بخشی از مقاله
کارایی لرزهای گاستپلیتها در شکلپذیری و جذب انرژی سیستم مهاربندی ضربدری ویژه
خلاصه
در روشهای رایج طراحی، رفتار قاب پیرامونی در قاب مهاربندی ضربدری (قاب با اتصال گاستپلیت) به صورت قاب مفصلی در نظر گرفته میشود و برای این نوع قابها ظرفیت باربری جانبی در نظر گرفته نمیشود. معمولاً اتصالات تیر به ستون در این قابها با استفاده از نبشی جان صورت میگیرد اما وجود گاستپلیتها برای اتصال مهاربندها به قاب می-تواند باعث ایجاد گیرداری و انتقال لنگر توسط اتصالات تیر به ستون شود. در این مقاله اثرات گاستپلیت در تغییر میزان شکلپذیری و جذب انرژی سیستمهای مهاربندی ضربدری بررسی شده است. به این منظور رفتار قاب پیرامونی مربوط به دو قاب مهاربندی ضربدری در ساختمانهای 5 و 10 طبقه با قاب معادل که دارای اتصال خمشی ویژه میباشد بصورت مقایسهای بررسی گردیده است. نتایج نشان میدهد که قابهای با اتصالات گاستپلیت شرایط قاب با اتصال خمشی ویژه را دارا میباشند. بنابراین باید افزایش سختی و پارامترهای لرزهای ناشی از گیرداری گاستپلیتها در طراحی سیستم مد نظر قرار گیرند.
کلمات کلیدی: مهاربندی ضربدری، گاستپلیت، قاب پیرامونی، شکلپذیری، جذب انرژی.
.1 مقدمه
جین و همکاران در سال [1] 1978 اثرات سختی خمشی گاستپلیت و طول مهاربند را بر روی رفتار چرخهای اعضای مهاربند مورد بررسی قرار دادند. آنها نتیجه گرفتند که افزایش سختی خمشی گاستپلیت به مقداری بزرگتر از مهاربند مزیت چندانی ندارد. لیکن آنها متوجه شدند که افزایش سختی خمشی گاستپلیت (تا سختی مهاربند) در حالت کلی منجر به کاهش طول موثر مهاربند میشود. و این موضوع منجر به بهبود عملکرد چرخهای عضو مهاری میشود. آستانه اصل و هانسون در سال [2] 1981 به مطالعه برای تعیین بهترین فاصله آزاد خمش در قابهای مهاربندی ضربدری پرداختند. در این آزمایش مشاهده شد که گاستپلیتهای با فاصله آزاد خمش 2t, 4t بسیار شکلپذیر و رفتار چرخهای بهتری داشتند. آنها پیشنهاد کردند که در طراحی گاستپلیتها از فاصله آزاد خمش، حداقل 2t و حداکثر 4t استفاده شود. تورنتون در سال [3] 1984 با انجام آزمایش فشاری بر روی گاستپلیتها، رابطهای را برای تعیین ظرفیت فشاری گاستپلیتها پیشنهاد نمود. در روش تورنتون از طول بزرگتر و یا میانگین سه طول ستون فرضی به عرض واحد که در ابتدا، وسط و انتهای عرض موثر ویتمور قرار میگیرند، برای تعیین ظرفیت فشاری گاستپلیتها، استفاده میشود. در این روش از روابط طراحی ستون برای تعیین ظرفیت فشاری استفاده میشود. یو و همکاران در سال [4] 2008 فاصله آزاد خمش بیضیگون را پیشنهاد نمودند. آنها پیشنهاد نمودند که برای کاهش در خرابی جوشها و بهبود عملکرد لرزهای گاستپلیتها از فاصله آزاد خمش بیضیگون به جای فاصله آزاد خمش خطی استفاده شود. براندون [5] در سال 2007 با انجام آزمایش بر روی قاب مهاربندی شده به بررسی تاثیر وجود گاستپلیت و اثر آن بر صلبیت اتصال قاب پرداخت. نتایج آزمایش او نشان داد که وجود گاستپلیتها