مقاوم سازی ساختمان های فلزی موجود با کاهش مقطع بال

چکیده :
قبل از زلزله نر تریج ، تصویر بر این بود که سازه های دارای قاب خمشی فولادی دارای رفتار مناسبی در هنگام وقوع زلزله می باشند ، اما پس از وقوع زلزله نر تریج بر اثر تحقیقات ، مشخص شد که بیشتر اتصالات بعلت ترک خوردگی جوش بدون داشتن شکل پذیری مناسب دچار شکست صلب شده بود . برای جلوگیری از ترک خوردگی جوش و در نتیجه شکس ترد اتصال ، می توان از دو روش عمده بهره جست . یکی تقویت اتصال ر ناحیه اتصال تیر به ستون می باشد . مشکل عمده این روش ازایش لنگر وارده به ستون است . ر.ش دوم ، تضعیف تیر در ناحیه نزدیک اتصال می باشد . در این روش میزان کاهش مقطع به حدی است که باعث انتقال مفصل پلاستیک از بر ستون به داخل تیر می شود . این بدان علت است که بال پایینی معمولا در دسترس بوده و در داخل دال بتنی قرار ندارد . در این مقاله با استفاده از نرم ازار ANSYS به بررسی این مدلها پرداخته شده است .
کلید واژ ه ها : اتصال RBS ، اتصال SMF ، مفصل پلاستیک ، منحنی هیسترسیس ، چشمه اتصال

مقدمه :
پس از زلزله نر تریج ، خرابیهای بسیاری در سازه های فولادی که دارای قاب خمشی فولادی ویژه بودند رخ داد . این خرابیها نشان دهنده ضعف این سیستم در برابر زلزله بود . در صورتیکه تا پیش از زلزله نر تریج تصور بر آن بود که سازه های دارای قاب خمشی ویژه دارای رفتار بسیار مناسبی در هنگام وقوع زلزله می باشد . اما مشاهده شد که عدم توجه به نحوه تشکیل مفصل پلاستیک باعث تشکیل مفصل پلاستیک در بر ستون گشته و در نتیجه تمرکز تنش زیادی در انتهای تیر و در ناحیه اتصال تیر به ستون ایجاد شده و بالطبع تمرکز کرنش در این ناحیه ایجاد می شود . با توجه به این نکته که جوش متصل کننده بال تیر به بال ستون دارای رفتار ترد و شکننده می باشد و قادر به تحمل کرنشهای بالا نمی باشد ، در نتیجه این جوشها بر اثر نیروی زلزله اعمال شده دارای شکستگی شده و بعث جدا شدن تیر از ستون می شود .
در نتیجه به علل ذکر شده در بالا قابهای خمشی ویژه (که با روابطی که در آیین نامه های قبل از زلزله نر ریج بیان شده بود طراحی شده بود) رفتار خوبی از خود نشان نداد . حتی اسختمان هایی که برای استفاده بی وقفه و با کیفیت مناسب طراحی شده بودند نیز نتوانستند در برابر زلزله مقاومت کنند و آسیب دیدند .

با توجه به استفاده فراوان از قابهای خمشی فولادی در طراحی های لرزه ای سازه ها ، و با توجه به این نکته که این سازه ها بر اساس ضوابط و آیین نامه هایی طراحی شده است که ضوابط مربوط به نحوه تشکیل مفصل پلاستیک و نحوه گسترش آن را مورد بررسی قرار نداده اند ، در نتیجه پس از زلزله نر تریج تحقیقات به سمت افزایش شکل پذیری اتصالات صلب پیش رفت و به طور کلی اتصالات پس از زلزله نر تریج (Post-Northridge) شکل گرفت . در این اتصالات هدف به طور عمده انتقال مفصل پلاستیک به داخل یر و به یک فاصله معین از بر ستون می باشد . بگونه ای که با دور ساختن مفصل پلاستیک از بر ستون ، باعث کاهش تمرکز کرنش بوجود آمده در ناحیه جوش می شوند و در نتیجه باعث کاهش در میزان ترک خوردگی جوش و بالطبع کاهش شکست ترد در اتصال می شوند . روش های متعددی برای انتقال مفصل پیشنهاد گردید . در حالت کلی این روشها به دو دسته عمده تقسیم می شود :

