بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از مکانیزمهای متداول برای تأمین شکلپذیری در مواجهه با جابهجاییهای ناشی از زلزله در قابهای خمشی فولادی، ایجاد مفصلهای پلاستیک در دو انتهای تیر میباشد تا بدین ترتیب از تشکیل مفصل پلاستیک در ستونها، که ممکن است منجر به بروز زوال ترد در سازهها گردد، جلوگیری به عمل آید. با توجه به کاربرد رایج دالهای بتنی برای ایجاد دیافراگمهای کف در این قابها، در پژوهش حاضر تأثیر دال بتنی، ضخامت آن و فاصلهی آغاز چیدمان برشگیرها از بر ستون، با مدلسازی نمونهها در فضای سه بعدی نرمافزار آباکوس و بهکارگیری تحلیل اجزای محدود غیر خطی بررسیگردیده است. پس از راستی آزمایی و حصول اطمینان از انطباق قابل قبول نتایج عددی و آزمایشگاهی، نتایج حاصل از مطالعات عددی نشان دادند که ضخامت دال بتنی بر مقادیر چرخش تیر و ستون مؤثر است و همچنین با افزایش فاصلهی شروع چیدمان برشگیرها از بر ستون، تأثیر دال بتنی بر رفتار نمونهها کاهش مییابد.
کلمات کلیدی: تیر مختلط، قاب خمشی فولادی، مدلسازی اجزای محدود، رفتار چرخهای و یکنوا، تیر با مقطع کاهشیافته . - RBS -
1. مقدمه
یکی از مناسبترین مکانیزمها در راستای تأمین شکلپذیری قابهای خمشی فولادی در مواجهه با جابهجاییهای ناشی از زلزله، ایجاد مفصلهای پلاستیک در دو انتهای تیر میباشد تا بدین ترتیب از تشکیل مفصل پلاستیک در ستونها، که ممکن است منجر به ناپایداری و بروز زوال ترد در سازهها گردد، جلوگیری به عمل آید. نمودار پیکرهی آزاد تیر در یک قاب خمشی در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل - 1 نمودار پیکرهی آزاد تیر در قاب خمشی .[1]
در این زمینه اتخاذ نسبت مناسبی از مقاومتهای خمشی ستونها به تیرهای موجود در یک اتصال - - ، از جمله مواردی است که در آییننامههای مختلف از جمله مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان ایران [1] مطرح گردیده است. بر این اساس در قابهای خمشی فولادی ویژه، کنترل شرط تیر ضعیف - ستون قوی لازمهی طراحی میباشد و جهت تحقق آن لازم است رابطهی - 1 - اقناع گردد.
که در آن مجموع تصاویر لنگرهای خمشی ستونهای بالا و پایین گرهی اتصال در امتداد مورد نظر میباشد که طبق رابطهی - 2 - و با در نظر گرفتن کاهش تنش ناشی از وجود نیروی محوری فشاری در ستون، محاسبه میگردد.
نیز مجموع تصاویر لنگرهای خمشی تیرها در گرهی اتصال نسبت به راستای مورد نظر میباشد. این لنگرهای خمشی باید با در نظر گرفتن تعادل استاتیکی بارهای ثقلی ضریبداری که با نیروی زلزله ترکیب میشوند و اثرات لرزهای ناشی از لنگر خمشی در محل تشکیل مفصل پلاستیک نسبت به محور ستون که طبق رابطهی - 3 - تعیین میشود، محاسبه گردند.
در روابط فوق اساس مقطع پلاستیک ستون، سطح مقطع ستون، تنش تسلیم فولاد ستون، مقاومت فشاری مورد نیاز ستون حاصل از ترکیبات بار زلزله تشدید یافته، لنگر خمشی پلاستیک تیر در محل تشکیل مفصل پلاستیک و نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شدهی مصالح تیر میباشد .[1] نیز ضریبی است که دربرگیرندهی آثار عواملی از قبیل سختشدگی، قیدهای موضعی و ملحقات موجود در اتصال تیر به ستون میباشد .[1]
در بسیاری از مواقع در طراحی و ساخت قابهای خمشی برای تأمین دیافراگم کفها از دالهای بتنی استفاده میشود. این دالهامعمولاً با استفاده از برشگیرها به تیرهای قابهای خمشی متصل شده و لذا تشکیل یک مقطع مختلط را میدهند. مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان ایران [1] و آییننامهی AISC آمریکا دو روش کلی سازگاری کرنش و توزیع پلاستیک تنش را برای تعیین مقاومت اسمی مقاطع مختلط مجاز میدانند که در هر دو روش از ظرفیت کششی بتن صرفنظر میشود. در روش توزیع پلاستیک تنش، وضعیت مقطع در حالت حدی نهایی آن بررسی میشود و از این رو تنش قطعات فولادی هم در ناحیهی کششی و هم در ناحیهی فشاری برابر با تنش یکنواخت Fy منظور میگردد. همچنین در بخش بتنی، تنش بتن تحت فشار برابر با 0.85fc/ و به صورت یکنواخت فرض میگردد. در ادامه برای تعیین محل تار خنثی - در دال بتنی، بال بالایی و یا جان مقطع فولادی - جهت محاسبهی ظرفیت خمشی اسمی مقطع تیر مختلط تحت لنگر مثبت، تعادل مقطع طبق روابط - 4 - تا - 6 - بررسی میشود که در آن C وT به ترتیب نیروهای فشاری و کششی مقطع مختلط، fc/ مقاومت فشاری دال بتنی، be عرض مؤثر دال بتنی، a عمق نیروی فشاری با تنش یکنواخت 0.85fc/، As مساحت مقطع تیر فولادی و Fy تنش تسلیم تیر فولادی میباشد .[2] خاطر نشان میشود که در این روش میبایست عملکرد مختلط کامل با تأمین تعداد برشگیرهای لازم فراهم آید .[1]
- 6 - هدف از تحقیق حاضر مطالعه اثر وجود دالهای بتنی در رفتار قابهای خمشی و نحوهی شکلگیری مفاصل پلاستیک در تیر یا ستون است.
در ادامه تأثیر ضخامت دال بتنی بر مقادیر چرخش تیر و ستون - به عنوان معیاری برای تشکیل مفصل پلاستیک - و همچنین فاصلهی شروع چیدمان برشگیرها از بر ستون، بر رفتار نمونهها بررسی خواهد شد.
2. مدلسازی و راستی آزمایی
به منظور اطمینان از صحت جزئیات مربوط به فرضیات مدلسازی و تحلیل، راستی آزمایی نمونههای آزمایشگاهی تمام مقیاس لئون و همکاران [3] شامل نمونهی ساده - SP1 - و نمونهی مختلط - SP2 - با عملکرد مختلط ناقص %55 انجام شده است. ابعاد تیر، ستون، ورقهای پیوستگی، مضاعف و اتصال برشی جان نمونهها به ترتیب طبق جداول 1 و 2 میباشد. در مدل آزمایشگاهی بال تیرهای فولادی با جوش نفوذی کامل به بال ستونها جوش شده است. مشخصات مصالح فولادی نمونهها طبق جدول 3 میباشد. در نمونهی مختلط - SP2 - ، برشگیرها از نوع گلمیخ بوده و چیدمان آنها از فاصلهی 228,6 میلیمتری از بر ستون آغاز شده و تا محل اعمال بارگذاری ادامه مییابد. مشخصات برشگیرها و آرماتورهای دال بتن مسلح به ترتیب طبق جداول 4 و 5 میباشد. پوشش جانبی و بالایی بتن برای آرماتور طولی 38 میلیمتر میباشد. آرماتورهای عرضی 50 میلیمتر پایینتر از سطح بالایی بتن قرارگرفته و چیدمان آنها از 38 میلیمتری از بر ستون آغاز شده است و سراسر طول دال بتنی را فرامیگیرد. در روند مدلسازی نمونههای مختلط، دال بتنی در پیرامون ستون برداشته شده است؛ به طوری که 1 سانتیمتر از هر طرف ستون فاقد دال بتنی است. مشخصات دال بتنی نمونههای مختلط - SP2 - در جدول 6 آورده شده است.
جدول -1 ابعاد تیر و ستون نمونهها .[3]
برای مدلسازی و تحلیل دو نمونهی - SP1 - و - SP2 - ومتعاقباً نمونههای بعدی در تحقیق حاضر از نرمافزار المان محدود آباکوس استفاده شده است. مدلسازی در فضای سه بعدی انجام شده و برای اجزای فولادی از المان پوسته1 چهار گرهای S4R که در هر گره دارای شش درجهی آزادی - سه انتقالی و سه چرخشی - با انتگرالگیری کاهشیافته است، استفاده گردیده است. با توجه به توصیهی لئون و همکاران [4]، رفتار مصالح فولادی طبق شکل 2 به صورت چهار خطی و با سختشدگی همسانگرد در نظر گرفته شده است که طبق آن از کرنش تسلیم - y - تا کرنشی معادل با ده برابر کرنش تسلیم، مدل فولاد رفتار الاستیک - پلاستیک کامل را شبیهسازی مینماید.
شکل - 2 نمودار شماتیک تنش - کرنش فولاد .[4]
