تابستان 1393

چکیده
شکست گسترده و قابل توجه اتصالات قاب های خمشی فولادی در طی زلزله نورثریج (1994)، بیانگر ضعف عمده این اتصالات و عدم شناخت صحیح آن توسط مهندسین بود. زلزله نورثریج، به دلیل تحولاتی که در روند طراحی و ساخت اتصالات گیردار جوشی در سازهای فولادی ایجاد کرد، بعنوان نقطه عطفی در تاریخ طراحی و اجرای این نوع سازه ها محسوب می شود. به دنبال زلزله نورثریج تعدادی از ساختمان های فولادی جوشی با سیستم قاب خمشی (WSMF) در ناحیه اتصالات تیر به ستون دچار شکست شدند. ساختمان های آسیب دیده طیف وسیعی از ساختمان ها را از نظر ارتفاع و عمر شامل می شوند. پس از زلزله نورثریج تغییرات زیادی در نحوه طرح و اجرای اتصالات سازه های فولادی، بمنظور برطرف کردن مشکلات اتصالات خمشی رایج آن زمان پیشنهاد شد. از جمله این اتصالات جدید، می توان به اتصال تیر به ستون با تیر با جان شکاف دار، اتصالات گیردار تیر به ستون با صفحات کناری، اتصال با جان یا بال کاهش یافته تیر و . اشاره نمود. مطالعات نشان داده اند که این اتصالات بسیاری از ضعف­های اتصالات رایج را برطرف نموده اند که از مهمترین مزیت های این اتصالات مدرن، انتقال مفصل پلاستیک به درون تیر در محدوده دور از اتصال می باشد.
   در این تحقیق, اتصال با هندسه متغیر از لحاظ خمش حول محور قوی تیر، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد، این اتصال قادر است مفصل پلاستیک را از ناحیه اتصال دور نگه دارد و با این اتصال می توان از بخش بیشتری از بافت عضو در استهلاک انرژی بهره جست و به مقادیر بیشتری از ذخیره سازی و استهلاک انرژی در طول عضو رسید. در این تحقیق با توجه به نقاط ضعف اتصالات قبلی, با رویکردی جدید، راهکارهایی جهت اصلاح عملکرد آن ارائه شده است که این راه حلها، به صورت تئوری مورد بررسی قرار گرفته است. اصلاح هندسی اتصال، اگرچه سبب افزایش سختی و مقاومت کل سازه می شود، درعین حال، اضافه نمودن اجزای جدید به اتصال موجب کاهش ظرفیت شکل پذیری مدل­ها شده است. بمنظور مقایسه و نتیجه گیری بهتر اتصالات رایج قبل از زلزله نورثریج و نیز اتصال جدید، با بهره گرفتن از روش اجزای محدود از نرم افزار Abaqus برای مدلسازی در قابهای(یک دهانه) 3 و 4 و 5 متری بهره گیری شده است.
واژه های کلیدی:
اتصالات خمشی، اتصال با هندسه متغیر، استهلاک انرژی
 
 

فهرست مطالب
عنوان                                            صفحه
فصل 1-  مقدمه و کلیات 1
1-1-        مقدمه 2
1-2-        قاب های مقاوم خمشی فولادی (SMRF) 5
1-3-   اتصال با هندسه متغیر: 8
1-4-   تعریف موضوع تحقیق: 9
1-5-   اهمیت و اهداف مطالعه اتصال با هندسه متغیر: 9
1-6-   روش تحقیق: 10
1-7-   ساختار پایان نامه: 10
فصل 2-  اتصالات فولادی و سیستم اتصال گیردار با هندسه متغیر   12
2-1-        مقدمه 13
2-2-   تعریف اتصال 15
2-2-1- انواع اتصالات 15
2-3-   منحنی لنگر_ دوران(M- ) اتصالات 15
2-4-   طبقه بندی اتصالات خمشی: 18
2-4-1- طبقه بندی اتصالات خمشی بر اساس آیین نامه AISC2005. 20
2-4-2- معیار سختی اتصال 20
2-4-3- طبقه بندی قاب های خمشی در آیین نامه لرزه ای AISC2005. 22
2-4-4- تقسیم بندی اتصالات خمشی در آیین نامه FEMA 350: 22
