بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، رفتار خمشی اتصالات تیر به ستون مفصلی دارای صفحات اتصال مهاربند و توانایی آنها در بهبود عملکرد لرزهای قابهای مهاربندیشدهی هممرکز، مورد بررسی قرار گرفته است. مدل المان محدود برای اتصال تیر به ستون دارای صفحهی مهاربند به کمک نرمافزار اجزای محدود ABAQUS تهیه شده است. این مدل برای اتصالات پیچی با نبشیهای نشیمن و فوقانی میباشد. صحت مدل اجزای محدود با مقایسه نتایج تحلیل اجزای محدود و دادههای تجربی تائید شده است.
سپس مدل اجزای محدود برای اتصالات مفصلی جوشی رایج در ایران تهیه شده و رفتار آن تحت اثر بارهای رفت و برگشتی مطالعه شده است. مقاومت خمشی، ظرفیت جذب انرژی، مکانیزم خرابی و تمرکز تنش اتصالات بررسی شده است. مطالعات انجام گرفته نشان میدهد که اتصالات در قابهای مفصلی با مهاربندهای هممرکز به علت داشتن مقاومت خمشی، ظرفیت ذخیرهای در مقابل نیروی جانبی به قابها اضافه نموده و میتوانند در افزایش پایداری سازه مشارکت کنند.
-1 مقدمه
طراحی لرزهای سازههای فولادی بر اساس تغییر شکل غیرارتجاعی اعضا یا سازه انجام میگیرد تا از تخریب سازه در طی زلزلههای مخرب جلوگیری شود. این تغییر شکلهای غیرارتجاعی، محدود به اجزای خاصی است. به عنوان مثالی از تغییر شکل غیرارتجاعی قابل قبول در سازههای مقاوم لرزهای، میتوان به مفصلهای پلاستیک در تیرهای قابهای مقاوم خمشی و تسلیم یا کمانش مهاربندها در قابهای مهاربندیشدهی هممرکز اشاره نمود. این اجزا به عنوان فیوز شناخته میشوند.
اجزای سازهای متصل به فیوزها چنان طراحی شدهاند که در حالت ارتجاعی باقی بمانند. بنابراین نقش فیوزها یا اتصالات در سازههای فولادی از اهمیت زیادی برخوردار است. طراحی نادرست اتصالات سازههای فولادی سبب شده است که درزلزلههای اخیر اکثر خرابیها در اتصالات رخ دهد1]، .[5 زلزلهی نورتریج باعث ایجاد خرابی در ناحیهی جوش اتصالات و ایجاد ترک در ناحیهی فولاد حرارتدیدهی اعضای اتصال شد. از طرف دیگر به دلیل وجود امکان ساخت کارخانهای اتصالات پیچی، ایمنی بالا، هزینهی کم اجرا، سرعت مونتاژ بالا و کنترل کیفی آسان، اتصالات پیچی را مورد توجه روزافزون طراحان قرار داده است.
اتصالات پیچی با ورق انتهایی در سازههای فولادی به صورت اتصالات خمشی به کار برده میشوند. در یک تقسمبندی کلی، اتصالات پیچی با ورق انتهایی را میتوان به دو گروه، اتصالات با ورق انتهایی بدون لبه و اتصالات با ورق انتهایی لبهدار تقسیمبندی نمود. هر یک از این دو دسته میتواند به صورت تقویتشده با سختکننده و یا بدون تقویت، طراحی و اجرا شود.. در روشهای متداول طراحی قابهای فولادی، اتصالات تیر به ستون به صورت مفصلی یا گیردار کامل فرض میشوند.
در سالهای اخیر به منظور شناخت رفتار واقعی اتصالات و تعیین میزان نیمهگیرداری آنها، مطالعهی رفتار اتصالات مورد توجه محققان قرار گرفته است. کریشنامورتی با سرپرستی گروه تحقیقاتی انستیتوی AISC و انجمن مجریان ساختمانهای فولادی آمریکا، اولین مطالعات را در زمینهی رفتار اتصالات پیچی انجام داده است. کار تحقیقاتی او در دو زمینهی نظری و تجربی پیش رفت و حاصل آن دهها گزارش، مقاله و پایاننامه بود. نتایج این تحقیقات در آئیننامهی AISC - 1980 - به عنوان ضوابط طراحی اتصالات پیچی وارد شده است 6]، .[8
آستانه اصل نشان داده است که سازههای فولادی مفصلی، دارای ظرفیت مقاوم ذخیره در برابر بارهای جانبی می باشند که این ظرفیت در طراحی آنها در نظر گرفته نمیشود. بررسی کمی دربارهی اتصالات قابهای مفصلی که در زلزلهی 1994 نورتریج تحت تاثیر زلزله قرار گرفتند، نشان داد که این اتصالات به همراه دال بتنی سهمی در حدود 30 الی 40 درصد از لنگر پلاستیک را در مقاومت برای بارهای جانبی دارا میباشند و رفتار لنگر چرخشی آنها شکلپذیرتر است .
[9] آستانه اصل و همکاران سپس در سال 2004 در تکمیل پژوهش قبل خود و بر اساس پیامدهای زلزلهی نورتریج، به بررسی سهم اتصالات ساده یا برشی در مقاومت لرزهای در ساختمانهای فولادی با قاب لنگری پرداختهاند. در این تحقیق بر روی 8 مدل آزمایش انجام شده است. اهداف این تحقیق عبارت بوده است از - 1 افزایش ظرفیت بار سازهای در روش طراحی و همچنین دستهبندی قابهای مقاوم خمشی در برابر سازهی مهاربندی شدهی هممرکز و - 2 تشخیص و طراحی ساخت سازههایی که در طول زلزله آسیب لرزهای نبینند .[10]
هاینز و همکاران رفتار قابهای با شکلپذیری کم را مطالعه نموده و نحوهی اعمال ذخیرهی ظرفیت اتصالات را در تحمل بارهای جانبی بررسی نمودند .[7] دکتر استوکز و همکاران به رفتار چرخشی اتصالات تیر به ستون در قابهای مهاربندی شدهی سازههای فلزی پرداختند. طراحی و مدلهای آنها بر این پدیده استوار بود که این سازهها در مناطق با لرزهخیزی متوسط کاربرد دارد. دکتر استوکز 8 مدل برای این آزمایش انتخاب کرد و بر روی جزئیات اجزای صفحات انتهایی در سازههای مفصلی پرداخت تا مدلی ارائه کند که قاب شکلپذیری مناسبی داشته باشد 11]، 12، .[13 در این مقاله، اطلاعات استفاده شده از بانک اطلاعاتی آزمایش استوکز برای ارزیابی دقیق مدلهای المان محدود استفاده شده است.
به دلیل فراوانی پارامترهای مؤثر بر روی رفتار اتصالات و هزینهی زیاد آزمایشگاه، استفاده از روش المان محدود مقرون به صرفه میباشد. در این مقاله جهت بررسی و یافتن مقاومت خمشی اتصالات تیر به ستون و همچنین بررسی این نوع اتصالات در آئیننامهی ایران، 4 مدل ارائه شده است. در این مقاله، اتصالات دارای صفحهی انتهایی و نبشی جان و نشیمن میباشند. با استفاده از نرمافزار المان محدود به بررسی رفتار چرخهای پرداخته شده است. رفتار این اتصالات با استفاده از نرمافزار المان محدود تعیین و با استفاده از دادههای تجربی آزمایش استوکز صحتسنجی شده است. نتایج این تحقیق نشان داد که اتصالات پیچی دارای ظرفیت ذخیرهی قابل توجهی بوده و مقاومت خمشی آنها میتواند در طراحی قابهای مفصلی در برابر نیروهای جانبی، که در طراحی نادیده گرفته میشود، مورد استفاده قرار گیرد.
-2 مدلسازی المان محدود
-1-2 مشخصات هندسی مدلها
مشخصات هندسی مدلها به دو دسته تقسیم شده است، نمونهی F و دیگری نمونهی I که هر دو نمونه از دو قسمت تشکیل شدهاند. در هر دو نمونهی F1 و F2 مشخصات تیر و ستون یکسان میباشد. تفاوت این دو نمونه در ضخامت نبشیها، صفحات انتهایی و نبشی نشیمن میباشد. در نمونههای I1 و I2 نیز مشخصات تیر و ستون یکسان میباشد و تنها تفاوت در صفحات انتهایی میباشد 2]، 3، .[4 این مشخصات به صورت دقیق و کامل در شکلهای - 1 - ، - 2 - و - 3 - و جدول - 1 - قرار داده شده است.
-2-2 نحوهی مدلسازی
جهت مدلسازی اتصالات از نرمافزار ABAQUS6.10 استفاده شده است. به علت بررسی تنش در قطعات، ساختار جسم جامد - SOLID - به کار رفته است. در مدلسازی برای اتصال قطعات به هم، از دستور TIE به منظور یکپارچه نمودن قطعات جوشی استفاده شده است. به منظور مشبندی صحیح، پیچها یک به یک مدل شده و سپس با استفاده از دستور قسمت فوقانی به بدنه یکپارچهسازی شده است. نوع المان C3D8R برای همهی قطعات انتخاب شده و شکل المان نیز ششوجهی Hex میباشد. برای مشبندی مناسب قطعات سوراخشده، دستور Sketch به کار رفته است یعنی قطعات به صورت دستی مشبندی شدهاند. این عمل باعث میشود که مشبندی در محل سوراخها به حالت منظم باشد. در شکل - 4 - ، یک نمونه مدل مشبندیشده نشان داده شده است.
