بخشی از مقاله
رفتار سیکلی اتصالات خمشی دوطرفه با صفحات کناری و ستون دوبل
چکیده
اتصال صلب خمشی تیر به ستونهای دوبل علاوه بر مشکلات عمومی اتصالات خمشی، مشکل خاص اساسی دیگری هم دارد. این مشکل خاص ضعف ورق تقویتی ستون دوبل در برابر تغییر شکل ناشی از نیروی کششی اعمال شده از طرف بال تیر می باشد. اخیرا ایده استفاده از صفحات کناری تمام عمق برای اصلاح عملکرد اتصالات خمشی با ستونهای دوبل توسط دیلمی مطرح شده است. در این مقاله رفتار سیکلی اتصالات خمشی دوطرفه با صفحات کناری و ستون دوبل مورد بررسی قرار گرفته است. برای مطالعه رفتار این اتصال چهار مدل اجزاء محدود ساخته شده و تمامی مدلها تحت بارگذاری سیکلی قرار گرفته اند. نتایج بدست آمده نشان میدهند که این اتصال مقاومت بالایی دارد و با ایجاد مفصل پلاستیک در تیر باعث بروز رفتاری شکل پذیر در سازه می شود.
واژه های کلیدی: سازه فولادی، ستون دوبل، صفحه کناری، اتصال خمشی، رفتار سیکلی
1- مقدمه
ایران در ناحیه ای با خطر لرزه خیزی بالا قرار دارد بنابراین ساخت سازه های فولادی مقاوم در برابر زلزله ضروری بنظر می رسد. بدلیل عدم تولید مقاطع بال پهن در ایران استفاده از ستونهای دوبل مرسوم می باشد. مقاطع ستونهای دوبل که در ایران مورد استفاده قرار می گیرند معمولا از دو نیمرخ ا شکل ساخته شده اند که توسط ورق و یا بست به یکدیگر متصل می شوند . در ستونهای دوبل که با ورق به یکدیگر متصل شده اند. ورقهای تقویتی در کناره های خود بوسیله جوش گوشه به نیمرخهای آشکل تشکیل دهنده ستون متصل می شوند. بطور کلی مشکلات اتصالات خمشی با ستونهای دوبل به دو دسته تقسیم میشوند.
1- مشکلات عمومی اتصالات خمشی، مهمترین مشکل اتصالات خمشی جوشی بطور عام جوش نفوذی کامل بین بال تیر یا ورق منتقل کننده ممان و ستون می باشد. این جوش خود در عمل علاوه بر مشکلات ذاتی و اجرایی موجب ایجاد کاستیهای دیگری مانند تردشکنی و ایجاد ترک در ریشه جوش می شود. اتصال جوشی T شکل بال تیر به ستون همچنین باعث ایجاد تمرکز تنش سه محوره و ایجاد ترک در جان و بال ستون در محل اتصال می گردد.
2- مشکل خاص اتصالات خمشی با ستونهای دوبل که وجود ورق تقویتی ستون در مسیر انتقال ممان می باشد. چون این ورق فقط در کناره های خود به نیمرخهای آشکل تشکیل دهنده ستون متصل شده است، در اثر نیروی کششی ناشی از بال کششی تیر تغییر شکل زیاد و یا کمانش در آن رخ می دهد. در تحقیقاتی که توسط مزروعی و همکاران [۱] انجام شده رفتار اتصالات خمشی با ستونهای دوبل تحت بارگذاری یکنواخت مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج آزمایشهای انجام شده نشان میدهد که وجود ورق تقویتی ستون در مسیر انتقال نیرو باعث میشود که اتصال بصورت نیمه گیردار عمل نماید. مشکل تغییرشکلهای بیش از حد ورق تقویتی ستونهای دوبل در اثر نیروی کششی بسیار شبیه به تغییرشکلهای بال ستون قوطی در اتصالات خمشی بدون دیافرگم داخلی می باشد. محققان مختلف برای حل این مشکل در ستونهای قوطی مطالعاتی انجام داده اند، Blais [۲] در مطالعات خود به این نتیجه رسید، که بهترین روش انتقال نیروهای بال تیر به ستون قوطی، بدون تغییر شکل مقطع ستون قوطی، انتقال آن از طریق صفحاتی موازی جان ستون می باشد. این صفحات از یک طرف به کناره های ستون و از طرف دیگر به بالهای تیر متصل می شوند. در مدل پیشنهاد شده توسط Blais اتصال مستقیم بین بال تیر و بال ستون حذف شده است. پس از تحقیقات Blais محققان دیگری به نامهای Picard و Giroux [۳] نیز از ایده حذف اتصال مستقیم بین بال تیر و بال ستون استفاده کردند ولی در تحقیقات انجام شده توسط آنها به جای ورق از نبشی استفاده شده بود، در سال ۱۹۹۶ Atsou [۴] روشی مشابه دیگر محققان پیشنهاد کرد در این روش نیز از ایده حذف اتصال مستقیم بین بال تیر و بال ستون استفاده شده بود. در این روش از ورقهای ذوزنقه ای شکل برای اتصال بال تیر به کناره های ستون استفاده گردید. تمام این تحقیقات باعث اصلاحاتی در عملکرد اتصالات خمشی با ستونهای قوطی شدند، ولی تمامی آنها نقاط ضعفی نیز داشتند. پس از زلزله نورتریج Houghton [۵] برای رفع مشکلات عمومی اتصالات خمشی در مقابل زلزله، اتصال جدیدی را پیشنهاد کرد. همانند روشهای قبلی که برای حل مشکل اتصالات خمشی با ستون قوطی بدون دیافرگم داخلی پیشنهاد شده بودند، در اتصال پیشنهاد شده توسط Houghton نیز از ایده حذف اتصال مستقیم بال تیر و بال ستون استفاده شده است. این اتصال برای ستونهای بال پهن و قوطی و ستونهای با مقطع صلیبی پیشنهاد شده است. در این اتصال برخلاف روشهای قبلی به جای استفاده از چهار ورق در تراز بالهای تیر از دو صفحه کناری تمام عمق استفاده شده است. با توجه به مشکلات عمومی اتصالات خمشی و مشکل خاص اتصالات خمشی با ستون دوبل در تحقیقات اخیر ایده استفاده از دو صفحه کناری تمام عمق برای اصلاح رفتار اتصالات خمشی با ستونهای دوبل توسط دیلمی و شیراوند [۶] پیشنهاد شده است این پیشنهاد هم مشکلات عام اتصالات خمشی و هم مشکلات مختص ستونهای دوبل را مرتفع می سازد. از بررسیهای انجام شده روی مدلهای یکطرفه این اتصال نتایج مناسبی بدست آمده است. با توجه به اینکه در اتصالات دوطرفه وضعیت چشمه اتصال بحرانی تر بوده و تنشهای برشی در چشمه اتصال تقریبا دو برابر مدلهای یکطرفه می باشند در این مقاله برای انجام بررسیهای تکمیلی، رفتار سیکلی اتصالات خمشی دوطرفه با صفحات کناری و ستون دوبل مورد بررسی قرار داده ایم. هندسه این اتصال در شکل (۱) نشان داده شده است. در این اتصال ممان انتهای تیر با استفاده از دو ورق پوششی در بالا و پایین تیر به صفحات کناری تمام عمق منتقل میشود. برای سهولت در نصب این سیستم دیلمی پیشنهاد کرده است که ورق پوششی بالایی شامل دو قطعه جدا از هم باشد. نیروی برشی تیر هم از طریق صفحات برشی در دو طرف تیر به صفحات کناری تمام عمق منتقل می شود. در نهایت لنگر و برش از طریق صفحات کناری به ستون منتقل می شوند.
۲- ابعاد مدلها
برای بررسی عملکرد مدلهای دوطرفه چهار مدل انتخاب شده، جزئیات قسمتهای مختلف اتصال دوطرفه با صفحات کناری و ستون دوبل در شکل (۲) نشان داده شده است. مقاطع بکار رفته در مدلها و ابعاد و ضخامتهای اجزای مختلف اتصال در جداول (۱) و (۲) آمده اند. پارامترهای ما به ترتیب برابر ضخامت، طول و ارتفاع صفحات کناری، L cos ، t covو boo به ترتیب برابر ضخامت، طول و عرض ورقهای پوششی (ورقهای تنظیم فاصله بین بال تیر و بال ستون) و t ، ton به ترتیب برابر ضخامت ورقهای پیوستگی و صفحات برشی می باشند. d نیز فاصله میان دو قطعه تشکیل دهنده ورق پوششی بالایی است. شکل کلی مدلها در شکل (3) نشان داده شده است، با این فرض که نقاط عطف تیرها و ستونها در وسط طول آنها قرار دارند، نیمی از طول تیر و نیمی از ارتفاع ستون در یک قاب برای مدلسازی مدلهای اتصال دوطرفه درنظر گرفته شده اند. ارتفاع ستون درنظر گرفته شده در مدلسازی 3 متر و فاصله بین انتهای تیر و محور ستون 3.5 متر می باشد.
۳- مدلسازی
نرم افزار اجزاء محدود ANSYS [۷] برای مدلسازی بکار گرفته شده است، برای مدلسازی از المان SOLID45 استفاده شده، این المان برای مدلسازی سه بعدی و حجمی سازهها بکار می رود. این المان دارای ۸ گره می باشد که هر گره سه درجه آزادی تغییر مکانی دارد. علت استفاده از این المان قابلیت مدلسازی رفتار پلاستیک و تغییر شکلهای بزرگ توسط این المان می باشد. چون با توجه به امکان بروز کمانش در مدلها باید المانی بکار رود، که توانایی مدلسازی تغییر شکلهای بزرگ را دارا باشد. در مدلسازی برای بررسی رفتار ستون دوبل و تماس بین ورق تقویتی ستون دوبل و نیمرخهای شکل از المانهای تماسی سطح به سطح استفاده شده است. المان CONTA173 المانی است که دارای چهار گره می باشد، این المان روی سطوح المانهای سه بعدی مانند SOLID45 قرار می گیرد. برای مدلسازی تماس بین دو سطح علاوه بر المان CONTA173 در روی یکی از سطوح، باید روی سطح دیگر از المان TARGE170 استفاده شود. دلیل استفاده از این المانها قابلیت استفاده در تحلیلهایی است که تغییر شکلهای بزرگ در آنها در نظر گرفته شده است. در تماس سطح با سطح انعطاف پذير المانهای TARGE170 و CONTA173 دارای همان شکل هندسی سطح المان می باشند. جنس فولاد مورد مطالعه 37-ST می باشد، که برای مدل کردن رفتار آن از مدل تنش کرنش دوخطی استفاده شده است. در این مدل ضریب الاستیسیته فولاد که برابر شیب خط اول منحنی میباشد کیلوگرم بر سانتیمتر مربع در نظر گرفته شده است. بدین ترتیب فولاد با این شیب به تنش تسلیمی برابر با ۲۴۰۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می رسد که در این نقطه دارای کرنشی تقریبا برابر ۰
است. پس از نقطه تسلیم منحنی با شیب خط دوم به روند صعودی خود ادامه میدهد تا به تنش نهایی ۳۷۰۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع، که دارای کرنش است، برسد. لازم به ذکر است برای کاهش زمان تحلیل در نقاط دور از ناحیه اتصال از مصالح الاستیک استفاده شده است. قانون سخت شوندگی در نظر گرفته شده قانون سخت شوندگی جنبشی میباشد.
۴- شرایط مرزی و بارگذاری
شرایط مرزی به گونه ای در نظر گرفته شده است، که تکیه گاه پایین ستون بصورت مفصلی عمل نماید. بنابراین در قسمت پایین ستون یک صفحه الاستیک قرار داده شده است و درجات آزادی گرههای پایینی در تار میانی این صفحه در محور ستون در جهت افقی و قائم مقید شده اند. برای جلوگیری از حرکت خارج از صفحه، تمامی گرهها در تکیه گاه پایین ستون در جهت جانبی (عمود بر صفحه) مقید شده اند. در قسمت بالای ستون یک صفحه الاستیک قرار داده شده است. برای جلوگیری از حرکت خارج از صفحه ستون، تمامی گره های قسمت بالایی صفحه، در جهت جانبی مقید شده اند. بارگذاری روی گره وسط صفحه الاستیک در جهت افقی انجام می گیرد. انتهای تیرها بصورت غلطکی در نظر گرفته شده است تا بتواند بصورت افقی حرکت نماید. برای مدلسازی این شرایط گره های انتهایی تیرها در جهت قائم مقید شده اند. همچنین برای جلوگیری از حرکت خارج از صفحه انتهای تیرها، تمام گره های انتهای تیرها در جهت جانبی مقید شده اند. برای جلوگیری از کمانش جانبی۔ پیچشی تیرها، تعدادی از گره های کناری بال تیرها در قسمتهای بین تکیه گاههای جانبی انتهای تیر تا ستون در جهت جانبی مقید شده اند. برای بررسی رفتار اتصال از بارگذاری سیکلی استفاده شده است. بارگذاری استفاده شده بارگذاری استاندارد SAC97 [۸] می باشد. این تاریخچه بارگذاری از نتایج یک سری تحلیلهای غیرخطی انجام گرفته روی قابهای خمشی فرضی که تحت زلزله های مختلف قرار گرفته اند، بدست آمده است. این تاریخچه بارگذاری شامل تغییر شکلهای سیکلی گام به گام افزایش یابنده می باشد. پارامتر تغییر شکل مورد استفاده زاویه دریفت طبقه است که در مدل اتصال دوطرفه از تقسیم تغییر مکان بالای ستون بر ارتفاع ستون بدست می آید. در این تاریخچه بارگذاری سیکلها باید در تغییر مکان حداکثر متقارن باشند. تاریخچه بارگذاری بصورت گام به گام می
