چکیده

مطالعات پارامتریک با هدف بررسی مکانیزم خرابی اتصالات پاي ستون متداول در ایران، تحت اثر اندرکنش لنگر خمشی و برش انجام شده است. براي شبیهسازي از نرمافزار اجزاءمحدود ABAQUS استفاده و هر دو رفتار غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی مد نظر قرار میگیرد. بر اساس نتایج بدست آمده، به منظور افزایش سختی جانبی، افزایش ضخامت نبشی به جاي افزایش ضخامت کفستون، راهکار مناسب خواهد بود. دلیل این امر را میتوان کنترل بلندشدگی ستون در محل اتصال نبشی به ستون و کفستون دانست. همچنین در محدوده الاستیک، رفتار جانبی سازه، اکثراً با رفتار نبشی اتصال کنترل میگردد. این درحالی است که رفتار غیرالاستیک سازه با اندرکنش نبشی و صفحهستون کنترل خواهد شد. مطابق بررسیهاي انجام شده، به منظور بررسی دقیق رفتار اتصال، توصیه میشود که میزان نقص جوش گوشه در نحوه اتصال نبشی به صفحه ستون و ستون در مدلاجزا محدود وارد گردد

واژگان کلیدي: صفحهستون، مکانیزم خرابی، مدلاجزاءمحدود، اتصالات فولادي، سختی سازه.

.۱ مقدمه ش

یکی از مسائل مهم در بررسی رفتار لرزهاي سازههاي فولادي، تأثیر اتصالات بر رفتار کلی سازه میباشد. با توجه به استفاده متداول از اتصالات خمشی در قابهاي فولادي و تمرکز عمده خرابیهاي ناشی از زلزله در نزدیکی و یا خود این اتصالات، محققان به بررسی رفتار این اتصالات پرداخته و مدلهاي رفتاري مختلفی براي بررسی این اتصالات ارائه نمودهاند. به طورکلی، رفتار قاب خمشی به عملکرد و جزئیات اتصالات آن وابسته میباشد.[۱] اتصالات از جمله مهمترین بخشها در سازههاي فلزي هستند که در این میان، اتصال صفحهستون۱ یکی از مهمترین آنهاست.

اهمیت این اتصال بدلیل تأثیر قابل توجه آن بر رفتار کلی سازه و همچنین اندرکنش غیرخطی اجزاي تشکیلدهندهي آن خواهد بود. در مناطق لرزه-

خیز، عمدتاً از صفحهستون براي انتقال بار محوري، برش و لنگر خمشی از سازه به فونداسیون استفاده میشود. در شکل((۱ نمونهاي از این اتصال نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود، این اتصال شامل چند قسمت از جمله ستون، صفحهستون، بولتها۲، گروت۳ و پی بتنی۴ خواهد بود. در نتیجه، پاسخ این اتصالات (مقاومت و سختی) با اندرکنش بخشهاي مختلف آن کنترل میگردد.

-۱-۱ پیشینه تحقیقات ش

تحقیقات زیادي در مورد نحوه طراحی و بررسی اندرکنش اجزاي مختلف اتصالات صفحهستون انجام شده است. در این میان، مطالعات آزمایشگاهی ديولف و ساریسلی[۲]، تامبیراتنام و پاراماسیوام[۳]، بوردا و ایتانی[۴] و آستانه و برگسما[۵] منجر به گسترش روشهایی(براي مثال دریک و الکین([۶] براي تعیین مقاومت این اتصالات شد. در سال۱۹۹۰ انجمن فولاد آمریکا۵ گزارشی توسط دیولف و ریکر ارائه نمود. در این

Base Plate Anchor Rods Grout

Concrete Foundation American Institute of Steel Construction (AISC)

۱

۲

۳

۴

۵

١

پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور

۱۱، ۱۲ و ۱۳ شهریورماه ۱۳۹۳، دانشگاه ارومیه

گزارش به عنوان بخشی از راهنماي طراحی سازههاي فولادي آمریکا۶، خلاصهاي از اطلاعات مربوط به طراحی کفستونهاي تحت اثر بارمحوري و خمش گردآوري شده بود. بدلیل کمبود مطالعات آزمایشگاهی، این گزارش در بخش بارگذاري برشی داراي نواقصی بود. در سال ۲۰۰۶ ویرایش جدید راهنماي طراحی، توسط فیشر و کلیویبر ارائه گردید. در این راهنما اطلاعات جدیدي به منظور طراحی برشی ارائه گردید.[۷] به عبارتی تحقیقات مذکور با ارائه راهنماي طراحی سازههاي فولادي۷ توسط فیشر و کلویبر[۸] به اوج خود رسید.

ستون فولادي

کف ستون ( صفحه ستون )
گروت

پی بتنی

بولتها

شکل-۱ نمایی از اجزاي تشکیلدهنده اتصالات کفستون در سازه فولادي

مطالعات بعدي از جمله تحقیقات گومز و همکارانش[۹]، در جهت اصلاح روشهاي ارائه شده بود. ارموپولوس و استاماتوپولوس[۱۰]، سالمون و همکارانش[۱۱] و اخیراً کانویند و همکارانش[۱۲]، با درنظر گرفتن اندرکنش بین اجزاي مختلف این اتصالات، روشهاي تحلیلی جدیدي ارائه نمودند که با نتایج آزمایشگاهی تطابق قابل قبولی دارد. به منظور طراحی این اتصال، ابتدا باید نحوه توزیع تنش در زیر کفستون تعیین گردد. با دسترسی به اگوي خط تسلیم۸ و شدت تنش توزیع شده، با بکارگیري روشهاي مختلف تحلیل سازه، میتوان تنشهاي بحرانی در کفستون را محاسبه و بر اساس آن، به طراحی کفستون اقدام نمود. بهعبارتی یکی از پارامترهاي مهم طراحی, حداکثر تنش و نحوه توزیع کلی تنش در زیر کفستون خواهد بود.

مطابق شکل((۲، در مطالعات مذکور، روشهاي تعیین مقاومت، مبتنی بر فرض توزیع ثابت و یا خطی تنش در زیر کفستون بوده و از طرفی، در این مطالعات، مد خرابی در صفحه ستون فرض شده است (شکل و موقعیت خط تسلیم). این توزیع تنش و مد خرابی، به وسیله اندرکنش پیچیده بین اجزاي مختلف اتصال، از جمله لغزش و تماس و همچنین رفتار غیرخطی گروت، بتن و فولاد کنترل میشود. به عنوان مثال، مطابق بررسیهاي ارموپولوس و استاماتوپولوس[۱۰]، توزیع تنش در زیر صفحه ستون، نسبت به پارامترهایی مانند ضخامت ورق و همچنین نسبت سختی ورق به مصالح زیر صفحهستون بسیار حساس خواهد بود. همچنین بررسی این محققین نشان میدهد که در صفحات ضخیم، تمرکز تنش در زیر پنجه ورق۹ میباشد، این در حالی است که در صفحات نازکتر، توزیع تنش به صورت یکنواختتر خواهد بود. با وجود این مشاهدات، تمامی روشهاي طراحی( مانند دریک و الکین[۷]، فیشر و کلویبر( [۸] با سادهسازيهایی، به بررسی توزیع تنش میپردازند که هیچکدام از این روشها با تغییر ضخامت صفحه تغییر نمیکنند. مشابه توزیع تنش، الگوي خط تسلیم و مقاومت آن نسبت به ابعاد ورق و نحوه چیدمان بولتها حساس میباشد، این در حالی است که در استانداردهاي طراحی، عموماً، فرض بر موازي بودن خط تسلیم با بال ستون میباشد. احتمالاً این فرضها، بدلیل سادهسازي طراحی و عدم وجود روش دقیق در اندازهگیري توزیع تنش خواهد بود.

۶ AISC’s Steel Design Guide Series 1 7 American Institute of Steel Construction’s Steel Design Guide 8 Yield Line Pattern 9 Toe of the Plate

٢

پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور

۱۱، ۱۲ و ۱۳ شهریورماه ۱۳۹۳، دانشگاه ارومیه

شکل-۲ توزیع خطی و یکنواخت تنش در زیر صفحه ستون ش

-۲-۱ اهداف پژوهش

مطالعات پارامتریک با هدف بررسی مکانیزم خرابی اتصالات متداول در ایران، تحت اثر اندرکنش لنگر خمشی و برش انجام میشود. مطابق بخش۱، توزیع تنش در زیرصفحهستون، به اندازه قطعات اتصال از جمله اندازه ورق و ستون حساس میباشد. بنابراین مشاهده رفتار دقیق سازه با مدل مقیاس شده، قابل قبول نخواهد بود. بدین منظور در این پژوهش از روش اجزاءمحدود و شبیهسازي کامل اجزاي اتصال به بررسی رفتار کف ستون پرداخته میشود. پس از طرح و معرفی مدلها، نمودار بار تغییرمکان و همچنین رفتار اجزاي اتصال در نمونههاي مختلف با هم مقایسه شده و تأثیر ضخامت اجزاء بر مکانیزم خرابی بررسی میگردد. شبیهسازي و تحلیل با استفاده از نرمافزار[۱۳] ABAQUS V.6.10 انجام خواهد شد. قابل ذکر است که در این پژوهش، هر دو رفتار غیرخطی مصالح۱۰ و غیرخطی هندسی۱۱ مدنظر قرار گرفته است.