بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین ظرفیت چشمه اتصال تیر به ستون صلیبی
چکیده
استفاده از سیستم های باربر جانبی در دو جهت اصلی ساختمان، امری متداول می باشد . از این میان سیستم قاب خمشی به عللی چون نیاز به فضای بدون مانع در بین ستون ها، به علت وجود طرح های متنوع معماری سهم عمده ای را دارد. در طراحی سیستم های قاب خمشی متعامد، ستون یکی از اجزای اصلی سیستم است و بخش مهمی از عملکرد سیستم به عملکرد آن، وابسته است. ستون های محل تلاقی این دو سیستم متعامد باید دارای سختی و مقاومت کافی در هر دو راستا باشند. از ستون های صلیبی می توان به عنوان ستون با مقاطعی که دارای رفتار مشابه در هر دو راستا می باشند نام برد، از طرفی یکی از مهم ترین اجزا در سیستم قاب خمشی فولادی، اتصال تیر به ستون می باشد. رفتار چشمه اتصال نیز که یک ناحیه مستطیل شکل از جان ستون، محصور بین ورق های پیوستگی و بال های ستون می باشد، نقش مهمی در رفتار اتصال دارد. در این مطالعه هدف، نخست بررسی کفایت روابط کلی مربوط به ظرفیت چشمه اتصال موجود در آیین نامه فولاد آمریکا و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای ستون های صلیبی با استفاده از روش تحلیل اجزا محدود غیر خطی است. همچنین در بخش دیگر تحقیق، نیز ظرفیت برشی چشمه اتصال ستون های صلیبی و مقطع معادل قوطی شکل آن که دارای ظرفیت پلاستیک یکسان با یکدیگر می باشند، با هم مقایسه می شود. بخشی از نتایج این مطالعه نشان می دهد که روابط موجود در آیین نامه فولاد آمریکا که تنها تاثیر جان ستون را در تحمل برش در نظر گرفته اند، ظرفیت برشی را برای ستون های صلیبی بین 15 تا 20 درصد کمتر از مقدار واقعی آن تخمین می زنند.
واژههای کلیدی: چشمه اتصال،ستون های صلیبی،اتصالات، تحلیل اجزا محدود غیر خطی
-1 مقدمه
یکی از انواع سیستم های باربر جانبی سیستم های قاب های خمشی متعامد می باشد، از طرفی در اکثر سیستم های باربر ثقلی و جانبی ساختمان، ستون یکی از اجزای اصلی سیستم است. ستون های محل تلاقی این دو سیستم متعامد باید دارای سختی و مقاومت کافی در هر دو راستا باشند. مقاطع قوطی شکل از جمله مقاطعی می باشند که رفتار مشابه در هر دو جهت از خود نشان می دهند. از جمله مزایای دیگر این مقاطع سختی و مقاومت خمشی مناسب آن ها می باشد. همچنین بسته بودن سطح مقطع موجب افزایش مقاومت پیچشی در این مقاطع می شود. از مقاطع صلیبی نیز می توان به عنوان مقاطعی که دارای رفتار مشابه در هر دو راستا می باشند نام برد. جهت ساخت مقطع صلیبی می توان یک پروفیل I شکل را از وسط برش زده و نصف کرد و این دو قسمت T شکل را به پروفیل I شکل دیگر جوش داد.
از جمله مزایای ستون های صلیبی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. جایگزین مناسب برای ستون های سیستم های با قاب خمشی در دو راستا می باشند.
2. دارای مقاومت خمشی و سختی مشابه در دو جهت اصلی می باشند.
3. انجام اتصالات ورق های پیوستگی و اتصالات تیر به ستون راحت تر و دارای عملکرد مناسب تری می باشد.
4. دارای ظرفیت باربری بیشتر نسبت به ستون های H شکل با وزن یکسان می باشند.
5. افزایش ظرفیت محوری ستون: ستون های صلیبی دارای ممان اینرسی بیشتری نسبت به مقاطع H شکل می باشند و در نتیجه مقدار r مقطع ستون افزایش می یابد و به تبع مقدار کاهش و ظرفیت محوری ستون افزایش می یابد.[1]
.6 کاهش فولاد مصرفی: افزایش مقدارممان اینرسی و به دنبال آن افزایش مقدار r و کاهش مقدار موجب افزایش ظرفیت محوری ستون و در نتیجه کاهش مصرف فولاد خواهد شد.[1]
چشمه اتصال یک ناحیه مستطیل شکل از جان ستون محصور بین ورق های پیوستگی و بال های ستون می باشد. به علت تاثیر زیاد این ناحیه بر پاسخ نهایی سازه، بررسی رفتار لرزه ای چشمه اتصال از دیرباز مورد توجه محققان زیادی بوده است. به طور مشخص تحقیقات در این خصوص از اوایل دهه 70 آغاز شده است. از این زمان تا به امروز همزمان با پیشرفت تحقیقات، آیین نامه های طراحی نیز دچار تغییرات زیادی در روابط مربوط به چشمه اتصال شده اند.
