بخشی از مقاله
چکیده
در بسیاری از قابهای ساختمانی فلزی مهاربندی شده، جهت کاهش تنشهای ناشی از ممان مثبت درتیرها، از سقفهای مرکب استفاده می شود. از این عملکرد معمولاﹰ در ناحیه ممان منفی صرفنظر می گردد لیکن در صورتیکه دال بتنی یکپارچه اجرا شود، علاوه بر عملکرد بصورت یک دیافراگم صلب، می تواند بر رفتار سازه ای قاب مرکب از قبیل: سختی الاستیک، مقاومت نهایی و شکل پذیری موثر باشد.
در این مقاله تاثیر دال بتنی بر سختی جانبی، مقاومت نهایی و شکل پذیری پنج قاب مرکب مهاربندی نشده در مقابل بارهای جانبی استاتیکی افزایشی مورد بررسی قرار گرفته است. این قاب ها با استفاده از نرم افزار - ANSYS - مدلسازی و نتایج با سایر مراجع مقایسه شده است. مقایسه عملکرد قاب فولادی و قاب مرکب - بتن فولاد - نشان داده است که اگرچه عملکرد مرکب بتن و فولاد سختی جانبی الاستیک قاب را حدود ١٥ تا ٢٠ درصد افزایش می دهد اما شکل پذیری سازه را کاهش می بخشد و در مقاومت نهایی قاب تاثیری نمی گذارد.
١ مقدمه
تیرهای مرکب فولاد بتن در قاب های مرکب مهاربندی شده به دلیل قرار گرفتن بتن در ناحیه تنش های فشاری و فولاد در ناحیه تنش های کششی، عملکرد خوبی از خود نشان داده اند. در قاب های مرکب مهاربندی نشده و در نواحی ممان منفی خصوصا در نزدیکی ستون ها - تکیه گاهها - به دلیل قرار گرفتن مصالح بتنی در ناحیه تنش کششی و ضعف این مصالح در تحمل تنش های کششی، عملکرد مرکب شکل نمی گیرد و تیر فولادی به تنهایی وظیفه تحمل ممان خمشی را به عهده خواهد داشت.
طبق ضوابط طراحی آیین نامه AISC اتصال تیر فولادی به ستون فولادی باید کلیه نیروها و ممان های تکیه گاهی را منتقل نماید بنابراین عملا سهمی از ممان خمشی که توسط میلگردهای دال تحمل می شود، در طراحی اتصال فولادی در نظر گرفته نخواهد شد]١.[ این موضوع که در محل تکیه گاه تیرمرکب که ممان منفی وجود دارد، در صورت یکپارچگی دال بتنی، چه مقدار از خمش توسط اتصال فولادی باید منتقل شود، زمینه تحقیقات گسترده ای را تحت عنوان اتصالات مرکب با قید جزئی فراهم آورده است.
مطالعه ای که بر روی قاب های مرکب با قید جزئی انجام شده، منجر به پیشنهاد روش طراحی برای این اتصالات گردیده است. این پیشنهاد به نحو چشمگیری نسبت به روش های برنامه ملی کاهش مخاطرات زلزله امریکا ]٢[ و آیین نامهAISC محافظه کارانه و با جزییات بیشتر می باشد. در مقاله فوق نشان داده شده در صورتیکه از قاب های مرکب با اتصالات مقید جزئی - PRCC - 1 برای مقابله با بارهای باد و زلزله در مناطق با زلزله خیزی کم استفاده شود، نسبت سهم ممان اتصال فولادی در حالت قاب مرکب به قاب غیر مرکب حدود ٧٥ درصد است]٣.[ در یک مطالعه عددی بر روی یک ساختمان تجاری مهاربندی شده، فرمولبندیی ارائه شده که توانایی شبیه سازی عملکرد ساختمانهای فلزی با عرشه های کف مرکب را دارا می باشد]٥ و٤.[
عملکرد تیرهای مرکب در قاب های کوتاه مهاربندی نشده در برابر بارهای جانبی ناشی از باد در مرجع ]٦[ مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق نرم افزاری تهیه گردیده که توانایی مدلسازی رفتار غیرخطی سازه ها و تشخیص زوال قاب های مرکب را داراست.
در مقاله حاضر بررسی اثر دالهای بتنی بر سختی جانبی قاب های مرکب مهاربندی نشده در برابر نیروهای جانبی استاتیکی پرداخته شده است. با وارد کردن بار جانبی افزایشی بر قاب فولادی مهاربندی نشده بدون بتن و قاب مرکب، تاثیر عملکرد مرکب بر سختی جانبی الاستیک، شکل پذیری و مقاومت نهایی سازه مورد بررسی قرار گرفته است.
