ارزیابی عددی عملکرد لرزه ای اتصالات خورجینی تحت بارگذاری چرخه ای

مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای اتصالات خورجینی

اتصال خورجینی یکی از انواع اتصالاتی است که بیشتر در کشور ما استفاده می­شود و کاربرد آن در دیگر کشورهای دنیا چندان معمول نیست. علاوه بر این، رفتار نامناسب این اتصال در زلزله ­های اخیر ایران نیز سبب شده است تا شناخت دقیق‌تر رفتار این نوع اتصال در بارگذاری‌های لرزه‌ای و بهسازی و تقویت آن امری ضروری و اجتناب ناپذیر باشد. همچنین با توجه به گسترش روش­های عددی و پیشرفته­تر شدن کامپیوترها، این تحقیق سبب خواهد شد تا استفاده از این روش­ها جهت طراحی این اتصالات گسترش و توسعه یابد و نیز محدودیت­هایی که در انجام کارهای آزمایشگاهی چه به لحاظ فنی وچه به لحاظ هزینه‌ای وجود دارد تا حد زیادی برطرف گردد. بدین منظور مدل­ های متعددی شامل اتصال خمشی گیردار، اتصال خورجینی ساده، نیمه صلب و صلب در نرم­افزار اجزاء محدود آباکوس مدل شده است. در ادامه  روش ­های بهبود عملکرد این اتصال با استفاده از قطعات الحاقی بررسی می ­شود و در نهایت دو مدل مناسب برای اتصال نیمه صلب برای مناطق با لرزه­ خیری کم و متوسط و اتصال خورجینی گیردار برای مناطق با خطرلرزه­ خیزی زیاد پیشنهاد می­ شود. قابلیت استهلاک انرژی یکی دیگر از معیارهایی است که برای بهبود عملکرد اتصال­ های مورد بحث در این مقاله بررسی شده است.

امروزه سازه­ های فولادی یکی از پرکاربرد­ترین سازه­ هایی است که در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می­گیرد. یکی از اتصالاتی که سالیان متمادی در ایران سابقه ­ی استفاده دارد اتصال خورجینی است. اتصال خورجینی عبارت است از اتصالی که تیری را به صورت پیوسته از کنار ستون عبور می­ دهد و به ستون متصل می­ سازد. در ایران به دلیل کمبود نیمرخ های بزرگ، برای تیرریزی ساختمان­ های متوسط و کوتاه از دو مقطع تیر با فاصله از یکدیگر استفاده شده است. کاربرد گسترده ­ی این اتصال در ایران به علت سادگی کار، هزینه­ ی کم، سرعت بالای اجرا، کم کردن نیمرخ بال­پهن، قابلیت استفاده از شماره­ های بالای نیمرخ IPE، عدم نیاز به بریدن تیرها در محل اتصال به ستون، برش و جوش کمتر و در مجموع اقتصادی بودن آن­ها است. این اتصال در گذشته متداول­ترین شکل اتصال در ساختمان­های فلزی ایران بوده است. در اتصال خورجینی تیرهای باربر از طرفین ستون به صورت یکسره عبور داده می­ شوند و روی نبشی­هایی که در طرفین ستون نصب شده­اند قرار می­ گیرند، لذا اتصال خورجینی تأمین کننده­ ی نشیمن برای عبور یک جفت تیر سراسری از طرفین ستون است.

اتصالات خورجینی بکار رفته در سازه ­های فولادی ایران عموماً هم­شکل­ اند و تنها تفاوتی که دارند در طول و بزرگی مقاطع نبشی آن­ها است که بسته به میزان بار طراحی می­ تواند متفاوت باشد.

براساس تجربه­ هایی که از زلزله ­های گذشته بدست آمده است، دریافته­ ایم که سازه ­هایی در برابر زلزله دارای عملکرد بهتری هستند که بتوانند ضمن حفظ پایداری و انسجام کلی خود، انرژی بیشتری از زلزله را جذب و مستهلک کنند.

اتصالات خورجینی عموماً در دسته­ ی اتصالات غیرلرزه ­ای نیمه ­صلب جای می­ گیرند و ظرفیت لنگر آن­ها بسیار کمتر از المان­ های متصل شده در قاب است. نقطه­ ی ضعف اصلی این نوع اتصال شکست زودهنگام جوش­های آن است. درنتیجه قاب­های با اتصال خورجینی انعطاف­پذیری بسیار پایینی دارند و معمولاً طی یک زمین­ لرزه رفتار نامطلوب تُردی را از خود نشان می­ دهند. برای بهبود عملکرد لرزه­ ای چنین قاب­ هایی باید مقاومت اتصالات را چنان بالا برد تا علاوه بر تأمین ملزومات صلبیت بتوانند امکان داشتن تغییرشکل پلاستیک در تیر متصل شده را با تغییرشکل­ های ارتجاعی پایدار خود فراهم کنند. علاوه بر این باید جزئیات رفتار اتصال چنان تنظیم شود که یک مسیر بار ایمن برای بار منتقل شده از تیر به ستون فراهم شود. نکته ­ی مهم درباره ­ی ایمنی مسیر بار این است که همه­ ی اجزای اتصالات باید به تمامی و بدون مزاحمت در انتقال بار همکاری کنند و این در حالی است که در اتصال خورجینی تنها دو مقطع نبشی جوش شده به تیر و ستون (که در بیشتر موارد کیفیت جوش پایینی دارند) نقش انتقال بار را بر عهده دارند. رفتار ضعیف اجزای اتصال که نمی­ توانند مسیر امنی را برای بار فراهم کنند باعث می ­شود که اتصال در همان چند چرخه­ ی نخست بارگذاری دچار شکست شود. برای پرهیز از چنین مسئله ای، اتصال باید چنان بهبود یابد که هم یک مسیر بار امن فراهم کند و هم مقاومت و سختی مطلوب را بدست آورد.

مدل سازی

هر مسئله ­ی مدل­ سازی معمولا از مراحل، پیش­ پردازش، پردازش، پس از پردازش، نتایج قابل قبول و راه حل پایدار و ترسیم نتایج خروجی تشکیل یافته است.

در مرحله­ ی پیش پردازش مدل­ سازی عددی با آباکوس به رویه ­ی زیر دنبال شده است:

1. با تشریح مشخصات هندسی اعضای پایه ­ای ایجاد شد (تعریف تیر، ستون، اتصالات نبشی و ورق­های اتصلات).

2. ایجاد مشخصات مواد برای لایه های مختلف (مشخصات الاستیک و پلاستیک).

نمودار تنش – کرنش مربوط به فولادهای سازه­ای را در شکل(4) مشاهده می­ کنید. از میان انواع مختلف فولاد، فولاد نرمه­ی ساختمانی انتخاب شده است. برای استفاده از پارامترهای این  نوع فولاد در محیط آباکوس لازم است تا تغییراتی بر روی این پارامترها داده شود.

باید به این نکته اشاره شود که نمودار تنش-کرنش مربوط به شکل (4) مربوط به تنش و کرنش­های مهندسی می ­باشد که در روابط آیین نامه­ ای از آن­ها استفاده می شود، در صورتیکه در موارد مدل سازی اجزاء محدود برای حصول جواب­های دقیق­تر باید از پارامترهای واقعی که با استفاده از روابط (1) و(2) بدست می آیند استفاده کرد.

مقادیر بدست آمده از روابط بالا را در جدول(2) مشاهده می­ کنید که از مقادیر واقعی تنش-کرنش در مدل سازی استفاده خواهیم کرد.

1. مونتاژ کردن اجزاء و اختصاص مواد به آنها.
2. در مدل­هایی که تماس بین اجزاء باید تعریف شود، تعریف زوج سطوح و مشخصات مکانیکی برای آنها.
3. مش بندی مناسب مدل و اختصاص المان­های سازه­ای مناسب به اجزاء.

