مقاله105-بررسی رفتار ممان- دوران اتصالات صلب جوشی سازه ها120ی فلزیص

فصل اول

مقدمه و کلیات

1-1- مقدمه

به طور کلی رفتار سازه های فلزی به عوامل متعددی بستگی دارد که اثرات متقابل ابن عوامل ،رفتار را نمایان می سازد. بطور خلاصه این عوامل را می توان طبق (نمودار1-1) نشان داد. همانطور که دیده می شود،یکی از این عوامل رفتار اتصالات می باشد که در رفتار کلی قاب مؤثر است.

نمودار1-1 – عوامل شکل دهنده رفتار قاب

یکی از مشخصه های مهم اتصالات شکل منحنی لنگر- چرخش اتصال تیر به ستون می- باشد.

زلزله 17 ژانویه سال 1994 نورث ریج که در 20 مایلی شمال غرب لس آنجلس اتفاق افتاد اولین زلزله ای بود که به تعداد زیادی از ساختمانهای مقاوم خمشی در آمریکا آسیب سازه- ای رساند. اگر چه شدت زلزله 8/6 در مقیاس ریشتر بود که بر اساس مقدار انرژی ایی که رها کرد یک زلزله متوسط در نظر گرفته می شد، تعداد زیادی از اتصالات تیر به ستون ساختمانهای مقاوم خمشی در آن زلزله به شدت آسیب دیدند. این اتصالات در آیین نامه ی (Uniform Building Code)UBC مورد تأیید قرار گرفته بودند و تصور می شد که ظرفیت کافی دارند تا تیر در خمش به حد تسلیم برسد و یا ناحیه ی چشمه ی اتصال ستون دچار تسلیم برشی گردد. اما بر خلاف انتظار، اکثریت اتصالات به دلایل مختلفی که ذکر خواهد شد بصورت ترد گسیخته شدند و در موارد کمی رفتار آنها شکل پذیر بود.

یکسال بعد از زمین لرزه نورث ریج،درست در 17 ژانویه 1995 زلزله ای به بزرگی 9/6 در مقیاس ریشتر شهر کوبه در ژاپن را لرزاند که در این زلزله بسیاری از اتصالات قابهای خمشی آسیب دیدند و حتی بعضی از ساختمانها با قاب خمشی فرو ریختند.

کشف آسیب های جدی در ساختمان های فولادی با قابهای خمشی جوشی در زلزله های دیگر نیز تاییدی بر آسیب های اتفاق افتاده در قابهای خمشی نورث ریج بود و این نشان دهنده ی این مطلب بود که آسیب ها فقط به خصوصیات لرزه ای در زلزله نورث ریج مربوط نمی شود و نقص از خود اتصالات آسیب دیده می باشد.]9[

با توجه به مطالب بالا به نظر می رسد که بررسی رفتار اتصال صلب با ورق بالائی و پایینی توصیه شده در آئین نامه 2800 زلزله ایران (مشهور به اتصالات کله گاوی ) که بهعنوان اتصال صلب در سازه های فولادی ایران کاربرد وافری دارد، ضروری می باشد.

فصل دوم

رفتار انواع اتصالات

2-1) مقدمه

به دنبال زلزله 17 ژانویه 1994 در منطقه نورث ریج واقع در ایالات کالیفرنیای آمریکا به دلیل تحولاتی که در روند طراحی و ساخت اتصالات گیردار جوشی در سازه های فولادی ایجاد کرد نقطه ای عطفی در تاریخ اتصالات سازه های فولادی محسوب می شود. تعدادی از ساختمانهای فولادی جوشی با قابهای خمشی (WSMF)، در ناحیه اتصال تیر به ستون دچار شکست شدند. ساختمانهای آسیب دیده طیف وسیعی از ساختمانها را از نظر ارتفاع و عمر شامل می شدند. ساختمانهای با ارتفاع یک تا 26 طیقه ، و سازه هایی که درست در زمان زلزله بر پا شده بودند تا ساختمانهایی با عمر بیش از 30 سال،آسیب دیدند. علاوه بر این سازه های آسیب دیده در منطقه جغراقیایی وسیعی پراکنده شده بودند. این آسیب دیدگی ها حتی در مناطقی که نکان های متوسط زلزله را تجربه کرده بودند، مشاهده می- شدند.]16[

کشف آسیب در ساختمانها هشدار دهنده بود.کشف این آسیب ها این اندیشه را تقویت کرد که در زلزله های قبلی هم، آسیب هایی بوجود آمده است،که مخفی مانده اند. تحقیقات بعدی به درستی تأیید کرد که چنین آسیب هایی در زلزله 1992 «لندرز بیگ بیر» و زلزله 1989 «لوماپریتا» اتفاق افتاده است.

سازه های فولادی جوشی با قابهای خمشی به طور معمول در ایالات متحده و جهان،مخصوصاً برای ساخت سازه های متوسط تا بلند، مورد استفاده قرار می گیرند. قبل از زلزله نورث ریج چنین تصور می شد که این نوع ساختمانها بسیار شکل پذیرند و از آسیب هایی که ظرفیت سازه را کاهش می دهد مصون اند،چرا که آسیب های بسیار جدی به این نوع سازه ها در زلزله های گذشته به ندرت گزارش شده بود وحتی هیچگونه گزارشی از فروریختن چنین سازه هایی وجود نداشت. کشف شکست ترد در تعدادی از ساختمانها تحت اثر زلزله نورث ریج، نیاز آزمایش مجدد این نوع اتصال را مسجل ساخت.

به هر حال ساختمانها آن طوری که انتظار می رفت رفتار نکردند و به دلیل آسیب های اتصالات ضررهای اقتصادی قابل ملاحظه ای به وجود آمد. این ضررها را می توان به دوقسمت هزینه های مستقیم، شامل تحقیقات و تعمیرات این گونه اتصالات و همچنین هزینه های غیر مستقیم،مربوط به عدم استفاده موقت و یا در بعضی موارد طولانی مدت از فضای داخل این ساختمانها تقسیم بندی کرد.

ساختمانهای فولادی جوشی با قابهای مقاوم خمشی، برای مقابله با تکانهای زمین لرزه، بر این اساس طراحی می شوند که بدون از دست دادن مقاومت، قابلیت تسلیم و تغییر شکل خمیری زیادی را دارا باشند. تغییر شکل خمیری مورد نظر، دورانهای پلاستیک درون تیرها در محل اتصالاتشان به ستون ها را شامل می شود، که از نظر تئوری انرژی داده شده به ساختمانها را جذب می کند. بدین ترتیب انتظار می رود آسیب هایی مثل تسلیم و کمانش ها ی موضعی در المانهای فولادی اتفاق بیفتد، نه اینکه اتصال دچار شکست تردشود. بر اساس این رفتار مورد انتظار، آئین نامه های ساختمانی اجازه می دادند که سازه های فولادی جوشی با قابهای خمشی برای قسمتی از مقاومت لازم برای پاسخ به تکانهای زمین لرزه حد طراحی،در محدوده پلاستیک طرح شوند. مشاهده آسیب های بوجود آمده در زلزله نورث ریج مشخص می سازد که در بسیاری از موارد، شکست های ترد اتصالات در محدوده های پائین خمیری بوده اند و در بعضی موارد در حالی اتفاق افتاده اند که ساختمان هنوز در حد الاستیک بوده است.

2-2) انواع قابهای ساختمانی

در مبحـث دهـم مقـررات ملی ساختمـان ایـران ( طـرح و اجرای ساختمانهـای فولادی )]4[ و نیز آیین نامه سازه‌های فولادیAISC]3[, سه نوع قاب ساختمانی به همراه مفروضات محاسباتی مربـوط به آنهـا مـلاک طرح ومـحاسبة سـازه های فولادی قـرارگرفته اسـت و هـریک از آنـها با مشخصـاتی مختـص به خود تعیـن کننده ابعاد اعضای سـازه و نـوع و مقاومت اتصـالات مربوط , می باشد .

گروه اول : قـاب های صلب ( قابهای یکسره )که در آنها فرض می شود اتصالات تیـر و ستون به اندازه کافی صلب هستنـد , طوریکـه در تغییـر شکل قاب , زاویه اولیه بین تیر و ستون ثابت باقی می ماند. بعبارت دیگر , میزان قید در برابرحـرکت چرخشـی تیر نسبـت به ستون بیشتـر از 90 درصـد گیرداری کامل ( میزان تئـوری گیرداری ) تامیـن می باشـد. اعضا و اتصـالات این گروه قاب‌هـا در هر دو شیوه طراحی , یعنی روش تنش های مجاز و نیز مقاومت نهایی در مقابل بارهای قائـم و یا جانبی قابل محاسبه وطراحی می باشند .

گروه دوم : قاب های ساده (آزاد ) که در آنها فرض میشود اتصالات تیر وستون بدون گیرداری هستنـد. در مورد بار قائـم , اتصال انتهای تیرها و شاهتیرها فقـط برای برش تعبیه شده است و مـی- تواند تحـت اثـر بار قائم , آزادانـه دوران کنـد. در این نوع اتصـالات دوران آزادانـه تیـر نسبت به ستـون بـرای گیرداری کمـتر از20 درصد گیرداری کامـل , اتصـال سـاده فـرض مـی شود. استفـاده از قـاب های گروه دوم در سـاختمـانها در صـورتی مـجاز اسـت که طـراحی سازه به روش تنـش هـای مجـاز انجام گیرد و علاوه برآن سیستم مقاوم در مقـابل بـار جـانـبی برای ساختمان تعبیه شود و اتصالات تیر و ستون ظرفیت در دوران غیـر ارتجـاعـی داشته باشند تا تنش‌هـای تولید شـده در اجـزای اتصـالات مانـند جوش تحت اثـر حالـت های مختلف بارگذاری , در حد مجاز باقی بماند .

گروه سوم : قاب های نیمه صلب ( انتهای قطعات دارای گیـرداری نسبی ) کـه در آنـهـا فـرض می شود اتصال انتهای تیـرها و شاهتیـرها دارای ظرفـیت خمـشی به مقداری مشخص و قابل اطمینان , بین صلبیت گروه اول و انعطاف پذیری گروه دوم , می باشد , یعنی20 الی 90 درصد گیرداری کامل اتصال. استفاده از قابهای گروه سوم در حالی مجاز است کـه محاسبه بطور مستدل نشان دهدکه اتصـالات نیـمه صـلب مفـروض ( به تنهـایی و یـا در ترکیب با سیستم مقـاوم در برابر نیروهای جانبی ) قادر اسـت اثـرمشترک بارهـای قائـم و جانبی را در حد تنش های مـجاز تحمـل کند. درصد گیرداری اعضای اصـلی که به چنـیـن اتصالاتی وصل می شوند , نباید از این مقدار حداقل بیشتر باشند .

ساختـمان هـای نـوع (2) و (3) مـمـکن اسـت بعـضـی تغیـیـر شکل‌هـای غیـرارتجاعـی امـا خود محدودساز ( Self limiting ) در قسمتی از فولاد ساختمان را ایجاب نمایند .

2-3) انواع اتصال تیر به ستون در ساختمانهای فولادی

بر اساس آنچه بیان شد , سـه نـوع اتصـال در ساختمـان های فـولادی کاربـرد دارد , که هـریـک باید تامین کننده یکسری نیازها باشد . در این قسمت مهمترین جزئیات ایــن سه نوع اتصال تیر به ستون همراه با توضیحات مختصــری راجع به آنها آورده می شود .

 

2-3-1) اتصال صلب تیر به ستون

یک اتصال صلب باید قـادر به انتقـال کامل لنگر باشد و هیچگونه چرخش نسبی بیـن اعضای وارد به اتصال بوجود نیـاید. از آنـجایی که اکثـر لنگر خمشی تیر به صورت یک زوج نیرو در بال های کششی و فشاری تیـر با بازوی تقریباً مســاوی در ارتفاع تیر حمل می گردد, نقـش اصلی یک اتصال صلب فراهم آوردن امـکانـاتی بـرای انتقـال ایـن نیروهـای محوری می‌باشد . همچنین از آنجایی که اکثر نیروی برشی توسط جان تیر حمل می گردد پیوسـتگی کامـل اتصال ایجـاب می کند که نیروی برشی مستقیماً از جان انتقال پیدا کند.

