بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از ورقهای پیوستگی یکی از راههای تامین صلبیت اتصال تیر I شکل به ستون قوطی میباشد. اگرچه تامین ورقهای پیوستگی اتصال در ناحیه چشمه اتصال ستونهای قوطیشکل مطلوب آئیننامههای طراحی میباشد، اما به علت جوش گوشه یک ضلع ورق پیوستگی به وجه چهارم ستون و با توجه به زاویه محدود و عدم دید کافی از داخل و همچنین برشکاری و جوشکاری زیاد در محل اتصال، اطمینانبخش به نظر نمیرسد.
در این مقاله سعی شده تا با استفاده از سختکننده خارجی این ضعف برطرف شود. از طرفی با تغییر ضخامت در بال و جان تیر اتصال شامل سختکننده خارجی ذوزنقهای شکل و شبکههای آرماتور افقی به همراه بتن پرکننده داخل ستون سعی شده است تا تاثیر ضخامت سختکنندهها در پارامترهای لرزهای از قبیل مقاومت نهایی، درصد گیرداری و شکلپذیری اتصال دیده شود. جهت بررسی عملکرد اتصال پیشنهادی از مدلسازی اجزای محدود تحت بارگذاری تکآهنگ استفاده شده است.
نتایج نشان داده که اتصال پیشنهادی سبب افزایش 3 درصدی گیرداری، 6 درصدی مقاومت و 15 درصدی شکلپذیری اتصال میشود و ضوابط آئیننامه AISC را به خوبی برآورده میکند. همچنین افزایش ضخامت این سختکنندهها سبب افزایش صلبیت، مقاومت نهایی و شکلپذیری اتصال میشود.
-1 مقدمه و تاریخچه تحقیقات
اتصال اجزای مختلف یک سازه فولادی بسیار با اهمیت میباشد. اتصالات در قسمتهای مختلف سازه براساس نوع کاربری و نیروهای وارده بر آنها طراحی میشوند، اما خوب بودن اتصال و اطمینان از باربری آن بسیار حائز اهمیت است. اتصال تیر به ستون از جمله اشکالات عمده در سازههای فولادی در قسمت اتصالات محسوب میشود. مهمترین قسمت در کنترل اجرای سازه فولادی، اطمینان از اتصال درست تیر به ستون بویژه در امتدادی که سیستم مهاربندی نشده، و صرفاً دارای قاب خمشی است، میباشد.
در چنین حالتی اگر ستونهای قوطی استفاده شود باید در نصب ورقهای پیوستگی درون ستون قوطی و در تراز ورقهای زیر و رو تیر توجه شود. نکته دیگر جوش صحیح ورق- های پیوستگی به چهار وجه ستون است که معمولاً در اجرای جوش وجه چهارم با مشکلاتی همراه است. استفاده از سختکننده خارجی یکی از راههایی است که میتوان این مشکل را مرتفع کرد. در این راستا مطالعات زیادی در سرتاسر جهان توسط محققین مختلف صورت گرفته است. یکی از معتیرترین و کاملترین تحقیقات صورت گرفته توسط شانموگام و همکاران1]تا[7 بوده است.
در مطالعات این تیم تحقیقاتی، سختکنندههای خارجی نبشی، ورق مثلثی، -T شکل و همچنین ورق پیوستگی مورد مطالعه قرار گرفتهاند. هدف از انجام این مطالعات، پیدا کردن سختکننده خارجی مناسب به عنوان جایگزین ورق پیوستگی داخلی بوده است، که بتواند فاکتورهای اساسی یک اتصال صلب و کارآمد را برآورده کند. از مطالعات این تیم تحقیقاتی نتیجه شده که اتصال با سختکننده T شکل بهترین عملکرد را در بین سایر اتصالات به خود اختصاص داده و جایگزین بسیار مناسبی برای اتصال با ورق پیوستگی داخلی میباشد.
شاهرخ مالک و مرتضی حاجی فتحعلی بر روی عملکرد اتصال تیر I شکل به ستون قوطی در حالت های مختلف در حضور و عدم حضور ورقهای پیوستگی با و بدون بتن پرکننده و همچنین استفاده از ورقهای مثلثی پیرامونی با و بدون جوش این ورقها به گوشهی ستونها در انواع مختلفی از سختکنندهها مطالعاتی انجام دادهاند. آنها برای مدلسازی و تحلیل از نرمافزار اجزایمحدود ANSYS استفاده کرده و تحلیل استفاده شده در مطالعات آنها از نوع تکآهنگ و رفتوبرگشتی بوده است. در حیطه مطالعات انجام شده و نمونههای بررسی شده نتایجی به شرح زیر حاصل شده است:
در اتصال با ورقهای مثلثی پیرامونی سختی و شاخص گیرداری قابل ملاحظهای 91 - درصد - ارائه گردیده است و در صورت استفاده از بتن داخل ستون در چنین اتصالی سختی، شاخص گیرداری اتصال به میزان اندکی افزایش یافته و به میزان 93/4 درصد میرسد. ویژگیهای هندسی اتصال دارای ورق مثلثی پیرامونی منجر به ایجاد قابلیت تشکیل مفصل پلاستیک در تیر و موقعیت انتهای ورقهای اتصال به فاصلهی مکفی و کنترل شده از بر ستون شده است و همچنین اتصال تضعیف شدهی استخوانی در تیر منجر به دورتر شدن موقعیت مفصل پلاستیک تیر از بر ستون شده که ایدهی تیر ضعیف ستون قوی که مطلوب استاندارد 2800 و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران میباشد را تأمین میکند.
در مدل دارای ورقهای مثلثی پیرامونی میزان جذب انرژی مبتنی بر رفتار تیر 139 درصد اتصال ورقهای پیوستگی داخلی بوده که حاکی از قابلیت مطلوب ارضای ملزومات تیر ضعیف ستون قوی در کاربرد آن در قابهای خمشی بوده است. این موضوع به کاهش احتمال بروز حالات خرابی دربر ستون دلالت دارد.
مقاومت نهایی اتصال مدل دارای ورقهای مثلثی پیرامونی از تمامی مدلهای دیگر مطالعه شده بدون بتن داخل ستون فراتر میرود و از مدل دارای ورقهای پیوستگی به میزان 22 درصد بیشتر بوده است. در حالت بهره گیری از بتن در داخل ستون، توزیع تنش در ارتفاع اتصال نامتقارن شده است که دلیل اصلی این موضوع امکان جدا شدن ورق ستون از بتن در موضع اتصال بال کششی تیر به ستون بوده است.
در اتصالاتی که پهنای بال تیر آنها در نزدیکی اتصال افزایش یافته یا به وسیله ورقهای مثلثی این افزایش حاصل شده است، موضع تشکیل مفصل پلاستیک تیر متناسب با آن از بر ستون فاصله گرفته است. مرتضی زاهدی و سیدمجید سفیدگران[9] به بررسی استفاده از سختکننده-های بیرونی به عنوان جایگزینی برای ورقهای پیوستگی داخلی در اتصالات صلب تیر I به ستون قوطی شکل توسط نرمافزار اجزای محدود ANSYS پرداختهاند. برای مطالعه اتصالات با انواع مختلف سختکننده از جمله ورقهای پیوستگی داخلی، سختکنندههای مثلثی، سخت- کنندههای نبشی و سختکننده T مورد آنالیز قرار گرفتهاند. نتایج آنالیز آنها نشان میدهد به جز ورق پیوستگی که اجرای آن در داخل ستون با مشکلاتی همراه است، سخت کننده T شکل در هر دو مشخصه سختی و مقاومت اتصال، عملکرد بهتری نسبت به سایر سختکنندهها داشته است.
-2 اهمیت انجام تحقیق
در این مقاله با استفاده از نرمافزار اجزایمحدود به بررسی رفتار اتصال شامل سختکنندههای خارجی و شبکههای آرماتور افقی در ستون پرشده با بتن با تغییر در ضخامت بال و جان تیر پرداخته شده است تا بتوان قابلیت این اتصال را در تامین ضوابط لرزهای جهت جایگزینی با اتصال شامل ورق پیوستگی بررسی و مشکلات مربوط به اجرای دشوار و نامطمئن اتصال مزبور را مرتفع نمود.
-3 معرفی مدلها
برای مطالعه رفتار اتصالات از یک ستون قوطی شکل پرشده با بتن به ابعاد 45*45cm و به ضخامت 2/5Cm استفاده شده و تیرهای متصل شونده به ستون به صورت تیرورق به پهنای بال 20Cm، ضخامت بال 1/5Cm، ارتفاع جان 40Cm و ضخامت جان 0/8Cm درنظر گرفته شده است. در مدل دوم برای بررسی حالات مختلف، ضخامت بال و جان تیر تغییر میکند.
شکل: 1 جزئیات تیر اتصالی جدول: 1 حالات مختلف مدل دوم
مدل اول: اتصال تیر به ستون قوطی شکل پرشده با بتن با ورق پیوستگی داخلی - - FI
در این مدل اتصال توسط دو عدد ورق پیوستگی در تراز بالهای تیر داخل ستون تقویت شده است. جهت بتنریزی داخل ستون، در ورق پیوستگی سوراخی به قطر 210 میلیمتر ایجاد شده است.
این اتصال از طرف آئییننامههای طراحی مطرح شده است، اما دارای مشکلاتی در زمینه اجرا میباشد.
ب - برش الف - پلان شکل: 2 جزئیات مدل اول - - FI
مدل دوم: اتصال تیر به ستون قوطی شکل با سختکنندههای خارجی ذوزنقهایشکل و شبکههای آرماتور افقی به همراه بتن پرکننده داخل ستون - . - FEB5
سختکنندههای خارجی ذوزنقهای شکل یکی از روشهای مقاوم کردن یک اتصال صلب در صورت عدم استفاده از ورقهای پیوستگی می-باشند. در این مدل برای رسیدن به این مهم از سختکنندههای خارجی ذوزنقهای شکل استفاده شده است. جهت افزایش توان باربری اتصال از بتن پرکننده داخل ستون استفاده شده و نهایتاً برای تقویت چشمهی اتصال از دو شبکه آرماتور افقی در راستای بالهای کششی و فشاری تیر در تراز 5cm از هر بال و یک شبکه در میانهی چشمه اتصال استفاده شده است.
