بخشی از مقاله
خلاصه
عملکرد نامناسب قاب های خمشی فولادی در برابر زمین لرزه های اخیر، باعث انجام پژوهش های گسترده ای در زمینه محدود نمودن خسارت و آسیب دیدگی و تغییرشکل های پلاستیک در اعضای اصلی قاب، حذف جابجایی نسبی ماندگار در قاب و افزایش ظریفت دوران اتصالات گردید. بمنظور دستیابی به اهداف مذکور، نوع نوینی از اتصالات تیر به ستون فولادی توسط محققان سراسر جهان پیشنهاد شد.
اتصالات پس کشیده فولادی، شامل کابل های با مقاومت بالا برای ایجاد خاصیت مرکزگرایی و نبشی های فوقانی و تحتانی برای استهلاک انرژی و کنترل تغییرشکل های پلاستیک هستند. هدف این مقاله بررسی عملکرد رفتار سایکلیک اتصالات پس کشیده فولادی است.
این اتصال در نرم افزار آباکوس تحت بارگذاری سایکلیک مطابق مشخصات نمونه آزمایشگاهی موجود، شبیه سازی شده و نتایج آن با نتایج موجود آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. پس از انجام صحت سنجی نمونه عددی با نمونه آزمایشگاهی، نیروی پس کشیدگی اولیه کابل ها بمیزان 10 و 30 درصد افزایش و کاهش می یابد. نتایج نشان داد که، افزایش نیروی پس کشیدگی اولیه کابل ها باعث کاهش ظرفیت اتلاف انرژی و افزایش مقاومت و صلبیت اتصال مرکزگرای پس کشیده فولادی می گردد.
.1 مقدمه
پیش از زمین لرزه نورثریج1 در سال 1994 و کوبه 2 در سال 1995 اتصالات مرسوم تیر به ستون در قاب خمشی فولادی ویژه - SMRF - شامل جوش نفوذی کامل در بال های تیر بودند، که این اتصالات بمنظور توسعه مفاصل پلاستیک و تغییرشکل های پلاستیک در تیرها طراحی شده بودند، ولی پس از آن زلزله ها بسیاری از اتصالات قاب خمشی فولادی دچار تغییرشکل پلاستیک ناچیزی قبل از شکست های جوش در لایه مرزی تیر – ستون شده بودند.
خسارت بوجود آمده در این اتصالات خمشی جوشی پس از زلزله های نورثریج و کوبه باعث شروع تحقیقات گسترده ای بمنظور بهبود رفتار چرخه ای3 اتصالات تیر به ستون در قاب خمشی فولادی گردید. اتصالات ویژه برای توسعه پاسخ سایکلیک و لرزه ای شکل پذیر بوسیله ظرفیت خمشی کاهش یافته تیر مشابه با اتصالات تیر به ستون دارای مقطع تیر RBS یا ظرفیت خمشی افزایش یافته تیر نزدیک صفحه ستون مشابه اتصالات دارای مقاطع ماهیچه ای جوشی توسعه یافتند.
تغییرشکل های دائمی پلاستیک در اتصالات تیر و ستون متداول، دریفت های ماندگار4 بزرگی را ایجاد می کند که این موضوع می تواند منجر به از دست دادن عملکرد سازه بعد از زمین لرزه گردد. اما، در سازه های مرکزگرا5، تغییرشکل های پلاستیک و دریفت ماندگار در تیر و ستون با ایجاد بازشدگی مابین تیر و ستون حذف می شود. بنابراین، اتصالات موجود در سازه های مرکزگرا پس از زلزله به موقعیت اولیه خود باز می گردند.
برخلاف قاب های فولادی متعارف که بر شکل پذیری و مقاومت مصالح اعضای سازه ای استوار است، رفتار شکل پذیری سازه های مرکزگرا به رفتار عملکرد کابل های پس کشیده6 با مقاومت بالا و نبشی های فوقانی و تحتانی متصل به ورق پیشانی و تقویتی بستگی دارد. کابل ها قبل از اعمال بارگذاری، پس کشیده می شوند که باعث بروز خاصیت مرکزگرایی پس از اتمام بارگذاری لرزه ای ویا چرخه ای می باشد. پس از آزمایشات فراوان مشاهده گردید که اعضای اصلی سازه نظیر تیر، ستون و حتی کابل های گذرنده از جان تیر و بال ستون، وارد حوزه پلاستیک نشدند و دچار هیچگونه آسیب یا خسارتی نشدند.
.2 پژوهش های پیشین
نخستین بار در سال 1998، الشیخ و همکاران مطالعه تحلیلی بر روی رفتار لرزه ای قاب های بتنی پیش ساخته پس کشیده ناپیوسته انجام دادند، البته سیستم مورد مطالعه آنها بدلیل عدم استفاده از فولاد نرمه، شامل پارامتر اتلاف انرژی نبود ولی آنها به رفتار مناسب سیستم بدون وجود اتلاف انرژی کافی پی بردند.
اتصال خمشی پس کشیده برای قاب های مقاوم خمشی فولادی با نبشی های فوقانی و تحتانی توسط رایکلز8 و همکاران [5 ,4] و گارلاک9 و همکاران [10-6] بطور گسترده ای مورد تحلیل آزمایشگاهی و عددی قرار گرفت. اجزای اصلی سیستم SC-MRF عبارتند از: کابل های پس کشیده که تیر را به بال ستون می فشارد و نیز ایجاد مرکزگرایی می نماید. نبشی های فوقانی و تحتانی برای ظرفیت اتلاف انرژی و سیستم سقف شامل دال طبقات و تیرهای فرعی جهت تحمل بارثقلی و تیرهای اصلی که انتقال دهنده نیروهای اینرسی زمین لرزه به SC-MRF هستند.