۱٫ یکسری از اتصالات (Post-Northridge) بگونه ای طراحی شده اند که با افزودن اجزایی به اتصال باعث افزایش مقاومت تیر در ناحیه اتصال شده و در نتیجه باعث کاهش تنش در اتصال می شود . و در نتیجه باعث انتقال مفصل پلاستیک بداخل تیر می شود . همچنین با مقاومتر کردن اتصال از چرخش اجزای اتصال نسبت به هم (تیر نسبت به ستون) جلوگیری می کنند که در نتیجه تنش کمتری در ناحیه جوش ایجاد می شود . استفاده از ماهیچه (Haunch) و با پشت بند (Rib) و … از این دسته اند .
۲٫ در روش دوم با کاهش مقاومت تیر در بخشهای مشخص از تیر ، باعث تضعیف تیر در یک ناحیه مشخص و از پیش تعیین شده گشته که در نتیجه مفصل پلاستیک در این ناحیه تشکیل می شود . و از بر ستون به داخل تیر منتقل می شود . انواع اتصالات RBS از این دسته اند .

برای مقاوم سازی از هر دو روش می توان بهره جست . هر کدام از این دو روش دارای مزایا و معایبی هستند که قبل از انتخاب دیتیل برای بهسازی لرزه ای اتصال باید به طور کامل به بررسی آنها پرداخت . در اینجا به بررسی یکی از دیتیلهای مقاومسازی اتصال در قاب خمشی ویژه فولادی پرداخته می شود .
همانگونه که قبلا ذکر گردید برش بال تیر یکی از روش های مقاوم سازی اتصالات می باشد . برش بال تیر در ناحیه نزدیک ستون و در یک فاصله مشخص و با دیتیل مشخصی صورت می پذیرد .
این نوع اتصال در دنیا با نام RBS و یا Dogbone و در ایران به نام اتصال استخوانی شناخته می شود . ازمایشات متعددی بر روی این اتصال صورت پذیرفته و روابط برش و دیتیل آن در FEMA موجود می باشد . [۵]. اتصال RBS دارای انواع مختلفی می باشد . این اتصال دارای سه نوع دیتیل متداول می باشد . در اینجا به بررسی اتصال RBS دارای برش شعاعی پرداخته شده است .

۲٫ روند طراحی اتصال RBS :
برای طراحی اتصال RBS با برش شعاعی از روابط پیشنهادی FEMA استفاده می شود.
بگونه ای که a.,b,c,R بترتیب برابر با شعاع برش و میزان برش حداکثر و طول برش و فاصله ابتدای ناحیه بریده شده تا بر ستون می باشد . همچنین bf و d به ترتیب برابر با عرض بال تیر و ارتفاع مقطع تیر می باشد . [۵] .
نکته قابل توجه اینکه بعلت عدم دسترسی به بال پایینی تیر که معمولا در دال بتنی مدفون می باشد و تخریب دال و برش بال بالایی بسیار پر هزینه می باشد ، در نتیجه معمولا برای بهسازی اتصالات قاب خمشی موجود ، از اتصال RBS در بال پایینی استفاده می شود . مشخصات برش در این حالت همانند زمانی است که هر دو بال دارای بریدگی هستند . بر اساس تمهیدات FEMA ، حداکثر میزان کاهش مقطع برابر با ۵۰% می باشد که در اینجا نیز حداکثر کاهش به همین میزان محدود می شود . برشهای بیشتر از این مقدار می تواند مشکلات دیده ای را برای پایداری تیر فراهم سازد . (کمان جان تیر، کمانش جانبی ـ پیچشی بال تیر و …) [۶و۳].
در مدل های استفاده شده در این مقاله از میزان برش ۵۰% استفاده شده است . یعنی میزان C=0.25bf مورد استفاده قرار گرفته است . مقادیر برش و ابعاد a,b,c,R در جدول (۱)موجود می باشد .

۳٫ آزمایشات صورت پذیرفته :
یکی از ازمایشاتی که به منظور بهسازی لرزه ای اتصالات صلب فولادی با استفاده از کاهش مقطع بال صورت پذیرفته ، توسط Scott A. Cibjan & Engelhardt می باشد . [۸] در این آزمایشات از زیر سازه صلیبی شکل (شکل ۱ـ ب) استفاده شده است . تیر در این مدل از نوع فولاد A36 می باشد و دارای مقطع W30x99 می باشد . ستون دارای مقطع W12x279 بوده و با فولاد A572 Grade 50 می باشد . انتخاب مقطع و طول دهانه ها به گونه ای بود که زیر سازه انتخاب شده بتواند شرایط تیر و ستون ها متداول مصرفی در ساختمان (نوع مقطع ، نوع فولاد مصرفی ، طول دهانه تیر و طول ستون) را مدل نماید . همچنین قانون تیر ضعیف ـ ستون قوی نیز رعایت شده است . ابتدا اتصال به صورت اتصاات قبل از زلزله نر تریج طراحی و ساخته شد و سپس بهسازی اتصال بر روی اتصال موجود صورت پذیرفت . عملیات جوشکاری در این نمونه ها توسط الکترود E70T-4 (47/7 Ksi) می باشد و مقاومت جاری شدگی دینامیکی آن برابر با (۵۰ Ksi) 345 MPa می باشد و حد نهایی مقاومت دینامیکی برابر با (۶۵/۵ Ksi) 452MPa می باشد .

دو مدل از آزمایشات صورت گرفته دارای اتصال RBS و با کاهش مقطع ۵۰% در بال پایینی می باشد . (DB1,DB2) . در مدل DB1 ، جوش متصل کننده بال تیر به جان ستون تعویض نشده و دارای شرایط اتصال قبل از زلزله نر تریج می باشد و تنها تسمه پشت بند برداشته می شود . در مدل DB2 جوشهای متصل کننده بال تیر به ستون که با الکترود E70-T-4 صورت رگفته بود ، کاملا برداشته شده و عملیات جوشکاری توسط الکترود E70T-8 صورت می پذیرد . همچنین در بال پایینی تسمه پشت بند برداشته می شود . اما در بال بالایی این تسمه برداشته نشده و توسط جوش نواری به ستون جوش داده می شود . تفاوت دیگری که دو مدل DB1 و DB2 دارند ، وجود دال بتنی به عرض ۲۴۴۰mm بر روی مدل DB2 می باشد که به علت بررسی اثر دال بتنی بر روی روند مقاومسازی می باشد . تعداد و نحوه گسترش برشگیرها نیز همانند ساختمان های متعارف موجود می باشد . منحنی های هیسرسیس و شکل مدلها پس از آزمایش در شکل (۲و۳) مشخص است.

بر اساس نتایج به دست آمده برای نمونه DB1 مشخص شد که ایجاد اتصال RBS در مدل DB1 دارای تاثیر زیادی در افزایش شکل پذیری اصتال نمی باشد . در صورتیکه در نمونه DB2 شکل پذیری به میزان قابل توجهی افزایش می یابد . این تغییر در رفتار دو مدل می تواند به دو علت باشد .
اولا : در مدل DB1 بعلت استفاده از الکترود E70T-4 که دارای فلز جوش با سختی و چقرمگی کم (Low Toughness weld metal) می باشد ، جوش در مراحل اولیه بارگذاری گسیخته می شود . در صورتیکه مدل DB2 که در آن تیر توسط جوش با الکترود E71T-8 که دارای فلز جوش با سختی و چقرمگی زیاد (High Toughness wld metal) می باشد صورت پذیرفته است .
ثانیا : در مدل DB2 بعلت وجود دال بتنی و تاثیر آن در مقاومت اتصال ، میزان چرخش به دست آمده بسیار بیشتر از نمونه DB1 می باشد . همچنین افزودن دال بتنی ابعث کاهش میزان کرنش در بال بالایی تیر می شود که نشاندهنده اثر مثبت دال بر روی رفتار لرزه ای اتصال می باشد . همچنین در این تحقیق مشخص شد که دال بتنی تاثیر مهمی بر روی رفتار کلی بال پایینی تیر ندارد . 

۴٫ مدلسازی اتصال :
با توجه به اینکه مقاطع مورد آزمایش در SAC و FEMA و سایر منابع موجود همگی مقاطع با ارتفاع زیاد برای تیر می باشند و در ایران از این مقاطع استفاده نمی شود ، بررسی تاثیر روش مقاومسازی مطرح شده در بالا بر روی پروفیلهای متداول در ایران ضروری به نظر می رسد .
در نتیجه در اینجا به بررسی تاثیر ایجاد اتصال RBS در بال پایینی بر روی رفتار لرزه ای اتصال توسط نرم افزار ANSYS پرداخته شده است . برای مقطع تیر از پروفیل IPE330 و برای مقطع ستون از پروفیل IPB260 استفاده شده است . همچنین طراحی به گونه ای صورت گرفته که چشمه اتصال در حالت بالانس باشد و در نتیجه از دو ورق مضاعف به ضخامت ۱cm استفاده شده است .
(ظرفیت چشمه اتصال متناسب با ظرفیت پلاستیک تیر باشد) . همچنین از ورق پیوستگی نیز در مدلسازی استفاده شده است . دو مدل ، یکی دارای اتصال SMF می باشد و دیگری توسط برش در بال پایینی مقاومسازی شده است . هر دو مدل توسط اتصال مستقیم بال و دیگری توسط برش در بال پایینی مقاومسازی شده است . هر دو مدل توسطا تصال مستقیم بال تیر به ستون طراحی شده و مدل شده اند . همچنین در مدل سازی ورقهای منتقل کننده برش از جان تیر به ستون نیز مد نظر قرار گرفته است و طراحی شده است . [۲].

برای مدلسازی از المان صفحه ای SHELL43 استفاده شد که دارای چهار گره می باشد و هر گره دارای شش درجه آزادی می باشد (سه درجه آزادی انتقالی و سه درجه آزادی دورانی) و دارای خواص غیر خطی و تغییر شکل بزرگ می باشد . با توجه به این نکته که در این زیر سازه تمرکز تنش و کرنش در ناحیه اتصال و چشمه اتصال می باشد از مش بندی ریز تری در این نواحی استفاده شد . سپس مدلها تحت بارگذاری سیکلیک قرار گرفتند . نمودار بارگذاری در شکل (۴ـ الف) مشاهده می شود . نحوه بارگذاری به گونه ای است که تغییر مکان به بالای زیر سازه صلیبی شکل وارد می شود . (شکل ۴ ـ ب) برای مدل کردن جوشهای گوشه که متصل کننده ورق برشی به جان تیر می باشد از المان SHELL43 استفاده شده است بگونه ای که ضخامت ورق متصل کننده به اندازه ضخامت گلوی جوش می باشد که دارای تقریب قابل قبول می باشد .
نحوه مدلسازی و مش بندی انجام شده در شکل (۵) مشخص است
.

۵٫ نتایج بدست آمده از تحلیل :
همانگونه که در شکل (۶) مشخص است ، منحنی لنگر ـ زاویه تغییر مکان جانبی داخلی (inter story drift angle) برای دو نمونه بدست آمده است . با توجه به این نمودار مشخص می شود که حداکثر لنگر وارده از طرف تیر در بر ستون در دو نمونه متفاوت می باشد . به گونه ای که برای اتصالم عمولی این میزان برابر با ۲۱/۱۵t.m می باشد . در صورتیکه این مقدار برای اتصال دارای برش در بال پایین برابر با ۱۹/۵۴t.m می باشد . با توجه به اینکه نکته که ظرفیت پلاستیک تیر برابر با ۱۹/۳t.m می باشد ، نسبت حداکثر لنگر وارده به ظرفیت مقطع برای اتصال smf و RBS بترتیب برابر با ۱/۱ و ۰۱/۱ می بشد .بعبارت دیگر افزودن اتصال RBS در بال پایینی باعث کاهش لنگر وارده به اتصال و در نتیجه کاهش نیروی برشی وارده به چشم هاتصال می شود . به گونه ای که نسبت لنگرها ۹۲/۰ می باشد . یعنی ۰۸/۰ کاهش در میزان لنگر وارده از ظرف تیر به ستون رخ داده است . همنین حداکثر تنش برشی در مدل مقاومسازی شده نسبت به مدل smf در چشمه اتصال و جان تیر به ترتیب ۰۴/۰ و ۱۳/۰ کاهش یافته است . (شکل شماره ۸). همانگونه که در شکل (۷) مشخص است . حداکثر تنش بدست آمده در مدل معمولی در تیر و در بر ستون می باشد . در صورتیکه این میزان برای تیر مقاومسازی شده در فاصله مشخص و از پیش تعیین شده می باشد و تاثیر برش بالا تیر بر روی نحوه گسترش مفصل پلاستیک بخوبی مشهود است .

