Numerical investigation of new steel connection using short stub column

Farzad Hatami ¹ (Structural & Earthquake Research Institute, Amirkabir University of Technology, Tehran, IRAN)
mehrdad taheripour ² (Department of Civil Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran)
Reza Raoufi ³ (Civil Eng. Department, Ahwaz Branch Islamic Azad University)

Submited date : 2022-12-17 accepted date : 2023-06-27

Keywords: ductility, Finite elements, Steel connection, stub, plastic strain,

Abstract :

Little evidence of the formation of plastic zones is seen in damaged structures in various earthquakes. Most of the conducted studies have focused on creating a plastic hinge in a part of the beam making irreparable damage to the beam. If the plastic joint in the beam does not occur, a force will be created which is more than the plastic moment of the beam to be transferred to the connection and the column. This will either cause the brittle failure of the connection or damage to the panel zone of the column. Therefore, in this research, four connections with new geometry have been proposed aimed at reducing damage in beams and columns and the possibility of replacing damaged parts. In general, the proposed connections are suggested by replacing an H or I-shaped section with a companion, or instead of an end-plate, as a short stub column. In this study, first, a finite element model of the end-plate connection, which is a combination of welding and screwing, subjected to cyclic loading, was selected. Then, after the validation of Abaqus software, a study was carried out on the proposed connections. The results show that the stable region, with its nonlinear behavior, creates a controlled limited joint with extraordinary ductility. Yielding in the stub causes its fusion behavior and prevents damage to beams and columns It also significantly reduces the plastic stress and strain in the panel zone of the column.

Full-Text:



بررسي عددي اتصال پيشنهادي فلزي با استفاده از استاب ستون کوتاه

مهرداد طاهري پور

گروه مهندسي عمران، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامي، اهواز، ايران

، فرزاد حاتمي1و2و* 

1گروه مهندسي عمران، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامي، اهواز، ايران

2مرکز تحقيقات سازه و زلزله، دانشگاه صنعتي اميرکبير، تهران، ايران

رضا رئوفي

گروه مهندسي عمران، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامي، اهواز، ايران

 (:E-Mail: [e-mail] نويسنده مسئول)*

 

چکيده

در سازه‌هاي آسيب ديده در زلزله‌هاي مختلف‌‌، تنها شواهد اندكي دال بر اينكه نواحي پلاستيك واقعاً تشكيل شده باشند وجود دارد‌‌. اکثر مطالعات انجام شده بر روي ايجاد مفصل پلاستيک در قسمتي از تير تمرکز داشته‌‌، که اين امر در صورت وقوع باعث آسيب غير قابل جبران براي تير مي‌شود و در صورت عدم وقوع مفصل پلاستيک در تير سبب انتقال نيرويي بيش از لنگر پلاستيک تير به اتصال و در نتيجه به ستون شده که اين امر يا باعث شکست ترد اتصال مي‌شود و يا منجر به آسيب ديدن ستون به ويژه چشمه اتصال خواهد شد. لذا در اين تحقيق با هدف کاهش آسيب در تير و ستون و امکان جايگزيني قطعات آسيب چهار اتصال با هندسه جديد ارائه شده است. در حالت کلي‌‌، اتصالات پيشنهادي با جايگزيني يك مقطع H ياI شكل همراه يا به­جاي ورق‌انتهايي به عنوان استاب ستون کوتاه پيشنهاد مي‌گردد. در اين مطالعه ابتدا يک نمونه مدل اجزاء محدودي از اتصال ورق‌انتهايي که ترکيب جوش و پيچ بوده و تحت بارگذاري متناوب قرار گرفته است،  انتخاب و پس از صحت سنجي در نرم‌افزار آباکوس مطالعه برروي اتصالات پيشنهادي انجام پذيرفت. نتايج نشان مي‌دهد ناحيه‌ي‌ ا‌ستاب، با رفتار غيرخطي، يک مفصل محدود کنترل شده، با شکلپذيري فوق العاده را بوجود مي‌آورد. تسليم به هنگام در استاب سبب رفتار فيوزي آن و عدم آسيب به تير و ستون مي‌شود و تنش و کرنش پلاستيک را به‌طور‌قابل ملاحضه‌ايي در چشمه اتصال ستون کاهش مي‌دهد.

کليد واژگان: اتصال فلزي، استاب، شکلپذيري، کرنش پلاستيک، اجزاء محدود

1-مقدمه :

نتايج چندين مطالعات تجربي قبلي نشان داده که اتصالات ‌نيمه‌صلب خواص عالي دارند، که آنها را جايگزين قابل اعتماد براي اتصالات كاملا صلب ‌مي‌کند. اين خواص شامل نياز به برش پايه کمتر، اقتصادي‌تر و در بسياري موارد توانايي جذب بيشتر انرژي است[1]. اتصالات بايد به اندازه کافي ضمن مقاومت در مقايل نيروهاي برشي و خمشي و پيچشي، ظرفيت تحمل ‌تغييرشكل و چرخش را داشته باشند تا بتواند با موفقيت انتقال نيروها را از تير به ستون  انجام داده و شكلپذيري مورد نياز را فراهم نمايند. از اين رو، قوانيني براي کفايت اتصالات تحت بارگذاري استاتيک يا ديناميکي ايجاد شده است، و قوانين بيشتري براي اتصالات تازه پيشنهاد شده مورد نياز است [2]. از اين رو مطالعات گسترده انجام شده وچندين اتصال جديد براي اتصال تيربه ستون از زمان زمين‌لرزه نوتريچ پيشنهاد شده است[3]. با اين حال پيدا کردن يک اتصال مناسب براي تير به ستون هنوز تحت بررسي است [4]. براي داشتن جذب انرژي پلاستيك، وقوع تسليم ضروري است و شكست ترد اتصال مانع از اين ‌مي‌شود كه اتصالات خمشي رفتار غيرالاستيك مورد نظر را براي مقاومت در برابر بارهاي زلزله از خود نشان بدهند. تنش‌هاي سه محوره، تأثير شديدي در كاهش شكل‌پذيري و بروز رفتار ترد دارند. هنگاميكه فولاد بصورت همزمان در دو يا سه جهت بارگذاري شود، قادر نخواهد بود شكل پذيري ذاتي خود را به نمايش بگذارد و به جاي رفتار شكل پذير، بدون نشان دادن افزايش طول، دچار شكست ترد ‌مي‌شود [5].

 ترمبلي¹ و همکاران [6-7] کارايي سازه‌هاي فولادي را در طي زلزله‌هاي ‌نوتريچ و کوبه بررسي کرد .شکست ترد و آسيب ناشي از اتصالات در فرآيند مقاوم در برابر لنگر نشان داد که معيارهاي طراحي در عمل قبل از زلزله نوتريچ باعث ايجاد لولاي پلاستيکي در تير نشد. در اتصالات متعارف پس از زلزله ‌نوتريچ هدف بطور عمده انتقال مفصل پلاستيک به داخل تير و به يک فاصله معين از بر ستون است.  بگونه‌اي که باعث کاهش تمرکز کرنش به وجود آمده در ناحيه اتصال شده و در نتيجه باعث کاهش ميزان ترك‌خوردگي جوش و شکست ترد در اتصال مي‌شود[8]. روش هاي متعددي براي انتقال مفصل پلاستيک پيشنهاد شده است. در حالت کلي اين روش‌ها به‌دو دسته عمده تقسيم مي‌شوند. در روش اول اتصالات بگونه‌اي طراحي شده‌اند که با افزودن اجزايي به اتصال باعث افزايش مقاومت تير در ناحيه اتصال، و در نتيجه انتقال مفصل پلاستيک به داخل تير خواهد شد. در روش دوم با کاهش مقاومت در بخش‌هايي از تير، باعث تضعيف در يک ناحيه مشخص و از پيش تعيين شده مي‌گردد، که با اين کار مفصل پلاستيک از برستون به داخل تير منتقل خواهد شد. انواع اتصالات تير با مقطع کاهش يافته از اين دسته‌اند‌[9]‍. تلاش‌هاي هم صورت گرفته که با استفاده از يک ‌استاب اتصال مستقيم تير به ستون به يک فاصله از بر ستون منتقل شود.

