تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت و مطالعات انجام شده بر روی شکل پذیری و خمش اتصالات آن

عمران
دانلود پایان نامه مهندسی عمران تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت و مطالعات انجام شده بر روی شکل پذیری و خمش اتصالات آن مقدمه در سالهای اخیر، سازندگان ساختمان های فولادی بر استفاده از فولادهای پرمقاومت در اعضا و اتصالات ساختمانها تاكید ویژه ای داشتند. پیشرفتهای اخیر در فولاد سازی موجب پیدایش نسل جدیدی از فولادهای پر مقاومت شده است كه مشخصات تنش–كرنش آنها با فولادهای سنتی بسیار متفاوت است. فولادهای پر مقاومت كارائی بیشتری در كشش، جوش پذیری، نورد سرد، سختی و مقاومت در برابر پوسیدگی بیشتری نسبت به فولادهای نرمه دارند. این ویژگی ها موجب شده است كه فولادهای پر مقاومت در صنایع سازه ای بسیار جذاب جلوه كند. تولید این نوع جدید از فولاد در صنایع فولادسازی، دستاورد موفق علمی در فناوری فولاد سازی بود، علی الخصوص كه فرآیند كنترل ترمومکانیکی، مراحل نورد گرم و خنك كردن فولادها را كنترل می كند تا ساختار مصالح فولادی بسیار مرغوبتری بدست آید. استفاده از فولادهای پرمقاومت مانند هر مصالح دیگری معایب و مزایایی به همراه دارد. از جمله مزایای آنها می توان به كاهش وزن ساختمان، صرفه جویی در تولید، سهولت نصب و انتقال به محل اجرای ساختمان و فونداسیون كوچكتر اشاره كرد. همچنین المان های سبك و نازك برای ویژگی های معماری ساختمان، طراحی زیبای اعضا و سازه ها بسیار مطلوب می باشند. كاهش مقاطع اعضا منجر به صرفه جویی در استفاده از فولاد در ساختمان شده و در نتیجه می تواند مزایای زیست محیطی را به همراه داشته باشد. از نقطه نظر سازه ای، فولادهای پر مقاومت، مقاومت خطی بزرگتری دارند. اما افزایش تنش تسلیم باعث افزایش مدول یانگ نمی شود، و این عامل ممكن است مشکلاتی در خدمت پذیری سازه به وجود آورد. در حال حاضر طراحی سازه های فولادی بر اساس سختی و در قالب محدودیت های تغییرشکل و Dr ft كنترل می شود تا محدودیتهای شکل پذیری و سرویس دهی سازه را تامین كند. در این مورد به نظر نمی آید كه استفاده از فولادهای پرمقاومت چندان مفید باشد. به علاوه هر چقدر مقاومت فولاد بیشتر شود، ویژگی های كمانشی فولاد بیشتر حكم فرما می شوند و در نتیجه مشکلات شکل پذیری فولاد افزایش می-باید. همچنین محدودیت در لاغری اعضا كه توسط تنش تسلیم بالا و نسبت تنش تسلیم، به سازه تحمیل می شود، ممكن است كه باعث طراحی غیر اقتصادی و عدم حصول مقاطع فشرده موثر شود. كارایی فولادهای پرمقاومت هنگامی بیشتر است كه به آن اجازه تسلیم كامل داده می شود؛ برای مثال هنگامی که اتصالات و اعضای ساخته شده از این فولاد به گونه ای طراحی شوند كه تنها در اثر عامل مقاومتی گسیخته شوند، طراحی به گونه ی مناسبی انجام شده است. در این حالت باید پدیده های كمانشی كلی و موضعی در طراحی سازه ای حذف شود. همچنین نسبت تنش تسلیم بالای فولاد پرمقاومت موجب کاهش پایداری غیرخطی مقاطع و ظرفیت دوران اعضا و اتصالات می شود و این پایداری به شدت به خصوصیات سخت شدگی كرنشی مصالح مربوط است. بر اساس تحقیقات صورت گرفته، معیارهای فشردگی مقاطع فولاد پرمقاومت باعث می شوند كه ظرفیت شکل پذیری خمشی بیش اندازه تخمین زده