-2 فلسفه های اساسی طراحی چشمه اتصال
معمولا جهت طراحی چشمه اتصال سه فلسفه کلی وجود دارد. فلسفه اول مبتنی بر دیدگاه چشمه اتصال قوی می باشد و در این روش چشمه اتصال به گونه ای طرح می گردد که در طول بارگذاری لرزه ای الاستیک باقی بماند. محاسباتی که بر اساس این دیدگاه انجام می شوندمعمولاً، منجر به استفاده از ورق های مضاعف می گردند. علاوه بر غیر اقتصادی بودن، ورق های مضاعف ممکن است نیازمند جوشکاری های سنگین، نیز باشند که این خود می تواند منجر به ایجاد تابیدگی و یا تنش های زائد گردد. همچنین در اثر اجرای جوشکاری های سنگین، خطر رفتار ترد در ناحیه اتصال افزایش می یابد. فلسفه طراحی بعد، توسط مرجع [2] بر اساس نتایج آزمایشگاهی، که چشمه اتصال را از اجزاء شکل پذیر اتصال در نظر می گرفتند، ارائه گردیده است. در این روش که بعنوان ناحیه پانلی ضعیف مطرح می شود، ناحیه پانلی به گونه ای تناسب بندی می گردد که بیشترین تغییرشکل های غیرالاستیک سازه در طول بارگذاری لرزه ای را جذب کند. این فلسفه ممکن است شکل پذیری اتصال را تحت تأثیر قرار دهد. آنچنان که گروهی از مهندسان معتقدند تغییرشکل بیش از حد چشمه اتصال ممکن است شکل پذیری اتصال را مخدوش کند.[3] سومین فلسفه طراحی که به نوعی دربرگیرنده، دو فلسفه گذشته می باشد خواهان این است که چشمه اتصال همراه با تیرها در اتلاف انرژی لرزه ای مشارکت داشته باشد. این روش که بعنوان طراحی چشمه اتصال متوازن مطرح می باشد، پایه فلسفی ضوابط لرزه ای در برخی از آیین نامه های رایج را تشکیل می دهد.[4] نتایج تحقیقات محققان نشان داد که چشمه اتصال متعادل بیشترین شکل پذیری را دارد، البته تعیین بهترین نوع چشمه اتصال در رفتار سازه، همچنان نیازمند تحقیقات بیشتری است.[5]
لازم به ذکر است که روابط طراحی چشمه اتصال در آیین نامه اروپا بر پایه فلسفه اول یعنی چشمه اتصال الاستیک است، حال آنکه روابط آیین نامه آمریکا بر پایه فلسفه دوم ارائه شده و جاری شدن چشمه اتصال را مجاز می داند.
-3 روابط ظرفیت چشمه اتصال در آیین نامه فولاد آمریکا:
در ضوابط لرزه ای AISC2010 که بر مبنای طراحی LRFD پایه گذاری شده است، مقاومت طراحی چشمه اتصال با توجه به لحاظ کردن یا لحاظ نکردن تغییرشکل چشمه اتصال بر حسب نیروی محوری وارده بر ستون به صورت زیر طبقه بندی می شود:
(الف) زمانی که تاثیر تغییر شکل چشمه اتصال در قاب در نظر گرفته نشود:
در این روابط Pr مقاومت محوری ستون می باشد، Pc نیروی محوری مقطع ستون، db ارتفاع مقطع تیر، dc ارتفاع مقطع ستون، tcf ضخامت بال ستون، tw ضخامت جان ستون می باشد. دقت شود که در این روابط اگر ورق های مضاعف استفاده گردند، ضخامت چشمه اتصال برابر با مجموع ضخامت ورق های مضاعف و ضخامت جان ستون بوده و در غیر این صورت همان ضخامت جان ستون خواهد بود. به منظور جلوگیری از کمانش برشی چشمه اتصال تحت تغییر شکل های غیرالاستیک، حداقل ضخامت چشمه اتصال برابر مجموع عمق و عرض چشمه اتصال خواهد بود.
