بخشی از مقاله
خلاصه
مهاربندهای ضربدری به دلایلی همچون سختی قابل توجه، سرعت و سهولت اجرا از پرکاربردترین سیستمهای مهاربندی در سازه های فولادی بویژه در ایران به حساب میآیند. عضو فشاری مهاربند ضربدری نیروی قابل توجهی را باید تحمل کند و برای اینکه بتواند کمانش کرده و عملکرد خوبی داشته باشد، نیازمند اتصال مناسب به اعضای اصلی قاب میباشد. برای این اتصال عموماً از ورق گاست استفاده میشود و آییننامه دو راهکار برای اتصال کناری مهاربندها پیشنهاد میکند: روش اول استفاده از اتصال گیردار و روش دوم رعایت فاصله خطی دو برابر ضخامت ورق گاست از خط آزاد خمش است.
در این بررسی با مدلسازی سهبعدی یک قاب یک طبقه یک دهانه در نرمافزار اجزاء محدودی آباکوس ضریب طول مؤثر به وسیله آنالیز کمانشی در صورت رعایت و عدم رعایت فاصله خطی دو برابر ضخامت ورق گاست بررسی شده است. همچنین تأثیر ضخامت ورق گاست در کمانش نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. البته جهت اثر نگذاشتن اتصال میانی و با توجه به شباهت منحنی هیسترزیس سیستم مهاربندی قطری تحت بار سیکلیک و سیستم مهاربندی ضربدری در این بررسی مهاربند به صورت قطری مدل شده است.
1. مقدمه
در مناطق لرزهخیز، یکی از اصول طراحی سازه این است که سازه سختی جانبی کافی برای کنترل جابجایی بین طبقات را داسته باشد. این اصل به منظور جلوگیری از صدمه دیدن اعضای غیرسازهای در ساختمانها است. همچنین در زلزلههای کوچک و متوسط عناصر سازه باید در محدوده الاستیک قرار داشته و مقاومت کافی داشته باشند به نحوی که خرابی در سازه به وجود نیاید. بر این اساس در طراحی سازهها برای مقابله با نیروهای جانبی تأمین سختی و قابلیت جذب انرژی به طور همزمان مورد نظر طراحان میباشد. در همین راستا علاوه بر شکل هندسی قاب، شکل هندسی مهاربندها و اتصالات آنها نقشی غیر قابل انکار دارند.
برای دستیابی به یک سازه ایمن وکارا لازم است، اعضای اصلی آن نظیر تیرها و ستونها به نحو مناسبی به یکدیگر متصل شده تا بتوانند با عمل یکپارچه خود بهرهوری مورد نطر را تأمین کنند. به بیانی دیگر اتصالات وظیفه انتقال نیروها و تأمین یکپارچگی از یک عضو سازهای به عضو دیگر آن و یا به تکیهگاه را انجام میدهند. دو وظیفه عمده اتصالات در سازهها را میتوان انتقال نیرو بین اعضای سازه جهت ارضای شرایط تعادل و تأمین یکپارچگی و انسجام بین اعضای مختلف آن جهت تأمین شرایط سازگاری بیان کرد.
بررسی دقیق عملکرد اتصالات در یک سازه فولادی از اهمیت ویژهای برخوردار است و عدم دقت در طراحی و اجرای اتصالات در سازههای فولادی نهتنها موجب خرابی در خود اتصال میشود، بلکه اثرات ویرانکنندهای نیز بر اعضای سازه و در نتیجه کل سازه خواهد داشت. بر اساس اطلاعات موجود، اغلب ویرانیها در سازههای فولادی در اثر ضعف عملکرد اتصالات گزارش شده است. بنابراین درک صحیح و آگاهی کاملی از رفتار اتصال، نحوه انتقال نیروها و اثرات آن بر رفتار کلی سیستم سازهای ضروری حس میشود. [1]
بادبندهای ضربدری یکی از رایجترین و مطمئنترین سیستمهای مهاربندی بهخصوص در ایران هستند که هنگام وقوع زلزله یا وارد شدن نیروهای جانبی دیگر یکی از آنها به کشش و دیگری به فشار میافتد. متداولترین روش برای اتصال انتهایی دو عضو مهاربندهای ضربدری به اعضای اصلی قاب استفاده از ورق گاست است. با توجه به اینکه قابهای فولادی مهاربندیشده بدون درنظرگیری اثر ورق گاست مورد طراحی قرار میگیرند و این عضو سازه در مرحله جداگانهای بدون توجه به تاثیرات متقابلش با قاب طراحی میشود، ممکن است نتایج این طراحی با آنچه در واقعیت اتفاق میافتد متفاوت باشد و ظرفیت مورد نظر از طریق ورق گاست تأمین نشود.