شود. بعلاوه نسبت مقاومت نهائی به مقاومت تسلیم مصالح اثر قابل ملاحظه ای بر شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی تحت بارگذاری چرخه ای دارد، كه باعث می شود به منظور اطمینان از رفتار قابل قبول لرزه-ای، مقادیر محدود كننده ای برای این پارامتر انتخاب شود. بنابراین رفتار سازه هایی كه توسط این فولادها ساخته می شوند، احتیاج به بررسی بیشتری دارد تا طراحی آنها با اطمینان بیشتری صورت بگیرد. مقاومت و سختی در اعضای ساخته شده از فولاد پرمقاومت به راحتی بدست می آید ولی از طرف دیگر ارزیابی شکل پذیری آنها چندان آسان نیست. شکل پذیری اعضا و اتصالات براساس مقدار تغییرشکل پلاستیكی تعریف می شود كه می تواند توسط درصدی از مقاومت نهایی عضو بدست آید. در زیر به بررسی چند مورد از مطالعاتی که بر روی اعضای ساخته شده از فولاد پرمقاومت انجام شده است، می پردازیم. کلمات کلیدی: فولادهای پرمقاومت شکل پذیری و خمش اتصالات تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت مطالعات انجام شده بر روی فولادهای پرمقاومت فهرست مطالب تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت و مطالعات انجام شده بر روی شکل پذیری و خمش اتصالات آن 1-تاریخچه کاربرد فولادهای پرمقاومت در صنعت ساختمان 5 1-1- مقدمه 6 1-2- روند تولید فولادهای پرمقاومت 6 . شکل 1-1 : نحوه تاثیر مکانیزمهای افزایش مقاومت در فولاد [36] 8 . شکل 1-2 : فرآیندهای تولید ( الف– نورد و نرمال کردن ، ب– فرآیند ترمودینامیکی ) [36] 9 . جدول 1-1 : روند توسعه فولادهای HS A [36] 10 1-2- مزیتهای استفاده از فولاد پرمقاومت میکروآلیاژی 12 شکل 1-3 : منحنی باربری و تنش مجاز [35] 13 جدول 1-2 : مقایسه آنالیز شیمیایی فولادهای ST 37.2 و ST 52.3 شركت فولاد مباركه [36] 15 . جدول 1-3 : مقایسه خواص مكانیكی فولادهای ST37.2 و فولاد پر مقاومت و ST 52.3 شركت فولاد مباركه [36] 15 1-4- قابلیت جوشكاری در فولادهای پرمقاومت 15 1-5- كاهش وزن، كلید افزایش ارزش اقتصادی فولادهای میکروآلیاژی 18 . شکل 1-4 : تاثیر نوع بارگذاری بر میزان صرفهجویی ناشی از فولادهای پرمقاومت [36] 19 2- مطالعات انجام شده بر روی اتصالات ساخته شده از فولاد پرمقاومت 20 2-1- مقدمه 20 2-2- رفتار چرخهای اتصالات جوشی ساخته شده از فولاد پرمقاومت در ساختمانهای مقاوم در برابر خرابی 23 . شکل 2-1 : توزیع لنگر و انحنای خمشی در سازههای واقعی [7] 24 2-2-1- طرح كلی آزمایشات 24 . جدول 2- 1 : نمونههای آزمایش شده 24 . شکل 2-2 : جزئیات اتصالات آزمایش شده[7] 25 . شکل 2-3 : سیکلهای بارگذاری اعمال شده 25 2-2-2- بارگذاری كششی یكنواخت 25 2-2-3 نمودار چرخهای نیروی محوری و كرنش متوسط 26 . شکل 2-4 : نمودارهای نیرو جابهجایی برای نمونههای آزمایش شده [7] 27 2-2-4 توزیع كرنش در راستای محور نمونهها 27 . شکل 2-5 : توزیع کرنش برای نمونههای آزمایش شده [7] 28 2-2-5 كارآئی اتصالات جوشی 28 شکل 2-6 : کارآیی اتصالات جوشی [7] 28 2-2-6 نسبت تغییر شکل پلاستیك تجمعی 28 SECT ON 14.01 شکل 2-7 : نسبت تغییرشکلهای پلاستیک تجمعی برای انواع فولاد با اتصال جوشی [7] 29 2-3 مطالعه آزمایشگاهی بر روی مقاطع RBS ساخته شده با فولاد پرمقاومت 30 جدول 2-2 : مشخصات مصالح به كار رفته در اتصال [8] 31 . جدول 2-3 : نتایج ( حداکثر مقاومت تیر بر اساس مصالح واقعی ، حداکثر مقاومت اسمی تیر ) [8] 32 . شکل 2-8 : رفتار چرخهای نمونه ها [8] 33 . شکل 2-9 : الگوی مناطق تسلیم در مقاطع ( الف : تسلیم در جان ، ب: تسلیم در بال) [8] 34 2-4 بررسی آزمایشگاهی اتصالات با ورق انتهایی ساخته شده از فولاد پرمقاومت 34 2-4-1 نحوه انجام آزمایشات 35 . شکل 2-10 : ترکیب بندی اتصالات [9] 35 . جدول 2-4 : مشخصات نمونهها [9] 35 2-4-2 نتایج آزمایشات ( نمودارهای ) 36 . شکل 2-13: مقایسه نتایج نمونههای یکسان با ورق انتهایی متفاوت [9] 37 . جدول 2-5 : مشخصات اصلی نمودارهای لنگر – دوران [9] 37 . شکل 2-14 : منحنی چندخطی اتصال با ورق انتهایی [9] 38 2-4-2- بررسی شکلپذیری آزمایشگاهی 38 2-5- اثر فولادهای پرمقاومت و مشخصات هندسی آن در رفتار غیرخطی خمشی 40 شکل 2-15 : نمودار تنش-کرنش برای انواع فولادهای ساختمانی [10] 41 SECT ON 24.01 شکل 2-16 : نمودار نسبت تنش تسلیم به مقاومت کششی[10] 42 2-5-1- رفتار خمشی 42 شکل 2-17 : منحنی لنگر دوران تیر تحت خمش[10] 42 2-5-2- معیارهای فشردگی حال حاضر 43 2-5-2- كمانش موضعی بال 43 . شکل 2-18 : اثر لاغری بال تیر بر روی ظرفیت چرخشی تیر ( فولاد نرمه معمولی) [10] 44 2-5-4- كمانش موضعی جان 45 . شکل 2-19 : اثر لاغری جان تیر بر روی ظرفیت چرخشی تیر ( فولاد نرمه معمولی) [10] 46 . شکل 2-20 : ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی، اثر لاغری بال و جان 47 2-5-5- گرادیان لنگر 47 . شکل 2-21 : منحنی لنگر انحنا برای تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی [10] 48 . شکل 2-22 : مطالعه پارامتریک ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی تحت گرادیان لنگر [10] 48 2-5-6- ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت 48 . جدول 2-8 : مشخصات تیرهای ساخته شده از فولاد A514 [10] 49 . شکل 2-23 : نتایج منحنی لنگر دروان برای نمونه های 3 تا 7 [10] 50 . شکل 2-24 : نمودار لنگر دوران برای تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت تحت گرادیان لنگر [10] 51 شکل 2-25 : اثر لاغری جان بر روی ظرفیت دوران (فولاد معمولی و پرمقاومت) [10] 52 شکل 2-26 : ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت ( اثر لاغری بال و جان ) [10] 53 . شکل 2-30 : اثر لاغری جان بر روی ظرفیت شکلپذیری مقطع ساخته شده از HS A-80 54 . شکل 2-31 : اثر لاغری بال بر روی ظرفیت شکل پذیری مقطع ساخته شده از HS A80 55 . شکل 2-32 : انرژی مکمل نمودار تنش کرنش برای مطالعه پارامتریک ظرفیت دوران [10] 57 . شکل 2-33 : اثر مشخصات تنش کرنش مصالح بر روی ظرفیت دوران خمشی 58 . شکل 2-34 : (الف) نمودار تنش کرنش فولادها (ب) نمودار نیرو تغییرمکان تیرهای بال پهن فولادهای مربوطه 59 . شکل 2-35 : مشخصات تنش کرنش مصالح برای مطالعات پارامتریک FEA 59 . شکل 2-36 : نمودارهای لنگر دوران برای مطالعات پارامتریک FEA 60 2-5-7- تیر – ستونها 60 . شکل 2-38 : رابطه ظرفیت دوران به نسبت نیروی محوری تیرستونها [10] 62 2-5-8- رفتار چرخهای تیر ستونها 62 شکل 2-41 : رابطه استهلاک انرژی نسبت تنش برای بارگذاری چرخهای تیر-ستونها [10] 64 فهرست مراجع و منابع 65