باعث صلبتر شدن اتصال شده و این اتصالات قادر به انتقال لنگر هستند. در سال 2009 تورنتون و مویر [6] به مطالعه رفتار اتصال گاستپلیت پرداختند. به عقیده آنها اتصال گاستپلیت در قاب-های مهاربندی از نوع اتصال مفصلی نمیباشد بلکه این نوع اتصال باعث صلب شدن اتصال قاب میشود. کروستی و همکاران در سال [7] 2013 با انجام آزمایش برروی گاستپلیتهای با ابعاد مختلف به این نتیجه رسیدند که افزایش طول و عرض گاستپلیت باعث کاهش ظرفیت کمانشی گاستپلیت میشود و افزایش عرض نسبت به افزایش طول گاستپلیت اثر بیشتری در کاهش مقاومت دارد. عبادی و حیدری در سال [8] 1394 به بررسی نقش اتصالات انتهایی مهاربندها (گاستپلیتها) در میزان گیرداری اتصالات تیر به ستون در سیستمهای مهاربندی هممرکز پرداختند نتایج مطالعه آنها نشان داد اتصالات گاستپلیت سختی، جذب انرژی و گیرداری بالایی دارند که بر خلاف فرض رایج طراحی یعنی در نظر گرفتن اتصالات مفصلی برای تیرها میباشد. عبادی و حیدری در سال [9] 1395 در مطالعهای که بر روی اتصالات گاستپلیت انجام دادند دریافتند که تمرکز تنش در لبه اتصال گاستپلیت به تیرها و ستونها به دلیل گیرداری ناشی از گاستپلیتها و چرخش قابل توجه در انتهای تیرها منجر به گسیختگی گاستپلیتها و ناپایداری سیستم در دریفتهای پایین میگردد. آنها برای جلوگیری از این گسیختگی سختکنندهای را طراحی نمودند که میتواند مانع از این خرابی نامطلوب شود.
به منظور بررسی میزان گیرداری گاستپلیتها در قابهای پیرامونی سیستمهای مهاربندی دو نمونه قاب از طبقه اول ساختمانهای 5 و 10 طبقه انتخاب گردیده و پس از طراحی سیستم، گاستپلیتها دیتیل گردیدهاند. سپس با حذف مهاربندها، قاب مربوطه به صورت اتصال خمشی ویژه طراحی گردیده است. با مدلسازی قاب با گاستپلیت و قاب با اتصال خمشی ویژه، شکلپذیری، سختی و میزان جذب انرژی دو قاب به صورت مقایسهای ارائه شدهاند.
.2 طراحی
.1,2 طراحی قابها
دو ساختمان 5 و 10 طبقه با استفاده از سیستم مهاربندی ضربدری به صورت کامل طراحی گردیده و گاستپلیتها نیز با توجه به سایز مهاربندها و حداکثر نیروی وارده به آنها طراحی و دیتیل شدهاند. پلان هر دو ساختمان مشابه و در شکل 1 نشان داده شده است. قاب روی محور A بین محورهای 2 و 3 برای بررسی و مدلسازی بصورت دو بعدی در نظر گرفته شده است. بار مرده و زنده بترتیب برابر با 5 و 2 کیلونیوتن بر مترمربع در نظر گرفته شده و طراحی تیرها، ستونها و مهاربندها با استفاده از روش LRFD آییننامه [10] AISC 360 و ضوابط لرزهای [11] AISC341 طراحی گردیدهاند. تنش تسلیم و نهایی فولاد به ترتیب 235 و 370 مگاپاسکال و مدول یانگ نیز 206 گیگاپاسکال در نظر گرفته شدهاند. مقاطع تیرها و ستونها به ترتیب از نوع IPE و BOX و مهاربندها از نوع ناودانی دوبل در نظر گرفته شدهاند و سقف طبقات نیز از نوع تیرچه بلوک میباشد. تمام اتصالات به صورت مفصلی فرض گردیدهاند و برای توزیع نیروی برشی در ارتفاع ساختمان از [12] ASCE7-10 استفاده گردیده است.