همچنین طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان اتصال مهاربندیها باید علاوه بر تأمین مقاومت کششی و فشاری مورد نیاز، با کمانش مهاربندیها هم سازگاری داشته باشد. به همین منظور باید یکی از این الزامات را برآورده نماید.اول اتصال اعضای مهاربندی باید دارای مقاومت خمشی مورد نیاز برابر 1/1 RyMp باشد که در آن، Mp لنگر خمشی پلاستیک مقطع عضو مهاربندی حول محور کمانش بحرانی مقطع است و دوم سازگاری با دوران غیرالاستیک حاصل از تغییرشکلهای پس از کمانش در خارج از صفحه مهاربندی از طریق مهیا نمودن شرایط کمانش بحرانی مهاربندی در خارج از صفحه قاب و قطع مهاربندی به اندازه دو برابر ضخامت صفحه اتصال - 2t - قبل از خط تکیهگاهی ورق اتصال - خط آزاد خمش - . [2]
اولین آزمایشات مهم واساسی انجامشده بر روی اتصالات سیستمهای مهاربندی در سازههای فولادی در فاصله سالهای 1983 تا 1988 توسط ژورهوده و چاکرابارتی در دانشگاه آلبرتا انجام گردید که اثرزاویه مهاربند و ضخامت ورق گاست را در 6 نمونه با ابعاد واقعی سنجیدند و مشخص شد که ورق گاست و نوع اتصال میتواند نقش مهمی داشته باشد . 3]و[4 در ادامه بررسیهای بیشتر منجر به ارائه فاصله خطی دو برابر ضخامت ورق گاست شد که در آیین نامه ها نیز وارد شد که الیته در دهه اخیر مطالعاتی بسیاری روی آن شده است.
ازجمله مطالعات لیمن و ردر که فاصله آزاد بیضوی 5 ] و [6 و یا مطالعات ویجسوندارا و همکاران که فاصله آزاد سهخطی را پیشنهاد کردند. [7] البته در هیچ یک از این بررسیها آنالیز کمانش استفاده نشده که در این مقاله با استفاده از آن اثر شرایط اتصال روی ضریب طول مؤثر سنجیده شده است. از آن جایی که صرفا اثر اتصال کناری مورد نظر است برای جلوگیری از اثر گذاری اتصال میانی استفاده از مهاربند قطری در دستور کار قرار گرفته است.
2. مدلسازی و نمونهها
در این بررسی یک قاب یک طبقه یک دهانه با مهاربند قطری مدل شده است. این مدل دارای دو ستون با مقطع IPB160 ، دو تیر با مقطع IPE200 و مهاربند با مشخصات مقطع 2UNP140 ، ارتفاع طبقه 4 متر و طول دهانه نیز 4 متر است و از مشخصات فولاد S235 برای مقاطع استفاده شده است. برای شبیهسازی اتصال مفصلی بین تیر و ستون 80 درصد از جان ستون امتداد یافته و به تیر متصل شده است. - شکل - 1 همچنین همه تیرها وستونها در راستای خارج از صفحه مقید شدهاند تا از کمانش آنها جلوگیری شود.
برای طراحی اتصال کناری از ضوابط آییننامه اتصالات در سازه های فولادی استفاده شده است.[8] کلیه المانها از نوع Solid انتخاب شدهاند. جهت مشبندی المان ها در نواحی اتصال که دارای اهمیت بیشتری هستند از مش با ابعاد 20 میلیمتر در 20 میلیمتر و در سایر قسمتها از مشبندی بزرگتری استفاده شده است. برای اعمال بار نیز یک قطعه صلب در سرتاسر بال تیر فوقانی قرار گرفته است تا بار به وسیله آن منتقل گردد.
در این تحقیق 6 نمونه مختلف مدل شدهاند. برای بررسی اثر میزان پیشروندگی مهاربند روی ورق گاست سه مدل پیشبینی شدهاند که در مدل اول مهاربند دارای فاصله آزاد خطی دو برابر ضخامت ورق گاست از خط آزاد خمش - خطی که انتهای ورق گاست روی تیر و ستون را به یکدیگر متصل میکند - است، در مدل دوم مهاربند روی خط آزاد خمش قرار دارد و در مدل سوم مهاربند تا انتها امتداد یافته است. همچنین جهت بررسی اثر ضخامت ورق گاست در آنالیز کمانشی و ضریب طول مؤثر سه مدل لحاظ شدهاند که در آنها ضخامت ورق گاست به ترتیب 1/5، 2 و 2/5 سانتیمتر است و در هر سه مهاربند دارای فاصله آزاد خطی است.
3. آنالیز کمانش
آنالیز کمانشی بر روی هر 6 نمونه انجام میشود و مودهای کمانش به دست خواهند آمد. برای انجام آنالیز کمانش در نرمافزار آباکوس دوگزینه وجود دارد که گزینه اول روش Lanczos و گزینه دوم روش Subspace میباشد. روش Lanczos دارای محدویتهایی است که یکی از آنها مربوط به مدلهایی میباشد دارای سطوح تماس در قسمت های مختلف هستند. در نتیجه با توجه به تعداد بالای سطوح تماس در این مدلها از روش Subspace استفاده میشود.
پس از انجام آنالیز با توجه به مود کمانش اولیه که احتمال وقوع آن بیش از سایر مودهاست ابتدا نیروی بحرانی مهاربند محاسبه شده و سپس با استفاده از فرمول اولر ضریب طول مؤثر عضو در مدلهای مختلف به دست میآید و با یکدیگر مقایسه میشوند.ابتدا به سه مدل اول میپردازیم.در شکل 2 تصویر مربوط به سه مدل اول دیده میشود که در مدل اول مهاربند در فاصله 2tp از خط آزاد خمش قطع شده است. در مدل دوم تا خط آزاد خمش ادامه یافته و در مدل سوم تا انتها ادامه مییابد. جدول 1 نتایج مربوط این سه مدل را نمایش می دهد.
