پایان نامه سازه های فلزی (مقاوم سازی زلزله)

فصل اول

مقدمه و کلیات

1-1- مقدمه

به طور کلی رفتار سازه های فلزی به عوامل متعددی بستگی دارد که اثرات متقابل ابن عوامل ،رفتار را نمایان می سازد. بطور خلاصه این عوامل را می توان طبق (نمودار1-1) نشان داد. همانطور که دیده می شود،یکی از این عوامل رفتار اتصالات می باشد که در رفتار کلی قاب مؤثر است.

یکی از مشخصه های مهم اتصالات شکل منحنی لنگر- چرخش اتصال تیر به ستون می- باشد.

زلزله 17 ژانویه سال 1994 نورث ریج که در 20 مایلی شمال غرب لس آنجلس اتفاق افتاد اولین زلزله ای بود که به تعداد زیادی از ساختمانهای مقاوم خمشی در آمریکا آسیب سازه- ای رساند. اگر چه شدت زلزله 8/6 در مقیاس ریشتر بود که بر اساس مقدار انرژی ایی که رها کرد یک زلزله متوسط در نظر گرفته می شد، تعداد زیادی از اتصالات تیر به ستون ساختمان های مقاوم خمشی در آن زلزله به شدت آسیب دیدند. این اتصالات در آیین نامه ی       (Uniform Building Code) UBC مورد تأیید قرار گرفته بودند و تصور می شد که ظرفیت کافی دارند تا تیر در خمش به حد تسلیم برسد و یا ناحیه ی چشمه ی اتصال ستون دچار تسلیم برشی گردد. اما بر خلاف انتظار، اکثریت اتصالات به دلایل مختلفی که ذکر خواهد شد بصورت ترد گسیخته شدند و در موارد کمی رفتار آنها شکل پذیر بود.

یکسال بعد از زمین لرزه نورث ریج،درست در 17 ژانویه 1995 زلزله ای به بزرگی 9/6 در مقیاس ریشتر شهر کوبه در ژاپن را لرزاند که در این زلزله بسیاری از اتصالات قابهای خمشی آسیب دیدند و حتی بعضی از ساختمانها با قاب خمشی فرو ریختند.

کشف آسیب های جدی در ساختمان های فولادی با قابهای خمشی جوشی در زلزله های دیگر نیز تاییدی بر آسیب های اتفاق افتاده در قابهای خمشی نورث ریج بود و این نشان دهنده ی این مطلب بود که آسیب ها فقط به خصوصیات لرزه ای در زلزله نورث ریج مربوط نمی شود و نقص از خود اتصالات آسیب دیده می باشد.]9[

با توجه به مطالب بالا به نظر می رسد که بررسی رفتار اتصال صلب با ورق بالائی و پایینی توصیه شده در آئین نامه 2800 زلزله ایران (مشهور به اتصالات کله گاوی ) که به عنوان اتصال صلب در سازه های فولادی ایران کاربرد وافری دارد، ضروری می باشد.

فصل دوم

رفتار انواع اتصالات

مقدمه

به دنبال زلزله 17 ژانویه 1994 در منطقه نورث ریج واقع در ایالات کالیفرنیای آمریکا به دلیل تحولاتی که در روند طراحی و ساخت اتصالات گیردار جوشی در سازه های فولادی ایجاد کرد نقطه ای عطفی در تاریخ اتصالات سازه های فولادی محسوب می شود. تعدادی از ساختمانهای فولادی جوشی با قابهای خمشی (WSMF) ، در ناحیه اتصال تیر به ستون دچار شکست شدند. ساختمانهای آسیب دیده طیف وسیعی از ساختمانها را از نظر ارتفاع و عمر شامل می شدند. ساختمانهای با ارتفاع یک تا 26 طیقه ، و سازه هایی که درست در زمان زلزله بر پا شده بودند تا ساختمانهایی با عمر بیش از 30 سال،آسیب دیدند. علاوه بر این سازه های آسیب دیده در منطقه جغراقیایی وسیعی پراکنده شده بودند. این آسیب دیدگی ها حتی در مناطقی که نکان های متوسط زلزله را تجربه کرده بودند، مشاهده می- شدند.]16[

کشف آسیب در ساختمانها هشدار دهنده بود.کشف این آسیب ها این اندیشه را تقویت کرد که در زلزله های قبلی هم، آسیب هایی بوجود آمده است،که مخفی مانده اند. تحقیقات بعدی به درستی تأیید کرد که چنین آسیب هایی در زلزله 1992 «لندرز بیگ بیر» و زلزله 1989 «لوماپریتا» اتفاق افتاده است.

