اتصالات بزرگ فولادی تیر به ستون مقاوم در برابر زمین لرزه

اتصالات بزرگ فولادی تیر به ستون مقاوم در برابر زمین لرزه – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه راه – ساختمان، معماری، عمران

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

اتصالات بزرگ فولادی تیر به ستون مقاوم در برابر زمین لرزه

چکیده

در این مطالعه دو اتصال پیچی فولادی مقاوم در برابر خمش مورد بررسی قرار می گیرند. این موارد شامل مجموعه ای از اتصالات تیر ـ ستون یکطرفه می باشند که معرف اتصالات تیر به ستون بیرونی هستند و متشکل از  تیرهای نوع ۵۰   W36xl50  و ستون های نوع ۵۰  W14x283 می باشند. مقاطع-T (سپری ها) از  فولاد W40x264 نوع ۵۰ بریده شدند. بخش ساقه / پایه این مقاطع به تیرها جوش داده شده و با استفاده از پیچ هایی که در کارگاه به بال های تیر محکم شدند پیش تنیده گردیدند. ترکیب نهایی تیر به ستون به هیچ گونه جوشکاری اضافه ای نیاز نخواهد داشت: بال های مقطع ـ T به ستون پیچ شده و نوار برشی ستون نیز به جان تیر پیچ شد. این نمونه ها دارای دو مقطع ـ T به صورت متقارن با تفاوت در هندسه جان می باشند: نمونه ۱ دارای شکل مستطیلی است، در حالی که نمونه ۲ از بصورت U ـ شکل می باشد. در طی تست چرخه ای، به واسطه حضور فعال بالهای مقطع ـ T، دفرمه شدگی یا تغییر شکل تیر به حداقل رسید: نوعی جدا شدگی بین بال های مقطع-T و بال های ستون مشاهده شد. این جدایی به واسطه خمش دفرمه شدگی پلاستیسیته در بال های مقطع-T رخ داده است. این پدیده که سبب انتشار انرژی می گردد از کمانش شدید بال های تیر و جان تیر جلوگیری می نماید.

اتصالات بزرگ فولادی تیر به ستون مقاوم در برابر زمین لرزه

۱- بررسی تحقیقات قبلی

۱-۱٫ مقدمه

جزئیات پذیرفته شده کلی اتصال تیرهای فولادی به ستون در کاربردهای زمین لرزه ای شامل اتصال نوارهای برشی به ستون و جوشکاری مستقیم بال های تیر با یا بدون صفحات پوششی به بال های ستون می باشند. آزمایشات بیشماری در ارتباط با این نوع از اتصال به وسیله NSF انجام شده است و نمونه های بسیاری نیز به وسیله سازندگان مورد مطالعه قرار گرفته اند. آزمایش چنین نمونه هایی به وسیله گروه سرمایه گذاری مشترک SAC انجام پذیرفت.

ظرفیت خمش چنین اتصالاتی منوط به دوام چرخه ای جوشهای بال تحت شرایط کشش و فشار می باشد. تحت این شرایط شکست های زیادی در ارتباط با جوش تحت کشش در هر دوی محیط آزمایشگاهی و میدانی مشاهده شده است. بر این مبنا SAC شش اتصال را به منظور اجتناب از مشکلات جوشکاری پیشنهاد نموده است. به علاوه، ما اتصال دیگری را جهت اجتناب از خرابی جوش ارائه می نماییم که شامل انجام فرآیند پیچ کاری تحت محیط میدانی و در محیط کارخانه یا کارگاه می باشد.

۱ـ۲٫ بررسی اجمالی

با توجه به دیدگاه فوق آزمایشاتی بوسیله K.C. Tsai و E.P.Popov در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (۱۹۸۸ و ۱۹۹۰) بر روی چندین اتصال صفحه انتهایی انجام شد. مثال این نوع از اتصال در شکل ۱ـ۱ نشان داده شده است. جوشکاری مستقیم تیر به انتهای ستون در نمونه ۹ شکل ۱ـ۱ نشان داده شده است که معرف رفتار خوبی می باشد، اما اعمال چنین موردی بطور کلی امکان پذیر نیست. نمونه ۱۰ در شکل ۱ـ۱، بدون هیچگونه پشت بند بر روی بال های تیر، نتایج رضایت بخشی را حاصل نمی آورد. نمونه ۱۰R با استفاده از پشت بند بر روی بال های تیر در انتهای ستون تحت بارگذاری چرخه ای رفتار بسیار خوبی داشته که می توان آن را در شکل ۱ـ۲ ملاحظه نمود. توجه داشته باشید که ضخامت بزرگ مورد نیاز صفحات انتهائی (یک اتصال بر مبنای نمونه ۱۰ و ۱۰R ممکن است در طی انجام فرآیند ترکیب نیازمند لائی ها یا ورقه های تنظیم تراز داشته باشد).

