بخشی از مقاله
خلاصه
ستونهای مرکب به دلیل داشتن مزایای قابل توجه امروزه به طور وسیعی در ساختمانهای چند طبقه مورد استفاده قرار میگیرند. از جمله مسائل تعیین کننده در ستونهای CFT ، اتصالات به کار رفته در این ستون-هاست. اتصال مورد استفاده در این ستونها باید به گونهای باشد که فولاد و بتن توأمان در باربری مشارکت داشته باشند.[1] در این مقاله رفتار اتصال خمشی تیر به ستون CFT توسط صفحات کناری تمام عمق - Side plate - و ورقهای رابط بررسی میشود. این اتصال در نرمافزار اجزای محدود ABAQUS مدل شده است و رفتار آن با تغییرات ضخامت ورقهای کناری و وجود نیروی محوری مورد مطالعه قرار گرفت و منحنیهای اندرکنش نیروی محوری- لنگر خمشی ترسیم گردید. نتایج بدست آمده نشان داد اتصال از سختی، شکلپذیری و مقاومت بالایی برخوردار است، گرچه وجود نیروی محوری باعث کاهش ظرفیت در اتصال میشود.
واژههای کلیدی: ستونهای مرکب، اتصال خمشی، ورق Side plate، اندر کنش نیروی محوری و لنگر خمشی
.1 مقدمه
ستونهای مرکب - کامپوزیت - ترکیبی است از بتن و فولاد که مجموعهای از مزایای ستونهای بتنآرمه و ستونهای فولادی را دارد. ستون مرکب شکلپذیری بیشتری نسبت به ستونهای بتنی دارد و اتصالات آنها مانند ساختمانهای فولادی است. این مقاطع شامل الف- مقاطع فولادی محاط در بتن که به آنها بتن مسلح به پروفیل فولادی - Steel Reinforced Concrete - نیز میگویند و ب- مقاطع توخالی پر شده با بتن - Concrete Filled Steel Tube - می باشند. از نظر شکلپذیری و ظرفیت چرخشی، مقاطع توخالی پر شده با بتن بهترین رفتار را در مقایسه با سایر انواع دیگر ستون مرکب دارد. بتن توسط مقطع فولادی احاطه شده است و حتی در لحظه رسیدن به مقاومت نهائی نیز بتن دچار گسیختگی کامل نمیشود .وجود فولاد در بیرونیترین تارهای مقطع - جائی که بیشترین کشش وجود دارد - به طور موثر سبب افزایش حداکثر مقاومت خمشی مقطع میگردد. همچنین وجود فولاد با مدول الاستیسیته زیاد - در مقایسه با بتن - در دورترین فاصله از مرکز مقطع باعث افزایش ممان اینرسی میشود که این دو مورد نهایتا سبب افزایش سختی مقطع میگردد.
یکی از عوامل مؤثر که باعث میشود ستون CFT عملکرد مناسبی را در مناطق لرزهخیز از خود نشان دهد، اتصال مناسب بین شاهتیرهای I شکل و تیرستونهای CFT است. اتصال ایجاد شده باید به گونهایاشدب که فولاد وبتن تواماً در باربری مشارکت کنند. از آنجا که اتصال نقش حیاتی را در بقای سازه و در طول رخدادهای لرزهای ایفا میکند باید به گونهای جزئیات بندی شود تا اطمینان حاصل گردد که مفصل پلاستیک در محل از پیش تعیین شده ایجاد گشته و به عملکرد سایر اجزا لطمهای وارد نمیگردد.[2] تحقیقات زیادی روی تحلیل اتصالات مختلف در قابهای خمشی تحت اثر خمش خالص صورت گرفته است، ولی در هیچکدام اثر نیروی محوری روی رفتار اتصال دیده نشده است. در قابهایی که تحت نیروی جانبی از قبیل باد، نیروی زلزله و غیره قرار میگیرند، ایننیروی جانبی ابتدا به صورت نیروی محوریِ تیر وارد اتصال شده و در نهایت به ستون منتقل میشود. دلیل دیگر اهمیت نیروی محوری در تیرهای با دهانهی زیاد میباشد، به این معنی که با زیاد شدن طول دهانهها، خمش ثانویه بر روی رفتار سازه تأثیر گذار است.
