شماره تماس مدرس جهت مشاوره و پشتیبانی آموزشی 09378825252-09155519509

چکیده

چشمه اتصال ناحیه ای از جان یا جان های ستون است که محصور بین امتداد بال های بالایی و پایینی تیرهای متصل به دو وجه ستون و بال های ستون می باشد. به رغم تحقیقات گسترده انجام شده در خصوص رفتار چشمه اتصال، کماکان دیدگاه های متفاوتی در مورد نحوه ی عملکرد چشمه اتصال وجود دارد. از آنجائیکه در قاب های خمشی استفاده گسترده ای از ستون های قوطی شکل می شود، ارائه مدل ریاضی برای رفتار چشمه اتصال این ستون ها ضروری به نظر می رسد. در این پژوهش سعی شده روابطی جهت تعیین ظرفیت برشی، سختی خطی و غیرخطی چشمه اتصال در ستون های قوطی شکل ارائه گردد. برای این منظور مطالعه پارامتریک وسیعی توسط نرم افزار ABAQUS صورت پذیرفته و بر اساس آن مدل ریاضی معرفی شده است و نتایج بدست آمده با نتایج حاصله از سایر مراجع مقایسه شده و دقت نتایج مدل به اثبات رسیده است.


فهرست مطالب 
فصل اول:مقدمه و مروری بر مطالعات گذشته 1 
مقدمه 2 
1-1- سازه های قاب بندی شده 3 
1-1-1- معرفی قاب های خمشی 3 
1-1-2-تاریخچه قاب های خمشی 4 
1-2- معرفی چشمه اتصال 5 
1-3- مروری بر تاریخچه مطالعات چشمه اتصال 6 
1-3-1- آزمایشات انجام شده جهت بررسی رفتار چشمه اتصال 7 
1-3-1-1 آزمایشات انجام شده توسط پوپوف، برترو و کراوینکلردر سال 1972 7 
1-3-1-2 آزمایشات انجام شده توسط پوپوف، امین لویی و استفان 8 
1-3-1-3 آزمایشات انجام شده توسط پوپوف، تسای و انگلهارت در سال 1988 8 
1-4- انواع چشمه اتصال 9 
1-5- مقاومت و ظرفیت اتلاف انرژی چشمه اتصال 11 
1-6- مدل های ریاضی موجود برای چشمه اتصال دربارگذاری یکنوا 13 
1-6-1- مدل های موجود برای محدوده خطی 15 
1-7-1- مدل های موجود برای محدوده غیرخطی 16 
1-7-1-1 مدل فیلدینگ و هانگ 16 
1-7-1-2 مدل کراوینکلر و ونگ 17 
1-8- مقایسه مدل های پیشنهادی با نتایج آزمایشگاهی 18 
1-9- ضوابط مربوط به چشمه اتصال در آییننامه ها 20 
1-9-1-آیین نامه آمریکا 20 
1-9-2- ضوابط موجود درآیین نامه ایران 20 
فصل دوم:هدف پژوهش ومشخصات نمونه های مدل شده 21 
2-1- هدف پژوهش 22 
2-2- معرفی نمونه ها 22 
2-3- مدل سازی نمونه ها در نرم افزار آباکوس 25 
2-4- صحت سنجی 27 
فصل سوم:ارائه مدل جدید چشمه اتصال 28 
3-1- محاسبه ی سختی برشی اولیه(Ke) 29 
3-2- محاسبه ی نیروی برشی تسلیم چشمه اتصال 31 
3-3- مدل سازی ناحیهی غیرالاستیک چشمه اتصال 36 
3-3-1- عملکرد چشمه اتصال بعد از تسلیم 36 
فصل چهارم:نمودارهای برش-دوران چشمه اتصال ومقایسه آنها با فرمولهای پیشنهاد شده 39 
4-1- محاسبه ی نیروی برشی و دوران چشمه اتصال 40 
4-1-1- نیروی برشی چشمه اتصال 40 
4-1-2- دوران چشمه اتصال 40 
4-2- مدل تغییر شکل یافته چشمه اتصال در نرمافزار آباکوس 41 
فصل پنجم:مقایسه مدل پیشنهادی و روابط آیین نامهAISC 66 
5-1- مقایسه نتایج فرمول پیشنهادی و روابط AISC 67 
5-2- مقایسه کمی دقت روش پیشنهادی با روابط AISC 68 
فصل ششم:نتیجه گیری و پیشنهادات 70 
6-1- نتایج 71 
6-2- پیشنهادات 72 
مراجع 73 

فهرست اشکال و نمودارها 
شکل1-1- هندسه چشمه اتصال 5 
شکل شماره1-2- فلسفه ی چشمه اتصال متعادل 10 
شکل شماره1-3- فلسفه ی چشمه اتصال قوی 11 
شکل شماره1-4- فلسفه ی چشمه اتصال ضعیف 11 
شکل شماره1-5- نیروهای وارد بر چشمه اتصال 14 
شکل شماره1-6- مساحت برشی در نظر گرفته شده توسط کراوینکلر و ونگ 15 
شکل شماره1-7- مدل دو خطی ارائه شده توسط فیلدینگ و هانگ 17 
شکل شماره1-8- مدل سه خطی ارائه شده توسط کراوینکلر و ونگ 18 
شکل شماره1-9- مقایسه ی مدل های ریاضی و نتایج آزمایشگاهی در حالتtcf =0.9cm 18 
شکل شماره1-10- مقایسه ی مدل های ریاضی و نتایج آزمایشگاهی در حالتtcf =1.35cm 19 
شکل شماره2-1- شرایط تکیه گاهی در نظر گرفته شده توسط SAC 24 
شکل شماره2-2- جزئیات نمونه یSAC7 25 
شکل شماره2-3- نمایی از مدل ساخته شده در نرم افزار ABAQUS 26 
نمودار شماره 2-1- مقایسه مدل ساخته شده در نرم افزار ABAQUS و نتایج آزمایشگاهی 27 
شکل شماره3-1- تغییر شکل چشمه اتصال در اثر نیروهای وارده بر چشمه 29 
شکل شماره3-2- مدل پیشنهادی برای چشمه اتصال 29 
شکل شماره3-3- مساحت برشی در نظر گرفته شده توسطa .آیین نامه AISC b .کراوینکلرc .ونگ 31 
شکل شماره 3-4- مساحت برشی در نظر گرفته شده برای ستون قوطی 33 
نمودار شماره 3-1- مقایسه ضریب کاهش دهنده اتخاذ شده در فرمول پیشنهادی، آیین نامه ی AISC وفرمول فون میسز. 34 
شکل شماره3-5- افزایش مقامت برشی چشمه اتصال بواسطه ی مشارکت المانهای مرزی 36 
شکل شماره4-1- هندسه چشمه اتصال برای تعیین دوران 40 
شکل شماره4-2- تغییر شکل چشمه اتصال در نرم افزار ABAQUS 41 
نمودار شماره4-1- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 42 
نمودار شماره4-2- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.2,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 42 
نمودار شماره4-3- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.5,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 43 
نمودار شماره4-4- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.6,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 43 
نمودار شماره4-5- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.75,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 44 
نمودار شماره4-6- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.8,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 44 
نمودار شماره4-7 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.9,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 45 
نمودار شماره4-8 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0,d=93.57,tcf =4.8cm,tcw=3cm 45 
نمودار شماره4-9- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.2,d=93.57,tcf =4.8cm,tcw=3cm 46 
نمودار شماره4-10- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.5,d=93.57,tcf =4.8cm,tcw=3cm 46 
نمودار شماره4-11-مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.6,d=93.57,tcf =4.8cm,tcw=3cm 47 
نمودار شماره4-12- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.75,d=93.57,tcf =4.8cm,tcw=3cm 47 
نمودار شماره4-13- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.8,d=93.57,tcf =4.8cm,tcw=3cm 48 
نمودار شماره4-14- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.9,d=93.57,tcf =4.8cm,tcw=3cm 48 
نمودار شماره4-15 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0,d=77.139cm,tcf =4.159cm,tcw=2.1cm 49 
نمودار شماره4-16- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.2,d=77.139cm,tcf =4.159cm,tcw=2.1cm 49 
نمودار شماره4-17 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.5,d=77.139cm,tcf =4.159cm,tcw=2.1cm 50 
نمودار شماره4-18- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.6,d=77.139cm,tcf =4.159cm,tcw=2.1cm 50 
نمودار شماره4-19- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.75,d=77.139cm,tcf =4.159cm,tcw=2.1cm 51 
نمودار شماره4-20- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.8,d=77.139cm,tcf =4.159cm,tcw=2.1cm 51 
نمودار شماره4-21- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.9,d=77.139cm,tcf =4.159cm,tcw=2.1cm 52 
نمودار شماره4-22- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0,d=77.139,tcf =3.32cm,tcw=2.1cm 52 
نمودار شماره4-23- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.2,d=77.139,tcf =3.32cm,tcw=2.1cm 53 
نمودار شماره4-24- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.5,d=77.139,tcf =3.32cm,tcw=2.1cm 53 
نمودار شماره4-25 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.6,d=77.139,tcf =3.32cm,tcw=2.1cm 54 
نمودار شماره4-26- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.75,d=77.139,tcf =3.32cm,tcw=2.1cm 54 
نمودار شماره4-27- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.8,d=77.139,tcf =3.32cm,tcw=2.1cm 55 
نمودار شماره4-28- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.9,d=77.139,tcf =3.32cm,tcw=2.1cm 55 
نمودار شماره4-29- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0,d=76.28,tcf =6cm,tcw=1.58cm 56 
نمودار شماره4-30 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.2,d=76.28,tcf =6cm,tcw=1.58cm 56 
نمودار شماره4-31 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.5,d=76.28,tcf =6cm,tcw=1.58cm 57 
نمودار شماره4-32 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.6,d=76.28,tcf =6cm,tcw=1.58cm 57 
نمودار شماره4-33 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.75,d=76.28,tcf =6cm,tcw=1.58cm 58 
نمودار شماره4-34- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.8,d=76.28,tcf =6cm,tcw=1.58cm 58 
نمودار شماره4-35 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات 
L.R=0.9,d=76.28,tcf =6cm,tcw=1.58cm 59 
نمودار شماره4-36- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0,d=61.68cm,tcf =1.79cm,tcw=1.12cm 59 
نمودار شماره4-37- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.2,d=61.68cm,tcf =1.79cm,tcw=1.12cm 60 
نمودار شماره4-38- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.5,d=61.68cm,tcf =1.79cm,tcw=1.12cm 60 
نمودار شماره4-39- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.6,d=61.68cm,tcf =1.79cm,tcw=1.12cm 61 
نمودار شماره4-40- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.75,d=61.68cm,tcf =1.79cm,tcw=1.12cm 61 
نمودار شماره4-41- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.8,d=61.68cm,tcf =1.79cm,tcw=1.12cm 62 
نمودار شماره4-42- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.9,d=61.68cm,tcf =1.79cm,tcw=1.12cm 62 
نمودار شماره4-43- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0,d=61.68cm,tcf =1cm,tcw=1cm 63 
نمودار شماره4-44- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.2,d=61.68cm,tcf =1cm,tcw=1cm 63 
نمودار شماره4-45- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.5,d=61.68cm,tcf =1cm,tcw=1cm 64 
نمودار شماره4-46- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.6,d=61.68cm,tcf =1cm,tcw=1cm 64 
نمودار شماره4-47 – مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.75,d=61.68cm,tcf =1cm,tcw=1cm 65 
نمودار شماره 5-1- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.5,d=93.57cm,tcf =6cm,tcw=3cm 67 
نمودار شماره5-2- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.5,d=76.28cm,tcf =3.33cm,tcw=2.1cm 67 
نمودار شماره5-3- مقایسه نتایج نمودارهای نیروی برشی- کرنش برشی برای نمونه با مشخصات L.R=0.5,d=61.68cm,tcf =1.1cm,tcw=1.1cm 68 

فهرست جداول 
جدول شماره2-1- مشخصات نمونه های SAC 23 
جدول شماره 2-2- جزئیات اتصالات نمونه های SAC 24 
جدول شماره 5-1- مقایسه کمی فرمول پیشنهاد شده و آیین نامه AISC برای مقاومت برشی تسلیم چشمه اتصال 68 
جدول شماره5-2- مقایسه کمی فرمول پیشنهاد شده وآیین نامه AISC برای مقاومت برشی نهایی چشمه اتصال 69


فصل اول:مقدمه و مروري بر مطالعات گذشته

مقدمه

سیستم قاب خمشی بدلیل ایجاد یک فضاي باز و بدون مانع بین ستون ها، سهم عمده اي از سیستم هاي سازه اي فولادي را به خود اختصاص داده و در طراحی ساختمان ها مورد استفاده قرار می گیرد. یکی ازمهمترین اجزاي قاب خمشی فولادي، اتصالات آن می باشد و همچنین شاخص ترین مولفهي یک اتصال صلب خمشی، چگونگی انتقال لنگر بین اجزاء سازه می باشد. رفتار چشمه اتصال نیز که یک ناحیه مستطیل شکل از جان ستون، محصور بین ورق هاي پیوستگی و بال هاي ستون می باشد، نقش مهمی دررفتار اتصال دارد.

در بارگذاري هاي جانبی همانند شرایط لرزه اي اتصال تیر به ستون در قابهاي خمشی به طور وسیع درمعرض لنگرهاي نامتقارن قرار می گیرد که موجب ایجاد تغییر شکل هاي برشی در چشمه اتصال ستون می شود. چشمه اتصال بخشی از ستون است که توسط اتصال تیر به ستون در برگرفته شده و رفتار آن نقشی اساسی در تعیین سختی کلی و ظرفیت قاب ایفا می کند. به علاوه در طرح لرزه اي، چشمه اتصال می تواند تأثیر اساسی در توزیع پلاستیسیته و اتلاف انرژي سازه داشته باشد. بررسی تحقیقات گذشته نشان می دهد چشمه اتصال رفتاري شکل پذیر و پایدار از خود نشان می دهد. به عبارت دیگر وقتی قاب خمشی در معرض بار جانبی قرار می گیرد نیروهاي برشی بزرگی در چشمه اتصال ایجاد شده و تغییرشکل حاصل در آن میتواند نقش مهمی در پاسخ قاب در هر دو حالت الاستیک و غیر الاستیک داشته باشد.

بررسی رفتار لرزهاي چشمه اتصال از دیرباز مورد توجه محققان بیشماري بوده است. تحقیقات در این خصوص از اواخر دهه 62 و اوایل دهه 72 آغاز شده است و آییننامهها و دستورالعملها در طول سالیان متمادي روابط متفاوتی در مورد رفتار چشمه اتصال ارائه دادهاند. تحقیقات انجام شده متمرکز بر روي رفتار لرزهاي چشمه اتصال ستونهاي I شکل بوده است. کراوینکلر و همکارانش [3] ، سپس برترو و همکارانش [2] و سپس پوپوف [1] نشان دادند که چشمه اتصال بعد از تسلیم نیز مقاومت بالایی دارد. شکلپذیري زیاد، حلقههاي هیسترزیس پایدار و سخت شدگی مجدد سیکلی بالا از مشاهدات و یافتههاي این محققان بود. علیرغم خصوصیات گفته شده و با توجه به اینکه امروزه در بسیاري از مناطق لرزهخیز دنیا از جمله ایران در قابهاي خمشی از ستونهاي قوطی شکل به علت ممان اینرسی بالاي این ستونها در هر دو جهت، مقاومت پیچشی بالا و مقاومت بالاي این ستونها در برابر کمانش استفاده گستردهاي میشود، توجه کمی بر روي مطالعهي چشمه اتصال این ستونها صورت گرفته است. لذا آنچه ضروري به نظر میرسد توجه بیشتر بر روي ستونهاي قوطی شکل جهت بررسی رفتار این ستونها در مناطق لرزهخیز میباشد. آنچه در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفته بررسی رفتار چشمه اتصال در ستونهاي قوطی شکل با استفاده از مطالعهي پارامتریک اجزاء محدودي است که بر اساس این نتایج مدلهاي ریاضی جهت اعمال رفتار خطی و غیرخطی چشمه اتصال در سازهها پیشنهاد شده است.

3-3- سازه هاي قاب بندي شده

اکثر ساختمانهاي متداول داراي اسکلت قاببندي شده میباشند. سازههاي قاببندي شده ترکیبی از تیرها و ستونها میباشند که با استفاده از اتصالات صلب و یا ساده به یکدیگر متصل شدهاند. سازههاي قاببندي شده ممکن است به صورت ساختمانهاي چند طبقه یا ساختمانهاي صنعتی باشند. به طور کلی ساختمانهاي قاببندي شده از ترکیب دو سري قاب صفحهاي عمود بر هم به وجود آمده و تشکیل قاب فضایی را میدهند. لیکن عملکرد قابهاي موجود در هر امتداد ،تاثیري بر عملکرد قاب-هاي موجود در امتداد دیگر ندارد. بنابراین تحلیل قابهاي هر امتداد به طور مستقل و به صورت صفحهاي انجام میشود. قابهاي ساختمانی باید قادر به حمل نیروهاي قائم و جانبی باشند. براي حمل بارهاي جانبی یا از اتصالات صلب ویا از سیستم مهاربندي استفاده میشود. پلها نیز از انواع سازههاي قاببندي شده هستند.

3-3-3- معرفی قاب هاي خمشی

بسیاري از ساختمانهاي مدرن از سیستم قابهاي خمشی به عنوان سیستم مقاوم جانبی در برابر بارهاي لرزهاي استفاده میکنند. قاب خمشی داراي یک سیستم مستطیلی شکل شامل اتصالات تیر به ستون صلب میباشد که هنگام ورود نیروهاي جانبی نیروهاي برشی و خمشی را پخش میکنند. قابهاي خمشی به طور گستردهاي در مناطق با خطر لرزهخیزي بالا مورد استفاده قرار میگیرند. عملکرد لرزه-

اي قابهاي خمشی بستگی به رفتار المانهاي اصلی آن ها مانند تیر، ستون و اتصالات مابین آنها دارد .قابهاي خمشی در سازههاي فلزي اغلب به عنوان قسمتی از سیستم باربر جانبی براي مقاومت در برابر زلزله به عنوان توزیع کننده اصلی انرژي غیر الاستیک استفاده میشوند و مطابق با معیارهاي AISC 341 [4] با شرایط خاص در همهي گروهبنديهاي لرزهاي مجاز شناخته شدهاند.

3-3-2-تاریخچه قاب هاي خمشی

سازههاي فلزي با قابهایی که بارهاي جانبی را تحمل میکردند با ساختمانی در شیکاگو، که در سال 3884 با ارتفاع 42 متر ساخته شد، آغاز شدند.

استفاده از قابهاي خمشی با ساختمان منتهن در سال 3883 آغاز شد، که در آنجا اتصالات قابهاي پیرامونی داراي گاست پلیتهاي بزرگی بودند که به وسیلهي نبشی و پرچ به تیر و ستون متصل می-شدند و پس از آن با مصالح بنایی، بتن و یا ترکیبی از این دو براي مقاومت در برابر آتش سوزي به طور کامل احاطه میشدند.

بعد از جنگ جهانی دوم سیستمهاي دیوار شیشهاي و آلومینیم به عنوان بخشی از سبک جدید در معماري جدید پذیرفته شدند. ساخت پنجرههاي بزرگی که با دیوارهاي شیشهاي ممکن میشد اتصالات پشتبنددار قابهاي خمشی را نامطلوب جلوه داد و مهندسان شروع به طراحی اتصالاتی بدون این پشتبندها کردند. اتصالات جدید داراي نبشی و یا سپريهایی بود که به بالا و پایین بالهاي تیر و ستون متصل میشدند.

در سال 3351 به علت ورود صنعت جوشکاري در ساختمانسازي، نبشیها و سپريها با ورقهایی که در کارخانه به بال ستون جوش میشدند و پس از آن در کارگاه به بال تیر جوش داده میشدند ،جایگزین شدند.

از سال 3361 پرچکاري به دلیل غیراقتصادي بودن با پیچهاي پرمقاومت جایگزین شد. سرانجام در اوایل دههي 3371، مهندسان استفاده از نوعی اتصال که امروزه به عنوان اتصال بال جوشی و جان پیچی شناخته میشود را شروع کردند. در سالهاي بین 3361 و 3371، برخی محققان در دانشگاه برکلی کالیفرنیا شروع به انجام آزمایشهاي سیکلی آزمایشگاهی بر روي قابهاي خمشی فولادي کردند و دریافتند کنترل بعضی نسبتها و جزئیات در این سازه براي رسیدن به رفتار غیر الاستیک در زلزلهها ضروري است.کمکم در طی سالهاي دهه 71 میلادي آییننامههاي ساختمانی شروع به پذیرشنظریات این محققان و طراحی ویژه در پیکربندي و جزئیات قابهاي خمشی فولادي به کار برده شدهدر مناطق با لرزهخیزي بالا کردند. قابهاي خمشی با این معیارهاي طراحی سرانجام در آییننامهساختمانی 198-UBC [5] به عنوان قابهاي خمشی ویژه که داراي بالاترین ضریب تعدیل کننده(R)بودند وارد شدند و انتظار میرفت عملکرد ویژهاي در زلزلههاي شدید از خود نشان دهند .

طراحان سازه مابین سالهاي 3361 تا 3371 تمایل داشتند اتصال خمشی را در همهي اتصالات تیر به ستون به کار ببرند، که این باعث ایجاد درجه نامعینی بالا و توزیع سیستم مقاوم جانبی در کل سازه میشد. با این حال از سال 3381 مهندسان براي بهینهسازي طراحیها و کم کردن جوشکاري گران قیمت ،افزایش دهانههاي قابهاي خمشی، که تیر و ستونهاي سنگینتري را نتیجه میدادند، شروع کردند. که در نتیجه آن سازههایی با درجه نامعینی کمتر با سیستمهاي مقاوم جانبی متمرکزتر به دست آمد[6] .

 

3-2- معرفی چشمه اتصال

پاسخ اتصال تیر به ستون به طور قابل ملاحظهاي تحت تاثیر ناحیهي چشمهاتصال (panel zone) می-باشد .چشمه اتصال ناحیه اي از جان یا جان هاي ستون است که محصور بین امتداد بال هاي بالایی و پایینی تیرهاي متصل به دو وجه ستون و بال هاي ستون می باشد[7]. در شکل) 3-3( نمایی از چشمه اتصال نشان داده شده است.

 



شکل1-1- هندسه چشمهاتصال[8]

3-1- مروري بر تاریخچه مطالعات چشمه اتصال

از اوایل دههي 71 میلادي اهمیت چشمه اتصال در پاسخ قابهاي خمشی تشخیص داده شد و تحقیقاتآزمایشگاهی و تحلیلی به منظور مشخص کردن رفتار اجزاي آن صورت پذیرفت. چشمه اتصال بهعنوان المانی که مشخصا تحت تاثیر تنش برشی قرار دارد و مد شکست آن بر اثر تسلیم برشی میباشد ،معرفی شد. آزمایشها نشان داد که مد شکست برشی تحت بارهاي سایکلیک صحیح است و این خصوصیت به شکل هاي عددي وارد آیین نامههاي طراحی شده و تا پایان 81 میلادي اجازه داده می-شد چشمه اتصال به عنوان یک عضو پراکندهساز انرژي مطرح شود.

مطالعات پس از زلزلهي 3334 نورتریج نشان داد [34-3] که اعوجاج بیش از حد چشمهاتصال می-تواند باعث گسیختگیهاي تردشکن در اتصالات جوشی شود. این تحقیقات منجر به تعیین ضوابط طراحی جدیدي براي چشمه اتصال شد که میتوانست رفتار و عملکرد واقعی چشمهاتصال را در پاسخ قابهاي خمشی در نظر بگیرد. تحقیقات آزمایشگاهی انجام شده بر روي چشمهاتصال در اوایل دههي 71 میلادي اهمیت اتصالات تیر به ستون را در قابهاي خمشی فولادي به رسمیت شناخت. مسئلهي اصلی عملکرد مناسب سازه ها تحت بارهاي زیر بود.

3.عملکرد مناسب آنها تحت بارهاي بهرهبرداري

2.مینیمم کردن احتمال شکست سازه تحت بارهاي لرزهاي

بدین منظور این مسئله ضروري به نظر میرسدکه به نهایت جذب انرژي تمام اجزاي سازه رسید، زیرا در صورتی که سازه در برابر بارهاي لرزهاي در محدوده الاستیک باقی بماند منجر به صرف هزینههاي زیاد و غیراقتصادي بودن سازه میگردد. از طرفی در نظر گرفتن رفتار غیر الاستیک سازه نیازمند درک کامل عملکرد و مطالعات گستردهاي در این زمینه میباشد. به همین دلیل در ابتداي دههي 71 میلادي پژوهشها به سمت درک بهتر رفتار غیر الاستیک اتصالات قابهاي خمشی کشیده شدند. به منظور درک اثر بارگذاريهاي مختلف انواع مختلفی از بارگذاريها در آزمایشات شبیه سازي شدندکه به موجب آن بارهاي ثقلی و بارهاي سایکلیک لرزهاي به نمونهها وارد شدند و همچنین تاثیرات بارهاي محوري بر عملکرد اتصالات نیز در موارد بسیار اندکی در نظر گرفته شد. چند سال بعد تعدادي آزمایش توسط پوپوف)3385( به منظور مطالعهي شرایط بارگذاري حداکثر بر روي اتصالات و همچنین مطالعهي رفتار سایکلیک اتصالات انجام گرفت .31 سال بعد تساي)3335( مطالعات گستردهتري را بر روي نمونههاي مشابه انجام داد، مسئلهي اصلی در این پژوهشها مطالعهي عملکردلرزهاي اتصالات تیر به ستون بود. پژوهشها بر نقش مهم چشمه اتصال در رفتار کلی اتصالات تاکیدداشتند و به این نتیجه رسیدند که ظرفیت شکلپذیري غیر الاستیک اتصال میتواند با در نظر گرفتننسبتهاي مناسب براي اجزا بالا برود. بنابراین پارامترهاي بسیاري در هر دو پژوهش فوق براي ضوابططراحی چشمهاتصال در نظر گرفته شدند. محققان با نتایج بدست آمده از پژوهشها پیشنهاد میکردند که چشمهاتصال به عنوان یک عضو پخش کنندهي انرژي و البته با در نظر گرفتن یک مکانیزم تسلیم همزمان با مکانیزم تیر در نظر گرفته شود.