رویکرد فوق اخیراً به وسیله T.M.Murray و دستیارانش در سال ۲۰۰۰ در انستیتو پلی تکنیک ویرجینیا (VPI) با نتایج خوبی نیز دنبال شده است. آنها تعدادی از تست های موفق را با تیرهای W36xl50 انجام دادند. به نظر می رسد که برای تیرهای بزرگتر و سنگین تر استفاده از پشت بند بر روی بال های تیر در ستون ها الزامی خواهد بود.

مطالعه ای قابل توجه و گسترده در ارتباط با اتصالات پیچی در انستیتو فناوری جورجیا به وسیله R.Leon و دستیاران وی در سال ۲۰۰۰ انجام شد. این تحقیق کاملاً جامع بوده است اما محدود به اجزایی با اندازه کوچک و متوسط می باشد.

اتصال اخیراً ارائه شده و مورد آزمایش قرار گرفته در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، تا اندازه ای در ارتباط با اتصال صفحه انتهائی می باشد، اما از تنوع بیشتری برخوردار بوده و با آسانی بیشتری قابلیت استفاده از آن در محدوده بزرگتری از تیرهای سنگین تر وجود دارد. این اتصال جدید در ارتباط با کاربرد پیچ های A490 1 ¼ تحت کشش در سوراخ های گرد و بزرگ (همانند بال ستون و بال مقطع-T) و همچنین کاربرد جوش ماهیچه ای در کارگاه می باشد.

۱-۳٫ آزمایشات کشش بر روی پیچ های A490 1 ¼

به منظور انجام مطالعه قابلیت مفتول پذیری / چکش خواری و نرمی پیچهای A490 1 ¼ دو آزمایش انجام شد. در اولین آزمایش، یک ابزاره خاص ساخته شده و جهت آزمایش همزمان پایه / ساقه پیچ و بخش حلزونی پیچ  زیر مهره مورد آزمایش قرار گرفتند. خرابی حقیقی در بخش حلزونی پیچ رخ داد. نرمی قابل توجه پیچ A490 به طور آشکار مشخص شده و نمودار بار در برابر ازدیاد طول نیز در شکل ۱ـ۳ ارائه شده است. آزمایش دیگر در خصوص نمونه قطر ثابت ماشین کاری شده از پیچ A490 نیز معرف نرمی ممتازی می باشد. شکل ۱ـ۴ نشان دهنده نمودار تنش در برابر کرنش برای این آزمایش است.

۱ـ۴٫ طراحی و جزئیات نمونه آزمایشی

یکی از اتصالات ایجاد شده اخیر با استفاده از پیچهای A490 1 ¼ در شکل ۱ـ۵ نشان داده شده است. جزئیات مرتبط با دو نمونه نیز در شکل ۱ـ۶ و ۱ـ۷ ارائه گردیده است. در هر دوی موارد ناحیه اتصال پیچ ها به ستون با استفاده از برش T ساختاری از شکل های W (مقطع-T) ایجاد شد. یک انتخاب بزرگ برای چنین مقاطعی نیز مشخص و ارائه شده است. از طریق گردش این تیر کلیه جوشهای ماهیچه ای را می توان در محیط کارگاهی در موقعیت پایین دستی انجام داد. گوشه ها یا ماهیچه های گرد شده را می توان در کلیه موارد بین بال تیر و بخش پایه مقاطع-T به کار گرفت. تجربه کارگاهی در ساخت این دو نمونه کاملاً نوید دهنده و امیدبخش می باشد.

اتصالات بزرگ فولادی تیر به ستون مقاوم در برابر زمین لرزه

۲- طراحی اتصال و محاسبات ارزیابی

۲-۱٫ نمونه های تست بر مبنای طراحی پیشنهادی

تیرها از بخش W36xl50 فولاد A572-Gr.50  نوع ۵۰ ساخته شدند و ستون ها نیز از مقطع W14x283 فولاد A572-Gr.50  نوع ۵۰ مهیا گردیدند. مقاطع-T مربوطه نیز از بخش A572-Gr.50 فولاد A572-Gr.50  نوع ۵۰ فراهم گردیدند. خواص هندسی مقاطع تیر که در این نمونه ها به کار گرفته شده اند در جداول ۲ـ۱ الی ۲ـ۳ نشان داده شده اند. آنها به طور گسترده معرف داده های موجود برای شکل های نورد شده استاندارد تیرهای ـ I با شکل های ـ W می باشند (به طور مثال به AISC، ۱۹۹۵ الف رجوع شود).

