اتصال خورجيني و ضرورت تغيير در نگرش‌ها

چكيده:
سرعت، سهولت اجرا و صرفه‌جويي اقتصادي ناشي از به كارگيري اتصالات خورجيني باعث شده است كه اين اتصال به صورت فراگيري در سازه‌هاي معمولي كشور ما مورد استفاده قرار گيرد بدون اينكه ضوابط طراحي و آئين‌نامه‌اي خاصي براي آن در نظر گرفته شده باشد. تفاوت اصلي اين اتصال با انواع ديگر ،در عدم اتصال تير به ستون به صورت هم‌محور مي‌باشد كه اين امر باعث پيچيدگي نحوه انتقال لنگر در اين نوع اتصال مي‌گردد. به همين علت با وجود تحقيقات به نسبت زيادي كه روي اين اتصال انجام گرفته است، تا كنون صنعت ساختماني كشور نتوانسته است به نتيجه‌گيري واحدي دربارة اين اتصال دست يابد.

براي بررسي چگونگي تغيير خواص مقاومتي و رفتاري اين اتصال در اثر مواردي مانند تغيير طول نبشي‌ها، تغيير مقطع تيرها، تغيير كيفيت جوشكاري و تغيير در مشخصات نشيمن اتصال و مهمتر از آن بدست آوردن معياري براي تعيين نقطة شكست اين اتصال براي استفاده در آناليزهاي تاريخچه زماني غير خطي لازم بود كه با آزمايشاتي چرخش شكست اتصال و ديگر پارامترهاي مهم اين اتصال مشخص شود. بر اين اساس شش آزمايش روي نمونه‌هايي از اتصال خورجيني انجام گرديد كه نتايج آزمايشات در اين مقاله مورد بررسي و جمع‌بندي قرار گرفته است.

۱- مقدمه:
در هر سازه اتصالات آن يكي از مهمترين اجزاء سازه مي‌باشند كه در طراحي و اجرا بايد در مورد آنها توجه و مراقبت كافي صورت بگيرد. يكي از انواع اتصالات كه در ايران بسيار مورد استفاده قرار مي‌گيرد اتصالات خورجيني مي‌باشد. تفاوت اصلي اين اتصال با انواع ديگر ،در عدم اتصال تير به ستون به صورت هم‌محور مي‌باشد كه اين امر باعث پيچيدگي نحوه انتقال لنگر در اين نوع اتصال مي‌گردد.به همين علت با وجود تحقيقات به نسبت زيادي كه روي اين اتصال انجام گرفته است، تا كنون صنعت ساختماني كشور نتوانسته است به نتيجه‌گيري واحدي از اين اتصال دست يابد. اين مقاله به شرح نتايج آزمايشاتي مي‌پردازد كه اين آزمايشات قسمتي از تحقيقي است كه در دانشگاه صنعتي شريف درباره رفتار و مشخصه‌هاي اصلي اين اتصال و سازه‌هاي داراي اين اتصال انجام گرديده است [۱].