  بهروز و عرفاني[10] از يک استاب تير کوتاه براي اتصال تير I شکل به ستون جعبه‌ايي به وسيله‌ي ورق‌انتهايي استفاده کردند. شن²[11] به بررسي دو نوع اتصال با قابليت تعويض بصورت آزمايشگاهي با استفاده از تئوري مقطع تير كاهش يافته پرداخت. در اين اتصال مابين تير كه بصورت تركيب ورق‌انتهايي و يك ‌استاب است، از يك لينک قابل تعويض، با يك مقطع کوچکتر نسبت به تيراصلي استفاده شد، بصورتي كه مفصل پلاستيك در آن لينک تشكيل شود. لي³[12] يک نوع خاص از اتصالات کانال معکوس را مورد ارزيابي قرار دادند که در آن جان‌هاي  ناوداني به ستون‌ جعبه‌ايي جوش و بال آن به تير به شکل اتصال ورق‌انتهايي متصل مي‌شود.

يلماز و بکيروج⁴ [13] با استفاده از يك ‌استاب به شكل تيرکوتاه، به ارزيابي اجزاء محدودي اتصال خمشي تير به ستون فولادي، در جهت محور ضعيف ستون، تحت بارگذاري مونوتونيك پرداختند. هو⁵ و همکاران[14] در يک مطالعه با استفاده از يک ‌استاب  فلزي که توسط يک لينک با طول کوتاه که از يک مقطع فولادي H شکل با جان باز تشکيل شده است، يک دستگاه اتلاف انرژي قابل جايگزين براي اتصالات تير به ستون بتني از پيش ساخته ارائه داد. پنگ⁶[15] با تعبيه يک ‌استاب که از يک لولا مکانيکي و يک جفت ورق فولادي مقاوم در مقابل کمانش تشکيل مي‌شود، يک اتصال تيربه ستون براي کنترل آسيب‌هاي لرزه‌اي سازه‌هاي فولادي ارائه داد. لولا مکانيکي براي حمل نيروي برشي استفاده مي‌شود در حالي که ورق فولادي مقاوم در مقابل کمانش به بال‌هاي تير، پيچ و براي انتقال لنگرخمشي استفاده مي‌شود.

در اتصالات خمشي صلب متداول انتقال لنگر از تير به ستون به­صورت يك كوپل نيرو انجام مي‌شود، در نتيجه دو نيروي متمركز در ناحيه اتصال بر ستون وارد مي‌شود،كه اين موضوع سبب افزايش تنش در چشمه اتصال خواهد شد. همچنين افزايش مقاومت و سختي اتصال باعث کاهش شکل پذيري مي‌شود، از طرفي ديگر يک اتصال مقاوم سبب انتقال تمام نيرو و لنگر ايجاد شده به ستون، به ويژه چشمه اتصال شده و سبب آسيب پذيري ستون خواهد شد. افزايش سطح تماس اتصال با بال ستون سبب پخش نيروهاي وارده به ستون مي‌شود،که علاوه بر شکل پذيري، سبب کاهش تنش وارده به چشمه اتصال خواهد شد.

لذا ايده‌ي ارائه اتصالي با امکان انعطاف در مقابل تغييرشکل در سازه، همچنين با هدف کاهش آسيب در ستون بوجود آمد. از اينرو در اين تحقيق سعي شده با استفاده ازترکيب اتصال با استفاده از ‌استاب و اتصال با ورق‌-انتهايي به ارائه نوع جديدي از اتصال با قابليت طراحي آسان و با امکان تغيير رفتار اتصال پرداخته شود. اتصال پيشنهادي شامل يك مقطع  IياH  شكل است که در راستاي محور قوي خود بين تيروستون قرار مي­گيرد. اين اتصال با پلاستيك شدن از آسيب رساندن به ساير اجزاء سازه جلوگيري ‌مي‌کند. استفاده از استاب سبب دور شدن مفصل پلاستيک از ستون خواهد شد. از طرفي با افزايش سطح انتقال نيرو به ستون تنش در چشمه اتصال ستون را كاهش مي‌دهد. استفاده از پروفيل هاي نورد شده در اتصال( كه مي تواند از قطعات مازاد نيز استفاده شود) همراه با ورق‌هاي سخت‌كننده امكان انعطاف‌پذيري در رفتار اتصال را فراهم مي‌كند.

شکل1- اتصال با استاب يکپارچه ستون کوتاهSSC

 2-اتصالات پيشنهادي

2-1-نمونه اول : استاب يکپارچه ستون کوتاهSSC 

در حالت کلي همانطور كه در شكل (1) نشان داده شده است، اتصال پيشنهادي با استفاده يك مقطع H شكل بصورت يك استاب ستون کوتاه بوسيله پيچ­ به ستون متصل مي­شود. اين اتصال شامل دو قسمت مي­باشد. قسمت اول، ورقي است كه به انتهاي تير (ورق‌انتهايي-تير) جوش داده شده است. قسمت دوم اتصال شامل يك استاب است كه از ورق‌تير و ورق­ستون (در واقع بال­هاي استاب هستند) تشكيل شده كه با يك فاصله‌اي نسبت به هم قرار مي‌گيرند. اين دو ورق موازي با بال ستون مي­باشند. سپس بوسيله يك ورق‌قائم (جان استاب) در امتداد جان تير با جوشكاري به يكديگر متصل و با چهار ورق‌پيوستگي كه در راستاي  بال‌هاي تير نصب و در دو طرف ورق‌قائم جوش مي­شوند تشكيل يك استاب يكپارچه را مي­دهند. اين استاب بين ورق‌انتهايي تير و ستون قرار مي­گيرد. ورق­تير به ورق‌انتهايي­تير و ورق­ستون به بال‌هاي ستون با پيچ­ متصل مي­شوند. در اتصال پيشنهادي با وجود دو صفحه پيچ شده موازي، انعطاف‌پذيري مضاعفي در رفتار اتصال ايجاد مي‌شود. ارتفاع مقطع استاب از ارتفاع تير بيشتر بوده و بين دو بال اتصال با ورق‌هاي پيوستگي تقويت خواهد شد‌. به علت انجام تمامي جوش‌ها قبل از مونتاژ سازه، امکان جوشکاري با کيفيت بالا بازرسي آسان را فراهم ‌مي‌کند وكيفيت اجراي اتصال افزايش ‌‌مي‌يابد. همچنين استاب به گونه‌ايي طراحي  مي‌شود تا در هنگام بارگذاري با پلاستيک شدن از آسيب رساندن به تير و ستون جلوگيري کند و بعد از بارگذاري مقطع استاب قابل تعويض باشد.

شکل2- اتصال با استاب يکپارچه ستون کوتاهD-SSC

 

2-2- نمونه دوم : دوبل استاب ستون کوتاه D-SSC))

هندسه اين اتصال همانطور كه در شكل (2) نشان داده شده مشابه با نمونه­ي اول است با اين تفاوت که استاب مورد استفاده از دو مقطع‌ جداگانه­ي H شکل تشکيل شده که ارتفاع هريک، ثلث ارتفاع استاب نمونه اول مي­باشد. در اين نمونه استاب با رفتار غيرخطي بصورت ميراگر عمل کرده و از انتقال لنگر اضافي از تير به ستون جلوگيري ‌مي‌کند. از آنجاييکه ضخامت ورق‌هاي بال‌ها و جان استاب وهمچنين ضخامت ورق پيوستگي در استاب رفتار اتصال را به طور قابل توجهي تحت تاثير قرار مي‌دهد، عملکرد سازه را مي‌توان با طراحي مناسب ضخامت اين قطعات در اتصال پيشنهاد شده کنترل کرد. به عبارت ديگر، با تعيين حداکثر انتقال لنگر بين تير و ستون از طريق استاب، مي‌توان مقطع بهينه براي اتصال را طراحي کرد. اين نکته قابل توجه است که با افزايش انعطاف‌پذيري سازه­ها، سطح عملکرد سازه مي­تواند افزايش يابد. 

