نشریه زمین شناسی مهندسی، ویژه نامه دومین همایش لرزه خیزی البرز 58

خواص رفتاري سختي، ظرفيت نهايي و شکل پذيري
يک اتصال نيمه صلب جديد

سیدحسین حسینی لواسانی؛ دانشگاه خوارزمی، دانشکدۀ فنی مهندسی
تاریخ: دریافت 23/8/94 پذیرش 12/12/94چکیده
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

سازه های فولادی باید از طریق اتصالات کارآمد با ظرفیت های )اتلاف( انرژی مشخص به منظور مقاومت در برابر زلزله القاء شده به وسیلۀ حرکت های زمین متصل شوند. قبل از زلزله های نورتریج )1994( و کوبه )1991( طراحان و هم چنین آئین نامه ها در آن زمان، تمایل به استفاده از اتصالات جوشی داشتند که برای نیروهای ناشی از )حالت های( مختلف زلزله طراحی می شدند. مدل های اتصالات نیم صلب اساساًاساسا، نشان دهنده روابط، نوع پیچشی- خمشی هستند. آن ها منحنی های ساده ای هستند که شامل داده های آزمایشگاهی قابل دسترس است و برای نشان دادن اثر اتصالات در قاب های فولادی استفاده می شوند. با این وجود، کمبود دانش در داده های تجربی با پارامترهای مختلف، اجازه نمی دهد که محققان توابع پیچشی- خمشی را برای هر مجموعه و نوع اتصالات مختلف توصیف کنند. به منظور افزایش قدرت محاسباتی در دهۀ گذشته، برنامه های )روش های( المان محدود برای به دست آوردن نمودارهای )منحنی های( خمش- پیچش که اثر غیرخطی در پاسخ اتصالات را بازتاب می دهند، استفاده شده است. با کمک روش های اجزا محدود، اثر پارامترهای مختلف روی رفتار اتصالات می تواند بررسی شود. در این پژوهش چندین اتصال نیمه صلب رایج مدل شده، خواص رفتاری آنها به صورت اجمالی بررسی شده و سپس با ارائه جزئیات مربوط به یک اتصال نیمه گیردار جدید، خواص رفتاری آن مانند سختی، ظرفیت نهایی و شکلپذیری آن بررسی شده و با سایر اتصالات مدل شده مقایسه خواهد شد.
1626489205710

واژه های کلیدی: اتصال نیمه صلب، روش المان محدود، سختی اتصال، ظرفیت نهایی، شکلپذیری * نویسنده مسئول [email protected]

58
مقدمه
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

پس از زمین لرزه نورتریچ و کوبه، راه حل های جای گزین ساخت وساز برای قاب های فولاد نیمه صلب در مناطق لرزه ای مورد توجه و بررسی قرار گرفت. تحقیقات به دنبال یافتن راه حلی برای افزایش شکلپذیری تمامی اجزا اتصال و محدود کردن مدهای شکست بودند. در این جا مقدمه ای بر دانش بنیادی در روابط لنگر- دوران اتصالات همراه با ارائه مدلهایی است که برای نشان دادن و پیش بینی ویژگی های اتصال استفاده شده است. علاوه بر ارائه تحقیقات انجام شده مربوط به اجزا اتصالات نیمه صلب، تحقیقات انجام شده مربوط به عمل کرد قاب های فولادی نیمه صلب نیز پس از آن ارائه شده است. شایان ذکر است که نمونههای مختلف اتصالات تحت بارگذاری یک نواخت و چرخه ای به منظور بررسی خواص اجزای اتصال انجام شده است. در تمام آزمایشهای صورت گرفته در کارهای دیگران، تیر به وسیلۀ دستگاه تحریک کننده )جک( تحت بارگذاری قرار گرفته، درحالی که ستون ثابت نگه داشته شده است. جانسون و گرین2 اولین کارهای آزمایشگاهی مربوط به اتصال تیر به تیر و تیر به ستون را با استفاده از نبشی جان دوبل و نبشی بالا و نبشی نشیمن در سال 1941 انجام دادند ]1[. در این آزمایشها ،اتصالات تحت لنگر خمشی متناظر با دورانی حدود سه برابر بیش تر از دوران تیر ساده قرار گرفتند. افرادی مانند پاپ3 و برترو4 )1993(، کوکرتی1 و همکاران )1989(، عزیزی نمینی و همکاران )1989(، نادر و آستانه )1991(، صراف و برونئی )1991( پژوهش های دیگری نیز در زمینه اتصالات نیمه صلب تحت بارگذاری یک نواخت، چرخه ای و دینامیکی انجام داده اند.

مدل های رایج برای پیش بینی ویژگی های اتصالات
چنان که قبلاً ذکر شد بیش ترین بررسی ها در زمینه اتصالات نیمه صلب به بررسی و پیش بینی روابط لنگرـ دوران اتصالات نیمه صلب معطوف شده است. این پژوهش ها در قالب عبارات ریاضی منحنیهای برازش داده شده، مدل تحلیلی ساده و مدل های مکانیکی است.
58
علاوه بر این، مدل های دقیق المان محدود سه بعدی برای بیان رفتار پیچیدۀ اتصالات توسعه داده شدند. توضیحات این مدل ها و ویژگی های متمایز آنها در ادامه ذکر شده است. مدل های ریاضی توانایی تقریب رفتار لنگرـ دوران اتصالات بدون نیاز به تست آزمایشگاهی را ارائه می کند. مدل های اولیه توسعه داده شده به صورت برازش منحنی بر داده های حاصل از آزمایش با استفاده از تحلیل رگرسیون بود. فریی و موریس2 ]2[ مدلی تجربی چندجمله ای با توان فرد ارائه دادند که در آن دوران به عنوان یک تابع از لنگر و دیگر پارامترهای منحنی برازش داده شده بیان شده است. این رابطه بر داده های حاصل از آزمایش اتصالات تحت بارهای یک نواخت قرار داده شده و درنهایت رابطه M استخراج شده که بدین صورت است:
r C KM11 C KM23 C KM35 )1(
که در آن r,M بهترتیب لنگر و دوران است. 1 ,2,3C C C پارامترهای منحنی برازش است.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

k پارامتر استاندارد شده است که تابعی از پارامترهای مهم هندسی مانند ابعاد عضو اتصال و ضخامت ورق است. ثابت منحنی برازش و ثابت استانداردشده در جدول 1 آورده شده است.
در این کار همچنین روابطی برای پیش بینی سختی مماسی، SC و سختی اولیه ،0SC، اتصال بدین صورت ارائه شده است:
1180159192341

dM1 S 24
C dC Ck1 3C k KM2  5Ck KM3  )2(
dM1
S0 M0
1662489-268553

C dCCk1 )3(
این رابطه را محققان دیگر استفاده کرده اند و رابطه لنگرـ دوران را به خوبی مدل کرده است. اشکال اصلی این مدل پیش بینی سختی مماس منفی است. این اتفاق زمانی حاصل میشود که مشتق تابع چندجمله ای در داخل یک محدودۀ خاص گرفته شود، زیرا که این تابع به صورت چندجمله ای است که با شکلی به فرم قله ها و دره هایی مشخص شده است.

55
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

جدول 1. ثابت منحنی برازش و ثابت استانداردشده رابطۀ [2]Frye
نوع اتصال ثابتهای برازش ثابت استاندارد
اتصال نبشی جان تکی C1  4.28 10 3
C2 1.45 10 9
C3 1.51 10 16 k  d2.4t1.8g0.15
aa
اتصال نبشی جان دوبل C1  3.66 10 4
C2 1.15 10 6
C3  4.57 10 8 k  d2.4t1.8g0.15
aa
اتصال نبشی نشیمن بالا و پایین C1  2.23 10 5
C2 1.85 10 8
C3  3.19 10 12 k  d1.287t1.128t0.415I0.694g1.350
ca
اتصال نبشی نشیمن به همراه نبشی دوبل جان C1  8.46104 C2 1.01 10 4
C3 1.24108 k  d1.5t0.5t0.415I0.7d1.1
cab
اتصال صفحه انتهایی با سخت کننده ستون C1 1.83 10 3
C2 1.04 10 4
C3  6.38 10 6 k  d2.4t0.4t1.5
gpf
اتصال سپری C1 1.79 10 3
C2 1.76 10 4
C3  2.04 10 4 k  d2.4t0.6
gp
اتصال روسری-زیرسری C1  5.1 105
C2  6.2 1010
C3  2.4 1013 k t1.6g d1.6 2.3t0.5
pbw
ریچارد3 و ابوت4 ]3[ یک مدل توانی با سه پارامتر برای نشان دادن رفتار لنگرـ دوران اتصال تحت بارگذاری یک نواخت ارائه کردند. این مدل با رابطۀ )3( نشان داده شده است:
Rkir
M n1/n
1892722-130275

r  
1 
0   )4(
Mu
در این جا Rki سختی اولیه اتصال ،n پارامتر شکل ،0 

Rki دوران پلاستیکی مرجع است
وMu ظرفیت لنگر نهایی است. معادلات تجربی برای محاسبه پارامتر شکل n در جدول 2 فهرست شده است. منحنی لنگرـ دوران برای مقادیر مختلف از n در شکل 1 نشان داده شده است.

