مهندسی عمران ایران

بحث در نتایج مطالعات پارامتریک و انتخاب اتصال بهینه
به منظور انتخاب اتصال بهینه 18 نمونه اتصال با کاهش موضعی در جان تیر با پارامتر های برش مختلف (a ، b ، c)، مورد تحلیل قرارگرفتند. روند کار به این شکل بود که در هر تحلیل تنها یکی از پارامتر های برش محلی در تیر a ، b یا c با گام های کوچک افزایش یا کاهش می یافتند. عملکرد نمونه با این تغییر، بر اساس معیار های فوق الذکر با نمونه های پیشین در مطالعه حاضر ( مطابق جدول 1) مقایسه می گردید و سپس بهترین اندازه برآورد شده برای پارامتر بر نمونه اعمال شده و در مرحله بعد همین عمل مشابها روی پارامتر دیگری آغاز می گردید.
هدف رسیدن به اندازه های برش موضعی در تیر بود که بهترین عملکرد را بر اساس معیار های ذکر شده برای اتصال داشته باشند. خلاصه ای از تحلیل های انجام گرفته در جدول 1 آمده است. در جدول 1 ردیف 1 تا 18 مربوط به نمونه های اتصال با کاهش در جان است و نمونه شماره 19 اتصال استخوانی با طراحی بر اساس مرجع [ 5] است که نتایج آن به منظور مقایسه با اتصال با کاهش در جان آورده شده است. از جدول 1 می توان مقایسه ای بین اطلاعات خروجی از تحلیل هر نمونه با نمونه دیگر را به دست آورد.
اولین نمونه ی ساخته شده با شماره (1) در جدول 1 با پارامتر های برش مطابق با آزمایش انجام شده توسط Sean Wilkinson [12] طراحی و تحت بار گذاری چرخه ای قرار گرفت. سپس با ثابت نگه داشتن سایر ابعاد نمونه، پارامتر a از مقدار صفر در اولین آزمایش به مقادیر 0.25d ، 0.5d ، 0.75d و d در تحلیل های 2 تا 5 تغییر پیدا کرد تا عملکرد اتصال با تغییر در پارامترa بررسی گردد (d ارتفاع تیر است).

با بررسی اطلاعات خروجی از این پنج تحلیل به ترتیب اهمیت، در این مرحله اندازه بهینه برای پارامتر a مقدار 0.25d تعیین گردید. به منظور حصول مقدار بهینه برای پارامتر a در تحلیل های 6 و 7 از جدول 1 مقادیر 0.125d و 0.375d نیز مورد بررسی قرارگرفت. پس از تحلیل شماره 7، با بررسی نتایج a بهینه برابر با 0.375d تعیین شد. مقدار a به دست آمده در این مرحله را a* نامیدیم.
همین روند به صورت کاملا مشابه برای یافتن پارامتر های بهینه b و c نیز انجام گرفت. به طوری که مشابه حالت قبل در حین تغییر در یک پارامتر سایر ابعاد ثابت نگه داشته می شدند. پارامتر های بهینه محاسبه شده برای b و c تا انتهای تحلیل 18 ، به ترتیب b*=1.75d و c*=0.1d تعیین گردیدند.

جدول 1- مقایسه ی نتایج تحلیل ها

توضیحات جدول : 1. واحد انرژی ژول می باشد. 2. Not def به این معنی است که پارامتر مورد نظر قابل محاسبه نمی باشد. 3. پارامتر های برش برای اتصال با کاهش در جان مطابق شکل 1 و برای اتصال استخوانی مطابق شکل 5 می باشند.

با افزایش در پارامتر a مقطع باریک شده تیر از بر ستون دور شده و سبب ایجاد مفصل پلاستیک در اتصال به جای مقطع باریک شده می گردد. با کاهش بسیار زیاد a مجددا تسلیم در خود اتصال رخ می دهد. مقدار a بهینه باعث می گردد که تسلیم عمدتا در باریک شدگی تیر رخ دهد و اتصال از تمرکز تنش حفظ شود.
با افزایش در پارامتر b ، طول ناحیه باریک شدگی زیاد شده و عملا نقش باریک شدگی تیر کاهش یافته و مفصل پلاستیک به اتصال منتقل می گردد.
با کاهش زیاد پارامتر b مشاهده می گردد که به دلیل کوچک شدن ناحیه کاهش یافته، مفصل پلاستیک از ناحیه کاهش یافته تیر به اتصال منتقل می شود.
اما در مورد پارامتر c باید گفت که با افزایش آن مقطع تیر بسیار ضعیف و دچار کمانش های جانبی و کاهش مقاومت شدید می گردد. با کاهش زیاد این پارامتر نیز اتصال مانند اتصال تیر به ستون بدون باریک شدگی تیر عمل نموده و تسلیم عمدتا در اتصال رخ می دهد.
پارامتر ها ی بهینه شده b و c در کنار پارامتر بهینه a که بعد از تحلیل های زیاد و مقایسه نتایج به دست آمدند، توانستند بهترین نتیجه در دور کردن تمرکز تنش از چشمه اتصال و ستون، و انتقال مفصل پلاستیک به درون تیر را داشته باشند.