2-3- نمونه سوم : استاب ستون کوتاه جايگزين ورق‌انتهايي (B-SSC)

سومين اتصال پيشنهادي شکل(3)  شامل يك استاب مي‌باشد که بصورت يك ستون کوتاه در راستاي محور قوي خود بين تير و ستون به گونه‌اي قرار گرفته که يک بال آن به ستون پيچ شده و بال ديگر آن به تير جوش داده مي‌شود، براي جبران کمبود ممان اينرسي استاب نسبت به تير، جان و بال آن بوسيله سخت‌کننده تقويت مي‌شود‌. اين سخت‌کننده‌ها در راستاي بال‌هاي تير قرار دارند تا خروج از مرکزيت سبب ايجاد لنگر در بال‌هاي استاب نشود. در صورتي که ضخامت سخت‌کننده‌ها از ضخامت بال تير بيشتر شود اتصال پيشنهادي بصورت صلب عمل ‌مي‌کند و مفصل پلاستيک در تير تشکيل مي‌شود‌‌. و اگر ضخامت سخت‌کننده‌ها از ضخامت بال تير کمتر شود استاب بصورت ميراگر عمل کرده و مفصل پلاستيک در آن تشکيل مي‌شود‌‌. در اتصال پيشنهادي ارتفاع استاب از ارتفاع تير بيشتر مي‌باشد. به علت انجام تمامي جوش‌ها قبل از مونتاژ سازه،كيفيت اجراي اتصال افزايش مي­يابد. عرض بال استاب حداقل بايد به اندازه عرض بال تير و حداکثر برابر با عرض بال ستون مي‌باشد.

 

شکل 3- اتصال استاب ستون کوتاه جايگزين ورق‌انتهايي(B- SSC)

2-4‌- نمونه چهارم : استاب ستون کوتاه همراه ورق‌انتهايي(W-SSC)

در اين مدل همانطور که در شکل (4) نشان داده شده است، يکي از بال‌هاي استاب به ستون جوش و تير همراه با ورق‌انتهايي جوش شده، به بال ديگر استاب پيچ مي‌شود‌. عرض ورق‌انتهايي برابر با عرض بال استاب مي‌باشد. مشابه با مدل‌هاي قبلي جان و بال استاب بوسيله سخت‌کننده تقويت مي‌شوند. وجود يک لايه پيچ در اتصال سبب شکلپذيري بهتر آن خواهد شد. اين اتصال جايگزين مناسبي براي اتصال درختي خواهد بود. 

 

شکل 4- : اتصال استاب ستون کوتاه همراه ورق‌_انتهايي (W-SSC)

3- مدلسازي عددي رفتار اتصالات پيشنهادي

مطالعات زيادي براي مدل سازي رفتار اتصالات انجام پذيرفته است. براي بررسي پارامترهاي تأثير گذار بر رفتار اتصالي مدل سازي آزمايشگاهي مستلزم صرف هزينه و وقت فراواني است. با پيشرفت تكنولوژي در چند سال اخير و توسعه روش اجزاء محدود شبيه سازي با استفاده از نرم‌افزارهاي کامپيوتري مي تواند جايگزين مناسبي براي روش‌هاي آزمايشگاهي باشد. بنابراين در اين بخش ابتدا با استفاده از روش المان محدود غير خطي نمونه آزمايشگاهي را آناليز كرده و صحت نتايج مورد بررسي قرار مي‌گيرد. از آنجا كه اتصال پيشنهادي در اين مطالعه تركيب پيچ و جوش مي‌باشد و بر‌اساس هندسه ورق‌انتهايي است، بنابراين در اين تحقيق يک نمونه مطالعه آزمايشگاهي اتصال تير به ستون بوسيله ورق‌انتهايي امتداد يافته از نوع سخت نشده، كه بوسيله چهار پيچ در دو طرف هر بال تير، به بال ستون متصل شده است، انتخاب گرديد و با استفاده از روش اجزاء محدود شبيه‌سازي و صحت نتايج را مورد بررسي قرار گرفت. براي آنکه مدل شبيه سازي شده تا حد ممكن به نمونه واقعي نزديك باشد لازم است که مدلسازي دقيق اعضا و اتصالات با در نظر گرفتن رفتار غيرخطي مصالح بررسي شود. همچنين مصالح، شرايط تكيه‌گاهي و ابعاد مقاطع مشابه با نمونه آزمايشگاهي است. همه اعضا بصورت قطعات جداگانه مدل شده‌اند. براي قسمت استاب به علت اينکه ريشه‌ي جوش‌ها باعث کاهش طول کمانش جان و بال استاب مي‌شود مدل‌سازي جوش‌ها داراي اهميت است و بصورت يک قطعه  مثلثي مدل شده است. اما براي ساير قسمت‌ها از جمله اتصال تير به ورق‌انتهايي و سخت‌کننده‌ها به تير، با توجه به مقاومت بالاي مواد جوش در مقايسه با فولاد معمولي، جوش ها به طور صريح در شبيه سازي المان مدل نشده و از خاصيت مقيد كردن از نوع Tie استفاده شد. اين قيد اين امكان را مي‌دهد كه دو ناحيه با مش‌هاي متفاوت را با يكديگر تركيب كنيم. در اين حالت درجات آزادي گره‌هاي سطح پيرو توسط درجات آزادي گره‌هاي سطح پايه مقيد مي شوند. شرايط مرزي در مدل شبيه‌سازي شده مشابه با شرايط مرزي در نمونه آزمايش تنظيم شده است. معيار پلاستيك شدن مصالح براساس معيار بحراني ون‌ميسز بوده و منحني تنش _ كرنش به صورت سه خطي براي معرفي رفتار سخت‌شدگي آن ايده‌آل و سخت‌شدگي ايزوتروبيک و كينماتيك در رفتار غيرخطي مصالح در نظر گرفته شده است. مقدار مدول الاستيسيته يانگ و نسبت پواسون به ترتيب به ترتيب برابر با  pa105*2 و 3/0 است. از آنجا كه بارگذاري در مدل آزمايشگاهي با سرعت پايين انجام ‌مي‌شود پس نوع تحليل حالت عمومي استاتيک مي‌باشد. اين نوع تحليل توانايي حل و شبيه‌سازي كمانش جانبي و بارگذاري هاي چرخش را داراست. در اين مدل دو مرحله تحليل در نظر گرفته شده است. در مرحله اول نيروي پيش‌كشيدگي پيچ‌ها اعمال ‌مي‌شود و سپس در مرحله دوم، بارگذاري چرخه‌ايي جانبي در نوک تير‌، اعمال مي‌شود.در مرحله دوم با در نظر گرفتن اثر هندسه غيرخطي، ‌تغييرشكل‌هاي بزرگ و کرنش پلاستيک با دقت بيشتري در تحليل محاسبه خواهد شد. بارگذاري بر انتهاي تير بصورت استاتيکي وکنترل جابجايي وارد مي‌شود. در مرحله اول بارگذاري نمونه نيروي پيش‌كشيدگي پيچ اعمال مي‌شود. تاريخچه بارگذاري در نمونه براساس پروتکل بارگذاري  SAC / BD- 97/02 [16] انتخاب شده است. اين پروتكل بر اساس چرخش نسبي انتهاي تير استوار است. جابجايي انتهاي تير از ضرب زاويه ديريفت درطول تير بدست مي‌آيد. لنگر وارد بر اتصال نيز برابر نيروي است كه جابه‌جايي مورد نظر را رقم مي‌زند ضرب در فاصله نوک تير تا مرکز ستون مي‌باشد. ذکر اين نکته ضروريست به علت کاهش زمان انجام محاسبات براي هر سطح ديريفت فقط يک سيکل بارگذاري انجام خواهد شد.

يكي از مراحل پيچيده در شبيه‌سازي اتصالات پيچي معرفي المان‌هاي تماسي است. اين مدل داراي 167 تماس مي‌باشد. و شامل تماس‌هاي بين بدنه پيچ‌ها با سوراخ‌ها، تماس بين بال‌هاي استاب با ستون و ورق‌انتهايي و تماس‌هاي بين سر پيچ‌ها با ساير ورق‌ها مي‌باشد. المان تماسي شامل دو پارامتر عمده مي‌باشد. پارامتر اول رفتار نرمال تماسي، باعث برخورد سخت و جلوگيري از نفوذ دو سطح در يكديگر مي‌شود. پارامتر دوم رفتار مماسي مي‌باشد كه به تعريف اصطكاك و ضريب آن مي پردازد. اين ضريب برابر با 3/0 در نظر گرفته مي‌شود. بطور كلي در اين مدل سه دسته مجزا با هم تماس خواهند داشت. اولين تماس ايجاد شده بين بال‌هاي استاب با بال ستون و ورق انتهايي است. دومين دسته تماس بين سر و مهره پيچ‌ها با ورق‌ها و بال ستون خواهد بود. و سومين دسته تماس بين بدنه پيچ‌ها با سوراخ‌ها مي‌باشد. تمامي تماسها از نوع سطح به سطح تعريف مي‌شود.

آخرين مرحله از مدل‌سازي مش‌بندي و اختصاص المان به قطعات مي‌باشد. در مش‌بندي هر چه ميزان چگالي دانه‌بندي ريزتر، مش‌هاي ايجاد شده بيشتر و ‌تغييرشكل‌ها و نتايج به واقعيت نزديكتر و ميزان زمان تحليل بيشتر خواهد بود. بنابراين بايد ميزان آن را بهينه كرد. براي اين منظور تنها در نزديکي ‌استاب از مش بندي ريز استفاده خواهد شد. در نهايت، تعداد کل 55683 المان و  163561 گره براي مدل نهايي در نظر گرفته شده است. در اين مدل از دو نوع المان استفاده شده است المان C3D8R كه داراي 8 گره مي‌باشد و از نوع خطي است، و المان C3D20R كه المان 20 گره اي مي‌باشد و از نوع درجه دو مي‌باشد. تير و پيچ از نوع 20 گره‌اي و ساير اعضا با المان 8 گره‌اي مدل شده‌اند. هر دو المان قابليت پلاتيسيته، سخت‌شدگي و ‌تغييرشكل‌هاي بزرگ را دارا هستند و در هر گره داراي سه درجه آزادي مي‌باشد و مي‌تواند رفتار غيرخطي را به خوبي نشان دهند.

          

3-1- صحت سنجي نمونه آزمايشگاهي

نمونه آزمايشگاهي براي بررسي صحت مدل اجزاء محدودي بر اساس آزمايشي است كه سامنر⁷ [17]، در دانشگاه ويرجينيا انجام داده مورد استفاده قرار گرفته است ، اين اتصال از نوع يك طرفه مي باشد كه تحت بارگذاري چرخه اي طبق پروتکل بارگذاريSAC  قرار گرفته و منحني لنگر_ دوران آن مورد بررسي قرار گرفته است. اين آزمايش شامل يك تير به طول432 ميليمتر (فاصله نوک تير تا مرکز ستون) با مقطع w24×68 است كه بصورت طره بوسيله ورق‌انتهايي با ضخامت 39 ميليمتر و با پيچ‌هايي به قطر 38 ميليمتر به ستوني با طول 556 ميليمتربا مقطع w14×120 متصل گشته، تکيه‌گاهاي ستون بصورت مفصلي بوده و مجموعه ساخته شده بصورت افقي مونتاژ و نيروي اعمالي توسط يك جك هيدروليكي بر انتهاي تير وارد مي‌شود. در محل اعمال بار توسط سخت كننده‌ها تقويت گشته تا از لهيدگي بال تير جلوگيري شود.

سعي شده مدل شبيه‌سازي شده تا حد ممكن به نمونه واقعي نزديك باشد. مصالح، شرايط تكيه‌گاهي و ابعاد مقاطع مشابه با نمونه آزمايشگاهي است. مشخصات مصالح بکار رفته در جدول (1) و جزئيات ورق‌انتهايي در جدول (2) و شکل (5) نشان داده شده است.

جدول 1- مشخصات فولاد بکار رفته در آزمايش سامنر [17]
	تنش تسليم	تنش نهايي
	kips-in (Mpa)	kips-in (Mpa)
تير	(369)53.6	(488)70.7
ستون	(358)52	(487)70.6
ورق‌انتهايي	(262)38.1	(474)68.8
ورق‌هاي پيوستگي	(248)36	(400)58
پيچ	(779)113	(956)138.7

 نتيجه مدل سازي و صحت نتايج استخراج شده در اين تحقيق در مقايسه با نتايج نمونه آزمايشگاهي شرح داده شده حاصل ‌مي‌شود. نمودار هيسترسيس دوران در مقابل لنگر رسم و با نمونه آزمايشگاهي مقايسه شد. در اين نمودار دوران از تقسيم جابه‌جايي اعمال در انتهاي تير بر فاصله انتهاي آزاد تير تا مركز ستون بدست مي‌آيد. لنگر نيز حاصل ضرب برش اعمال در انتهاي تير در فاصله آن تا مركز ستون مي‌باشد. نمودار لنگر-دوران در شکل (6) نشان داده شده است.

 

شکل 5-حزئيات اتصال ورق‌_انتهايي

جدول 2-جزئيات اتصال ورق‌انتهايي آزمايش سامنر [17]
پارامتر	ابعاد(ميليمتر)
tp	39
bp	254
Lpl	857
G	152
Pf	43.4
pt	71.4
g	151.4
pf	53.2
pt	63

 

همانطور كه مشاهده ‌مي‌شود نتايج بدست آمده حاصل از تحليل المان محدود داراي نزديكي مناسب و درصد خطا كم در مقايسه با نتايج آزمايشگاهي است. در اين مدل گسيختگي ناشي از كمانش پيچشي-جانبي بال و جان تير در محل تشكيل مفصل خواهد بود و محل تشكيل مفصل نيز در  فاصله تقريباً 10 اينچ از بر ورق انتهايي مي‌باشد كه تقريباً برابر با نصف ارتفاع تير است كه براي اتصالات سخت نشده است عدد منطقي خواهد بود. در نهايت نتايج داراي نزديکي مناسب و قابل قبولي است. مهمترين دليل صحت مدل‌سازي تعيين مد گسيختگي و تطابق آن با مدل آزمايشگاهي است. مد گسيختگي بر اثر کمانش پيچشي _ جانبي ، بال و جان تير رخ مي دهد. شکل (7).

 

شکل 6- مقايسه نمودار لنگر-دوران نمونه تحليلي با آزمايش سامنر [17]

شکل 7- تشکيل مفصل پلاستيک در نمونه تحليلي و آزمايش سامنر [17]

4-ارزيابي رفتار لرزه‌ايي اتصالات پيشنهادي

1-4- مقايسه اتصالات پيشنهادي با اتصال ورق‌انتهايي

براي ارزيابي پارامترهاي رفتار لرزه‌ايي اتصالات پيشنهادي، نمونه‌ي اتصال صحت سنجي شده در بخش قبل را ملاک قرار داده و اتصالات پيشنهادي را براي تير و ستون آن طراحي و آناليز براي آنها انجام مي‌شود. براي اين منظور تير، ستون، ورق‌انتهايي و پيچ‌ها مشابه بخش قبل خواهد بود. همچنين براي استاب از مقطع آماده استفاده شده است. که اين امر اجراي اتصال را بسيار آسان کند و جوشکاري ورق‌هاي جان به بال‌هاي استاب حذف مي‌گردد و تنها جوشکاري محدود به ورق‌هاي پيوستگي استاب به مقطع آماده مي‌شود. براي انتخاب مقطع آماده استاب بايد به چند نکته توجه داشت : اول اينکه عرض بال مقطع آماده بايد بين عرض بال تير و بال ستون باشد. دوم اينکه ضخامت بال و جان مقطع آماده بايد نزديک به ضخامت بال و جان تير باشد تا تحمل نيروي برشي و خمشي منتقله از تير را دارا باشد. براين اساس مقطع W10x68 براي استاب انتخاب و باتوجه به ضخامت بال تير از ورق‌پيوستگي  با ضخامت 11 ميليمتر براي تقويت آن استفاده شد. آرايش پيچ‌ها مشابه جدول (2) در نظر گرفته شده است. همچنين شرايط هندسي مشابه نمونه آزمايشگاهي است. مصالح استاب، مشابه تير و مصالح ورق‌پيوستگي استاب، مشابه ورق‌پيوستگي ستون در نظر گرفته شده است. براي هر چهار هندسه‌ي اتصال پيشنهادي تحت بارگذاري چرخه­اي تحليل اجزاء محدودي انجام و نمودار لنگر-دوران همچنين نمودار پشت­واره⁸ و نمودار دو خطي معادل⁹ براي آن‌ها رسم و در شکل(8) نشان داده شده است و نتايج مقايسه آنها در جدول (3) آورده گرديده است. دوران از تقسيم جابه‌جايي انتهاي آزاد ستون بر فاصله نوک ستون تا تکيه­گاه بدست مي آيد. لنگر نيز حاصل ضرب نيروي متناظر با جابجايي در فاصله آن تا تکيه­گاه ستون مي­باشد. پارامترهاي My لنگر تسليم θy  ديريفت تسليم، از نمودار دوخطي معادل منحني لنگر-دوران استخراج و متناظر اولين نقطه­ايي است که اتصال وارد مرحله غير خطي مي­شود. Mp لنگر پلاستيک، برابر با ماکزيمم مقداري است که در آن دوران برابر با صفر مي­باشد. θp دوران پلاستيک، برابر با ماکزيمم مقداري است که در آن لنگر برابر با صفر مي‌باشد. θmax دوران حداکثر وMmax  لنگر حداکثر، نيز از نمودار هيسترسيس استخراج شده و برابر با ماکزيمم ميزان لنگر و دوران متناظر آن مي­باشد. همچنين پارامتر‌هاي، شکلپذيري ماکزييم maxμ و شکلپذيري نهايي μu بصورت زير محاسبه مي­شوند:

براساس الزامات  AISC [18]، اتصالات تير به ستون که در سيستم‌هاي قاب خشمي ويژه مورد استفاده قرار مي‌گيرند بايد بتوانند زاويه ديريفت حداقل 0.04 راديان را تحمل کنند و مقاومت خمشي اندازه­گيري شده اتصال در اين زاويه بايد معادل حداقل80% لنگر پلاستيک تير متصل شده به آن باشد. لنگر پلاستيک تير بصورت ذيل محاسبه مي­شود :

(1)
(2)

در اين فرمول Ry براي محاسبه تفاوت بين حداقل تنش تسليم مشخص شده Fy و تنش تسليم مورد انتظار است و برابر متوسط تنش تسليم و تنش نهايي در نظر گرفته مي‌شود، و همچنين Zb مدول پلاستيک تير در منطقه مفصل پلاستيک است.

 

(3)

---

[1]  Tremblay

[2]  Shen

[3]  Li

[4]  Yılmaz , Bekiroğlu

[5]  Hu

[6]  Peng

[7]  Sumner  

[8]  backbone

[9]  bilinear

 

شکل 8- نمودار تحليل اجزاء محدودي استفاده از مقطع W10x68 به عنوان استاب

 

2-4 اثر اتصالات پيشنهادي بر کرنش پلاستيک معادل

يکي از اهداف اساسي اتصالات پشنهادي کاهش تغيير شکل‌هاي غير‌الاستيک در ستون است. کرنش پلاستيک معادل به عنوان دومين تغيير ناپذير تانسور کرنش پلاستيک به صورت زير محاسبه مي‌شود:

که در آن  مولفه‌هاي کرنش پلاستيک مي‌باشند. اين شاخص به عنوان ابزاري براي اندازه‌گيري شکل‌پذيري در سطح موضعي به کار مي‌رود. در اين مطالعه چشمه اتصال به سطح مابين دو ورق‌پيوستگي در جان ستون اطلاق مي‌شود. براي ارزيابي شاخص PEEQ نمودار ماکزيمم مقدار اين شاخص، براي نقاط واقع در سطح چشمه اتصال رسم و مقايسه شد. اين نمودار‌ها در شکل‌ (9) نشان داده شداست.

 

شکل 9-نمودار PEEQ چشمه اتصال ستون در استفاده از مقطع W10x68 

(4)

جدول 3-نتايج استفاده از مقطع W10x68 به عنوان استاب
متغيير	end-plate	SSC	D-SSC	B- SSC	W- SSC
θy	1.3	2	1.6	2	1.3
θmax	5	9	7.7	8	6
My	892	941	880	928	931
Mmax	1319	1319	1239	1251	1307
M0.04rad	1052	1052	1032	1065	1176
μmax	3.9	5	4.8	5.2	4.7
M0.04rad/ 0.8MPbeam	0.92	0.92	0.9	0.93	1.03

 

3-4- بررسي نتايج

همانگونه که از نتايج مشاهده مي‌شود استفاده از استاب ستون کوتاه در ترکيب با ورق‌انتهايي باعث افزايش قابل توجه θy ، θu مي‌شود در نتيجه شکلپذيري به طور متوسط 30% درصد افزايش مي‌يابد. که اين امر نشان دهنده رفتار لرزه‌ايي بهتر در مقايسه با اتصال ورق‌انتهايي است. لنگر خمشي ماکزيمم در اتصالات پيشنهادي کاهش چشمگيري را نشان نمي‌دهد. همچنين مقاومت خمشي در ديريفت 4 درصد، به غير از اتصال W-SSC که افزايش 12 درصدي را از خود بروز مي‌دهد، تقريباً برابر با اتصال ورق‌انتهايي است. در اتصال ورق‌انتهايي چشمه اتصال تقريباً به طور کامل پلاستيک مي‌شود اما استاب با رفتار فيوز مانند باعث جذب انرژي و کاهش قابل توجه تنش و کرنش پلاستيک در چشمه اتصال ستون مي‌شود. همچنين تنش در تير و ستون تقريباً در محدوده تنش تسليم باقي مي‌ماند. مفصل پلاستيک در اتصالات پيشنهادي در استاب تشکيل مي‌شود. همانگونه که از نمودارها مشاهد مي‌شود کرنش معادل پلاستيک در چشمه اتصال ستون در اتصال ورق‌انتهايي تا ديريفت 1.5 درصد (سيکل9.8) صفر مي‌باشد که به معني عدم وقوع تسليم مي‌باشد. اما در اتصالات پيشنهادي تسليم چشمه اتصال از ديريفت 2درصد(سيکل=12) شروع مي‌شود و در ديريفت 5 درصد(سيکل=18) کاهشي حدود 30 درصدي را نشان مي‌دهد. تغييرشکل اتصالات پيشنهادي در شکل (10) نشان داده شده است.

 

شکل 10- کانتور تنش استفاده از مقطع W10x68 به عنوان استاب

3-4- بررسي اتصالات پيشنهادي به عنوان اتصال درختي

اتصالات خمشي داراي سيستم تير کوتاه (ستون درختي) يکي از انواع سيستم‌‌هاي خمشي است که در سازه‌هاي فولادي مورد استفاده قرار گرفته است. در اين اتصال تير کوتاه در کارخانه به ستون جوش و تير اصلي در محل به تير کوتاه متصل مي‌شود. به همين دليل کيفيت اجرا اين اتصال نسبت به ساير اتصالات خمشي بيشتر است و سبب دور شدن مفصل پلاستيک تير از بر ستون مي‌شود. براي اتصال تير اصلي به تير کوتاه مي‌توان از اتصال استاب ستون کوتاه استفاده کرد. براي اين منظور يراي سيستم بخش (3) يک تير کوتاه به طول 650 ميليمتر در نظر گرفته و سپس به تير کوتاه و تير اصلي يک ورق با مشخصات جدول (2) جوش داده مي‌شود و در بين آنها استاب با مقطع W10x68و با هندسه و مشخصات بخش (4) قرار مي‌گيرد. براي اتصال B-SSC ورق به تير کوتاه و استاب به تير اصلي، براي اتصال W-SSC استاب به تير کوتاه و ورق به تير اصلي، جوش شده سپس بوسيله پيچ به هم متصل خواهند شد. همچنين هندسه اتصالات درختي همراه با استاب در شکل (11) نشان داده شد.

براي مقايسه اتصالات پيشنهادي، ابتدا اتصال درختي با ورق‌انتهايي مورد تحليل قرار مي‌گيرد. همانگونه که از نتايج مشاهده مي‌شود شکل (12) و (13) اين اتصال بصورت صلب عمل کرده و مفصل پلاستيک در تير کوتاه تشکيل مي‌شود. در مقايسه با اتصال ورق‌انتهايي بخش (3)، مقاومت خمشي آن تنها 3 درصد کمتر است، اما ديريفت ماکزيمم آن 5/0 درصد افزايش را نشان مي‌دهد. مقدار کرنش پلاستيک در چمشه اتصال نيز تغيير محسوسي را نشان نمي‌دهد.

 

شکل 11- هندسه اتصال درختي همراه با استاب

جدول4- نتايج حاصل از اتصال درختي همراه با استاب
متغيير	end-plate	SSC	D-SSC	B- SSC	W- SSC
θy(%)	1.3	2.8	2.6	1.8	2
θmax(%)	5.5	8.8	8.8	7.6	7
My	864	866	717	776	828
Mmax	1283	1135	1075	1243	1230
M0.04rad	1140	900	891	965	980
μmax	4.2	3.1	3.5	4.3	3.5
M0.04rad/ 0.8MPbeam	0.99	0.78	0.77	0.84	0.85

 

شکل 12- اتصال درختي همراه با ورق-‌انتهاي

همانگونه که از نتايج مشاهده مي‌شود شکل(14) و جدول(4) ترکيب اتصال درختي و استفاده استاب ستون کوتاه، جهت متصل کردن تير کوتاه

به تير اصلي، سبب افزايش فوق‌العاده ديريفت تسليم و ديريفت ماکزيمم سيستم اتصال مي‌شود بطوريکه ديريفت الاستيک در دو اتصال SSC و D-SSC حدود 2 برابر و در اتصال  B-SSCوW-SSC به ترتيب حدود

شکل 13- نمودار نتايج تحليل اتصال درختي همراه با ورق‌انتهايي

35و 56 درصد افزايش را نسبت به اتصال درختي همراه با ورق‌انتهايي، نشان مي‌دهند. در ديريفت ماکزييم نيز دو اتصال SSC و D-SSC حدود 60 درصد و اتصال  B-SSCو W-SSC به ترتيب حدود 38 و 26 درصد افزايش نشان مي‌دهند. که اين امر نشان دهنده رفتار لرزه‌ايي بهتر در مقايسه با اتصال ورق‌انتهايي است. لنگر خمشي ماکزيمم نيز در اتصال SSC و  D-SSC حدود 15 درصد و در دو اتصال  B-SSCو W-SSC حدود 5 درصد کاهش را نشان مي‌دهد.

مد گسيختگي در همه نمونه‌ها (به غير از اتصال W-SSC)در اثر خمش دو محوره بال‌هاي استاب بين دو رديف و ستون پيچ‌ها و کمانش موضعي ورق‌هاي پيوستگي و جان استاب در قسمت خارج از ارتفاع تير، ‌‌مي‌باشد. در اتصال W-SSC تا ديريفت 7 درصد رفتاري مشابه به ساير نمونه‌ها دارد اما با افزايش ديريفت بال‌هاي تيرکوتاه دچار کمانش موضعي شده و مفصل پلاستيک در اين ناحيه تشکيل مي‌شود. و رفتاري شبيه اتصال ورق‌انتهايي خواهد داشت. همچنين مقاومت خمشي همه نمونه‌ها در ديريفت 4 درصد کمتر از 80 درصد لنگر پلاستيک تير مي‌باشد که اين امر نشان مي‌دهد اتصالات پيشنهادي در قالب اتصال درختي در دسته

 

شکل 14- نمودار تحليل اجزاء محدودي اتصالات درختي همراه با استاب

اتصال نيمه‌صلب قرار مي‌گيرند. همانگونه که در شکل (15) مشاهده مي‌شود سه رفتار متمايز در نمودار ماکزييم کرنش پلاستيک معادل در چشمه اتصال ستون براي اتصالات پيشنهادي در قالب اتصال درختي رخ خواهد داد. در اتصال درختي ورق‌انتهايي، چشمه اتصال تقريباً به طور کامل پلاستيک مي‌شود هرچند که مقدار PEEQ حدود 18 درصد کمتر از اتصال ورق‌انتهايي معمول مي‌باشد. در دو اتصال SSC،D-SSC  استاب با رفتار فيوز مانند سبب کاهش قابل توجه تنش و کرنش پلاستيک در چشمه اتصال ستون مي‌شود بطوريکه در ديريفت 6 درصد (سيکل20) مقدارPEEQ  حدود 75 درصد کاهش را نشان مي‌دهد. دو اتصال        W-SSCو B-SSC نيز با پلاستيک شدن توأم استاب و تير کوتاه سبب کاهش مقدار PEEQ  در حدود 50 درصد (در ديريفت 6 درصد ) خواهند شد. شروع تسليم چشمه اتصال ستون در اتصال با ورق‌انتهايي از ديريفت 1 درصد، اتصال W-SSC از ديريفت 2 درصد و در ساير نمونه‌ها از ديريفت 3 درصد مي‌باشد. تغييرشکل اتصالات پيشنهادي در شکل (16) نشان داده شده است.

 

5-محاسبه ضريب رفتار در اتصالات پيشنهادي

يکي از مزاياي اتصالات پيشنهادي افزايش ضريب شکلپذيري مي باشد همچنين افزايش ضريب شکلپذيري مي تواند منجر به افزايش ضريب رفتار سازه شود. طبق تحقيقات انجام شده ضريب رفتار براي سازه يک درجه آزادي طبق رابطه 5 محاسبه مي شود. [19]

 

 

 

شکل 15- نمودار PEEQ چشمه اتصال ستون در اتصال درختي همراه استاب

 

 

شکل 16- کانتور تنش اتصال درختي همراه با استاب در انتهاي بارگذاري 

در رابطه فوقضريب اضافه مقاومت ضريب ناشي از شکل­پذيري،  ضريب نامعيني و  ضريب ميرايي مي­باشد. ضريب نامعيني و ضريب ميرايي در اکثر موارد واحد فرض مي­شود.پس از تحليل غيرخطي و رسم نمودار هيسترزيس نيرو_ تغييرمکان، نمودار پوش آور را استخراج و سپس آن را دو خطي کرده و با روش [20] Chopra ضريب فتار آن را بدست مي­آوريم. طبق روش چوپرا بايد مساحت سطح زير نمودار دو خطي با سطح زير نمودار منحني الاستيک برابر باشد که ازآن ضريب ناشي از شکل­پذيري و در نهايت ضريب رفتار بدست مي­آيد.

 

شکل 17-  نمودار دو خطي نيرو_تغييرمکان براي سيستم يک درجه آزادي

(5)

ضريب رفتار براي اتصالات پيشنهادي بخش 4-1 در جدول (5) و براي بخش 4-3 در جدول (6)  آورده شده است.

(6)
(7)

جدول 5-ضريب رفتار استفاده از مقطع W10x68 به عنوان استاب
متغيير	end-plate	SSC	D-SSC	B- SSC	W- SSC
Rs	3.4	2.5	3	2.7	3.6
Rµ	2.8	3.3	3.2	3.3	3.1
R	9.7	8.3	9.6	8.9	11.3
جدول 6-ضريب رفتار اتصال درختي همراه با استاب
متغيير	end-plate	SSC	D-SSC	B- SSC	W- SSC
Rs	1.35	2.58	3.88	5.66	2.03
Rµ	3.01	2.41	2.67	3.11	2.65
R	4.07	6.24	10.38	17.64	5.37

 

همانگونه که از نتايج مشاهده مي‌‌شود(جدول 5) در استفاده از مقطع W10x68 به عنوان استاب (به غير از اتصال‌W-SSC ) در مقايسه با اتصال ورق_انتهايي، بر خلاف افزايش چشمگير ضريب شکل‌پذيري، ضريب رفتار تغيير چنداني نخواهد داشت که علت آن تشکيل مفصل پلاستيک در نزديکي بر ستون مي‌باشد. در خصوص اتصال‌W-SSC به علت سختي زيادتر اين اتصال به علت جوشکاري بال استاب به بال ستون مفصل پلاستيک هم‌زمان در استاب و تير تشکيل مي‌شود و درنتيجه سبب افزايش 16 درصدي ضريب رفتار در اين اتصال خواهد شد. 

در اتصال درختي با استفاده از ورق‌انتهايي، به علت اينکه مفصل پلاستيک در قسمت تير کوتاه تشکيل مي‌شود، بر خلاف انتظار ضريب رفتار با کاهش چشمگيري مواجه خواهد شد. اما در خصوص اتصال درختي همراه با استاب(به غير از اتصال‌W-SSC ) نتيجه متفاوت خواهد بود. به علت اينکه مفصل پلاستيک در استاب و در فاصله‌ايي حداقل برابر با تير کوتاه تشکيل مي‌شود سبب افزايش ضريب رفتار بطور نسبي خواهد شد. اما در خصوص اتصال‌W-SSC، استاب و تير کوتاه هم‌زمان پلاستيک شده و سبب کاهش ضريب رفتار مي‌شود.

 

6-بررسي افزايش تعداد پيچ‌ها در استاب

در اتصالات پيچي تعداد و آرايش پيچ‌ها نقش تعيين کننده در رفتار اتصال خواهند داشت. چند نمونه از آرايش پيچ‌ها در شکل(18) نشان داده شده است. در تعيين آرايش پيچ‌ها حداقل فاصله بين مرکز به مرکز پيچ و فاصله مرکز پيچ تا لبه ورق تعيين کننده خواهد بود. لذا با توجه به ابعاد استاب بکاربرده شده (مقطع W10x68 ) استفاده از آرايش پيچ 4E و4E2S امکانپذير مي‌باشد. در بخش 4 نمونه‌ها براساس آرايش4E  مدل‌سازي شدند، لذا در اين بخش نمونه SSC با آرايش پيچ 4E2S مجدداً مدل‌سازي (شکل(19)) و نتايج آن با مدل4E  مقايسه مي‌شود.

 

4E

8E

4E2S

4E4S

   

 

 

 

 

 

 

شکل 18-  انواع آرايش پيچ‌ در اتصال بال استاب به بال ستون

همانگونه که در شکل(20) مشاهده مي‌شود نمودار چرخه‌ايي لنگر-دوران کاهش يک چرخه بارگذاري در آرايش پيچ 4E2S را نشان مي دهد که علت آن افزايش سختي اتصال و جلوگيري از تغيير شکل بال استاب در فاصله بين دو بال تير مي‌باشد.

 

شکل19- پيکربندي اتصالSSC  با آرايش پيچ 4E2S

همچنين در ساير چرخه‌هاي بارگذاري دو نمودار تقريبا" بر هم منطبق مي‌باشند که علت آن تحمل نيرو توسط جان و بال استاب در امتداد بال‌هاي تير مي‌باشد. همچنين نمودار PEEQ  براي چشمه اتصال ستون و براي پيچ‌هاي خارج از ارتفاع تير رسم گرديد شکل(21). همانگونه که مشاهده مي‌شود در آرايش پيچ 4E2S ماکزيمم کرنش پلاستيک در چشمه اتصال ستون اندکي افزايش را نسبت به آرايش پيچ 4E نشان مي‌دهد که علت آن انتقال بخشي از نيروي کششي حاصل از لنگر خمشي تير به ميانه استاب است و چون در اين ناحيه ورق پيوستگي براي تحمل اين نيرو تعبيه نشده، لذا سبب افزايش کرنش پلاستيک خواهد شد. ماکزيمم کرنش پلاستيک در پيچ‌ها در آرايش پيچ 4E2S  اندکي کاهش مي‌يابد که علت آن کاهش تنش برشي و کششي در پيچ‌ها به علت افزايش تعداد آن‌ها مي‌باشد. 

 

شکل 20- نمودار تحليل اجزاء محدودي نمونه 4E و 4E2S

 

شکل 21- نمودار PEEQ  الف: چشمه اتصال ستون، ب: پيچ در مقايسه با اتصال ورق‌انتهايي

 

7- تاثير اتصالات پيشنهادي در زمان تناوب

پارامتر زمان تناوب يکي از مهمترين ويژگي هاي ديناميکي سازه محسوب مي‌شود که در برآورد نيروي زلزله وارد بر آن نقش اساسي دارد. به طور کلي اگر سازه را با جرم متمرکزm  و سختي  k مدل‌سازي کنيم، زمان تناوب تحليلي نوسان سازه از رابطه زير به دست مي‌آيد:

در رابطه فوق k سختي سازه مي‌باشد که در صورت خطي بودن رفتار مي‌توان از قانون هوک استفاده کرد و k را برحسب تغييرمکان ((Δ  به دست آورد:

(8)

با توجه به رابطه فوق مي‌توان گفت که با کاهش سختي، زمان تناوب سازه افزايش مي‌يابد. بنابراين با توجه به نمودارهاي دو خطي معادل ترسيم شده در شکل(8) و شکل(14) براي همه نمونه‌هاي اتصال با استاب در يک جايجايي(ديريفت) برابر، نيروي(لنگر) کمتري نسبت به اتصال ورق‌انتهايي بدست مي‌آيد، که بيان‌گر اين نکته است که تمامي مدل‌هاي پيشنهادي داراي سختي کمتر و در نتيجه زمان تناوب بيشتر و نسبت به اتصال ورق‌انتهايي مي‌باشند. 

8- تاثير اتصالات پيشنهادي در استهلاک انرژي

براساس تجربه­ هاي حاصل از زلزله‌هاي گذشته و مطالعات انجام گرفته، سازه‌هايي در  برابر زلزله  داراي عملکرد بهتري هستند که  بتوانند ضمن حفظ پايداري و انسجام کلي خود انرژي ناشي از زلزله را تا  حد‌ امکان جذب و مستهلک نمايند. با توجه به منحني نيرو_تغيير مکان سازه‌­ها  و توجه به اين  مطلب که  سطح زير منحني نيرو‌­­_تغييرمکان نشان دهنده ميزان انرژي جذب شده توسط سازه است، هر چه سازه شکل‌پذيرتر باشد، انرژي بيشتري را هنگام  زلزله جذب کرده و رفتار مطلوب­تري دارد. همچنين تعداد سيکل‌‌هايي هم که يک المان مي‌توان تا قبل از گسيختگي تحمل نمايد نشان‌ دهنده‌ي قابليت اطمينان و پايداري عضو مي‌باشد. بنابراين براي محاسبه انرژي استهلاک يافته ابتدا منحني‌هاي نيرو_تغييرمکان را برحسب کيلونيوتن_ميليمتر رسم کرده و سطح زير نمودار هيسترزيس برحسب کيلو ژول را محاسبه مي‌کنيم. نتايج بصورت نمودار ميله‌‌ايي در شکل(22) نشان داده شده است.

شکل 22- نمودار استهلاک انرژي اتصالات پيشنهادي

همانگونه که از نتايج مشاهده مي‌شود اسنهلاک انرژي بطورکلي در اتصال درختي بيشتر مي‌باشد که علت آن دور شدن مفصل پلاستيک از بر ستون خواهد بود.  دو مدل SSC و B-SSC بيشترين و مدل W-SSC کمترين اسنهلاک انرژي را نسبت به اتصال ورق‌انتهايي دارا مي‌باشند.

همچنين منحني‌هاي هيسترزيس نشان مي‌دهد اتصالات همراه استاب داراي چرخه‌هاي بارگذاري بيشتري را تحمل مي‌کند درنتيجه قابليت اطمينان و پايداري آن‌ها نسبت به اتصال ورق‌انتهايي افزايش مي‌يابد.

 

9-معايب اتصالات پيشنهادي

از معايب اتصالات پيشنهادي مي توان به هزينه ساخت و اجراي آن‌ها به علت کاربرد مصالح بيشتر، و افزايش طول جوشکاري نسبت به اتصالات معمول اشاره کرد. همچنين دواتصال SSC و D-SSC به علت وجود ورق‌انتهايي متصل به تير بعد از بارگذاري قابل تعويض خواهد بود، اما دو اتصال B-SSC وW-SSC بعد از بارگذاري و در صورتي که مفصل پلاستيک در استاب تشکيل شود قابل تعويض نبوده و سازه توانايي ادامه بهره‌برداري را نخواهد داشت. همچنين در نمودارهاي بارگذاري اندکي تنگ‌شدگي مشاهده مي‌شود که منجر به کاهش استهلاک انرژي در چرخه‌هاي برابر نسبت به اتصال ورق­‌انتهايي خواهد شد.

 

10-رفتار پيچ‌ها در اتصالات پيشنهادي

بطور کلي رفتار پيچ‌ها در اتصالات پيشنهادي مشابه با رفتارپيچ در اتصال ورق‌انتهايي مي‌باشد. از آنجايي که پيچ‌ها از نوع پرمقاومت مي‌باشند بنابراين نقطه تسليم مشخصي براي آنها وجود ندارد. بنابراين اعمال نيروي پيش‌تنيدگي پيش از مقدار مشخص شده در آيين‌نامه موجب گسيختگي در بارگذاري ديناميکي خواهد شد. در اتصالات پيشنهادي به علت طراحي بال‌هاي استاب با ضخامت متوسط [17] نيروي اهرمي پيچ، نقش اصلي را در انتقال نيروي ديناميکي به بال‌هاي استاب را برعهده خواهد داشت و از تمرکز تنش در پيچ‌ها جلوگيري مي‌کند. نمودار ماکزيمم کرنش پلاستيک معادل شکل(21) در پيچ‌ها نشان دهنده کاهش اين شاخص نسبت به اتصال ورق­­‌انتهايي است. بنابراين همانگونه که کانتور‌هاي تنش شکل(23) نشان مي‌دهد بيشترين تمرکز تنش ايجاد شده در محل اتصال ورق‌هاي پيوستگي به جان استاب مي‌باشد که در صورت عدم جوشکاري مناسب دراين محل، موجب گسيختگي و انهدام اتصال مي شود.

 

 

شکل 23-  کانتور‌ تنش در استاب

11-نتيجه گيري

1-اتصال پيشنهادي يک اتصال خمشي با قابليت طراحي رفتار نيمه‌صلب و صلب است که مي‌توان در اتصال تير به ستون، با مکانيزم انتقال بار متفاوت از اتصالات مرسوم بکار رود.

2- کاهش مقاومت نمونه‌ها ناشي از کمانش موضعي در طي بارگذاري مي‌باشد و هيچ گونه گسيختگي کلي در نمونه ها ديده نمي‌شود.

3-مطالعات اجزاء محدودي نشان مي‌دهد که اتصالات پيشنهادي، داراي شکلپذيري فوق‌العاده‌اي مي‌باشد. ناحيه‌ي استاب، با عملکرد پلاستيک خود، انرژي به مراتب بيشتري، نسبت به مفصل در تير جذب کرده و يک مفصل محدود کنترل شده، با شکلپذيري فوق العاده را بوجود مي‌آورد که به افزايش پريود و ضريب رفتار سازه منجر ميشود.

4-نسبت به اتصالات خمشي متداول، ظرفيت چرخش پلاستيک، ميتواند تا چند برابر، افزايش يابد.

5-به علت مکانيسم انتقال نيرو از ورق‌انتهايي به استاب و همچنين استفاده از مقاطع آماده به عنوان استاب شکست ناشي از حساسيت جوشکاري و تمرکز تنش ناشي از تغيير ناگهاني هندسه، مي‌تواند به حداقل برسد و نيز، ظرفيت اتلاف انرژي بهبود مي‌يابد.

6-تسليم به هنگام استاب سبب رفتار فيوزي مورد نظر و عدم آسيب به تير و ستون مي‌شود، تنش و کرنش پلاستيک را به طور قابل ملاحضه‌ايي در چشمه اتصال کاهش و سبب قابل اطمينانتر شدن اتلاف انرژي مي‌شود.

12-تقدير و تشکر

اين تحقيق با همکاري شرکت ملي مناطق نفتخيز جنوب انجام شده است.

13-مراجع

[1]Moghadam A, Estekanchi H, Yekrangnia M. Evaluation of PR steel frame connection with torsional plate and its optimal placement. Scientia Iranica. 2018;25(3):1025-38.

[2]Alhendi H, Celikag M. Finite element prediction of reverse channel connections to tubular columns behavior. Engineering Structures. 2015;100:599-609.

[3]FEMA-355D. State of the art report on connection performance. Washington (DC): Federal Emergency Management Agency; 2000.

[4]Mirghaderi S, Torabian S, Keshavarzi F. I-beam to box–column connection by a vertical plate passing through the column. Engineering Structures. 2010;32(8):2034-48.

[5]Miller D. Lessons learned from the Northridge earthquake.Engineering structures.1998;20(4-6):249-60.

[6]Tremblay R, Filiatrault A, Timler P, Bruneau M. Performance of steel structures during the 1994 Northridge earthquake. Canadian Journal of Civil Engineering. 1995;22(2):338-60.

[7]Tremblay R, Filiatrault A, Bruneau M, Nakashima M, Prion H, DeVall R. Seismic design of steel buildings: lessons from the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake. Canadian Journal of Civil Engineering. 1996;23(3):727-56.

[8] Yiyi C, Xiuzhang H, Ke K. Characteristics and technical issues on structural systems with replaceable damage-concentrated elements. Journal of Building Structures. 2016;37(2):1-0.

 [9]Garoosi A, TahamouliRoudsari M, Hashemi B. Experimental evaluation of rigid connection with reduced section and replaceable fuse. InStructures. 2018;16: 390-404.

[10]Behrooz S, Erfani S. Parametric study of Stub-Beam Bolted Extended End-Plate connection to box-columns. Journal of Constructional Steel Research. 2020;171:106155.

[11]Shen Y, Christopoulos C, Mansour N, Tremblay R. Seismic design and performance of steel moment-resisting frames with nonlinear replaceable links. Journal of Structural Engineering-Reston. 2011;137(10):1107.

[12]Li X. Moment-rotation behaviour of universal beam to tubular column connections using reverse channel. The University of Manchester (United Kingdom); 2012.

[13]Yılmaz O, Bekiroğlu S. Performance Evaluation of Weak-Axis Steel Moment Connections. InXVI International Scientific Conference VSU 2016.

[14]Hu G, Huang W, Xie H. Mechanical behavior of a replaceable energy dissipation device for precast concrete beam-column connections. Journal of Constructional Steel Research. 2020;164:105816.

[15]Peng H, Ou J, Mahin S. Design and numerical analysis of a damage-controllable mechanical hinge beam-to-column connection. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020;133:106149.

[16]Venture S. SAC. Protocol for Fabrication, Inspection, Testing and Documentation of Beam-Column Connection Test and Other Experimental Specimens. SAC Rep. SAC/BD-97/02, Sacramento, California; 1997.

[17]Sumner E, Murray T. Behavior of extended endplate moment connections subject to cyclic loading. Journal of Structural Engineering. 2002;128(4):501-8.

[18]AISC/ANSI 341-10, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Inc., Chicago (IL), 2010.

[19] Rojahn C, Whittaker A, Hart G, Bertero V. Structural response modification factors. The Council; 1995.

[20] Chopra A, Chintanapakdee C. Inelastic deformation ratios for design and evaluation of structures: single-degree-of-freedom bilinear systems. Journal of structural engineering. 2004;130(9):1309-19.

 

 

 

 

 

 

 

(9)

 

 

Numerical investigation of new steel connection using short stub column

 

Mehrdad Taheripour

Department of Civil Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

Farzad Hatami 1,2,*

1Department of Civil Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

2Department of Structures and Earthquake Research Center, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

Reza-Raoufi

Department of Civil Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

*(corresponding author: [e-mail])

Abstract

Little evidence of the formation of plastic zones is seen in damaged structures in various earthquakes. Most of the conducted studies have focused on creating a plastic hinge in a part of the beam making irreparable damage to the beam. If the plastic joint in the beam does not occur, a force will be created which is more than the plastic moment of the beam to be transferred to the connection and the column. This will either cause the brittle failure of the connection or damage to the panel zone of the column. Therefore, in this research, four connections with new geometry have been proposed aimed at reducing damage in beams and columns and the possibility of replacing damaged parts. In general, the proposed connections are suggested by replacing an H or I-shaped section with a companion, or instead of an end-plate, as a short stub column. In this study, first, a finite element model of the end-plate connection, which is a combination of welding and screwing, subjected to cyclic loading, was selected. Then, after the validation of Abaqus software, a study was carried out on the proposed connections. The results show that the stable region, with its nonlinear behavior, creates a controlled limited joint with extraordinary ductility. Yielding in the stub causes its fusion behavior and prevents damage to beams and columns It also significantly reduces the plastic stress and strain in the panel zone of the column.

 

Keywords: Steel connection, stub, Ductility, plastic strain, finite elements

---