بخشی از مقاله
خلاصه
پیش از زلزله 1994 نورتریج مهندسین بر این باور بودند که اتصالات خمشی مستقیم بهکاربرده شده در سازههای فلزی قاب خمشی دارای این قابلیت هستند که دوران پلاستیک بزرگی تا میزان 0/02 رادیان و یا بیشتر را تحمل کنند، بدون اینکه کاهش چشمگیری در میزان مقاومت آنها حاصل شود. زلزلهای که در 17 ژانویه سال 1994 در امریکا رخ داد، آشکار شد که اتصالات قاب خمشی فولادی به آن اندازه ای که تصور میشد شکلپذیر نیستند. یکی از پیشنهادات، کاهش سطح مقطع بالهای تیر در نزدیکی اتصال تیر به ستون بود - اتصال . - RBS این روش اشکالاتی نیز در بردارد
از جمله اینکه ایجاد مفصل پلاستیک در قسمت مقطع کاهش یافتهی تیر، به علت اینکه مقطع RBS جزیی از تیر می باشد تعمیر و بهسازی را، مشکل و پرهزینه و در گاهی اوقات غیرممکن میسازد. برای از بین بردن ایرادات وارده به ایدهی RBS، مفهومی به نام مفاصل قابل تعویض غیر خطی پیشنهاد گردید - اتصال . - EGS در این تحقیق جهت تشکیل مفصل پلاستیک در لینک قابل تعویض - اتصال - EGS، به جای کاهش سطح مقطع لینک، از لینکی با سطح مقطع تیر اما با جنس فولاد کم مقاومت - فولاد جاذب انرژی - استفاده گردید و تاثیر کاربرد فولاد کم مقاومت در لینک قابل تعویض پلاستیک، بر پارامترهای لرزهای قاب خمشی، با بکارگیری فولاد کم مقاومت ST19 مورد بررسی قرار گرفت.
جهت این امر با استفاده از روش تحلیلی به کمک نرمافزار اجزاء محدود Abaqus، دو قاب یک طبقهی تک دهانه با اتصالات RBS و EGS مدلسازی گردید و مقایسهای میان عملکرد لرزهای دو قاب صورت گرفت. نتایج مطالعه نشان دادکه شکلپذیری قاب با اتصال EGS حدود 21 درصد از شکلپذیری قاب با اتصال RBS بیشتر است در حالیکه ظرفت جذب انرژی برای قاب با اتصال EGS حدود 10درصد کمتر از قاب با اتصال RBS است، بنابراین اتصالEGS عملکرد لرزهای خوبی حداقل در حد اتصال RBS از خود نشان داد مزید بر اینکه قابلیت تعویض اتصال EGS شرایط و نقش بهتری را هم در بهسازی و ترمیم سازه پس از زلزله و همچنین در روند صنعتیسازی ساختمان نسبت به سایر اتصالات ایفا خواهد نمود.
.1 مقدمه
توانایی تحمل تغییر شکلهای خمیری بدون کاهش قابل ملاحظه در مقاومت، نشانگر شکل پذیری اعضای سازه و معیاری برای تعیین رفتار مناسب سازه طی زلزلههای شدید میباشد. اما این موضوع نیز باید همیشه در نظر گرفته شود که آسیب های حاصل از ورود اعضاء سازه به محدوده خمیری باید بعد از زلزله قابل تعمیر و بازسازی باشند و از این منظر در طراحی لرزهای باید موازنهای میان هزینههای اولیه ساخت و هزینههای مربوط به تعمیر و بازسازی برقرار گردد. در نتیجه، هدف اصلی طراحی لرزهای مدرن، کاهش خسارتهای مالی و اقتصادی به همراه حفظ جان افراد میباشد. ارزیابی و تامین شکلپذیری مورد نیاز، عامل بسیار مهمی در حل این مشکل میباشد.
پیش از زلزله 1994 نورتریج مهندسین بر این باور بودند که اتصالات خمشی متعارف بهکاربرده شده در سازههای فلزی قاب دارای این قابلیت هستند که دوران پلاستیک بزرگی تا میزان 0,02 رادیان و یا بیشتر را تحمل کنند، بدون اینکه کاهش چشمگیری در میزان مقاومت آنها حاصل شود. حتی بسیاری از آنها تصور میکردند که ساختمانهای فلزی قاب خمشی در برابر زلزله آسیب ناپذیر هستند احیاناًو در صورت وجود آسیب و خرابی، این خرابی تنها محدود به جاری شدن اعضا و اتصالات - که شکلپذیر فرض میشدند - میشود و فروریزش در برابر بارهای ناشی از زلزله غیرممکن تصور میشد. زلزلهای که در 17 ژانویه سال 1994 در آمریکا رخ داد، این باور مهندسین را به چالش واداشت و برای مهندسین آشکار شد که اتصالات قاب خمشی فولادی به آن اندازهای که تصور میشد شکلپذیر نیستند.
در زلزلهی 1994 نورتریج کالیفرنیا، در بیش از 150 قاب فضایی خمشی فولادی، مشاهده گردید که در اطراف جوشهای اتصال تیر به ستون شکست تردی حادث شده است که باعث خرابی اتصالات برخلاف انتظار طراحان گردیده بود . به همین خاطر در سالهای پس از آن ایدههای فراوان جهت تقویت اتصال تیر به ستون و فراهم نمودن بستری جهت حادث شدن تغییر شکلهای پلاستیک بدون از دست دادن مقاومت، پیشنهاد و مورد بررسی قرار گرفت. یکی از پیشنهادات، تعبیهی فیوز شکل پذیر در قسمتی از تیر بود که در نزدیکی اتصال تیر به ستون، قسمتی از سطح مقطع تیر را کاهش دادند تا بدین وسیله مفصل پلاستیک درون این مقطع کاهش یافته تیر قرار گیرد. این روش به مقطع با اتصال RBS معروف گردید که این روش در آزمایشات فراوان و تحت بارگذاریهای شدید سیکلی، نتایج خوبی از لحاظ شکل پذیری و اتلاف انرژی فراهم آورد. اما با همهی این مزایا، این روش اشکالاتی نیز در برداشت که به شرح زیر می باشد :
-1 در سازههای متوسط و بلند مرتبه، عاملی که تاثیر گذار بر تعیین سایز اعضا میباشد، کنترل التزامهای دریفت می باشد که این کنترلها منجر به افزایش ابعاد اعضای قاب بیش از مقادیر بدست آمده از طراحی بر اساس مقاومت، میباشد که منجر به افزایش سایز فیوزها نیز میگردد. این امر با توجه به روش طراحی - LRFD - به نوبهی خود منجر به افزایش ظرفیت فیوزها - Mp - و در نتیجه بالاتر رفتن نیروی وارده به سایر بخش های سازه مثل ستون ها، اتصالات، فنداسیون و ... میگردد و به دنبال آن بالا رفتن نمره ی سایر اعضاء و بنابراین بالا رفتن هزینه ها و کاهش صرفهی اقتصادی خواهد شد.
-2 در اثر تکرار تغییر شکلهای ناشی از بارگذاری سیکلی و کمانش های موضعی، آسیبهای قابل توجهی در تیر، در زلزلههای رخ داده در عمر مفید سازه، نتیجه میشود که به علت رفتار پلاستیک تجمعی سازه در طی زلزلههای آینده مجهول می باشد و بررسی قابلیت سازه جهت ارائه سطح کافی ایمنی برای بارگذاریهای نوسانی - زلزله - آینده و هم چنین میزان آسیب وارده به سازه در طی زلزلههای گذشته، دشوار است.
-3 در صورت ایجاد مفصل پلاستیک در قسمت مقطع کاهش یافتهی تیر ، به علت اینکه مقطع RBS جزیی از تیر میباشد تعمیر و بهسازی مشکل و پر هزینه و در گاهی اوقات غیر ممکن میگردد.
برای از بین بردن ایرادات وارده به ایدهی RBS، مفهومی به نام مفاصل قابل تعویض غیر خطی پیشنهاد گردید، به این صورت که به جای کاهش بالهای تیر در محلهای مورد انتظار تیر، در همان موقعیتها از قطعات با مقاومت کوچکتر خمشی نسبت به تیر با قابلیت جایگزینی، استفاده شود. با این ایده طراح، سایر المانهای سازه را در محدودهی الاستیک و تحت نیروهای بدست آمده از تسلیم مفصلهای مذکور، محاسبه نموده و با توجه به پایینتر بودن ظرفیت خمشی مفصل قابل تعویض نسبت به سایر قسمت های تیر و طراحی سایر اعضای سازه بر اساس ظرفیت مفصل پلاستیک، اشکال اول وارده به سیستم RBS در این ایده بر طرف گردیده و سایر مقاطع اقتصادی میگردد.
همچنین با توجه به متمرکز شدن تغییرشکلهای پلاستیک درون این مفاصل، سایر بخشهای سازه در هنگام زلزلهی طراحی سالم باقی مانده و فقط مفاصل مذکور آسیب دیده که با توجه به قابلیت جایگزینی آنها، اشکال سوم وارده به سیستم RBS نیز بر طرف می گردد و زمان وقفه در بهره برداری سازه پس از زلزلههای بزرگ را به حداقل ممکن کاهش میدهد و عمر مفید سازه را افزایش میدهد. علاوه بر این مزایا، با توجه به قابلیت جایگزینی این مفاصل، امکان جوشکاری در کارخانه برای اکثر اعضای سازه و به عبارتی پیش ساخته نمودن اعضا و یا صنعتی سازی ساختمان فراهم میشود که در نتیجه به دنبال آن بالا رفتن قابل توجه کیفیت ساخت و ساز - کیفیت جوشکاری - حاصل خواهد شد .
با استفاده از ایدهی مفصل قابل تعویض، طراح انعطافپذیری بیشتری برای انتخاب مقطع مفصل در اختیار دارد که به بهترین وجه، بدون تغییر مقطع تیر، مقاومت مورد نیاز را بر آورده میکند. همچنین سختی و دورهی تناوب اصلی ساختمان را میتوان تا حد زیادی توسط طول مفصل کنترل نمود؛ به عنوان نمونه، در سازه های با مهاربندی برون محور که از مفاصل قابل تعویض پلاستیک با طول کوتاه استفاده میشود - که رفتار برشی پایدار تر آنان سبب ارجحیت یافتن این مفاصل کوتاه می گردد. - سازه سخت تر شده و سهم بیش تری از برش پایهی سازه می برد .
.2 ایده کاربرد فولاد کم مقاومت در لینک قابل تعویض پلاستیک خمشی
تاثیر استفاده از فولاد کم مقاومت در قابهای با مهاربندی توسط محققان زیادی مورد بررسی قرار گرفته است که به برخی از آنان در زیر اشاره میگردد:
.1 در سال 1386 سعید صبوری و سید رامین اسعد سجادی تاثیر کاربرد فولاد جاذب انرژی EGS در مهاربندهای هممحور را بر پارامترهای لرزهای قاب مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق سه قاب با دهانه های 2 و 3 و 6 متری مورد مطالعه قرار گرفتند که مهاربندهای هم محور آنها بر اساس آییننامه فولاد و زلزله ایران در محدوده کمانش تحت تاثیر تنش پس ماند طراحی شدند. جنس مهاربندها یکبار از فولاد معمولی و بار دیگر از فولاد نرم انتخاب شده است و تحت بارگذاری دورهای و لرزهای قرار گرفتهاند. سطح زیر منحنی هیسترزیس مهاربند با فولاد نرم بسیار بیشتر از مهاربند با فولاد معمولی بوده و این اختلاف با افزایش دهانه قاب بیشتر میشود. افزایش سطح زیر منحنی هیسترزیس در مهاربند با فولاد نرم نشان دهنده قدرت جذب انرژی بیشتر آن در زلزله میباشد .
.2 در سال 2010 صبوری قمی و بهرامپور تأثیر استفاده از فولاد کم مقاومت EGS بر روی رفتار مهاربندهای قطری واگرا را مورد ارزیابی قراردادند و نتایج نشان داد عملکرد قابها بهبود قابل ملاحظهای پیدا کرد، بدون اینکه ناپایداریهای موضعی وکلی در تیر پیوند رخ دهد
3. در سال 2013 محمودی، وطنی اسکویی و حواران اثر فولاد کم مقاومت - EGS - را بر روی عملکرد لرزهای قاب با مهاربندی زانویی را مورد ارزیابی قرار دادند. در این مقاله اثر EGS بر ضریب رفتار - R - چندین قاب با دهانههای یکسان و ارتفاعهای مختلف بر اساس آییننامهی ایران بررسی گردید. بدین منظور ابتدا المانهای زانویی را با فولاد کممقاومت در نظر گرفتند و سپس پارامترهای لرزهای از قبیل ضریب رفتار و سطوح عملکرد لرزهای توسط تحلیل دینامیکی فزاینده غیر خطی بررسی شدند. نتایج نشان داد متوسط مقادیر R برای قابهای با فولاد معمولی 11,4 وبرای قابهای با فولاد کم مقاومت 11,6 بود، همچنین نتایج حاکی از افزایش %10 سختی و %6 شکلپذیری قابهای ساخته شده با فولاد کم مقاومت بود .
