بخشی از مقاله
چکیده
یکی از اتفاقاتی که ساختمانها اعم از ساختمانهای مسکونی، کارخانهها و مجتمعهای اداری و صنعتی و سازه آنها را تحت تاثیر قرار میدهند آتشسوزی است. بخصوص این امر در مورد سازههای فولادی از اهمیت و حساسیت بیشتری برخوردار است زیرا که آتشسوزی باعث کاهش مقاومت فولاد میشود و همچنین به خاطر ضریب هدایت حرارتی بالای فولاد و ضخامت کم اعضای فولادی بر اهمیت این موضوع افزوده است. مشاهدات از آزمایشات آتش در مقیاسهای واقعی و سازههای خراب شده در اثر آتشسوزی موید این امر است که اتصالها، بهعلت تواناییشان در توزیع نیروها، تاثیر قابل توجهی روی دمای انهدام عضوهای سازهای در آتش دارند. در این تحقیق اتصال ورق انتهای تیر به ستون با تغییر در پارامترهای اتصال در محیط نرم افزار ABAQUS تحلیل شده است. نتایج تغییر در ضخامت ورق انتهایی، نشان دهنده تغییر در دمای نهایی اتصال است.
واژههای کلیدی: اتصال صلب فولادی، صفحه انتهایی با پوشش کامل، آتش، پیچ، روش اجزاء محدود
-1 مقدمه
مطالعات آزمایشگاهی مهمترین و بهترین وسیله برای مطالعه رفتار عضوهای سازهای میباشد و از آنجایی که این عمل وقتگیر، پیچیده و هزینهبر مخصوصا در دمای بالا میباشد، بهتر است روشهای دیگری را امتحان نمود روشی کارآمد که میتوان از آن استفاده نمود، مطالعات اجزاء محدود میباشند. البته این روش در صورتی قابل قبول میباشد که رفتار آزمایشگاهی را با دقت کافی پیشبینی کنند. همچنین اگر این مدل ساخته شده قابل تغییر باشد نیز میتوان ابعاد آن عضو را با هزینه و زمان بسیار پایینی در چند سایز تغییر داد و بر روی آن مطالعات انجام داد.در چند دهه گذشته از فولاد در ساختمان سازی استفاده زیادی شده به این دلیل که قولاد دارای مقاومت و سختی بالا و همچنین شگل پذیری خوبی نسبت به دیگر مصالح ساختمان سازی است، این ویژگی با سرعت و آسودگی در اجرای سازه ترکیب شده و بهترین گزینه برای ساختمانهای بلند مرتبه و صنعتی شناخته شده است.
اما با این وجود ظرفیت بار بری سازه فلزی به طور ناگهانی در آتشسوزی به دلیل از دست دادن مقاومت و سختی فولاد، کاهش مییابد. وقتی یک قاب فلزی در معرض آتش قرار میگیرد تمام عضوها به طور ناگهانی افزایش دما را تجربه میکنند. بنابراین آنالیز و طراحی مناسبی برای آتشسوزی نیاز میباشد تا از عملکرد خوب فولاد مطمئن شد .[1]اتصالات پیچی از اتصال مفصلی گرفته تا اتصال صلب در سازه فولادی کاربرد زیادی دارند تا نیروهای تیر را به ستون یا عضوهای مجاورش انتقال دهد. یکی از معروفترین آنها اتصال صفحه انتهایی است. اتصالات در دمای بالا برای فروپاشی سازه نقش مهمی را ایفا میکنند.[2] تا کنون تصور میشد که اتصالات به دلیل دمای پایین در اتصالات نسبت به اعضائ سازه، از مقاومت بالایی در برابر آتش برخوردار می باشد، در نتیجه بیشتر مطالعات بر روی اجزائ دیگر انجام شده است.