٢ مدلسازی
در این تحقیق برای مدلسازی قاب های مرکب از نرم افزارANSYS استفاده شده است]٧.[ ناحیه بتنی سقف با المان « Solid 65 »، میلگرد ها با المان «Link8» و تیرها و ستونها با المان « Beam 24 » با قابلیت تغییر شکل پلاستیک و یا با المان «Shell 181» مدل شده اند. برای اعمال فرض عدم لغزش در محل گل میخ، در این نقاط گره مشترک برای دو المان Shell وSolid یا تیر الاستیک با سختی بسیار زیاد و بطول نصف ارتفاع تیر بین المانهای Beam وSolid تعریف شده است تا تغییر شکلهای انتقالی تیر و تاوه درنقاط برش گیرها یکسان گردند. فرضیات درنظرگرفته شده به شرح زیراست:
١- رابطه تنش- کرنش فولاد الاستوپلاستیک کامل و رابطهتنش - کرنش بتن، غیرخطی میباشد.
٢- در محل برشگیرها - گل میخها - ، تغییر شکلهای انتقالی بتن و فولاد، کاملاﹰ یکسان فرض می شود.
٣- تغییر شکلها کوچک و مصالح ایزوتروپیک می باشند.
٤- مصالح فولادی از معیار گسیختگی وان میسز پیروی می کند.
٥- مصالح بتنی از معیار دراگر- پراگر پیروی می کند.
٣ مطالعات عددی
در این مقاله مشخصات زیر برای مصالح در نظر گرفته شده است:
تنش جاری شدن فولاد kg/cm2 ٢٤٠٠fy= ، ضریب پواسون فولاد ٢٥/٠، رابطه تنش- کرنش بتن غیرخطی بصورت شکل١ در نظر گرفته شده است]٨.[ ظرفیت انتقال برش در بتن برای ترک باز ٢/٠ و برای ترک بسته ٨/٠، هیچگونه ظرفیت تحمل کشش در بتن وجود ندارد، حداکثر ظرفیت تحمل فشار در بتن٢٥٠ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع، دانسیته بتن٠٠٢٤/٠ کیلو گرم بر سانتیمتر مکعب، مدول الاستیسیته بتن٢٣٧٥٠٠ کیلو گرم بر سانتیمتر مربع و ضریب پواسون بتن ١٧/٠ در نظر گرفته شده است. لازم به ذکر است که در تمامی مثالها قابها در جهت X - تیرهای فرعی - مهار بندی و در جهتY - تیرهای اصلی - صلب می باشند. قاب های مرکب یک طبقه بر اساس بخش٤ آیین نامه ] AISC١[ طراحی شده اند. بدلیل وجود بادبند، در جهت فرعی عمل مرکب وجود دارد. قابهای فوق در جهت تیرهای اصلی تحت بار جانبی با افزایش تدریجی قرار گرفته و نتایج با حالت قاب بدون بتن مقایسه شده است. در مراحل اولیه بارگذاری درصد افزایش سختی الاستیک بدلیل وجود تاوه بتنی، از تقسیم جابجاییهای قاب در دو حالت به یکدیگر بدست آمده است.
شکل ١ نمودار تنش – کرنش بتن
٣١ مثال عددی - ١ -
در شکل٢ پلان ساختمان یک طبقه مورد بررسی مشاهده می گردد. ارتفاع طبقه٤٠٠ سانتیمتر می باشد.
برای المان بندی قسمت بتنی سقف المانهای Solid65 با ابعاد ١٠×٥٠×٥٠ سانتیمتر تعریف شده اند. تیرهای اصلی و فرعی و ستونها با المان Shell181 مدل شده اند. برای مدلسازی میلگردهای پیوسته در روی تیرهای تکیه گاهی - محورهای - B,C,D, E المان link8 با سطح مقطع یک سانتیمتر مربع در بالای ضخامت تاوه قرار داده شده است.
برای کاهش تعداد المانها - تعداد درجات آزادی - ، در مدلسازی تیرها و ستونها با المانShell181 فقط قاب محور٣ و قسمت بتنی سقف با المان Solid65، ٥/٢ متر از طرفین این محور با شرایط تکیه گاهی مناسب در انتها در نظر گرفته شده است. با توجه باینکه برشگیرها فقط تغییرشکلهای انتقالی تیر فولادی و تاوه بتنی را یکسان می سازند و چون المان Solid65 مورد بحث در هر گره سه درجه آزادی انتقالی دارد با تعریف گره مشترک بین المانهای Shell181 و المانهای Solid65 با بعد٥٠ سانتیمتر میتوان تاثیر برشگیرها را اعمال نمود.
با انجام تحلیل غیرخطی بر روی مدل ساخته شده مراحل زیر مشاهده گردید: جان تیر فولادی در محل اتصال با ستون در بار جانبی حدود ١٠٠٠٠ کیلوگرم، و در باری کمی بیش از آن، بال پایین تیر فولادی در همان نواحی به حد جاری شدن می رسد و در باری حدود ٣٠٠٠٠ کیلوگرم بالهای ستونهای فولادی در پای ستونها و نهایتا در باری حدود ٣٨٠٠٠ کیلوگرم، جان ستونهای فولادی در پای ستونها به حد
