مقاله ترمیم و مقاوم سازی ساختمان

این مقاله در مورد ترمیم و مقاوم سازی ساختمان های فولادی با تاکید بر اتصالات قاب خمشی و بهبود عملکرد لرزه ای سازه ها با روش های پیشرفته تحلیل و طراحی است.

چکیده :

قبل از زلزله نر تریج، تصور بر این بود که سازه های مجهز به قاب خمشی فولادی عملکرد مناسبی در برابر زلزله دارند، اما پس از این رویداد و با انجام مطالعات دقیق، مشخص شد که بسیاری از اتصالات به دلیل ترک خوردگی جوش و فقدان شکل پذیری کافی، دچار شکست صلب شده اند. برای جلوگیری از این ترک خوردگی و در نهایت شکست اتصال، دو راهکار اصلی پیشنهاد شده است.

راه اول، تقویت ناحیه اتصال تیر به ستون است که البته با افزایش لنگر وارده به ستون همراه است و این موضوع می تواند چالش هایی به وجود آورد. راه دوم، تضعیف تیر در ناحیه مجاور اتصال است، به گونه ای که کاهش مقطع تیر به حدی صورت گیرد که مفصل پلاستیک از ستون به داخل تیر منتقل شود. این انتخاب به دلیل دسترسی آسان به بال پایینی تیر که معمولاً درون دال بتنی قرار ندارد، مورد توجه قرار گرفته است.

در این مقاله، با بهره گیری از نرم افزار ANSYS، تحلیل و بررسی جامعی بر روی این مدل ها انجام شده است تا رفتار اتصالات تحت بارگذاری زلزله بهتر درک شود و راهکارهای بهینه تر برای افزایش ایمنی سازه ها ارائه گردد.

کلید واژ ه ها : اتصال RBS ، اتصال SMF ، مفصل پلاستیک ، منحنی هیسترسیس ، چشمه اتصال

مقدمه :

پس از زلزله نر تریج، خسارات گسترده ای به سازه های فولادی با قاب خمشی ویژه وارد شد که نشان دهنده ضعف این نوع سیستم ها در برابر نیروهای زلزله بود. در حالی که پیش از این زلزله، تصور عمومی بر این بود که قاب های خمشی ویژه عملکرد مناسبی در شرایط زلزله دارند، بررسی های میدانی نشان داد که عدم توجه کافی به نحوه تشکیل و گسترش مفصل پلاستیک، باعث ایجاد مفصل پلاستیک در ناحیه بر ستون شده است. این موضوع موجب تجمع تنش های زیاد در انتهای تیر و ناحیه اتصال تیر به ستون و در نهایت تمرکز کرنش های شدید در همین نواحی گردید.

از آنجا که جوش های اتصال بال تیر به بال ستون دارای رفتار ترد و شکننده هستند و توانایی تحمل کرنش های زیاد را ندارند، در اثر بارگذاری ناشی از زلزله، این جوش ها دچار شکست شده و باعث جدا شدن تیر از ستون می گردند. بنابراین، قاب های خمشی ویژه ای که بر اساس ضوابط آیین نامه های پیش از زلزله نر تریج طراحی شده بودند، نتوانستند عملکرد مقاومتی مطلوبی از خود نشان دهند. حتی سازه هایی که برای عملکرد بی وقفه و با کیفیت بالا طراحی شده بودند، در مقابل این زلزله دچار آسیب دیدگی شدند.

با توجه به کاربرد گسترده قاب های خمشی فولادی در طراحی های لرزه ای و همچنین این واقعیت که آیین نامه های پیشین به شکل گیری و توسعه مفصل پلاستیک در اتصالات صلب به درستی نپرداخته بودند، تحقیقات پس از زلزله نر تریج به سمت بهبود شکل پذیری اتصالات معطوف شد. در نتیجه، مفهوم «اتصالات پس از زلزله نر تریج» شکل گرفت که هدف اصلی آن انتقال مفصل پلاستیک از ناحیه بر ستون به داخل تیر و به فاصله مشخصی از اتصال بود تا عملکرد بهتر و ایمنی بیشتر سازه ها در برابر زلزله تضمین شود.

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 :

1. 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 .
2. 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 .

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 .

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 ـ 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 1ـ 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 (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 .

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 1cm 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 .

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 (4ـ الف) مشاهده می شود . نحوه بارگذاری به گونه ای است که تغییر مکان به بالای زیر سازه صلیبی شکل وارد می شود .