بخشی از مقاله
چکیده
سیستم قابهای مهاربندی همگرا یکی از سیستمهای متداول برای مقابله با نیروهای جانبی میباشد. مهاربندهای این سیستم در فشار دچار کمانش خارج از صفحه میشوند. کمانش خارج از صفحه مهاربند باعث تغییر شکلهای غیر الاستیک زیادی در ورق اتصال مهاربند به تیر و ستون - گاست پلیت - میگردد. آیین نامههای لرزهای به منظور تأمین ظرفیت تغییر شکلهای غیر الاستیک در گاست پلیتها، پیشنهاد به رعایت فاصله آزاد دادهاند. در تحقیق حاضر سه نمونه با رعایت فاصله آزاد خطی - 2tp - ، فاصله آزاد بیضوی - 8tp - و عدم رعایت فاصله آزاد مورد بررسی قرار گرفته است. نمونهها به روش اجزاء محدود، تحت بار چرخهای و با در نظر گرفتن اثرات غیرخطی مادی و هندسی تحلیل گردیدهاند. نتایج نشان میدهند در حالت عدم رعایت فاصله آزاد، تنش و کرنشهای پلاستیک در لبه گاست پلیت متصل به ستون، به مقدار بیشتری نسبت به دو حالت دیگر افزایش مییابد. در این حالت احتمال پاره شدن جوشهای اتصال گاست بیشتر شده و باعث عدم کارایی سیستم مهاربندی میشود.
کلمات کلیدی: قاب مهاربندی همگرا، ورق اتصال، فاصله آزاد، کمانش خارج از صفحه.
-1 مقدمه
امروزه یکی از سیستمهای متداول برای مقابله با نیروهای جانبی - زلزله و باد - استفاده از سیستم قابهای مهاربندی به ویژه سیستم - SCBF - میباشد؟ این سیستمها علاوه بر دارا بودن سختی جانبی مناسب، پتانسیل خوبی برای جذب انرژی ناشی از نیروی جانبی دارند. جذب انرژی در کشش به وسیله تسلیم مهاربند و در فشار به وسیله کمانش خارج از صفحه مهاربند رخ میدهد. تغییر شکل ناشی از کمانش در مهاربند باعث ایجاد تغییر شکلهای غیر الاستیک زیادی در ورق اتصال میگردد. هر چند تغییر شکل غیرالاستیک ورق اتصال موجب جذب انرژی ناشی از زلزله میگردد، از سوی دیگر میتواند موجب ایجاد شکست در جوش اتصال به تیر و ستون شود.
سیستم قابهای مهاربندی از دیرباز مورد توجه محققین بوده است. ویتمور - Whitmore, 1952 - تحقیقاتی آزمایشگاهی برای مشخص کردن توزیع تنش روی انواع خاصی از گاست پلیت انجام داد. او روشی ساده برای مشخص کردن مقدار تقریبی از ماکزیمم تنش برای استفاده در طراحی سازهها ارائه کرد. بر اساس نتایج به دست آمده ماکزیمم تنش با تقریب بسیار نزدیک، بصورت حاصلضرب ضخامت ورق در طولی موثر که عمود بر محور عضو است به دست میآید. طول موثر به وسیله یک خط فرضی که از اولین ردیف پیچها با زاویه 30 درجه آغاز میشود و تا انتهای خط آخرین ردیف پیچها ادامه مییابد حاصل میگردد.
تورنتون - Thornton, 1984 - برای تعیین مقاومت فشاری گاست پلیت، از ظرفیت کمانش آن استفاده کرد . تخمین ظرفیت فشاری از طریق معادلسازی با مقطع ستون به دست میآید. در معادلسازی از یک نوار ستونی با عرض واحد و ضریب طول موثر ./65 استفاده میشود و بدین ترتیب مقاومت کمانشی این نوار فرضی را در عرض موثر ویتمور ضرب کرده و مقدار ظرفیت فشاری را برای ورق به دست میآید.
تورنتون - Thornton, 1991 - روشی جدید را جهت طراحی اتصالات گاست پلیت به قاب پیشنهاد کرد. این روش که به نام نیروی یکنواخت - UFM - مشهور است متداولترین روش برای محاسبه ابعاد ورق اتصال میباشد.