۲- اتصال خورجيني
در اتصالات خورجيني تيرهاي اصلي قاب‌ها به صورت يكسره از كنار ستون‌هاي يكسره عبور كرده، روي نبشي‌هاي نشيمن سوار مي‌شوند. در تحقيقاتي كه تا كنون روي اين اتصال انجام گرديده، ديده شد كه درصد گيرداري در اين اتصالات در محدوده‌اي قرار دارد كه مي‌توان آنها را در دسته اتصالات نيمه‌صلب قرار داد.
اتصالاتي با درصد گيرداري بيش از ۹۰ درصد در رده گروه اتصالات صلب و كمتر از ۲۰درصد در رده اتصالات ساده و با درصدهاي گيرداري بين اين دو مقدار در رده اتصالات نيمه‌صلب قرار مي‌گيرند[۲].
به طول كلي در اتصالات نيمه‌صلب رفتار و مشخصات مقاومتي اتصال بستگي به نوع و جزئيات اتصال و نحوه اجراي آن دارد. اين مسأله در اتصالات خورجيني بسيار نمايان‌تر مي‌باشد به طوري كه طول نبشي، ضخامت جوش، شماره مقطع تير، شماره نبشي، نحوه جوشكاري و تغييراتي كه در اجراي اين اتصالات داده مي‌شود همگي مي‌توانند در تغيير رفتار اين اتصال مؤثر باشند. نحوه انتقال لنگر در اين اتصال فرمي پيچيده دارد و با موارد بالا تغيير پيدا مي‌كند.در تحليل‌هايي كه روي اين اتصال انجام گرفته است، ديده شد كه در نقاطي از اين اتصال شاهد تمركز تنش زيادي هستيم كه همين تمركز تنش باعث ترد‌شكني اتصال مي‌گردد[۳]. اين تمركز تنش باعث مي‌شود كه ديگر نتوان با فرضيات رايج در طراحي اتصالات ، به طراحي جوش‌ها و بررسي وضعيت تنش در نقاط مختلف اين اتصال پرداخت. با وجود اينكه در رابطه با رفتار اتصالات خورجيني در زلزله‌ها اشكالات فراواني وجود دارد و هنوز شيوه‌اي مناسب براي طراحي اين اتصال پيشنهاد نگرديده است،

در آئين‌نامه ۲۸۰۰ ايران استفاده از اين اتصال همراه با فرض قاب ساده ساختماني براي اين نوع قاب‌ها و قراردادن ضريب ۶=R ، مجاز شمرده شده است[۴]. سئوال اساسي اين است كه آيا با فرض موارد ذكر شده و طراحي و مهاربندي مناسب سازه‌ها در برابر زلزله، آيا هيچ تضميني وجود دارد كه اين اتصالات سالم باقي بمانند و دچار شكست نگردند؟ .يا اينكه ممكن است با وجود طراحي صحيح و جوابگو بودن عناصر اصلي ديگر سازه و حتي كنترل شدن جابجائي‌ها، اتصالات مقاومت لازم را نداشته باشند و دچار شكست شوند.

براي جواب به اين سئوال با توجه به نبود اطلاعات كافي در اين زمينه، ابتدا لازم بود كه آزمايشاتي انجام شود و در اين آزمايشات مواردي مانند نحوه شكست اتصال و مشخصات مقاومتي اتصال به دست آيد. اما مهمترين پارامتري كه بررسي شد لحظه وقوع اولين ترك در جوش‌هاي اتصال و نقطه وقوع اين ترك بود. با توجه به بارهاي رفت و برگشت و ديناميكي زلزله مي‌توان گفت كه با وقوع ترك در جوش اتصال، اين ترك به سرعت گسترش مي‌يابد و باعث از دست رفتن مقاومت اتصال مي‌گردد. ضعف بزرگ اين اتصال در اينجاست كه

نبشي‌هاي پائين، هم وظيفه انتقال لنگر را بر عهده دارند و هم وظيفه انتقال بار قائم سقف ستون‌ها. در صورتي كه اين ترك در نبشي پائين اتفاق بيافتد باعث از دست رفتن مقاومت اتصال در برابر بارهاي قائم نيز خواهد شد و بنابراين سقف فرو خواهد ريخت.

بنابراين چرخشي كه در آن چرخش اولين ترك در اتصال رخ مي‌دهد را مي‌توان به چرخش شكست اتصال تعبير كرد و اين چرخش را به عنوان معياري براي بررسي وضعيت اتصال در آناليزهاي تاريخچه زماني سازه‌ها به كار برد. در اين صورت قادر به يافتن جواب سئوال مطرح شده در بالا نيز خواهيم بود.
۳- شرح نمونه‌هاي آزمايشي:
آرايش (setup) آزمايش‌ها مطابق شكل (۱) انتخاب گرديد. در اين آرايش بار به صورت افزايشي به انتهاي تير وارد مي‌گردد و ايجاد نيرو و لنگر در اتصال مي‌كند.در تصوير (۱) نيز اين آرايش مشخص است.

شكل (۱) : نحوة انجام آزمايشات تصوير (۱) : نحوة انجام آزمايشات
تعداد ۶ نمونه اتصال خورجيني طبق مشخصات جدول (۱) براي آزمايش انتخاب گرديد.
با اندازه‌گيري ميزان چرخش مركز اتصال و لنگر خمشي حاصل از نيروي جانبي منحني لنگر-چرخش هر اتصال ترسيم مي‌گردد. چرخش اتصال، متوسط دوران دو سمت اتصال و لنگر آن حاصلضرب نيروي افقي در فاصله نيرو تا اتصال مي‌باشد. با اين آزمايشات علاوه بر نحوه شكست، چرخش شكست هر اتصال، منحني لنگر-چرخش هر اتصال، تأثير مواردي مانند تغيير طول نبشي، تغيير مقطع تير، تغيير كيفيت جوش و به كارگيري ورق به جاي نبشي نيز بررسي مي‌گردد.
جدول)۱( : مشخصات نمونه هاي مورد آزمايش

نمونه شمارة نيمرخ تير طول نبشي(cm) نوع نبشي كيفيت جوش توضيحات
S1 18IPE 20 10*100*100 متوسط –
S2 18IPE 20 10*100*100 خوب –
S3 18IPE 10 10*100*100 خوب –
S4 16IPE 20 10*100*100 خوب –

S5 18IPE 20 10*105*200 بد از ورق به جاي نبشي استفاده شد
S6 16IPE 20 10*100*100 متوسط ۴٫سانتيمتر از بال آن بريده شد

در نمونه S5 از ورق‌هايي به ضخامت يك سانتيمتر به جاي نبشي‌ها استفاده گرديد و اين ورق‌ها
توسط جوش شياري به ستون متصل گرديد. در نمونه S6 4 نمونه از بالي از نبشي كه به تير متصل است كوتاه گرديده است. نامگذاري نقاط مختلف نبشي‌ها به صورت شكل (۲) مي‌باشد.

در تمام نمونه‌ها به جز خطوط AL ، KD، HI، EG ، بقيه قسمت‌هاي نبشي جوش داده شده است.

۴-نتايج حاصل شده از آزمايشات:
شكل (۳) منحني‌هاي لنگر- دوران نمونه‌هاي آزمايشي را همراه با خط تير براي مقاطع ۱۸ با طول دهانه ۴ متر نشان مي‌دهد. در جدول (۲) نيز نتايج آزمايشات و درصد گيرداري هر اتصال آورده شده است. شيب اوليه منحني لنگر-دوران به عنوان سختي اوليه دوراني اتصال محاسبه شده است.

با بررسي چرخش ترك خوردگي نمونه ها ،چرخش ۰۱/۰ راديان به عنوان چرخش شكست اتصال به دست آمد .نحوة شكست اتصال به اين صورت بود كه در تمام نمونه‌ها ابتدا جوش كنج نبشي پائين به ستون دچار ترك‌خوردگي مي گردد (نقطه H يا E ). سپس جوش كنج نبشي بالا به ستون ترك خواهد خورد. (نقطه D ياE).با افزايش نيرو ترك‌ها شروع به باز شدن مي كنند و اتصال مقاومت خود را از دست ميدهد. در صورت افزايش زياد چرخشها ،جوش‌هاي افقي بال نبشي به بال تير نيز دچار ترك مي‌گردد.

شكل (۳) منحني‌هاي لنگر- دوران نمونه‌هاي آزمايشي

جدول (۲) : خلاصة نتايج آزمايشات روي نمونه هاي اتصال خورجيني
درصد گيرداري لنگر ترك خوردگي
)ton.m( چرخش ترك خوردگي(راديان) ظرفيت خمشي نهايي
)ton.m( سختي اوليه
(ton/m) نمونه
۵/۷۶ ۲۶/۶ ۰۱۰۶/۰ ۷۹/۷ ۱۳۰۴ S1
8/78 14/7 011/0 8/7 1472 S2
48 1/3 0155/0 27/3 462 S3
93/82 13/7 0117/0 96/7 1248 S4
83 76/5 055/0 25/7 2052 S5
85 8/7 01/0 8 1260 S6

۵- نتيجه‌گيري
– چرخش برابر ۰۱/۰ راديان به عنوان چرخش شكست اتصالات خورجيني (با نحوه اجرائي مشابه نمونه‌هاي آزمايشي)، به دست آمد.
– تغيير طول نبشي مهمترين عامل اثرگذار در تغيير خواص يك اتصال خورجيني مي‌باشد.
– با افزايش طول نبشي، سختي اوليه و مقاومت نهايي يك اتصال افزايش و چرخش شكست اتصال كاهش مي‌يابد. با توجه به اينكه لنگر نهايي ۴ تير با نيمرخ‌هاي IPE12 از دو تير با نيمرخ‌هاي IPE16 بيشتر است مي‌توان نتيجه‌گرفت كه در اتصالات خورجيني تقويت نشده در ستون‌هاي مياني، لنگر نهايي تيرها از مقاومت نهايي اتصال بيشتر است. بنابراين امكان شكست اين اتصالات در صورت چرخش بيش از ۰۱/۰ راديان اتصال، حتي با وجود مهاربندي مناسب سازه وجود دارد.

– در اتصالاتي كه لنگر نهايي تيرها از مقاومت اتصال بيشتر است با افزايش مقطع تير لنگر نهايي اتصال افزايش نخواهد يافت. با اين حال سختي اوليه اتصال افزايش پيدا مي‌كند.
– با تغيير كيفيت جوش از قابل قبول به خوب، سختي اوليه اتصال مقداري افزايش يافت ولي در لنگر نهايي اتصال تغييري حاصل نشد.
– با كوتاه شدن عرض بال نبشي سختي اوليه و لنگر نهايي اتصال،كمي افزايش يافت.

– با وجود كيفيت نامناسب جوش در نمونه S5 ، به كارگيري ورق باعث افزايش سختي اتصال به ميزان قابل ملاحظه‌اي ‌گرديد. در مورد لنگر نهايي اتصال به علت كيفيت جوش هنوز نمي‌توان اظهار نظر كرد اما مي‌توان انتظار داشت كه با جوشكاري صحيح مقاومت نهايي اين نوع اتصال بيش از نمونه هاي معمول گردد. به دليل اينكه سيستم انتقال لنگر در اين حالت پيچيدگي كمتري دارد و اين انتقال مناسب‌تر صورت مي‌گيرد، مي‌توان انتظار داشت كه تمركز تنش كمتري در اين اتصال داشته باشيم و در نتيجه رفتار اين اتصال بهبود يابد.

مراجع:
۱- مؤيد علائي، علي: تقويت لرزه‌اي سازه‌هاي اتصال خورجيني، پايان‌نامه كارشناسي ارشد به راهنمايي دكتر حسن مقدم، دانشگاه صنعتي شريف،‌ ۱۳۷۹٫
۲- دفتر نظامات مهندسي، مقررات ملي ساختمان ايران، مبحث دهم: طرح و اجراي ساختمان‌هاي فولادي، شركت چاپ خواجه‌، ۱۳۷۴٫
۳- صادقيان، پدرام: اتصالات خورجيني، رساله كارشناسي ارشد به راهنمايي دكتر حسن مقدم، دانشگاه صنعتي شريف، ۱۳۷۸٫
۴- آئين‌نامه طرح ساختمان‌ها در برابر زلزله‌، استاندارد ۲۸۰۰، ويرايش دوم، مركز تحقيقات ساختمان و مسكن، ۱۳۷۶٫
۵- Salmon, C.G. and Johnson, J.E. , steel structures Design and behavior, Harper & Row, NewYork, 1980.