پایان نامه بررسی محدوده پارامترهای تاثیرگذار بر شکل پذیری اتصالات صلب رایج در ایران

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.Sc“

مهندسی عمران -گرایش سازه 

چکیده :

قاب خمشی به علت افزایش فضاهای در دسترس در پلان ساختمان و شکل پذیری زیاد آن از نظر معماران و طراحان سازه یک سیستم سازه ای مناسب جهت احداث سازه های فولادی در مناطق زلزله خیز ،می باشد.این سیستم سازه ای در ایران به طور معمول در ساختمان های با ارتفاع متوسط و بلند مورد استفاده قرار می گیرد و از آنجا که در قاب های خمشی ویژه شکل پذیری  اتصال صلب نقش اساسی را در پایداری وبقا قاب ایفا می کند. شناخت عوامل موثر بر شکل پذیری اتصالات صلب  و محدوده عملکرد آنها ضروری و لازم است .

FEMA356 و دستور العمل بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود ایران ، اثرات ورق پیوستگی ، اثرات چشمه اتصال ، اثرات نسبت دهانه به عمق تیر ، اثرات مربوط به لاغری بال و جان تیر را چهار عامل موثر بر شکل پذیری  اتصالات صلب می دانند و محدوده های را برای این چهار عامل معرفی می کنند که در آن محدوده ها شکل پذیری اتصال بیشتر می باشد. در این مطالعه سعی شده تا با ایجاد مدل های از اتصال صلب رایج در ایران و تحلیل عددی آن ها در نرم افزار  9 ANSYS به بررسی عملکرد این محدوده هابپردازیم .

باتو جه به اینکه اتصال صلب رایج در ایران ،اتصال به وسیله ورق اتصال بال و جان تیر به بال ستون می باشد تمامی مدل ها بر اساس این نوع اتصال طراحی گردید.در ابتدا با در نظر گرفتن  محدوده ذکر شده در آیین نامه برای سه عامل  چشمه اتصال ، نسبت دهانه به عمق تیر،لاغری بال و جان تیر، هفت مدل با محدودهای مختلف در ورق پیوستگی طراحی شد و سعی شد بهترین محدوده شکل پذیری برای این پارامتر به دست آوریم . در مرحله دوم کار با در نظر گرفتن محدوده ای به دست آمده از مرحله قبل برای ورق پیوستگی و محدوده ذکر شده در آیین نامه برای نسبت دهانه به عمق تیر و لاغری بال و جان تیر ، سه مدل با محدوده های مختلف در چشمه اتصال طراحی شد و بهترین محدوده شکل پذیری تعیین گشت . در مرحله بعدی با در نظر گرفتن محدوده های به دست امده از مراحل قبل برای ورق پیوستگی و چشمه اتصال و محدوده ذکر شده در آیین نامه برای لاغری بال و جان تیر ،سه مدل با محدوده های مختلف در نسبت دهانه به عمق تیر طراحی و بهترین محدوده برای این پارامتر موثربه دست آمد. در مرحله آخر با در نظر گرفتن محدودها به دست آمده در مراحل قبلی برای سه پارامتر فوق ، چهار مدل در محدودهای مختلف لاغری بال به جان تیر طراحی شد و بهترین محدوده شکل پذیری برای این پارامتر هم تعیین گشت .

در بررسی اثر ورق پیوستگی ،دیده شد که وجود ورق پیوستگی برای شکل پذیری بهتر اتصال لازم است و با افزایش ضخامت ورق پیوستگی شکل پذیری مقداری افزایش می یابد.در بررسی اثرات چشمه اتصال و نسبت دهانه به عمق تیر نتایج به دست آمده با آیین نامه مطابقت داشت و در بررسی اثر لاغری جان به بال تیر ، مشخص شد که در صورتی که لاغری تنها در جان تیر وجود داشته باشد شکل پذیری به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

مقدمه :

بررسی دقیق عملکرد اتصالات در یک سازه فولادی از اهمیت ویژه ای برخوردار است و عدم دقت در طراحی و اجرای اتصالات در سازه های فولادی نه تنها موجب خرابی در خود اتصال می شود بلکه اثرات ویران کننده ای بر اعضا سازه و در نتیجه کل سازه خواهد داشت .بر اساس اطلاعات موجود،اغلب ویرانی ها در سازه های فولادی در اثر ضعف عملکرد اتصالات گزارش شده است .

با توجه به تاثیر شکل پذیری اتصالات در شکل پذیری کل سازه و نقش حیاتی اتصالات صلب در قاب خمشی ویژه ،کارهای زیادی بر  روی این  اتصالات صورت پذیرفت تا عوامل موثر بر شکل پذیری این نوع اتصال تعیین گردد.در این مطالعه سعی شده است تا محدوده اثرات این عوامل بر این نوع اتصال مورد بررسی قرار گیرد.

بدین منظور در فصل یک مجموعه حاضر به معرفی انواع اتصالات و بخصوص اتصالات صلب رایج در ایران پرداختیم و نحوه محاسبه و طراحی این نوع اتصال را یاد آوری کردیم .

در فصل دوم این مجموعه تعریف شکل پذیری و انواع ان اشاره شده است و سپس نحوه محاسبه آن از روی نمودار خمش - چرخش حاصل از رفتار مونوتونیک سیستم را یادآوری شده و بعد از آن به نحوه ترسیم منحنی رفتاری و محاسبه شکل پذیری از روی آن پرداخته شده است . در پایان عوامل موثر بر شکل پذیری اتصالات صلب را که در آیین نامه بهسازی ایران مورد توجه قرار گرفته شده است ، آمده است .

در فصل سوم مروری بر آیین نامه لرزه ای  ساختمان های موجود و 356 FEMA  شده است که در آن معیار های پذیرش در این آیین نامه ها و محدوده ها پذیرفته  شده برای عوامل نام برده در فصل قبل ، آمده است .

در فصل چهارم مروری داشته ایم بر مطالعات صورت گرفته بر پارامترهای موثر بر شکل پذیری اتصالات صلب که در  FEMA D 355 و FEMA355F به آن اشاره شده است .در D 355 FEMA به بررسی تاثیر ورق پیوستگی بر روی اتصال صلب می پردازد و مشخص می شود که در ٣٦% از موارد مورد آزمایش آنهایی که دارای ورق پیوستگی اند دارای چرخش  پلاستیک بالاتر از ٠.٠٣ رادیان هستند.در 355F FEMA بر روی اثر ورق چشمه اتصال بر روی شکل پذیری کار می شود و مشخص می شود چرخش پلاستیک از چشمه اتصال به تیرها جابجا شده و موجب افزایش مقاومت می شود. در پایان گزارش عملکرد

ساختمان های ٣و٩و٢٠ طبقه  ایجاد شده قبل از زمین لرزه Northridge که در  355F FEMA مورد بررسی قرار گرفته است ، آورده شده است .

در فصل پنجم گذری بر مهم ترین عواملی که در تحلیل غیر خطی در نرم افزار ANsys باید رعایت گردد،داشته ایم و سپس مشخصات کلی مدل ایجاد شده در نرم افزار ANSYS آورده شده است .

در فصل ششم مجموعه حاضر با طراحی نمونه هاو ایجاد مدل هایی ،محدوده این پارامترها بر روی شکل پذیری اتصال صلب مورد بررسی قرار گرفت . در این قسمت منحنی چرخه ای خمش - چرخش مدل ها به همراه منحنی رفتاری انها  و کنتور تنش مدل در حد نهایی  چرخش پلاستیک آورده شده است و پس از آن نتایج حاصل از تحلیل مدل ها مورد بررسی قرار گرفته است .

فصل اول

اتصالات

مقدمه :

نشانه های تاریخی که تاکنون به دست آمده موید آن است که فولاد سازی در هزاره دوم پیش از میلاد از سرزمین آذربایجان ریشه گرفته است .پیدایش فلز کاری و صنعت فلزات در تمدن بشر دگرگونی های فراوانی را ایجاد کرده است .شواهد نشان می دهد که صنعت فلزات و فلز کاری در ابتدا در مناطق شمال شرقی ایران و شمال پاکستان پیدا شده وسپس این صنعت به اسیای کوچک واروپا جنوبی وشمال گسترش یافته است .تاریخچه سازه های فولادی در اروپا وامریکا از سال ١٨٧٢ شروع شده است و قرن ١٨ شروع نورد آهن در انگلستان می باشد و پس از آن آهن برای اولین بار به عنوان مصالح ساختمانی برای دهانه های وسیع به کار گرفته شد.ساختمان مجموع ای از اجزا سازه ای است که به وسیله اتصالات به یکدیگر پیوند یافته اند.این اتصالات اگر صحیح طراحی نگردند به صورت حلقه های ضعیف این پیوند در آمده و ایمنی و خدمت دهی ساختمان را دچار مخاطره می سازند. بنابراین محاسبه وطرح جزییات یک اتصال اگر از طرح اعضای اصلی ساختمان مهم تر نباشد حداقل در همان درجه اهمیت قرار دارد.برای محاسبه و طرح جزییات صحیح یک اتصال لازم است که مشخصات اصلی آن تعیین شوند.این مشخصات عبارتند از مقاومت ،سختی (صلبیت )و شکل پذیری اتصال .

انواع اتصالات بر اساس فن اتصال

سه نوع وسیله برای اتصالات سازه های فولادی مورد استفاده قرار می گیرند که شامل :پرچ ،پیچ ،جوش می باشد که هریک را در زیر مورد بررسی قرار می دهیم .

انواع اتصالات از نظر صلبیت

بر طبق ضوابط  AISC چه در طراحی ارتجاعی و چه در طراحی خمیری سازه های فولادی بر اساس نوع اتصالات آنها به سه

دسته تقسیم شده اند، این سه  نوع سازه عبارت اند از:

١- قاب های صلب : به قاب های اصلاق می گردد که پیوستگی کامل از طریق اتصالات تامین گردیده باشد. در این نوع قاب ها زاویه های بین قطعات در عمل ثابت می ماند ، به عبارت دیگر صلیب دورانی قطعات در اتصالات حداقل

٩٠% بوده و از تغییر زاویه بین قطعات جلوگیری می کند از این نوع اتصالات چه در طراحی ارتجاعی و چه در طراحی خمیری استفاده می شود. 

٢- اتصالات ساده : در این قاب ها، سختی دورانی در انتهای قطعات به حداقل ممکن رسیده است . در تیرها چنین اتصالی تنها سبب انتقال برش در انتهای قطعات خواهد شد. زمانی قابی را ساده فرض خواهیم کرد که زاویه بین قطعات قاب تا ٨٠ درصد مقدار نظری زاویه که بر حسب مفصل  بدون اصطکاک بودن زاویه محاسبه می گردد امکان دوران پیدا می کند. در طراحی ارتجاعی از این نوع اتصالات استفاده می شود. از اتصالات ساده در طرح خمیری مگر زمانی که قطعه ای عمود بر قاب و در محل مفصل های خمیری و جهت مهار کردن مقطع خمیری به کار رفته باشد استفاده ای نخواهد شد. دو یا چند قاب که به روش خمیری طرح شده باشند می توانند به کمک اتصالات ساده و به همراه مهارهای چپ و راست به یکدیگر متصل شوند. 

٣-  اتصالات نیمه صلب : در این نوع اتصالات سختی دورانی قطعات نسبت بهم بین ٢٠% تا ٩٠% مقداریست که از هر نوع دوران نسبی آنها بیکدیگر جلوگیری می نماید.به عبارت دیگر می توان فرض کرد که در اتصالات نیمه صلب ، اتصال به نوعی است که نه مانند اتصال ساده لنگر انتقالی صفر است و نه مانند اتصال صلب پیوستگی کامل دو قطعه ممکن می باشد.بر طبق ظوابط AISC از اتصالات نیمه صلب  زمانی باید استفاده کرد که اتصالات تیر ها و شاه تیر ها ظرفیت معینی لنگر خمشی به نوعی که سختی معین بین اتصالات نوع صلب و ساده را طلب کند ایجاب نماید. از ایننوع اتصالات در طرح خمیری استفاده نمی شودو تنها در طرح ارتجاعی آن هم به ندرت کاربرد دارد،زیرا تعیین درجه گیرداری آن مشکل است . 

مقایسه رفتار  انواع اتصالات :

یک راه برای درک بهتر رفتار یک اتصال تیر به ستون در زیر بار و تعیین ظرفیت باربری آن ، رسم نمودار لنگر دوران است . (شکل ١-١) در این نمودار محور قائم نشان دهنده لنگر انتهایی تیر است که به اتصال وارد می گردد و محور افقی نشان دهنده دوران بر حسب رادیان می باشد.  

رابطه بین لنگر انتهایی ௘ܯ و دوران انتهایی ө را برای یک تیر تحت بار گسترده یکنواخت  از گیرداری کامل تا انتهای

ساده به صورت زیر می باشد:

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

رابطه بالا نشان دهنده یک خط مستقیم می باشد که دو نقطه a وb در روی نمودار شکل ١-١ ابتدا و انتها آن می باشند.

نقطه a نشان دهنده گیرداری کامل است (0=ө). در این حالت لنگر انتهایی همان لنگر گیرداری انتهایی خواهد بود.

(تصاویر ونمودار در فایل اصلی موجود است)

نقطه b نشان دهنده یک اتصال انتهایی ساده است که در آن لنگر انتهایی ௘ܯ برابر با صفر می باشد(0=௘ܯ) .وضعیت

تیر در این حالت همان وضعیت تیر ساده با دوران انتهایی زیر خواهد بود

خطی که دو نقطه aو b را به یکدیگر متصل می کند،خط تیر نامیده می شود.اگر بار روی تیر افزایش یابد،خط تیر موازی با خط اولیه به طرف خارج حرکت می کند. بدیهی است که حرکت این خط با افزایش مقدار لنگر انتهایی و چرخش انتهایی ( ሺө همراه خواهد بود.خط تیر در حالت دوم (خط چین ) نشان دهنده ضریب اطمینان می باشد و معمولاً بین ١.٦٧ تا ٢ برابر خط قبلی که بر مبنای بارگذاری مجاز به دست آمده می باشد. 

(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)

Abstract 

Moment Frame the most use because it get to architect very space that design it.also 

that have height ductility for the best performance in the earthquacke. Moment frame 

use for middle or height level structure in Iran. Rigid connection have important role in 

the special  Moment Frame. So it is important   that we known something are effect 

ductility rigid connection. 

There are four things in FEMA 356 that are effective on ductility rigid connections. Those 

are Continuity Plate, Panel zone, clear span‐to‐depth ratio and beam flange or  web 

slenderness. In study, we try to check limit of four things which occur height ductility. 

We used software ANSYS 9   for this target and readied model of rigid connection that 

use in Iran. 

Of course, all model design with connection plates which use to connect beam flange ‐ 

column flange and connect beam web ‐column flange. In the first, use limits of three 

things effective on ductility rigid connection that exist in the  Regulation for design 

models in the different limits of  effects Continuity Plate. We design seven models in this 

step and we define limit of effects Continuity Plate that occur best ductility. Then define 

limit use for next step and use limits of two things effective on ductility rigid connection 

that exist in the Regulation for design models in the different limits of   effects panel 

zone. In this step design three models. Then define limit of effects panel zone occur best 

ductility. In the next step, two limit defined use to define limit of effects clear span‐to‐

depth ratio. And use limit of effective beam flange or web slenderness on ductility rigid 

connection that exist in the Regulation. Three model design and analysis then define 

limit of effect clear span‐to‐depth ratio. In the last, we use three limits that get in before 

steps to  define limit  of  effect  beam flange  or  web  slenderness  on  ductility  rigid 

connection. And define this limit. 

Resultes get in research on effects Continuity Plate, show that if exist Continuity Plate, 

increase ductility rigid connection.and Continuity Plate thickness effect on ductility. 

Resultes get in research on Panel zone and clear span‐to‐depth ratio are same limit of 

effect as Regulation. Resultes get in research on beam flange or web slenderness,show 

that if slenderness exist only  in beam web, decrease ductility.