بخشی از مقاله
چکیده
مقاطع مختلفی برای ستون ها در سازه ها به کار برده می شوند. از جمله این مقاطع که در ایران به کار برده می شوند دسته ای از ستون مشبک با بستهای افقی می باشند. هدف از این مقاله بررسی رفتار ستون های مشبک با بست افقی همراه با مهاربندهای همگرا می باشد. در این پژوهش رفتار لرزه ای این نوع ستون ها با مقطع دوبل ناودانی به روش اجزا محدود با استفاده از نرم افزار ANSYS مورد بررسی قرار گرفت.
در مجموع 3 لاغری 45 - ، 65، - 85 و 4 فاصله بین لقمه - یک فاصله کمتر از حد آئین نامه ای یک فاصله طبق ضوابط آئین نامه و 2 فاصله بالاتر از حدود آئین نامه ای - با نیروی محوری متفاوت 50 - و 80 درصد بیشینه ظرفیت ستون - که در مجموع 24 مدل می شود مورد آزمایش و مطالعه قرار گرفته است. شرایط تکیه گاهی در مدل بصورت ساده فرض شده است و بار محوری بصورت جابجایی در راستای محور طولی عضو وارد می شود. طول تمامی بستها در تمامی مدل ها در راستای طول عضو 10 cm فرض شده است.
این مقدار در تمامی مدل ها ثابت است و تاثیری در نتایج ندارند. ضخامت ورق های بست 1cm در نظر گرفته شده است. نتایج این پژوهش نشان می دهد با افزایش تعداد بست ها و کاهش لاغری تک پایه، افت مقاومت فشاری تشدید می یابد، و ظرفیت باربری ستون افت بیشتری دارد. در واقع، با افزایش تعداد بست ها، شیب منحنی پس کمانشی کاهش می یابد، و ظرفیت ستون در سیکل های بالاتر تاریخچه بارگذاری به بار ثابت اولیه می رسد.
مقدمه
مقاطع مختلفی برای ستون ها در سازه ها به کار برده می شوند. از جمله این مقاطع که در ایران به کار برده می شوند دستهای از ستون مشبک با بستهای افقی می باشند. در آیین نامه های ساختمانی کشور آلمان شرح تفضیلی این دسته از ستونها آورده شده است، ولیکن کشور آمریکا دارای آیین نامه هایی در خصوص ستون های مشبک با بست های مورب میباشد و در این آییننامهها فرمول های لازمه جهت طراحی قید گردیده اند.
به طور کلی در آیین نامه ها ستون با بست افقی به عنوان عضو اصلی بکار برده نمی شوند و این مسئله بطور فرضی نفی گردیده است. لازم به ذکر است که مشخصات کامل جهت محاسبه و طراحی ستونهای مذبور در هیچ یک از آیین نامه ها قید نگردیده است - عبدالملکی و محب خواه، . - 1394 در هریک از این آیین نامه های آمریکا و آلمان و سایر آیین نامه ها آنچه که در مورد ستون های مشبک با بست و چپ و راست و افقی ذکر گردیده است، تاثیر نیرویی برشی است که شکل تقلیل بار بحرانی ستون خود را نشان می دهد و به صورت های مختلفی در هر آیین نامه این اثر در نظر گرفته شده است.
برای محاسبه قیدهای ستون بر اساس برش و لنگر موجود در بست فرمول ها و روابطی پیشنهاد گردیده است . - Chen and Li , 2013 - تحقیقات انجام شده در مورد ستون های مشبک بیشتر در زمینه محاسبه بار بحرانی این نوع ستون ها بوده است که به طور خلاصه به تعدادی از آنها اشاره می کنیم . عبدالملکی و مجب خواه - 1394 - در تحقیق خود به منظور بررسی رفتار لرزه ای ستون های مشبک فولادی با بتن تحت بار های محوری متغیر از نرم افزار ABAQUS استفاده نمود. نتایج به دست آمده نشان می دهد عملکرد لرزه ای ستون های مشبک نیز با پر شدن توسط بتن بهبود می یابد. البته برای حفظ شکل پذیری این ستون ها بایستی مقاطع تا بالاتر از محل تشکیل مفصل پلاستیک با بتن پر شود ولی افزایش سطح بار محوری در افزایش شکل پذیری ستون تاثیر چندانی ندارد.
الرمایلی و عزیزامینیٌ - 2012 - رفتار لرزه ای ستون های دایره ای پر شده تحت بار های لرزه ای را را به روش آزمایشگاهی بررسی کردند. با توجه به نتایج مشخص گردید که تغییر شکل محوری بتن با مقاومت معمولی بزرگتر از تغییر شکل محوری بتن پرمقاومت است. همچنین در این مقاله با مقایسه نتایج به دست آمده از آزمایش با آیین نامه LRFD مشخص شد که روش این آیین نامه بسیار محافظه کارانه می باشد. ساهو و رآیٍ - 2007 - به بررسی ویژگی های ستون های مشبک تحت شرایط لرزه ای پرداختتد.
با توجه به آنکه اغلب در ستون های مشبک کمانش موضعی مابین بست های افقی اتفاق می افتد در این مطالعه با بررسی آرایش بست های افقی سعی شده است تا انعطاف پذیری و اتلاف انرژی با تاخیر انداختن کمانش محلی افزایش داده شود. بنان و فولادی - 1382 - در مقاله ای عنصری جایگزین برای ستون مشبک بر اساس روش عناصر محدود تئوری و نتایج عددی ارائه نمودند. در این تحقیق یک برنامه اجزای محدود جامع برای تحلیل قاب های سه بعدی با ستون های مشبک و تبدیل آن به عناصر جایگزین نوشته شد. سپس در حالت خطی با در نظر گرفتن تغییر شکل های برشی یک مجموعه روابط تقریبی برای تعیین پارامتر های معادل ستون مشبک بر اساس خصوصیات هندسی آن ارائه شده است.
جلسویکَ - 1990 - یک روش نظری بر اساس شبیه سازی جان پیوسته دارای فقط سختی برشی برای محاسبه بار بحرانی ستون های مشبک ارائه داد. همچنین اثرات صفحات انتهایی در میزان بار بحرانی در نظر گرفته شد. در انتها یک برنامه رایانه ای جامع برای تحلیل سه بعدی قاب ها با استفاده از نرم افزار متلب نوشته شد. بر اساس تحلیل ستون های مشبک مختلف توسط این برنامه در حالت خطی مجموعه ای از روابط تقریبی برای بیان پارامتر های معادل بر اساس خصوصیات هندسی ستون های مشبک پیشنهاد شد.
ستون های مشبک عمدتا در قاب های ساده مهاربندی شده با اتصالات ساده تیر به ستون و یا اتصالات خورجینی مورد استفاده قرار میگیرند. طراحی این ستونها براساس ضوابط خاص ارائه شده در مبحث دهم مقررات ملی ایران صورت میگیرد. ضوابط مزبور با هدف جلوگیری از وقوع حالات شکست نامطلوب در ستون بمنظور هدایت رفتار ستون به سمت ستون با مقطع توپر، و تنها بر اساس رفتار ستون تحت بار محوری تدوین شده اند - جعفری صحنه سرایی، . - 1381 قابهای مهار بندی شده همگرا در برابر بارهای جانبی از تلاش های محوری اعضای مهار بندی استفاده می نمایند.
این نوع سیستم های باربر جانبی دارای سختی جانبی زیادتری نسبت به قاب های خمشی می باشند. سختی جانبی زیاد باعث می شود تغییر شکل های جانبی قاب مهار بندی در هنگام زلزله کمتر بوده ودر نتیجه اثرات ناشی از غیر خطی شدن هندسی و آسیب به اعضای غیر سازه ای کاهش یابد. در قاب های مهاربندی شده همگرا، مهاربندها عناصر اصلی مقاومت در برابر بارهای جانبی و عناصر کنترل شوند توسط تغییر مکان هستند که از آنها انتظار می رود در زلزله های شدید غیر ارتجاعی شد و جذب انرژی نمایند.
سایر اعضای سازه همانند تیر، ستون و اتصالات باید برای حداکثر نیروهایی که در مهاربند یا کل سیستم ایجاد میشود، به صورت الاستیک طرح گردند. تلاش های شکل پذیر مهاربندها کمانش غیر ارتجاعی در فشار و تسلیم در کشش بوده که تأمین کننده رفتارغیر خطی مهاربندها می باشند - داوران و عیسی زاده فر، . - 1386 براساس مطالعاتی که روی رفتار و صلبیت اتصالات خورجینی انجام شده است، این نوع اتصالات، هنگامیکه ساختمان تحت زلزله قرار میگیرد دارای صلبیت قابل توجهی بوده و با توجه به جهت قرارگیری اتصال خورجینی و ستون مرکب نسبت به یکدیگر، لنگر خمشی حاصل از صلبیت اتصال، در راستای محور توخالی ستون وارد میشود که با فرضیات مورد نظر آئین نامه مغایرت دارد.
از طرف دیگر، اتصال مهاربند به ستون - در راستای محور توخالی - از هر طرف به یک قطعه از ستون میباشد که باعث ایجاد خروج از مرکزیت اتفاقی و اعمال لنگر خمشی به ستون میشود. همجنین مشخص شده است که در هنگام وقوع زلزله در قابهای مهاربندی شده، پس از ایجاد خرابی در مهاربندها - تسلیم و کمانش - بدلیل تغییرمکان های غیرخطی و نامنظم طبقات سازه، وقوع لنگر خمشی و ایجاد مفصل پلاستیک خمشی در ستونها بسیار محتمل است. بنابراین انتظار میرود که رفتار این نوع ستونها تحت بارهای لرزه ای مغایر با رفتار مورد انتظار آئین نامه طراحی باشد. از این رو در این مقاله رفتار ستون های مشبک با بست افقی و مهاربندهای همگرا بررسی شده است.
تعیین مشخصات مدل
در مطالعه انجام گرفته از مقطع دوبل ناودانی استفاده شده است. با توجه به بازه لاغری ها، شکل مقطع تاثیری در رفتار جذب انرژی ندارد و لاغری تنها پارامتر تعیین کننده می باشد - مهیار، . - 1388 به این منظور و برای در نظر گرفتن اثر لاغری تک پایه اثر فواصل بستها نیز بررسی شده است. در این مدل ها بازه مناسبی از لاغری آورده شده است - - 60> > 130 همچنین برای مطالعه تاثیر فاصله بستها در رفتار شکل پذیری عضو مهاربند فاصله بین لقمه ها در سه رده تقسیم بندی شده است که مبنای این تقسیم بندی فاصله آیین نامه ای بوده است.
آئین نامه AISC و مبحث دهم مقررات ملی ایران مقدار لاغری تک پایه را به - 3,4 - لاغری کل محدود کرده است که این ضابطه به عنوان مبنا و معیار در نظر گرفته شده است. با توجه به آنچه که در بالارفت 3 لاغری 45 - ، 65، - 85 و 4 فاصله بین لقمه - یک فاصله کمتر از حد آئین نامه ای یک فاصله طبق ضوابط آئین نامه و 2 فاصله بالاتر از حدود آئین نامه ای - که در مجموع 24 مدل می شود بر روی 80 نمونه مورد آزمایش و مطالعه قرار گرفته است. بازه لاغری ها و فواصل لقمه ها به ترتیب در جداول زیر آورده شده است.
