بخشی از مقاله
معرفی نوع جدیدی از میراگرهای اصطکاکی در قاب های خمشی
خلاصه
در این مقاله، ابتدا به معرفی انواع اتصالهای لغزشی (میراگرهای اصطکاکی) مورد استفاده در قابهای خمشی پرداخته شده و سپس نوع جدیدی از آنها را که در محل وصله تیر قابهای خمشی اجرا میگردد معرفی شده که انرژی ورودی زلزله را بصورت گرما تلف میکند. میراگر اصطکاکی معرفی شده در این مقاله, ضمن کاربرد در قابهای خمشی, معایب میراگرهای اصطکاکی واقع در بادبندها را نداشته و علاوه بر بهبود رفتار لرزهای قابهای خمشی, از محاسن رفتار لرزهای آنها نیز بهره می برد.
کلمات کلیدی: میراگر اصطکاکی, اتصال لغزشی, اتصال پیچی, سیستم اتلاف انرژی
1. اتصال پیچی لغزشی (Slotted Bolted Connection)
یک اتصال پیچی لغزشی ( SBC )معمولاً از 5 ورق و تعدادی پیچ سفت کننده تشکیل شده است که در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل -1 شکل یک اتصال SBC همراه با جزئیات [1]
1
اتصال SBC میتواند از نوع متقارن یا نامتقارن باشد که شکل بالا از نوع متقارن میباشد. تمام ورق ها بجز gusset plate دارای سوراخ دایرهای برای بستن این پنج ورق به همدیگر هستند و دو صفحه برنجی بین gusset plate و صفحات اتصال به منظور تولید مکانیزم اصطکاک میباشند gusset plate .[1] بین دو صفحه برنجی تحت فشار قرار دارد و هنگامی که نیروی فشاری یا کششی بین صفحات از نیروهای لغزش بیشتر باشد، gusset plate نسبت به صفحات برنجی شروع به لغزش میکند و انرژی توسط اصطکاک بین صفحات بصورت گرما تلف میشود .[2]
فاکتورهای مهمی که روی عملکرد مطلوب اتصالات پیچی لغزشی اثر دارند عبارتند از :[3]
✓ حفظ فشار تماس بین سطوح لغزش
✓ نگهداری ضریب اصطکاک بین سطوح تماس لغزش
✓ جلوگیری از شکست ترد هنگامی که اتصال به انتهای لغزش میرسد
رفتار اتصالات لغزشی (پیچی لوبیایی) عمدتاً تحت تاثیر دو پارامتر کلیدی بار لغزش و طول لغزش خواهند بود. طول لغزش بر اساس احتیاجات شکل پذیری تعیین میگردد. [4] فاکتورهای مهم در انتخاب بار لغزش عبارتند از :[5]
✓ میراگر نباید در نیروهای کوچک مانند بار باد یا زلزله های کوچک یا نیروهای تعیین شده توسط آئیننامههای ساختمانی لغزش داشته باشد که این امر منجر به تعیین یک حداقل مقدار برای بار لغزش میشود .
✓ لغزش باید قبل از تسلیم هرگونه المان سازهای اتفاق افتد که این موضوع باعث تعیین یک حد بالای نیروی لغزش خواهد شد.
✓ نیروی لغزش باید به گونهای تعیین گردد که انرژی تلف شده توسط میراگر حداکثر مقدار خود باشد .
استفاده از سیستم SBC در قاب بادبندی میتواند به عنوان یک راه حل اقتصادی برای طراحی لرزهای و اتلاف انرژی مد نظر قرار گیرد، زیرا وجود SBC در بادبندها، هم از کمانش آنها جلوگیری میکند و هم مقدار زیادی از انرژی زلزله را تلف میکند. اما وجود بادبند باعث افزایش سختی سازه و در نتیجه جذب بیشتر نیروی زلزله خواهد شد. لذا به این دلیل و به دلایل معماری، فکر استفاده از میراگر SBC در قاب خمشی فولادی مد نظر قرار گرفت. اما در قابهای خمشی نمیتوان از میراگر اصطکاکی محوری برای اتلاف انرژی استفاده نمود زیرا اساساً عملکرد قاب خمشی بر اساس اعضای خمشی میباشد. لذا با توجه به اهمیت اتصالات در رفتار لرزهای سیستمهای قاب خمشی، اتصالات خاص لغزشی در محل اتصال تیر به ستون قاب
خمشی ابداع گردید که علاوه بر اینکه مشکل اتصالات معمول تیر به ستون را نداشته باشد، بتواند به عنوان یک میراگر نیز عمل نموده و باعث بهبود رفتار لرزهای گردد و از آنجا که رفتار این اتصالات بر اساس رفتار خمشی-چرخشی تیرها استوار است به نام اتصالات پیچی لغزشی چرخشی نامگذاری شدهاند. دراین راستا به ذکر تحقیقاتی که در سه کشور آمریکا، نیوزلند و ایران انجام شده است میپردازیم .
2. تحقیقات انجام شده در آمریکا در مورد اتصال پیچی لغزشی چرخشی (RSBC)
در تحقیقی که در سال 1995 توسط Popov و Shuoh Yang در دانشگاه برکلی انجام شده است نحوه استفاده از مکانیزم اتلاف انرژی در اتصالات خمشی مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا نوعی خاصی از اتصال تیر به ستون معرفی شده که انرژی ورودی به سازه توسط اصطکاک و لغزش موجود در اتصال میرا میگردد و بنام ( Rotational Slotted Bolted (Connection یا به اختصار RSBC معروف است. این اتصال از دو SBC تشکیل شده است و اصول این آن همانند اتصال SBC میباشد که در شکل زیر یک نمونه از RSBC که در محل اتصال تیر به ستون قرار میگیرد نشان داده شده است .
شکل -2نحوه استفاده از RSBC در اتصالات خمشی [1]
علی رغم اینکه SBC از نیروی محوری برای فعال کردن لغزش استفاده میکند، RSBC از ممان خمشی که باعث ایجاد کشش و فشار در بال بالا و پایین تیر میگردد استفاده میکند. در اتصال شکل (2) ، ظرفیت لغزش بال بالا و پایین برابر است و نیروی اصطکاکی بال بالا و پایین تیر توسط لنگر خمشی موجود در تیر تامین میگردد که در هر سیکل بارگذاری با تغییر جهت لنگر، جهت بال فشاری و کششی نیز تغییر پیدا خواهد کرد . همانطور که در شکل (2) نشان داده شده است، یک پیچ بزرگ در مرکز صفحه برشی بصورت محور دوران عمل میکند. همچنین مقاومت و چرخش RSBC توسط طول لغزش و تعداد پیچها کنترل میگردد.
در حقیقت اتصال RSBC ترکیبی از سیستم اتلاف کننده انرژی به دلیل جذب انرژی و سیستم جداسازی لرزه ای بدلیل محدودیت در انتقال لنگر بخاطر وجود لغزش میباشد .[6] از دیگر مزایای این اتصال نسبت به اتصالات رایج این است که مقاومت اتصال در طول لغزش بلند کنترل میگردد و تحت تاثیر مقاومتِ مصالح قرار ندارد .[1]
ساخت مدل بدلیل عدم وجود تسلیم مصالح نسبتاً ساده است و با دقت قابل قبولی از مدل اصطکاک کولمب برای مدلسازی اصطکاک استفاده میگردد .[1]
منحنی هیسترزیس حاصل از آزمایش برای دو نمونه اتصال در شکل زیر نشان داده شده است .
شکل -3 منحنی هیسترزیس آزمایشگاهی برای دو نمونه اتصال [1] RSBC
3
هچنین از مزایای RSBC میتوان به این اشاره کرد که بر خلاف سایر سیستمهای کنترل غیر فعال، سختی سازه در حالت قبل از لغزش زیاد نمیباشد زیرا در حالت عدم لغزش و با فرض گیرداری کامل در خود اتصال، رفتار اتصال مشابه اتصالات معمول قاب خمشی است . [5] همانند اتصال RBS (تیر با مقطع کاهش یافته)، این اتصال نیز به وجود دال حساس است و جزئیات دال باید طوری باشد که اجازه دوران لازم به اتصال را بدهد.[7]
همانطوریکه از شکل بالا مشخص است، هیچ زوالی در نمودارها مشاهده نمیشود . در شکل مشاهده میشود که منحنی هیسترزیس اکثر سیکلها بر روی هم قرار دارند که نشان دهنده دوام و پایداری مکانیزم بکار رفته میباشد .
جمع بندی تحقیقات انجام شده در آمریکا نشان میدهد که:[1]
✓ ظرفیت جذب انرژی RSBC فوق العاده است .
✓ ظرفیت ممان خمشی قابل پیش بینی است.
✓ تنزل سختی در چرخه های هیسترزیس بعد از تعداد سیکل شدید دیده نمیشود.
✓ هیچ گونه زوال در منحنی هیسترزیس RSBC یا خرابی در مصالح آن بعد از آزمایشات دیده نشد.
✓ تغییرات موجود در مقاومت فولادها اثری بر روی عملکرد RSBC ندارد زیرا نیروی لغزش توسط تعداد پیچها کنترل میگردد نه توسط مقاومت تیر .
✓ بهترین طراحی RSBC هنگامی است که مصالح وارد غیرخطی نشوند .
✓ مقاومت و چرخش RSBC توسط طول لغزش و تعداد پیچها تنظیم میگردد.
3. تحقیقات انجام شده در نیوزلند
بعد از معرفی اتصالات RSBC توسط Popov، اتصالات RSBC بدون لغزش در بال بالا توسط Clifton پیشنهاد و بررسی گردیدند. همانطورکه قبلاً ذکر شد، اتصالات SBC به صورت متقارن و یا نا متقارن هستند که البته نوع نامتقارن دارای دامنه کاربرد بیشتری است . شکل زیر یک اتصال لغزشی SBC نا متقارن را نشان می دهد که بار بر صفحه وسطی و بالایی اعمال
میگردد.
شکل -4 اتصال لغزشی نامتقارن [8] SBC
در شکل (4) جریان نیرو نشان داده شده است. این نوع آرایش نیرو باعث تولید تنش های بزرگتر در پیچ و در نزدیکی سوراخ پیچها (در صفحات) میشود. از معایب اتصال SBC نا متقارن این است که در لغزش نا متقارن، حلقه های هیسترزیس بصورت مستطیلی نمیباشند .[9] همچنین در اثر برخورد پیچ به انتهای سوراخ لغزش ، نیروی پیش کشیدگی در پیچ کاهش پیدا میکند و نیروی محوری بال تیر افزایش مییابد .[10]
