بخشی از مقاله
خلاصه
در مقاله حاضر عملکرد اتصال پیچی تیر به ستون تشکیل یافته از مقطع جفت ناودانی فولادی سرد شکل داده شده با بال خمیده که به صورت پشت به پشت به هم متصل گردیدهاند در قاب خمشی مورد بررسی قرار گرفته است. در این اتصال انتقال نیروهای تیر به ستون توسط ورق واسطه صورت گرفته است به منظور مدلسازی کامپیوتری اتصال از روش اجزای محدود استفاده شده است.
همچنین سعی شده است با در نظر گرفتن اثر لغزش در اتصالات پیچی طراحی شده، تاثیر آن بر شکل پذیری قاب سنجیده شود. نتایج این تحقیق نشان داده است که اتصال طراحی شده نهتنها صلبت و شکل پذیری مناسبی را فراهم میآورد بلکه با استفاده از سختکنندههای افقی و قائم مناسب شرایط مورد نیاز برای استفاده در قاب خمشی ویژه را نیز ارضا مینماید.
1. مقدمه
مقاطع فولادی سرد شکل داده شده به طور معمول در ساخت سقفها و دیوارها در ساختمانهای صنعتی و تجاری، قفسههای فولادی، قطعات هواپیما ، خرپای فضایی، کفها و عرشه های فولادی، قابهای ساختمانی و... کاربرد دارند. از جمله مزایای این مقاطع میتوان به ارزان بودن آنها و سادگی تشکیل مقاطع با شکلهای متنوع اشاره نمود.
برخلاف اعضای فولادی گرم نورد شده, مقاطع حاصل از نورد سرد معمولا نازکتر بوده و مستعد انواع مختلف مدهای کمانش میباشند. به همین دلیل به کارگیری روشی به منظور افزایش پایداری در برابر پدیده کمانش موضعی در این نوع مقاطع موضوع کار بسیاری از محققیق قرار گرفته است. نحوه اتصال این مقاطع به همدیگر به دلیل نازک بودن آنها و نیز وجود پوشش گالوانیزه موضوع مهم دیگری است که علاوه بر مطالعات نظری نیازمند آزمایشات گسترده تر تحت شرایط بارگذاری مختلف میباشد.
استفاده از اجزای سرد شکل داده شده به همان صورت که در قاب خمشی فولادی گرم نورد شده مرسوم است توسط والنسیا و کلمنت [1] مورد ارزیابی قرار گرفت. در این آزمایشها از مقاطع جفت ناودانی که پشت به پشت به هم متصل شده بودند به عنوان تیر در این نوع سیستم سازه ای مورد استفاده قرار گرفت. نتایج آزمایش ها نشان داد که استفاده از این مقاطع در شرایط لرزهای امکان پذیر نمیباشد.
عیب عمده این مقاطع نسبت عرض به ضخامت زیاد در بال فشاری بود که باعث تغییر شکلهای موضعی قبل از تشکیل مفصل پلاستیک میشد و شکلپذیری قاب را به طور قابل ملاحظه ای کاهش میداد. در سال 2011 باقری صباغ و همکاران [2 - 5] امکان استفاده از مقطع جفت ناودانی با بال خمیده به جای مقاطع ناودانی مرسوم را موضوع تحقیق خود قرار دادند.
اجزای بال تیر در این حالت با عملکرد طاقی خود مانع از وقوع کمانش ناگهانی در بال فشاری میشوند. آنها همچنین در تحقیقی مشابه حداقل تعداد سخت کننده قائم مورد نیاز برای به تعویق انداخت کمانش ناگهانی در تیر مورد نظر را با ترسیم نمودارهای لنگر- انحنا برای هر حالت بدست آوردند. نتایج این تحقیقات نشان داد که مقاطع پیشنهاد شده نسبت به جفت ناودانی با بال صاف مقاومت و شکل پذیری بیشتری ارائه میکند.
در سال 2010 میرقادری و همکاران [6] جزئیاتی از اتصال تیر با مقطع I به ستون قوطی شکل در قاب خمشی فولادی گرم نورد شده ارائه نمودند. در این اتصال ورق واسطه وظیفه انتقال نیروها از تیر به ستون را بر عهده داشت. در ادامه این تحقیق با استفاده از روش کار مجازی فرمولی جهت تعیین ضخامت مورد نیاز ورق واسطه به منظور تشکیل مفصل پلاستیک در تیر محاسبه گردید. اگرچه شیوه اتصال مشخص شده در این مقاله به صورت جوشی بود ولی با اندکی تغییر این امکان وجود داشت که بتوان آن را در اتصال پیچی قاب خمشی فولادی سرد شکل داده شده استفاده کرد. نتایج این آزمایش نشان داد که اتصال معرفی شده صلبیت کافی جهت استفاده در قاب خمشی ویژه فولادی ارائه میدهد.