2-5-   مروری بر اتصالات پیش از زلزله نورثریج 24
2-5-1- اتصالات مقاوم خمشی رایج قبل از زلزله نورثریج 1994 24
2-5-2- بررسی های عینی انجام شده بر روی اتصالات 25
2-5-3- نتیجه گیری 30
2-6-   راه حل 31
2-6-1- اتصالات تقویت شده: 32
2-6-2- اتصالات ضعیف شده 36
2-7-   بررسی اتصال تیر با جان شکافدار 37
2-7-1- هندسه کلی اتصالات تیر های با جان شکافدار 37
2-7-2- مزایای هندسه اتصال با جان شکافدار نسبت به اتصالات رایج 38
2-7-3-          نتایج کلی. . 42
2-8-   بررسی اثر اتصال RBS در بهبود رفتار قابهای خمشی فولادی[10] 42
2-8-1- هندسه کلی اتصالات RBS. 43
2-8-2- مزایای هندسه اتصال RBS. 44
2-8-3-          اثر RBS در جلوگیری از ترد شکنی اتصال و کنترل تنشها در بر ستون[10]   46
2-8-4-          بهسازی و تقویت اتصالات خمشی ساختمان های موجود با بهره گرفتن از RBS. 47
2-8-5-          نتیجه گیری 49
2-9-   اتصال با ورق میانگذر: 50
2-9-1-          مزایای هندسه اتصال با ورق میانگذر: 51
2-9-2-          سایر مزیتهای اتصال با ورق میانگذر به ستونهای قوطی شکل 53
2-9-3-          بررسی نتایج تحلیل 54
2-9-4-          نتیجه گیری 55
2-10-         سیستم اتصال گیردار با صفحات کناری: 56
2-10-1-            مقدمه:.                  56
2-10-2-            معرفی اتصال با صفحات کناری 57
2-10-3-            مقاوم سازی در برابر ضربه و انفجار با بهره گرفتن از اتصال با صفحات کناری   58
2-10-4-            هندسه های معمول سیستم اتصال با ورق کناری: 62
2-10-5-            سازه های اجرا شده: 63
2-10-6-            مقایسه اتصال با صفحات کناری و اتصال تیر کاهش یافته (RBS):   63
2-11-         اتصال CONXL : 64
2-11-1-            هندسه کلی و مزایای اتصالCONXL 65
2-11-2-            بررسی نتایج حاصل از تحلیل نمونه ها 67
2-11-3-       نتیجه گیری 69
فصل 3-   مدلسازی و بررسی های تئوری و تحلیلی 71
3-1-   طراحی اتصالات تیر به ستون به روش ممان اینرسی متغیر 72
3-1-1- مقدمه   72
3-2-   روش اجزاء محدود 76
3-3-   معیار های تسلیم 76
3-3-1- معیار تسلیم فون میسز و ترسکا 77
3-4-        توزیع تنش در تیر ها 78
3-4-1- توزیع کلاسیک تنش در تیر ها 78
3-4-2- الف: توزیع تنش خمشی در تیر ها 79
3-4-3- ب: توزیع تنش برشی در تیر ها: 79
3-4-4- توزیع تنش بر اساس مطالعات المان محدود 80
3-5-   توزیع انرژی در اعضاء سازه ای 82
3-6-   انتخاب نرم افزار 89
3-6-1- نحوه ایجاد یک مدل تحلیلی کامپیوتری: 90
3-6-2- رفتار مصالح 91
3-7-        انتخاب مدل ها و جزییات اتصال مدل شده: 92
3-7-1- ارائه معادله هندسه تیر طره تحت بار منفرد: 92
3-7-2- ارائه معادله هندسه تیر طره تحت بار گسترده: 94
3-7-3- ارائه معادله هندسه تیر دو سر گیردار تحت لنگر: 96
3-7-4- ارائه معادله هندسه تیر دو سر گیردار تحت اثر بار گسترده: 100
فصل 4-  خروجی ها و نتایج بدست آمده 105
4-1-        مقدمه: 106
4-2-   طرح و مشخصات اتصالات نمونه: 106
4-3-   نحوه اعمال بار و شرائط مرزی: 107
4-4-        انتخاب مدل ها: 107
4-4-1- تیرهای کنسول تحت بار منفرد در بخش انتهائی 107
4-4-2- تیرهای کنسول تحت بار گسترده یکنواخت 109
4-4-3- تیرهای دو سرگیردار تحت بار گسترده یکنواخت در طول و لنگر متمرکز یکطرفه   111
4-4-4- جزییات اتصال مدل شده : 118
فصل 5-  نتیجه‌گیری و ارائه راهکار 132
5-1-   نتیجه‌گیری 133
5-2-   پیشنهادات 133
 
فهرست شکل‌‌ها
عنوان                                            صفحه
شکل ‏1‑1: یک نمونه ساختمان با قاب خمشی[19] 6
شکل ‏1‑2: مکان احتمالی تشکیل مفصل پلاستیک در تیر (تغییر شکلهای ماندگار)   8
شکل ‏1‑3: هندسه پایه اتصال با هندسه متغیر 8
شکل ‏2‑1: انواع منحنی های لنگر_دوران[3] 17
شکل ‏2‑2: منحنی های لنگر_دوران برخی از اتصالات رایج[6]. 18
شکل ‏2‑3: نمودار لنگر_چرخش و شکل پذیری اتصالات [6]. 19
شکل ‏2‑4: نمودار لنگر_چرخش و شکل پذیری اتصالات [3]. 20
شکل ‏2‑5: نمودار لنگر_چرخش و شکل پذیری اتصالات [3]. 21
شکل ‏2‑6: اتصال خمشی رایج قبل از زلزله نورثریج[21]. 25
شکل ‏2‑7: شکست در جوش بال تیر به بال ستون در طی زلزله نورثریج[26].   27
شکل ‏2‑8: شکست بال ستون[26]. 27
شکل ‏2‑9: شکست بال ستون و جوش تیر به ستون[26]. 28
شکل ‏2‑10: تصاویری از چند نمونه خرابی در زلزله نورثریج شامل: گسترش شکست در ضخامت بال ستون _ گسترش شکست در جان تیر _ شکست کامل اتصال تیر به ستون[26]   28
شکل ‏2‑11: انواع اتصالات تقویت شده 33
شکل ‏2‑12: انواع اتصالات تقویت شده[27و28] 34
شکل ‏2‑13: انواع اتصالات تقویت شده[27و28] 35
شکل ‏2‑14: انواع اتصالات تیر به ستون RBS [31و32] 36
شکل ‏2‑15: اتصال تیر به ستون با جان شکاف دار بصورت شماتیک[1] 38
شکل ‏2‑16: اتصال تیر به ستون با جان شکاف دار بصورت شماتیک[30و 2]   40
شکل ‏2‑17: انواع اتصالات RBS[10] 44
شکل ‏2‑19: مشخصات کلی نمونه ها[8و9]. 46
شکل ‏2‑20: طرح بهسازی پیشنهادی یوانگ و همکاران [32]. 48
شکل ‏2‑21: جزئیات نمونه های آزمایشی چن و تو[31]. 48
شکل ‏2‑22: رفتار هیسترزیس نمونه های آزمایش شده توسط چن و تو[31]. 49
شکل ‏2‑23: شمایی از اتصال با ورق میانگذ رو نحوه مونتاژ آن[11]. 51
شکل ‏2‑24: نحوه انتقال نیروها در اتصال با ورق میانگذر[11] 52
شکل ‏2‑25: توزیع کرنشهای پلاستیک فون میسز در زیرسازه[11] 54
شکل ‏2‑26: منحنی هیسترسیس لنگر_ دوران کل زیرسازه با اتصال میانگذر[11]   55
شکل ‏2‑27: منحنی هیسترسیس لنگر_ دوران پلاستیک زیرسازه با اتصال میانگذر[11]   55
شکل ‏2‑28: اتصال با ورق های کناری مجزا [33] 57
شکل ‏2‑29: اتصال با ورق های کناری تمام عمق [28] 57
شکل ‏2‑30: جزئیات اتصال با صفحات کناری[34] 58
شکل ‏2‑30: تاثیر اتصال در کاهش فرو ریختگی پی در پی کف ها [34] 59
شکل ‏2‑31: هندسه اتصال الف) اتصال ورق کناری ب) اتصال ورق کناری بهبود یافته [34] 61
شکل ‏2‑32: هندسه های معمول سیستم اتصال ورق کناری[34] 62
شکل ‏2‑34: نمای کلی اتصال ConXL[3] 65
شکل ‏2‑35: تعریف هندسه و جزئیات اتصال ConXL.[13] 66
شکل ‏2‑36: توزیع تنش فون میسز و تغییر شکل اتصال ConXL-R[13.] 68
شکل ‏2‑37: توزیع تنش فون میسز و تغییر شکل اتصال ConXL-NR[13.] 69
شکل ‏2‑38: نمودار لنگر-دوران هر دو نمونه اتصال ConXL[13.]. 70
شکل ‏2‑39: نمودارپوش لنگر-دوران هر دو نمونه اتصال ConXL[13.]. 70
شکل ‏3‑1: نمودار معیارهای تسلیم فون میسز و ترسکا [15]. 78
شکل ‏3‑2: معیارهای فون میسز و ترسکا [15]. 78
شکل ‏3‑3: پارامترهای موثر در تنش برشی نسبت به تار خنثی 80
شکل ‏3‑4: شمائی از تیر کنسول تحت بار منفرد 83
شکل ‏3‑5: در برخورد خودرو با مانع بخشهائی که طاقت سرعت بارگذاری را ندارند دچار خرابی موضعی می گردند [43] 85
شکل ‏3‑6: مدلسازی تیر کنسول با فنر های سری دارای سختی ثابت 86
شکل ‏3‑7: نمودار نیرو _ جابجائی در محدوده خطی 86
شکل ‏3‑8: مقایسه نسبی ذخیره سازی انرژی در طول دو تیر با هندسه های ثابت و متغیر 87
شکل ‏3‑9: مدلسازی تیر کنسول با فنر های سری دارای سختی متغیر 88
شکل ‏3‑10: مکان احتمالی تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها در مجاورت اتصال[27]   88
شکل ‏3‑11: منحنی تنش _ کرنش فولاد St37[14] 92
شکل ‏3‑12: منحنی تنش _ کرنش جوش[14] 92
شکل ‏3‑13: تیر کنسول تحت بار متمرکز با تنشهای یکسان در تار بالا و پائین   94
شکل ‏3‑14: تیر کنسول تحت بار گسترده یکنواخت با تنشهای یکسان در تار بالا و پائین 95
شکل ‏3‑15: قاب یک دهانه تحت لنگر متمرکز یکطرفه 96
شکل ‏3‑16: تفکیک شکل قاب یک دهانه تحت لنگر متمرکز یکطرفه به دو تیر با لنگرهای معین 97
شکل ‏3‑17: شکل تفکیک شده منحنی لنگر قاب یک دهانه تحت لنگر متمرکز یکطرفه   98
شکل ‏3‑18: نمودار منحنی لنگر تیر دوسر گیردار تحت لنگر یکطرفه 98
شکل ‏3‑19: نمودار معادله هندسی تیر دو سر گیردار صرفا تحت برش ناشی از لنگر متمرکز یکطرفه 99
شکل ‏3‑20: نمودار معادله هندسی تیر دو سر گیردار صرفا تحت برش ناشی از لنگر متمرکز یکطرفه 100
شکل ‏3‑21: تیر دو سر گیردار تحت بار گسترده 101
شکل ‏3‑22: نمودار معادله هندسی تیر دو سر گیردار تحت بار گسترده 102
شکل ‏3‑23: نمودار معادله لنگر تیر دو سر گیردار تحت لنگر متمرکز یکطرفه و بار گسترده 103
شکل ‏3‑24: قاب فولادی یک دهانه تحت بار گسترده قائم و لنگر متمرکز در انتهای تیر 103
شکل ‏3‑25: نمودار معادله هندسی تیر دو سر گیردار تحت لنگر متمرکز یکطرفه و بار گسترده معین 104
شکل ‏3‑26: نمودار معادله هندسی تیر دو سر گیردار صرفا تحت برش ناشی از لنگر متمرکز یکطرفه 104
شکل ‏4‑1: نمودار بار چرخه ای اعمال شده به نمونه ها 107
شکل ‏4‑2: نمایش کانتورهای تنش تیر با هندسه ثابت تحت بار منفرد در بخش انتهائی   108
شکل ‏4‑3: نمایش کانتورهای تنش تیر با هندسه متغیر تحت بار منفرد در بخش انتهائی   108
شکل ‏4‑4: نمودار نیرو _ جابجائی برای تیر طره تحت بار منفرد با هندسه ثابت   109
شکل ‏4‑5: نمودار نیرو _ جابجائی برای تیر طره تحت بار منفرد با هندسه متغیر   109
شکل ‏4‑6: نمایش کانتورهای تنش تیر با هندسه ثابت تحت بار گسترده 110
شکل ‏4‑7: نمایش کانتورهای تنش تیر با هندسه متغیر تحت بار گسترده 110
شکل ‏4‑8: نمودار نیرو _ جابجائی برای تیر طره تحت بار گسترده با هندسه ثابت   111
شکل ‏4‑9: نمودار نیرو _ جابجائی برای تیر طره تحت بار گسترده با هندسه متغیر   111
شکل ‏4‑10: نمایش کانتورهای تنش تیر دو سرگیردار با هندسه ثابت تحت بار گسترده یکنواخت و لنگر متمرکز یکطرفه 112
شکل ‏4‑11: نمایش کانتورهای تنش تیر دو سرگیردار با هندسه متغیر تحت بار گسترده یکنواخت و لنگر متمرکز یکطرفه 112