بحث در نتایج مطالعات پارامتریک و انتخاب اتصال بهینه
به منظور انتخاب اتصال بهینه 18 نمونه اتصال با کاهش موضعی در جان تیر باپارامتر های برش مختلف (a ، b ، c)، مورد تحلیل قرارگرفتند. روند کار بهاین 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 اینتغییر، 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 برایپارامتر بر نمونه اعمال شده و در مرحله بعد همین عمل مشابها روی پارامتردیگری آغاز می گردید.
هدف رسیدن به اندازه های برش موضعی در تیر بودکه 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 1تا 18 مربوط به نمونه های اتصال با کاهش در جان است و نمونه شماره 19اتصال استخوانی با طراحی بر اساس مرجع [ 5] است که نتایج آن به منظورمقایسه با اتصال با کاهش در جان آورده شده است. از جدول 1 می توان مقایسهای 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 مطابقبا آزمایش انجام شده توسط Sean Wilkinson [12] طراحی و تحت بار گذاری چرخهای قرار گرفت. سپس با ثابت نگه داشتن سایر ابعاد نمونه، پارامتر a ازمقدار صفر در اولین آزمایش به مقادیر 0.25d ، 0.5d ، 0.75d و d در تحلیلهای 2 تا 5 تغییر پیدا کرد تا عملکرد اتصال با تغییر در پارامترa بررسیگردد (d ارتفاع تیر است).
با بررسی اطلاعات خروجی از این پنج تحلیل به ترتیب اهمیت، در این مرحلهاندازه بهینه برای پارامتر a مقدار 0.25d تعیین گردید. به منظور حصولمقدار بهینه برای پارامتر a در تحلیل های 6 و 7 از جدول 1 مقادیر 0.125d و0.375d نیز مورد بررسی قرارگرفت. پس از تحلیل شماره 7، با بررسی نتایج aبهینه 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 بهینهb و c نیز انجام گرفت. به طوری که مشابه حالت قبل در حین تغییر در یکپارامتر سایر ابعاد ثابت نگه داشته می شدند. پارامتر های بهینه محاسبه شدهبرای b و c تا انتهای تحلیل 18 ، به ترتیب b*=1.75d و c*=0.1d تعیینگردیدند.
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 اتصالاستخوانی مطابق شکل 5 می باشند.
با افزایش در پارامتر a مقطعباریک شده تیر از بر ستون دور شده و سبب ایجاد مفصل پلاستیک در اتصال بهجای مقطع باریک شده می گردد. با کاهش بسیار زیاد a مجددا تسلیم در خوداتصال رخ می دهد. مقدار a بهینه باعث می گردد که تسلیم عمدتا در باریکشدگی تیر رخ دهد و اتصال از تمرکز تنش حفظ شود.
با افزایش در پارامترb ، طول ناحیه باریک شدگی زیاد شده و عملا نقش باریک شدگی تیر کاهش یافتهو مفصل پلاستیک به اتصال منتقل می گردد.
با کاهش زیاد پارامتر bمشاهده می گردد که به دلیل کوچک شدن ناحیه کاهش یافته، مفصل پلاستیک ازناحیه کاهش یافته تیر به اتصال منتقل می شود.
اما در مورد پارامتر cباید گفت که با افزایش آن مقطع تیر بسیار ضعیف و دچار کمانش های جانبی وکاهش مقاومت شدید می گردد. با کاهش زیاد این پارامتر نیز اتصال ماننداتصال تیر به ستون بدون باریک شدگی تیر عمل نموده و تسلیم عمدتا در اتصالرخ می دهد.
پارامتر ها ی بهینه شده b و c در کنار پارامتر بهینه a کهبعد از تحلیل های زیاد و مقایسه نتایج به دست آمدند، توانستند بهتریننتیجه در دور کردن تمرکز تنش از چشمه اتصال و ستون، و انتقال مفصل پلاستیکبه درون تیر را داشته باشند.
شکل 5- اتصال استخوانی (Dogbone) و پارامتر های برش آن
نمونه ها در طی بارگذاری چرخه ای رفتاری نسبتامشابه داشتند. برای جلوگیری از طولانی شدن مقاله، تنها رفتار نمونه شماره14 ( که دارای پارامترهای بهینه برش بود ) در طول بارگذاری ذیلا بررسی میگردد.
دراولین چرخه از تغییر مکان 9cm انتهای تیر که برابر با دوران0.036 رادیان انتهای آزاد تیر بود، کاهش مقاومت در پایین آمدن انتهای آزادتیر رادیان انتهای آزاد تیر بود، کاهش مقاومت در پایین آمدن انتهای آزادتیر 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 بهاتصال اتفاق افتاد (شکل 5 – (a)). با ادامه فرآیند بار گذاری در اولینچرخه از دوران 0.048 رادیان مقاومت نمونه در حرکت به سمت بالا شروع بهکاهش کرد. در همین هنگام کمانش ها در جان تیر شروع گردید به طوری کههنگامی که تیر به بالا حرکت می نمود کمانش موضعی جان تا اندازه ای محوگردیده ولی با پایین آمدن انتهای تیر این کمانش با شدت بیشتری اتفاق میافتاد. در دومین چرخه از دوران 0.048 رادیان دامنه کمانش ها ی موضعی بال وجان تیر به صورت چشمگیری افزایش یافت.
در شروع دوران 0.06 رادیانانتهای آزاد تیر، کمانش موضعی در جان آن بسیار ملموس و واضح بود و کمانشپیچشی جانبی آغاز و با ادامه چرخه های بارگذاری افزایش یافت. در این میزانتغییرمکان، کمانش موضعی در بال بالایی تیر که در انتهای چرخه های 0.048رادیان به وجود آمد شدت بیشتری یافت. کمانش در بال بالایی تیر در امتدادناحیه 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 کاهشیافته تیر در طرف نزدیک به اتصال شکل گرفته بود. شکل گیری این ناحیه ازافزایش 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 زیرادر این ناحیه تیر با جوش به ستون متصل می شود. فلز جوش حالت شکننده ترینسبت به مصالح فولاد تیر و ستون دارد و در اکثر آزمایشات انجام شده و درمشاهده خرابی های بعد از زلزله شکست از این قسمت شروع شده و توسعه یافتهاست [14]. پلاستیسیته شدید چشمه اتصال نیز خطرناک است و عواقبی چون شکستدر ستون و خرابی پیشرونده در سازه را به دنبال دارد.
با توجه به اشکال2- (a) و (b) می توان مقایسه ای میان عملکرد اتصال با کاهش در جان تیرنسبت به نمونه اتصال ساده تیر به ستون (BWWF) انجام داد. دیده می شود کهاتصال کاهش یافته با کاهش در جان عملکرد چشمگیری در دور کردن تمرکز تنش ازاتصال نسبت به نمونه ساده اتصال تیر به ستون دارد.
نیز با توجه بهاشکال 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 درجان دیده می شود. همچنین برای اتصال با کاهش در جان تمرکز تنش در ناحیهاتصال 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-تغییرمکان اتصال استخوانی و نمونه شماره 14 ( با کاهش گوه شکل در جان تیر ) ازجدول 1 انجام می شود. نمودار(6– (a)) که برای نمونه اتصال استخوانی استدارای چرخه های باز بار- تغییرمکان می باشد. به دلیل اعمال برش موضعییکسان در بال بالا و پایین تیر، نمودار در طرف مثبت و منفی محور نیرو هامتقارن است.
نمودار(6– (b)) دارای بیشینه نیرو بزرگتر در طرف مثبت ومنفی محور نیرو ها نسبت به نمودار (6– (a)) می باشد. ضمنا به دلیل اعمالباریک 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 باشماره 14 و اتصال استخوانی با شماره 19 مشخص شده اند. با مقایسه این دونمونه اتلاف انرژی نیروهای وارده برای نمونه استخوانی تقریبا برابر بانمونه کاهش در جان است. بیشینه ممان تحمل شده توسط اتصال با کاهش در جان19% بیش از نمونه استخوانی می باشد در حالی که نمونه استخوانی از نظر سختیاولیه نمودار بار-تغییر مکان 0.8% سخت تر است.
نتیجه گیری
در تحقیق حاضر ، مطالعه پارامتریک تحلیلی برای اطمینان از عملکرد اتصال باکاهش 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 اجزامحدود، در نهایت مقادیر پارامتر های بهینه برش برای اتصال با کاهش در جانa*=0.375d و b*=1.75d و c*=0.1d برآورد شدند ( d ارتفاع تیر است ). چنانچهاتصال تیر به ستون با کاهش محلی گوه شکل در جان تیر با اعمال پارامتر هایبرش a* و b* و c* تعیین شده در مطالعه حاضر باشند، تمرکز تنش در محل اتصالتیر به ستون و چشمه اتصال بسیار کاهش یافته و به منطقه ی باریک شده در تیرمنتقل می گردد. در نتیجه منطقه کاهش یافته تغییر مکان های پلاستیک زیادهمراه با اتلاف انرژی بالا در مقابل نیرو های وارد شده از خود نشان خواهدداد 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 کهاتصال استخوانی نامیده می شود، مورد استقبال وسیع طراحان سازه و سازندگانقرار گرفته است. به منظور ارزش گذاری رفتار اتصال خمشی با کاهش موضعی درجان تیر مقایسه ای میان آن و اتصال استخوانی نیز انجام گرفت.
مشاهدهگردید که اتصال با کاهش در جان توانایی بیشتری در دور کردن تمرکز تنش ازاتصال تیر به ستون و چشمه اتصال از خود نشان می دهد. همچنین اتصال با کاهشدر جان اتلاف انرژی برابر ، سختی کمتر و مقاومت بیشتری نسبت به اتصالاستخوانی از خود نشان داد. اتصال خمشی با کاهش موضعی در جان تیر تواناییبالایی در دور کردن تمرکز تنش از اتصال در تحلیل ها ی مطالعه حاضر و درمطالعات آزمایشگاهی دیگران نشان داده است. این اتصال برای ساخت آسان است وپاسخ لرزه ای خوبی دارد [ 12 ]. از مزایای دیگر آن سختی، مقاومت، شکلپذیری و اتلاف انرژی مناسب می باشند.
این اتصال همچنین می تواند گزینهمناسبی برای مقاوم سازی ساختمان ها در برابر زلزله و اصلاح اتصالات معمولگیردار تیر به ستون باشد. از آنجایی که معمولا بال بالایی تیر در دال بتنیکف قرار دارد و تنها بال پایینی تیر در دسترس می باشد ، این اتصال سهولتاجرایی بیشتری را نسبت به اتصال استخوانی ایجاد می نماید. از مزایای دیگرآن نسبت به روشهای مشابه تقویت اتصال ( ماهیچه ، ورق- تقویتی و ... ) عدمجذب لنگر قابل توجه در ستون متصله می باشد.
با توجه به مطالعات انجامگرفته در این تحقیق ، اتصال کاهش یافته با کاهش گوه ای در جان تیر بهعنوان گزینه مناسب جهت به کارگیری در ساختمان های اسکلت فولادی و اصلاح ومقاوم سازی اتصالات رایج تیر به ستون معرفی می گردد. هر چند که روش هایدیگر کاهش در جان برای یافتن بهترین حالت برش باید مورد مطالعات وسیع تریقرار گیرند.
مراجع
1. M. D. Engelhardt ، Member ASCE ، and A.S. Husain ، Associate Member ، ASCE ، “CYCLICLOADING PERFORMANCE OFWELDED FLANGE-BOLTED WEB CONNECTIONS” ، Journal of StructuralEngineering ، 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 resistantconnections of steel frames in seismic areas. London: E&FN SPON;2000
5. Michael D. Engelhardt ، Ted Winneberger ، Andrew J. Zekanyand Timothy J. Potyraj ، "The Dogbone Connection: Part II" ، ModernSteel Construction ، August 1996.
6. Engelhardt m. D. ، WinnebergerT. ، Zekany A. J. ، and Potyraj T. J. ، "Experimental Investigation ofDogbone Moment Connections" ، Engineering Journal ، PP128-139 ، 1998.
7.Iwankiw N. ، ”Ultimate Strength Considerations for Seismic Design ofthe Reduced Beam Section (Internal Plastic Hinge)” ، EngineeringJournal ، PP 3-10 ، 1997.
8. Cheol-Ho Lee ، Sang-Woo Jeon ، Jin-HoKim and Chia-Ming Uang ، “Effects of Panel Zone Strength and Beam WebConnection Method on Seismic Performance of Reduced Beam Section SteelMoment Connections” JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING ، PP 1854-1865 ،DECEMBER 2005.
9. farzad naeim ، kan patel and ahmad itani ، “A NewRigid Connection For Heavy Beams and Columns in Steel Moment ResistingFrames” ، 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 momentconnections with reduced beam section. J Struct Eng ASCE2001;127(9):1021–7.
12. Sean Wilkinson ، Gordon Hurdman ، AdrianCrowther ، “A Moment Resisting Connection for Earthquake ResistantStructures” 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 ReducedBeam Section Moment Connections Emphasizing the Effect of Column PanelZone Ductility” ، Journal of Constructional Steel Research ، PP1475-1491 ، May 2005.
15. Federal Emergency Management Agency. ،Recommended seismic design criteria for new steel moment-framebuildings. 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 DesignRecommendations of Weak-Axis Reduced Beam Section Moment Connections” ،JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING ، PP 452-463 ، APRIL 2002.
این مقاله تلاشی بود از حسین سلیمانی دانشجویکارشناسی ارشد سازه، دانشگاه صنعتی سهند تبریز و بهزاد رافضی استادیاردانشکده مهندسی عمران
پایان