-4 ظرفیت برشی چشمه اتصال ستون های صلیبی شکل
در سال 1994 میلادی در منطقه نورثریج در ایالت کالیفرنیا آمریکا زلزله مهیبی اتفاق افتاد، و پس از آن تحقیقات بسیاری در دانشگاه ها و موسسات ذیربط در آمریکا جهت بررسی سازه های ساختمانی آسیب دیده در طی این زلزله انجام شد. در طی این تحقیقات عوامل خرابی به دقت تحت بررسی قرار گرفتند. از طرفی ملاک ها و معیارهای طراحی در آیین نامه های طراحی نیز مورد بررسی و بازبینی دقیق واقع شدند. در بخشی از نتایج این تحقیقات بیان شد که بخش بالایی از خرابی ها مربوط به ناحیه اتصالات در سازه ها می باشد و نیز همچنین به صراحت عنوان شد که اعوجاج بیش از اندازه در ناحیه چشمه اتصال نقش بسیار مهمی در توسعه شکست در اتصالات ایفا کرده است. نتایج این تحقیقات بر روی ناحیه چشمه اتصال به روشنی بیانگر این نکته است که وقتی قاب خمشی در معرض بار جانبی قرار می گیرد این امر منجر به ایجاد نیرو های برشی بزرگی در ناحیه چشمه اتصال می شود که بررسی بیشتر این ناحیه و نتایج آزمایشات نشان داد، که تغییر شکل حاصل در آن می تواند نقش مهمی در پاسخ قاب در هر دو حالت الاستیک و غیر الاستیک داشته باشد. از طرفی تا به امروز تحقیقات خاصی در مورد چشمه اتصال ستون های صلیبی انجام نشده است. به این علت، بررسی دقیق تر روابط چشمه اتصال مربوط به این ستون ها، امری ضروری می باشد. روابط مربوط به ظرفیت چشمه اتصال موجود در آیین نامه از نتایج آزمایشگاهی بر روی جان ستون های I شکل با بال نازک به دست آمده اند و انتظار می رود که این روابط که فقط تاثیر جان را در نظر گرفته اند، برای ستون های صلیبی از کفایت لازم برخوردار نباشند و در نتیجه بررسی کفایت روابط چشمه اتصال آیین نامه فولاد آمریکا (و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان) ضرورتی است که در ادامه این تحقیق مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
-1-4 مدل های مورد بررسی
همانطور که قبلا گفته شد، نتایج تجربی روی عملکرد لرزه ای ستون های صلیبی در پایگاه داده های اتصالات از پیش تایید صلاحیت شده موجود نیست. برای پاسخ به سوالات مطرح شده، ابتدا نمونه های آزمایش شده SP3، SP5 و SP7 از [6] sac01در نظر گرفته شده است. انتخاب این نمونه ها به این علت است که طیف گسترده ای از ضخامت بال ستون و عمق تیر را در بر می گیرند و نتایج آزمایشگاهی این نمونه ها نیز جهت بررسی صحت مدل سازی موجود است. پس از ساخت و تحلیل این نمونه ها با استفاده از روش تحلیل اجزا محدود غیر خطی و انجام صحت سنجی و مقایسه نتایج تحلیل با نتایج موجود آزمایشگاهی با حفظ کلیه شرایط آزمایش، کافیست ستون های به کار رفته در این مدل ها را با ستون های صلیبی و قوطی شکل معادل که دارای ظرفیت پلاستیک یکسانی با ستون های موجود می باشند، جایگزین کرده و پس از انجام تحلیل غیر خطی بر روی مدل های جدید نتایج ارائه خواهد شد.لازم به ذکر است در کلیه مدل ها از نیروی محوری صرف نظر شده است. مشخصات SP7 و مدل آزمایشگاهی مربوطه در اشکال 1 و 2 آمده است وجزئیات مشخصات همه نمونه ها در جدول شماره 1، نشان داده شده است:
شکل :1 جزئیات نمونه [6] Sp7
برای تمام نمونه ها طول تیر و ستون به ترتیب برابر 342/9 و 365//8 سانتی متر می باشد.
برای مدل سازی از نرم افزار اجزاء محدودی ABAQUS- 13 استفاده شده است. از المان Shell که قابلیت تعریف لایه را دارد، برای مدل سازی صفحات تشکیل دهنده تیر و ستون استفاده شده است. المان shell توسط محققان زیادی از جمله مرجع [7] به صورت موفق آمیزی استفاده شده است. برای کاستن زمان محاسبات مش بندی در ناحیه چشمه اتصال متراکم تر و در جاهای دیگر فاصله مش ها بزرگتر انتخاب شده است. بال های تیر در 5 لایه المان مدل شده اند. مقدار نقص اولیه باضریبی به اندازه %1 ضخامت بال تیر از مود اول کمانشی لحاظ شده است و تکیه گاه های دو سر ستون به صورت مفصلی(مطابق با شرایط آزمایش) در نظر گرفته شده اند. انتهای آزاد تیر در جهت عمودی تحت آنالیز کنترل جابجایی، به میزان معین جابجا می شود.
-2-4 نحوه محاسبه برش
شکل زیر نحوه توزیع لنگرهای خمشی، نیرو های برشی و محوری موثر بر تیر ها، ستون ها و ناحیه چشمه اتصال برای یک گره داخلی در یک قاب خمشی فولادی تحت نیرو های افقی را نشان می دهد که باعث به وجود آمدن یک وضعیت پیچیده از تنش و کرنش در ناحیه چشمه اتصال می شود، این شرایط محاسبه و ارزیابی نیروی برشی موجوددر چشمه اتصال را با دشواری همراه می سازد.