۶٫ بحث و نتیجه گیری :
۱٫ با توجه به تجربیات زلزله های گذشته مقاومسازی اتصالات در قابهای خمشی که بدون توجه به نحوه تشکیل و گسترش مفصل پلاستیک طراحی و اجرا شده اند ضروری می باشد . اصولا مقاومسازی اتصالات معمولا با هدف انتقال مفصل پلاستیک به داخل تیر و به دو صورت امکان پذیر است . یکی افزودن اجزایی به اتصال تحت دیتیل خاص ، به گونه ای که باعث انتقال مفصل پلاستیک به یک ناحیه از پیش تعیین شده می شود . و دیگری بریدن بخشی از بال تیر که باعث کاهش ظرفیت تیر در آن ناحیه و هدایت مفصل پلاستیک به آن ناحیه می شود .
۲٫ با توجه به آزمایشات صورت پذیرفته در مقیاس واقعی مشخص شد که نحوه اتصال بال تیر به بال ستون و فلز جوش مورد استفاده می تواند دارای تاثیر بسیار زیادی در رفتار اتصال باشد و در صورتیکه طاقت فلز جوش تحت بارگذاری کم باشد (الکترود E70T-4) برش بال پایینی تیر و ایجاد اتصال RBS به تنهای نمی تواند باعث بهبود رفتار لرزه ای اتصال شود . درصورتیکه جوش مورد استفاده از نوع پر مقاومت (الکترود E71T-8) باشد ، آنگاه ایجاد برش در بال پایینی تیر می تواند باعث افزایش کارایی اتصال شود .

۳٫ همچنین مشخص شد که دال بتنی دارای تاثیر مثبتی دررفتار لرزه ای اتصال می باشد و باعث کاهش میزان کرنش در بال بالایی تیر می شود . و دال هیچگونه تاثیری بر روی روند گسترش مفصل پلاستیک و میزان کرنش در بال پایینی تیر ندارد .
۴٫ باتوجه به آنالیزهای صورت گرفته مشخص شد که این روند در پروفیلهای متداول در ایران نیز صادق می باشد و نحوه گسترش مفصل پلاستیک در مدلهای دارای اتصال RBS در بال پایین بسیار متفاوت با الت اتصال SMF می باشد . در اتصال مقاومسازی شده توسط برش بال تحتانی ، مفصل پلاستیک بخوبی بداخل تیر منتقل شده است و در نتیجه کرنش در جوش متصل کننده بال تیر به ستون کاهش یافته و خطر شکست ترد کمتر می شود . در اتصالات مقاومسازی نشده لنگر بیشتری به ناحیه اتصال و چشمه اتصال وارد می گردد . البته شایان ذکر است در مدلهای آنالیز شده طراحی اولیه با فرض رعایت وارد می گردد . البته شایان ذکر است در مدلهای آنالیز شده طراحی اولیه با فرض رعایت کامل ضوابط مربوط به تیر ضعیف ـ ستون قوی می باشد . همچنین مقاومت چشمه اتصال وارد می گردد . البته شایان ذکر است در مدلهای آنالیز شده طراحی اولیه با فرض رعایت کامل ضوابط مربوط به تیر ضعیف ـ ستون قوی می باشد . همچنین مقاومت چشمه اتصال در حالت تعادل با ظرفیت خمشی تیر می باشد . بدیهی است در صورت تغییر در مقاومت چشمه اتصال میزان چرخش پلاستیک تیر و همچنین شکل پذیری سیستم ئ تاثیر ایجاد اتصال RBS در رفتار لرزه ای اتصال تغییر می نماید .

