تحقیق مقاله ترمیم و مقاوم سازی ساختمان

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 :

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 .

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 . [5]. 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 .

2. 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 . [5] .

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 50% 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 پیچشی بال تیر و ...) [6و3].

در مدل های استفاده شده در این مقاله از میزان برش 50% استفاده شده است . یعنی میزان C=0.25bf مورد استفاده قرار گرفته است . مقادیر برش و ابعاد a,b,c,R در جدول (1)موجود می باشد .

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 . [8] در این آزمایشات از زیر سازه صلیبی شکل (شکل 1 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 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 (50 Ksi) 345 MPa می باشد و حد نهایی مقاومت دینامیکی برابر با (65/5 Ksi) 452MPa می باشد . دو مدل از آزمایشات صورت گرفته دارای اتصال RBS و با کاهش مقطع 50% 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 2440mm 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 (2و3) 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 .

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 .