فصل اول

مقدمه و كليات

 

 

 

 

 

1-1- مقدمه

به طور کلي رفتار سازه هاي فلزي به عوامل متعددي بستگي دارد که اثرات متقابل ابن عوامل ،رفتار را نمايان مي سازد. بطور خلاصه اين عوامل را مي توان طبق (نمودار1-1) نشان داد. همانطور که ديده مي شود،يکي از اين عوامل رفتار اتصالات مي باشد که در رفتار کلي قاب مؤثر است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نمودار1-1 – عوامل شكل دهنده رفتار قاب

يکي از مشخصه هاي مهم اتصالات شکل منحني لنگر- چرخش اتصال تير به ستون مي- باشد.

زلزله 17 ژانويه سال 1994 نورث ريج که در 20 مايلي شمال غرب لس آنجلس اتفاق افتاد اولين زلزله اي بود که به تعداد زيادي از ساختمانهاي مقاوم خمشي در آمريکا آسيب سازه- اي رساند. اگر چه شدت زلزله 8/6 در مقياس ريشتر بود که بر اساس مقدار انرژي ايي که رها کرد يک زلزله متوسط در نظر گرفته مي شد، تعداد زيادي از اتصالات تير به ستون ساختمانهاي مقاوم خمشي در آن زلزله به شدت آسيب ديدند. اين اتصالات در آيين نامه ي (Uniform Building Code)UBC مورد تأييد قرار گرفته بودند و تصور مي شد که ظرفيت کافي دارند تا تير در خمش به حد تسليم برسد و يا ناحيه ي چشمه ي اتصال ستون دچار تسليم برشي گردد. اما بر خلاف انتظار، اکثريت اتصالات به دلايل مختلفي که ذکر خواهد شد بصورت ترد گسيخته شدند و در موارد کمي رفتار آنها شکل پذير بود.

يکسال بعد از زمين لرزه نورث ريج،درست در 17 ژانويه 1995 زلزله اي به بزرگي 9/6 در مقياس ريشتر شهر کوبه در ژاپن را لرزاند که در اين زلزله بسياري از اتصالات قابهاي خمشي آسيب ديدند و حتي بعضي از ساختمانها با قاب خمشي فرو ريختند.

کشف آسيب هاي جدي در ساختمان هاي فولادي با قابهاي خمشي جوشي در زلزله هاي ديگر نيز تاييدي بر آسيب هاي اتفاق افتاده در قابهاي خمشي نورث ريج بود و اين نشان دهنده ي اين مطلب بود که آسيب ها فقط به خصوصيات لرزه اي در زلزله نورث ريج مربوط نمي شود و نقص از خود اتصالات آسيب ديده مي باشد.]9[

با توجه به مطالب بالا به نظر مي رسد که بررسي رفتار اتصال صلب با ورق بالائي و پاييني توصيه شده در آئين نامه 2800 زلزله ايران (مشهور به اتصالات کله گاوي ) كه بهعنوان اتصال صلب در سازه هاي فولادي ايران کاربرد وافري دارد، ضروري مي باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

رفتار انواع اتصالات

 

 

 

 

2-1) مقدمه

به دنبال زلزله 17 ژانويه 1994 در منطقه نورث ريج واقع در ايالات کاليفرنياي آمريکا به دليل تحولاتي که در روند طراحي و ساخت اتصالات گيردار جوشي در سازه هاي فولادي ايجاد کرد نقطه اي عطفي در تاريخ اتصالات سازه هاي فولادي محسوب مي شود. تعدادي از ساختمانهاي فولادي جوشي با قابهاي خمشي (WSMF) ، در ناحيه اتصال تير به ستون دچار شکست شدند. ساختمانهاي آسيب ديده طيف وسيعي از ساختمانها را از نظر ارتفاع و عمر شامل مي شدند. ساختمانهاي با ارتفاع يک تا 26 طيقه ، و سازه هايي که درست در زمان زلزله بر پا شده بودند تا ساختمانهايي با عمر بيش از 30 سال،آسيب ديدند. علاوه بر اين سازه هاي آسيب ديده در منطقه جغراقيايي وسيعي پراکنده شده بودند. اين آسيب ديدگي ها حتي در مناطقي که نکان هاي متوسط زلزله را تجربه کرده بودند، مشاهده مي- شدند.]16[

