بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مروری بر عملکرد انواع اتصالات کاهش یافته در مقطع تیر (RBS)
چکیده
زلزله 1994 نورتریج و 1995 کوبه سبب گردید تا اتصالات گیردار قابهای خمشی فولادی در ناحیه جوش بال تیر به ستون
شکست ترد را تجربه کرده و موجب عملکرد ضعیف اتصال و قاب گردند که علت این پدیده، ایجاد مفصل پلاستیک در آن
ناحیه بحرانی بودهاست. در این راستا، راهحلهایی توسط محققین جهت دور نمودن مکان مفصل پلاستیک از بر ستون پیشنهاد گردید و از آنجمله میتوان به اتصالات کاهشیافته در مقطع تیر که تحت عنوان 1RBS شناخته می شوند و نوع خاصی از آن
نیز در ایران با نام استخوانی شهرت یافتهاست اشاره نمود. در این اتصالات، سطح مقطع تیر در فاصله مشخصی از ناحیه
بحرانی اتصال کاهش داده میشود تا مفصل پلاستیک مورد انتظار در محلی دور از بر ستون ایجاد گردیده و با عملکردی مشابه فیوز، از شکست ترد اتصال جلوگیری بهعمل آورد.
واژههای کلیدی: قاب خمشی - اتصال کاهشیافته - (RBS) چشمه اتصال - تغییرمکان جانبی
مقدمه
لزوم دور نمودن مفصل پلاستیک اتصالات گیردار قابهای خمشی از بر ستون و انتقال آن به ناحیهای در تیر بهمنظور
پیشگیری از وقوع شکست ترد جوشهای ناحیه اتصال، با دو استراتژی تقویت اتصال و یا کاهش مقطع تیر (RBS)، و برقرار نمودن اصل تیر ضعیف – ستون یا اتصال قوی، برآورده میگردد. روش اول، بهرهگیری از راهحلهایی مانند: تقویت اتصال
خمشی با ورق کناری، تقویت اتصال خمشی با ماهیچه، تقویت اتصال خمشی با پشتبند، اتصال صلب پیچی با سپری
انتهایی، اتصال صلب پیچی با صفحه انتهایی و اتصال خمشی پسکشیده و امثال آن را اتخاذ مینماید که همگی قادر به
دورنمودن محل تشکیل مفصل از بر ستون به درون تیر میباشند؛ اما در عینحال، مشکلاتی از قبیل جنبههای معماری و هزینه
بالای اجرا را در پی خواهند داشت. جدول 1 مقایسه هزینهها در تحقیقی در آمریکا را بهطور خلاصه نشان میدهد:
جدول -1 مقایسه هزینه انواع اتصال (2)
در روش دوم (Reduced Beam Section)، قسمتی از مقطع بال یا جان مقطع برداشته میشود تا با کاهش میزان ممان
اینرسی مقطع در آن ناحیه و فراهم نمودن رفتار فیوز مانند در ناحیه RBS، مکان تشکیل مفصل پلاستیک به آن ناحیه انتقال
یابد و از بهوجودآمدن شکست در جوش اتصال جلوگیری بهعمل آورد. این عمل خود توسط روشهای مختلفی قابل اجرا
میباشد که از آنجمله میتوان به کاهش مقطع بال به روشهای مختلف، کاهش ارتفاع جان و یا ایجاد حفره در جان تیر اشاره نمود. ایجاد RBS بهکمک این روشها نیز، مشکلاتی از قبیل کاهش مقاومت و افزایش میزان کمانش جانبی - پیچشی را در پی خواهد داشت. مشکلات فوق بهکمک روش ایجاد RBS با جان چیندار (یا آکاردئونی) (AW-RBS) که در آن قسمتی از جان تیر در فاصله مشخصی از بر ستون برداشتهشده و بهجای آن ورقهای چین دار (مانند نبشی) در دو طرف ناحیه مذکور
جوش دادهمیشود، مرتفع میگردد (شکل .(1
شکل -1 اتصال گیردار با جان چیندار (7)
در این تحقیق به معرفی و بررسی انواع کاهشیافته پرداخته میشود. نتایج تحقیقات انجام شده بر روی انواع مختلف این
اتصالات نشان دهنده مؤثر بودن آنها در انتقال مفصل پلاستیک تیر به بیرون از ناحیه چشمه اتصال، ظرفیت دورانی بالا و
شکلپذیری و جذب انرژی بالای آنهاست.
