ماهیت شکل پذیری و طراحی لرزه ای اتصالات با رویکردی جدید در قابهای خمشی فولادی

عمران
دانلود پایان نامه مهندسی عمران ماهیت شکل پذیری و طراحی لرزه ای اتصالات با رویکردی جدید در قابهای خمشی فولادی مقدمه از دیدگاه سازه ای، عبارت طراحی به مجموعه ای از قواعد علم ساخت و ساز اتلاق می گردد كه هدف آن به وجود آوردن سازه ای می باشد كه از نظر شکل و ابعاد، خواست های مربوط به كارآیی، پایایی و زیبایی را به طور همزمان و در طی یك طرح، برآورده سازد. هدف اصلی طراحی سازه، ساخت سازه ای است كه در آن نه تنها هزینه های اولیه ساخت در نظر گرفته می شود، بلكه هزینه های مربوط به نگهداری، تخریب و زوال های احتمالی نیز به همراه مزایای سازه ای ایجاد شده لحاظ می گردند. از این رو طراحی بهینه ی سازه احتیاج به فهم صحیح از كلیه قوانین حاكم بر موارد فوق دارد. اهداف ذكر شده برای طراحی سازه ها در برابر عواملی مانند بارهای زنده ، مرده و برف با دشواری كمتری قابل حصول هستند، در حالی كه برای طراحی سازه در برابر عوامل دیگری مانند گردبادها، سیل و زلزله با دشواری حاصل می گردند. منشأ این دشواری، ماهیت به شدت احتمالاتی این پدیده ها و نیز وابسته بودن رفتار سازه به شدت و نوع این بارها می باشد. تاكنون در میان این عوامل، زلزله عامل 60% از تلفات جانی ناشی از حوادث طبیعی پیش بینی نشده بوده است. بنابراین طراحی مناسب سازه در مقابل زلزله و ارائه روشی مشخص برای اطمینان از عملكرد سازه در حین زلزله از اهمیت خاصی برخوردار است. به طور كلی رویكرد مهندسی به طراحی جنبة كمی داشته و اعضاء سازه ای باید بگونه ای انتخاب و جزئیات بندی شوند كه در مقابل تلاش های حاصل از كلیه عوامل از جمله زلزله، پاسخگو باشند. اما طراحی برای بزرگترین نیروهای قابل تصور كه از بزرگترین زلزله ی پیش بینی شده برای یك ساختگاه حاصل می گردد، غیرمنطقی بوده و از نظر اقتصادی نیز قابل قبول نمی باشد. بنابراین طراحی برای سطح پایین تری از نیروها صورت می گیرد. پس منطقی است كه نقاطی از سازه در مقابل تلاش های ایجاد شده ناشی از نیروی زلزله، متحمل آسیب های موضعی مانند رسیدن به حد كمانش و یا جاری شدن شوند. اما ذكر این نكته حائز اهمیت است كه در یك طرح مناسب لرزه ای، سازه ضمن تحمل آسیب های موضعی ایجاد شده، از پایداری و یكپارچگی كلی برخوردار باشد. دنبال كردن این روش به طراحی لرزه ای سازه-ها می انجامد. در این روش، سازه به گونه ای تحلیل و طراحی می-گردد كه نقاط پیش بینی شده برای تحمل آسیب های موضعی، قسمت اعظم انرژی لرزه ای وارد شده به سازه را جذب نموده و خود قادر باشند تغییرشکل های خمیری را بدون كاهش قابل ملاحظه ای در مقاومت تحمل نمایند، و در این حال، دیگر اعضای سازه نیز در محدوده تقریباً الاستیك باقی بمانند. توانایی تحمل تغییرشکل های خمیری بدون كاهش قابل ملاحظه در مقاومت، نشانگر شکل پذیری اعضای سازه و معیاری برای تعیین رفتار مناسب سازه طی زلزله های شدید می باشد. بنابراین واضح است كه با توجه به نوع و شدت زلزله، مقادیر مختلفی نیز برای شکل پذیری مورد نیاز می باشد و طراحی مناسب یك سازه با تامین كردن شکل-پذیری مورد نیاز آن در ارتباط مستقیم خواهد بود. اما این موضوع نیز باید همیشه در نظر گرفته شود كه آسیب های حاصل از ورود اعضاء سازه به محدودة خمیری باید بعد از زلزله قابل تعمیر و بازسازی باشند و از این منظر در طراحی لرزه ای باید موازنه ای میان هزینه های اولیه ساخت و هزینه های مربوط به تعمیر و بازسازی برقرار گردد. کلمات کلیدی: فولاد پرمقاومت طراحی لرزه ای اتصالات شکل پذیری قابهای خمشی فولادی فهرست مطالب فلسفه شکل پذیری و طراحی لرزه ای اتصالات 3 2-1- مقدمه 4 2-2- ماهیت زلزله و لزوم انجام طراحی لرزه ای 4 شکل 2-1 : حلقه های زنجیر پاولی 6 2-3- انواع اتصالات و قابهای سازه ای : 7 2-3-1- اتصالات ساده (مفصل): 8 2-3-2- اتصالات كاملاً صلب (گیردار): 8 2-3-3- اتصالات نیمه صلب (پاره گیردار): 9 شکل 2-2 : دوران اتصال با توجه به میزان گیرداری اتصال 9 2-4- تعیین میزان گیرداری یك اتصال 10 2-5- ارزیابی اتصالات صلب جوشی و منحنی لنگر – دوران اتصالات 10 شکل 2-3 : منحنی لنگر دوران برای انواع اتصالات 11 2-6- ملزومات چرخشی برای اتصالات خمشی 14 2-7- كفایت عملكرد ثقلی اتصالات تیر به ستون 14 شکل 2-4 : بارگذاری ثقلی اتصال ثقلی در آزمایشگاه [42] 15 شکل 2-5 : تیر AB تحت اثر لنگرهای انتهایی [42] 16 شکل 2-6 : نمودار لنگر – چرخش سه نوع اتصال [3] 18 شکل 2-7 : نمودار لنگر – چرخش اتصال گیردار ایدهآل و اتصال مفصل ایده آل 18 شکل 2-8 : بررسی نمودار لنگر– دوران برای اتصالات مختلف 20 شکل 2-9 : اثرات افزایش EI و L در نمودار خط تیر 20 2-8- اتصالات در زلزله نورتریج 21 2-8-1- بررسی اتصالات متعارف آسیب دیده در زلزله نورتریج 22 شکل 2-10 : اتصال متعارف آسیب دیده در زلزله نورتریج [1] 23 شکل 2-11: ناحیه شروع خرابی در اتصالات تیر به ستون [1] 23 شکل 2-12 : شکستهای گره تیر به ستون [1] 24 شکل 2-13 : شکستهای ستون [1] 24 شکل 2-14 : شکست قائم در طول ورق برشی اتصال 25 2-8-2- خلاصه فعالیت های انجام شده پس از زلزله نورتریج 25 2-8-3- اشكالات ایجاد كننده شكست ترد در اتصال متعارف 26 2-8-4- نتیجه حاصل از تحقیقات – ضعف موجود در بر اتصالات متعارف 30 شکل 2-15 : شمایی از چند تیپ اتصال مالکیتدار [1] 32 شکل 2-16 : انواع جزییات متعارف اتصالات تیر با مقطع کاهش یافته[2] 33 2-9- نگرش جدید در طراحی لرزهای قابهای خمشی فولادی 33 2-10- تعریف مفاهیم ضریب رفتار R و ضریب افزایش مقاومت 34 شکل 2-17 : تبدیل نیروهای داخلی صفحهای تیر به نیروهای داخل صفحهای ستون 37 شکل 2-18 : قیاس اتصالات پیش از نورتریج و پس از نورتریج 39 شکل 2-19 : تشکیل مفصل پلاستیک در تیر، دور از بر ستون [1] 39 شکل 2-20 : محل تشکیل مفاصل پلاستیک [1] 41 شکل 2-21 : توزیع کرنش پلاستیک در یک زیرسازه شکلپذیر [1] 41 2-11- بررسی كفایت عملكرد لرزه ای اتصالات 41 شکل 2-22 : تغییر شکل یك قابل خمشی تحت اثر بارهای جانبی[6] 42 شکل 2-23 : انواع زیر سازههای قابل ساخت در آزمایشگاه و قابل مدلسازی در نرم افزار 43 شکل 2-24 : دو نمونه متفاومت زیر سازه ساخته شده در آزمایشگاه [4] 44 شکل 2-25 : بارگذاری استاندارد پیشنهادی SAC [5] 45 شکل 2-26 : نمایش پارامترها 46 شکل 2-27 : شمایی از نمودارهای و 47 شکل 2-28 : نمودار لنگر- چرخش پلاستیك 48 شکل 2-29 : مشخصات نمودار لنگر – چرخش پلاستیك خوب از نظر AISC [3] 49 شکل 2-30 : پوش نمودار لنگر – چرخش پلاستیك 50 2-12- الزامات لرزهای قاب های خمشی فولادی 51 2-12-1- ضوابط ویژه تناسبات اجزای مقطع 51 جدول 2-2 : محدودیت نسبتهای عرض به ضخامت در اعضای قاب خمشی ویژه[3] 53 2-12-2- چشمه اتصال 53 شکل 2-31 : چشمه اتصال و نیروهای وارد بر آن 54 2-12-3- شرط ستون قوی – تیر ضعیف 57 شکل 2-32 : محاسبه تلاشهای ناشی از تشکیل مفاصل پلاستیک در مقاطع بحرانی[1] 59 شکل 2-35 : محل تشكیل مفصل پلاستیك در اتصال RBS 61 2-12-4- ورق های پیوستگی 61 2-12-5- مهاربندی جانبی تیرها 61 فهرست مراجع و منابع 63