رایکلز و همکاران [5 ,4] در آزمایشگاه مدل اتصال خمشی تیر به ستون پس کشیده برای قاب مقاوم خمشی فولادی با ستون های مرکب بتنی و فولادی و نبشی های فوقانی و تحتانی بعنوان مستهلک کننده انرژی، را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج آزمایش حاکی از آن بود که سختی الاستیک اتصال همانند سختی خمشی جوشی بود. همچنین اتصال تیر به ستون پس کشیده تحت بار چرخه ای دارای مقاومت و شکل پذیری عالی هستند. از موارد مهم نیز می توان به عدم مشاهده تغییرشکل پسماند تحت جابجایی نسبی غیرخطی طبقات، اشاره کرد.
نوعی دیگر از اتصالات پس کشیده توسط کریستوپولوس10 و همکاران مورد بررسی و تحلیل آزمایشگاهی و عددی قرار گرفت. این اتصال متشکل از میله های فولادی با مقاومت بالا و میله های محصور شده برای استهلاک انرژی بوسیله تسلیم در کشش و فشار، بود. نتایج نشان داد که هنگام جابجایی نسبی بالای طبقه، قاب دارای این اتصال به موقعیت اولیه خود بدون ایجاد خسارت به تیر و ستون ها، باز می گردد.
بار دیگر کریستوپولوس و همکاران [12] رفتار لرزه ای اتصالات پس کشیده دارای خاصیت مرکزگرایی با رفتار هیسترتیک پرچمی شکل را با رفتار لرزه ای اتصالات جوش شده معمولی مقایسه نمود. این مقایسه فقط برای سیستم های تک درجه آزادی صورت گرفت. برای انجام این تحقیق از 20 رکورد زلزله استفاده شد و در پایان مشاهده شد که پاسخ هیسترتیک پرچمی شکل همانند و حتی بهتر از پاسخ هیسترتیک الاستوپلاستیک بدست می آید.
سال 2003 گارلاک و همکاران پژوهشی روی نبشی های فوقانی و تحتانی اتصالات در آزمایشگاه تحت بارگذاری چرخه ای منتشر نمود. هدف این تحقیق، تاثیر اندازه و فاصله سوراخ نبشی تا پاشنه آن بر سختی، مقاومت و ظرفیت اتلاف انرژی اتصال بود. نتایج آزمایش نشان داد که نبشی ها حتی پس از تسلیم شدن، کارایی خود را حفظ می کنند. همچنین بخش اعظمی از استهلاک انرژی اتصال به عملکرد و مکانیزم نبشی های تسلیم شده، مرتبط است.
گارلاک و همکاران نمونه از اتصالات خمشی تیر به ستون پس کشیده فولادی را تحت بارگذاری چرخه ای با دریفت 4درصد جهت شبیه سازی اثرات نیروی زلزله، قرار داد. در این اتصال از نبشی های فوقانی و تحتانی پیچ شده به تیر و ستون و نیز کابل های پرمقاومت موازی با جان تیر استفاده شده است. کابل ها برای ایجاد لنگر خمشی مقاوم در برابر بارهای سرویس، بال تیر را به بال ستون فشار می دهند.
پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق شامل نیروی پس کشیدگی اولیه، تعداد کابل های پس کشیده و طول ورق های تقویت بودند. نتایج نشان داد که اتصال پس کشیده فولادی دارای شکل پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی خوبی می باشند و نیز تیر و ستون تحت دریفت 4 درصد الاستیک باقی می مانند و دچار هیچ گونه آسیبی نمی گردند. تنها اعضای خسارت دیده نبشی های فوقانی و تحتانی بودند که باعث استهلاک انرژی نیز شدند.
سال 2007 گارلاک و همکاران [10] تحقیقی روی رفتار و نحوه طراحی قاب های مرکزگرای پس کشیده فولادی انجام داد. در این مقاله سطوح عملکرد لرزه ای، میزان نیروی ورودی لرزه ای، ظرفیت ها و سطوح موردنیاز سازه ای و میزان تقاضای سازه ای برای قاب های مرکزگرای پس کشیده فولادی، تعریف شده است. در نهایت روش طراحی این قاب ها با روش های متداول طراحی در آیین نامه ها و نتایج تحلیل های دینامیکی تاریخچه زمانی مقایسه گردید.
روجاس و همکاران یک اتصال پس کشیده مجهز به میراگر اصطکاکی برای قاب های مقاوم خمشی را معرفی کرد. در این اتصال میراگرهای اصطکاکی روی بال های تیر متصل بودند و کابل هایی نیز به موازات تیر وجود داشتند. برای بررسی پاسخ لرزه ای این نمونه، یک قاب 6 طبقه با 4 دهانه مجهز به میراگر اصطکاکی انتخاب شده بود که طراحی آن مطابق روش طراحی براساس عملکرد صورت گرفته بود. نتایج نشان داد که نمونه پیشنهادی دارای ظرفیت اتلاف انرژی خوب، خاصیت مرکزگرایی و مقاومت مناسبی می باشد. بدلیل رفتار و عملکرد بهینه، این نمونه پیشنهادی توانایی جایگزینی با قاب های متداول مقاوم خمشی را دارد.