برای مقاطع تیر و ستون از المان صفحه­ای S8R (المان صفحه­ای با  8 نقطه­ی انتگرال گیری) و برای صفحات و نبشی­های اتصال از نوع المان C3D8R (المان  3بعدی پیوسته با 8 نقطه­ی انتگرال گیری) استفاده شده است.

4. تعریف مراحل آنالیز

5. ایجاد شرایط مرزی

ساخت مدل

در این پژوهش عملکرد دو نوع اتصال صلب منقطع و اتصال خورجینی ارزیابی می­شود. معیار مقایسه­ی دو اتصال عدم تمرکز تنش در اتصال که از معیار تنش فون – میزز بدست می­آید، لحظه­ی گسیختگی و قابلیت استهلاک انرژی که برابر است با مساحت زیر نمودار بار – جابجایی را شامل می­ شود.

ابتدا به نبشی­ های اتصال، لچکی­ سخت کننده اضافه می­ شود تا بهبود عملکرد اتصال بررسی شود. همانگونه که خواهیم دید این لچکی­ها نمی­توانند ظرفیت اتصال را افزایش دهند. در انتها با افزودن ورق­های زیرسری و بالاسری، خواهیم دید که ظرفیت اتصال به مقدار قابل توجهی افزایش می­ یابد. در این مدل­ها از 2IPE180 برای ستون ها و 2IPE160 برای تیرها استفاده شده است. از نبشی با ابعاد L150x80x80 برای اتصال استفاده شده است.

تشریح نتایج

در این بخش به این سوال پاسخ خواهیم گفت، که چرا اتصال خورجینی برای مناطق لرزه­ خیر کارایی لازم را ندارد. در بخش بعدی روش­ های بهبود عملکرد اتصال خورجینی با استفاده از سخت کننده­ها و برش گیرها و ورق­های بالاسری و زیرسری ارزیابی می­شود. ابتدا به نبشی­های اتصال لچکی­ سخت کننده اضافه می ­شود تا بهبود عملکرد اتصال بررسی شود. همانگونه که خواهیم دید این لچکی ­ها نمی­توانند ظرفیت اتصال را افزایش دهند. در گام بعدی برش­گیرهایی درون جان تیر خورجینی اضافه می­ شود. همانند اتصال قبل، این نوع اتصال نیز قابلیت اینکه ظرفیت استهلاک انرژی اتصال خورجینی را بالا ببرد را ندارد. در انتها با افزودن ورق­های زیرسری و بالاسری، خواهیم دید که ظرفیت اتصال به مقدار قابل توجهی افزایش می­یابد. در این مدل­ها از 2IPE180 برای ستون­ها و 2IPE160 برای تیرها استفاده شده است. از نبشی با ابعاد L150x80x80 برای اتصال استفاده شده است. در جدول(4) مشخصات اجزای تقویتی اتصال خورجینی آورده شده است.

در شکل(9) توزیع یکنواخت معیار تنش فون – میزز را در اتصال صلب مشاهده می­کنید. در نواحی مجاور اتصال تنش در محدوده­ی 257MPa تا 340MPa می­باشد. که نشان دهنده­ی جاری شدن کل محدوده­ی اتصال می­باشد. در این اتصال محدوده­ی هسته­ی اتصال بیشترین مقدار تنش فون – میزز یعنی 340MPa را تجربه می­ کند.

در شکل(10) تمرکز تنش بالا را در ناحیه­ی اتصال نبشی به تیر مشخص است. در حالیکه محدوده­ی اتصال تنش 190MPa تا 334MPa را تجربه می­کنند اما در محل اتصال نبشی تیر تمرکز تنش تا 441MPa نیز وجود دارد. تمرکز تنش عامل گسیختگی موضعی می­باشد و برخلاف اتصال صلب که محدوده­ی قابل توجهی از اتصال به ناحیه تسلیم رسیده بودند، در این اتصال برخی از نقاطی که دارای تنش بالا هستند تسلیم شده ­اند و این دلیل بر عدم شکل ­پذیری اتصال خورجینی می ­باشد.

