بخشی از مقاله
خلاصه
اتصالات خمشی داراي سیستم ستون-درختی یکی از انواع سیستم هاي خمشی است که اخیراً در سازه هاي فولادي مورد استفاده روزافزون قرار گرفته است. در این نوع اتصال، جوش در کارخانه و پیچ در محل انجام می شود، لذا کیفیت اجرا مناسب تر از سایر انواع اتصالات خمشی است. مقاومت، سختی و شکل پذیري مناسب به همراه امکان کنترل کیفیت دقیق و سهولت اجرا از جمله دلایل اقبال طراحان و مجریان به چنین سیستم خمشی است. اغلب تیرهاي کوتاه در این نوع از اتصالات به صورت منشوري هستند.
در حالیکه تیرهاي کوتاه غیرمنشوري میتوانند اقتصادي تر باشند. در این مقاله به بررسی رفتار چرخه اي قاب هاي خمشی داراي سیستم ستون-درختی با تیر کوتاه غیرمنشوري و ستون با مقطع H پرداخته شده است. مدل اجزاي محدود سه تیپ مختلف اتصال - بدون سخت کننده جان، با سخت کننده جان در محل اتصال تیر کوتاه به تیر اصلی، با سخت کننده جان به فاصله معینی از محل اتصال تیر کوتاه به تیر اصلی - ساخته شده و تحت بارگذاري سیکلی قرار گرفته اند. منحنی هاي هیسترزیس، زاویه دریفت، مقاومت، سختی و شکل پذیري اتصالات بدست آمده و مقررات آیین نامه AISC براي تطابق آنها با شکل پذیري هاي مختلف بررسی شده اند. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که اتصالات مزبور به جز یک مورد قابلیت استفاده در قاب هاي خمشی ویژه را دارند.
1. مقدمه
تا قبل از وقوع زلزله نورث ریج در سال 1994، سازه هاي داراي قاب هاي خمشی، به عنوان شکل پذیرترین و همچنین مقاومترین سازه ها در برابر زلزله نسبت به سایر طرح هاي سازه اي دیگر محسوب می شدند. وقوع زلزله نورث ریج در ژانویه 1994، منجر به صدمات فراوانی در سازه هاي خمشی فولادي داراي اتصالات جوشی تیر به ستون گردید. بررسی هاي متعددي به منظور تعیین علل صدمات وارد شده به اتصالات مذکور انجام شد.
در پی این مطالعات، گسیختگی هاي 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، جلوگیري نموده و باعث تضعیف مقاومت اتصال در برابر بارگذاري زلزله می گردد. پس از زلزله نورث ریج مطالعات زیادي به منظور بهبود بخشیدن رفتار اتصال خمشی جوشی مربوط به قبل از زلزله نورث ریج 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 هاي کوتاه تیر یا یک تیر کوتاه چند تکه - تیر کوتاه مرکب از اتصال چند قطعه کوچکتر - ، که معمولاً 60 سانتیمتر الی 120 سانتیمتر طول دارند، در کارخانه به ستون ها جوش می شوند و پس از آنکه ستون هاي درختی در کارگاه نصب شدند، تیر اصلی به انتهاي دو تکه تیر جوش شده به ستون، پیچ می شود .[3] در سیستم ستون– درختی، به علت جوشکاري اتصال تیرهاي کوتاه به ستون که در کارخانه انجام می شود، جوش حاصل داراي کیفیت بالا و نیز قیمت مناسب است و در عین حال، بازرسی جوش نیز به سهولت امکان پذیر است.
امروزه استفاده از اتصالات ستون – درختی در کشورهاي زلزله خیزي از قبیل ایالات متحده و ژاپن، رواج یافته است. در کشور ما ایران نیز چند سالی است که استفاده از این اتصال در میان برخی از مهندسین سازه متداول گردیده است. اتصالات داراي سیستم ستون- درختی، انواع گوناگونی دارند. در این مقاله به مطالعه تحلیلی بر روي رفتار لرزه اي یک نوع جدید از سیستم اتصال ستون-درختی، تحت عنوان اتصال ستون-درختی با تیر کوتاه غیر منشوري خواهیم پرداخت. به منظور بررسی رفتار چرخه اي اتصال ستون – درختی با تیر کوتاه غیر منشوري، از تحلیل اجزاء محدود غیر خطی استفاده شده است.
2. مدل هاي مطالعه شده
مطالعه حاضر به ارزیابی اتصال ستون – درختی با تیر کوتاه غیر منشوري و ستون با مقطع H شکل می پردازد. در این پژوهش به منظور بررسی شکل پذیري ومقاومت این اتصال مطابق آئین نامه [1] AISC 2005، مدل اجزاء محدود نمونه هاي مورد مطالعه توسط نرم افزار [2] ANSYS ساخته شد. سپس منحنی هاي لازم براي بررسی شکل پذیري و مقاومت این اتصال رسم گردید و از روي این نمودارها، رفتار سیکلی این اتصال بصورت اجزاء محدود مورد مطالعه قرار گرفت. تیر اصلی از پروفیل H 588× 300×12×20 به طول 2030 میلی متر و ستون از پروفیل H 550x550x40x45 به طول 3000 میلی متر انتخاب گردید. همچنین مشخصات تیر کوتاه غیر منشوري به شرح زیر انتخاب شد.
در این تحقیق، 2 مدل مورد ارزیابی قرار گرفته است:
1. اتصال خمشی ستون- درختی با تیر کوتاه غیر منشوري، 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 منشوري، 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 جنس فولاد مصالح ASTM A572 Gr.50 می باشد که براي مدل کردن رفتار آن از مدل تنش کرنش دو خطی استفاده شده است. ضریب الاستیسیته فولاد 200 GPa و تنش تسلیم آن برابر 350 MPa لحاظ شده است. پس از نقطه تسلیم، منحنی با شیب خط دوم که برابر 0. 04 E می باشد، به روند صعودي خود ادامه می دهد. قانون سخت شوندگی در نظر گرفته شده ، قانون سخت شوندگی جنبشی می باشد. مدل پلاستیستیه براساس معیار تسلیم فون میسز و قانون جریان مرتبط بنا نهاده شده است. براي مدل سازي در نرم افزار، از المان Shell93 استفاده شده است.
مدل اجزاء محدود زیر سازه - Subassemblage - مورد مطالعه در نرم افزار [2] ANSYS مدلسازي شده است. شرایط مرزي به گونه اي در نظر گرفته شده که تکیه گاه پائین ستون بصورت غلتکی و تکیه گاه بالاي ستون بصورت مفصلی عمل نماید. بارگذاري بر روي تمامی گره هاي انتهاي تیر اصلی و در جهت قائم انجام گرفته است. براي بررسی رفتار اتصال از بارگذاري سیکلی استفاده شده است . بارگذاري استفاده شده ، بارگذاري استاندارد [4] SAC 97 می باشد که در آئین نامه لرزه اي AISC2005 و [6] FEMA350 نیز توصیه شده است. این بارگذاري در شکل 3 نشان داده شده است.
.3 نتایج
1.3 توزیع تنش و کرنش
در شکل هاي 4 و5 توزیع تنش فون میسز و کرنش پلاستیک معادل براي مدل هاي مورد مطالعه در زاویه دریفت 0/04 رادیان نمایش داده شده است. با توجه به توزیع تنش هاي ارائه شده مشاهده می شود که مفصل پلاستیک در خارج از ناحیه اتصال و در قسمت هاي ابتدایی تیر اصلی - خارج از ماهیچه - تشکیل می شود. توزیع کرنش هاي پلاستیک معادل نیز به خوبی این موضوع را تأیید می کند. تنشها عمدتاً در ستون ها در حد پائینی قرار دارند.