شکل -1 پلان ساختمانهای مورد مطالعه
در طراحی گاستپلیتها حداکثر نیروی قابل انتظار انتقالی از مهاربندها در کشش و فشار، کنترل تنشها در تمام نقاط گاستپلیتها، طراحی دقیق جوشها و طول مورد نیاز، فاصله 2t در انتهای مهاربندها برای چرخش آزادانه گاستپلیت در خارج از صفحه، ناحیه ویتمور و سایر کنترلهای طراحی در نظر گرفته شدهاند.
به منظور بررسی تغییرات پارامترهای لرزهای قابها و مدلسازی در نرمافزار، طبقه اول این قابها برای تحلیل غیرخطی بصورت شکل 2 دیتیل گردیدهاند.
شکل -2 جزئیات طراحی قاب با اتصال گاستپلیت، الف) قاب در ساختمان 5 طبقه (نمونه (GF5، ب) قاب در ساختمان 10 طبقه (نمونه (GF10
.2,2 طراحی اتصال خمشی
به منظور امکان مقایسه و بررسی گیرداری نمونهها (قابهای با اتصال گاستپلیت)، قاب خمشی ویژه معادل برای دو قاب ساختمان 5 و 10 طبقه طراحی شده است. با توجه به قرار گیری گاستپلیتها در بالا و پایین تیر که شبیه اتصال خمشی با ورق فوقانی و تحتانی میباشد، از این نوع اتصال خمشی استفاده شده است. طراحی اتصال خمشی با ورق فوقانی و تحتانی براساس ظرفیت خمشی تیر صورت گرفته است. ظرفیت خمشی پلاستیک تیر ( M pr )در محل تشکیل مفصل پلاستیک تیر (در فاصلهی x از انتهای اتصال)، از رابطه 1 محاسبه میشود.
در هر دو قاب مقطع تیر IPE270 میباشد که اتصال خمشی برای این تیر طراحی گردیده است. جزییات طراحی ورق فوقانی و تحتانی در قاب خمشی ویژه معادل در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل –3 ابعاد ورقهای طراحی برای اتصال خمشی ویژه، الف) ورق فوقانی، ب) ورق تحتانی
.3 مدلسازی المان محدود
به منظور تحلیل نمونهها از نرمافزار ANSYS که یک برنامه چند منظوره بر اساس روش اجزا محدود است استفاده گردیده است. در این نرمافزار مسائل مختلف مهندسی از جمله تحلیلهای مربوط به شاخه مکانیک جامدات و سازه در آن قابل بررسی است. همچنین این برنامه قابلیت انجام تحلیلهای غیرخطی مادی و هندسی را دارد. نمونهها تحت آنالیز استاتیکی غیرخطی قرار گرفتند. برای مدلسازی نمونهها در نرمافزار از المان 10 گرهای Solid 187 استفاده شده است. این المان قابلیت در نظر گرفتن پلاستیسیته، سختشوندگی، تغییرشکلهای بزرگ و کرنشهای بزرگ را دارد. از مدل دو خطی برای تعریف مدل فولاد استفاده گردید. تنش تسلیم و تنش نهایی فولاد بترتیب 235 و 370 مگاپاسکال و مدول یانگ 206 گیگاپاسکال در نظر گرفته شده است.
برای جلوگیری از تغییرمکان خارج از صفحه قابها، تغییرمکان بالای ستونها در جهت خارج از صفحه محدود گردید. ارتفاع محل اعمال بار نسبت به پای ستون 3/2 متر و دهانه قاب 5 متر میباشد. در ناحیه چشمه اتصال انتهای تیرها و در داخل ستونها از ورق پیوستگی به ضخامت 10 میلیمتر استفاده گردید تا از تمرکز تنش در این ناحیه جلوگیری به عمل آید. در ناحیه انتهایی تیرها و در محل اتصال به ستون 20 میلیمتر فاصله در نظر گرفته شده است. قابهای مدلسازی شده در شکل 4 نشان داده شدهاند.
بارگذاریها مطابق آییننامه [13] ATC-24 و به صورت چرخهای و تا دریفت 2 درصد ادامه یافت. در شکل 4 (الف) و (ب) بترتیب قاب با اتصال گاستپلیت در ساختمان 10 طبقه (نمونه (GF10 و قاب خمشی ویژه معادل آن (نمونه (MF10 و در شکل 4 (ج) و (د) بترتیب قاب با اتصال گاستپلیت در ساختمان 5 طبقه (نمونه (GF5 و قاب خمشی ویژه معادل آن ( نمونه (MF5 نشان داده شده است.
شکل -4 مدل المان بندی شده: الف) نمونه GF10، ب) نمونه MF10، ج) نمونه GF5، د) نمونه MF5
.4 منحنی سیکلیک نمونهها
در شکل 5 (الف) منحنی سیکلیک نمونههای GF10 و MF10 مقایسه شدهاند. مقدار برش پایه تسلیم در دو نمونه GF10 و MF10 بترتیب 1226 و 1100 کیلونیوتن است و دریفت حد تسلیم دو نمونه GF10 و MF10 بترتیب 0/63 و 0/66 درصد است. در شکل ) 5 ب) منحنی سیکلیک نمونههای GF5 و MF5 مقایسه شدهاند. مقدار برش پایه تسلیم در دو نمونه GF5 و MF5 بترتیب 315 و 295 است و دریفت حد تسلیم دو نمونه GF5 و MF5 بترتیب 0/7 و 0/73 است.
شکل -5 مقایسه منحنی سیکلیک قاب با اتصال گاستپلیت با اتصال خمشی ویژه، الف) در ساختمان 10 طبقه، ب) در ساختمان 5 طبقه
منحنی سیکلیک در هر دو ساختمان 5 و 10 طبقه نشان میدهد که ظرفیت باربری قابهای با اتصالات گاستپلیت بیشتر از قابهای خمشی میباشد. میزان برش پایه تسلیم قاب با اتصال گاستپلیت در دو ساختمان 5 و 10 طبقه نسبت به قاب خمشی ویژه معادل خود، بترتیب 7 و 9 درصد بیشتر میباشد. با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده میشود که قابهای با اتصال گاستپلیت در باربری جانبی سیستم مهاربندی ضربدری نقش دارند که در روشهای طراحی رایج از آنها چشم-پوشی میگردد.
.5 پارامترهای رفتاری نمونهها
.1,5 سختی اولیه
با استفاده از رسم نمودار دو خطی (ایدهآل) منحنی پوش نمونهها مطابق آیین نامه [13] ATC-24 (شکل (6 و رابطه 2 سختی اولیه چهار نمونه مورد مطالعه بدست آمده است.
سختی اولیه دو نمونه GF10 و MF10 بترتیب 60 و 52 کیلونیوتن بر میلیمتر است و سختی اولیه دو نمونه GF5 و MF5 بترتیب 13 و 12 کیلونیوتن بر میلیمتر است. در هر دو قاب مربوط به ساختمانهای 5 و 10 طبقه، سختی اولیه قاب با اتصال گاستپلیت بیشتر از قابهای خمشی ویژه معادل میباشند. سختی اولیه نمونه GF10حدوداً 15 درصد بیشتر از نمونه MF10 و سختی اولیه نمونه GF5حدوداً 8 درصد بیشتر از نمونه MF5 میباشد. مقایسه سختی اولیه در قابهای با اتصال گاستپلیت نسبت به قاب خمشی ویژه معادل نشان دهنده گیرداری بالاتر در قابهای با اتصالات گاست-پلیت میباشد.
