FEMA بوده است. آنها پنج آزمایش روی اتصال WFP (اتصال توسط ورقی تقویتی بالا و پایین) با مقیاس واقعی انجام دادند. بعد از تحقیقات بیشتر در سال ۲۰۰۰ انتشارات FEMA شماره ۳۵۰ [۱۹] جزئیات جدید اتصالات خمشی مورد تائید قرار گرفته در آمریکا را منتشر کرد. از بین اتصالات مذکور، اتصال تیر به ستون توسط ورق تقویتی بالا و پایین اغلب در ایران استفاده می گردد. بر اساس نشریه ۱۹[ FEMA] این اتصال در صورتی کاملا گیردار محسوب می شود که ورقهای بالا، پایین و اتصال جان توسط جوش شیاری نفوذ کامل به بال ستون متصل گردد و در سازه های با شکل پذیری ویژه می تواند به کار راورد.
۲- ارائه جزئیات مناسب طراحی اتصالات مستقیم ورق روسری و زیر سری
این تحقیقی شامل دو بخش اصلی می باشد. بخش اول ارائه جزئیات مناسب به منظور بهبود رفتار این نوع از اتصالات می باشد و بخش دوم بررسی رفتار هیستر سیس اتصالات با ورق روسری وزیر سری ہا جزئیات طراحی جدید می باشد. اتصال صلب با ورق های پوششی معرفی شده در مبحث دهم استاندارد ملی ۱ ا، اتصالی است که در آن بال های تیر توسط دو ورق روسری و زیر سری و جان تیر نیز توسط یک یا دو ورق به بال ستون متصل می شود. به منظور تخمین دقیق تری از مقاطع مورد بررسی، یک ساختمان مسکونی متداول ۱۲ طبقه طراحی گردیده است. ارتفاع طبقات ۳/۲۰ و دهانه تیرها ۵ متر میباشد. شکل ۱ نتایج حاصل از تحلیل را در طبقه اول، در یکی از محور های کناری نشان می دهد.
محل تشکیل مفصل پلاستیک در قابهای خمشی ویژه، براساس ضوابط مندرج در مبحث دهم در دو انتهای تیر ها در فاصله ای به اندازه d ۰/۵ تا ۱/۰d از بر ستون در نظر گرفته شده است ( d عمق تیر است). لنگر طراحی MFS و نیروی برشی طراحی VES اتصال تقاضای نیرویی در محل اتصال می باشند. مقدار نیروی کششی موجود در بال تیر جهت تخمین سطح مقطع ورق های اتصال از رابطه ۱بدست می آید.
در طراحی ورق های اتصال فرض می شود که لنگر اتصال به صورت زوج نیرو از طریق بال توسط ورق های روسری و زیر سری، و نیروی برشی تکیه گاهی توسط ورق برشگیر جان منتقل می گردد. ورق روسری معمولاً به شکل کله گاوی ساخته می شود. محل مقطع طراحی این ورق قسمت باریک شده آن می باشد. این مقطع که معمولاً به کششی طراحی می شود، مطابق آیین نامه تنش کششی مجاز (F t) نباید از Fy ۰/۹ بر روی سطح مقطع کل (معیار تسلیم) و یا از Fu ۰/۵ بر روی سطح مقطع مؤثر خالص (معیار گسیختگی) تجاوز کند که Fy تنش تسلیم و Fu تنش نهایی مصالح می باشند. مقاومت کششی مجاز به صورت رابطه ۲ تعیین می شود:
سطح مقطع کل ورق (قسمت باریک شده) Ae : سطح مقطع موثر ورق (قسمت باریک شده) یکی از نکات قابل توجه در طراحی اتصالات و وصله های با جوش نفوذی کامل، در قاب های خمشی ویژه، آزمایش طاقت نمونه شیار داده شده شارپی استاندارد فلز جوشی در دمای ۲۹- درجه سلسیوس، که می بایست حداقی ۲۷ ژول باشد. که با توجه به نتایج آزمایشات الکترود یزد [۱۷] الکترودهای E7018 و E7028 شرایط گفته شده را ارضا می نماید. از آنجائیکه ورق روسری توسط جوش شیاری با نفوذ کامل به بال ستون و توسط جوش گوشه به بال تیر متصل می شود؛ در نتیجه ابعاد ورق باید طوری تعیین شود که طول جوش لازم را برقرار کند. شکل ۲ جزئیات طراحی ورق روسری را نشان می دهد. عمق جوش گوشه برابر ۱/۵ سانتیمتر می باشد.
همانطور که در شکل ۲ مشاهده می شود، طول ورق بیشتر از محدوده تعیین شده مندرج در ضوابط لرزه ای مبحث دهم [۱] است، یکی از راهکارهایی که به رفع این مشکل کمک می کند استفاده از جوش کام یا انگشتانه برای اتصال ورق روسری به بال تیر است. با در نظر گرفتن کلیه موارد مربوط به ضوابط طراحی جوش کام و انگشانه جزئیات ورق روسری مطابق شکل ۳ می باشد.
با استفاده از جوش کام طول ورق روسری به حداکثر عمق تیر محدود شد. ولی حجم فلز جوش در این حالت نسبت به حالت قبل بیشتر بوده و حرارت ورودی به قطعه نیز بیشتر خواهد بود. به منظور برطرف کردن این مشکل، از جوش عرضی در اتصال استفاده می شود. مبحث دهم فولاد جوش متصل به بال تیر (جوش طولی) را به عنوان جوش محاسباتی به حساب آورده است که استفاده از آن مشکلات فوق الذکر را به دنبال دارد. در گذشته طراحی جوش گوشه براساس عمق گلویی جوش بدون در نظر گرفتن جهت بارگذاری انجام می شد. ولی تجربیات و آزمایشات انجام شده نشان می دهد که مقاومت جوش گوشه وقتی بار در جهت عمود بر خط جوش بر جوش اثر می کند، ۵۰ درصد بیشتر از حالتی است که بار در جهت موازی خط جوش اثر می کند [۱۸] (شکلی 4).
براساس آیین نامه فولاد آمریکا [19] مقاومت جوش گوشه در حالت تنش مجاز از رابطه ۳ محاسبه می شود.
FEEX: تنش کششی نهایی الکترود 0 : زاویه بار وارده نسبت به طول خط جوش اگرچه مقاومت جوش گوشه در هنگامی که جهت بارگذاری عمود بر خط جوش است، افزایش می یابد ولی شکل پذیری آن را کاهش می یابد (شکل ۵). اگر شکل پذیری قابل توجهی از جوش و اتصال مورد نظر باشد استفاده از جوش گوشه طولی مناسب تر است. ولی اکثر طراحی ها در حالتی انجام می شود که اتصال تحت بارهای طراحی در حالت الاستیک باقی بماند [۱۹]
بنابراین با استفاده از این نکته و روابط مربوط به طراحی آن می توان ورق روسری را به صورت شکل ۹ ارائه نمود.
روش دیگری که برای تامین طول جوش کافی برای اتصال ورق روسری به تیر انجام شده است استفاده از ورق روسری به شکل انگشتی است. در این روش به جای استفاده از جوش کام قسمتی از انتهای ورق روسری بریده شده و از جوش های گوشه کناره های آن قسمت هم برای تامین طول جوش کافی استفاده شده است. جزئیات طراحی این ورق در این حالت مطابق شکل ۷ خواهد بود.
از چهار روش پیشنهادی برای اتصال ورق روسری به بال تیر، استفاده از ورق روسری به شکل انگشتی از نظر حجم فلز جوش نیاز به عملیات جوشکاری کمتری است (جدول ۱). لذا استفاده از ورق روسری به شکل انگشتی توصیه می شود.