سازه های فولادی جوشی با قابهای خمشی به طور معمول در ایالات متحده و جهان،مخصوصاً برای ساخت سازه های متوسط تا بلند، مورد استفاده قرار می گیرند. قبل از زلزله نورث ریج چنین تصور می شد که این نوع ساختمانها بسیار شکل پذیرند و از آسیب هایی که ظرفیت سازه را کاهش می دهد مصون اند،چرا که آسیب های بسیار جدی به این نوع سازه ها در زلزله های گذشته به ندرت گزارش شده بود وحتی هیچگونه گزارشی از فروریختن چنین سازه هایی وجود نداشت. کشف شکست ترد در تعدادی از ساختمانها تحت اثر زلزله نورث ریج، نیاز آزمایش مجدد این نوع اتصال را مسجل ساخت.

به هر حال ساختمانها آن طوری که انتظار می رفت رفتار نکردند و به دلیل آسیب های اتصالات ضررهای اقتصادی قابل ملاحظه ای به وجود آمد. این ضررها را می توان به دوقسمت هزینه های مستقیم، شامل تحقیقات و تعمیرات این گونه اتصالات و همچنین هزینه های غیر مستقیم،مربوط به عدم استفاده موقت و یا در بعضی موارد طولانی مدت از فضای داخل این ساختمانها تقسیم بندی کرد.

ساختمانهای فولادی جوشی با قابهای مقاوم خمشی، برای مقابله با تکانهای زمین لرزه، بر این اساس طراحی می شوند که بدون از دست دادن مقاومت، قابلیت تسلیم و تغییر شکل خمیری زیادی را دارا باشند. تغییر شکل خمیری مورد نظر، دورانهای پلاستیک درون تیرها در محل اتصالاتشان به ستون ها را شامل می شود، که از نظر تئوری انرژی داده شده به ساختمانها را جذب می کند. بدین ترتیب انتظار می رود آسیب هایی مثل تسلیم و کمانش ها ی موضعی در المانهای فولادی اتفاق بیفتد، نه اینکه اتصال دچار شکست تردشود. بر اساس این رفتار مورد انتظار، آئین نامه های ساختمانی اجازه می دادند که سازه های فولادی جوشی با قابهای خمشی برای قسمتی از مقاومت  لازم برای پاسخ به تکانهای زمین لرزه حد طراحی،در محدوده پلاستیک طرح شوند. مشاهده آسیب های بوجود آمده در زلزله نورث ریج مشخص می سازد که در بسیاری از موارد، شکست های ترد اتصالات در محدوده های پائین خمیری بوده اند و در بعضی موارد در حالی اتفاق افتاده اند که ساختمان هنوز در حد الاستیک بوده است. 

2-2) انواع قابهای ساختمانی

     در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران ( طرح و اجرای ساختمانهای فولادی )]4[ و نیز آیین نامه سازه‌های فولادیAISC ]3[, سه نوع قاب ساختمانی به همراه مفروضات محاسباتی مربوط به آنها ملاک طرح ومحاسبه سازه های فولادی قرارگرفته است و هریک از آنها با مشخصاتی مختص به خود تعین کننده ابعاد اعضای سازه و نوع و مقاومت اتصالات مربوط , می باشد .

     گروه اول : قاب های صلب ( قابهای یکسره )که در آنها فرض می شود اتصالات تیر و ستون به اندازه کافی صلب هستند , طوریکه در تغییر شکل قاب , زاویه اولیه بین تیر و ستون ثابت باقی می ماند. بعبارت دیگر , میزان قید در برابرحرکت چرخشی تیر نسبت به ستون بیشتر از 90 درصد گیرداری کامل ( میزان تئوری گیرداری ) تامین می باشد. اعضا و اتصالات این گروه قاب‌ها در هر دو شیوه طراحی , یعنی روش تنش های مجاز و نیز مقاومت نهایی در مقابل بارهای قائم و یا جانبی قابل محاسبه وطراحی می باشند . 

     گروه دوم : قاب های ساده (آزاد ) که در آنها فرض میشود اتصالات تیر وستون بدون گیرداری هستند. در مورد بار قائم , اتصال انتهای تیرها و شاهتیرها فقط برای برش تعبیه شده است و می- تواند تحت اثر بار قائم , آزادانه دوران کند. در این نوع اتصالات دوران آزادانه تیر نسبت به ستون برای گیرداری کمتر از20 درصد گیرداری کامل , اتصال ساده فرض می شود. استفاده از قاب های گروه دوم در ساختمانها در صورتی مجاز است که طراحی سازه به روش تنش های مجاز انجام گیرد و علاوه برآن سیستم مقاوم در مقابل بار جانبی برای ساختمان تعبیه شود و اتصالات تیر و ستون ظرفیت در دوران غیر ارتجاعی داشته باشند تا تنش‌های تولید شده در اجزای اتصالات مانند جوش تحت اثر حالت های مختلف بارگذاری , در حد مجاز باقی بماند .   

   گروه سوم : قاب های نیمه صلب ( انتهای قطعات دارای گیرداری نسبی ) که در آنها فرض می شود اتصال انتهای تیرها و شاهتیرها دارای ظرفیت خمشی به مقداری مشخص و قابل اطمینان , بین صلبیت گروه اول و انعطاف پذیری گروه دوم , می باشد , یعنی20 الی 90 درصد گیرداری کامل اتصال. استفاده از قابهای گروه سوم در حالی مجاز است که محاسبه بطور مستدل نشان دهدکه اتصالات نیمه صلب مفروض ( به تنهایی و یا در ترکیب با سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی ) قادر است اثرمشترک بارهای قائم و جانبی را در حد تنش های مجاز تحمل کند. درصد گیرداری اعضای اصلی که به چنین اتصالاتی وصل می شوند , نباید از این مقدار حداقل بیشتر باشند .   

     ساختمان های نوع (2) و (3) ممکن است بعضی تغییر شکل‌های غیرارتجاعی اما خود محدودساز ( Self limiting ) در قسمتی از فولاد ساختمان را ایجاب نمایند .    

2-3) انواع اتصال تیر به ستون در ساختمانهای فولادی

     بر اساس آنچه بیان شد , سه نوع اتصال در ساختمان های فولادی کاربرد دارد , که هریک باید تامین کننده یکسری نیازها باشد . در این قسمت مهمترین جزئیات این سه نوع اتصال تیر به ستون همراه با توضیحات مختصری راجع به آنها آورده می شود .

2-3-1) اتصال صلب تیر به ستون

     یک اتصال صلب باید قادر به انتقال کامل لنگر باشد و هیچگونه چرخش نسبی بین اعضای وارد به اتصال بوجود نیاید. از آنجایی که اکثر لنگر خمشی تیر به صورت یک زوج نیرو در بال های کششی و فشاری تیر با بازوی تقریباً مساوی در ارتفاع تیر حمل می گردد, نقش اصلی یک اتصال صلب فراهم آوردن امکاناتی برای انتقال این نیروهای محوری می‌باشد . همچنین از آنجایی که اکثر نیروی برشی توسط جان تیر حمل می گردد پیوستگی کامل اتصال ایجاب می کند که نیروی برشی مستقیماً از جان انتقال پیدا کند.  

   در یک اتصال صلب تیر به ستون, تیرها ممکن است از دو طرف به هر دو بال ستون متصل شده باشد , ( اشکال 2-1  الف , ب و پ ) و یا فقط به یک بال ستون متصل شوند              ( شکل 2-1  ت ). همچنین ممکن است که همانند شکل ( 2-2 ) تیرها از یک یا دو طرف به جان ستون بطور صلب متصل شده باشند . تنوع اتصالات صلب تیر به ستون آنقدر زیاد است که مشکل بتوان لیست کاملی از آنها تهیه نمود , لیکن اتصالات نشان داده شده در اشکال ( 2-1) و ( 2-2 ) امروزه به‌نحو گسترده تری مورد استفاده قرار می گیرند. قسمتی از جوش اغلب اتصالات در کارخانه و یا در روی زمین انجام میشود و باقی آن پس از نصب توسط جوش در محل تکمیل می شود .   

     هدف اصلی در طرح یک اتصال صلب, انتقال نیروهای موجود از طریق اتصال بدون هرگونه تغییر شکل موضعی ناشی از این نیروها می باشد . استفاده ازاتصالات صلب در قاب های سازه های فولادی دو فایده دارد , اول اینکه از طرح و محاسبه پلاستیک که اقتصادی تر می باشد , می- توان استفاده کرد و دیگر اینکه اگر از طرح و محاسبه الاستیک استفاده شود, در صورت فشرده بودن تیرهای متصل شده به ستون, می توان از ده درصد کاهش مجاز لنگر خمشی و ده درصد افزایش تنش خمشی مجاز استفاده نمود .            

     در هر دو حالت, اتصال باید قادر باشد تا ظرفیت پلاستیک اعضای متصل شده به خود را انتقال دهد و نیز آنقدر شکل پذیر باشد تا بتواند دوران های مفصل پلاستیک را تحمل کند. آزمایش های انجام شده, توانایی اتصالات صلب را برای هر دو منظور فوق به اثبات رسانیده اند]5 [.

2-3-2) اتصال مفصلی تیر به ستون

     این نوع اتصالات معمولا به دو صورت طرح و اجرا می شود . اتصال با  جفت نبشی جان ( شکل 2-3 الف ) و یا اتصال با نبشی نشیمن ( شکل2-3 ب ).

    در این اتصالات سعی می شود که حداقل گیرداری بوجود آید و زاویه بین تیر و ستون تا حد امکان آزادی دوران داشته باشد . معمولا در محاسبه اتصال فرض بر این است که اتصال کلیه برش یا عکس‌العمل موجود را , انتقال می دهد و لنگر گیرداری به وجود نمی آورد و برای این منظور قطعات اتصالی را تا حد امکان با انعطاف پذیری زیادی قرار می دهند تا دوران زاویه ای تیر در تکیه گاه آزاد باشد . برای این منظور در اتصال نوع اول , یعنی اتصال ساده با جفت نبشی جان , سعی می گردد که نبشی با ضخامت کم انتخاب گردد تا حد امکان خمش پذیر باشد و تنش های درجه دوم گیرداری کمتر بوجود آید .