مراجع :
[۱] آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله ، استاندارد۲۸۰۰ ـ ویرایش سوم .
[۲] مقررات ملی ساختمان ، مبحث دهم : طرح و اجرای ساختمان های فولادی . ۱۳۸۴ .
[۳] . Civjan , S.A, Engelhardt, M.D., and Gross , J.L. “Retrofit of Pre-Northridge Moment Resisting Connections.” ASCE Journal of Structural Engineering . April 2000 . pp. 445-452.
[4]. Roeder C. , The state-of-the-art report on connection performance. FEMA 355d.
Washington , DC : Federal Emergency Management Agency , 2000 .
[5]. Federal Emergency Management Agency . , Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings. Report no . FEMA – ۳۵۰; ۲۰۰۰٫
[۶]. Chia-Ming Uang , Qi-song “Kent” Yu. Shane Noel , and John Gross, CYCLIC TESTING OF STEEL MOMENT CONNECTIONS REHABILITATED WITH RBS OR WELDED HAUNCH < JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING / JANUARY 2000 . pp.57-68.
[7]. AISC (1999). , Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (1997), Supplement No. 1 , American Institute of Steel Construction .

مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن
مسلح مقاومت بالا توسط ورقهای

ورق های FRP به سبب نسبت مقاومت به وزن بالا ، مقاومت در برابر خوردگی و مواد شیمیایی ، مقاومت در برابر خستگی ناشی از بارگذاریو همچنین نصب سریع در چند سال اخیر جهت امر بهسازی و ترمیم سازه ها خصوصا سازه های بتنی به دشت مورد توجه قرار گرفته اند . لایه های FRP با وزنی معادل ۲۰% وزن فولاد غالبا مقاومتی در حدود ۲ تا ۱۰ برابر فولاد از خود نشان می دهند که وجود این خاصیت سبب استفاده گسترده از الیاف فوق در صنایع گوناگون گردیده است . سالهای زیادی است که از الیاف FRP در صنایع هوا فضا استفاده می گردد اما در گذشته بهای نسبتا سنگین این الیاف سبب گردیده بود که استفاده از آنها در صنعت ساختمان ناچیز و محدود باشد لیکن امروزه به دلیل گسترش تولید این مواد و به طبع آن کاهش بهای آنها و همچنین به سبب برتری های خاص این الیاف ، میت وان توجیه ماسب اقتصادی برای استفاده از آنها ارائه نمود .
با توجه به نو پا بودن این تکنیک تقویت ، از اواسط دهه نود فعالیت های گسترده ای بر روی بررسی رفتار این پلیمرها در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی به وسیله چسباندن این الیاف به ناحیه تحت کشش مقطع انجام شده است که همگی آنها بر بهبود رفتار مکانیکی افزایش مقاومت خمشی تیرهای تاکید دارند . [۵ـ۱].

جهت بررسی کامل تیرهای بتنی مقاوم سازی شده واضح است که علاوه بر جنبه های مقاومتی ، عملکرد اعضاء تحت شرایط بهره برداری نیز باید رضایت بخش باشند و این امر با تامین مقاومت کافی برای عضو خود به خود تحقق نمی یاید . در یک عضو که به روش مقاومت نهایی طرح شده است ممکن است تغییر مکان های ایجاد شده تحت بارهای بهره برداری بیش از اندازه بزرگ باشد به طوری که سبب آسیب رساندن به قسمت های غیر سازه ای شود و یا از سوی دیگر ، ترکهای ایجاد شده در تیرها ممکن است به اندازه ای بزرگ باشند که خوردگی آرماتورها را موجب شود و از نظر ظاهری نیز نا مطلوب باشد .
در این تحقیق آزمایشگاهی اثر ورقهای FRP در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن مسلح حاوی بتن با مقاومت بالا مورد بررسی قرار گرفته است . میزان آرماتور کششی و تعداد لایه FRP در ساخت نمونه ها و تقویت آنها به عنوان متغیر در نظر گرفته شده است . تعداد شش تیر بتنی دارای سطح مقطع ، طول و میزان میلگرد فشاری و برشی یکسان حاوی بتن با مقاومت بالا ، دارای آرماتور کششی برابر با و ساخته شده و تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفته و عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفته است . از شش نمونه ذکر شده دو نمونه بدون FRP به عنوان نمونه شاهد و چهار نمونه دیگر با یک و چهار لایه FRP مقاوم سازی شده اند .