بخشی از مقاله
چکیده
مقاله حاضر ، اطلاعات و نکاتی راجع به رفتار لرزه ای و طراحی قابهای خمشی فولادی با سیستم ستون درختی که عموما در اسکلت ساختمان استفاده می شوند ، ارائه می کند. در این سیستم تکه های کوچکی از تیر در کارخانه به بدنه ستون اصلی جوش داده می شود که جزء میانی تیر افقی در فاصله بین دو تکیه گاه به بدنه اصلی ستون قائم پیچ می شود . مطالعه حاضر به ارزیابی اتصال ستون درختی با تیر کوتاه غیر منشوری و ستون با مقطع H شکل می-پردازد. به منظور بررسی شکل پذیری و مقاومت این اتصال مطابق آیین نامه AISC ، مدل اجزاء محدود نمونه های مورد مطالعه توسط نرم افزار ANSYS ساخته شد. سپس منحنی های لازم برای بررسی شکل پذیری و مقاومت این اتصال رسم گردید و از روی این نمودارها ، رفتار سیکلی این اتصالات بصورت اجزاء محدود مورد مطالعه قرار گرفت.
واژه های کلیدی: رفتار لرزه ای ، تیر کوتاه ، اتصال ستون درختی ، غیر منشوری ، قاب خمشی
مقدمه
تا قبل از وقوع زلزله نورثریج در سال 1994، سازه های دارای قاب های خمشی ، به عنوان شکل پذیرترین و همچنین مقاوم ترین سازه ها در برابر زلزله نسبت به سایر طرح های سازه ای دیگر محسوب می شدند .وقوع زلزله نورثریج در ژانویه 1994 ، منجر به صدمات فراوانی در سازه های خمشی فولادی دارای اتصالات جوشی تیر به ستون گردید. بررسی های متعددی به منظور تعیین علل صدمات وارد شده به اتصالات مذکور انجام شد. در پی این مطالعات گسیختگی های ترد گوناگونی در اتصالات خمشی جوشی تیر به ستون مشاهده گردید. گسیختگی ترد مذکور از اینکه اتصالات خمشی رفتار غیر ارتجاعی از خود نشان دهند ، جلوگیری نموده و باعث تضعیف مقاومت اتصال در برابر بارگذاری زلزله می گردد .
پس از زلزله نورثریج ، مطالعات زیادی به منظور بهبود بخشیدن رفتار اتصال خمشی جوشی مربوط به قبل از زلزله نورثریج صورت پذیرفت و این مطالعات تا کنون نیز در حال انجام می باشد. بر اساس مطالعات صورت گرفته به منظور اصلاح دیتیل اتصالات ، پیشنهاداتی مطرح شده است . یکی از این پیشنهادات ایده استفاده از اتصالات ستون درختی می باشد. در سیستم ستون درختی تکه های کوتاه تیر یا یک تیر کوتاه چند تکه که معمولا 60 سانتی متر الی 120 سانتی متر طول دارند در کارخانه به ستون ها جوش می شوند و پس از آنکه ستون های درختی در کارگاه نصب شدند ، تیر اصلی به انتهای دو تکه تیر جوش شده به ستون ، پیچ می شوند . در سیستم ستون درختی به علت جوشکاری اتصال تیرهای کوتاه به ستون که در کارخانه انجام می شود ، جوش حاصل دارای کیفیت بالا و نیز قیمت مناسب است و در عین حال بازرسی جوش نیز به سهولت امکان پذیر است . در این بخش به مطالعه تحلیلی بر روی رفتار لرزه ای یک نوع جدید از سیستم اتصال ستون درختی ، تحت عنوان اتصال ستون درختی با تیر کوتاه غیر منشوری پرداخته می شود .
مدل های مطالعه شده
در این مطالعه ، دو مدل مورد ارزیابی قرار گرفته است :
1. اتصال خمشی ستون درختی با تیر کوتاه غیر منشوری ، بدون استفاده از سخت کننده جان در محل اتصال تیر کوتاه به تیر اصلی ، به همراه ستون با مقطع H ، مدل CT-H ، شکل 1,
2. اتصال خمشی ستون درختی با تیر کوتاه غیر منشوری ، با استفاده از سخت کننده جان در محل اتصال تیر کوتاه به تیر اصلی ، به همراه ستون با مقطع H ، مدل CT-S-H ، شکل .2
تیر اصلی از پروفیل H588x300x12x20 به طول 2030 میلیمتر و ستون از پروفیل H550x550x40x45 به طول 3000 میلیمتر انتخاب گردید . همچنین مشخصات تیر کوتاه غیر منشوری به شرح زیر انتخاب شد . عمق مقطع بزرگ تر تیر کوتاه غیر منشوری - ماهیچه - در محل اتصال تیر کوتاه به بال ستون dL=838mm عمق مقطع کوچک تر ماهیچه در محل اتصال ماهیچه به تیر اصلی ضخامت بال تحتانی ماهیچه tbot,haunch = 25mm ضخامت بال فوقانی ماهیچه ttop,haunch= 20mm ضخامت جان ماهیچه tweb,haunch= 16mm
طول ماهیچه L= 1000mm جنس فولاد مصالح ASTM A572 Gr.50 می باشد که برای مدل کردن رفتار آن از مدل تنش کرنش دو خطی استفاده شده است . ضریب الاستیسیته فولاد 200GPa و تنش تسلیم آن برابر 350MPa لحاظ شده است . پس از نقطه تسلیم ، منحنی با شیب خط دوم که برابر 0.04E می باشد ، به روند صعودی خود ادامه می دهد . قانون سخت شوندگی در نظر گرفته شده ، قانون سخت شوندگی جنبشی می باشد . مدل پلاستیسیته بر اساس معیار تسلیم فون میسز و قانون جریان مرتبط بنا نهاده شده است . برای مدل سازی در نرم افزار ، از المان Shell93 استفاده شده است .
طراحی لرزه ای قاب های خمشی با ستون درختی ، مشابه طراحی قاب های خمشی با اتصالات جوشی است . ابتدا بارهای جانبی لرزه ای با استفاده از آیین نامه های موجود تعیین می شوند . در گام دوم ، بارهای لرزه ای و ثقلی بر مدل اعمال می شوند و پس از تحلیل سازه ، مولفه های نیروها و جابجایی های گرهی محاسبه شوند . در پایان ، اجزای سازه ای برای تحمل بارهای تعیین شده ، طراحی می شوند . به علاوه همانند دیگر قاب ها ، جابجایی های جانبی ، محاسبه شده و کنترل می شوند تا از کمتر بودن آنها از مقادیر مجاز اطمینان حاصل شود .
مدل اجزاء محدود زیرسازه - Subassemblage - مورد مطالعه در نرم افزار ANSYS مدلسازی شده است شرایط مرزی به گونه ای در نظر گرفته شده که تکیه گاه پایین ستون بصورت غلتکی و تکیه گاه بالای ستون بصورت مفصلی عمل نماید . بارگذاری بر روی تمامی گره های انتهای تیر اصلی و در جهت قائم انجام گرفته است . برای بررسی رفتار اتصال از بارگذاری سیکلی استفاده شده است . بارگذاری استفاده شده ، بارگذاری استاندارد SAC97 می باشد که در آیین نامه لرزه ای AISC2005 و FEMA350 نیز توصیه شده است این بارگذاری در شکل 3 نشان داده شده است .
ضوابط طراحی اجزای قاب های با ستون درختی
پیشنهاد می شود که وصله های تیر برای ارضای شرایط زیر طراحی شوند :
الف - نیازی نیست که ظرفیت ممان پلاستیک وصله تیر ، بیشتر از ظرفیت ممان پلاستیک تیر باشد .
ب - ظرفیت ممان پلاستیک وصله ، باید Mps برابر یا بزرگتر از بزرگترین دو مقدار زیر باشد : ممان محاسبه شده در محل وصله یا 1 برابر ظرفیت ممان پلاستیک تیر .
ج - وصله باید به گونه ای طراحی شود که ظرفیت شکل پذیری دورانی 0.03 رادیان داشته باشد .
د - وصله تیر باید به گونه ای طراحی شود که ظرفیت تسلیم در مقطع کلی ورق حاکم باشد . سایر مودهای خرابی نظیر گسیختگی در مقطع خالص یا گسیختگی پیچ ، باید ظرفیت بیشتری از ظرفیت تسلیم داشته باشد . اتصالات تیرهای انتهایی به ستون باید مقاومتی بیشتر از تیر داشته باشند . مقاومت برشی چشمه اتصال باید 0,5 برابر برش متناظر با ظرفیت خمشی ، Mp ، تیرهای متصل به چشمه اتصال باشد .
ملاحظات طراحی
نخستین گام در طراحی سیستم قاب با ستون درختی ، تصمیم گیری در مورد محل وصله هاست . وصله های تیر را می توان در نقطه عطف تیر ، تحت بار ثقلی قرار داد . این نقطه در فاصله 1,10 تا 1,80 طول دهانه از تار مرکزی ستون قرار دارد . به علاوه ، با توجه به محدودیت های حمل و نقل توصیه می شود که وصله ها در محلی قرار گیرند که عرض کلی ستون از 2,5 متر تجاوز نکند . برای استفاده از فواید سیستم های با ستون درختی ، پیشنهاد شده است که وصله های اتصال تیر به صورت پیچی - جوشی یا کاملا پیچی اجرا شوند . وصله های پیچی فواید زیادی دارند . لغزش پیچ ها منبع قابل اطمینانی برای رفتار غیر ارتجاعی و اتلاف انرژی در سازه های فولادی است . در صورتی که لغزش تحت بارهای ثقلی رخ دهد ، مشکلاتی در بهره برداری سازه ایجاد می شود و باعث ترک خوردگی المان های غیر سازه ای ترد می شود . اما اگر لغزش تحت شرایط کنترل شده ،حین زلزله رخ دهد ، باعث بهبود عملکرد لرزه ای می شود .
