دانلود مقاله سازه های فلزی (مقاوم سازی زلزله)

اختصاصی از رزفایل دانلود مقاله سازه های فلزی (مقاوم سازی زلزله) دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

مقدمه
به طور کلی رفتار سازه های فلزی به عوامل متعددی بستگی دارد که اثرات متقابل ابن عوامل ،رفتار را نمایان می سازد. بطور خلاصه این عوامل را می توان طبق (نمودار1-1) نشان داد. همانطور که دیده می شود،یکی از این عوامل رفتار اتصالات می باشد که در رفتار کلی قاب مؤثر است.

نمودار1-1 – عوامل شکل دهنده رفتار قاب
یکی از مشخصه های مهم اتصالات شکل منحنی لنگر- چرخش اتصال تیر به ستون می- باشد.
زلزله 17 ژانویه سال 1994 نورث ریج که در 20 مایلی شمال غرب لس آنجلس اتفاق افتاد اولین زلزله ای بود که به تعداد زیادی از ساختمانهای مقاوم خمشی در آمریکا آسیب سازه- ای رساند. اگر چه شدت زلزله 8/6 در مقیاس ریشتر بود که بر اساس مقدار انرژی ایی که رها کرد یک زلزله متوسط در نظر گرفته می شد، تعداد زیادی از اتصالات تیر به ستون ساختمانهای مقاوم خمشی در آن زلزله به شدت آسیب دیدند. این اتصالات در آیین نامه ی (Uniform Building Code) UBC مورد تأیید قرار گرفته بودند و تصور می شد که ظرفیت کافی دارند تا تیر در خمش به حد تسلیم برسد و یا ناحیه ی چشمه ی اتصال ستون دچار تسلیم برشی گردد. اما بر خلاف انتظار، اکثریت اتصالات به دلایل مختلفی که ذکر خواهد شد بصورت ترد گسیخته شدند و در موارد کمی رفتار آنها شکل پذیر بود.
یکسال بعد از زمین لرزه نورث ریج،درست در 17 ژانویه 1995 زلزله ای به بزرگی 9/6 در مقیاس ریشتر شهر کوبه در ژاپن را لرزاند که در این زلزله بسیاری از اتصالات قابهای خمشی آسیب دیدند و حتی بعضی از ساختمانها با قاب خمشی فرو ریختند.
کشف آسیب های جدی در ساختمان های فولادی با قابهای خمشی جوشی در زلزله های دیگر نیز تاییدی بر آسیب های اتفاق افتاده در قابهای خمشی نورث ریج بود و این نشان دهنده ی این مطلب بود که آسیب ها فقط به خصوصیات لرزه ای در زلزله نورث ریج مربوط نمی شود و نقص از خود اتصالات آسیب دیده می باشد.]9[
با توجه به مطالب بالا به نظر می رسد که بررسی رفتار اتصال صلب با ورق بالائی و پایینی توصیه شده در آئین نامه 2800 زلزله ایران (مشهور به اتصالات کله گاوی ) که به عنوان اتصال صلب در سازه های فولادی ایران کاربرد وافری دارد، ضروری می باشد.

فصل دوم
رفتار انواع اتصالات

2-1) مقدمه
به دنبال زلزله 17 ژانویه 1994 در منطقه نورث ریج واقع در ایالات کالیفرنیای آمریکا به دلیل تحولاتی که در روند طراحی و ساخت اتصالات گیردار جوشی در سازه های فولادی ایجاد کرد نقطه ای عطفی در تاریخ اتصالات سازه های فولادی محسوب می شود. تعدادی از ساختمانهای فولادی جوشی با قابهای خمشی (WSMF) ، در ناحیه اتصال تیر به ستون دچار شکست شدند. ساختمانهای آسیب دیده طیف وسیعی از ساختمانها را از نظر ارتفاع و عمر شامل می شدند. ساختمانهای با ارتفاع یک تا 26 طیقه ، و سازه هایی که درست در زمان زلزله بر پا شده بودند تا ساختمانهایی با عمر بیش از 30 سال،آسیب دیدند. علاوه بر این سازه های آسیب دیده در منطقه جغراقیایی وسیعی پراکنده شده بودند. این آسیب دیدگی ها حتی در مناطقی که نکان های متوسط زلزله را تجربه کرده بودند، مشاهده می- شدند.]16[
کشف آسیب در ساختمانها هشدار دهنده بود.کشف این آسیب ها این اندیشه را تقویت کرد که در زلزله های قبلی هم، آسیب هایی بوجود آمده است،که مخفی مانده اند. تحقیقات بعدی به درستی تأیید کرد که چنین آسیب هایی در زلزله 1992 «لندرز بیگ بیر» و زلزله 1989 «لوماپریتا» اتفاق افتاده است.
سازه های فولادی جوشی با قابهای خمشی به طور معمول در ایالات متحده و جهان،مخصوصاً برای ساخت سازه های متوسط تا بلند، مورد استفاده قرار می گیرند. قبل از زلزله نورث ریج چنین تصور می شد که این نوع ساختمانها بسیار شکل پذیرند و از آسیب هایی که ظرفیت سازه را کاهش می دهد مصون اند،چرا که آسیب های بسیار جدی به این نوع سازه ها در زلزله های گذشته به ندرت گزارش شده بود وحتی هیچگونه گزارشی از فروریختن چنین سازه هایی وجود نداشت. کشف شکست ترد در تعدادی از ساختمانها تحت اثر زلزله نورث ریج، نیاز آزمایش مجدد این نوع اتصال را مسجل ساخت.
به هر حال ساختمانها آن طوری که انتظار می رفت رفتار نکردند و به دلیل آسیب های اتصالات ضررهای اقتصادی قابل ملاحظه ای به وجود آمد. این ضررها را می توان به دوقسمت هزینه های مستقیم، شامل تحقیقات و تعمیرات این گونه اتصالات و همچنین هزینه های غیر مستقیم،مربوط به عدم استفاده موقت و یا در بعضی موارد طولانی مدت از فضای داخل این ساختمانها تقسیم بندی کرد.
ساختمانهای فولادی جوشی با قابهای مقاوم خمشی، برای مقابله با تکانهای زمین لرزه، بر این اساس طراحی می شوند که بدون از دست دادن مقاومت، قابلیت تسلیم و تغییر شکل خمیری زیادی را دارا باشند. تغییر شکل خمیری مورد نظر، دورانهای پلاستیک درون تیرها در محل اتصالاتشان به ستون ها را شامل می شود، که از نظر تئوری انرژی داده شده به ساختمانها را جذب می کند. بدین ترتیب انتظار می رود آسیب هایی مثل تسلیم و کمانش ها ی موضعی در المانهای فولادی اتفاق بیفتد، نه اینکه اتصال دچار شکست تردشود. بر اساس این رفتار مورد انتظار، آئین نامه های ساختمانی اجازه می دادند که سازه های فولادی جوشی با قابهای خمشی برای قسمتی از مقاومت لازم برای پاسخ به تکانهای زمین لرزه حد طراحی،در محدوده پلاستیک طرح شوند. مشاهده آسیب های بوجود آمده در زلزله نورث ریج مشخص می سازد که در بسیاری از موارد، شکست های ترد اتصالات در محدوده های پائین خمیری بوده اند و در بعضی موارد در حالی اتفاق افتاده اند که ساختمان هنوز در حد الاستیک بوده است.

2-2) انواع قابهای ساختمانی
در مبحـث دهـم مقـررات ملی ساختمـان ایـران ( طـرح و اجرای ساختمانهـای فولادی )]4[ و نیز آیین نامه سازه‌های فولادیAISC ]3[, سه نوع قاب ساختمانی به همراه مفروضات محاسباتی مربـوط به آنهـا مـلاک طرح ومـحاسبة سـازه های فولادی قـرارگرفته اسـت و هـریک از آنـها با مشخصـاتی مختـص به خود تعیـن کننده ابعاد اعضای سـازه و نـوع و مقاومت اتصـالات مربوط , می باشد .
گروه اول : قـاب های صلب ( قابهای یکسره )که در آنها فرض می شود اتصالات تیـر و ستون به اندازه کافی صلب هستنـد , طوریکـه در تغییـر شکل قاب , زاویه اولیه بین تیر و ستون ثابت باقی می ماند. بعبارت دیگر , میزان قید در برابرحـرکت چرخشـی تیر نسبـت به ستون بیشتـر از 90 درصـد گیرداری کامل ( میزان تئـوری گیرداری ) تامیـن می باشـد. اعضا و اتصـالات این گروه قاب‌هـا در هر دو شیوه طراحی , یعنی روش تنش های مجاز و نیز مقاومت نهایی در مقابل بارهای قائـم و یا جانبی قابل محاسبه وطراحی می باشند .
گروه دوم : قاب های ساده (آزاد ) که در آنها فرض میشود اتصالات تیر وستون بدون گیرداری هستنـد. در مورد بار قائـم , اتصال انتهای تیرها و شاهتیرها فقـط برای برش تعبیه شده است و مـی- تواند تحـت اثـر بار قائم , آزادانـه دوران کنـد. در این نوع اتصـالات دوران آزادانـه تیـر نسبت به ستـون بـرای گیرداری کمـتر از20 درصد گیرداری کامـل , اتصـال سـاده فـرض مـی شود. استفـاده از قـاب های گروه دوم در سـاختمـانها در صـورتی مـجاز اسـت که طـراحی سازه به روش تنـش هـای مجـاز انجام گیرد و علاوه برآن سیستم مقاوم در مقـابل بـار جـانـبی برای ساختمان تعبیه شود و اتصالات تیر و ستون ظرفیت در دوران غیـر ارتجـاعـی داشته باشند تا تنش‌هـای تولید شـده در اجـزای اتصـالات مانـند جوش تحت اثـر حالـت های مختلف بارگذاری , در حد مجاز باقی بماند .
گروه سوم : قاب های نیمه صلب ( انتهای قطعات دارای گیـرداری نسبی ) کـه در آنـهـا فـرض می شود اتصال انتهای تیـرها و شاهتیـرها دارای ظرفـیت خمـشی به مقداری مشخص و قابل اطمینان , بین صلبیت گروه اول و انعطاف پذیری گروه دوم , می باشد , یعنی20 الی 90 درصد گیرداری کامل اتصال. استفاده از قابهای گروه سوم در حالی مجاز است کـه محاسبه بطور مستدل نشان دهدکه اتصـالات نیـمه صـلب مفـروض ( به تنهـایی و یـا در ترکیب با سیستم مقـاوم در برابر نیروهای جانبی ) قادر اسـت اثـرمشترک بارهـای قائـم و جانبی را در حد تنش های مـجاز تحمـل کند. درصد گیرداری اعضای اصـلی که به چنـیـن اتصالاتی وصل می شوند , نباید از این مقدار حداقل بیشتر باشند .
ساختـمان هـای نـوع (2) و (3) مـمـکن اسـت بعـضـی تغیـیـر شکل‌هـای غیـرارتجاعـی امـا خود محدودساز ( Self limiting ) در قسمتی از فولاد ساختمان را ایجاب نمایند .

2-3) انواع اتصال تیر به ستون در ساختمانهای فولادی
بر اساس آنچه بیان شد , سـه نـوع اتصـال در ساختمـان های فـولادی کاربـرد دارد , که هـریـک باید تامین کننده یکسری نیازها باشد . در این قسمت مهمترین جزئیات ایــن سه نوع اتصال تیر به ستون همراه با توضیحات مختصــری راجع به آنها آورده می شود .

2-3-1) اتصال صلب تیر به ستون
یک اتصال صلب باید قـادر به انتقـال کامل لنگر باشد و هیچگونه چرخش نسبی بیـن اعضای وارد به اتصال بوجود نیـاید. از آنـجایی که اکثـر لنگر خمشی تیر به صورت یک زوج نیرو در بال های کششی و فشاری تیـر با بازوی تقریباً مســاوی در ارتفاع تیر حمل می گردد, نقـش اصلی یک اتصال صلب فراهم آوردن امـکانـاتی بـرای انتقـال ایـن نیروهـای محوری می‌باشد . همچنین از آنجایی که اکثر نیروی برشی توسط جان تیر حمل می گردد پیوسـتگی کامـل اتصال ایجـاب می کند که نیروی برشی مستقیماً از جان انتقال پیدا کند.
در یـک اتصـال صلب تیـر به ستـون, تیـرها ممکن است از دو طـرف به هـر دو بـال ستون متصل شده باشـد , ( اشـکال 2-1 الـف , ب و پ ) و یا فقـط بـه یـک بـال ستـون مـتصل شوند ( شکل 2-1 ت ). همچنین ممکن است که همانـند شکـل ( 2-2 ) تیـرها از یک یا دو طـرف به جـان ستـون بطور صـلب متصل شده باشنـد . تنـوع اتصالات صلب تیر به ستون آنقدر زیاد است که مشکل بتوان لیست کامـلی از آنـها تهـیه نمود , لیـکن اتصـالات نشان داده شده در اشکال ( 2-1) و ( 2-2 ) امروزه به‌نحو گسترده تـری مورد استفاده قـرار می گیرنـد. قسمتی از جوش اغلب اتصالات در کارخانه و یـا در روی زمیـن انجـام میشـود و بـاقی آن پس از نصب توسط جوش در محل تکمیل می شود .
هدف اصلی در طرح یک اتصال صلب, انتقـال نیروهای موجود از طـریق اتصال بـدون هـرگونه تغییر شکـل موضعـی ناشـی از ایـن نیروها می باشد . استفـاده ازاتصالات صلب در قاب های سازه های فولادی دو فایده دارد , اول اینکه از طرح و محاسبه پلاستیک کـه اقتصادی تر می باشد , می- تـوان استفاده کرد و دیگر اینکه اگر از طرح و محاسبه الاستیک استفاده شود, در صورت فشرده بودن تیرهای متصل شده به ستون, می توان از ده درصد کاهش مجاز لنگر خمـشی و ده درصـد افزایش تنش خمشی مجاز استفاده نمود .
در هر دو حالت, اتصال باید قادر باشد تا ظرفیت پلاستیک اعضـای متصل شـده بـه خود را انتقـال دهـد و نیـز آنقدر شکل پذیر باشد تا بتواند دوران های مفصل پـلاستیک را تحمـل کند. آزمایش های انجام شده, توانایی اتصالات صلب را برای هر دو منظور فوق به اثبات رسانیده اند]5 [.

2-3-2) اتصال مفصلی تیر به ستون
ایـن نـوع اتصـالات معمولا به دو صورت طـرح و اجـرا می شـود . اتصـال با جـفت نبشـی جــان ( شکل 2-3 الف ) و یا اتصال با نبشی نشیمن ( شکل2-3 ب ).
در این اتصالات سعی می شود کـه حـداقل گیرداری بوجـود آید و زاویـه بیـن تیر و ستـون تا حـد امـکان آزادی دوران داشتـه باشـد . معمـولا در محاسبه اتصـال فـرض بر ایـن اسـت کـه اتصـال کلیـه بـرش یا عکـس‌العمل موجود را , انتقال می دهد و لنگر گیرداری به وجـود نمـی آورد و برای این منظور قطعات اتصالی را تا حد امکان با انعطاف پذیری زیـادی قــرار می دهـند تـا دوران زاویـه ای تیـر در تکیه گاه آزاد باشد . بـرای ایـن منـظور در اتصال نـوع اول , یعـنی اتصال سـاده با جفت نبشی جـان , سعی می گردد که نبشی با ضخامت کـم انتخاب گردد تـا حـد امکان خمش پذیر باشد و تنش های درجه دوم گیرداری کمتر بوجود آید .

شکل ( 2-1 ) اتصال صلب تیر به ستون

شکل ( 2-2 ) : اتصال صلب تیر به ستون

اتصـال سـاده با نبشی نشیمن را میتوان به عنوان راه حل جایگزیـن اتصال سـاده با نبـشی جـان یا انـواع اتصـالات سـاده که درآنها ازجان تیربرای برقراری اتصال استفـاده مـی گردد بکـار برد. در ایـن نوع اتصـال تیر بر روی یک نشیمـن کـه می تـواند تقویت نشـده ( انعطاف پذیر )یا تقویت شده باشد , قرار میگیرد, نشیمن انعطاف پـذیر ( نبشی تنها ) شکل ( 2-3 ب ) .
برای تحمل تمام واکنش تکیه گـاهی تیـر طراحی گردیده اسـت . از ایـن نوع اتصـال باید همیشه همـراه با یک نبشـی بالایی که تنها وظیفه آن تامیـن تکیه گاه جانبی برای بال فشاری است , استفاده بعمل آید .

شکل ( 2-3 ) : دو نوع از اتصالات ساده اجرایی

وقتی که واکنـش تکیـه گاهـی از حد قابل قبول برای نشیمن های ساده ( نبشی تنها ) تجاوز کند, مـی توان در اتـصـالات جوشی از نشیـمن های تقـویت شده با مقـطع T استفاده نمود. وقتی که واکنـش تکیه گاهی تیر به حدود20 تن می رسد , ضخامت نبشی نشیمن تقویت نشده , بی انـدازه بـزرگ می شـود که در این هنـگام استفاده از نشیمن تقویت شده راه حل مناسبی خـواهد بود . نشیمن های تقویت شده به منـظور انتقـال لنـگر بـکارگرفته نمی شود و وظیفه آنها تنها تحمل بارهای قائم می باشد. رفتار نشیمن های طاقـچه ای(brackets ) جـوش شـده بوسیـله جـن سن (c.d.jensen ) مورد مطالعه قرار گرفته است .
زاویه بـرش لبـه آزاد سخـت کننده در رفتار نشیمن های تقویت شـده موثر است. اگر زاویـه حدوداً90 درجه باشد , سخت کننده خود مانند یک ورق سخت نشده تحت فشـار یکنواخت , رفتـار می نماید و باید کمانش موضعی آن کنترل شـود , وقتـی که ورق سخت کننده طوری برش خورده شـود که ازآن یک صفحه سه گوش ایجاد گردد , رفتار متفاوتی از آن بروز می کند ( شکل 2-4 ) ]7[.

شکل ( 2-4 ) : برشهای مختلف نشیمن طاقچه ای

2-3-3) اتصالات نیمه صلب تیر به ستون
در روش های محاسباتی که برای یافتن لنگرها در اسـکلت های ساختمـانی مــورد استـفاده قـرار می گیـرد , در کنـار دو نـوع تـکیـه گاه ســاده (شکل 2-5 ) وکاملاً گیردار نوع سومی هـم از تـکیه گاه به صورت نیمـه گیـردار وجـود داردکـه گـیرداری آن چیزی بیـن صفر تا صدرصد می‌باشد. یعنی دوران زاویه بین تیر و ستـون صورت میگرد ولی مقدار آن کمتـر از حالت (1) است و در عیـن حال مقـدار قابل توجهی لنگر گیرداری در تکیـه گاه تولیـد می گردد. گیرداری یـک اتصـال نیمه گیردار بسـته به وضع اتصال و بار و دهانه تیر ممکن است مثـلاً 25% یا50% یا 75% و غیره باشد . یعنی لنگر به وجـود آمده در تکیه گاه 25% یا 75% مقدار حالت (2) باشد .
یک تیر با تکیـه گاه سـاده که درآن لنگرهای داخلی دریـک قسـمت از مقطع بیشترین لنگریعنی 8/(L ² ω ) است , مقـرون به صـرفه نخـواهد بود. در یک تیر با اتصالات کاملاً صلب, لنگرها در مقطع وسط تیر کاهش یافته و مطابق آن لنگرهای انتهایـی افزایش می یابنـد . در واقع این توزیع لنگر بین تکیـه گاه و وسـط تیر به صـورت خـطی بـا تـغیـیرات سختـی تکیه گاهی انجـام می گیـرد

شکل ( 2-5 ) : تیر با سختی های انتهایی مختلف تحت اثر بار گسترده

شکل( 2-6):توزیع لنگر در تیر با سختی های انتهایی مختلف
اشکال ( 2-7 ) دیاگرام های تغییرات لنگر تیر را برای حالات مختلف گیرداری تکیه گاه و بارگذاری های مختلف نشان می دهـد . در ردیف شـشم این اشـکال , رابطه خطـی تغییرات لنگر و سختی انتهایی تیر ( R ) دیـده می شـود. بـا مـطالعـه این اشکال می توان نتیجه گرفت که هیچکدام از دو حالت حدی0 % و100% گیرداری از نظـر وزن تیـر مـقرون به صـرفه نمـی باشد . مثـلاً در تیـری که با بارگسـترده بارگذاری شده است حالتـی که گیرداری تکیـه گاه کمـتر از75% است لنگر مثبت وسط دهانه عامل تعین کننده نمره تیرآهـن است و در حالتی که گیرداری بیـش از 75% است, لنگر منفـی تکیه گاه عامل تعیین کننده می گردد و حالت مقرون به صـرفه همان حالت 75% گیرداری اسـت که درآن لنگر مثبت وسط دهانه و لنـگر منفی تکیـه گاه با هم برابرند وکوچـکتـرین لنگر را برای تعیین نمره تیر به دست می دهنـد. یعنی اگر بتـوان این مقدار گیرداری را در تکیه گاه بوجود آورد , اساس مقطع لازم برای تیـر نصـف حالـت تکیـه گاه ساده و4/3 حالت تکــیه گاه گیـردار خــواهــد بــود , یعنـی صـرفه جـویــی قــابـل مــلاحـظه ای بوجود می‌آید.
برای بارگذاری حالت های دیگر نیـز چنیـن وضعی برقـرار است, فـقط حالـت اول بارگذاری که فقط یک نیروی ( W ) در وسط دهانه تیر اثر میـکند , تکیـه گاه 100% گیردار وضع مقرون به صرفه می باشد. با اشکـال ( 2-7 ) مـی‌توان اینـطور نتیجه گیری نمود که در هریک از حـالات بارگذاری حتی با تولیـد 50% گیرداری مقادیر قابل توجهـی صرفه جـویی در نمره تیر آهـن بدسـت می آیـد ودر عیـن حـال لنگر مثبـت وسط دهانه در آن , مقـداری اسـت که در گیرداری های بیشتر لنگر بزرگتری از آن در هیچ نقطه ای از تیر بوجود نمی آید و یا به عبـارت دیـگر در صـورت بـروز گیرداری هـای بیش از 50% نیـز تیـری که برای چنین حالتی محاسبه شده باشد , مقرون به اطمینان خواهد بود ]7[.

2-4- تقسیم بندی اتصالات در Eurocode, 1992:
مطابق آئین نامه اروپا EuroCode 3,1992)) دو پارامترمهمی که در دسته بندی اتصالات بکار می رود مقاومت خمشی و سختی چرخشی اتصالات می باشد. در رابطه با مقاومت خمشی اتصالات تقسیم بندی به شرح زیر است:
1- اتصالات با مقاومت کامل
2- اتصالات با مقاومت جزئی.
3- اتصالات اسمی مفصلی.
در رابطه با سختی چرخشی اتصالات،تقسیم بندی بدین گونه است:
1- اتصالات صلب
2- اتصالات نیمه صلب
3- اتصالات مفصلی
که این تقسیم بندی مشابه تقسیم بندی اتصالات در مبحث دهم مقررات ملی ساختمانی ایران نیز می باشد.
به غیر از اتصالات مفصلی که در قاب های خمشی کاربرد ندارند، چهار حالت رفتاری اتصال به شرح زیر موجود دارد:
الف- اتصالات با مقاومت کامل و صلب
ب- اتصالات با مقاومت کامل و نیمه صلب
پ- اتصالات با مقاومت جزئی و صلب
ت- اتصالات با مقاومت جزئی ونیمه صلب
نکته قابل توجه این است که عنوان قاب نیمه صلب اغلب برای مورد(ب)و(پ)بکار می- رود در حالیکه عبارت صلب برای قابهای با اتصال صلب با مقاومت کامل بکار می رود.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله  163  صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید