کتاب ارزیابی بر روی اتصالات فولادی و سیستم اتصال گیردار در سازه هاي فولادي

مقدمه 9
فصـل اول 15
اتصال 15
انواع اتصالات 15
منحنی لنگر_ دوران (M- θ) اتصالات 15
طبقه بندی اتصالات خمشی 19
طبقه بندی اتصالات خمشی بر اساس آیین نامه AISC2005 20
معیار سختی اتصال 20
معیار مقاومت اتصال 22
معیار ظرفیت چرخش پلاستیک اتصال (شکل پذیری) 22
طبقه بندی قاب های خمشی در آیین نامه لرزه‌ای AISC2005 23
مروری بر اتصالات پیش از زلزله نورثریج 25
اتصالات مقاوم خمشی رایج قبل از زلزله نورثریج 1994 25
بررسي‌هاي عینی انجام شده بر روی اتصالات 28
اتصالات ضعیف شده 36
بررسی اتصال تیر با جان شکافدار 37
مزایای هندسه اتصال با جان شکافدار نسبت به اتصالات رایج 39
بررسي اثر اتصال RBS در بهبود رفتار قاب‌های خمشي فولادي 43
هندسه کلی اتصالات RBS 43
مزایای هندسه اتصال RBS 45
اثر RBS در جلوگيري از ترد شكني اتصال و كنترل تنش‌ها در بر ستون 46
بهسازي و تقويت اتصالات خمشي ساختمان‌هاي موجود با استفاده از RBS 47
اتصال با ورق ميانگذر 51
مزایای هندسه اتصال با ورق ميانگذر 51
سایر مزيت‌هاي اتصال با ورق ميانگذر به ستون‌هاي قوطي شکل 54
سیستم اتصال گیردار با صفحات کناری 57
معرفی اتصال با صفحات کناری 59
مقاوم سازی در برابر ضربه و انفجار با استفاده از اتصال با صفحات کناری 60
هندسه های معمول سیستم اتصال با ورق کناری 63
سازه های اجرا شده 65
مقایسه اتصال با صفحات کناری و اتصال تیر کاهش یافته (RBS) 65
اتصال CONXL 66
هندسه کلی و مزایای اتصال CONXL 66
بررسي نتايج حاصل از تحليل نمونه ها 69
فصـل دوم 74
طراحی اتصالات تیر به ستون به روش ممان اینرسی متغیر 74
روش اجزاء محدود 78
معیار های تسلیم 79
معیار تسلیم فون میسز و ترسکا 79
توزیع تنش در تیر‌ها 81
توزیع کلاسیک تنش در تیر‌ها 81
الف: توزیع تنش خمشی در تیر‌ها 81
ب: توزیع تنش برشی در تیر‌ها 81
توزیع انرژی در اعضاء سازه‌ای 84
انتخاب نرم افزار 92
نحوه ایجاد یک مدل تحلیلی کامپیوتری 93
رفتار مصالح 94
انتخاب مدل ها و جزییات اتصال مدل شده 96
ارائه معادله هندسه تیر طره تحت بار منفرد 96
ارائه معادله هندسه تیر طره تحت بار گسترده 97
ارائه معادله هندسه تیر دو سر گیردار تحت لنگر 99
ارائه معادله هندسه تیر دو سر گیردار تحت اثر بار گسترده 104
فصـل سوم 110
خروجی ها و نتایج بدست آمده 110
طرح و مشخصات اتصالات نمونه 110
نحوه اعمال بار و شرائط مرزی 111
انتخاب مدل ها 111
تیرهای کنسول تحت بار منفرد در بخش انتهائی 111
ناحیه پلاستیک در طول تیر در حال تشکیل است 112
تیرهای کنسول تحت بار گسترده یکنواخت 113
جزییات اتصال مدل شده 123
هندسه، شرایط مرزی و بارگذاری مدل ها 124
نتایج حاصل از تحلیل برای قاب با دهانه 3 متری 124
نتایج حاصل از تحلیل برای قاب با دهانه 4 متری 129
نتایج حاصل از تحلیل برای قاب با دهانه 5 متری 133
منـابع و مآخـذ 140
منابع 140

زلزله 17 ژانويه سال 1994 نورثـريج که در20 مايلي شمال غرب لس آنجلس اتفاق افتاد، اولين زلزله¬اي بود که به تعداد زيادي از ساختمان‌هاي مقاوم خمشي در محل حادثه آسيب سازه¬اي رساند. اگر چه شدت زلزله 8/6 در مقياس ريشتر بود، که بر اساس مقدار انرژي رها شده، يک زلزله متوسط در نظر گرفته مي¬شد، تعداد زيادي از اتصالات تير به ستون ساختمان‌هاي مقاوم خمشي، در آن زلزله به شدت آسيب ديدند. اين اتصالات در آيين نامه Uniform Building Code) UBC) مورد تأييد قرار گرفته بودند و تصور مي شد که ظرفيت کافي دارند تا تير در خمش، به حد تسليم برسد و يا ناحيه چشمه اتصال ستون دچار تسليم برشي گردد. اما بر خلاف انتظار، اکثريت اتصالات، به دلايل مختلفي که ذکر خواهد شد، بصورت ترد گسيخته شدند و در موارد کمي، رفتار آنها شکل پذير بود. يکسال بعد از زمين لرزه نورثريج، درست در 17 ژانويه 1995 زلزله اي به بزرگي 9/6 در مقياس ريشتر، شهر کوبه در ژاپن را لرزاند که در اين زلزله نیز بسياري از اتصالات قاب‌هاي خمشي آسيب ديدند و حتي بعضي از ساختمان‌ها با قاب خمشي فرو ريختند. کشف آسيب¬هاي جدي در ساختمان هاي فولادي، با قاب‌هاي خمشي جوشي در زلزله¬هاي ديگر نيز تأييدي بر آسيب-هاي اتفاق افتاده در قاب‌هاي خمشي نورثریج بود و اين نشان دهنده اين مطلب بود که آسيب‌ها فقط به خصوصيات لرزه‌اي در زلزله نورثریج مربوط نمي‌شود و نقص، از خود اتصالات آسيب ديده مي‌باشد.
زلزله نورثریج, به دلیل تحولاتی که در روند طراحی و ساخت اتصالات گیردار جوشی در سازه های فولادی ایجاد کرد, نقطه عطفی در تاریخ طراحی و اجرای این نوع سازه ها محسوب می‌شود. بدنبال زلزله نورثریج, تعدادی از ساختمان‌های فولادی جوشی با سیستم قاب خمشی, در ناحیه اتصالات تیر به ستون دچار شکست شدند. خرابي دور از انتظار بسياري از ساختمان‌هاي با سيستم‌ مقاومت جانبي قاب خمشي در این زلزله، نوع نگاه به اتصالات اين قاب‌ها را دچار دگرگوني كرد. به همین دلیل مهندسان با مشاهده شكست هاي غير منتظره گسترده در جوش‌ها و فلز پايه در اتصالات متعارف قاب‌هاي مقاوم خمشي، بر آن شدند تا اتصالاتي با شكل‌پذيري بيشتر و جزئيات اصلاح شده، معرفي كنند. يكي از بخش‌هاي مهم اتصالات تير به ستون در قاب‌هاي خمشي، ناحيه چشمه اتصال مي‌باشد كه سختي و مقاومت آن در رفتار و شكل‌پذيري قاب تاثير بسزايي دارد. بخصوص رفتار چشمه اتصال در قاب‌هاي خمشي ويژه، كه شكل‌پذيري بالايي از اين نوع قاب انتظار مي‌رود، نقش بسيار مهمي را ايفا مي‌كند. اين موضوع، ضرورت بررسي شكل ‌پذيري، رفتار و عملكرد لرزه‌اي قاب‌هاي خمشي فولادي، با منظور نمودن اثر چشمه اتصال در آن‌ها، توسط روش نوين طراحي بر مبناي عملكرد (كه بر پايه تحليل‌هاي غيرخطي استوار است) را مشخص مي‌كند.
در طراحی ساختمان‌ها در مناطق لرزه خیز باید به گونه ای عمل کرد که:
الف) ایجاد سختی و مقاومت کافی در سازه جهت کنترل تغییر مکان جانبی تا از تخریب اعضاء سازه‌ای و غیر سازه‌ای تحت زلزله متوسط یا کوچک جلوگیری بعمل آید.
ب) ایجاد شکل پذیری و قدرت جذب انرژی مناسب در سازه به خاطر ممانعت از فروریختگی سازه در یک زلزله شدید.