منحنی های هیسترزیس لنگر- دوران
منحنی های هیسترزیس بدست آمده از بارگذاری سیکلی برای تمامی مدل ها رسم شده اند که دو نمونه از آنها در شکل های 4و5 نشان داده شده است . در منحنی های هیسترزیس لنگر - زاویه دریفت ، منظور از لنگر ، لنگر در وجه ستون و منظور از دریفت ، نسبت تغییر مکان انتهای تیر کوتاه به طول تیر کوتاه می باشد . خط افقی رسم شده ، خط Mp می باشد که برای بررسی شرایط قاب خمشی با شکل پذیری ویژه با توجه به ضوابط آیین نامه ای AISC و بررسی مقاومت اتصال رسم شده است . در آیین نامه لرزه ای AISC ذکر شده است که در قاب های خمشی با شکل پذیری ویژه ، مقدار لنگر در وجه ستون در زاویه دریفت %4 رادیان نباید از %80 لنگر پلاستیک تیر کمتر باشد . همانگونه که مشاهده می شود در مدلها مقدار لنگر در وجه ستون در زاویه %4 رادیان از 0.8Mp بیشتر می باشد . همچنین در مدل CT-S-H ، تا قبل از رسیدن به زاویه دوران 0,04 رادیان ، کمانشی رخ نداده است .در صورتیکه مدل CT-H در زاویه دریفت 0,03 رادیان دچار کمانش گردید. بنابراین می توان نتیجه گرفت که مدل CT-S-H قابلیت استفاده در قابهای خمشی ویژه را دارد .
در صورتیکه در مدل CT-H علیرغم اینکه مقدار لنگر در وجه ستون در زاویه دوران 0,04 رادیان از Mp نیز بیشتر می باشد ، اما با توجه به اینکه این مدل در زاویه دریفت 0,03 رادیان دچار کمانش گردید . با توجه به آیین نامه AISC ، قابلیت استفاده در قابهای خمشی ویژه را ندارد زیرا یکی از شرایط اتصال خمشی ویژه این است که اتصال مورد مطالعه تا قبل از رسیدن به زاویه دوران 0,04 رادیان ، دچار زوال نگردد . با توجه به ضوابط آیین نامه لرزه ای AISC در مورد قاب های خمشی متوسط ، اتصال می بایست حداقل تا زاویه دوران 0,02 رادیان دچار زوال نشود . لذا می توان گفت که مدل CT-H قابلیت استفاده در قابهای خمشی متوسط را دارد .
منحنی های پوش لنگر- دوران
برای مقایسه دو مدل مذکور با یکدیگر ، در شکل - 6 - منحنی های پوش لنگر تیر بر تکیه گاه در کنار یکدیگر رسم شده است . همانطور که ملاحظه می شود ، قرار دادن سخت کننده در دو طرف جان تیر و در محل نوک ماهیچه ، تاثیری در رفتار خطی سیستم ندارد اما باعث افزایش مقاومت در ناحیه غیر ارتجاعی می شود . افت هایی که در منحنی ها مشاهده می شود ، ناشی از بروز کمانش در تیر است .
منحنی های هیسترزیس لنگر - دوران چشمه اتصال
برای بررسی چرخش چشمه اتصال ،منحنی های لنگر در وجه ستون، نسبت به زاویه چرخش چشمه اتصال برای مدل ها در شکل 7 و 8 رسم شده است . زاویه چرخش چشمه اتصال از رابطه زیر بدست می آید: که در رابطه فوق a و b ابعاد اولیه چشمه اتصال 1 و 2 تغییر در طول قطرهای چشمه اتصال می باشند . همانگونه که در شکل های فوق ملاحظه می شود ، چرخش چشمه اتصال بسیار ناچیز است . زیرا تیر کوتاه غیر منشوری در هر دو اتصال فوق ، این امکان را ایجاد می کند که محل اتلاف انرژی و تغییر شکل اتصال در خارج از ستون و در تیر اتفاق بیفتد و عملکرد چرخشی، کاملا از مشارکت ناحیه چشمه اتصال ، مستقل می باشد .