در شکل(12) پاسخ بار- جابجایی دو نوع اتصال تحت اثر بار چرخه­ای آورده شده است. لازم به ذکر است که بارگذاری در زمان رسیدن به کرنش پلاستیک بحرانی (PEEQ= 0.17-0.18) متوقف می­ شود.

مقدار ظرفیت نهایی اتصالات صلب و خورجینی منقطع بترتیب برابر 4.18E+05N و 2.39E+05N است. اما نکته قابل توجه در این دو نمودار قابلیت استهلاک انرژی توسط دو اتصال است که برای این دو اتصال برابر 6.58E+08N.mm و  7.81E+07N.mm  است که مقایسه­ی این دو عدد تفاضل قابل ملاحظه­ی قابلیت استهلاک این دو نوع اتصال را نشان می­ دهد.

نتیجه‌گیری

اتصالات خورجینی عموماً در دستۀ اتصالات غیرلرزه­ای نیمه ­صلب جای می­ گیرند و ظرفیت لنگر آن­ها بسیار کمتر از المان­های متصل شده در قاب است. نقطۀ ضعف اصلی این نوع اتصال شکست زودهنگام جوش­های آن است. درنتیجه قاب­های با اتصال خورجینی انعطاف­پذیری بسیار پایینی دارند و معمولاً طی یک زمین­ لرزه رفتار نامطلوب تُردی را از خود نشان می­ دهند.

مقدار ظرفیت نهایی اتصالات صلب و خورجینی منقطع بترتیب برابر 4.18E+05N و 2.39E+05N است که افزایش 75 درصدی داشته است. اما نکته­ی قابل توجه در این دو نمودار قابلیت استهلاک انرژی توسط دو اتصال است که برای این دو اتصال برابر 6.58E+08N.mm و  7.81E+07N.mmاست که مقایسه­ ی این دو عدد تفاضل قابل ملاحظه­ی قابلیت استهلاک این دو نوع اتصال را نشان می ­دهد.

برای بهبود عملکرد لرزه­ ای چنین قاب­هایی باید مقاومت اتصالات را چنان بالا برد تا علاوه بر تأمین ملزومات صلبیت بتوانند امکان داشتن تغییرشکل پلاستیک در تیر متصل شده را با تغییرشکل­ های ارتجاعی پایدار خود فراهم کنند. در این پژوهش از اتصال­های لچکی زیرسری و بالاسری نبشی،  لچکی زیرسری و بالاسری نبشی به همراه برشگیرهای جان تیر و لچکی و صفحات زیرسری و بالاسری (اتصال گیردار) برای بهبود عملکرد اتصال خورجینی استفاده شد. در اتصال خورجینی گیردار نوع دوم، همۀ نیروهای قائم و افقی و لنگر خمشی تیرها از راه ورق­هایی که در دو طرف ستون و عمود بر محور تیر جوش شده­اند و با جوش نفوذی به بال­های بالایی و زیرین تیرهای دو طرف ستون متصل شده­ اند، منتقل می­ گردد. این نوع اتصال در تغییرشکل­های نسبتاً زیاد رفتار پسماند ثابتی دارد.

مقایسه ظرفیت نهایی اتصال برابر 3.8E+05N با ظرفیت اتصال خورجینی ساده و اتصال صلب منقطع بترتیب برابر با 2.23E+05N و 4.1E+05N نشان دهنده­ ی کارایی مناسب این اتصال است که افزایش حدود 70 درصدی را نسبت به اتصال خورجینی ساده داشته است. ظرفیت این اتصال قابل مقایسه با اتصال صلب منقطع که افزایش75 درصدی را داشته است، می­ باشد.

این مقاله به همت سید رضا الیاسی، وحید شمسی و هوشیار ایمانی کله سر تهیه شده است.