پایان نامه مدل غیرخطی اتصالات نیمه صلب در سقف های کامپوزیت درساختمان های فولادی تحت زلزله

پایان نامه برای دریافت درجۀ کاشناسی ارشد " M.Sc"

مهندسی عمران – سازه 

چکیده

 استفاده از سقف های کامپوزیت روز به روز در حال گسترش است و اتصالات در سازه های فولادی مهمترین قسمتی است که در زلزله ها آسیب می بینند ،  متخصصین مخصوصاً به علت زلزله سال ٩٤ نودریچ به نوع اتصالات صلب و نیمه صلب توجه  فراونی کردند و آزمایشات بسیاری روی آن انجام داده اند و گروه های علمی و پژوهشی برای بررسی و بهبود عملکرد اتصالات نیمه صلب تشکیل شد.

 در این پایان نامه یک سازه با ٩ طبقه در چهار قاب و٣ دهانه با ضخامتهای متفاوت و اتصالات گیردار و نیمه گیردارتحت سه رکورد زلزله و تحلیل استاتیکی افزایشی قرار گرفته است . تاثیر این عوامل روی پریود ، سختی ، برش پایه استاتیکی و دینامیکی و تغییر مکان نوک سازه در مدلهای مختلف بررسی می شود.

 میزان سختی سازه ها بستگی به ضخامت سقفها دال کامپوزیت دارد ، هر چقدر ضخامت سقف زیاد باشد سختی سازه بیشتر شده و در نتیجه پریود آن کاهش می یابد . اگر در همین سقفها از اتصالات نیمه صلب استفاده شود حدودًا دو برابر سختی سازه کاهش می یابد. برش پایه دینامیکی از عوامل مهم در مشخصات سازه است .  برش پایه دینامیکی در بیشتر موارد چندین برابر برش پایه شبه استاتیکی می شود . اگر Drift

حدود ١% ارتفاع  بر طبق آیین نامه NEHRP در نظر گرفته شود  برش پایه دینامیکی حدود ٠.٢٥  بار ثقلی شده و حدود ٣.٥ برابر برش پایه شبه استاتیکی می گردد .

 ضخامت سقف روی تغییرات نیروی برشی ناشی از تحلیل استاتیکی افزایشی(Push over method)

اثری ندارد ولی اثر ضخامت سقف روی تغییر مکان طبقات با توجه به صلبیت سقف قابل توجه است .یعنی تغییر مکان جانبی سقفها با ضخامتهای کمتر از ٥ سانتیمتر که صلب به حساب نمی آیند ، حدود ١.٥ برابر تغییر مکان جانبی سقفها با ضخامت بیش از ٥ سانتیمتر است . با تشکیل تغییر شکلها و مفصلها خمیری در اعضا ، سختی سازه کاهش و نرمی آن افزایش می یابد . این مسئله بسیار حائز اهمیت می باشد. زیرا علاوه بر اینکه قسمتی از انرژی ورودی زلزله توسط تغییر شکلها و مفصلهای خمیری جذب می شود ، با افزایش پریود ارتعاشی شتاب طیفی زلزله نیز کاهش می یابد .

مقدمه

 در این تحقیقات یک سازه ٩ طبقه با چهار قاب و سه دهانه و سیستم  قاب خمشی با اتصالات نیمه گیردار و اتصالات گیردار تحت سه رکورد زلزله طبس ، ناغان و السنترو با PGA های ٠.٣, ٠.٥ ,٠.٧ تحلیل دینامیکی شده و نیز تحت تحلیل استاتیکی افزایشی(Push over method) با تغییر مکان نسبی (Drift) ٢% مورد ارزیابی قرار می گیرد. اثر تغییر ضخامت سقف کامپوزیت ١٥ ،١٠ و ٣ سانتیمتر و سقف معمولی در این تحقیقات لحاظ گردیده است و همچنین اتصالات سازه به صورت صلب و نیمه صلب با سختی اتصال ١٣٠٠ تن متر بر رادیان تحت رکورد زلزله طبس ، ناغان و السنترو با حداکثر شتاب 0.3g سالم مانده است . تحت رکورد زلزله ناغان و السنترو با حداکثر شتاب 0.5g بدون خسارت جدی بوده ولی تحت رکورد زلزله طبس با حداکثر شتاب 0.5g و تحت رکوردهای زلزله های طبس ، ناغان و السنترو با حداکثر شتاب 0.7g  پاسخها بسیار زیاد است و برنامه متوقف می گردد.

 در تحلیل دینامیکی  با اتصالات صلب تحت رکورد زلزله السنترو با حداکثر شتاب 0.7g پاسخها بسیار زیاد است و برنامه متوقف می گردد . ولی تحت رکورد زلزله طبس با حداکثر شتاب 0.7g پاسخها محدود می باشد. همچنین در تحلیل استاتیکی افزایشی پاسخها محدود است .

فصل اول

کلیات ، پیش زمینه و تحقیقات گذشته :

١-١- سقفهای کامپوزیت

 در ساختمانهای معمولی ، سقفها معمولاً  طاق ضربی می باشند که جدیدًا از سقفهای تیرچه و بلوک استفاده می شود ، ولی مهندسین مجرب در ساختمانهای بلند برای صلبیت سقف ، از دال کامپوزیت استفاده می کنند چون دال کامپوزیت با ضخامتهای بالا ، صلبیت مناسب و با اطمینان به ما می دهد .

ضخامت بتن سقف زیر ٥ سانتیمتر صلب به حساب نمی آید [١٠] . در تهران آنچه مشاهده می گردد معمولاً ساختمانهای ٩ طبقه  تا ٢٠ طبقه از این سقفها استفاده می نمایند.

 ١-٢-اتصالات نیمه صلب

 در ابتدا برای سالیان متمادی هدف آئین نامه ها  طراحی برای حفظ ساختمان ها  در برابر زلزله بدون فرو ریختن (Callopse) بود ، گرچه خسارت های زیادی را متحمل شده باشند .در آئین نامه های جدید هدف اصلی ، شکل پذیری سیستم ، تک تک عناصر ، مواد و رفتار اعلام شده است .  این شکل پذیری مبنای تغییر شکل دادن پلاستیک بدون کاهش مقاومت و همچنین بدون ایجاد ناپایداری می باشد.

 در سال ١٩٦٠ مهندسین شروع به حفظ و بهینه کردن سیستم قاب خمشی جوشی از میان  سیستم های شکل پذیر کردند . به گمان این مهندسین این سیستم ها آسیب نا پذیرترین در برابر زلزله هستند و حداکثر به جاری شدن اتصالات و اعضاء می انجامند و احتمال فرو ریختن  Collapse  نخواهند داشت .

براساس این اعتقاد کارخانجات بزرگ ، مجتمع های اداری و مسکونی مخصوصاً در غرب آمریکا ساخته شد.

 در زلزله ١٧ ژانویه سال ١٩٩٤ نوردریچ  بسیاری از اتصالات تیر و ستون این ساختمانها در عوض جاری شدن ، شکست ناگهانی را تجربه کردند که ساختمان یک طبقه تا ٢٥ طبقه را در بر می گرفت و ساختمانهای ٣٠سال پیش تا تاریخ زلزله را شامل می شد . ساختمانهای صدمه دیده بیشتر در منطقه ای حضور داشتند که قدرت زلزله آنجا متوسط  بود به علت اینکه در مناطق با زلزله شدیدتر ساختمان های کمی وجود داشتند .

 کشف این شکست ترد ناگهانی و غیر پیش بینی شده که اغلب با خسارتهای معماری جدی همراه بود ، هشداری برای همه به حساب آمد . زلزله سال ٩٢ در شهر لندرز و زلزله ٩٢ شهر Big  pear و شهر

loma prieta  بسیاری از خسارتها را بوجود آورد و زلزله سال ٩٤ نوردریچ قدرت واقعی زلزله در مقایسه با دانش بشری نشان داد . در این زلزله خسارتهایی به وجود آمد ولی ساختمان ها فرو نریختند .

 این خسارتهای پیش بینی نشده ، هزینه تعمیر و هزینه های موقت بیانگر کم بودن قدرت زلزله از مقدار پیش بینی طراحی بوده است .

 ساختمان قاب خمشی براساس فرضیه جاری شدن وسیع و تغییر مکان پلاستیک در برابر زلزله بدون کاهش مقاومت طراحی شده اند . تغییرمکان پلاستیک شامل چرخش های پلاستیک در تیرها ، اتصالات ، ستونها و توانایی اتلاف ملایم انرژی ناشی از زلزله است و خسارت مورد انتظار جاری شدن در حد متوسط و کمانش محلی در اعضای فلزی می باشند نه شکستهای ترد و ناگهانی که خارج از انتظار باشد.

 بر این اساس آئین نامه ها اجازه می دهند که ساختمان قاب خمشی  برای درصد قابل ملاحظه ای از مقاومت در برابر زلزله درحالت الاستیک  طراحی شوند.

 ساختمانهای قاب خمشی افزایش شکل پذیری ناشی از جاری شدن اتصالات تیر و ستون را انتظار دارند که ممکن است مفصل پلاستیک در تیر و ستون با اولویت روی تیر تشکیل شود و تغییر شکل پلاستیک برشی در قسمت ستون یا ترکیبی از این مکانیزم به وجود آید.

 اتصالاتی که نوعاً  در ساختمانهای قاب خمشی به کار می روند  و در شکل (١-١) و (١-٢) نشان داده شده اند ، توانایی  چرخش پلاستیک از  ٠.٠١٥  تا ٠.٠٢ رادیان بدون کاهش مقاومت را دارند.[٣]

 مشاهده خسارتها نشان می دهدکه این خسارتها  برخلاف ایده آئین نامه به وجود آمده اند در بسیاری از موارد اتصالات در سطوح اولیه پلاستیک شروع به ترک خوردن می کنند و در بعضی از حالات ساختمانها الاستیک باقی می مانند . شکستها در CJP  ( جوش نفوذی کامل ) نوعاً نه همیشه به وجود می آیند (بین بال پائین تیر و بال ستون )  این ترکها در امتداد یک سری از مسیرهای مختلف بسته به مشخصات اتصال به وجود می آیند . 

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

 این ترکها در بعضی از حالتها در ضخامت جوش به وجود آمده و مقاومت ضد آتش را  از کار می اندارند ، ترک در ظاهر جوش یا در فلز پشت جوش به وجود می آید (1-3a) و بقیه ترکها پیشروی می کنند . در 

بعضی از حالات ترک در بال ستون قبل از جوش به وقوع می پیوند(١- 3b) و در این حالت قسمتی از ستون وصل شده به تیر سالم باقی می ماند یعنی ترک در قسمتی پیشرفت می کند. شکل (1-4a) ترک را نشان می دهد که در بال ستون موازی بال پائین تیر است .

 در شکل (1-4b) ترک به جان ستون هم رسیده است . بازرسی ها نشان می دهد که در بعضی از موارد ، ترک کاملاٌ  درکل مقطع پیشروی داشته است . این ترکها موجب کاهش مقاومت و سختی خمشی می شوند.

ولی در صورت تقویت این پیچها تا حدی جلوی شکستگی ها را می توان گرفت . این شکستها و ضعیف بودن مقطع ناشی از سوراخها نیز به حساب می آید. 

 با وجود اینکه هیچ علامت ظاهری از شکست جوش دیده نمی شود ولی کاهش مقاومت به علت شکست اتصالات مشخص است . در ابتدا متولیان صنعت ساختمان سازی فولادی در آمریکا شروع به بررسی این مساله پرداختند که چه مواردی سبب خسارت غیر منتظره می گردد . همچنین آنها پیشنهادات جدیدی  را برای طراحی اتصالات ارائه نمودند . 

ABSTRACT

Usage of composit roofs is developing and connections in steel structures is the

most important part that are under danger ic earthquaces. Experts  noticed a lot

to rigid and semi rigid connectiones specialy because of northridge earthquace

in 1994 and did a lot of exams about it and made sientific and searching groups

to make better usage of semi rigid connectiones. In this paper  had been studied

a structure with 9 floor  in 4 frame and 3 bay with different tickness and rigid

and semi rigid connectiones under 3 record and increasing statical analysing.

We will study the effect on period of this floors, stiffness, dinamical and

statical base shear and top drift in different model. Stiffness of structhures

depenes on  tickness of roof’s composite  slab increases when on  tickness of

roofs dicreases and then it’s period dicreases. If we use semi rigid connectiones

in this roofs, then stiffness of structure dicrease about double of firtd one.

Dynamical base shear is one important factores in structures properties. In

many cases Dynamical base shear is more than pseudo statical base shear. If

drift be considered about 1% hight upon the NEHRP code, the ratio of

dynamical  base shear to gravity load will be about  0.25 and it’s ratio to pseudo

statical base shear will be about 3.5. roof’s tickness hasn’t  any effect on

variation of  shear load produced of  increasing statical  analysis. But  it’s effect

on floor’s drift  with noticing to roof’s rigidity is noticable, it means that the

ratio of  roofs latteral  drift with tickness less than  5cm that aren’t rigid to roofs

latteral drift with tickness more than 5cm .when deformation and hing plastics

in element  are made, structure’s stiffness and  it’s ductility increases. This

problem is  very  noticable because some part of earthquaces entrance energy is

absorber by deformation and hing plastic even by increasing of variational

period and earthquaces spectral acceleration dicreases too.