بررسی رفتار و عملکرد اعضا و اتصالات تحت اثر بارهای رفت و برگشتی

عمران
دانلود پایان نامه مهندسی عمران بررسی رفتار و عملکرد اعضا و اتصالات تحت اثر بارهای رفت و برگشتی چکیده: فلسفه طراحی لرزه‌ای سازه‌ها، برای سالهای متمادی در آیین‌نامه‌های ساختمانی ملی و جهانی مورد قبول واقع شده است. بدین منظور، سازه‌ها باید عموماً قادر باشند: الف. برای زمین‌لرزه‌های ضعیف كه در طول عمر مفید سازه اتفاق می‌افتد، سازه باید بدون خسارات سازه‌ای و غیرسازه‌ای بتواند از طریق سختی خود، نیروهای زلزله را به فونداسیون انتقال دهد. ب. در برابر زمین لرزه‌های متوسط بدون آسیب سازه‌ای مقاومت نمایند و لیكن مقدار جزئی خسارت غیرسازه‌ای متحمل شوند. ج. برای زمین لرزه‌های شدید كه بزرگترین زلزله محتمل در طول عمر مفید سازه می‌باشد، سازه باید با كمی خسارات سازه‌ای و غیرسازه‌ای، ولی بدون فروریزش (collapse) بتواند نیروهای زلزله را تحمل نماید، بعبارتی در زلزله‌های شدید اجزای سازه‌ای خسارت عمده می‌بینند ولی سازه پایداری و ایستایی خود را حفظ می‌نماید [3]. چرا طراحی لرزه‌ای خسارات جزئی به سازه را اجازه می‌دهد در حالی كه برای بارگذاری‌های دیگر چنین چیزی قابل قبول نیست؟ دلیل اصلی هزینه زیاد تمهیدات طراحی لرزه‌ای برای شدیدترین زمین لرزه طرح و مقاومت سازه بدون آسیب در برابر آن می‌باشد. برای رسیدن به این اهداف یكی از اصولی كه در آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای سازه‌ها وجود دارد، عبارت است از استفاده از اشكال، سیستم‌ها و موادی كه رفتار شكل‌پذیر داشته باشند. زمانی به یك سازه شكل‌پذیر اطلاق می‌شود كه بتواند تغییر شكل‌های غیرالاستیك بزرگ را بدون كاهش در مقاومت تحمل نماید. (همچنین نباید ناپایداری و فروریزش در سازه اتفاق افتد). در آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای سازه‌ها، بزرگی نیروی زلزله برای یك سیستم سازه‌ای مشخص، رابطه معكوس با میزان شكل‌پذیری آن سیستم دارد. سازه‌ها با میزان شكل‌پذیری زیاد برای نیروهای لرزه‌ای كوچكتر و سازه‌ها با میزان شكل‌پذیری كم برای نیروهای لرزه‌ای بزرگتر طراحی می‌شوند. در واقعیت سازه‌های شكل‌پذیرتر تحت زلزله‌هایی قرار خواهند گرفت كه از حد مقاومت الاستیك آنها بیشتر است [12]. سازه‌های فولادی از بسیار جهات از جمله مصالح ایده‌ال برای مقاومت در برابر زمین لرزه می‌باشند. این مصالح درجه بالایی از جذب انرژی و شكل‌پذیری را از خود نشان می‌دهد. تجربه نشان می‌دهد كه سازه‌های فولادی در زمین لرزه‌ها، معمولاً بخوبی عمل می‌كنند. با این وجود به منظور استفاده بیشتر از شكل‌پذیری فولاد، تدابیر ویژه‌ای در طراحی و جزئیات سیستم‌های قابی و اتصالات نیاز است. فروریختن برج 20 طبقه (pinot suarez) در زمین لرزه 1985 مكزیكوسیتی، كه یك سازه فولادی بود، به وضوح نشان داد كه فولادی بودن طرح به تنهایی تضمینی برای عملكرد مناسب در برابر زمین لرزه نمی‌باشد. کلمات کلیدی: عملکرد اعضا و اتصالات بارهای رفت و برگشتی طراحی لرزه ای سازه ها مقدمه: در دهه 1960 مهندسین سازه به این باور رسیدند كه سیستم قاب مقاوم خمشی فولادی با اتصالات جوشی، در رده یكی از شكل‌پذیرترین سیستم‌های سازه‌ای قرار دارد. بسیاری از مهندسین سازه بر این باور بودند كه قاب‌های خمشی اصولاً در مقابل زلزله‌ها حساس نمی‌باشند و فروریزشی در آنها رخ نمی‌دهد و اگر خسارت سازه‌ای رخ دهد، محدود به جاری شدن اعضای قاب بوده و اتصالات آن به صورت الاستیك باقی می‌مانند. به واسطه همین تفكر در آن سالها، سازه‌های صنعتی، آموزشی و تجاری بزرگی كه سیستم آنها قاب خمشی فولادی با اتصالات جوشی بود در غرب ایالات متحده بنا گردید. با وقوع زلزله نورتریج در 17 ژانویه سال 1994، این ایده و تفكر كاملاً عوض شد. بعد از وقوع این زلزله، بسیاری از ساختمانها كه سیستم سازه‌ای آنها از قاب مقاوم خمشی فولادی بود، دچار شكست ترد در ناحیه اتصال تیر به ستون شدند. ساختمانهای مذكور ارتفاعی بین 1 تا 26 طبقه و عمری حداكثر تا 30 سال داشتند، حتی ساختمانهایی كه در زمان زلزله در حال احداث بودند نیز دچار اینگونه خسارات شده بودند. سازه‌هایی كه در مناطقی قرار گرفته بودند كه حركت زمین در آنجا شدید بود، بیشترین خسارت سازه‌ای را متحمل شده بودند و حتی در مناطقی كه حركت زمین در حد متوسط بود، خسارات سازه‌ای شدیدی مشاهده می‌شد ]12]. شكست ترد اتصال تیر به ستون در اثر این زلزله، یك زنگ خطر برای مهندسین به حساب می‌آمد. همچنین این كشف باعث نگرانی در مورد خسارات احتمالی وارده به سازه‌هایی كه در مناطق دیگر و تحت زلزله‌های قدیمی‌تری واقع شده بودند، گشت. تحقیقات بعدی نشان داد كه این نوع خسارات در تعداد كمی از ساختمانها كه تحت زلزله لاندرز 1992، بیگ بیر 1992 و لوماپریتا 1989 قرار گرفته بودند، وجود دارد. در زلزله نورتریج، سازه‌ها بگونه‌ای كه از قبل در طراحی‌ها پیش‌بینی شده بودند، رفتار نكردند. خسارات وارده به اتصالات، حتی در سازه‌هایی كه نیروی لرزه‌ای وارده به آنها كوچكتر از نیروی طراحی بود، مشاهده می‌شد [12]. آزمایشات و تحقیقات باعث پیشرفت‌های قابل توجهی در فهم تفاوت‌های رفتار سازه در دو حالت بارگذاری ساده و رفت و برگشتی گشته است. كارهای بیشتری نیز روی انواع شكل‌پذیر بادبندی‌ها انجام شده كه این كار باعث پیشرفت بزرگی در مفهوم طراحی سازه‌های فولادی در برابر زمین لرزه گردیده است. در این پایان نامه به بررسی مقاومت و شكل‌پذیری اعضا و اتصالات در اثر بارگذاری رفت و برگشتی خواهیم پرداخت. پس از توضیحات مقدماتی در دو بخش اول و دوم بطور جداگانه عملكرد و رفتار اتصالات تیر به ستون و اعضا مهاربندی با ارائه تحقیقات و آزمایشاتی كه محققین در این رابطه ارائه نموده‌اند، بررسی گشته و نتایج هر تحقیق با شرح روند آزمایش در هر قسمت بیان شده است. فهرست مطالب بررسی رفتار و عملکرد اعضا و اتصالات تحت اثر بارهای رفت و برگشتی 1 فلسفه طراحی 2 منحنی هیسترزیس جهت مدل كردن اتصالات 2-1 مدلهای هیسترزیس 2-2 رفتار هیسترزیس اتصالات 4ـ3 سازه‌های ساختمان فولادی نیمه صلب 3-1 رفتار لرزه‌ای قابهای صلب و نیمه صلب 4ـ3ـ2 طراحی لرزه‌ای قابهای نیمه صلب ساختمان‌های فولادی بخش اول: تحقیقات جهت بررسی رفتار اتصالات تیر به ستون 4ـ4 معرفی (آزمایش و تحقیق) 4ـ5 سیستم قابهای خمشی (Moment Resistant Frame) MRF 6 بررسی رفتار اتصالات نیمه صلب با نبشی تحت بارگذاری سیكلی 4ـ6ـ1 هدف 4ـ6ـ2 معرفی 4ـ6ـ3 وسایل آزمایش 4ـ6ـ4 روش کار آزمایش 4ـ6ـ5 نتایج آزمایش 4ـ6ـ6 نتیجه‌گیری 4ـ6ـ7ـ مدل عددی برای بررسی رفتار لرزه‌ای اتصالات تیر به ستون نیمه صلب 4ـ6ـ7ـ1 معرفی 6-7-2 دقت مدل عددی 4ـ6ـ7ـ3 نتیجه 4ـ7 رفتار اتصالات نبشی فوقانی و نشیمن تحت بارهای لرزه‌ای و بررسی اثر لغزش پیچهای اتصال 4ـ7ـ1 هدف 4ـ7ـ2 معرفی 4ـ7ـ3 آزمایشات 4ـ7ـ4 اثر لغزش پیچ 4ـ7ـ5 رفتار لغزشی: مقایسه با سایر آزمایشات و نكات طراحی 4ـ7ـ6 پیش‌بینی عددی توسط یك مدل مكانیكی 4ـ7ـ7 نتیجه 4ـ8 آسیب‌پذیری اتصالات جوشی در زمین لرزه نورتریج 4ـ9 بررسی آزمایشگاهی بر روی اتصال خمشی جوشی فولادی تقویت نشده 4ـ10 عملكرد اتصال بال جوشی و جان پیچی تحت اثر بارگذاری دوره‌ای 4ـ11 بررسی اتصال زوج نبشی جان 4ـ11ـ 1 هدف 4ـ11ـ2 معرفی و شرح آزمایش 4ـ11ـ3 نتیجه‌گیری بخش دوم: عملكرد بادبندها تحت بارگذاری چرخه‌ای 12سیستم قاب مهاربندی شده هم‌مركز CBF 12-1 مقدمه 12-2 انواع سیستم‌های CBF 12-3 مزایا و معایب قاب با مهاربندی هم مركز (CBF) 12-4 رفتار هیسترزیس سیستم CBF 4ـ13 كمانش خارج از صفحه در اثر بار رفت و برگشتی در مهاربندی دوبل نبشی 4ـ13ـ1 چكیده 4ـ13ـ2 معرفی 4ـ13ـ3 طراحی نمونه‌های آزمایش 4ـ13ـ4 نتیجه‌گیری و توصیه‌های طراحی 4ـ14 كمانش داخل صفحه مهاربند دوبل نبشی تحت بار چرخه‌ای 11 خلاصه و نتیجه‌گیری 15 رفتار اعضای بادبندی فولادی و مركب با مقاطع توخالی و پرشده 15-1 هدف 15-2 معرفی و شرح تحقیقات 15-3 نتیجه گیری 16 رفتار بادبندهای نبشی ضربدری در اثر بار رفت و برگشتی 16-1 چكیده 16-2 نتایج و پیشنهادات منابع