بخشی از مقاله
خلاصه
این مطالعه به بررسی رفتار لرزه ای اتصال گیردار سیستم ستون درختی شامل تیر I و ستون قوطی پرداخته است.پارامتر نوع فولاد در این سیستم سازه ای به عنوان عامل تغییرپذیر انتخاب گردید..
از جمله مزایای استفاده از فولاد پرمقاومت می توان به صرفه جویی در تولید، سهولت نصب و انتقال به محل اجرا ی ساختمان ، طراحی ظریف اعضا و زیبایی در مسائل معماری و کاهش آلودگی های زیست محیطی اشاره کرد.
استفاده از فولادهای پرمقاومت میکروآلیاژی موجب کاهش حجم فلز جوش ، زمان و هزینه های ساخت و ساز می شود. این فولادها به دلیل وجود مقدار کربن کم،هزینه های پیش و پس گرمایش را حذف میکنند.امروزه بکارگیری فولاد مقاومت بالا در سازه های بلند مرتبه بسیار گسترش یافته است. از طرفی استفاده از فولاد با تنش جاری شدن بیشتر از حد معمولی سبب کاهش شکل پذیری اتصال می گردد.
بدین منظور و برای دستیابی به مدل اتصالی که درکنار بکارگیری فولاد مقاومت بالا و استفاده از مزایای آن، سبب کاهش شکل پذیری نشود؛ مدل اتصال تیر I به ستون قوطی با فولاد ST37 و ST52 و ترکیب هردو در نرم افزار غیرخطی آباکوس مورد مدلسازی و تحلیل قرار گرفت. نتایج نرم افزار حاکی از آنست که لنگر نهایی اتصالات فولاد پرمقاومت از فولاد نرمه ی معمولی بیشتر بوده ،و بکارگیری روش نوین مطالعه در زمینه ی استفاده ی جزئی فولاد مقاومت بالا در اتصال ستون- درختی سبب بهبود میزان شکل پذیری می شود. این اتصال به خوبی قابلیت جایگزینی با اتصالات رایج از فولاد معمولی را دارا بوده و برای استفاده در سازه های بلند مرتبه مناسب می باشد.
1. مقدمه
یکی از الزامات طراحی لرزه ای سازه ها ، دارا بودن ظرفیت غیرالاستیک بالا به منظور جذب انرژی ناشی از نیروی زلزله می باشد. بنابراین؛ از این منظر در سازه هایی که در مناطق لرزه خیز واقع شده اند، استفاده از فولاد مقاومت بالا به دلیل ظرفیت کم در تغییرشکل های غیرالاستیک - نسبت تنش تسلیم به تنش نهایی بالا - و مشکلات جوشکاری، توصیه نمی شود. با این حال؛ درصورت بکارگیری سیستم های استهلاک انرژی در اینگونه سازه ها، استفاده از فولاد با مقاومت بالا بلامانع می باشد.
فلسفه ی طراحی سازه های قاب خمشی، دارا بودن قابلیت تسلیم و تغییرشکل پلاستیک بدون از دست دادن مقاومت در برابر زمین لرزه می باشد. این تغییرشکل پلاستیک؛ شامل چرخش پلاستیک تیر، اتصال تیر به ستون بوده و به طور کلی باعث استهلاک انرژی زلزله ی انتقال یافته به سازه می شود. خرابی در این سیستم سازه ای، دربرگیرنده ی تسلیم و جاری شدن و کمانش موضعی بوده و شکست ترد را شامل نمی شود. بر پایه ی رفتار سازه مطابق این فرضیات، آیین نامه ها در طراحی قابهای خمشی، کسر مقاومت را که سبب پاسخ الاستیک در برابر زلزله ی سطح طرح می شود؛ را مجاز می دارد. [2]
2. کاربرد فولاد مقاومت بالا در ساخت اتصالات
روش های مختلفی برای طراحی اتصالات پیشنهاد گردید که می توان آن ها را در دو دسته طبقه بندی نمود که یکی شامل اتصالات تقویت شده و دیگری شامل روشی برای تضعیف اتصال می باشد. هدف در هر دو روش دور نمودن مفصل پلاستیک از بر ستون، جایی که وجود جوش و هندسه آن موجب کاهش ظرفیت تغییرشکلی است ، می باشد. از جمله راه های توصیه شده به منظور تقویت اتصال می توان به اضافه کردن ورق اتصال بالایی و پایینی، لچکی و ماهیچه اشاره نمود. تضعیف مقطع با بریدن بخشی از سطح بال تیر امکان پذیر می باشد. در این روش مقاومت مقطع تیر در آن ناحیه از بقیه مقطع کمتر شده و باعث جابجایی مفصل پلاستیک از بر ستون به ناحیه کاهش یافته می گردد. [3]
با انجام مطالعات آزمایشگاهی گسترده تایید شد که اتصال استخوانی شکل پذیری و دوران پلاستیک بالایی داشته و با ایجاد مفصل پلاستیک در منطقه باریک شده ضمن محافظت از اتصال، اتلاف انرژی بیشتری به ارمغان می آورد. از اشکالات اتصال استخوانی این است که در تغییر مکان های بزرگ توانایی تحمل بار آن کم می شود. دلیل این امر تضعیف مقطع بال تیر و تاثیر آن درکاهش مقاومت مقطع نسبت به تغییر شکل های خارج از صفحه می باشد که در نتیجه باعث می شود تیر در ناحیه باریک شده دچار کمانش های موضعی و جانبی گردد.کاهش در مقطع بال تیر به طور معمول اول باعث کمانش محلی جان و سپس کمانش پیچشی و موضعی بال در بارگذاری می شود.