منظور از شکل پذیری، قابلیت استهلاک انرژی توسط رفتار غیرالاستیک کل سازه، یا اعضای آن، تحت اثر تغییرشکل‌های رفت و برگشتی، بدون کاهش قابل ملاحظه ای در مقاومت آنها می‌باشد. شکل پذیر بودن یک خاصیت اساسی برای سازه های مقاوم در برابر زلزله می‌باشد. شکل پذیری مناسب در ناحیه غیر ارتجاعی اعضاء قاب، نیروهای وارده از زلزله را به نحو موثری مستهلک کرده و اعضاء می‌توانند قبل از فرو ریختن، تغییر شکل ارتجاعی یا خمیری قابل ملاحظه¬ای را تحمل کنند. با توجه به اینکه رفتار ساختمان در مقابل زلزله همواره به صورت ارتجاعی باقی نمی ماند، در بعضی از اجزاء ساختمان تغییر شکل‌های خمیری بوجود می‌آید که خود باعث جذب انرژی زلزله می‌گردد. از آنجائیکه عمده این اتلاف انرژی، در مفاصل پلاستیک رخ داده و در عناصر سازه‌ای (تیر و ستون و …) با هندسه ثابت، مفاصل پلاستیک، در نقاط خاصی از سازه اتفاق می‎افتد، لذا درصورتی که بتوان، با تمهیداتی استهلاک انرژی را به نقاط بیشتر یا به طولهائی بیشتر از اعضاء سازه سوق داد، در اینصورت می¬توان گفت، از ظرفیت بیشتری از عضو در این امر بهره برداری شده است. ضمناً با مشارکت بیشتر بافت عضو سازه‌ای، در بحث استهلاک انرژی (تحت اثر نیروهای وارده)، میتوان در شرائط برابر (مصالح مصرفی) منحنی¬های هیسترزیس با سطح زیر منحنی بیشتری را نسبت به اعضاء سازه‌ای با هندسه ثابت ایجاد نمود.
مبنای کار در طراحی اتصالاتی که با ایده بهبود عملکرد در رفتار اتصالات طرح می‌شوند این است که: اولاً ظرفیت باربری براساس ممان پلاستيک تیر مشخص شوند، ثانیاً اتصال باید آنقدر مقاوم باشد تا بتواند بدون تحمل شکست به حداکثر مقاومت خود برسد. ثالثاً ظرفیت شکل پذیری نیز باید به اندازه کافی تأمین شود تا نقاطی از سازه که تحت تغییر شکل‌های پلاستیک بزرگ قرار می گیرند، قادر به اتلاف انرژی باشند.
فلسفه طراحی اتصالات نیز به گونه ای در نظر گرفته می‌شود که مفصل پلاستیک را از بر ستون دور کرده و به داخل تیر منتقل کند تا پایداری جانبی سازه در صورت تسلیم مقاطع، حفظ شود. بدین ترتیب اتصال در بر ستون به صورت الاستیک رفتار می¬نماید و مفصل پلاستیک در تیر و در ناحیه ای دور از اتصال اتفاق می‎افتد و اتصال را از ترد شکنی مصون نگه می¬دارد.
تمام اتصالات که باعث تشکیل مفصل پلاستیک در ناحیه ای دور از چشمه اتصال می¬شود را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:
اتصالات تقویت شده
اتصالات با تیر تضعیف شده
اتصالات تقویت شده شامل اتصالات دارای سخت کننده، اتصالات دارای صفحات پوششی، اتصالات دارای نشیمن، اتصالات دارای ورق برشی و غیره هستند که توسط تقویتی ها موجب ایجاد مقاومت اضافی در ناحیه اتصال می‌شوند. اتصال با تیر ضعیف شده، با برش قسمتی از بال‌های تیر (بخشی از جان)، در فاصله ای مشخص از بَر ستون ایجاد می‌شود. اتصالات تقویت شده با تقویت ناحیه اتصال، اتصال را از تیر مقاوم تر می‌کند، ولی در اتصال RBS عمل تقویت اتصال، با ضعیف تر کردن تیر نسبت به اتصال صورت می پذیرد.
محوریت مهم دیگر در بهبود عملکرد اتصالات در سازه های فولادی پس از زلزله نورثریج، در راستای اصلاح اتصال در برابر توزیع تنش برشی عمودی در بال تیر قرار گرفت. تا معضلات اشاره شده، به علت وجود این تنش برشی حذف شود.

اتصال
در یک سازه فلزی اجزای زیر سازه¬ای، یعنی مجموعه تیر¬ها، ستون¬ها، بادبند¬ها و… به وسیله یکی از انواع اتصالات پیچشی یا جوشی به یکدیگر متصل می¬شوند. به طور کلی اتصالات، اجزاء انتقال نیرو بین تیر‌ها و ستون ها در ساختمان ها هستند.