اتصالات کاهشیافته در بال
در قابهای خمشی ویژه، حصول یک رفتار شکلپذیر و بدون شکست برای اتصال، از اهداف اساسی و مورد انتظار طراحی
محسوب میگردد. اتصال RBS با تضعیف موضعی سطح مقطع تیر در بخشی از طول تیر بهمنظور ایجاد یک ناحیه مفصل
پلاستیک در دهانه تیر و در محلی دور از بر ستون، ظرفیت خمشی تیر با ممان مورد نیاز برابر نموده و سازه را به عملکرد
مطلوب مورد انتظار، نزدیک می نماید. چندین روش برای انجام این کاهش سطح مقطع پیشنهاد شده است؛ یکی از این روشها، برداشتن قسمتی از بالهای تیر بصورت متقارن حول محور تیر میباشد. در این روش، جهت ممانعت از ایجاد تمرکز تنش، که میتواند آغازگر شکست باشد، و بهمنظور ایجاد امکان انتقال یکنواخت نیرو، خطوط کناری مقطع کاهشیافته، باید پرداخت شود. ایجاد پروفیل استخوان سگی که در ایران به اتصال استخوانی (Dogbone) شهرت یافته است، به سه صورت
قابل انجام است که عبارتند از: استخوان مستقیم، استخوان خطی و استخوان شعاعی. روش دیگری که برای کاهش مقطع تیر
پیشنهاد شده است، ایجاد یک سری سوراخ در بالهای تیر میباشد که این سوراخ ها میتوانند همگی دارای قطر یکسان باشند و یا اینکه با توجه به نیاز خمشی قطر آنها به سمت اتصال کاهش یابد (شکل .(2
شکل -2 انواع اتصالات کاهشیافته در بال (2)
کاهش مقطع در بال پایینی
بهسازی اتصالات صلب فولادی متداول از طریق کاهش مقطع بال به علت عدم دسترسی به بال بالایی تیر که معمولا در دال بتنی مدفون است و پرهزینه بودن تخریب دال و برش بال بالایی، از طریق ایجاد اتصال RBS در بال پایینی اجرا میگردد.
مشخصات برش در این حالت همانند زمانی است که هر دو بال دارای بریدگی هستند. نمونههای آزمایشگاهی ساختهشده و
تحلیل اجزاءمحدود مدلها نتایج زیر را بهدست میدهد:
الف) مقاومسازی اتصال با کاهش مقطع بال پایینی، علاوه بر هدایت مناسب مفصل پلاستیک به داخل تیر، باعث کاهش لنگر
در بر ستون به میزان 0.08 و در نتیجه کاهش نیروی وارد شونده بر چشمه اتصال شود.
ب) بر اثر کاهش نیروهای وارد شونده بر چشمه اتصال، میزان چرخش پلاستیک چشمه اتصال 52% کاهش یافته است.
ج) با بررسی نمودارهای تنش در امتداد ناحیه کاهشیافته در بال بالایی و پایینی مشخص می شود که ایجاد اتصال RBS
باعث افزایش اندکی در میزان تنش در بال بالایی میشود.
د) نمودارهای اتلاف انرژی بهدست آمده در امتداد ناحیه کاهشیافته نشاندهنده اتلاف عالی انرژی توسط ناحیه کاهشیافته در
بال پایینی تیر است. این امر باعث کاهش احتمال شکست در جوش متصلکننده بال تیر به بال ستون میشود .( 3)
در این آزمایشات، بهمنظور حداقل کردن تأثیر دال بر مفصل پلاستیک خمشی، گلمیخهای برشی از قسمتی از بال فوقانی که
دارای مقطع کاهشیافته بوده است، حذف شده و علاوه بر آن بهمنظور کاهش تأثیر دال بر اتصال در بر ستون، یک شکاف عریض یک اینچی در اطراف ستون تعبیه شدهاست.