امروزه در طراحی سازه های بلند مرتبه ، تقاضای روزافزون برای استفاده از مقاطع با ابعاد بزرگ و همچنین فولادهای با مقاومت بالا وجود دارد. فولادهای با مقاومت بالا غالبا شامل کربن و یا سایر آلیاژهای بیشتری نسبت به فولادهای معمولی می باشند. وجود این مشخصات می تواند بر روی جوش پذیری و باربری لرزه ای آن تاثیرگذار باشد. معمولا استفاده از فولاد مقاومت بالا باعث کوچک شدن مقاطع می شود. مقاومت مقاطع کوچکتر به وسیله ی پایداری کلی عضو و یا کمانش موضعی آن فراهم می گردد. نگرانی اصلی در این حالت شکل پذیری این نوع اتصالات تیر به ستون است.کاهش مقطع بال تیر با هدف افزایش میزان ظرفیت استهلاک انرژی، می تواند جبران شکل پذیری کاهش یافته را داشته باشد.
3. مدلسازی و تحلیل اجزا محدود
در این پژوهش به منظور مقایسه اثر نوع فولاد بر روی سیستم قاب خمشی ستون درختی، مدلسازی بر روی اتصال صلیبی قاب یک دهانه یکبار با فولاد با مشخصات ST37 و بار دیگر با فولاد با مشخصات ST52 در نرم افزار غیرخطی آباکوس مدلسازی گردید. نوع مقطع ستون انتخابی از نوع قوطی بوده است. به منظور انتخاب ابعاد مناسب برای اتصال مدنظر، قاب خمشی 12طبقه در نرم افزار ETABS یکبار با مشخصات فولاد ST37 وبار دیگر با مشخصات فولاد ST52 طرح و بررسی گردید.
تیرها به صورت تیر ورق بوده و در نرم افزار آباکوس به صورت ستون- درختی مدلسازی گردیده اند. بدیهی است که در طراحی قاب خمشی با مشخصات فولاد پرمقاومت ST52 ابعاد تیر و ستون ها ظریفتر انتخاب گردیده اند. طبیعتا به منظور طراحی اتصال براساس مشخصات فولاد ST52 و با در نظر گرفتن این مسئله که بخاطر منشوری ماندن اتصال تیر-ستون ستون درختی باید عرض بال تیر لینک با تیر اصلی یکی باشند، لذا براساس نسبت Fy ضخامت های بال تیر و جان تیر و همچنین ضخامت ستون تغییر پیدا می نمایند و مقدار کمتری را اتخاذ می کنند. در بارگذاری و طراحی اعضا از استاندارد 2800 و مبحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان بهره گرفته شده است. اتصالات زیر مورد بررسی و مقایسه تحلیلی قرار گرفته اند:
.1اتصال ستون درختی تیر I و ستون قوطی شکل از فولاد ST37 با طراحی تیر و ستون براساس مشخصات فولاد
ST37 .2اتصال ستون درختی تیرI و ستون قوطی شکل از فولاد ST52 با طراحی تیر و ستون براساس مشخصات فولاد
ST37 .3اتصال ستون درختی تیر I و ستون قوطی شکل از فولاد ST52 با طراحی تیر و ستون براساس مشخصات فولاد ST52 همچنین به منظور مقایسه ی تحلیلی نتایج اتصال ستون- درختی موردنظر با سیستم RBS، دو اتصال با مقطع تیر کاهش یافته نیز مدلسازی گردیده و با اتصالات 1 تا 3 مورد مقایسه قرار گرفت.
.4اتصال RBS با مشخصات فولاد ST37
.5اتصال RBS با مشخصات فولاد ST52
همچنین مشخصات تیر لینک کوتاه در دومدل از این قرار می باشد: طول لینک برابر با 65سانتی متر انتخاب گردید. محاسبات این مقدار براین اساس بوده است که طول ورق وصله های بالایی و پایینی برابر 40سانتیمتر 20 - سانت از هر طرف - داده شده اند و محاسبه باربری طول خط جوش صورت گرفته است. ضخامت و عرض تیر لینک مشابه تیر اصلی وارد شده است. تحلیل ها با استفاده از نرم افزار المان محدود غیر خطی ABAQUS انجام گرفت. این نرم افزار قادر به در نظر گرفتن تغییرشکل های بزرگ غیرخطی به همراه غیرخطی هندسی و مصالح در حالت تحلیل سه بعدی است. برای مدل سازی تیر و ستون از المانهای shell هشت گره ای چهار ضلعی - نوع المان S8Rدر آباکوس - که هر گره دارای شش درجه آزادی می باشد، استفاده گردید.
منحنی تنش- کرنش فولاد بوسیله ی گزینه سخت شوندگی دوخطی مدلسازی شد. سخت شوندگی از نوع سینماتیک و براساس معیار تسلیم فون میسز و در نظر گرفتن رفتار غیرخطی مصالح با ضریب پواسون 0.3 انتخاب گردید. مدول الاستیسیته فولاد 200 Gpa و نرخ سخت شوندگی مجدد 4درصد مدول الاستیسیته در نظر گرفته شد. معیار تسلیم فون میسز یک معیار معتبر برای تشخیص شروع تسلیم در مصالح شکل پذیر تحت تنش های مرکب سه بعدی به شمار می آید. مدل سه بعدی اجزامحدود دو نمونه اتصال ستون درختی مورد بحث در شکل 1 نمایش داده شده است.
مدل اجزا محدود مدل همراه با نحوه بارگذاری
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، اتصال صلیبی از نوع ستون- درختی بوده و قسمت ابتدایی تیر لینک به صورت جدا از قسمت تیر اصلی مدلسازی گردیده است. همچنین برای اتصال دو قسمت تیر از سه ورق وصله ی جوشی استفاده شده است. طراحی ورق های وصله براساس طول خط جوش بوده است. برای تقویت اتصال از دوبل ماهیچه در بال های بالایی و پایینی تیر بهره گرفته شده است. ماهیچه های بکار رفته در این اتصال بصورت برشی از مقطع پروفیل فولادی می باشند و براساس میزان لنگر پلاستیک بر اتصال فوق طراحی شده اند.
طول تیر لینک به میزان حدودی 2 تا d2.5 می باشد. همچنین به منظور مدلسازی اتصال RBS، با توجه به اینکه مقدار d0.5 که محل شروع مفصل پلاستیک می باشد برابر با 15سانتی متر است، پارامتر a - فاصله ی شروع برش تا بر ستون - در جهت اطمینان برابر با 18 سانتی متر انتخاب گردید. پارامتر b که معرف طول ناحیه ی برش خورده است، برابر d=0.75*34cm0.75 در نظر گرفته شد. همچنین پارامتر C که مقدار عرض ناحیه ی داخل برش را نشان می دهد برابر با bbf = 0.15*25 0.15 انتخاب شد. با توجه به فرمول ذکر شده، مقدار شعاع برش برای مدلسازی اتصال RBS برابر با عدد 22 سانتی متر لحاظ گردید.
6. شرایط مرزی و بارگذاری مدل
شرایط مرز ی به گونه ای درنظر گرفته شد که تکیه گاه بالایی ستون به صورت غلطکی و تکیه گاه پایینی به صورت مفصلی عمل نمایند. و به منظور جلوگیری از کمانش جانبی- پیچشی تیرها ، تعدادی از گره های کناری بال های تیر و همچنین انتهای تیر در جهت جانبی مقید شده اند. بارگذاری دو طرفه براساس کنترل تغییرمکانی در جهت قائم به دو انتهای تیر اعمال گردید. مقادیر بارگذاری اعمال شده به انتهای تیر به صورت تغییر مکان و براساس پروتکل بارگذاری آیین نامه AISC2010 بخش مربوط به قابهای خمشی می باشد. [1]