انواع اتصالات
اتصالاتی که در ساختمان‌های فلزی به کار می روند به سه نوع تقسیم می¬شوند:
اتصالات صلب
اتصالات نیمه صلب
اتصالات مفصلی
منحنی لنگر_ دوران (M- θ) اتصالات
رابطه غیر خطی لنگر- انحنا بعنوان جایگزین رابطه تنش- کرنش در بسیاری از تحلیل¬های غیرخطی، خصوصاً تحلیل¬های منطبق بر طراحی بر اساس عملکرد، از اهمیت زیادی برخوردار شده است و از اینرو يکي از مشخصه¬هاي مهم اتصالات، شکل منحني لنگر- چرخش در اتصال تير به ستون مي¬باشد. با توجه به مبانی متفاوت نظری و فرضیات مختلف ساده کننده برای تعیین این منحنی که توسط دستورالعمل و مراحل مختلف پیشنهاد شده است، روشی برای مقایسه نتایج مختلف و همچنین تاثیر کلیه عوامل تعیین کننده که بتوان آنها را در منحنی لنگر انحنا منظور نمود، پیشنهاد شده است. نتایج تحقیقات مربوطه نشان می¬دهد که اولاً انطباق بسیار خوبی بین روش‌های مختلف برای محاسبه منحنی لنگر- انحنا و همچنین محل محور خنثی، علیرغم مبانی متفاوت این روش‌ها، وجود دارد. ثانیاً تصحیح منحنی لنگر انحنا بواسطه تغییر محل محور خنثی می¬تواند تاثیر بسزایی در دقت نتایج این تحلیل¬های غیرخطی داشته باشد.
لذا یک راه برای درک بهتر رفتار اتصال تیر به ستون در زیر بار و ظرفیت باربری آن، رسم منحنی_لنگر دوران برای آن اتصال است. در دست داشتن منحنی لنگر_دوران اتصالات، منجر به تحلیل سازه ها با توجه به رفتار واقعی اتصالات می¬شود و میزان تقریب¬ها در محاسبات را که به دلیل ایده آل سازی های رفتار اتصالات بوجود می‌آید، کاهش می‌دهد. در حالت کلی بدون توجه به نحوه اجرا، به علت تغییر شکل اجزای مختلف اتصال، یک دوران نسبی در محورهای اعضای متصل در هر اتصال بوجود می¬-آید.
به یقین می¬توان گفت که از ویژگی‌های مهم هر اتصال، رابطه بین لنگر موثر (M) و زاویه دوران (θ) بین محورهای اعضای اتصال است. این رابطه را می¬توان به صورت ترسیمی بیان کرد و بر روی نمودار نشان داد که لنگر را بر حسب خصوصیات دورانی اتصال نشان می¬دهد. شکل 1 منحنی های فرضی را نشان می‌دهدکه برای توصیف رفتار یک اتصال قابل استفاده می‌باشند. خط نشان داده شده در طول محور افقی یا دوران، بیانگر یک اتصال مفصلی ایده آل می‌باشد که برای همه مقادیر دوران، لنگر مربوطه صفر است. محور قائم منحنی، نشان دهنده یک اتصال کاملا صلب ایده آل است که در آن گره اتصال برای هر مقدار لنگر دارای دوران نمی‌باشد. این دو حالت حدی بوده و در عمل همه منحنی های لنگر_دوران اتصالات در بین این دو حالت حدی قرار دارند.
منحنی¬های (1) و (2) و (3) از شکل، اتصالات نیمه صلب فرضی با درجات گیرداری مختلف را نشان می¬دهند. منحنی (1) یک اتصال انعطاف پذیر فرضی را نشان می‌دهد، منحنی (3) یک اتصال نسبتاً صلب فرضی را نشان می¬دهد و منحنی (2) یک اتصال با صلبیت متوسط را نشان می¬دهد.
آنچه از منحنی لنگر_دوران اتصالات قابل دریافت است این است که در آغاز، رفتار اتصال تقریباً الاستیک بوده و منحنی به صورت یک خط مستقیم با شیب K=M/ θ می‌باشد که معرف ضریب ثابت فنریت دورانی اتصال بوده و به مدول اتصال موسوم است با افزایش بار و در نتیجه افزایش لنگر، اتصال شروع به تغییر شکل غیر الاستیک کرده و زاویه دوران به سرعت افزایش می¬یابد و بدین ترتیب در حالت کلی اتصال دارای مشخصه لنگر¬ دوران غیر خطی است.