آستانه اصل - Astaneh-Asl, 1998 - با انجام تحقیقات خود با پیشنهاد ایجاد فاصله 2t در انتهای مهاربند، چرخش آزاد انتهای مهاربند را فراهم کرد. این پیشنهاد در آییننامههای لرزهای برای قابهای با شکلپذیری ویژه مورد استفاده قرار گرفت. آقای لمن و همکاران - Lehman, Roeder, Herman, Johnson, & Kotulka, 2008 - در سال 2008 با انجام مطالعات آزمایشگاهی پیشنهاد فاصله بیضوی شکل را برای رعایت فاصله آزاد دادند.
در تحقیق حاضر سعی در نشان دادن مقادیر تغییر شکلهای غیر الاستیک در ورق اتصال و تنشهای ایجاد در آن و همچنین کنترل پاره شدن جوش اتصال گاست به قاب در سه حالت مختلف یعنی طراحی ابعاد گاست بر اساس رعایت فاصله آزاد 2tp، رعایت فاصله آزاد بیضوی شکل به اندازه 8tp و همچنین عدم رعایت فاصله آزاد میباشد tp - ضخامت ورق اتصال میباشد - . برای این منظور از مدلسازی یک قاب مرجع به روش اجزاء محدود استفاده شده است. در بخش بعد جزئیات مدلسازی و نتایج بدست آمده از تحلیل اجزاء محدود ارائه گردیده است.
-2 مدلسازی و صحتسنجی
مدلسازی در نرم افزار Abaqus و بصورت یک قاب یک دهانه و یک طبقه صورت گرفت. هر نمونه متشکل از دو تیر، دو ستون، یک مهاربند و دو صفحه اتصال میباشد. در هر سه نمونه، برای تیرها از IPE200 و برای ستونها از IPB200 و برای مهاربند از دوبل UNP100 استفاده شد. ارتفاع قاب - مرکز به مرکز تیرها - و دهانه آن - مرکز به مرکز ستونها - در هر سه مدل ثابت و برابر 3/66 متر در نظر گرفته شد. شرایط مرزی اعمالی همان شرایط نمونه یو و همکاران - Yoo, Roeder, & Lehman, 2008 - میباشد. تیرها و ستونها در برابر حرکت خارج صفحه مقید شدهاند. در پای ستونها برای ایجاد شرایط مفصلی، از تکیه گاه مفصلی استفاده شد. همچنین قسمتی از تیر پایین برای مدلسازی پیچها، مقید شد. به منظور تامین شرایط واقعی و کمانش مهاربند، در میانه مهاربند جابهجایی اولیه کمی به مقدار L - 1000 طول مهاربند - اعمال شد. برای اعمال بارگذاری چرخهای از یک قطعه صلب بصورت سراسری در بالای سیستم به منظور شبیه سازی انتقال نیرو از دال مدلسازی گردید. به منظور دیدن رفتار غیرخطی اعضا از فولاد ST37 و از رفتار دو خطی آن با سختشوندگی کرنشی استفاده شد - شکل . - 1
برای مشبندی نمونهها از المان پوستهای S4R که دارای چهار گره در هر المان و شش درجه آزادی در هر گره میباشد استفاده گردید. تحلیل مدلها بصورت رفت و برگشتی، با در نظر گرفتن اثرات غیر خطی مادی و هندسی انجام شد. بارگذاری نمونهها تحت دستورالعمل - Applied Technology Council, 1992 - ATC-24 بصورت بارگذاری چرخهای غیرخطی صورت گرفت - شکل -2الف - . در شکل -2ب بصورت شماتیک اعضای قاب اعتبارسنجی نشان داده شده است. در شکل 3 نمونههای مورد آزمایش نمایش داده شده است. طراحی ورق اتصال در مدلهای SPNC و SP2tp با استفاده از توزیع نیروی یکنواخت - UFM - و آییننامه مبحث 10 ایران، و در مدل SP8tp بر اساس طراحی به روش بالانس شده - BDP - انجام شده است. سایر ویژگیهای مدلها در جدول 1 آمده است.
