بخشی از مقاله
چکیده
راهکار فعلی طراحی سازههای فولادی در برابر آتش که شامل بهکار بردن ضخامت معینی از مواد عایق آتش برای محدود کردن دمای فولاد در مدت زمانهای تحمل آتش میباشد، در حال جایگزین شدن توسط راهکار مهندسی آتش میباشد. لذا در سالهای اخیر تلاشهای تحقیقاتی چشمگیری جهت شناخت بهتر رفتار سازهها در شرایط آتشسوزی و همچنین ارائه راهکارهای طراحی مستدل برای برآورد میزان تحمل آتش سازهها صورت گرفته است. نتایج بدست آمده از آزمایشهای آتش تمام مقیاس اثبات نموده است که اتصالات تأثیر بهسزایی بر زمان تحمل اجزاء سازهای در آتش دارند. از این روی در نوشتار حاضر، رفتار دو نوع از اتصالات مفصلی و صلب رایج در سازههای فولادی ایران که بر اساس ملاحظات آییننامههای طراحی سازههای فولادی آمریکا و ایزو 834 در مقیاس واقعی طراحی و تحت اثر آتش آزمایش شدهاند، ارائه گردیده است. پاسخهای حرارتی و مکانیکی نمونهها و مودهای خرابی مورد بررسی قرار گرفتهاند. نتایج این تحقیق علاوه بر ایجاد شناخت لازم از رفتار اینگونه اتصالات در آتش، اطلاعات مفیدی بدست میدهد که میتوانند در ارائه راهکارهای طراحی این اجزاء در سازههای فولادی تحت اثر آتش مورد توجه قرار گیرند.
کلمات کلیدی: اتصال نبشی جوشی، اتصال وصلهای پیچی، آزمایش آتش، مودهای گسیختگی، حرارت بالا
-1 مقدمه
آتشسوزی خطری بالقوه در ساختمانهای فولادی است، لذا باید به گونهای ساخته شوند که بتوانند ایمنی جانی افراد و کارایی خود را حفظ نمایند. طراحی سازه در شرایط آتشسوزی به خاطر نیروهای داخلی ایجاد شده در اثر انبساط حرارتی، کاهش مقاومت و رفتار غیرخطی مصالح در دماهای بالا، تغییرشکلهای بزرگتر و عوامل متعدد دیگر، اغلب از پیچیدگی بالایی برخوردار است. در آییننامههای طراحی فعلی نظیر یوروکد [1] و [2] AISC تأثیر نوع اتصال بر رفتار تیرها در آتش هنوز لحاظ نشده است، که این امر ناشی از کمبود تحقیقات و دادههای آزمایشگاهی لازم جهت تدوین روشهای کاربردی طراحی در این زمینه میباشد. آزمایشهای آتش بسیار گران و مشکل بوده و از پیچیدگیهای خاصی برخوردارند.
مطالعه تحقیقات انجام شده گذشته روی رفتار تیرهای فولادی و اتصالات آنها در آتش [3-6] نشان داد که هیچگونه گزارشی از مطالعات آزمایشگاهی بر روی پاسخ اتصال مفصلی تیر به ستون توسط نبشی و اتصال صلب تیر میانی به دستک توسط وصلههای پیچی جان و بال در قابهای خمشی درختی در شرایط آتشسوزی منتشر نشده بود. به عبارت دیگر، با وجود روند رو به رشد استفاده از این سیستمها در سازههای فولادی کشور، هنوز شناختی از عملکرد و میزان تحمل آتش این اتصالات وجود ندارد. لذا این مطالعه با هدف شناخت رفتار این نوع از اتصالات فولادی رایج در ایران تحت اثر آتش و بر اساس انجام آزمایشهای آتش روی نمونههایی در مقیاس واقعی انجام گردید. شایان ذکر است که در ایران تحقیقات در زمینه مهندسی آتش سازهها بسیار نوپاست و هنوز در آییننامههای طراحی وارد نشده است. لذا این نوع از تحقیقات برای اولین بار در کشور و با صرف هزینههای سنگین و ریسک خطر بالا انجام گردید. تعداد آزمایشهای انجام شده در این زمینه در دنیا به دلیل هزینههای بالا و نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی خاص بسیار اندک میباشد.
-2 اتصال نبشی جوشی
اتصال نبشی جوشی یکی از اتصالات متداول تیر به ستون در سازههای فولادی با سیستم قاب مهاربندی شده است که به دلیل هزینه کمتر و سهولت اجرای آن در برخی از کشورها از جمله ایران کاربرد بیشتری دارد. با توجه به عدم وجود اطلاعات کافی در مورد رفتار آنها تحت شرایط آتشسوزی، در این بخش نتایج هشت آزمایش در دمای بالا بر روی دو نوع مختلف از اتصالات نبشی جوشی ارایه شده است. نتایج حاصل در قالب نمودارهای دما-دوران ارایه و مودهای گسیختگی مورد بررسی قرار گرفتهاند. همچنین تأثیر پارامترهای مختلف ازجمله ضخامت نبشی، میزان لنگر وارد بر اتصال و سایر مشخصات هندسی بر رفتار این اتصالات بررسی شده است.
-1-2 چیدمان آزمایش
آزمایشها در داخل یک کوره گازی که بدین منظور طراحی شده بود آنجام گردید. چیدمان آزمایشها در شکل 1 مشاهده میشود. در تمام آزمایشها از یک چیدمان صلیبی متقارن که متشکل از یک ستون تکی به ارتفاع 800 میلیمتر با مقطع IPE 300 و دو تیر طره بطول 240 سانتیمتر با مقطع IPE 220 بود، استفاده گردید. بارها در فاصله 200 سانتیمتری از ابتدای تیر وارد شدند. در این چیدمان در هر آزمایش دو نمونه آزمایش شده - شرقی-غربی - وجود دارد .[7] روند آزمایش شامل سه مرحله بود. در ابتدا نمونهها تا رسیدن به تراز بار از پیش تعیین شده بارگذاری شدند. سپس در حالیکه بار ثابتی بر روی نمونه ها اعمال میشد، کوره روشن گردید. نهایتاً وقتی که گسیختگی در اتصال رخ داد کوره خاموش شد. دمای کوره متناسب با منحنی ISO 834 [8] افزایش داده شد. جهت اندازهگیری دادههای لازم، از شیبسنج، ترانسدیوسرهای جابجایی و ترموکوپل استفاده گردید.
-2-2 مشخصات نمونهها
در مجموع هشت آزمایش بر روی دو نوع متفاوت از اتصالات نبشی جوشی آنجام شد. اتصالات در دو گروه مختلف شامل: نمونههای بدون نبشی جان - گروه - 1 و نمونههای با نبشی جان - گروه - 2 دسته بندی شدند. اتصالات گروه - sow - 1 از دو نبشی تشکیل شده بود که یک نبشی به بال بالایی تیر و دیگری به بال پایینی تیر جوش شده و سپس کل سیستم به بال ستون جوش داده شده بود - شکل . - 2 اتصالات گروه - sww - 2 علاوه بر دو نبشی حالت sow دو نبشی دیگر هم داشتند که از یک طرف به جان تیر و از طرف دیگر به بال ستون جوش شده بودند - شکل . - 3 نبشیهای جان در تمامی موارد با ابعاد 100*100*10 میلیمتر بودند. ابعاد نبشیهای بال در جدول 1 ارائه شده است. برای تمامی نمونهها خصوصیات مصالح در دمای معمولی با استفاده از آزمایشهای کشش استاندارد اندازهگیری گردیده و ابعاد سطح مقطع قبل از آنجام آزمایش در کوره ثبت شدهاند