۲ـ۲٫ پارامترهای اصلی استفاده شده در محاسبه اتصال

دفرمه شدگی متعارف غیرخطی قالب ساختمانی از طریق ایجاد کرنش های پیچشی غیر الاستیک یا کرنش های برشی در داخل نواحی گسسته سازه ایجاد می شود. در دفرمه شدگی های بزرگ این نواحی را می توان در مفاصل پلاستیکی نیز ایجاد کرد، که قابلیت گنجایش گردش های متمرکز بدون تغییرات معنی دار بار، همانگونه که در شکل ۲ـ۱ نشان داده شده است، را خواهند داشت. این رفتار همراه با انتشار یا پراکنده شدگی معنی دار انرژی، مخصوصاً به وسیله اعضای شامل شده در دفرمه شدگی پلاستیکی، می باشد. تشکیل مفاصل پلاستیکی در این تیرها کاملاً مطلوب است.

۲ـ۲ـ۱٫ محاسبه موقعیت مفصل خمیری در تیر

موقعیت احتمالی برای تشکیل مفاصل خمیری به عنوان یک پارامتر اصلی برای محاسبات اتصال بشمار می آید. شکل ۲ـ۲ نشان دهنده موقعیت پیشنهادی مفصل خمیری می باشد. این موقعیت منوط به نوع اتصال است و طراحی ما بصورت نزدیک به نوع صفحه پوششی اعمال شده است، بنابراین این مفصل خمیری را می توان در فاصله ذیل از وجه ستون ایجاد نمود (FEMA267a):

۲ـ۲ـ۲٫ محاسبه خمش احتمالی خمیری در مفاصل

مقدار محتمل خمش خمیری، M_pr، در موقعیت مفصل خمیری را می بایست از معادله پیشنهادی در FEMA-267b محاسبه نمود:

۲ـ۲ـ۳٫ محاسبه برش تیر

برش در تیر، در موقعیت مفصل خمیری را می بایست مشخص نمود. طول بازو در موقعیت مفصل خمیری از مجموع طول تیر، L_b، منهای فاصله موقعیت مفصل، L_h، محاسبه می شود. بنابراین، برش در مفصل خمیری V_p را می توان از فرمول ذیل مشخص نمود:

۲ـ۲ـ۴٫ محاسبه خمش در حد وسط ستون

خمش در حد وسط ستون را می توان به شرح ذیل، همانگونه که در شکل ۲ـ۳ نشان داده شده است، محاسبه نمود:

۲ـ۲ـ۵٫ کنترل شرایط ستون قدرتمند ـ تیر ضعیف

ساختمان هایی که دارای مفاصل خمیری در تیرهای خود هستند، در مقایسه با آن دسته از ساختمان هایی که دارای مفاصل خمیری در ستون های خود می باشند، انرژی بیشتری را پراکنده می سازند. به علاوه، اتصال در ساختمان می بایست قابلیت ایجاد مفصل خمیری در تیر به جای ستون را داشته باشد. جهت مشخص سازی این موضوع که آیا شرایط ستون قدرتمند ـ تیر ضعیف وجود دارد یا خیر، مجموعه کلی این اتصال را می بایست برای شرایط ذیل مورد بررسی قرار داد.

۲ـ۳٫ محاسبات جزئیات اتصال

۲ـ۳ـ۱٫ محاسبه ضخامت پایه / ساقه مقطع-T در ضعیف ترین بخش نزدیک وجه ستون

ضعیف ترین سطح مقطع نزدیک وجه ستون در خط ـ K مقطع-T قرار گرفته است. این بخش در یک فاصله مشخص قرار گرفته است، که شامل ضخامت بال مقطع-T، t_sts و شعاع بخش ماهیچه ای در خط ـ K است. این مقدار برابر با ۳ اینچ می باشد. موقعیت این مقطع در شکل ۲ـ۴ مشخص شده است. خمش در این موقعیت به شرح ذیل محاسبه خواهد شد:

۲ـ۳ـ۲٫ محاسبه اندازه بال مقطع-T

به منظور تعریف ضخامت بال مقطع-T، این بال به عنوان یک تیر ثابت انتهایی همانگونه که در شکل ۲ـ۶ نشان داده شده است مدلسازی شد. بار متمرکز به عنوان نقطه وسطی تیر عمل نموده و معرف نیروی کششی بخش ساقه /  پایه می باشد. حداکثر  نیروی  ایجاد شده  در  این  بخش را می توان به شرح ذیل محاسبه نمود:

۲ـ۳ـ۳٫ محاسبه اندازه پیچ بین مقطع-T و بال های ستون (در طراحی پیچ های کاملاً قدرتمند۱ ¼  اینچ).

همانگونه که قبلاً بحث شد مدل بال های مقطع-T در شکل ۲ـ۶ نشان داده شده است. بر حسب این مدل مجموع بار محوری که در هر ردیف (۴ پیچ) عمل می نماید:

۲ـ۳ـ۴٫ محاسبه اندازه جوش بال های تیر برای هر دو نمونه (کاربرد جوش ماهیچه ای ۴/۳ اینچ)

مجموع طول جوش برای نمونه ها متفاوت می باشد، این طول بر حسب بال تیر به شرح ذیل طراحی می گردد (شامل جوش در بخش U ـ شکل برای نمونه ۲):

اتصالات بزرگ فولادی تیر به ستون مقاوم در برابر زمین لرزه

۳- برنامه آزمایشی

۳ـ۱٫ مقدمه

این بخش خلاصه کننده نتایج آزمایش چرخه ای دو نمونه اتصال پیچدار تیر به ستون با مقیاس کامل می باشد. این نمونه ها به وسیله پروفسور E.P.Popov طراحی شده و به وسیله شرکت StoltzMetals تولید شده اند. آزمایشات در لابراتوار تحقیقات سازه ای مرکز تحقیقات مهندسی زمین لرزه ای پاسفیک، دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، انجام شده است.

۳ـ۲٫ تست نمونه ها، ویژگی انجام تست و ابزارآلات مرتبط

۳ـ۲ـ۱٫ انجام تست

نمونه ها در لابراتوار تحقیقاتی سازه PEER، UC برکلی مورد تست قرار گرفتند. این آزمایش به گونه ای طراحی شد تا قابلیت گنجاندن نمونه های ستون در یک موقعیت عمودی همانگونه که در شکل ۳ـ۱ نشان داده شده است وجود داشته باشد. این نمونه ها به قاب های افقی و عمودی متصل شده بودند. قاب فولادی افقی تحت شرایط پیش تنیدگی قرار گرفت. ستون ها در نمونه های تست نیز به قاب افقی متصل بوده و قاب واکنش عمودی با استفاده از بخش های W14x311 به منظور حاصل آوردن شرایط مرزی به کار گرفته شد.

۳ـ۲ـ۲٫ تجهیزات

حسگرهای بسیاری جهت کنترل واکنش نمونه ها در طی تست به منظور درک رفتار نمونه بکار گرفته شده اند. شکل  ۳ـ۳  نشان دهنده  موقعیت جابجایی  اندازه گیری  شده بر روی نمونه ها می باشد. جابجایی تحمیلی در انتهای تیر به وسیله LVDT (سیستم تبدیل تفاضلی متغیر خطی) اندازه گیری شده است. این جابجایی به وسیله d مشخص می شود، یک سلول بار بر خط همراه با سیستم محرک یا راه انداز که قابلیت اندازه گیری نیروی محوری P را خواهد داشت.

۳ـ۲ـ۳٫ اکتساب داده ها

کنترل این آزمایش و سیستم اکتساب داده ها به وسیله یک کامپیوتر PC ویندوزی و با استفاده از یک برنامه خاص اکتساب اطلاعات تحت عنوان سیستم تست اتوماتیک (ATS) ساخته شده به وسیله شرکت تجهیزات SHRP در کالیفرنیا به کار گرفته شد. این برنامه قابلیت ایجاد سیگنال، همراه با ارائه دستورات سروو ـ راه انداز چهار کاناله، و ۱۶  ویژگی  اکتساب اطلاعات کانال را دارا می باشد. برای انجام این آزمایشات سیستم ATS جهت بررسی و کنترل جابجایی و سیگنال های بازخوردی ـ نیرو به کار گرفته شد.

۳ـ۲ـ۴٫ تاریخچه بارگذاری

برنامه آزمایشی بر مبنای مستند ATC-24 “راهنمایی های تست لرزه ای چرخه ای سازه های فولادی” می باشد. نمونه های مرتبط تحت کنترل جابجایی مورد بررسی قرار گرفتند و متعاقب آن تاریخچه ای از بارگذاری شامل سیکل های دفرمه شدگی – افزایشی مرحله ای اعمال شدند. در مرحله خاص دفرمه شدگی خمیری نمونه ها چندین چرخه با دامنه کوتاه اعمال شد. هر مرحله بارگذاری به وسیله ویژگی جابجایی انتهای تیر و با توجه به اطلاعات پیک آن برحسب تعداد چرخه تعریف شد. جدول ۳ـ۱ معرف برنامه تست برای نمونه ۱و نمونه ۲ می باشد.

۳ـ۲ـ۵٫ پردازش داده ها

رفتار نمونه بر حسب پارامترهای ذیل توصیف شده است: بار بکار گرفته شده، جابجایی انتهای تیر، مجموع چرخش خمیری اتصال، دفرمه شدگی برشی ناحیه پانل، دفرمه شدگی ستون، دفرمه شدگی در بال مقطع-T و انحراف تیر. چارچوب نمونه آزمایشی، برآوردهای متناظر، و مسیر مثبت انتخابی بار اعمالی، همراه با جابجایی های برآورد شده در شکل ۳ـ۳ نشان داده شده اند.

۳ـ۳٫ نتایج آزمایش

۳ـ۳ـ۱٫ نمونه ۱

آزمایش اولین نمونه در ۳۰ ژولای سال ۲۰۰۰ انجام شد. این نمونه دارای کلیه مراحل بارگذاری همراه با چرخه های جابجایی نوک تیر به اندازه ۶۹/۵ بدون صدمه دیدگی مهم می باشد. آزمایش به واسطه آنکه حداکثر بار برای مرحله اول به دست آمد متوقف گردید. تصویر دید نزدیک این نمونه پس از آزمایش در شکل ۳ـ۵ موجود می باشد.

۳ـ۳ـ۲٫ نمونه ۲

آزمایش نمونه ۲ در ۲۰ ژولای سال ۲۰۰۰ انجام شد. این نمونه دارای کلیه مراحل بارگذاری تا چرخه های جابجایی نوک تیر به میزان ۶۹/۵ را در بر داشته و در اولین دور آزمایش در آخرین چرخه با شکست مواجه شد. این شکستگی به واسطه ترک خوردن جان بخش تحتانی مقطع-T  می باشد. خط ترک در ناحیه انتهایی جوش آغاز گردیده و به سمت سوراخ پیچ ۱ اینچی گسترش یافت. آزمایش پس از تکمیل این چرخه متوقف شد. تصویر جانبی این نمونه پس از تست در شکل ۳ـ۱۹ ارائه شده است.

اتصالات بزرگ فولادی تیر به ستون مقاوم در برابر زمین لرزه

۴- نتایج تجربی و نتیجه گیری

۴ـ۱٫ نتایج تجربی

خلاصه ای از نتایج تجربی و پارامترهای کلیدی که توصیه کننده عملکرد نمونه های تست شده هستند در جدول ۴ـ۱ ارائه شده است. جابجایی انتهای تیر متناظر با جابجایی نسبی انتهای تیر d می باشد.

۴ـ۲٫ نتیجه گیری: مزیت ها و معایب اتصالات پیشنهادی

۴ـ۲ـ۱٫ مزیت ها

طراحی و عملکرد اتصالات پیشنهادی تیر به ستون معرف مزیت های ذیل می باشد:

کل امور جوشکاری را می توان در کارگاه جوشکاری تحت شرایط مناسب کاری انجام داد.

ترکیبات نهائی و سرهم بندی با استفاده از پیچها به عنوان یک راهکار نسبتاً آسان به شمار آمده و نیازی به بررسی های اکید اطمینان از کیفیت نخواهد داشت (به منظور حاصل آوردن نیروی به هم فشردگی بین ستون و بال های مقطع-T به عنوان یک مضرب گشتاور کاملاً موجود از WRIGHTTOOL: مدل ۹S393A مورد استفاده قرار گرفت، چنین ابزاره ای تولید کننده هیچگونه نویزی نخواهد بود و از دقت ±۵% نیز برخوردار می باشد)

۴ـ۲ـ۲٫ معایب

طراحی پیشنهادی و شکست نمونه ۲  نشان  دهنده  معایب  ذیل و رویه های ارتقای پیشنهادی می باشد:

۴ـ۲ـ۳٫ دستورالعملهایی برای تحقیقات آتی

بر مبنای آزمایشات انجام شده و تحلیل داده ها تحقیقات آتی مشخص شده بر حسب ویژگی های ذیل و با توجه به نوع اتصالات قابل برنامه ریزی خواهند بود: