ارزیابی تاثیر اتصالات بادبندها در رفتار لرزه ای سازه های فولادی
مقدمه
ضعف سیستمهای مهاربندی با توجه به روشها و جزئیات متداول ساخت در کشور
کیفیت جوش در اتصال ورق به تیر و یا ستون
کیفیت جوش در اتصال عضو مهاربند به ورق اتصال
مطالعات گذشته
بررسی المان محدودی اتصالات و نتایج آنها
مقدار تنش براساس نتایج تحلیل المان محدود
تنش در جوش در محل اتصال به تیر بالاسری
مقدار تنش براساس نتایج بدست آمده از روش اجزائ محدود
تنش در جوش در محل اتصال ورق به تیر بالاسری
نتیجه گیری
منابع
فهرست
مقدمه
ارزیابی آسیب پذیری سازه های موجود موضوعی است که در سه دهه اخیر مطرح شده و بسرعت پیشرفت کرده است. بسیاری از سازه های موجود ارزش فراوانی داشته و یا به علل مختلفی نمی توان آنها را تخریب کرد و مجدداً اقدام به ساخت آنها نمود.
به همین دلیل باید پس از تعیین نقاط ضعف اینگونه سازه ها، اقدام به مقاوم سازی آنها نمود. از سوی دیگر با ارزیابی آسیب پذیری سازه های موجود و تعیین نقاط ضعف آنها، می توان راهکارهای مناسبی را برای طرح و اجرای سازه های جدید اتخاذ نمود.
با توجه به مشاهدات به عمل آمده در زلزله های دهه های اخیر در کشور و وجود تعداد بسیاری از سازه های فولادی که با مهاربند در مقابل بارهای جانبی پایداری خود را حفظ کرده اند و لزوم مقاوم سازی آنها، با توجه به مشاهده عملکرد نامناسب اتصالات آنها در زلزله های گذشته مانندزلزله بم، تحقیقات چندانی در این زمینه صورت نگرفته و فقدان وجود چنین تحقیقاتی احساس می شود.
تحقیقات زیادی در کشورهای پیشرفته در زمینه علم عمران روی رفتار اتصالات در سازه های فولادی مهاربندی شده انجام گرفته اما بیشتر این تحقیقات در رابطه با اتصال از نوع پیچی بوده است. در بیشتر کشورهای پیشرفته اتصالات سازه های فولادی در بسیاری از حالات با استفاده از پیچ انجام می شود لذا جهت گیری تحقیقات محققان بر روی اتصالات مهاربندها با توجه به نوع اتصال آنها بوده است.
در کشور ما بیشتر این نوع اتصالات، اتصالات جوشی بوده ودر ساخت وسازهای معمولی وسنتی کمتر سازه فولادی می باشد که در آن با استفاده از پیچ، اجزاء سازه به هم متصل شده باشند.
بدلایل زیادی اتصال جوشی رایج در کشور دارای اشکالات متعددی بوده طوریکه در زلزله های اخیر کشور رفتار و عملکرد نامناسب این نوع اتصال مشاهده شده لذا به نظر می رسد که این نوع اتصال با توجه به روشهای متداول و رایج اجرای آن در کشور نیاز به بررسی بیشتر دارد.
ضعف سیستمهای مهاربندی با توجه به روشها و جزئیات متداول ساخت در کشور
با وجود تجربه تلفات و خسارات سنگین زلزله های اخیر هنوز توجه کافی به ساخت و ساز صحیح نشده است. مشکل اصلی آسیب پذیری لرزه ای ساختمانها حتی نمونه های جدیدالاحداث در ایران، عدم استفاده صحیح از دانش فنی در مراحل طراحی و اجرا می باشد. دستورالعمل های اتصالات جوشکاری شده و ضوابط طراحی ساختمانهای فولادی، گاهی در طراحی و اجرا سهل انگاری می شود.
آئین نامه های موجود طراحی در کشور و همچنین آئین نامه های معتبر مثل آئین نامه هایACI,AISC,FEMAو غیره، برای طراحی سیستمهای مقاوم در مقابل زلزله برای سازه های بتنی وفولادی روشهای معتبری را دارند، نکته ای که باید به آن توجه شود مسائل اجرایی آن می باشد.
با توجه به گسترش روز افزون سازه ها در ایران و نیز با توجه به این نکته که کشور ایران جزو کشورهای زلزله خیز محسوب می شود و همه ساله در نقاط مختلف کشور زلزله های با قدرت کم و بیش به وقوع می پیوندد که جان بسیاری از مردمان را به خطر انداخته و باعث ایجاد خسارتهای جبران ناپذیری می گردد، نیاز به بررسی مشکلات و ضعفهای سازهها در جنبه های طراحی و اجرایی ضروری به نظر می رسد.
اشکالات متعددی در سیستم مهاربندی ساختمانهای فولادی در حال اجرا دیده می شود. اتصال عضو مهاربند به صورت خارج از مرکز، استفاده از پروفیل هایI شکل قدیمی به جای اعضای مهاربندی داده شده در نقشه ها، افزایش زاویه مهاربندها با افق و در نتیجه کاهش راندمان سیستم مقاوم جانبی، کیفیت جوشکاری اتصال، از جمله اشکالات متداول سازه های فولادی مهاربندی شده می باشد.
به طور کلی در مورد ضعف سازه های فولادی در بخش اتصالات مهاربندی می توان به موارد زیر اشاره کرد :
کیفیت جوش در اتصال ورق به تیر
کیفیت جوش در اتصال مهاربند به ورق با توجه به امکان عدم دسترسی برای اجرای جوش مناسب در نقاط کورسازه
خروج از مرکزیت مهاربند نسبت به محل اتصال تیر و ستون
افزایش زاویه مهاربندها نسبت به افق در سیستم مهاربندی واگرا
وجود نبشی زیرسری در قابهای مهاربندی شده
تاثیر نیروی حاصل از تنشهای حرارتی ناشی از عملیات جوشکاری.
کیفیت جوش در اتصال ورق به تیر و یا ستون
در اجرای سازه های فلزی، برخی اعضاء مانند تیر، ستون در کارگاهها یا در محل ساخته می شوند. هنگام اجرای عملیات جوشکاری با توجه به اینکه اجرای عملیات جوشکاری آنها طوری بوده که می توان از جوشهایی که کیفیت نامناسب دارند پرهیز کرده و کیفیت جوش را بالا برد، اما بعضی ازقطعات ساختمان در کارگاهها ساخته نمی شود، لذا نیاز به جوشکاری در محل می باشد مثل اتصال تیر به ستون یا اتصال ورق های اتصال مهاربند به تیر.
نکته ای که باید مورد توجه قرار گیرد این است که جوش های زیرسقفی کیفیت مناسبی را ندارند و نمی توانند برای مقدار نیروی طرح جوابگو باشند.
تجربه زلزله های گذشته موید این مسئله می باشد. بسیاری از سازه های فولادی مهار بندی شده که در اثر نیروی زلزله تخریب شده اند، از جمله نقاط ضعف آنها، ضعیف بودن اتصال جوش ورق اتصال مهاربند بوده است که با اعمال شدن نیروی جانبی ناشی از زلزله باعث گسیختگی در محل جوش مهاربند به ورق جوش شده و در نهایت بدلیل عدم تحمل نیروی جانبی باعث تخریب سازه شده است.
با توجه به مشکلات اجرایی جوش زیرسقفی معمولاً کیفیت جوش زیرسقفی پائین تر از حد مطلوب می باشد و لذا جوش قدرت انتقال بار وارده تحت اثر نیروی جانبی را نداشته اتصال مورد نظر قادر به جذب انرژی نیروهای جانبی نبوده و همچنین باتوجه به عدم توانایی در انتقال بار به دیگر اعضای سازه همچون تیر و ستون، باعث گسیختگی سازه در محل اتصال شده و باعث تخریب سازه می گردد.
گسیختگی جوش ورق اتصال مهاربند به تیر
کیفیت جوش در اتصال عضو مهاربند به ورق اتصال
با توجه به امکان عدم دسترسی برای اجرای جوش مناسب در نقاط کورسازه مشکل دیگری که با توجه به نحوه اجرایی سازه های فولادی می توان به آن اشاره کرد، نحوه اجرای جوش در اتصال مهاربند به ورق اتصال می باشد روشمتداول در اجرای سازه های فولادی مهاربند شده به این صورت است که قبل از نصب تیر یا ستون، ورق اتصال به مهاربند با یکی از آنها اتصال داده می شود. پس از نصب تیر و ستون اعضای قطری مهاربندها به سایر اعضا متصل می گردد.
حال اگر در محل اتصال فضای کافی برای استفاده در حین عملیات جوشکاری و همچنین توانایی لازم برای اجرای آن وجود داشته باشد.
این مشکل را می توان حل کرد، اما با توجه به این که در هر صورت اطراف سازه ساختمان های قبلی وجود نداشته باشد و امکان دسترسی مستقیم به اعضای سازه وجود داشته باشد امکان ندارد، لذا در حین عمل جوشکاری در سمت بیرون اتصال مهاربند به ورق اتصال، مشکلات ناشی از ضعف در کیفیت جوش بوجود می آید که در محاسبات اعمال نمی شود.
در طراحی جوشهر قسمت از طول جوش به نسبت بعد و طول خود از نیرو سهم می برد.
حال اگر قسمتی که ضعف در کیفیت جوش وجود دارد نتواند سهم نیرویی خود را منتقل کند یا بعبارت دیگر تنش ناشی از انتقال بار بیشتر از تنش مجاز جوش باشد، گسیختگی در جوش بوجود آمده، جوش مورد نظر از بین رفته و سبب افزایش تنش در سایر نقاط دیگر اتصال شده و باعث گسیختگی کلی جوش مهاربند به ورق اتصال می گردد.
خرابی براثر ناکافی بودن طول جوش
مطالعات گذشته
بررسی المان محدودی اتصالات و نتایج آنها
A اتصال نوع
در این اتصال، عضو مهاربندی به وسیله جوش های طولی ساق ناودانی به ورق اتصال، متصل شده است. اتصال بطور کامل و بارعایت آیین نامه طراحی و مدلسازی شده است.
سایر مشخصات همانند مشخصات عمومی اتصال می باشد. برای اتصال ورق اتصال به تیر و ستون نیز از جوش 5 میلیمتر استفاده شده است. درشکل3-1اتصال نوع Aارائه شده است.
اتصال نوعB
در این اتصال، اعضای مهاربندی بصورت پشت به پشت به ورق اتصال جوش داده شده است. این جوش در دو طرف و پیشانی عضو به ورق اتصال صورت پذیرفته است. بعد جوش بصورت ٧ میلیمتر بوده، در این اتصال همانند اتصال نوع A ورق اتصال با جوش5 میلیمتربه تیر و ستون متصل شده است.سایر مشخصات همانند مشخصات عمومی اتصال می باشد.در شکل3-1اتصال نوعB ارائه شده است.
اتصال نوع A
اتصال نوعB
شکل3-1 نمایی از اتصالات مدلسازی شده
اتصال نوعC
این اتصال همانند اتصال نوعAمی باشد با این تفاوت که ضعف جوش بالاسری در آن در نظر گرفته شده و بعد جوش از 5 میلیمتر به 3 میلیمتر کاهش پیدا کرده است. این ضعفدر محل اتصال ورق اتصال به بال تیر میباشد و ضعف در یکطرف دیده شده است. بقیه موارد مثل اتصال نوعAمی باشد.
(با توجه عدم وجود اطلاعات لازم در ارتباط با بعد جوش بعد از عملیات جوشکاری و نبود اطلاعات کافی مبنی بر بعد جوش در محل اتصال با توجه به نواقص یاد شده فرضمی شود بعد جوش به میزان 40 % کاهشیافته است. لذا بعد جوش در یکطرف از 5 میلیمتر به 3 میلیمتر کاهش پیدا کرده است).
Dاتصال نوع
این اتصال همانند اتصال نوعBمی باشد، با این تفاوت که برای آن ضعف جوش دیده شده است؛ بطوریکه بعد جوش بالاسری ٦٠ % بعد جوش اولیه میباشد. این ضعف جوش در محل اتصال ورق اتصال به بال تیر(باتوجه به نحوه جوشکاری) در نظر گرفته شده است.
A اتصال نوع
در شکل 3-2تنش بوجود آمده در جوش متصل کننده مهاربند به ورق اتصال نشان شده است. همانطور که در شکل مشخصاست، تغییرات تنش در جوش برخلاف روابط محاسباتی تنش، بصورت یکنواخت نبوده و از نقطه شروع تا نقطه پایان جوش دارای مقادیر متفاوت میباشد، بطوریکه در نقطه شروع بیشترین مقدار ممکن را دارا میباشد و با دور شدن از نقطه شروع خط جوش به نقاط میانی، مشاهده میشود که از مقدار تنش کاسته میشود.
بعبارت دیگر تنش بصورت یکمقدار ثابت در طول خط جوش نیست و تغییراتی را در طول خط جوش دارد.(تمرکز تنش در ابتدا وانتهای جوش درانتقال بار از عضو مهاری به ورق اتصال)
شکل3-2تنش در طول خط جوش اتصال عضو مهاربند به ورق اتصال
مقدار تنش براساس نتایج تحلیل المان محدود
نمودار3-1مقایسه توزیع تنش در خط جوشاتصال مهاربند به ورق اتصال با استفاده از نتایج تحلیل المان محدودی و مقدار تئوری در اتصال نوعA
تنش در جوش در محل اتصال به تیر بالاسری
Cالف- اتصال
ب-اتصالC(تقویت شده)
شکل3-2توزیع تنش در خط جوش ورق اتصال به بال تیر در بارگذاری استاتیکی به تیر
نمودار3-2مقایسه توزیع تنش در خط جوش بالاسری اتصال ورق اتصال به بال تیر با استفاده از نتایج تحلیل المان محدودی و مقدار تئوری در اتصال نوعAوCواتصال تقویت شده
اتصال نوع A
ب-اتصال تقویتی
شکل3-4توزیع تنش تحت بار استاتیکی در ورق اتصال
اتصال نوعB
تنش در جوش مهاربند به ورق اتصال
شکل 3-4نشان دهنده تنش بوجود آمده در جوشهای اتصال مهاربند به ورق اتصال میباشد. همانطور که شکل نشان میدهد، همانند اتصال نوعAمقدار تنش برخلاف روابط مهندسی در طول خط جوش یکنواخت نبوده و در محل شروع اتصال مهاربند به ورق بیشترین مقدار را دارا میباشد. مقدار تنش در این اتصال تا حدودی یکنواختتر بوده ولی یکنواختی کامل با توجه به روابط مهندسی را دارا نمیباشد (یکنواختی، بیشتر در بخش بالایی خط جوش، جوش بخش پیشانی عضو مهاری مشاهده شد).
شکل3-4تنش در جوش مهاربند به ورق اتصال در بار استاتیکی
مقدار تنش براساس نتایج بدست آمده از روش اجزائ محدود
نمودار3-3مقایسه توزیع تنش در خط جوش اتصال مهاربند به ورق اتصال با استفاده از نتایج تحلیل المان محدودی و مقدار تئوری دراتصال نوعB
تنش در جوش در محل اتصال ورق به تیر بالاسری
با توجه به اعمال بار استاتیکی، تنش در جوش بالاسری اتصال ورق اتصال به بال تیر براساس روابط مهندسی 882کیلوگرم برمتر مربع بدست می آید.
اتصال نوع A
ب-اتصال تقویتی
Cالف- اتصال
شکل 3-5 توزیع تنش در جوش بالاسری اتصال ورق اتصال به بال تیر
نتیجه گیری
ضعفهای ناشی از اجرای نادرست اتصالات می توانند تاثیرات بسیار مخربی بر روی رفتار لرزه ی سازه داشته باشند. دلایل متعددی برای این موضوع وجود داردکه از طراحی نادرست تا عدم استفاده از پرسنل مجرب و نیز فقدان سیستم نظارتو کنترل کارآمد را شامل می شود. با بررسی خطاهای ناشی از اجرای سنتی سازه های فولادی، موارد زیر قابل تامل می باشد:
از جمله خطاهای رایج در اجرای سنتی سازه های فولادی، کیفیت جوش در جوش بالاسری می باشد. بررسی ها نشان داد که با کاهش کیفیت جوش بالاسری ( ٤٠ % کاهش در بعد جوش)، میزان تنش در جوش افزایش قابل توجهی پیدا کرد و بخشهایی از جوش به حالت خمیری رسید.
با کاهش طول خط جوش در اتصال مهاربند به ورق اتصال، تنش در جوشهای اتصال ورق اتصال به مهاربند افزایش قابل توجهی داشت بطوریکه مقدار تنش در خط جوش از945به3200کیلوگرم بر مترمربع افزایش یافته است.
– با اعمال تنش پسماند حرارتی، مقدار تنش در جوش بالاسری افزایش پیدا کرد.
مراجع
١-شکیب، ح و برکچیان، م.، ( ١٣٧٩ )، "ارزیابی آسیب پذیری ساختمانهای فولادی مهم با استفاده از روشهای تحلیلی غیر خطی،" مجموعه مقالات
٢٥٧ – ١٩ اریبهشت، ٢٦٤ – پنجمین کنفرانس بین المللی مهندسی عمران، جلد سوم، دانشگاه فردوسی، مشهد،ایران، ٢١
۲-زهرائی،مهدی، دوره آموزشی ضعفها و اشکالات اجرایی ساختمانهای فولادی در حال ساخت، مرکز تحقیقاتساختمان ومسکن، دی ۱۳۸۲
۳-رزاقی لنگرودی،جواد، دوره آموزشی کنترل جوشکاری و تاثیر آن بر سازه های فولادی، مرکز تحقیقاتساختمان و مسکن، اردیبهشت ۱۳۸۵
4- Astaneh – Asl, A. , Seismic behavior and design of Gusset plates, University of California(1998)
5- Whitmore, R,E, Experimental investigation stresses in gusset plate, Bulletin No. 16, Engineering
Experiment Station. University of Tennessee, knoxwille, (1952)
6- Cheng, J:J. , Compressive behavior of gusset plate connections, Structural Engineering Report , No. 153.
University of Alberta (1987)
7- Yam. M. C. H, Cheng. J. J. R, Behavior and design of gusset plate connections in compression, J. of
constructional Steel Research, 58 (2002) 1143-1149
8- Sheng. N. , Yam C. H, Iu. V. p. , Analytical investigation and the design of the compressive strength of
steel gusset plate connection, J. of constructional steel Research, 58(2002) 1473-1479
9. ANSYS, Standard User’s Manual, version 10.0
پایان