در تحقیق پیش رو اتصال ممانگیر تیر مقطع جفت ناودانی همراه با بال خمیده که پشت به پشت متصل شدهاند به ستون در قاب خمشی فولادی سرد شکل داده شده توسط ورق واسطه بررسی میشود. ورق واسطه نقشی اساسی در انتقال نیروهای وارده به انتهای نزدیک و انتهای دور ستون بر عهده دارد. از روش اجزای محدود برای مدل سازی کامپیوتری استفاده خواهد شداولین مرحله در مدلسازی به روش اجزای محدود تقسیم فضای مسئله به اجزای مورد نظر میباشد. اجزای در نظر گرفته شده میبایست قابلیت در نظر گرفتن مسائل پلاستیسیته، سخت شوندگیها، تغییر شکلهای بزرگ و کرنشهای بزرگ را داشته باشند.
چگونگی مدلسازی پیچها برای انجام تحلیل های عددی در حالت سه بعدی همواره یکی از مسائل مورد چالش بوده است. در مواقعی به دلیل بزرگ شدن ابعاد مسئله، مدلسازی کامل پیچها تا اندازه ای غیر عملی میشود، به همین دلیل روشهای مختلفی همانند روش اجزای خطی با گرههای کوپل شده توسط محققین برای جایگزینی مدلسازی پیچها مطرح شده است. کاملترین روش مدلسازی استفاده از المان مکعبی برای مدلسازی کامل پیچ است که میتواند تمامی خصوصیات پیچ را مدل کند. در این حالت باید اجزای تماسی در تمامی محل ها مورد استفاده قرار گیرد.
یکی از مهم ترین مشکلات پیش روی مدلسازی اتصالات پیچی تاثیر پدیده لغزش بر رفتار این اتصالات میباشد. تحقیقات انجام گرفته در مورد عملکرد لرزهای اتصالات پیچی اتکایی نسبتا محدود میباشد. بعد آغاز لغزش در پیچ به علت عملکرد غیر غابل پیشبینی برشی- لغزشی منحنی لنگر- دوران به شدت غیر خطی میگردد که نهایتا منجر به تماس پیچ با بدنه و لهیدگی سوراخ میشود. در نظر گرفتن عملکرد لغزشی پیچ میتواند در اتلاف انرژی زمین لرزه بسیار سودمند باشد، زیرا در این حالت چرخه های هیسترزیس یکنواختی تشکیل میشود به همین ترتیب تغییر شکلهای پلاستیک در اعضای متصل شده به تاخیر میافتد.
این امر در سازه های ساخته شده از اعضای نازک سرد شکل داده شده که در معرض کمانش موضعی ناگهانی قرار دارند بسیار حائز اهمیت میباشد. برای مدلسازی مناسب اثر لغزشی پیچها، تعریف رفتار الاستو- پلاستیک مناسب برای این اجزای رابط نیاز میباشد. استفاده از این روش به جای مدلسازی واقعی بدنه پیچ حجم محاسبات را بسیار پایین آورده و مشکل همگرایی جواب ها را به میزان قابل قبولی بهبود میبخشد. به واسطه مطالعات انجام گرفته توسط بااقری صباغ و همکاران [7] جزئیات مناسبی از اتصال خمشی تیر به ستون توسط ورق واسطه ارائه گردید. نتایج موفقیتآمیز آزمایش این اتصال و شکل پذیری مناسب آن ما را بر آن داشت که در مقاله پیش رو به بررسی عددی این مطالعات آزمایشگاهی بپردازیم.
.2 جزئیات مدلسازی اجزای محدود اتصال تیر به ستون
در تحقیق پیش رو از نسخه 6.11 نرمافزار [8] Abaqus به منظور تحلیل اجزای محدود استفاده شده است. این نرمافزار به عنوان ابزاری چند منظوره جهت تحلیل اجزای محدود مورد استفاده قرار میگیرد. توسط Abaqus میتوان انواع تحلیلها از جمله تحلیل کمانشی الاستیک و غیر الاستیک، تحلیل پلاستیک همراه با اثر سخت شوندگی و ... انجام داد. همچنین برخورداری از طیف وسیعی از شیوه های تعریف مصالح و مشبندی آن را جزء قوی ترین برنامههای تحلیلی اجزای محدود قرار میدهد.
از دو نمونه تیر به ضخامتهای - 3نمونه - A و - 4نمونه - B میلیمتر همراه با سخت کنندههای بهینه همانند مطالعات آزمایشگاهی استفاده شده است. ابعاد اسمی قسمت های مختلف اتصال در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که میتوان مشاهده نمود از ورقهای واسطه به ضخامت های 8 و 10 میلیمتر به ترتیب برای نمونه های A3 و B3 استفاده شده است.
همچنین جزئیات مربوط به نحوه قرار گیری اتصال در قاب آزمایشگاه و عکسی از برپایی اتصال نهایی در شکل 2 قابل رؤیت میباشد. همانگونه که در آییننامه لرزهای طراحی ساختمانهای فولادی آمریکا [9] ذکر شده است مهار جانبی کافی میبایست در محل پیشبینی شده تشکیل مفصل پلاستیک و در نقطهای که بارگذاری متمرکز اعمال میشود، رعایت گردد - شکل . - 2
1.2 مشخصات مصالح
مشخصات نمودار تنش- کرنش بدست آمده از تستهای کششی بر روی ورقهای فولادی سرد شکل داده شده، که بر اساس استاندارد ASTM [10] A370-02 صورت پذیرفت، به صورت منحنی سه خطی الاستیک- پلاستیک همراه با اثر سختشوندگی تقریب زده شد.