اتصالات RBS با جان پیچی
نمونههای RBS با جان پیچی، بهدلیل وقوع شکست زودهنگام جوش بال تیر، عملکرد ضعیفی از خود نشان میدهند. انتشار بیشتر شکست فلز اصلی در نمونههای با جان پیچی، حداقل تا یک اندازه، به افزایش کرنش در بال تیر بهخاطر افت و لغزش جان پیچی، و مکانیسم بار واقعی انتقالیافته که به میزان قابلتوجهی با مقدار فرضشده در طراحی اتصال تفاوت دارد وابسته است. لذا یک طراحی جدید لرزهای که استوار بر مطالعات تحلیلی و تجربی میباشد در این تحقیق ارائه گردیدهاست.
بررسی کرنشها برای نمونه با جان جوشی و تقویتشده چشمه اتصال، و نمونه پیچی با چشمه تقویتشده در زمانیکه نمونه پیچی دچار شکست گردیدهاست، نشان میدهد که نمونه پیچی کرنش بیشتری را نسبت به دیگری تجربه میکند؛ و چون دو نمونه فقط در نحوه اجرای جان با یکدیگر تفاوت داشتند، امکان لغزش و شکست در نمونه پیچی به مراتب بیشتر از جوشی
خواهد بود.
تحقیقات نشان میدهد که محدوده میانی جان تیر در نزدیکی زبانه برشی بدون تنش باقی خواهد ماند و بیشتر تنش توسط بال تیر انتقال داده میشود و بنابراین افزایش تنش در بال را بهدنبال خواهد داشت. اندازهگیری کرنش برشی سیکلی نشان میدهد که در محدوده میانی جان تیر برش معکوسی خواهیم داشت، درحالیکه مکانیسم انتقال برش در اتصالات RBS برای تئوری
کلاسیک تیر پیشبینی نشدهاست.
برای رسیدن به نتایج دقیقتر، از نرمافزار آباکوس و با المانهای 8گرهی (C3D8R) بهره گرفته شدهاست. نتایج بهدستآمده
از تحلیل، نتایج ژول و همکارانش را تأیید میکند (شکل .(8) (3
الف ب
شکل -3 الف) نحوه توزیع تنشهای اصلی در بر ستون، ب) طرح پیشنهادی برای اتصال با جان پیچی براساس مطالعات تجربی و تحلیلی .(8)
برای ارتقاء جان تیر، مطابق شکل 2، از دو زبانه برشی که مسیر پیچهای قطری آن دقیقا منطبق بر مسیر جریان برش بوده و در
محدوده وسط تیر هم از یکدیگر جدا شدهاند استفاده شدهاست؛ ضمنا عرض زبانهها به صورتی افزایش یافتهاست تا منطبق نمودن مسیر پیچهای جان در دو خط قطری، نیروی برشی موجود در گوشهها کاملا جذب گردد.
با ساخت نمونه پیشنهادی، مشاهده گردید که نمونه چرخشی برابر 5% رادیان را بدون شکست میتواند تجربه نماید .(8)
طراحی معادله برای مقاومت خمشی اتصالات RBS-B
هدف از این بخش، ارائه یک معادله برای اتصالات کاهش یافته با جان پیچی است تا با دقت بیشتری نسبت به آئیننامه FEMA-350، بتوان مقاومت خمشی این اتصالات که در تحقیقات گذشته اثبات گردیدهاست که قبل از ایجاد مفصل
پلاستیک دچار شکست میشوند را محاسبه نمود (معادله .(1
(1)
پس از طراحی معادله مورد نظر، به طور خلاصه میتوان بیان نمود که:
(1 معادله پیشنهادی توسط FEMA-350 مقاومت خمشی این نوع اتصال را بیشتر از مقدار بدست آمده از آزمایشها برآورد مینماید؛ و از این لحاظ قادر به تحمل بار اتصال نبوده و قبل ایجاد مفصل پلاستیک در آن دچار شکست میگردد. (2 عمل کردن به رابطه اغراقآمیز FEMA باعث دو فرض غلط در طراحی میگردد:
الف) مقاومت خمشی هر دو اتصال جان جوشی و جان پیچی با هم برابرند؛ ب) ظرفیت تنش نرمال بال با افزایش تنش برشی تحمل شده توسط بال در چشمه اتصال در رابطه نبوده و کاهش نمییابد.
3) نسبت دهانه به عمق بویژه برای مقاطعW آمریکایی، اگر از 10 کوچکتر شد، باید از بکار بردن این نوع اتصالات
خودداری نمود، چون اکثر مقاطع مذکور، قابل کاهش دادن تا حد مورد قبول برای این نوع اتصال نیستند .(4)