در یـک اتصـال صلب تیـر به ستـون, تیـرها ممکن است از دو طـرف به هـر دو بـال ستون متصل شده باشـد , ( اشـکال 2-1 الـف , ب و پ ) و یا فقـط بـه یـک بـال ستـون مـتصل شوند ( شکل 2-1 ت ). همچنین ممکن است که همانـند شکـل ( 2-2 ) تیـرها از یک یا دو طـرف به جـان ستـون بطور صـلب متصل شده باشنـد . تنـوع اتصالات صلب تیر به ستون آنقدر زیاد است که مشکل بتوان لیست کامـلی از آنـها تهـیه نمود , لیـکن اتصـالات نشان داده شده در اشکال ( 2-1) و ( 2-2 ) امروزه به‌نحو گسترده تـری مورد استفاده قـرار می گیرنـد. قسمتی از جوش اغلب اتصالات در کارخانه و یـا در روی زمیـن انجـام میشـود و بـاقی آن پس از نصب توسط جوش در محل تکمیل می شود .

هدف اصلی در طرح یک اتصال صلب, انتقـال نیروهای موجود از طـریق اتصال بـدون هـرگونه تغییر شکـل موضعـی ناشـی از ایـن نیروها می باشد . استفـاده ازاتصالات صلب در قاب های سازه های فولادی دو فایده دارد , اول اینکه از طرح و محاسبه پلاستیک کـه اقتصادی تر می باشد , می- تـوان استفاده کرد و دیگر اینکه اگر از طرح و محاسبه الاستیک استفاده شود, در صورت فشرده بودن تیرهای متصل شده به ستون, می توان از ده درصد کاهش مجاز لنگر خمـشی و ده درصـد افزایش تنش خمشی مجاز استفاده نمود .

در هر دو حالت, اتصال باید قادر باشد تا ظرفیت پلاستیک اعضـای متصل شـده بـه خود را انتقـال دهـد و نیـز آنقدر شکل پذیر باشد تا بتواند دوران های مفصل پـلاستیک را تحمـل کند. آزمایش های انجام شده, توانایی اتصالات صلب را برای هر دو منظور فوق به اثبات رسانیده اند]5 [.

2-3-2) اتصال مفصلی تیر به ستون

ایـن نـوع اتصـالات معمولا به دو صورت طـرح و اجـرا می شـود . اتصـال با جـفت نبشـی جــان ( شکل 2-3 الف ) و یا اتصال با نبشی نشیمن ( شکل2-3 ب ).

در این اتصالات سعی می شود کـه حـداقل گیرداری بوجـود آید و زاویـه بیـن تیر و ستـون تا حـد امـکان آزادی دوران داشتـه باشـد . معمـولا در محاسبه اتصـال فـرض بر ایـن اسـت کـه اتصـال کلیـه بـرش یا عکـس‌العمل موجود را , انتقال می دهد و لنگر گیرداری به وجـود نمـی آورد و برای این منظور قطعات اتصالی را تا حد امکان با انعطاف پذیری زیـادی قــرار می دهـند تـا دوران زاویـه ای تیـر در تکیه گاه آزاد باشد . بـرای ایـن منـظور در اتصال نـوع اول , یعـنی اتصال سـاده با جفت نبشی جـان , سعی می گردد که نبشی با ضخامت کـم انتخاب گردد تـا حـد امکان خمش پذیر باشد و تنش های درجه دوم گیرداری کمتر بوجود آید .

شکل ( 2-1 ) اتصال صلب تیر به ستون

شکل ( 2-2 ) : اتصال صلب تیر به ستون

اتصـال سـاده با نبشی نشیمن را میتوان به عنوان راه حل جایگزیـن اتصال سـاده با نبـشی جـان یا انـواع اتصـالات سـاده که درآنها ازجان تیربرای برقراری اتصال استفـاده مـی گردد بکـار برد. در ایـن نوع اتصـال تیر بر روی یک نشیمـن کـه می تـواند تقویت نشـده ( انعطاف پذیر )یا تقویت شده باشد , قرار میگیرد, نشیمن انعطاف پـذیر ( نبشی تنها ) شکل ( 2-3 ب ) .

برای تحمل تمام واکنش تکیه گـاهی تیـر طراحی گردیده اسـت . از ایـن نوع اتصـال باید همیشه همـراه با یک نبشـی بالایی که تنها وظیفه آن تامیـن تکیه گاه جانبی برای بال فشاری است , استفاده بعمل آید .

شکل ( 2-3 ) : دو نوع از اتصالات ساده اجرایی

 

وقتی که واکنـش تکیـه گاهـی از حد قابل قبول برای نشیمن های ساده ( نبشی تنها ) تجاوز کند, مـی توان در اتـصـالات جوشی از نشیـمن های تقـویت شده با مقـطع Tاستفاده نمود. وقتی که واکنـش تکیه گاهی تیر به حدود20 تن می رسد , ضخامت نبشی نشیمن تقویت نشده , بی انـدازه بـزرگ می شـود که در این هنـگام استفاده از نشیمن تقویت شده راه حل مناسبی خـواهد بود . نشیمن های تقویت شده به منـظور انتقـال لنـگر بـکارگرفته نمی شود و وظیفه آنها تنها تحمل بارهای قائم می باشد. رفتار نشیمن های طاقـچه ای(brackets ) جـوش شـده بوسیـله جـن سن (c.d.jensen) مورد مطالعه قرار گرفته است .

زاویه بـرش لبـه آزاد سخـت کننده در رفتار نشیمن های تقویت شـده موثر است. اگر زاویـه حدوداً90 درجه باشد , سخت کننده خود مانند یک ورق سخت نشده تحت فشـار یکنواخت , رفتـار می نماید و باید کمانش موضعی آن کنترل شـود , وقتـی که ورق سخت کننده طوری برش خورده شـود که ازآن یک صفحه سه گوش ایجاد گردد , رفتار متفاوتی از آن بروز می کند ( شکل 2-4 ) ]7[.

 

شکل ( 2-4 ) : برشهای مختلف نشیمن طاقچه ای

2-3-3) اتصالات نیمه صلب تیر به ستون

در روش های محاسباتی که برای یافتن لنگرها در اسـکلت های ساختمـانی مــورد استـفاده قـرار می گیـرد , در کنـار دو نـوع تـکیـه گاه ســاده (شکل 2-5 ) وکاملاً گیردار نوع سومی هـم از تـکیه گاه به صورت نیمـه گیـردار وجـود داردکـه گـیرداری آن چیزی بیـن صفر تا صدرصد می‌باشد. یعنی دوران زاویه بین تیر و ستـون صورت میگرد ولی مقدار آن کمتـر از حالت (1) است و در عیـن حالمقـدار قابل توجهیلنگر گیرداری در تکیـه گاه تولیـد می گردد. گیرداری یـک اتصـال نیمه گیردار بسـته به وضع اتصال و بار و دهانه تیر ممکن است مثـلاً 25% یا50% یا 75% و غیره باشد . یعنی لنگر به وجـود آمده در تکیه گاه 25% یا 75% مقدار حالت (2) باشد .

یک تیر با تکیـه گاه سـاده که درآن لنگرهای داخلی دریـک قسـمت از مقطع بیشترین لنگریعنی 8/(L ²ω ) است , مقـرون به صـرفه نخـواهد بود. در یک تیر با اتصالات کاملاً صلب, لنگرها در مقطع وسط تیر کاهش یافته و مطابق آن لنگرهای انتهایـی افزایش می یابنـد . درواقع این توزیع لنگر بین تکیـه گاه و وسـط تیر به صـورت خـطی بـا تـغیـیرات سختـی تکیه گاهی انجـام می گیـرد

 

 

 

 

 

شکل ( 2-5 ) : تیر با سختی های انتهایی مختلف تحت اثر بار گسترده

شکل( 2-6):توزیع لنگر در تیر با سختی های انتهایی مختلف

اشکال ( 2-7 ) دیاگرام های تغییرات لنگر تیر را برای حالات مختلف گیرداری تکیه گاه و بارگذاری های مختلف نشان می دهـد . در ردیف شـشم این اشـکال , رابطه خطـی تغییرات لنگر و سختی انتهایی تیر ( R) دیـده می شـود. بـا مـطالعـه این اشکال می توان نتیجه گرفت که هیچکدام از دو حالت حدی0 % و100% گیرداریاز نظـر وزن تیـر مـقرون به صـرفه نمـی باشد . مثـلاً در تیـری که با بارگسـترده بارگذاری شده است حالتـی که گیرداری تکیـه گاه کمـتر از75% است لنگر مثبت وسط دهانه عامل تعین کننده نمره تیرآهـن است و در حالتی که گیرداری بیـش از 75% است, لنگر منفـی تکیه گاه عامل تعیین کننده می گردد و حالت مقرون به صـرفه همان حالت 75% گیرداری اسـت که درآن لنگر مثبت وسط دهانه و لنـگر منفی تکیـه گاه با هم برابرند وکوچـکتـرین لنگر را برای تعیین نمره تیر به دست می دهنـد. یعنی اگر بتـوان این مقدار گیرداری را در تکیه گاه بوجود آورد , اساس مقطع لازم برای تیـر نصـف حالـت تکیـه گاه ساده و4/3 حالت تکــیه گاه گیـردار خــواهــد بــود , یعنـی صـرفه جـویــی قــابـل مــلاحـظه ای بوجود می‌آید.

برای بارگذاری حالت های دیگر نیـز چنیـن وضعی برقـرار است, فـقط حالـت اول بارگذاری که فقط یک نیروی ( W ) در وسط دهانه تیر اثر میـکند , تکیـه گاه 100% گیردار وضع مقرون به صرفه می باشد. با اشکـال ( 2-7 ) مـی‌توان اینـطور نتیجه گیری نمود که در هریک از حـالات بارگذاری حتی با تولیـد 50% گیرداری مقادیر قابل توجهـی صرفه جـویی در نمره تیر آهـن بدسـت می آیـد ودر عیـن حـال لنگر مثبـت وسط دهانه در آن , مقـداری اسـت که در گیرداری های بیشتر لنگر بزرگتری از آن در هیچ نقطه ای از تیر بوجود نمی آید و یا به عبـارت دیـگر در صـورت بـروز گیرداری هـایبیش از 50% نیـز تیـری که برای چنین حالتی محاسبه شده باشد , مقرون به اطمینان خواهد بود ]7[.

2-4- تقسیم بندی اتصالات در Eurocode, 1992:

مطابق آئین نامه اروپا EuroCode 3,1992)) دو پارامترمهمی که در دسته بندی اتصالات بکار می رود مقاومت خمشی و سختی چرخشی اتصالات می باشد. در رابطه با مقاومت خمشی اتصالات تقسیم بندی به شرح زیر است:

1- اتصالات با مقاومت کامل

2- اتصالات با مقاومت جزئی.

3- اتصالات اسمی مفصلی.

در رابطه با سختی چرخشی اتصالات،تقسیم بندی بدین گونه است:

1- اتصالات صلب

2- اتصالات نیمه صلب

3- اتصالات مفصلی

که این تقسیم بندی مشابه تقسیم بندی اتصالات در مبحث دهم مقررات ملی ساختمانی ایران نیز می باشد.

به غیر از اتصالات مفصلی که در قاب های خمشی کاربرد ندارند، چهار حالت رفتاری اتصال به شرح زیر موجود دارد:

الف- اتصالات با مقاومت کامل و صلب

ب- اتصالات با مقاومت کامل و نیمه صلب

پ- اتصالات با مقاومت جزئی و صلب

ت- اتصالات با مقاومت جزئی ونیمه صلب

نکته قابل توجه این است که عنوان قاب نیمه صلب اغلب برای مورد(ب)و(پ)بکار می- رود در حالیکه عبارت صلب برای قابهای با اتصال صلب با مقاومت کامل بکار می رود.

واضح است که حالت اتصال صلب و مقاومت کامل،حالت ایده ال می باشد و عملکرد قاب را نفی نمی نماید. بعلاوه از نقطه نظر محل جذب و پخش انرژی وارد بر سازه، حالت های مقاومت جزئی و کامل رفتارهای متفاوتی نشان می دهند. برای مدل کردن مناسب رفتار اتصال، بایستی هم خود اتصال و هم مقاطع اعضایی که بهم متصل می شوند مورد توجه قرار گیرند. ]8 [

شکل( 2-7 ) : لنگرهای ایجاد شده در دهانه تیر در حالات مختلف بارگذاری

2-5 ) بررسی رفتار اتصال صلب

برای بررسی رفتار اتصالات باید از منحنی لنگر- چرخش زاویه‌ای اتصالات استفاده نمود.این منحنی می‌تواند از نتایـج آزمایشـگاهی ، کامپیوتری و یا آماری برای هر نوع اتصالی بدست آید.رفتار اتصال عبارت است از دوران نسبی تیر و ستـون نسـبت به تغییرات لنگر.

یـک اتصال مفصل ، با حداقل گیرداری ، فقط برای تحمل برش ، طرح می‌شـود در حالیـکه اتصـالات صـلب هنگامی به‌صورت موثر عملکرد مناسبی خواهند داشت که ضمن تحمل برش ، این

شرایط را نیز اقناع نمایند:

1- مقاومت بالا 2- ظرفیت دوران کافی

3- سختی مناسب 4- صرف هزینه و زمان کم برای ساخت.

برای آنکه یک اتصال صلب شرایط 1 تا 3 را داشته باشد ، بدون شک نخواهد توانست شرط چهارم را تأمین کند ، بنابراین باید به دنبال یک اتصال بهینه باشیم ، اتصالی که با صرف هزینه و زمان ساخت کمتر ، مقاومت قابل قبولی را از خود نشان دهد ( شکل 2-8 ). چنانچه در این شکل مشاهده می‌شود ، تغییرات دوران نسبت به لنگر ، در ابتدا به‌صورت خطی است ، این قسمت در واقع نشان‌دهنده رفتار الاستیک اتصال بوده و در آن سختی اتصال ( ) ثابت می‌باشد. پس از این مرحله ، خط مستقیم به‌صورت منحنی در می‌آید و نشان دهنده رفتار اتصال بین حالت الاستیک و پلاستیک همراه با کاهش تدریجی سختی می‌باشد. در مرحله آخر منحنی به‌صورت یک خط تقریباً افقی است. که در آن اتصال با حفظ مقاومت دچار تغییر شکل دورانی زیادی می‌شود]8[.

شکل ( 2-8 ) : منحنی لنگر ، دوران برای انواع اتصالات

2-6- اتصال صلب توصیه شده در آئین نامه 2800 زلزله ایران

2-6-1- مقاومت اعضاء

منظور از مقاومت اعضاء مقاومت نهایی عضو یا اتصال بوده و شامل مقادیر زیر می باشد:

جدول (2-1)

برای اعضا	مقدار مقاومت	نوع مقاومت
	خمش برش فشار محوری کشش محوری

برای اتصال ها	مقدار مقاومت	نوع مقاومت
	مقدار مجاز* 7/1 مقدار مجاز* 7/1	جوش لب با نفوذ کامل جوش لب با نفوذ نسبی و جوش گوشه پیچ

مقدار مجاز باربری برای انواع جوش بر اساس ضوابط مبحث 10 مقررات ملی ساخنمان تعیین می گردد.]10 [

2-6-2- قاب های خمشی معمولی

اتصال تیر به ستون قابهای خمشی معمولی باید منطبق بر ضوابط ذیل باشد، مگر اینکه بتوان نشان داد اتصال این قابها توانایی مقاومت در مقابل ترکیب بار ثقلی بعلاوه 0.4R برابر نیروهای زلزله طرح را دارا می باشند. اتصال تیر به ستون باید ضوابط زیر را ارضاء نماید:

الف- اتصال تیر به ستون باید قادر به تأمین مقاومتی برابر با کمترین دو مقدار زیر باشد:

1- مقاومت خمش تیر

2- لنگر متناظر با مقاومت برشی چشمه اتصال

ب- اتصال تیر به ستون را می توان کافی برای حصول مقاومت خمشی تیر در نظر گرفت اگر منطبق بر شرایط زیر باشد:

1- اتصال بال تیر به ستون با استفاده از ورق اتصال بال که توسط جوش لب،با نفوذ کامل به بال ستون متصل شده است تأمین گردد.

2- اتصال بال تیر به ورق اتصال بال توسط جوش لبه در امتداد موازی محور تیر و یا با استفاده از حداقل دو ردیف پیچ پر مقاومت اصطلاکی (جمعاً 4 پیچ برای هر بال) تأمین گردد.

3- از جوش و پیچ بطور همزمان برای انتقال نیرو از بال تیر به ورق اتصال بال استفاده نشده باشد.

4- اتصال جان تیر به ستون با استفاده از ورق اتصال جان به کمک جوش و یا پیچ پر مقاومت اصطلاکی تأمین گردد.

دو نوع نمونه واجد شرایط فوق در (شکل 2-9) آمده است.

پ- هر اتصالی با استفاده از جوش یا پیچ های پر مقاومت که منطبق بر شرایط قسمت ب مذکور در بالا نیست، در صورتیکه به کمک محاسبات یا آزمایش ها نشان داده می شود که شرایط قسمت الف را برآورده می نماید، مورد استفاده قرار گیرد. وقتیکه برای نشان دادن کفایت اتصال از روش محاسباتی استفاده می شود، باید 125 درصد مقادیر مندرج در بند الف فوق ملاک محاسبه قرار گیرند.

شکل(2-9) – اتصال صلب توصیه شده در استاندارد 2800

ت- محدودیت های جزئیات بال: برای فولادهائی که مقاومت نهایی آنها () کمتر از 3/1 برابر مقاومت جاری شدن باشد، در اتصالات پیچی ورقهای اتصال بال تیر و ستون، باید نسبت مقطع مؤثر به مقطع کلی (یعنی ) بزرگتر از باشد و حداقل از دوردیف پیچ در این اتصال استفاده شود.]10 [

2-6-3- قابهای خمشی ویژه (Special Moment Resistance Frame )

قابهای خمشی ویژه علاوه بر ارضاء شرایط قابهای خمشی معمولی باید الزامات زیر را نیز ارضاء نمایند:

2-6-3-1- چشمه اتصال

الف- چشمه اتصال تیر به ستون باید توانائی مقابله با برش ناشی از لنگر خمشی تیر به علت بارهای ثقلی بعلاوه 85/1 برابر نیروهای زلزله را دارا باشد، لیکن مقاومت برشی لازم نیست از برش نظیر تیرهای متصل به بالهای ستون در محل اتصال بیشتر باشد. مقاومت برشی چشمه اتصال را می نوان با استفاده از رابطه زیر محاسبه نمود.

(2-1)

که در آن:

t : ضخامت جان ستون بعلاوه ضخامت ورق مضاعف

d_d :ارتفاع مقطع تیر

D_c :ارتفاع مقطع ستون

b_c : عرض بال ستون

T_cf:ضخامت بال ستون

ب- ضخامت چشمه اتصال : باید رابطه زیر را نیز اقناع نماید

(2-2)

d_z :عمق چشمه اتصال بین ورقهای پیوستگی

W_z: عرض چشمه اتصال بین بالهای ستون

برای این منظور، نباید شامل ضخامت هرگونه ورق مضاعف باشد، مگر اینکه ورق مضاعف توسط جوش انگشتانه کافی به منظور جلوگیری از کمانش موضعی،به جان ستون جوش شود.

پ- ورق مضاعف

ورقهای مضاعف به منظور کاهش تنش برشی در چشمه اتصال یا کاهش نسبت ارتفاع به ضخامت جان به کار گرفته می شوند. فاصله این ورقها نباید بیش از 5/1 میلیمتر از جان ستون باشد و باید در طول لبه فوقانی و لبه تحتانی ورق با جوش گوشه با بعد حداقل مساوی 5 میلیمتر جوش شوند. این ورقها باید با استفاده از جوش شیاری یا گوشه به منظور حصول مقاومت برشی ورقهای مضاعف به بال ستون جوش شوند.]10 [

2-6-3-2- نسبت عرض به ضخامت بال

تیرها باید ضوابط مقاطع فشرده طبق مبحث 10 مقررات ملی ایران را براورده سازند بعلاوه نسبت عرض به ضخامت بال آنها، یعنی نباید از تجاوز نماید.

(bf عرض کل و tf ضخامت بال)

2-6-3-3- ورقهای پیوستگی

در تعیین احتیاج یا عدم احتیاج به ورقهای پیوستگی در ناحیه اتصال در مقابل بال کششی تیر،نیروی کششی بال در رابطه زیر باید مساوی منظور گردد.

(2-3)

2-6-3-4- در هر اتصال از قاب خمشی ویژه باید روابط زیر اقناع گردند:

(2-4-الف )

(2-4-ب )

که در روابط فوق : و تنش های جاری شدن ستون و تیر می باشد. همچنین f>0 بوده و نیز و مقادیر اساس پلاستیک مقطع های ستون و تیر می باشد.

: مجموع لنگرهای تیرها که متناظر با مقاومت برشی چشمه اتصال محاسبه می- شود.

ستونهایی که شرایط مقطع فشرده را براورذه می نمایند در صورتیکه یکی از شرایط زیر را نیز براورده نمایند،لازم نیست ضوابط بالا را ارضاء نمایند:

الف- ستونها با کوچکتر از 4/0 برای تمام ترکیبات بارگذاری

ب- ستونها در هر طبقه ای که مقاومت برشی جانبی آن 50 درصد بزرگتر از طبقه فوقانی آن باشد.

2-6-3-5- مهاربندی تیرها

هردوبال تیر باید بطور مستقیم و غیر مستقیم،مهار جانبی شوند.فاصله بین مهارهای جانبی تیرها در حد فاصل محور ستونها نباید از 96 برابر (شعاع ژیراسیون تیر) تجاوز نماید.

2-6-3-6- تغییر در مساحت بال تیر

در قابهای خمشی ویژه، در ناحیه ای که امکان تشکیل مفصل پلاستیک وجود دارد،هر گونه تغییر ناگهانی در مساحت بال ممنوع می باشد.

2-7)- انواع اتصالات صلب توصیه شده در آئین نامه FEMA 350

در آئین نامه FEMA 350 سه گروه اتصال صلب معرفی شده است که گروه اول اتصالات کاملاً صلب جوشی و گروه دوم اتصالات کاملاً صلب پیچی و گووه سوم اتصالات نیمه صلب می باشد.

اتصالات آئین نامه FEMA 350 برای ساختمان های جدید توصیه شده است.در گروه اول 5 نوع اتصال صلب جوشی معرفی شده است.اسامی آنها در جدول(2-2) آمده است.

جدول (2-2)- اتصالات صلب جوشی آئین نامه FEMA 350

نوع قاب	انواع اتصال
معمولی	بال جوش شده – جان پرچ شده (WUF-B)
معمولی و ویژه	بال جوش شده – جان جوش شده (WUF-W)
معمولی و ویژه	بال آزاد (FF)
معمولی و ویژه	مقطع کاهش یافته تیر(RBS)
معمولی و ویژه	ورق بال جوش شده (WFP)

2-7-1- اتصال صلب (Welded Unreinforced-Bolted Web) WUF-B

در این نوع از اتصال بال تیر مستقیماً به بال ستون با جوش شیاری متصل گردیده و جان تیر بوسیله ی ورق برشی توسط پیچ به بال ستون متصل می گردد.کاربرد این اتصال در قابهای خمشی معمولی می باشد که محدودیتها و نحوه ی طراحی این نوع اتصال بطور کامل در این آئین نامه شرح داده شده است. از جمله ی این محدودیتها حداقل نسبت دهانه به ارتفاع تیر برابر 7 و ماکزیمم ضخامت بال تیر 1 اینچ می باشد. (شکل 2-10)

شکل( 2-10)- اتصال صلب WUF-B

2-7-2-اتصال صلب (Welded Unreinforced Flanges-Welded) WUF-W

در این نوع از اتصال بال تیر مستقیماً به بال ستون با جوش شیاری متصل گردیده و جان بوسیله ی ورق برشی به بال ستون جوش د اده می شود. این نوع اتصال در قابهای خمشی ویژه و معمولی کاربرد دارد و جزئیات طراحی آن در FEMA 350 به طور کامل ارائه شده است. از جمله محدودیتهای این اتصال می توان به موارد زیر اشاره نمود.(شکل 2-11)

الف-در قابهای خمشی معمولی L: طول دهانه

در قابهای خمشی ویژه D: ارتفاع تیر

ب- در قابهای خمشی معمولی ضخامت بال تیر

در قابهای خمشی ویژه

شکل( 2-11) - اتصال صلب WUF-W

اخیرا یک مطالعه عددی و آزمایشگاهی بر روی این اتصال انجام شده که جزئیات اجرائی نمونه آزمایش در شکل(2-12) آمده است و نتایج ابزار اجزا محدود با نتایج آزمایشگاهی کالیبره شده است]12[.براساس نتایج بدست آمده تمرکز تنش شدیدی در نزدیکی ریشه جوش وجود دارد که استعداد جوش و منطقه حرارت دیده مجاور را برای بروز ترک و پارگی تشدید می نماید . این مساله

شکل( 2-12)- جزئیات نمونه آزمایشگاهی

در شکل(2-13) قابل ملاحضه است. در صورتی که مقاومت فلز جوش مناسب انتخاب شده باشد و نواقص قابل ملاحظه در اجرای جوش بخصوص نفوذ و ذوب ناقص وجود نداشته باشد انتظارمیرود که ریشه جوش بتواند تلاشهای وارده را بدون شکل گیری و گسترش ترک تحمل نماید و مکانیزم خرابی دراتصال به سمت کمانش پاد متقارن بالها در فاصله ای کوچکتر از عمق تیر از لبه اتصال در غالب یک مکانیزم نسبتا پایدار با شکل پذیری مناسب و حدود 20 در صد کاهش در مقاومت نهایی هدایت گردد که در مقایسه با سایر

مکانیزمهای محتمل مطلوب تر به نظر میرسد . کمانش بالها از تغیر مکان حدود 4 برابر حد تسلیم بطور مشهود ملاحظه می گردند. فرم عمومی رفتار هیسترتیک اتصال در شکل (2-14) قابل ملاحظه است. نتایج نشان دهنده ظرفیت چرخش 6.5 درصد رادیان و نسبت شکل پذیری چرخشی حدود 8 شده است که عملکردی مناسب جهت بکارگیری در قابهای شکل پذیر محسوب میگردد .لازم به ذکر است که این انتظارات تنها در شرایط ذکر شده قابل دستیابی است و با توجه به آنکه در نزدیکی محل جوش تمرکز تنش قابل توجهی موجود است در صورت وجود هرگونه ضعف اتصال رفتاری بسیار حساس نشان داده و ظرفیت های لنگر نهایی و چرخش های خمیری در پی بروز مکانیزمهای ترد به فرم پارگی و گسترش ترک به شدت نزول مینمایند.]12[

شکل (2-14)-منحنی هیسترزیس نمونه آزمایشگاهی

شکل (2-13) -کانتورهای تنش معادل ون مایزز در دامنه تغییر مکان نهایی]12[

2-7-3- اتصال صلب (Free Flange)FF

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است قسمتی از جان تیر بریده شده و بالهای تیر به صورت جداگانه با جوش شیاری به بال ستون متصل می شوند.این اتصال هم در قابهای خمشی معمولی و هم در قابهای خمشی ویژه کاربرد دارد و جزئیات طراحی آنهادر آئین نامه بطور کامل آمده است.(شکل 2-15) از محدودیتهای طراحی این اتصال می توان موارد زیر را بیان نمود:

الف- نسبت طول دهانه به عمق تیر

در قابهای خمشی معمولی L

در قابهای خمشی ویژه

ب- حداکثر ضخامت بال تیر

در قابهای خمشی معمولی

در قابهای خمشی ویژه

Groove weld

Panel Zone

Shear tab

Weld

شکل( 2-15)- اتصال صلب FF

2-7-4- اتصال (Welded Flange Plate) WFP

این اتصال در قابهای خمشی معمولی و هم در قابهای خمشی ویژه کاربرد دارد.در این اتصال همانطور که در (شکل 2-16) نشان داده شده است تیر بصورت غیر مستقیم با ورقهای اتصال در بالا و پایین تیر به ستون متصل می گردد. ورقهای اتصال با جوش شیاری به بال ستون متصل می گردند. تفاوتی که از لحاظ شکل ظاهری این اتصال صلب با اتصال آئین نامه 2800 وجود دارد در شکل ورق فوقانی می باشد.

شکل 2-16- اتصال WFP

اتصال با ورقهای پوششی (شکل2-17) یکی از معمول ترین اتصالات بعد از زلزله نورث رایج شده است که همانند اتصال WFP می باشد. این اتصال تقریباً شبیه به اتصال توصیه شده در آیین نامه 2800 زلزله ایران می باشد. بال پایین تیر با استفاده از ورقهای پوششی مستطیلی عریض از بال تیر تقویت می شود و بال بالائی با استفاده از ورق پوششی باریک شده و کم عرض تر از بال تیر تقویت می شود . این عمل باعث اجرای آسان جوش و ایجاد جوش با نفوذ بیشتر می شود . اگر ورق پائینی قبل از ایجاد تیر روی ستون به ستون جوش شود می تواند به عنوان یک نیشمنگاه برای تیر باعث سرعت اجرای بنا شود.]15 [

یک اتصال تیر به ستون جوش شده، به یک اتصال پیچی با تامین ضخامت مورد نیاز ورق های پوششی ترجیح داده می شود . آزمایش های مختلفی روی اتصالات با ورقهای پوششی انجام شده است و دوران پلاستیک بزرگتر از 03/0 رادیان بدست آمده است اما با این وجود حدود 20 درصد نمونه ها قبل از رسیدن به این مقدار دوران پلاستیک دچار گسیختگی ترد در اطراف جوشها شده- اند .

مشکل ورقهای پوششی زمانی است که آنها سختی اتصال تیر به ستون را افزایش می دهند و مجبور می کنند یک مفصل پلاستیک دورتر از بر ستون ایجاد شود . این افزایش سختی لنگر منتقل شده به ستون را افزایش می دهد و نیاز چرخشی هم افزایش می یابد.]15 [

شکل2-17- اتصال با ورقهای پوششی(cover plate)

2-7-5- اتصال صلب (Reduced Beam Section)RBS

در این نوع از اتصال تیر بصورت مستقیم با استفاده از جوش شیاری بال تیر به بال ستون متصل می گردد. و در فاصله ای از برستون در ناحیه ای از تیر،مقطع آن کاهش داده می شود تا بدینوسیله مفصل پلاستیک در تیر ایجاد گردد.(شکل 2-18)

بریدن قسمتی از بال تیر بطوریکه ظرفیت خمشی تیر در ناحیه از پیش تعیین شده برابر لنگر مورد نیاز باشد, باعث می شود یک ناحیه پلاستیک در مقطع از پیش تعیین شده حاصل می شود. در اثر تسلیم ورق بال و تشکیل مفصل پلاستیک در ناحیه از پیش تعیین شده مقدار زیادی از انرژی ناشی از بارهای لرزه ای مستهلک می شود و شکل پذیری اتصال افزایش می یابد. این روش اتصال می تواند در طراحی سازه های جدید یا ترمیم سازه های موجود مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 2-18- اتصال صلب RBS

2-8) جوش در اتصال صلب

زلزله های نورت ریج (1994) و کوبه (1995) مدهای شکست ترد غیر قابل انتظار در اتصالات تیر به ستون جوشی را آشکار ساخت که عملکرد لرزه ای قابهای مقا.م خمشی فولادی را از پایه مورد سئوال قرار داد . این مسئله در محافل علمی به طور جدی مورد بررسی قرار گرفت تا علت رفتار ضعیف غیر- قابل انتظار اتصالات خمشی تیر به ستون بدست آید.از مهمترین دلایل شکستهای ترد در اتصالات جوشی طرز اجرا جوش و جزئیات ( تمرکز تنش در ریشه یا گوشه جوش ها ) مشخص شد. لذا جوش دارای اهمیت بالائی در رفتار اتصالات جوشی و حتی کل قاب خمشی ایفا می کند.

یک سری آزمایشهایی برای در نظر گرفتن رفتار جزئیات انواع معمول جوش ها بر روی 54 نمونه انجام شد.]16 [نمونه که به صورت T هستند روی یک ورق انتهایی به ضخامت 20 میلی متر و دوبال به ضخامت 12 میلی متر هستند که ابعاد نمونه ها در شکل(2-19) نشان داده شده اند. پارامتر مطالعه شده عبارتند از :

الف- نوع فولاد S355 , S235 ( فقط برای ورق انتهایی تغییر می کند )

ب- سرعت کرنش =0.0001 , 1 έ =0.03 , 2 έ =0.06 , 3 έ

که مقدار اولی برای بارگذاری استاتیکی و نوع دوم و سوم برای بارگذاری تحت شرایط لرزه ای در نظر گرفته شده است .

ج- نوع جوش : جوش پرکننده ، جوش لبه مایل دو طرف – نوع K ، جوش لبه مایل یک طرف

نوع طبق شکل (2-19). جوش پر کننده آسان ترین و ارزان ترین است . جوش مایل

دو طرف قابل اعتمادترین است و جوش مایل یک طرف به طور معمول برای محل هایی

که رفتار واقعی از یک طرف لازم است استفاده می شود .

د- نوع بارگذاری ( مونوتونیک و سیکلی )

شکل (2-19)- نمونه های مورد آزمایش

نتایج آزمایشات تجربی انجام شده باز هم اهمیت کیفیت اجرای جوش را نشان داد. از سه نوع جوش آزمایش شده رفتار ایده آل جوش ( گسیختگی در ریشه فلز ) برای جوش دو طرف اریب شده مشاهده شد . این واقعیت بیانگر عدم داشتن عیب این روش جوشکاری در مقایسه با روشهای دیگر است . نمونه های جوش پر شده (Fillet) که رفتار متوسط از خود نشان دادند علت اصلی گسیختگی در جوش هایی که اندازه های کوچکتر از معمول داشتند ، بوده اند . این مسئله ثابت می- کند که یکی از اشکالات این نوع جوش ها این است که کنترل بررسی صحت اندازه جوش مخصوصا در محل ساختمان مشکل است . نمونه های جوشی یک طرف اریب شده در حالت کلی یک رفتار قانع کننده ندارد که علت آن عدم نفوذ کامل در ریشه جوش و ایجاد ترکهای اولیه در ناحیه جوش است .

جوشهای اریب شده دو طرفه و جوش پر کننده برای جوشکاری در کارخانه برای مونتاژ کاری با امکان بررسی اندازه جوش در حالت جوش های پرکننده مناسب است . جوشهای یک طرف اریب شده برای جوشکاری در محل مناسب هستند اما جوشکاری دوباره ریشه برای رفع کردن عیب در ریشه جوش الزامی است .

سرعت کرنش در محدوده 03/0 تا 06/0 باعث افزایش در مقاومت تسلیم می شود و با یک اندازه کمتر در مقاومت نمائی اتصالات جوشی تاثیر دارد . این پدیده برای فولادهای سازه ای شناخته شده است . علاوه بر آن یک کاهش شکل پذیری ( بالای 27 درصد ) در حالت سرعت کرنش بارگذاری مونوتونیک ایجاد می شود که یک مشخصه ضروری برای عملکرد مناسب لرزه ای اتصالات تیر به ستون است . با وجود اینکه کاهش شکل پذیری در نتیجه افزایش سرعت کرنشی برای بارگذاری سیکلی صحیح نیست ، نتایج نسبتا پراکنده است .

بارگذاری سیکلی احتمال گسیختگی جوش برای اتصالات مقاوم جزئی ( اتصالات جوش پر کننده که دارای اندازه جوش کمتری بودند ) و برای جوشهای معیوب جوش ( یک طرف اریب شده ) افزایش می دهد. ]16 [