فروپاشی ساختمان های مرکز تجارت جهانی در آتش این موضوع را تغییر داد .[3] در این مقاله با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود ABAQUS ]4[ بر روی رفتار اتصال در دمای بالا مطالعه شده است. برای آگاهی از دقیق بودن نتایج حاصل از تحلیلهای نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS، از نتایج آزمایشگاهی الجبری و همکاران [5] بهره برده و نمونه آزمایشگاهی در نرم افزار مدلسازی شد. نتایج آزمایشگاهی با نتایج عددی مقایسه گردید و توانایی نرمافزاز ABAQUS برای این مدلسازی با شرایط تکیهگاهی مفروض، اثبات گردید. اکنون در این فصل از ابعاد نمونه آزمایشگاهی الجبری و همکاران به عنوان مدل پایه استفاده شده و بر روی آن تغییرات اعمال میشود تا به بررسی رفتار اتصال صفحه انتهایی با پوشش کامل در دمای بالا با استفاده از نرمافزار ABAQUS، پرداخته شود.
-2 نمونه تحلیل شده
در این تحقیق اتصال فولادی صلب پیچی با صفحهی انتهایی با پوشش کامل در آتش همانطور که در شکل 1 مشخص شده است، مورد بررسی قرار میگیرد. شرایط تکیهگاهی دو سر ستون مفصلی فرض شده، و تیر به صورت طرهای میباشد. ابعاد تیر و ستون پایه از پرفیلهای آمریکایی انتخاب گردیده، که به صورت I شکل و از جنس فولاد S275 میباشند.در اتصالی که به عنوان اتصال پایه انتخاب شده است، مطابق شکل -1الف - تیر از پرفیل به شماره W10x15 به طول m 1/75 و ستون نیز از پرفیل به شماره W6x15 به طول 4 m هستند. پیچها در اتصال از 6 عدد پیچ M16 و از درجه 8.8 و ورق انتهایی با ضخامت 8 mm انتخاب شده که مطابق شکل 2 به یکدیگر متصل شده است. مدل پایه با نام E8-M16-8.8 اسم گذاری شده است که عدد بعد از حرف E بیانگر ضخامت ورق انتهایی، M16 بیانگر پیچ با قطر 16 mm و در آخر 8.8 بیانگر درجه پیچ میباشد.
هدف از این تحقیق بررسی تغییر در ضخامت ورق انتهایی در 5 اندازه 4 mm، 6 mm، 8 mm، 10 mm و 12 mm است که انتظار میرود بیشترین تاثیر بر روی خصوصیات لنگر و دوران این نوع اتصال را داشته باشد. در این تحقیق نسبت عرض یا ارتفاع آزاد به ضخامت، به عنوان لاغری در نظر گرفته شده است. عرض آزاد با حرف b و ارتفاع آزاد با حرف h در شکل -1-4ب - برای ستون و شکل -1-4پ - برای تیر، مشخص است.آنالیز در سه اندازه بار استاتیکی متمرکز یکنوا همانطور که در شکل -1الف - مشخص است، در فاصله 1/5 m از ستون، روی تیر قرار دارد که در مرحله اول مقدار بار افزایش مییابد تا لنگر در اتصال به مقدار مشخص خود برسد. الزام به ذکر است که تمام نمونهها تحت بار متمرکز یکنوا در تحلیلهای جداگانه افزایش مییابد تا لنگر اتصال به یکی از مقادیر 8 kN.m ، 13 kN.m و 17 kN.m برسد. در مرحله بعدی دمای اتصال از دمای محیطی 20 °C به صورت خطی نسبت به زمان به 900 °C افزایش مییابد.
در مدل آزمایشگاهی الجبری و همکاران زمان را 90 دقیقه در نظر گرفته بودند اما در آنالیز اجزا محدود به روش زوج جابجایی- دما زمان اهمیتی ندارد و تفاوتی در جوابها ایجاد نمیکند، به همین دلیل تحلیل در یک واحد زمانی انجام گرفته است. آنالیز از نوع غیر خطی است و از معیار شکست فون میزز استفاده شد. معیار مقایسه در این طرح نمودارهای دما-چرخش اتصال است. برای رسم نمودار دما-چرخش اتصال به دلیل اینکه آزادی چرخشی برای المانهای Solid در ABAQUS فعال نمیباشد، پس برای اندازه گیری چرخش اتصال از فرمول - 1 - مقدار چرخش اتصال محاسبه شده است.که در آن مطابق شکل 3، L فاصله از ورق انتهایی است که به طولدر نظر گرفته شده است، u مقدار تغییر مکان نسبی در گره با فاصله 25 cm از صفحه انتهایی در میان جان تیر، نسبت به گره میان صفحه انتهایی است.