1. Richard 2. Abbott
58
در این کار هم چنین روابطی برای پیش بینی سختی مماسی،SC و سختی اولیه ،0SC، اتصال بدین صورت ارائه شده است:
1142059192341

dM1 SC   2 4
dC Ck1 3C k KM2  5Ck KM3  )1(
0 dM1
SC M0
1586289-270269

1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

)1( 1dCCkجدول 2. معادلات تجربی برای پارامتر شکل n [3]
شماره
دسته نوع اتصال n I اتصال نبشی جان تکی 0.520log100 2.291 …log100 3.073
II اتصال نبشی جان دوبل 1.322log100 3.952 …log100 2.582
III اتصال نبشی نشیمن بالا و پایین 1.398log100 4.631 …log100 2.721
IV اتصال نبشی نشیمن به همراه نبشی دوبل جان 2.003log100 6.070 …log100 2.880

شکل 1. مدل توانی با سه پارامتر [3]

89
ازآن جاکه سختی مماسی اتصال،Rk و دوران نبشی،r را می توان به طور مستقیم و بدون تکرار تعیین کرد; این مدل به عنوان ابزاری مؤثر برای انجام تحلیل غیرخطی مرتبه دوم است. هرچند برخلاف مدل فریی-موریس، این مدل نیاز به اطلاعات قبلی از سختی اولیه اتصال و ظرفیت لنگر نهایی برای پیش بینی کامل پاسخ لنگرـ دوران اتصال دارد؛ بنابراین، پیش بینی این مدل از پاسخ بستگی به دو کمیت اساسی دارد که باید با ابزار یا مدل های دیگر پیش بینی شود:
dMRki
157521916619

Rk  dr  r n n1/n )9(
1 
0  
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

برای کاهش مشکل مدل فریی-موریس در رابطه با پیش بینی سختی مماس منفی اتصال زمانی که مشتق تابع چندجمله ای در داخل محدودۀ خاص گرفته شده باشد، انگ1 و موریس و ]4[ پیشنهاد دادند تا با استفاده از مدل اسگود-رومبرگ2 استاندارد شده، روابطی برای بیان رفتار لنگرـ دوران پنج نوع اتصال معمولی شامل نبشی جان تکی ، نبشی جان دوبل، صفحه روسری-زیرسری، نبشی نشیمن بالا و پایین و اتصالات رکابی استخراج شود. مدل ارائه شده بدین صورت است:
699626188323

 (KM)1  KM n1 
 

0KM0KM0  )8(
که در آن 0KM0 , و n ثابت هایی هستند که به هندسه و نوع اتصال بستگی دارد. تابع اسگود-رومبرگ دارای این مزیت است که مشتق آن، شیب منحنی M، دارای نوسان نیست که برخلاف ماهیت نوسانی ذاتی چندجمله ایها است. لویی3 و چن4 مدلی نمایی بدین شکل ارائه کردند ]1[:
M M 0 Jn1 Cj 1exp

2|JC| Rkf |C | )9(

1. Ang 2. Osgood-Ramberg 3. Lui 4. Chen
81
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

جدول 3. پارامترهای مدل نمایی ]Chen- Lui8]
A تنها نبشی جان B نشیمن بالا و پایین
و نبشی جان دوبل C اتصال فلنجی D صفحه انتهایی
M0
0 0 0 0
R
kf 0.47104 10 2 0.443169 10 3
0.96415 10 3 0.41193 10 3
 0.511678 10 3
0.31425 10 3
0.31783 10 3
0.67083 10 3

C 1 0.43300 10 2 0.34515 10 3
0.25038 10 3
0.67824 10 3

C 2 0.12139 10 4 0.52345 10 4 0.50736 10 4 0.27084 10 4
C 3 0.58583 10 4 0.26762 10 5
0.30396 10 5
0.21389 10 5

C 4 0.12971 10 5 0.61920 10 5 0.75338 10 5 0.78563 10 5
C 5 0.13374 10 4 0.65114 10 5
0.82873 10 5
0.99740 10 5

C6 0.52224 10 4 0.25506 10 5 0.33927 10 5 0.43042 10 5
که در آن M لنگر اتصال، 0M لنگر اولیه و |C | قدر مطلق تغییر شکل دورانی اتصال است; Rkfکرنش سخت شدگی اتصالات است، ضریب مقیاس n تعداد عبارات درنظر گرفته شده وC j ضرایب منحنی برازش است. مقادیر عددی ضرایب برازش بر اساس داده های تجربی قبلی برای چهار نوع اتصالات از جمله اتصال نبشی جان، نبشی بالا و نبشی نشیمن، اتصال فلنجی و اتصال با صفحه انتهایی در جدول 3 فهرست شده است. سختی مماس و سختی اولیه آن ها طبق روابط )11( و )11( به دست میآید:
dMn |C | 

658973-125778

SC C| C| | C| J1 Cj 1exp 2JRkf )11(
d
82
0nCj

SC J12JD Hk |K |k1 )11(
مدل لویی-چن رفتار غیرخطی اتصالات را به خوبی بیان میکند. بااین حال، اگر در منحنی لنگرـ دوران تغییرات ناگهانی وجود داشته باشد، این مدل به خوبی کار نخواهد کرد. مشابه مدل ابوت-ریچارد این مدل نیز نیاز به دانش قبلی از ویژگی های مختلف اتصال از جمله لنگر اولیه و سخت شدگی کرنشی1 دارد. چن و کیشی2 ]1[ با تغییر مدل لویی-چن بدین شکل، قابلیت مدل کردن تغییرات ناگهانی در نمودار لنگر-دوران را اصلاح کردند:
||
M M 0 Jn1 CJ 1exp

2JJn1 DK | |  | k |H| |  | k |
)12(
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید