بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از روشهای طراحی خرابی پیشرونده استفاده از مسیر جایگزین بار برای انتقال بارهای ناشی از حذف ستون در اثر یک بارگذاری غیرعادی میباشد. یکی از پارامترهای مؤثر در مقاومت سیستم، شکلپذیری و ظرفیت تحمل جابجاییهای زیاد میباشد. در این بین، مقاومت و شکلپذیری اتصالات در دورانهای زیاد موجب گسترش نیروهای محوری در تیر و تشکیل عملکرد زنجیرهای میشود. در این مقاله عملکرد اتصال نبشی جان پیچی و جوشی در زمان وقوع خرابی پیشرونده و میزان تأثیر آن در مقاومت سازه بررسی میشود، که در نتیجه اتصال جوشی در جابجاییهای اولیه، نسبت به اتصال پیچی به دلیل سختی خمشی بالاتر، مقاومت بیشتری از خود نشان داده است، اما با افزایش جابجایی ستون به دلیل انعطافپذیری کم اتصال جوشی، این اتصال قادر به توسعه عملکرد زنجیروار در تیر نخواهد بود و مقاومت آن در برابر بروز خرابی پیشرونده نسبت به اتصال پیچی کمتر خواهد بود.
1. مقدمه
در مدت زمان بهرهبرداری، ساختمانهای مهندسیساز میتوانند در معرض خطرات طبیعی مانند زلزله، تندبادها، طوفانها، سیلابها و آتشسوزی و نیز در معرض خطرات انساسنی مانند انفجار و برخورد قرار گیرند. ساختمانها به طور معمول برای رخدادهای محتمل که میتوانند در طول مدت عمرشان رخ دهند، طراحی میشوند. اما رخدادهای شدیدی که سازه برای آنها طراحی نشده است ممکن است باعث خرابیهای فاجعهآمیزی گردد. در سالهای اخیر با افزایش فعالیتهای تروریستی در ساختمانهای مهم محافظت کردن از جان ساکنین و ایجاد ایمنی در هنگام وقوع این قبیل پدیدهها اهمیت خاصی پیدا کرده است. خرابی پیشرونده میتواند در اثر عوامل طبیعی و یا انسانی رخ دهد. این پدیده زمانی اتفاق میافتد که خرابی یک عضو سازهای منجر به خرابی بخش قابل توجهی از سازه و یا حتی کل سازه گردد. خطرات احتمالی و بارهای غیرعادی که میتواند موجب گسیختگی پیشرونده شود شامل برخورد هواپیما، خطای طراحی یا ساخت، آتشسوزی، انفجار گاز، اضافه بار تصادفی، تصادف وسایل نقلیه و ... میباشند. هنگامیکه یک ستون تحت اثر یکی از عوامل فوق دچار خرابی میشود در تیرهای متصل شده در دو طرف ستون حذف شده، شرایط دهانه دوبل بهوجود میآورد. در مراحل ابتدایی پس از حذف ستون، ظرفیت خمشی تیر دو طرف ستون حذف شده در مقابل بارهای قائم بهوجودآمده مقاومت میکنند، با افزایش تغییر شکلها و بهوجودآمدن دورانهای غیرالاستیک، تیرها رفتاری شبیه به کابل از خود نشان میدهند و نیروهای محوری گستردهای در تیرها و اتصالات آنها گسترش مییابد. در نتیجه اتصالات تیر به ستون نقش بسیار مهمی در حفظ پایداری سازه صدمهدیده و امنیت جانی سکنه دارند. بنابراین درک عملکرد متقابل نیروهای محوری و خمشی در تیرها و همچنین اتصالات آنها - عملکرد زنجیرهای - در حین بارگذاری برای طراحی سازههای مقاوم در برابر خرابی پیشرونده دارای اهمیت بالایی است. از این رو میتوان به اهمیت بررسی رفتار عملکرد زنجیرهای و اتصالات در هنگام وقوع خرابی پیشرونده پی برد و بهترین ایده برای مقاومسازی سازه در برابر این پدیده مقاوم کردن اتصالات میباشد.
2. تحقیقات انجام شده
بررسی اثر انفجار بر اتصالات سازههای فولادی در سالهای اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است. با این حال تعداد و نوع اتصالات بررسی شده به دلیل هزینه بالای آزمایشات و پیچیدگیهای موجود در روشهای عددی، بسیار محدود است. در سال 1999، کرات هامر[1]، رفتار اتصالات تیر به ستون فولادی و بتنی را به صورت عددی مورد بررسی قرار داد. نتایج این بررسی نشان داد که در نظر گرفتن جزئیات ویژه برای تأمین ایمنی اتصالات در برابر بارگذاری انفجار ضروری است. همچنین نشان داده شد که اتصالات جوشی که مطابق با آیین نامههای مورد نظر[2] ایمن در نظر گرفته شدهاند ممکن است در اثر مقدار ماده منفجره مجاز به دلیل شکست جوشها دچار خرابی گردد. در سال2002، پوپو وهمکاران[3]، آزمایشاتی بر روی نمونههای اتصال سپری انجام دادند که نتایج آن نشان میدهد که اتصال رفتاری شکلپذیر در برابر انفجار داشته و توانسته است بار وارد شده را با حفظ مسیر انتقال بار تحمل نماید. در سال 2005، سابوآلا و همکاران [4]، با استفاده از روش اجزای محدود، عملکرد اتصالات تیر به ستون صلب را در برابر بارگذاری انفجار مورد بررسی قرار دادند که نتایج نشان داد که اتصالات صلب تقویتنشده مورد بررسی، عملکرد ضعیفی در برابر بارگذاری انفجار دارند و خیز بالا و تنشهایی بالاتر از تنش جاری شدن در اتصال به وجود میآید.
در سال2008، هین و همکارن [5]، رفتار اتصالات تحت بارگذاری انفجار و ضربه را مورد بررسی قرار دادند. سختی، مقاومت نهایی و شکلپذیری پارامترهایی بودند که در این تحقیق به صورت نمودارهای بار-ضربه مورد بررسی قرار گرفتند. در این تحقیق تنها اتصال صلب تیر به ستون با استفاده از ورق اتصال بال تیر مورد بررسی قرار گرفت. در سال2011، پژوهشهایی توسط یانگ و تان [6]، انجام شد که به آنالیز غیرخطی اتصالات فولادی پیچی در خرابی زنجیرهای پرداختند. این محققین شش اتصال فولادی را به صورت آزمایشگاهی و به وسیله نرم افزار اجزای محدود[7] بررسی کردند و نتایج استاتیکی و دینامیکی و آزمایشگاهی را با هم مقایسه نمودند. در نتیجه کارشان پنج اتصال در برابر خرابی زنجیرهای بهتر ارزیابی شد. علاوه بر این، در مقایسه با اتصالات جوشی خمشی، اتصال پیچی فولادی تیر به ستون که معمولأ به عنوان اتصالات ساده و یا نیمهصلب طبقهبندی شده، میتواند آسیبپذیرتر در شرایط بارگذاری شدید باشد. بنابراین ارزیابی این نوع از اتصالات تحت سناریوی حذف ستون اقدام مهم و بهموقع است. برای بهبود درک رفتار اتصالات فولادی تحت خرابی زنجیرهای و به منظور توسعه طرح اتصال مشترک برای کاهش فروپاشی پیشرونده، یک پروژه تحقیقات تجربی در Nanyang Technological Univercity سنگاپور، انجام شده است. آزمایشات اتصالات تیر به ستون اطلاعات تجربی را برای کالیبره کردن مدلهای شبیهسازی المان محدود فراهم کرد که پس از آن برای مطالعات پارامتری به منظور توسعه بیشتر جزئیات اتصالات برای کاهش خطر فروپاشی پیشرونده میتواند مورد استفاده قرار گیرد. این آزمایشات با استفاده از نرم افزار - general finite element - ABAQUS مدل شده است. هر دو نوع تحلیل استاتیک و دینامیک برای غلبه بر مشکلات همگرایی، تماس، تغییرشکلهای بزرگ و شبیهسازی شکست برای اتصالات مختلف به کار گرفته شده است.
3. نمونه آزمایشگاهی مورد مطالعه
تحقیقاتی که توسط یانگ و تان[8] جهت بررسی عملکرد اتصالات در حالت حذف ستون انجام شد، در این راستا چند نمونه پیچی شامل: اتصال نبشی جان، ورق جان، نبشی بالا و پایین به همراه نبشی جان، ورق انتهایی غیر ممتد و و ورق انتهایی ممتد مورد بررسی قرار گرفتند. که در این پژوهش اتصال نبشی جان مورد بررسی قرار میگیرد. اتصال نبشی جان در گروه اتصالات مفصلی قرار دارد. هدف اصلی از انجام این آزمایشها توسعه نتایج آزمایشگاهی رفتار اتصالات فولادی پیچی شامل: مد گسیختگی و توسعه نیرو و تغییرشکلها در تیر به منظور طراحی بهتر اتصالات بود. نمونه اتصال تحلیل شده در آزمایشگاه توسط یانگ و تان[8]، به شکل صلیبی، از دو تیر در دو طرف یک ستون ساخته شدهاند، که نمونهای از اتصال داخلی قابهاست. تیرها در انتهای آزاد دارای تکیهگاه مفصلی و ستون در پایین آزاد و در بالا به جک اعمال نیرو بسته شده است تا تغییر مکان عمودی به آن وارد شود. این شرایط تکیه گاهی منطبق بر نقاط عطف تیرها و ستونها در قاب، زیر بار عمودی است. یک مهار افقی به منظور در نظر گرفتن مهار ناشی از سختی عناصر سازهای مجاور در نظر گرفته شده همین منظور، انتهای تیرها از یک طرف به یک قاب فولادی و یک دیوار بتنی مستحکم متصل شدهاند. طول کل نمونه، شامل دو تیر و ارتفاع مقطع ستون، برابر با 4208 میلیمتر و با در نظر گرفتن طول وسایل اتصال تیرها به قاب فولادی و دیوار بتنی، طول کلی سیستم برابر با 4868 میلیمتر میباشد.
طرح کلی نمونه ساخته شده در آزمایشگاه در شکل 1 مشاهده میشود. تیرها در فواصل 976 میلیمتری طولشان - از بال ستون - در قسمت پایین، دارای تکیهگاه جانبی هستند، تا از جابجایی خارج از صفحه نمونه، در حین تحلیل، جلوگیری شود. تیر و ستون از فولاد S355 و از مقاطع اروپایی UB305*165*40 و UC203*203*71 و نبشی از فولاد S275 ساخته شده است و همچنین در اتصال از پیچ M20,8.8 استفاده شده است. جهت محدود کردن اثر تغییر شکل تیرها و ستونها بر روی رفتار اتصال، از سختکنندهها یا ورقهای ضخیم جوششده، برای تقویت نمونهها استفاده شده است. برای طراحی اتصال از آیین نامههای اروپایی UK استفاده شده است. مشخصات کامل نمونه مورد آزمایش به همراه نیروهای طراحی آن در جدول 1 آورده شده است.مشخصات هندسی تیر و ستون در جدول 2 آورده شده است.