.2 پیشینه تحقیق
مطالعاتی در سال 2001 توسطShin,Oh و Moon بر روی اتصالات جوشی در ستونهای CFT انجام شد که با سخت کنندههای T-shaped در چشمه اتصال تیر به ستون تقویت شده بود. نتایج تحقیق نشان داد که افزایش طول سخت کنندهها تأثیر بسزایی در افزایش مقاومت و سختی اتصال دارد و اتصال مناسب برای مناطق لرزه خیز تشخیص داده شد Wu .[3] و همکارانش در سال 2005 به بررسی رفتار چرخهای اتصالات پیچ شده دو طرفه در ستونهای CFT مربعی شکل پرداختند. نتایج بررسی آنها نشان داد که این اتصالات مقاومت لرزهای فراتر از حدود آییننامههای تایوان و آمریکا از خود نشان داده و میتواند به عنوان سیستمهای مقاوم لرزهای در قابهای خمشی استفاده شود. پس از آن اتصال جدیدی معرفی شد که از نوعی دیگر از پیچ که به ورق انتهایی متصل میشد، تشکیل شده بود.[4] این اتصال را در سال 2012، Wang و Chen پیشنهاد کردند. آنها از بار یکنواخت برای بارگذاری تیر وستون و منطقه اتصال بهره بردند. تأثیر ضخامت انتهایی و نوع مقطع ستون نیز از اهداف تحقیق آنها بود. نتایج حاکی از آن بود که ضخامت ورق انتهایی در اکثر موارد عامل تعیین کنندهی اتصال برای رسیدن به مقاومت نهایی است. اما مقاومت و سختی میتواند با بهبود عملکرد پیچ-ها، بیشتر شود.[5] دیافراگم سراسری به عنوان یک انتخاب خوب برای اتصال تیر فولادی به ستون CFT در بین مهندسان شناخته میشود. Qin، Chen و Han در سال 2014 پژوهشی تحلیلی برای درک بهتر رفتار جزئیات اتصال و توسعهی دستورالعملهای طراحی آن انجام دادند. نتایج نظری و دادههای تجربی گذشته تطابق خوبی را نشان دادند و مقررات طراحی برای بررسی مقاومت در اتصالات معرفی شدند.[6] اتصال جدیدی در سال 2015 توسط Lee و Wang برای ستونهای CFT مطرح شد که ترکیبی بود از دیافراگم خارجی و دیافراگم نفوذی که دیافراگم مختلط نامگذاری شد. قدرت باربری دیافراگم مختلط به اندازه اتصالات قبلی و یا بیشتر از آن است. از طریق آزمایشات متعدد ثابت شد که رفتار اتصالات مختلط شبیه به اتصالات موجود به کار برده شده بود. دیافراگم مختلط به اندازه دیافراگم بیرونی تأثیر زیادی روی صلبیت اولیه و نیروی مقاومت حداکثر اتصال صرفنظر از اینکه دیافراگم بیرونی در تنش یا فشار است، دارد.[7]
.3 اتصال تیر فولادی به ستون CFT با استفاده از صفحات کناری تمام عمق
اتصال خمشی Side plate که یک اتصال مهاری تیر به ستون است، با دو صفحه کناری تمام عمق مثل ساندویچ تیر را به ستون متصل کرده، بالا و پایین بال تیر با ورقهای رابط به این صفحات وصل میشوند. اتصال خمشی Side plate برای قابهای خمشی ویژه - SMF - و قاب خمشی متوسط - IMF - بدون هیچ محدودیتی مناسب میباشد.[8] در این مقاله دو اتصال مورد بررسی قرار گرفت که در یکی از آنها، اتصال Side plate با استفاده از ورقهای روسری و زیرسری، و در دیگری اتصال Side plate با ورقهای رابط کناری به تیر متصل شد. شکل 1 نمونهای از اتصال Side plate را نشان میدهد.
شکل-1 اتصال Side plate
.4 معرفی مدلها
در این مقاله یک گره از اتصال کناری در یک قاب خمشی در نرمافزار ABAQUS مدل سازی شد. در تمام قطعات تشکیل دهنده مدل از جمله: تیر، ستون، صفحات کناری تمام عمق و ورق پیوستگی ، از فضای مدلسازی سهبعدی، نوع قطعه از نظر شکلپذیری، شکلپذیر استفاده شده است. شکل مدلها از نوع Solid میباشد، چرا که در این المان میتوان خصوصیات مصالح را در چندین لایه با مقادیر متفاوت و در جهتهای مختلف اعمال کرد؛ نیز این گونه المانها توانایی اندازهگیری دقیق تنش را دارا میباشند. برای تمامی اجزای فولادی مدلهای استفاده شده در این مقاله از فولاد SS400 که رفتاری شبیه به A36 دارد،با رفتار پلاستیک و مدول الاستیسیته 2/1×106 و ضریب پواسون آنها برابر با 0/3 فرض شده است . رفتار جوش در اتصالات مدل شده با رفتار فولاد A36 یکسان فرض شده است. مقاومت فشاری بتن به کار رفته در ستون CFT ، میباشد. در جدول 1 مقادیر تنش و کرنش مفروض بیان شده است.
جدول -1 خصوصیات مواد
در انتهای ستونها شرایط تکیهگاه گیردار فراهم گردیده است. در سر تیر بارگذاری لرزهای به صورت تغییر مکان چرخهای و نیروی محوری که مقدار آن 65درصد مقاومت فشاری تیر میباشد، اعمال شده است. در شکل 2 شرایط مرزی مدلها به همراه ابعاد مقاطع نشان داده شده است. لازم به ذکر است که در تمامی مدلها ابعاد تیر و ستون ثابت میباشد. نوع مش استفاده شده در مدلها از خانواده Solid ، دارای 3 درجه آزادی با تعداد 8 گره و المان سهموی، فرمولبندی از
