بخشی از مقاله
بررسی عملکرد لرزه اي اتصالات خمشی تیر به ستون مقاوم سازي شده توسط سخت کننده هاي مکمل در سازه هاي فولادي
چکیده
اتصالات در قاب هاي خمشی سازه هاي فولادي نقش بحرانی را ایفا می کنند، در واقع عملکرد صحیح قاب مستلزم عملکرد مطلوب اتصال آن میباشد، پس از زلزله نورثریج 1994 آمریکا و بروز شکست در این اتصالات، دیدگاه طراحی اتصالات در سطح دنیا به سمت دیدگاه تعیین محل مفصل پلاستیک توسط .طراحدر پیش رفت کشور ما اتصالات هنوزاکثراً بصورت سنتی طراحی میشوند قطعاًو مشکل شکست اتصال و انهدام سازه را در هنگام وقوع زلزله هاي قریب الوقوع خواهند داشت لذا نیاز مقاوم سازي اتصالات موجود و طراحی جزئیات اتصالی مناسب به شدت احساس میشود. در این مطالعه ضمن بیان مشکلات طراحی و اجرایی اتصالات رایج ورق زیرسري و روسري (در اصطلاح کله گاوي) به چگونگی تقویت این اتصال توسطمکملسخت کننده هاي پرداخته شده است. همچنین جزئیات اتصال نوین تیر-به-ستون با سخت کننده هاي مکمل مطرح و عملکرد این اتصال در زیر بارگذاري سیکلیک مورد ارزیابی و رفتار سنجی قرار گرفته است. سخت کننده هاي مکمل بصورت موازي در دو طرف جان تیر و به موازات آن اجرا می شوند. مدلسازي ها در محیط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS توسط المان هاي SHELL انجام گرفته است. نتایج بیانگر کاهش تنش در محل اتصال ورق هاي زیرسري و روسري به وجه ستون در اتصالات کله گاوي می باشد، همچنین جزئیات نوین اتصال خمشی تیر-به-ستون مقاوم سازي شده توسط سخت کننده هاي مکمل بخوبی محل مفصل پلاستیک را به داخل تیر هدایت میکند و عملکرد مطلوبی در زیر بارگذاري چرخه اي با سیکل هاي حلقه اي منظم و قابلیت استهلاك انرژي بالا از خود نشان می دهد.
واژگان کلیدي:
اتصال تیر-به-ستون، سخت کننده هاي مکمل، بارگذاري سیکلیک، مفصل پلاستیک، اتصالات خمشی
مقدمه
قابهاي خمشی فولادي یکی از رایجترین سیستمهاي سازهاي متداول در ساختمانهاي کوتاه، متوسط و بلند مرتبه میباشند که مورد توجه مهندسین طراح در نواحی پرخطر زلزله قرار گرفته است. علت این امر نیز بیشتر شکلپذیري ذاتی مصالح فولادي و نیز تأثیر آن در شکلپذیري کلی سازه میباشد. طراحی سنتی اتصال تیر-به-ستون بر پایه نظریه خمش ساده تیر استوار میباشد که در آن فرض براین است که لنگر تیر توسط کوپل جفت نیرویی در بالهاي آن و برش از طریق جان تیر به ستون منتقل میگردد، اما تحقیقات و مطالعات اخیر نشان میدهد؛ فرضیه فوق واقعگرایانه نیست(٢٠١٤ (Arlekar and Murty, در حالت اتصالتیر I شکل به ستون I شکل هر دو جان در یک صفحه قرار میگیرند. در صورتی که، در اتصالبه تیر I شکل ستون با مقطع مرکب از پروفیل I شکل یا ستون جعبهاي، این صفحات نسبت به هم فاصله دارند. بنابراین، تفاوتهاي رفتاري روشنی بین این دو نوع اتصال وجود دارد. استفاده از صفحههاي پیوستگی جان در داخل مقطع ستونهاي قوطی شکل در سالهاي اخیر مورد توجه برخی از محققان قرار گرفته است و طرحهاي مختلفی براي دستیابی به اتصالی ایدهآل تهیه گردیده است(٢٠٠٦ (Mirghaderi and Moradi,، (٢٠١٠ (Mirghaderi et al, استفاده از صفحههاي پیوستگی جان و بال تیر در داخل ستونهاي جعبهاي فرآیندي پرهزینه محسوب میگردد. بنابراین، استفاده از سخت کننده هاي بیرونی به منظور تأمین مسیر روان براي انتقال بار از تیر به ستون توسط محققان زیادي توصیه شده است.
شانمونگام و همکاران(١٩٩٣ (Lee et al, ، (١٩٩١ (Ting et al, رفتار اتصالهاي تیر به ستونهاي جعبهاي تقویت شده با انواع سخت کننده هاي مختلف بیرونی را مطالعه کردهاند. مطابق با نتایج آنها، اتصالهاي تقویت شده با سخت کننده هاي T شکل بهترین عملکرد را نشان میدهند. همچنین، ابوالمعالی و همکاران(٢٠٠٩ (Ghobadi et al, و کیامنش و همکاران(٢٠١٠ (Kiamanesh et al, با انجام مطالعهاي تحلیلی و تجربی بر روي اتصالهاي تقویت شده با سخت کننده هاي T شکل رابطهاي بین ظرفیت برشی و نسبت ابعاد جزء افقی سخت کننده T ارایه دادهاند. استفاده از ورقهاي سخت کننده مورب جان (تیر) به جان (ستون) به همراه ورقهاي محیطی ستون در اتصالهاي تیر I شکل به ستون جعبهاي، اتصال با بیشترین سخت ی و جذب انرژي را نتیجه میدهد و براي استفاده در قابهاي ویژه لرزهاي مناسب میباشد.(٢٠٠٨ (Goswami, ، (٢٠٠٨ (Goswami and Murty, مطابق با نتایج بدست آمده از مطالعات تحلیلی و تجربی دیلمی و همکاران بر روي اتصالهاي تیر I شکل به ستون مرکب از مقطع I (٢٠٠٨ , ( Deylami and Yakhchalian ,(٢٠٠٨, (Deylami and Shiravand، مناسبترین روش انتقال بار از تیر به ستون استفاده از صفحههاي بیرونی به موازات جان تیر و ستون پیشنهاد شده است.
روش تحقیق
هدف از انجام این تحقیق نشان دادن کاستیهاي اجرایی و طراحی اتصالات خمشی تیر-به-ستون حال حاضر کشور و ارایه راهکار جهت بهبود این اجراها و طراحیها، همچنین ارایه اتصالی کاربردي و اقتصادي با رفتار لرزهاي مناسب جهت آییننامهاي شدن و اجرایی شدن میباشد. در این مطالعه ضمن راستآزمایی نمونه اتصال تیر-به-ستون ورق زیرسري و روسري (کله گاوي) با نمونه آزمایشگاهی آن، به مشکلات طراحی و اجرایی این اتصالات پرداخته میشود و راهکاري جهت مقاوم سازي این اتصال مطرح میگردد، در ادامه به معرفی اتصال نوین تیر-به-ستون تقویت شده توسط سخت کننده هاي مکمل پرداخته شده است.
یافته ها
مشکلات طراحی و اجرایی اتصالات رایج کلهگاوي
یکی از رایجترین انواع اتصالات خمشی تیر-به-ستون در کشور اتصال با ورق زیرسري و روسري تیر به ستون میباشد که در اصطلاح بنام اتصال کلهگاوي مشهور میباشد. جزئیات این اتصال به این صورت میباشد که تیر بوسیله یک ورق مستطیلی متصل به ستون روي ستون مینشیند و از بالا نیز توسط یک ورق ذوذنقهاي شکل به ستون متصل میشود و برش نیز توسط ورق برشگیر به ستون منقل شده با این توضیح که یک فاصله رواداري 2) سانتیمتر بر اساس آیین نامه فولادي ایران) از انتهاي تیر تا بر ستون در نظر گرفته میشود. (شکل (1
شکل :1 جزئیات اتصال کلهگاوي ٢RC- (٢٠٠٨ (Ghobadi et al,
در نظریه کلاسیک خمش تیر، لنگر موجود در تیر به وسیله جفتنیرویی کششی و فشاري بالهاي آن به اجزاي اتصال و در نهایت به ستون منتقل میگردد. مطالعات انجام یافته نشان میدهد که نظریه خمش ساده تیر در مورد تجزیه لنگر تیر به کوپل جفتنیرویی کششی و فشاري در بالها و همچنین انتقال نیروي برشی توسط اجزاء اتصال جان تیر، کامل نمیباشد و همواره در محل اتصال بال تیر به ستون نیروس برشی قابل ملاحظهاي منتقل میگردد. همچنین در محل اتصال جان تیر به ستون تنشهاي برشی، مقدار کمی دارند (٢٠٠٨ (Ghodrati et al, از نظر اجرایی نیز استفاده از جوش گوشه به جاي استفاده ازجوش نفوذ کامل براي اتصال ورق تقویتی تیر به ستون عملکرد مطلوبتري را بدنبال خواهد داشت، همچنین استفاده از روش ساخت میدانی میتواند کیفیت جوش ایجاد شده را کاهش دهد، عدم استفاده از ورق پیوستگی نیز میتواند باعثاتصالبروز شکست در گردد، از دیگر کاستیهاي طراحی عدم کنترل کفایت ضخامت چشمه اتصال که سبب جابجایی مفصل پلاستیک از تیر به ستون میشود، میباشد. با توجه به تحقیقات انجام شده توسط قبادي و همکاران استفاده از الکترودهاي چقرمه براي جوش هاي حساس که نقش اصلی در باربري لرزهاي دارند الزامی است. (قبادي، (1387
شیوه مدلسازي و معتبرسازي
از آنجائیکه بررسی تحلیل صورت پذیرفته در این مقاله معطوف بر عملکرد تناوبی این اتصالات میباشد نمونه مدلسازي شده با نمونه آزمایشگاهی اتصال کلهگاوي ٢RC- که توسط قبادي و همکاران در سال 2008 در زیر بارگذاري چرخهاي، بارگذاري شده است، مقایسه و دقت مدلسازي تأیید میشود.
نمونه اتصال ٢RC اتصالی است با مشخصات (شکل (1 کهکاملاٌ مطابق ابعاد آزمایشگاهی در محیط نرمافزار اجزاء محدودالمانANSYS توسط ٤٣SHELL مدلسازي و مطابق با استاندارد ٣٥٠FEMA- در زیر بار چرخهاي آزمایش می- شود. (شکل (2 شرایط تکیهگاهی و اعمال بار نیزکاملاً مشابه با نمونه آزمایشگاهی اعمال میگردد. (شکل (3
با توجه به (شکل (4 مشاهده میشود در نمونه مدلسازي شده در نرمافزار ANSYS رفتار زیرسازهکاملاً مشابه رفتار نمونه آزمایشگاهی میباشد. نواحی جاري شده تیر بعد از ورقها بخوبی در (شکل :4 الف و ب) مشخص میباشند. همچنین ناحیه جاري شده و کمانش کرده بال تیر بعد از ورق زیرسري در نمونه مدلسازي شده و آزمایشگاهی کاملاً مشابه میباشند.
با توجه به منحنی هیسترزیس نمونه مدلسازي شده و نمونه آزمایشگاهی مشاهده میشود رفتار دو زیرسازه از نظر ماکزیمم دو منحنیو رفتاري تشابه قابل قبولی دارد. (شکل .(5 با توجه به موارد فوق صحت مدلسازي تأیید میگردد.
مقاومسازي اتصال کلهگاوي توسط سخت کننده هاي مکمل
در این بخش نمونه مقاومسازي شده اتصال ٢RC- به کمک سخت کننده هاي مکمل معرفی میشود. این سخت کننده ها به صورت موازي با جان تیر و در دو سمت آن از یک سمت به وجه ستون و از سمت دیگر به وجه اولین سخت کننده اصلی تیر متصل شده و از سمت بالا و پایین نیز به بال تیر جوش میشوند. (شکل (6
از جمله ضعفهاي اتصالات کلهگاوي تمرکز تنش در محل اتصال به بال تیر میباشد با توجه به (شکل -7 الف و ب) ملاحظه میگردد تنش در محل اتصال بال تیر به ستون در نمونه تقویت شده کاهش یافته و منطقه تنش ماکزیمم در این ناحیه به شکل مطلوبی تقلیل پیدا کرده است.
در واقع برتري این روش مقاومسازي نسبت به مقاومسازيهاي دیگر بعنوان مثال مقاومسازي بهلچکیکمک ورقهاي T شکل و (قبادي، (1387 این میباشد که در این نوع مقاومسازي تیر هم تقویت برشی شده و هم تقویت خمشی میگردد همچنین در بحث بهسازي