در زلزلهي نورتریج کالفرنیا مدهاي خرابی و شکست با آنچه که در تحقیقات قبلی ملاحظه شده بود مغایرت داشت. شکست جوشها و ترکهاي زود هنگام و اعوجاج بسیار زیاد در چشمههاي اتصال به وفور قابل مشاهده بود. این مسئله بسیار حائز اهمیت بود و برخی منابع که در سالهاي بعد انتشار یافتند [FEMA-267,FEMA-353,FEMA-355D] [37-35] دلیل رفتار ضعیف اتصالات و فاکتورهاي موثر در عملکرد آنها را تشریح کردند و طراحی لرزهاي اتصالات نیز به عنوان موضوع جداگانهي تحقیقات آییننامهاي مطرح شد.

آزمایشات دیگري هم براي ارزیابی جذب انرژي بین چشمه اتصال و تیر با چشمههاي اتصال مختلف و با پارامترهاي مختلف در تیر نیز توسط لی سی.اچ [38] مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشات مشابهی نیز در اروپا توسط دوبینا[33] و سپس دوبیناو سیوتینا[21] براي فهمیدن عملکرد لرزهاي اتصالات تیر به ستون انجام پذیرفت وچشمه اتصال به عنوان عضوي شکلپذیر معرفی شد که توانایی اتلاف انرژي را با منحنیهاي هیسترزیس پایدار دارد.

1-3-1- آزمایشات انجام شده جهت بررسی رفتار چشمه اتصال

1-3-1-1 آزمایشات انجام شده توسط پوپوف، برترو و کراوینکلردر سال 1772

تا اوایل 1772 هیچ ضوابط خاصی در آیین نامه براي مقاومت چشمه اتصال موجود نبود. از نظر تئوري ،تغییرشکل زیاد چشمه اتصال باعث کاهش ظرفیت باربري ثقلی ستون می شد. آقایان برترو، کراوینکلر و پوپوف در سال 1772 دو نمونه را آزمایش کردند، یکی با چشمه اتصال نسبتًا ضعیف در مقایسه با تیرها و دیگري با چشمه اتصال نسبتًا قوي. در آزمایش با چشمه اتصال نسبتًا قوي قسمت هاي ضعیفاین نمونه ها به وضوح نواحی مفاصل پلاستیک در تیرها بودنداین موضوع نیازمند ظرفیت هاي دورانزیاد تیرها بود. این یک حالت مهم در مورد تقاضاي شکل پذیري بود. در آزمایش چشمه اتصالضعیف، کمانش پیچشی جانبی تیرها از پایداري کامل حلقه هاي هیسترزیس ممانعت می کرد وآزمایش به گسیختگی ناشی از بال هاي تیر یا جوش ها نمی رسید. )در عمل، تیرها توسط دال کف یا سایر اعضاء در برابر کمانش جانبی پیچشی مقید شده اند(.

یک نکته مورد علاقه محققین این بود که تغییرشکل هاي زیاد چشمه اتصال منجر به ایجاد تابیدگی در بال هاي ستون می گردد و گسیختگی بال هاي تیر در جوش ها را تسریع می کند. در نتیجه محققین چشمهاتصال قوي طراحی شده بر اساس ظرفیت پلاستیک واقعی تیرها را توصیه کردند. مطالعات اجزاء محدود اخیر نیز به نتیجه گیري هاي مشابهی رسیده است[23] .

1-3-1-2 آزمایشات انجام شده توسط پوپوف، امین لویی8 و استفان7

این آزمایشات براي تعیین معیار طراحی اتصالات تیر و ستون تحت شرایط بارگذاري لرزه اي شدید براي یک ساختمان 47 طبقه در سان فرانسیسکو انجام شد. از هشت نمونه آزمایشی، یکی به علت معیوب شدن در حین آماده سازي دچار شکست شد و از هفت نمونه باقیمانده، پنج نمونه با چشمه اتصال غیرالاستیک بودند که منجر به گسیختگی ناگهانی در جوش ها یا در ناحیه اي از تیر که تحت تاثیر گرما می باشد، گردید. فقط دو نمونه تا انتهاي آزمایش به صورت شکل پذیر باقی ماندند. ازهفت نمونه آزمایشی، سه نمونه به دوران پلاستیک کل بیشتر از پنج درصد رسیدند و چهار نمونه دیگر در میانگین 7/1درصد دچار گسیختگی شدند[23] .

1-3-1-3 آزمایشات انجام شده توسط پوپوف، تساي و انگلهارت12 در سال 1788

در این مطالعه ظرفیت هاي دوران پلاستیک 18 نمونه با تقاضاهاي تئوري مقایسه شده است. محققین یک ساختمان شش طبقهي فرضی را تحت حرکات زمین ناشی از زلزلهي السنترو، پارک فیلد و مکزیکو سیتی آنالیز کردند .در زلزلههاي پارک فیلد و مکزیکوسیتی هر کدام تقاضاهاي دورانپلاستیک حدود 5/3 درصد را اعمال کردند. از 18 آزمایش حداقل 7 آزمایش داراي ظرفیتحداقل12درصد بیشتر از این مقدار بودند. از 11 آزمایش دیگر بعضیها به دوران 5/3 درصد رسیدند وبعضی در دوران کمتر از 1 درصد دچار گسیختگی شدند. شش نمونه از این یازده نمونه داراي ضعفدر ساخت توسط جوشکارهاي ناآشنا با فرآیند جوشکاري بودندهمچنین از این مطالعه نتیجه گیري شد که تقاضاي دوران پلاستیک در تیرها با ایجاد چشمه اتصال انعطاف پذیر به طور قابل ملاحظه اي کاهش می یابد. اما محققین هشدار دادند که تغییرشکل برشی غیرالاستیک زیاد چشمه اتصال و تابیدگی هاي موضعی منجر به ناپایداري ستون و شکست جوش هاي شیاري اتصال دهنده تیر به ستون می گردد[23] .

3-4- انواع چشمه اتصال

ضوابط طراحی لرزهاي چشمه اتصال در چهار دههي گذشته تغییرات قابل ملاحظهاي داشتهاند.

همانگونه که آقاي پوپوف بیان میکند سه فلسفهي اساسی جهت طراحی چشمه اتصال وجود دارد. دیدگاه اول به فلسفهي چشمه اتصال قوي برمیگردد وخواهان این مطلب است که چشمه اتصال در طول بارگذاري لرزهاي الاستیک باقی بماند. محاسباتی که بر اساس این دیدگاه صورت پذیرفتهاند معمولا منجر به استفاده از ورقهاي مضاعف میگردند که علاوه بر غیر اقتصادي بودن، ورق هاي مضاعف ممکن است نیازمند جوشکاري هاي سنگین باشند که این خود می تواند منجر به ایجاد تابیدگی و یا تنش هاي زائد گردد. همچنین در اثر اجراي جوشکاري هاي سنگین، یک ناحیهي تأثیر حرارت بزرگ )هاز( ایجاد میشود که خطر رفتار ترد در ناحیهي اتصال را افزایش می دهد. یک فلسفهي طراحی متضاد توسط آقاي کاوانو ارائه گردیده است[22]. در این روش که به عنوان ناحیه-ي پانلی ضعیف (WPZ) مطرح میشود، ناحیهي پانلی به گونهاي تناسببندي میگردد که بیشترین تغییرشکلهاي غیر الاستیک را در طول بارگذاري سازه جذب کند. این فلسفه ممکن است شکل-پذیري اتصال را تحت تاثیر قرار دهد به گونهاي که تغییر شکل بیش از حد چشمه اتصال در زلزله نورتریج باعث شکست ترد و زودهنگام جوشهاي اتصال تیر به بال ستون گردید و یکی از عوامل اصلی خرابی ساختمانها بعد از زلزله نورتریج تشخیص داده شد و همانطور که بسیاري از مهندسانمعتقدند تغییر شکل بیش از حد چشمه اتصال ممکن است شکلپذیري چشمه را مخدوش کند [ 21 ].

(FEMA, 1998) سومین فلسفه طراحی که تلفیقی از دو فلسفهي قبلی میباشد خواهان این است کهچشمهاتصال به همراه تیرها در اتلاف انرژي لرزهاي مشارکت داشته باشد. این روش که به عنوانطراحی چشمه اتصال متوازن)بالانس( مطرح میباشد، پایهي ضوابط لرزهاي در بسیاري از آییننامههاي رایج را تشکیل میدهد[24]. همانطور که در اشکال شماره )3-3( تا) 3-1( نشان داده شده است ،اگر در زمانی که تیر به ظرفیت پلاستیک خود رسیده و در اصطلاح در تیر مفصل پلاستیک ایجاد شده چشمه اتصال در همان لحظه به ظرفیت تسلیم خود برسد طراحی انجام شده بر اساس طراحی متعادل میباشد)شکل3-3(. اگر در لحظهاي که در تیر مفصل پلاستیک ایجاد میشود چشمه اتصال در ظرفیت قبل از تسلیم خود باشد و هنوز به ظرفیت تسلیم برشی نرسیده باشد طراحی انجام شده طراحی بر اساس چشمه اتصال قوي میباشد)شکل 3-2(. اگر در لحظهي ایجاد مفصل پلاستیک در تیر چشمه اتصال از ظرفیت تسلیم گذشته و وارد ناحیهي غیرخطی شده باشد طراحی انجام شده براساس طراحی چشمه اتصال ضعیف میباشد)شکل 3-1(.

 



شکل شماره1-2- فلسفهي چشمهاتصال متعادل[8]



شکل شماره1-3- فلسفهي چشمهاتصال قوي[8]

 


 

شکل شماره1-4- فلسفهي چشمهاتصال ضعیف[8]

 

3-5- مقاومت و ظرفیت اتلاف انرژي چشمه اتصال

آزمایشهایی که بر روي چشمه اتصال انجام شد، نشان داد که اعوجاج هاي برشی بر رفتار چشمه-اتصال تاثیر غالب را دارد. همچنین این آزمایش ها نشان داد درصورتیکه از لهیدگی و تسلیم جان ستون و اعوجاج بال ستون پیشگیري شده باشد، چشمه اتصال می تواند تا رسیدن به تغییرشکل هاي غیرارتجاعی بزرگ، خصوصیات اتلاف انرژي هیسترتیک بسیار خوبی در برش داشته باشد. عمومًا تسلیم در وسط چشمه اتصال شروع می شود و سپس بصورت شعاعی در تمام سطح چشمه اتصال گسترش می یابد. در نتیجه ي این امر، اعوجاج برشی در مرکز چشمه اتصال حداکثر و درگوشه هاي آن حداقل است. بار محوري ستون نیز بر عملکرد چشمه اتصال تأثیر دارد. وقتی که تنش محوري موجود باشد، شروع تسلیم برشی در چشمه اتصال تسریع می شود که این امر با معیار تسلیم فون میسز مطابقت دارد. با این وجود آزمایشات نشان می دهد که نیروي محوري ستون تأثیر چندانی بر مقاومت نهایی برشی چشمه اتصال ندارد، زیرا وقتی که چشمه اتصال در برش تسلیم شود، بال هاي ستون مقاومت محوري لازم براي تحمل بار محوري را فراهم می کنند. در کرنش هاي برشی بزرگ، وقتی که این بال ها نیز به ظرفیت خمشی پلاستیک نهایی خود برسند تابیدگی هاي بزرگی در بال ستون اتفاق می افتد که باعث ایجاد کرنش هاي بزرگ در جوش هاي اتصال بال تیر به ستون و یا در نزدیکی آنها می گردد که ممکن است به نوبه خود موجب ایجاد شکست در اتصال شوند. عمومًا هنگامیکه یک اتصال تحت یک لنگر خمشی نامتعادل قرار می گیرد، حالت پیچیده اي از تنش در چشمه اتصال ایجاد می شود. این موضوع شامل تنش هاي نرمالی است که اساسًا ناشی از ستون و تنش هاي برشی منتج از لنگر منتقل شده از تیرها می باشد. مطالعات آزمایشگاهی نشان داد که رفتار چشمه اتصال در محدوده الاستیک عمدتًا تابع تغییرشکل هاي برشی می باشد [3و25] . پس از تسلیم ،مقاومت برشی بطور قابل ملاحظه اي کاهش می یابد و قاب احاطه کننده چشمه اتصال که توسط بال هاي ستون و سخت کننده هاي جان تعریف می شود، مقاومت اضافی ایجاد می کند. بر پایه مشاهدات آزمایشگاهی، عملاً منطقی است که فرض شود، تسلیم کامل در سطحی از تغییرشکل ها که چهار برابرتغییرشکل هاي ایجاد شده در اولین تسلیم می باشد، رخ می دهد. چشمه اتصال قادر به تحمل تغییرشکل هاي غیرالاستیک قابل توجه قبل از صدمه دیدن ناشی از کمانش برشی می باشد. اما تغییرشکل هاي زیاد اتصال باعث شکست جوش در بال هاي تیر اتصالات جوشی میگردد. مضافًا اینکه عملکرد نامطلوب ستون در حین ایجاد تابیدگی در بال هاي ستون رخ می دهد. تحت شرایط بارگذاري چرخه اي، چشمه اتصال رفتار هیسترزیس خیلی پایدار از خود نشان می دهد و در کمک به سخت شدگی تأثیر مهمی دارد وبنابراین می توان به چشمه اتصال به عنوان یک مؤلفه مؤثر هنگامی که اتلاف انرژي مورد نیاز است، اعتماد کرد. اصولاً رفتار غیرالاستیک چشمه اتصال به کاهش تقاضا بر روي سایر المان هاي سازهاي کمک می کند، اما از آنجایی که تغییرشکل هاي بزرگ چشمه اتصال ممکن است باعث آسیب رساندن به پاسخ کلی سازه گردد و با اثرات مهم مرتبه دوم ترکیب گردد، بایستی چنین رفتار پایداري به دقت مورد توجه قرار گیرد. بنابراین طراحی بایستی دربرگیرنده مقادیر مناسب براي حد گسترش تغییرشکل هاي غیرالاستیک شدید در چشمه اتصال باشد[26]. همانطور که در قبل بیان شد آزمایشات بسیار زیادي در دهههاي گذشته بر روي چشمه اتصال انجام شد که بعضی از مشاهدات مهم این آزمایشات در زیر آورده شده است.

  • چشمه اتصال اغلب یک مقاومت حداکثر از خود نشان می دهد که به طور قابل ملاحظه اي بزرگتر از مقاومت در اولین تسلیم می باشد. این مقاومت اضافی به سخت شدگی کرنش و با کمک بالهاي ستون در تحمل نیروهاي برشی چشمه اتصال نسبت داده می شود. به منظورایجاد ماکزیمم مقاومت چشمه اتصال، تغییرشکل هاي غیرالاستیک بزرگ چشمه اتصال مورد نیاز است.
  • تغییرشکل هاي چشمه اتصال می توانند در هر دو محدوده رفتار الاستیک و غیرالاستیک شدید در تغییرشکل کلی قاب خمشی فولادي اضافه شوند.
  • مقاومت چشمه اتصال با اضافه کردن ورق هاي تقویتی به چشمه اتصال افزایش می یابد. میزان تأثیر ورق هاي تقویتی متأثر از روش مورد استفاده براي اتصال آنها به ستون می باشد.
  • تغییرشکل هاي غیرالاستیک بزرگ چشمه اتصال می تواند احتمال وقوع شکست در ناحیه اي از بال تیر به بال ستون با جوش هایی که داراي شیار کوچکی باشند را افزایش دهد. این اثر به وقوع تغییرشکل هاي متمرکز بزرگ در بال هاي ستون واقع در مرزهاي چشه اتصال نسبت داده شود.

 

————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

پایان نامه های موجود در سایت فقط در صورت دریافت پکیج طلایی آباکوس قابل دریافت است.
برای دریافت این پایان نامه و تمامی پایان نامه های سایت، پکیج طلایی آباکوس را خریداری بفرمایید. پس از خریداری پکیج طلایی لینک دانلود پایان نامه ها فعال خواهد شد.
شماره های تماس :
05142241253
09120821418

دریافت پکیج طلایی

————————————————————————————————————————————–