بخشی از مقاله
بررسی شکل پذیری اتصالات خمشی ساخته شده از فولاد پرمقاومت
چکیده
تولید فولادهای پرمقاومت با خواص مناسب مانند شکل پذیری مناسب و مقاومت بالا در طی ۵۰ سال اخیر شدیداً توسعه یافته است. ولی به علت شناخت کم مهندسین داخلی، استفاده از آنها در صنعت ساخت و ساز کشور رشد قابل توجهی نیافته است. تا زمانی که مشخصات این فولادها به طور کامل ارزیابی نشود و عملکرد آنها در بارگذاریهای لرزهای مورد تحقیق و بررسی قرار نگیرد، استفاده از این فولادها که موجب اقتصادی شدن پروژه های ساخت و ساز می شوند، توسعه نخواهد یافت. اخیرا کارخانجات ذوب آهن داخلی اقدام به تولید فولاد میکروآلیاژی پرمقاومت STS2 نموده اند که تفاوت قیمت ناچیزی با نوع مشابه ST37 دارد و فاکتور کربن نیز در آن به حداقل رسیده است. از اینرو در این تحقیق با مدلسازی و تحلیل عددی توسط نرمافزار Ansys، اتصالات صلب ساخته شده از فولادهای پرمقاومت ST52 تحت بارگذاری های شبه استاتیکی قرار گرفته و کفایت لرزهای و شکل پذیری این نوع اتصالات بررسی خواهد شد. نتایج تخلیلهانش تفاده از فولاد 52 St تنها ۳۰٪ شکل پذیری را کاهش می دهد، که این مقدار کاهش می تواند با افزایش تنش مجاز به راحتی بی اثر گردد.
مقدمه
بیش از یک قرن است که فولاد به عنوان مصالح ساختمانی تثبیت شده است. ، با پیشرفت . تکنولوژی، نیاز صنایع به محصولات با کیفیتی بالا باعث افزایش تقاضا برای تولید فولادهای پرمقاومت، همراه با شکل پذیری بیشتر و چقرمگی کافی گردیده است. در این راستا تحقیقات گستردهای توسط محققین علوم متالورژی بر روی بهبود خواص فولادها انجام شده است. اولین هدف در تحقیقات آن بوده تا بتوانند فولادهایی با مقاومت بالاتر، شکل پذیری بیشتر و و قابلیت جوشکاری بهتر تولید نمایند. در این راستا قیمت تمام شده تولید فولاد، از مکانیزم هلای چندگانه ای ای با توجه به هزینه تولید و جوش پذیری برای افزایش مقاومت استفاده میشود. همان طوری که در شکل ۱ دیده می شود، مکانیزم های عمده افزایش مقاومت شامل تشکیل محلول جامد، ریز کردن دانه ها و ایجاد رسوبات با عناصر میکرو آلیاژی است.
افزایش مقاومت ناشی از تشکیل محلول جامد چندان زیاد نیست. از لاک داد. در فر بت بن زیاد نیست، زیرا گرین در فریت بالایات اندکی ( دردر این اثر در شکلا؛ صورت ار بسیاه رنگی به مقاومت زمینه اضافه شده است). تحقیقات دههی که ریز کردن دانه های فریت توسط مقادیر اندک آلومینیوم منجر به افزایش مقاومت تسلیم فولاد ( تا تنش تسلیم می شود و استحکام رسوبی را نیز بی اثر می کند. نوع دیگر افزایش مقاومت که در شکل نشان داده شده است، مکانیزم استحکام رسوبی است. در این مکانیزم با افزودن مقادیر کمی عناصر میکروآلیاژی مانند نیوبیم (Nb)، وانادیم (V)، تیتانیم (Ti) و نیکل (Ni) به فولادهای ساختمانی مقاومت تسلیم را تا حوالی سوي 500 بالا برد (مقدار کل این عناصر معمولاً کمتر از ۰/۲۵ ٪ است)؛ این عناصر تحت نام عناصر میکروآلیاژی شناخته می شوند و فولادهای حاصل را که دارای مقاومت بالا و چقرمگی مناسب می باشد، فولادهای کم آلیاژ (High Stregth LOW Alloy or casti (HSLA می نامند. همچنین از فرآیند «نورد کنترل شده» به عنوان مکمل ترکیب شیمیایی برای دستیابی به مقاومت بالاتر در فولادهای HSLA استفاده می شد، به این صورت که برای ریز کردن ساختار فولاد، دماهای نورد پایانی را کاهش می دهند. این مرحله، فرآیند مکانیکی(Thermo-Mechanical oil J, is as ... ells Control processing) نامیده می شود.
علی رغم بهبودهای ایجاد شده در طراحی فولاد میکروآلیاژی، بعلت عدم آشنایی جامعه مهندسین با این نوع فولاد، این فولادها در کشور ما هنوز به خوبی معرفی نشده اند و جایگاه مناسبی ندارند. با توجه به این واقعیت و در نظر گرفتن اینکه گروهی از فولادهای پر مقاومت با کیفیت بالا در کارخانجات ذوب آهن داخلی (مانند مجتمع فولاد مبارکه ) تولید می شود، در این تحقیق سعی میگردد که ابعاد مختلف تاثیر این نوع فولاد بر رفتار ساختمانهای فولادی علیالخصوص قابهای خمشی مورد نقد و بررسی قرار بگیرد.
استفاده از فولادهای پر مقاومت مانند هر مصالح دیگری معایب و مزایایی همراه دارد. از جمله مزایای آنها میتوان به کاهش وزن ساختمان، مزایای زیست محیطی، صرفه جویی در هزینه های تولید، انتقال، نصب، فونداسیون و طراحی زیبای اعضا اشاره کرد. فولادهای پرمقاومت، تنش تسلیم بزرگتری دارند. اما مدول یانگ در آنها ثابت است و این عامل باعث می شود تا ویژگی های کمانشی فولاد بیشتر حکم فرما می شوند و مشکلات شکل پذیری فولاد افزایش می باید. همچنین محدودیت در لاغری اعضا که توسط تنش تسلیم بالا و نسبت تنش تسلیم به سازه تحمیل می شود، ممکن است که باعث طراحی غیر اقتصادی و عدم حصول مقاطع فشرده موثر شود. کارایی فولادهای پر مقاومت هنگامی بیشتر است که به آن اجازه تسلیم کامل داده می شود؛ برای مثال وقتی اتصالات و اعضای ساخته شده از فولادهای پرمقاومت تحت تنش کششی قرار می گیرند کارایی آنها بیشتر از فشار می باشد. زیرا در فشار مسائل کمانشی حاکم است. استفاده از فولاد اعلا، در فشار وقتی مناسب است که باشد و تنش مجاز فشاری تابع میباشد. اگر باشد، تنش فشاری مجاز فقط تابع E است و عملاً نوع فولاد تاثیری در باربری نخواهد داشت چرا که مقدار E برای انواع فولادها یکسان می باشد. در حالی که در کشش چنین نیست و از تمام ظرفیت قطعه می توان استفاده نمود. محاسبات نشان می دهد که استفاده از فولاد پر مقاومت، بهای فولاد مصرفی برای یک تیر (با دهانه زیاد) را حدود ۲۵٪ و برای ستون ها حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد کاهش خواهد داد. شکل الگوی صرفهجویی ناشی از مصرف فولاد را برای بارگذاری مختلف نشان می دهد.
یکی از جالبترین موارد استفاده از فولادهای پرمقاومت، استفاده در "سازههای مقاوم در برابر خرابی" 4_elaj!...e... (Damage Tolerant Structure) بر این اصل استوار است که بارهای ثقلی توسط سازهی اصلی تحمل می شوند و سازهای اصلی به صورتی طراحی می شود که حتی در زلزله های شدید هم در حالت الاستیک باقی بماند، و نیروی زلزله توسط میراگرهای هیسترزیس یا ویسکوز مستهلک می شوند. یک روش برای اینکه سازه اصلی در محدوده ی الاستیک باقی بماند استفاده از فولادهای پر مقاومت است، که میتواند تغییر شکلهای الاستیک بزرگی را تحمل کنند. در حال حاضر استفاده از فولادهای پر مقاومت در سازه های مقاوم در برابر زلزله به خاطر مسائل شکل پذیری و جوش پذیری مجاز نمی باشد. اگر چه در سازه های مقاوم در برابر خرابی فرض می شود که فولاد پر مقاومت در ناحیه خطی و زیر حد تسلیم عمل می کند، ولی همچنان نیاز است که رفتار غیر خطی این فولادها تحت بارگذاری چرخه ای مورد بررسی قرار گیرد مخصوصا وقتی که ساختمانها تحت زلزلههای بسیار بزرگ قرار می گیرند.
مطالعات انجام شده
با گسترش ساخت و ساز در آسمان خراشها، تقاضای زیادی برای استفاده از فولادهای پرمقاومت در مقاطع بزرگ به وجود آمده است، اما متاسفانه اطلاعات بسیار کمی در رابطه با عملکرد و شکل پذیری اتصالات خمشی ساخته از فولاد پر مقاومت مصالح آنها تحت بارهای زلزله وجود دارد. زیرا انجام فرآیند ترمومکانیکال بر جوشپذیری و شکل پذیری فولاد اثر می گذارد و طراحان چندان راغب به استفاده از این فولاد در صنعت ساختمان نمی باشند. برای مثال فولادهایی با با بر اساس آئین نامه AISC میتوانند در ساختمانها به کار روند، اما بالاترین درجه از فولادهای پر مقاومت که در طراحی لرزه ای مورد استفاده قرار می گیرد، معمولا از درجه ی فولاد است. ولی به هر حال استفاده از فولادهای پر مقاومت معمولا به کاهش ابعاد مقاطع منجر می شود. اگر چه مقاومت مقاطع کوچکتر ممکن است تابع ناپایداری کلی و یا حتی کمانش موضعی در مقطع باشد. در چنین مواردی ممکن است استفاده از فولادهای پر مقاومت اثر اقتصادی چندانی نداشته باشد. در این راستا آزمایشاتی توسط Chen بر روی نمونه های RBS ساخته شده از فولاد A572 انجام شد و این نمونه ها تحت بارگذاری چرخهای قرار گرفتند. آزمایشات، وقتیکه گسیختگی اتفاق می افتاد یا بار نهایی به مقدار بیشتر از ۲۰٪ افت میکرد، متوقف می شد. در این مطالعه استفاده همزمان از فولادهای پر مقاومت و مقاطع بزرگ RBS مشکل ناپایداری کلی و کمانش موضعی را به دلیل وجود تیرهای عمیق و ورقهای کلفت برطرف می سازد (فولاد انتخابی از نوع و ضخامت ورقهای تیر و ستونهای آن 50nm می باشد). مهمترین نگرانی در مورد این فولادها شکل پذیری اتصال تیر به ستون است. استفاده از روش اتصال باریک شونده موجب استهلاک مناسب انرژی می شود و ناحیه بزرگی را برای استهلاک انرژی به وجود می آورد که از ناحیه ی اتصال دور است و ظرفیت شکل پذیری را تضمین می کند. در مقایسه با آزمایشهای انجام شده بر روی اتصالات که در آن کمانش موضعی قبل از گسیختگی اتفاق می افتاد، در این مطالعه هیچ کمانش موضعی به دلیل وجود ورقهای ضخیم فولادی رخ نداد. سختی این مقاطع عظیم الجثه بسیار بزرگتر از سختی مقاطعی بود که کمانش موضعی را تجربه می کردند. نتایج این آزمایشات به این قضیه منجر شد که طراحی این نوع مقاطع باید بر اساس کاهش مقطع به ۱۰٪ کمتر از لنگر مورد نیاز زلزله انجام شود.
نتایج آزمایشات نشان می دهد که پایداری و قابلیت اعتماد رفتار چرخهای نمونه های ساخته شده بسیار زیاد است و تشکیل مفصل پلاستیک به صورت عمده، ناشی از تسلیم ورقهاست. همچنین اثر جوش به شکل عمده ای کاهش یافته است. همچنین نمونهها ظرفیت جذب انرژی قابل اعتماد و پایداری را از خود نشان می دهند و متوسط زاویه ی چرخش پلاستیک در آنها به میرسد. شکل ۵ ر آزمایش شده را نشان می دهد. در الزامات طراحی فعلی، مقاومت خمشی مقاطع کاهش یافته می تواند تا حد تنزل کند اگر چه تمام نمونه - ها به گونه ای طراحی شده بودند که مقاومتشان ۱۰٪ کمتر از لنگر مورد نیاز لرزه ای باشد، متوسط مقاومت نهائی مقاطع، مقاطع کاهش یافته به دست آمد که به نظر می رسد برای الزامات مقاومتی کفایت کند. اگر ر چرخهای اتصالات به شکل پذیری بیشتری احتیاج باشد مقطع می تواند به مقدار بیشتری مثلا ۲۰٪ لنگر مورد نیاز لرزهای کاهش پیدا کند.
مدلسازی و تحلیل مدل
در این مرحله به منظور حصول هندسه و ایجاد اعضاء و اجزاء اتصال جهت مدل سازی های اجزاء محدود، یک اتصال تیپ بصورت ظرفیتی بر اساس ضوابط لرزه ای aos >1, le Seismic Provision AISC 2002 است. بر اساس ضوابط طراحی آیین نامه مذکور، ابعاد تیر و ستون در جدول ۱ درج شده است:
هندسه کلی
مدل زیرقابی شامل گره اتصال و دو نصفه دهانه تیر و دو نصفه ارتفاع ستون مطابق شکل مدلسازی می شود. طول دهانه تیر ۵/۵ متر و ارتفاع ستون ۳ متر میباشد. در بررسیهای انجام شده پروفیل تیر از ورقها در بال و در جان و پروفیل ستون از ورقهای 0 در بال و در جان تشکیل است. برای مدلسازی از نرمافزار استفاده شده است. المانهای مورد استفاده در SHELL 143 و 189 BEAM میباشند، که المان Shell برای مدلسازی ناحیه چشمه اتصال و تیرها و ستونها تا فاصله ۱ متر از مرکز اتصال استفاده شده و از المان Beam برای مدلسازی قسمتهای خارجی اتصال که در ناحیه خطی قرار دارند، استفاده شده است. فرض می شود که بال های تیر و جان تیر با جوش نفوذی کامل به ستون متصل است. بنابراین در محل اتصال تیر به ستون جوش مدل سازی نمی شود. مصالح مورد استفاده برای تیرها و ستونها از میباشند. منحنی تنش کرنش این مصالح با فرض در شکل ۵ آمده است. رفتار مصالح فولادی به صورت سخت شدگی سینماتیکی در نظر گرفته شده که با واقعیت رفتاری فولاد تطابق بیشتری دارد.
بارگذاری
بارگذاری تغییر مکانی دو طرفه افزایش یابنده چرخهای مطابق با آیین نامه بارگذاری SAC (شکل ۸ ) به نوک ستون زیرسازه اعمال می شود. با این تفاوت که برای رسیدن به تغییر مکان جانبی نسبی طبقه ۴٪، تنها چهار سیکل بارگذاری آخر (۸ بار تغییرمکان) اعمال می شود. دلیل این امر آنست که در سیکلهای اولیه، اتصالات در حالت خطی قرار دارند و اثرات خستگی در این نرم افزار نمیتواند منظور گردد.
مشخصات مدل ها و نتایج
برای بررسی اثر استفاده از فولاد پرمقاومت بر روی شکل پذیری اتصالات خمشی چهار نوع اتصال گیردار تیر به ستون ( اتصال گیردار با جوش نفوذی، اتصال گیردار با ورق میانگذر، اتصال خمشی RBS و اتصال با ماهیچه ی از پایین جوشی ) طراحی و جزییات بندی شدند. حال جهت بررسی شکل پذیری و مقایسه این اتصالات و همچنین بررسی اثر استفاده از انواع فولاد پرمقاومت بر روی این نوع اتصالات خمشی تعداد ۱۰ نمونه مدل اجزاء محدود توسط نرم افزار AnSyS ساخته شده و مطابق با بارگذاریهای مربوطه تحلیل شدهاند. مشخصات این مدلها و نوع فولاد مورد استفاده در آنها به شرح جدول ذیل آمده است. البته در کلیه مدلهای مذکور هیچگونه کمانش جانبی و موضعی در مدل اتفاق نمی افتد؛ به دلیل اینکه تا نقص اولیه ای در مدل به وجود نیاید، نرم افزار هیچگونه اثر کمانشی را در نظر نمی گیرد.