شکل 5- اتصال استخوانی (Dogbone) و پارامتر های برش آن

نمونه ها در طی بارگذاری چرخه ای رفتاری نسبتا مشابه داشتند. برای جلوگیری از طولانی شدن مقاله، تنها رفتار نمونه شماره 14 ( که دارای پارامترهای بهینه برش بود ) در طول بارگذاری ذیلا بررسی می گردد.
دراولین چرخه از تغییر مکان 9cm انتهای تیر که برابر با دوران 0.036 رادیان انتهای آزاد تیر بود، کاهش مقاومت در پایین آمدن انتهای آزاد تیر رادیان انتهای آزاد تیر بود، کاهش مقاومت در پایین آمدن انتهای آزاد تیر 0.036 رادیان اولین نشانه های کمانش محلی در بال پایینی دیده شد. بیشترین کمانش در بال تیر در شروع ناحیه باریک شده از طرف نزدیک تر به اتصال اتفاق افتاد (شکل 5 – (a)). با ادامه فرآیند بار گذاری در اولین چرخه از دوران 0.048 رادیان مقاومت نمونه در حرکت به سمت بالا شروع به کاهش کرد. در همین هنگام کمانش ها در جان تیر شروع گردید به طوری که هنگامی که تیر به بالا حرکت می نمود کمانش موضعی جان تا اندازه ای محو گردیده ولی با پایین آمدن انتهای تیر این کمانش با شدت بیشتری اتفاق می افتاد. در دومین چرخه از دوران 0.048 رادیان دامنه کمانش ها ی موضعی بال و جان تیر به صورت چشمگیری افزایش یافت.
در شروع دوران 0.06 رادیان انتهای آزاد تیر، کمانش موضعی در جان آن بسیار ملموس و واضح بود و کمانش پیچشی جانبی آغاز و با ادامه چرخه های بارگذاری افزایش یافت. در این میزان تغییرمکان، کمانش موضعی در بال بالایی تیر که در انتهای چرخه های 0.048 رادیان به وجود آمد شدت بیشتری یافت. کمانش در بال بالایی تیر در امتداد ناحیه ای از بال پایینی تیر رخ داد که دچار بیشترین کمانش شده بود افتاد (شکل 5 – (a)). در این هنگام یک ناحیه پلاستیک کامل در ابتدای قسمت کاهش یافته تیر در طرف نزدیک به اتصال شکل گرفته بود. شکل گیری این ناحیه از افزایش پلاستیسیته در اتصال جلو گیری کرد.

شکل 5- گراف تنش von mises سه بعدی در تغییر مکان 0.15m انتهای تیر
(a) نمونه ی شماره 14 ( اتصال با کاهش در جان ) – (b) اتصال استخوانی (Dogbone)

محل اتصال بال تیر به ستون مقطع حساسی است زیرا در این ناحیه تیر با جوش به ستون متصل می شود. فلز جوش حالت شکننده تری نسبت به مصالح فولاد تیر و ستون دارد و در اکثر آزمایشات انجام شده و در مشاهده خرابی های بعد از زلزله شکست از این قسمت شروع شده و توسعه یافته است [14]. پلاستیسیته شدید چشمه اتصال نیز خطرناک است و عواقبی چون شکست در ستون و خرابی پیشرونده در سازه را به دنبال دارد.
با توجه به اشکال 2- (a) و (b) می توان مقایسه ای میان عملکرد اتصال با کاهش در جان تیر نسبت به نمونه اتصال ساده تیر به ستون (BWWF) انجام داد. دیده می شود که اتصال کاهش یافته با کاهش در جان عملکرد چشمگیری در دور کردن تمرکز تنش از اتصال نسبت به نمونه ساده اتصال تیر به ستون دارد.
نیز با توجه به اشکال 5- (a) و (b) ا مقایسه اتصال با کاهش در جان و اتصال استخوانی، عملکرد بهتری در دور کردن تمرکز تنش از چشمه اتصال برای اتصال با کاهش در جان دیده می شود. همچنین برای اتصال با کاهش در جان تمرکز تنش در ناحیه اتصال بال تیر به ستون اندکی پایین تر است.

شکل 6 – (a) نمودار بار _ تغییر مکان نمونه اتصال استخوانی (b) نمودار بار _ تغییر مکان نمونه شماره 14 ( اتصال با کاهش در جان )

با توجه به شکل 6 مقایسه ای بین نمودار بار-تغییر مکان اتصال استخوانی و نمونه شماره 14 ( با کاهش گوه شکل در جان تیر ) از جدول 1 انجام می شود. نمودار(6– (a)) که برای نمونه اتصال استخوانی است دارای چرخه های باز بار- تغییرمکان می باشد. به دلیل اعمال برش موضعی یکسان در بال بالا و پایین تیر، نمودار در طرف مثبت و منفی محور نیرو ها متقارن است.
نمودار(6– (b)) دارای بیشینه نیرو بزرگتر در طرف مثبت و منفی محور نیرو ها نسبت به نمودار (6– (a)) می باشد. ضمنا به دلیل اعمال باریک شدگی تنها در پایین مقطع تیر نمودار بار-تغییر مکان آن نامتقارن است.
با مراجعه به جدول 1، اتصال با کاهش در جان با پارامتر های بهینه برش با شماره 14 و اتصال استخوانی با شماره 19 مشخص شده اند. با مقایسه این دو نمونه اتلاف انرژی نیروهای وارده برای نمونه استخوانی تقریبا برابر با نمونه کاهش در جان است. بیشینه ممان تحمل شده توسط اتصال با کاهش در جان 19% بیش از نمونه استخوانی می باشد در حالی که نمونه استخوانی از نظر سختی اولیه نمودار بار-تغییر مکان 0.8% سخت تر است.

نتیجه گیری
در تحقیق حاضر ، مطالعه پارامتریک تحلیلی برای اطمینان از عملکرد اتصال با کاهش در جان انجام گرفت. این مطالعه بر یافتن پارامتر های بهینه برش
موضعی در جان تیر بر اساس معیارهای معتبر و مستدل متمرکز گردید.
پس از بررسی نتایج مختلف عددی و توصیفی به دست آمده از تحلیل های اجزا محدود، در نهایت مقادیر پارامتر های بهینه برش برای اتصال با کاهش در جان a*=0.375d و b*=1.75d و c*=0.1d برآورد شدند ( d ارتفاع تیر است ). چنانچه اتصال تیر به ستون با کاهش محلی گوه شکل در جان تیر با اعمال پارامتر های برش a* و b* و c* تعیین شده در مطالعه حاضر باشند، تمرکز تنش در محل اتصال تیر به ستون و چشمه اتصال بسیار کاهش یافته و به منطقه ی باریک شده در تیر منتقل می گردد. در نتیجه منطقه کاهش یافته تغییر مکان های پلاستیک زیاد همراه با اتلاف انرژی بالا در مقابل نیرو های وارد شده از خود نشان خواهد داد که سبب تاخیر افتادن شکست و شکل پذیری قابل توجه برای اتصال می گردد.
لازم به ذکر است که نوعی از اتصال کاهش یافته با کاهش کمانی در بال تیر که اتصال استخوانی نامیده می شود، مورد استقبال وسیع طراحان سازه و سازندگان قرار گرفته است. به منظور ارزش گذاری رفتار اتصال خمشی با کاهش موضعی در جان تیر مقایسه ای میان آن و اتصال استخوانی نیز انجام گرفت.
مشاهده گردید که اتصال با کاهش در جان توانایی بیشتری در دور کردن تمرکز تنش از اتصال تیر به ستون و چشمه اتصال از خود نشان می دهد. همچنین اتصال با کاهش در جان اتلاف انرژی برابر ، سختی کمتر و مقاومت بیشتری نسبت به اتصال استخوانی از خود نشان داد. اتصال خمشی با کاهش موضعی در جان تیر توانایی بالایی در دور کردن تمرکز تنش از اتصال در تحلیل ها ی مطالعه حاضر و در مطالعات آزمایشگاهی دیگران نشان داده است. این اتصال برای ساخت آسان است و پاسخ لرزه ای خوبی دارد [ 12 ]. از مزایای دیگر آن سختی، مقاومت، شکل پذیری و اتلاف انرژی مناسب می باشند.
این اتصال همچنین می تواند گزینه مناسبی برای مقاوم سازی ساختمان ها در برابر زلزله و اصلاح اتصالات معمول گیردار تیر به ستون باشد. از آنجایی که معمولا بال بالایی تیر در دال بتنی کف قرار دارد و تنها بال پایینی تیر در دسترس می باشد ، این اتصال سهولت اجرایی بیشتری را نسبت به اتصال استخوانی ایجاد می نماید. از مزایای دیگر آن نسبت به روشهای مشابه تقویت اتصال ( ماهیچه ، ورق- تقویتی و ... ) عدم جذب لنگر قابل توجه در ستون متصله می باشد.
با توجه به مطالعات انجام گرفته در این تحقیق ، اتصال کاهش یافته با کاهش گوه ای در جان تیر به عنوان گزینه مناسب جهت به کارگیری در ساختمان های اسکلت فولادی و اصلاح و مقاوم سازی اتصالات رایج تیر به ستون معرفی می گردد. هر چند که روش های دیگر کاهش در جان برای یافتن بهترین حالت برش باید مورد مطالعات وسیع تری قرار گیرند.

مراجع

1. M. D. Engelhardt ، Member ASCE ، and A. S. Husain ، Associate Member ، ASCE ، “CYCLICLOADING PERFORMANCE OF WELDED FLANGE-BOLTED WEB CONNECTIONS” ، Journal of Structural Engineering ، Vol.119 ، No. 12 ، PP 3537-3550 ، December 1993.
2. Duane K. Miller. ، ” Lessons Learned from the Northridge Earthquake’ ، Engineering Structures ، Vol 20. ، PP 249-260 ، 1998.
3. Mahin SA. Lessons from damage to steel buildings during the Northridge earthquake. Eng Struct 1998; 20(4–6):261–70.
4. Calado L. Cyclic behaviour of beam to column bare steel connection: Influence of column size. In: Mazzolani FM ، editor. Moment resistant connections of steel frames in seismic areas. London: E&FN SPON; 2000
5. Michael D. Engelhardt ، Ted Winneberger ، Andrew J. Zekany and Timothy J. Potyraj ، "The Dogbone Connection: Part II" ، Modern Steel Construction ، August 1996.
6. Engelhardt m. D. ، Winneberger T. ، Zekany A. J. ، and Potyraj T. J. ، "Experimental Investigation of Dogbone Moment Connections" ، Engineering Journal ، PP128-139 ، 1998.
7. Iwankiw N. ، ”Ultimate Strength Considerations for Seismic Design of the Reduced Beam Section (Internal Plastic Hinge)” ، Engineering Journal ، PP 3-10 ، 1997.
8. Cheol-Ho Lee ، Sang-Woo Jeon ، Jin-Ho Kim and Chia-Ming Uang ، “Effects of Panel Zone Strength and Beam Web Connection Method on Seismic Performance of Reduced Beam Section Steel Moment Connections” JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING ، PP 1854-1865 ، DECEMBER 2005.
9. farzad naeim ، kan patel and ahmad itani ، “A New Rigid Connection For Heavy Beams and Columns in Steel Moment Resisting Frames” ، Engineer Association of California.2001.
10. Naeim F. The seismic design handbook. 2nd ed. Kluwer Academic Publishers; 2001. p. 418.
11. Uang CM ، Fan CC. Cyclic stability criteria for steel moment connections with reduced beam section. J Struct Eng ASCE 2001;127(9):1021–7.
12. Sean Wilkinson ، Gordon Hurdman ، Adrian Crowther ، “A Moment Resisting Connection for Earthquake Resistant Structures” Journal of Constructional Steel Research ، PP 265-302 ، July 2005.
13. American Institute of Steel Construction (AISC). Seismic provisions for structural steel buildings. Chicago; 2002.
14. A. Moslehi Tabar ، A. Deylami ، “ Instability of Beams With Reduced Beam Section Moment Connections Emphasizing the Effect of Column Panel Zone Ductility” ، Journal of Constructional Steel Research ، PP 1475-1491 ، May 2005.
15. Federal Emergency Management Agency. ، Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings. Report no. FEMA-350; 2000.
16. ANSYS (Revision 9.0). User’s manual ، theory ، vol. IV. Swanson Analysis Systems ، Inc;
17. ATC-24 ، Guidelines for Cyclic Seismic Testing of Components of Steel Structures.1992.
18. Chad S. Gilton and Chia-Ming Uang ، “Cyclic Response and Design Recommendations of Weak-Axis Reduced Beam Section Moment Connections” ، JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING ، PP 452-463 ، APRIL 2002.

این مقاله تلاشی بود از حسین سلیمانی دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشگاه صنعتی سهند تبریز و بهزاد رافضی استادیار دانشکده مهندسی عمران

پایان