کشف آسيب در ساختمانها هشدار دهنده بود.کشف اين آسيب ها اين انديشه را تقويت کرد که در زلزله هاي قبلي هم، آسيب هايي بوجود آمده است،که مخفي مانده اند. تحقيقات بعدي به درستي تأييد کرد که چنين آسيب هايي در زلزله 1992 «لندرز بيگ بير» و زلزله 1989 «لوماپريتا» اتفاق افتاده است.

سازه هاي فولادي جوشي با قابهاي خمشي به طور معمول در ايالات متحده و جهان،مخصوصاً براي ساخت سازه هاي متوسط تا بلند، مورد استفاده قرار مي گيرند. قبل از زلزله نورث ريج چنين تصور مي شد که اين نوع ساختمانها بسيار شکل پذيرند و از آسيب هايي که ظرفيت سازه را کاهش مي دهد مصون اند،چرا که آسيب هاي بسيار جدي به اين نوع سازه ها در زلزله هاي گذشته به ندرت گزارش شده بود وحتي هيچگونه گزارشي از فروريختن چنين سازه هايي وجود نداشت. کشف شکست ترد در تعدادي از ساختمانها تحت اثر زلزله نورث ريج، نياز آزمايش مجدد اين نوع اتصال را مسجل ساخت.

به هر حال ساختمانها آن طوري که انتظار مي رفت رفتار نکردند و به دليل آسيب هاي اتصالات ضررهاي اقتصادي قابل ملاحظه اي به وجود آمد. اين ضررها را مي توان به دوقسمت هزينه هاي مستقيم، شامل تحقيقات و تعميرات اين گونه اتصالات و همچنين هزينه هاي غير مستقيم،مربوط به عدم استفاده موقت و يا در بعضي موارد طولاني مدت از فضاي داخل اين ساختمانها تقسيم بندي کرد.

ساختمانهاي فولادي جوشي با قابهاي مقاوم خمشي، براي مقابله با تکانهاي زمين لرزه، بر اين اساس طراحي مي شوند که بدون از دست دادن مقاومت، قابليت تسليم و تغيير شکل خميري زيادي را دارا باشند. تغيير شکل خميري مورد نظر، دورانهاي پلاستيک درون تيرها در محل اتصالاتشان به ستون ها را شامل مي شود، که از نظر تئوري انرژي داده شده به ساختمانها را جذب مي کند. بدين ترتيب انتظار مي رود آسيب هايي مثل تسليم و کمانش ها ي موضعي در المانهاي فولادي اتفاق بيفتد، نه اينکه اتصال دچار شکست تردشود. بر اساس اين رفتار مورد انتظار، آئين نامه هاي ساختماني اجازه مي دادند که سازه هاي فولادي جوشي با قابهاي خمشي براي قسمتي از مقاومت لازم براي پاسخ به تکانهاي زمين لرزه حد طراحي،در محدوده پلاستيک طرح شوند. مشاهده آسيب هاي بوجود آمده در زلزله نورث ريج مشخص مي سازد که در بسياري از موارد، شکست هاي ترد اتصالات در محدوده هاي پائين خميري بوده اند و در بعضي موارد در حالي اتفاق افتاده اند که ساختمان هنوز در حد الاستيک بوده است.

 

2-2) انواع قابهاي ساختماني

در مبحـث دهـم مقـررات ملي ساختمـان ايـران ( طـرح و اجراي ساختمانهـاي فولادي )]4[ و نيز آيين نامه سازه‌هاي فولاديAISC]3[, سه نوع قاب ساختماني به همراه مفروضات محاسباتي مربـوط به آنهـا مـلاك طرح ومـحاسبة سـازه هاي فولادي قـرارگرفته اسـت و هـريك از آنـها با مشخصـاتي مختـص به خود تعيـن كننده ابعاد اعضاي سـازه و نـوع و مقاومت اتصـالات مربوط , مي باشد .

گروه اول : قـاب هاي صلب ( قابهاي يكسره )كه در آنها فرض مي شود اتصالات تيـر و ستون به اندازه كافي صلب هستنـد , طوريكـه در تغييـر شكل قاب , زاويه اوليه بين تير و ستون ثابت باقي مي ماند. بعبارت ديگر , ميزان قيد در برابرحـركت چرخشـي تير نسبـت به ستون بيشتـر از 90 درصـد گيرداري كامل ( ميزان تئـوري گيرداري ) تاميـن مي باشـد. اعضا و اتصـالات اين گروه قاب‌هـا در هر دو شيوه طراحي , يعني روش تنش هاي مجاز و نيز مقاومت نهايي در مقابل بارهاي قائـم و يا جانبي قابل محاسبه وطراحي مي باشند .

گروه دوم : قاب هاي ساده (آزاد ) كه در آنها فرض ميشود اتصالات تير وستون بدون گيرداري هستنـد. در مورد بار قائـم , اتصال انتهاي تيرها و شاهتيرها فقـط براي برش تعبيه شده است و مـي- تواند تحـت اثـر بار قائم , آزادانـه دوران كنـد. در اين نوع اتصـالات دوران آزادانـه تيـر نسبت به ستـون بـراي گيرداري كمـتر از20 درصد گيرداري كامـل , اتصـال سـاده فـرض مـي شود. استفـاده از قـاب هاي گروه دوم در سـاختمـانها در صـورتي مـجاز اسـت كه طـراحي سازه به روش تنـش هـاي مجـاز انجام گيرد و علاوه برآن سيستم مقاوم در مقـابل بـار جـانـبي براي ساختمان تعبيه شود و اتصالات تير و ستون ظرفيت در دوران غيـر ارتجـاعـي داشته باشند تا تنش‌هـاي توليد شـده در اجـزاي اتصـالات مانـند جوش تحت اثـر حالـت هاي مختلف بارگذاري , در حد مجاز باقي بماند .

گروه سوم : قاب هاي نيمه صلب ( انتهاي قطعات داراي گيـرداري نسبي ) كـه در آنـهـا فـرض مي شود اتصال انتهاي تيـرها و شاهتيـرها داراي ظرفـيت خمـشي به مقداري مشخص و قابل اطمينان , بين صلبيت گروه اول و انعطاف پذيري گروه دوم , مي باشد , يعني20 الي 90 درصد گيرداري كامل اتصال. استفاده از قابهاي گروه سوم در حالي مجاز است كـه محاسبه بطور مستدل نشان دهدكه اتصـالات نيـمه صـلب مفـروض ( به تنهـايي و يـا در تركيب با سيستم مقـاوم در برابر نيروهاي جانبي ) قادر اسـت اثـرمشترك بارهـاي قائـم و جانبي را در حد تنش هاي مـجاز تحمـل كند. درصد گيرداري اعضاي اصـلي كه به چنـيـن اتصالاتي وصل مي شوند , نبايد از اين مقدار حداقل بيشتر باشند .

ساختـمان هـاي نـوع (2) و (3) مـمـكن اسـت بعـضـي تغيـيـر شكل‌هـاي غيـرارتجاعـي امـا خود محدودساز ( Self limiting ) در قسمتي از فولاد ساختمان را ايجاب نمايند .

 

 

 

2-3) انواع اتصال تير به ستون در ساختمانهاي فولادي

بر اساس آنچه بيان شد , سـه نـوع اتصـال در ساختمـان هاي فـولادي كاربـرد دارد , كه هـريـك بايد تامين كننده يكسري نيازها باشد . در اين قسمت مهمترين جزئيات ايــن سه نوع اتصال تير به ستون همراه با توضيحات مختصــري راجع به آنها آورده مي شود .

 

2-3-1) اتصال صلب تير به ستون

يك اتصال صلب بايد قـادر به انتقـال كامل لنگر باشد و هيچگونه چرخش نسبي بيـن اعضاي وارد به اتصال بوجود نيـايد. از آنـجايي كه اكثـر لنگر خمشي تير به صورت يك زوج نيرو در بال هاي كششي و فشاري تيـر با بازوي تقريباً مســاوي در ارتفاع تير حمل مي گردد, نقـش اصلي يك اتصال صلب فراهم آوردن امـكانـاتي بـراي انتقـال ايـن نيروهـاي محوري مي‌باشد . همچنين از آنجايي كه اكثر نيروي برشي توسط جان تير حمل مي گردد پيوسـتگي كامـل اتصال ايجـاب مي كند كه نيروي برشي مستقيماً از جان انتقال پيدا كند.

در يـك اتصـال صلب تيـر به ستـون, تيـرها ممكن است از دو طـرف به هـر دو بـال ستون متصل شده باشـد , ( اشـكال 2-1 الـف , ب و پ ) و يا فقـط بـه يـك بـال ستـون مـتصل شوند ( شكل 2-1 ت ). همچنين ممكن است كه همانـند شكـل ( 2-2 ) تيـرها از يك يا دو طـرف به جـان ستـون بطور صـلب متصل شده باشنـد . تنـوع اتصالات صلب تير به ستون آنقدر زياد است كه مشكل بتوان ليست كامـلي از آنـها تهـيه نمود , ليـكن اتصـالات نشان داده شده در اشكال ( 2-1) و ( 2-2 ) امروزه به‌نحو گسترده تـري مورد استفاده قـرار مي گيرنـد. قسمتي از جوش اغلب اتصالات در كارخانه و يـا در روي زميـن انجـام ميشـود و بـاقي آن پس از نصب توسط جوش در محل تكميل مي شود .

هدف اصلي در طرح يك اتصال صلب, انتقـال نيروهاي موجود از طـريق اتصال بـدون هـرگونه تغيير شكـل موضعـي ناشـي از ايـن نيروها مي باشد . استفـاده ازاتصالات صلب در قاب هاي سازه هاي فولادي دو فايده دارد , اول اينكه از طرح و محاسبه پلاستيك كـه اقتصادي تر مي باشد , مي- تـوان استفاده كرد و ديگر اينكه اگر از طرح و محاسبه الاستيك استفاده شود, در صورت فشرده بودن تيرهاي متصل شده به ستون, مي توان از ده درصد كاهش مجاز لنگر خمـشي و ده درصـد افزايش تنش خمشي مجاز استفاده نمود .

در هر دو حالت, اتصال بايد قادر باشد تا ظرفيت پلاستيك اعضـاي متصل شـده بـه خود را انتقـال دهـد و نيـز آنقدر شكل پذير باشد تا بتواند دوران هاي مفصل پـلاستيك را تحمـل كند. آزمايش هاي انجام شده, توانايي اتصالات صلب را براي هر دو منظور فوق به اثبات رسانيده اند]5 [.

 

2-3-2) اتصال مفصلي تير به ستون

ايـن نـوع اتصـالات معمولا به دو صورت طـرح و اجـرا مي شـود . اتصـال با جـفت نبشـي جــان ( شكل 2-3 الف ) و يا اتصال با نبشي نشيمن ( شكل2-3 ب ).

در اين اتصالات سعي مي شود كـه حـداقل گيرداري بوجـود آيد و زاويـه بيـن تير و ستـون تا حـد امـكان آزادي دوران داشتـه باشـد . معمـولا در محاسبه اتصـال فـرض بر ايـن اسـت كـه اتصـال كليـه بـرش يا عكـس‌العمل موجود را , انتقال مي دهد و لنگر گيرداري به وجـود نمـي آورد و براي اين منظور قطعات اتصالي را تا حد امكان با انعطاف پذيري زيـادي قــرار مي دهـند تـا دوران زاويـه اي تيـر در تكيه گاه آزاد باشد . بـراي ايـن منـظور در اتصال نـوع اول , يعـني اتصال سـاده با جفت نبشي جـان , سعي مي گردد كه نبشي با ضخامت كـم انتخاب گردد تـا حـد امكان خمش پذير باشد و تنش هاي درجه دوم گيرداري كمتر بوجود آيد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل ( 2-1 ) اتصال صلب تير به ستون

 

 

 

 

شكل ( 2-2 ) : اتصال صلب تير به ستون

 

اتصـال سـاده با نبشي نشيمن را ميتوان به عنوان راه حل جايگزيـن اتصال سـاده با نبـشي جـان يا انـواع اتصـالات سـاده كه درآنها ازجان تيربراي برقراري اتصال استفـاده مـي گردد بكـار برد. در ايـن نوع اتصـال تير بر روي يك نشيمـن كـه مي تـواند تقويت نشـده ( انعطاف پذير )يا تقويت شده باشد , قرار ميگيرد, نشيمن انعطاف پـذير ( نبشي تنها ) شكل ( 2-3 ب ) .

براي تحمل تمام واكنش تكيه گـاهي تيـر طراحي گرديده اسـت . از ايـن نوع اتصـال بايد هميشه همـراه با يك نبشـي بالايي كه تنها وظيفه آن تاميـن تكيه گاه جانبي براي بال فشاري است , استفاده بعمل آيد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل ( 2-3 ) : دو نوع از اتصالات ساده اجرايي

 

وقتي كه واكنـش تكيـه گاهـي از حد قابل قبول براي نشيمن هاي ساده ( نبشي تنها ) تجاوز كند, مـي توان در اتـصـالات جوشي از نشيـمن هاي تقـويت شده با مقـطع Tاستفاده نمود. وقتي كه واكنـش تكيه گاهي تير به حدود20 تن مي رسد , ضخامت نبشي نشيمن تقويت نشده , بي انـدازه بـزرگ مي شـود كه در اين هنـگام استفاده از نشيمن تقويت شده راه حل مناسبي خـواهد بود . نشيمن هاي تقويت شده به منـظور انتقـال لنـگر بـكارگرفته نمي شود و وظيفه آنها تنها تحمل بارهاي قائم مي باشد. رفتار نشيمن هاي طاقـچه اي(brackets ) جـوش شـده بوسيـله جـن سن (c.d.jensen) مورد مطالعه قرار گرفته است .

زاويه بـرش لبـه آزاد سخـت كننده در رفتار نشيمن هاي تقويت شـده موثر است. اگر زاويـه حدوداً90 درجه باشد , سخت كننده خود مانند يك ورق سخت نشده تحت فشـار يكنواخت , رفتـار مي نمايد و بايد كمانش موضعي آن كنترل شـود , وقتـي كه ورق سخت كننده طوري برش خورده شـود كه ازآن يك صفحه سه گوش ايجاد گردد , رفتار متفاوتي از آن بروز مي كند ( شكل 2-4 ) ]7[.

 

 

 

 

 

 

شكل ( 2-4 ) : برشهاي مختلف نشيمن طاقچه اي

 

2-3-3) اتصالات نيمه صلب تير به ستون

در روش هاي محاسباتي كه براي يافتن لنگرها در اسـكلت هاي ساختمـاني مــورد استـفاده قـرار مي گيـرد , در كنـار دو نـوع تـكيـه گاه ســاده (شكل 2-5 ) وكاملاً گيردار نوع سومي هـم از تـكيه گاه به صورت نيمـه گيـردار وجـود داردكـه گـيرداري آن چيزي بيـن صفر تا صدرصد مي‌باشد. يعني دوران زاويه بين تير و ستـون صورت ميگرد ولي مقدار آن كمتـر از حالت (1) است و در عيـن حالمقـدار قابل توجهيلنگر گيرداري در تكيـه گاه توليـد مي گردد. گيرداري يـك اتصـال نيمه گيردار بسـته به وضع اتصال و بار و دهانه تير ممكن است مثـلاً 25% يا50% يا 75% و غيره باشد . يعني لنگر به وجـود آمده در تكيه گاه 25% يا 75% مقدار حالت (2) باشد .

يك تير با تكيـه گاه سـاده كه درآن لنگرهاي داخلي دريـك قسـمت از مقطع بيشترين لنگريعني 8/(L ²ω ) است , مقـرون به صـرفه نخـواهد بود. در يك تير با اتصالات كاملاً صلب, لنگرها در مقطع وسط تير كاهش يافته و مطابق آن لنگرهاي انتهايـي افزايش مي يابنـد . درواقع اين توزيع لنگر بين تكيـه گاه و وسـط تير به صـورت خـطي بـا تـغيـيرات سختـي تكيه گاهي انجـام مي گيـرد

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل ( 2-5 ) : تير با سختي هاي انتهايي مختلف تحت اثر بار گسترده

 

 

 

 

شکل( 2-6):توزيع لنگر در تير با سختي هاي انتهايي مختلف

اشكال ( 2-7 ) دياگرام هاي تغييرات لنگر تير را براي حالات مختلف گيرداري تكيه گاه و بارگذاري هاي مختلف نشان مي دهـد . در رديف شـشم اين اشـكال , رابطه خطـي تغييرات لنگر و سختي انتهايي تير ( R) ديـده مي شـود. بـا مـطالعـه اين اشكال مي توان نتيجه گرفت كه هيچكدام از دو حالت حدي0 % و100% گيردارياز نظـر وزن تيـر مـقرون به صـرفه نمـي باشد . مثـلاً در تيـري كه با بارگسـترده بارگذاري شده است حالتـي كه گيرداري تكيـه گاه كمـتر از75% است لنگر مثبت وسط دهانه عامل تعين كننده نمره تيرآهـن است و در حالتي كه گيرداري بيـش از 75% است, لنگر منفـي تكيه گاه عامل تعيين كننده مي گردد و حالت مقرون به صـرفه همان حالت 75% گيرداري اسـت كه درآن لنگر مثبت وسط دهانه و لنـگر منفي تكيـه گاه با هم برابرند وكوچـكتـرين لنگر را براي تعيين نمره تير به دست مي دهنـد. يعني اگر بتـوان اين مقدار گيرداري را در تكيه گاه بوجود آورد , اساس مقطع لازم براي تيـر نصـف حالـت تكيـه گاه ساده و4/3 حالت تكــيه گاه گيـردار خــواهــد بــود , يعنـي صـرفه جـويــي قــابـل مــلاحـظه اي بوجود مي‌آيد.

براي بارگذاري حالت هاي ديگر نيـز چنيـن وضعي برقـرار است, فـقط حالـت اول بارگذاري كه فقط يك نيروي ( W ) در وسط دهانه تير اثر ميـكند , تكيـه گاه 100% گيردار وضع مقرون به صرفه مي باشد. با اشكـال ( 2-7 ) مـي‌توان اينـطور نتيجه گيري نمود كه در هريك از حـالات بارگذاري حتي با توليـد 50% گيرداري مقادير قابل توجهـي صرفه جـويي در نمره تير آهـن بدسـت مي آيـد ودر عيـن حـال لنگر مثبـت وسط دهانه در آن , مقـداري اسـت كه در گيرداري هاي بيشتر لنگر بزرگتري از آن در هيچ نقطه اي از تير بوجود نمي آيد و يا به عبـارت ديـگر در صـورت بـروز گيرداري هـايبيش از 50% نيـز تيـري كه براي چنين حالتي محاسبه شده باشد , مقرون به اطمينان خواهد بود ]7[.

 

2-4- تقسيم بندي اتصالات در Eurocode, 1992:

مطابق آئين نامه اروپا EuroCode 3,1992)) دو پارامترمهمي که در دسته بندي اتصالات بکار مي رود مقاومت خمشي و سختي چرخشي اتصالات مي باشد. در رابطه با مقاومت خمشي اتصالات تقسيم بندي به شرح زير است:

1- اتصالات با مقاومت کامل

2- اتصالات با مقاومت جزئي.

3- اتصالات اسمي مفصلي.

در رابطه با سختي چرخشي اتصالات،تقسيم بندي بدين گونه است:

1- اتصالات صلب

2- اتصالات نيمه صلب

3- اتصالات مفصلي

که اين تقسيم بندي مشابه تقسيم بندي اتصالات در مبحث دهم مقررات ملي ساختماني ايران نيز مي باشد.

به غير از اتصالات مفصلي که در قاب هاي خمشي کاربرد ندارند، چهار حالت رفتاري اتصال به شرح زير موجود دارد:

الف- اتصالات با مقاومت کامل و صلب

ب- اتصالات با مقاومت کامل و نيمه صلب

پ- اتصالات با مقاومت جزئي و صلب

ت- اتصالات با مقاومت جزئي ونيمه صلب

نکته قابل توجه اين است که عنوان قاب نيمه صلب اغلب براي مورد(ب)و(پ)بکار مي- رود در حاليکه عبارت صلب براي قابهاي با اتصال صلب با مقاومت کامل بکار مي رود.

واضح است که حالت اتصال صلب و مقاومت کامل،حالت ايده ال مي باشد و عملکرد قاب را نفي نمي نمايد. بعلاوه از نقطه نظر محل جذب و پخش انرژي وارد بر سازه، حالت هاي مقاومت جزئي و کامل رفتارهاي متفاوتي نشان مي دهند. براي مدل کردن مناسب رفتار اتصال، بايستي هم خود اتصال و هم مقاطع اعضايي که بهم متصل مي شوند مورد توجه قرار گيرند. ]8 [

شکل( 2-7 ) : لنگرهاي ايجاد شده در دهانه تير در حالات مختلف بارگذاري

 

2-5 ) بررسي رفتار اتصال صلب

براي بررسي رفتار اتصالات بايد از منحني لنگر- چرخش زاويه‌اي اتصالات استفاده نمود.اين منحني مي‌تواند از نتايـج آزمايشـگاهي ، كامپيوتري و يا آماري براي هر نوع اتصالي بدست آيد.رفتار اتصال عبارت است از دوران نسبي تير و ستـون نسـبت به تغييرات لنگر.

يـك اتصال مفصل ، با حداقل گيرداري ، فقط براي تحمل برش ، طرح مي‌شـود در حاليـكه اتصـالات صـلب هنگامي به‌صورت موثر عملكرد مناسبي خواهند داشت كه ضمن تحمل برش ، اين

شرايط را نيز اقناع نمايند:

1- مقاومت بالا 2- ظرفيت دوران كافي

3- سختي مناسب 4- صرف هزينه و زمان كم براي ساخت.

براي آنكه يك اتصال صلب شرايط 1 تا 3 را داشته باشد ، بدون شك نخواهد توانست شرط چهارم را تأمين كند ، بنابراين بايد به دنبال يك اتصال بهينه باشيم ، اتصالي كه با صرف هزينه و زمان ساخت كمتر ، مقاومت قابل قبولي را از خود نشان دهد ( شكل 2-8 ). چنانچه در اين شكل مشاهده مي‌شود ، تغييرات دوران نسبت به لنگر ، در ابتدا به‌صورت خطي است ، اين قسمت در واقع نشان‌دهنده رفتار الاستيك اتصال بوده و در آن سختي اتصال ( ) ثابت مي‌باشد. پس از اين مرحله ، خط مستقيم به‌صورت منحني در مي‌آيد و نشان دهنده رفتار اتصال بين حالت الاستيك و پلاستيك همراه با كاهش تدريجي سختي مي‌باشد. در مرحله آخر منحني به‌صورت يك خط تقريباً افقي است. كه در آن اتصال با حفظ مقاومت دچار تغيير شكل دوراني زيادي مي‌شود]8[.

 

شكل ( 2-8 ) : منحني لنگر ، دوران براي انواع اتصالات

 

2-6- اتصال صلب توصيه شده در آئين نامه 2800 زلزله ايران

2-6-1- مقاومت اعضاء

منظور از مقاومت اعضاء مقاومت نهايي عضو يا اتصال بوده و شامل مقادير زير مي باشد:

جدول (2-1)

براي اعضا	مقدار مقاومت	نوع مقاومت
	خمش برش فشار محوري کشش محوري

 

براي اتصال ها	مقدار مقاومت	نوع مقاومت
	مقدار مجاز* 7/1 مقدار مجاز* 7/1	جوش لب با نفوذ کامل جوش لب با نفوذ نسبي و جوش گوشه پيچ

 

مقدار مجاز باربري براي انواع جوش بر اساس ضوابط مبحث 10 مقررات ملي ساخنمان تعيين مي گردد.]10 [

 

2-6-2- قاب هاي خمشي معمولي

اتصال تير به ستون قابهاي خمشي معمولي بايد منطبق بر ضوابط ذيل باشد، مگر اينکه بتوان نشان داد اتصال اين قابها توانايي مقاومت در مقابل ترکيب بار ثقلي بعلاوه 0.4R برابر نيروهاي زلزله طرح را دارا مي باشند. اتصال تير به ستون بايد ضوابط زير را ارضاء نمايد:

الف- اتصال تير به ستون بايد قادر به تأمين مقاومتي برابر با کمترين دو مقدار زير باشد:

1- مقاومت خمش تير

2- لنگر متناظر با مقاومت برشي چشمه اتصال

ب- اتصال تير به ستون را مي توان کافي براي حصول مقاومت خمشي تير در نظر گرفت اگر منطبق بر شرايط زير باشد:

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

2- اتصال بال تير به ورق اتصال بال توسط جوش لبه در امتداد موازي محور تير و يا با استفاده از حداقل دو رديف پيچ پر مقاومت اصطلاکي (جمعاً 4 پيچ براي هر بال) تأمين گردد.

3- از جوش و پيچ بطور همزمان براي انتقال نيرو از بال تير به ورق اتصال بال استفاده نشده باشد.

4- اتصال جان تير به ستون با استفاده از ورق اتصال جان به کمک جوش و يا پيچ پر مقاومت اصطلاکي تأمين گردد.

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

پ- هر اتصالي با استفاده از جوش يا پيچ هاي پر مقاومت که منطبق بر شرايط قسمت ب مذکور در بالا نيست، در صورتيکه به کمک محاسبات يا آزمايش ها نشان داده مي شود که شرايط قسمت الف را برآورده مي نمايد، مورد استفاده قرار گيرد. وقتيکه براي نشان دادن کفايت اتصال از روش محاسباتي استفاده مي شود، بايد 125 درصد مقادير مندرج در بند الف فوق ملاک محاسبه قرار گيرند.

 

 

 

شكل(2-9) – اتصال صلب توصيه شده در استاندارد 2800

ت- محدوديت هاي جزئيات بال: براي فولادهائي که مقاومت نهايي آنها () کمتر از 3/1 برابر مقاومت جاري شدن باشد، در اتصالات پيچي ورقهاي اتصال بال تير و ستون، بايد نسبت مقطع مؤثر به مقطع کلي (يعني ) بزرگتر از باشد و حداقل از دورديف پيچ در اين اتصال استفاده شود.]10 [

 

2-6-3- قابهاي خمشي ويژه (Special Moment Resistance Frame )

قابهاي خمشي ويژه علاوه بر ارضاء شرايط قابهاي خمشي معمولي بايد الزامات زير را نيز ارضاء نمايند:

 

2-6-3-1- چشمه اتصال

الف- چشمه اتصال تير به ستون بايد توانائي مقابله با برش ناشي از لنگر خمشي تير به علت بارهاي ثقلي بعلاوه 85/1 برابر نيروهاي زلزله را دارا باشد، ليکن مقاومت برشي لازم نيست از برش نظير تيرهاي متصل به بالهاي ستون در محل اتصال بيشتر باشد. مقاومت برشي چشمه اتصال را مي نوان با استفاده از رابطه زير محاسبه نمود.

(2-1)

 

که در آن:

t : ضخامت جان ستون بعلاوه ضخامت ورق مضاعف

d_d :ارتفاع مقطع تير

D_c :ارتفاع مقطع ستون

b_c : عرض بال ستون

T_cf:ضخامت بال ستون

 

ب- ضخامت چشمه اتصال : بايد رابطه زير را نيز اقناع نمايد

(2-2)

 

d_z :عمق چشمه اتصال بين ورقهاي پيوستگي

W_z: عرض چشمه اتصال بين بالهاي ستون

براي اين منظور، نبايد شامل ضخامت هرگونه ورق مضاعف باشد، مگر اينکه ورق مضاعف توسط جوش انگشتانه کافي به منظور جلوگيري از کمانش موضعي،به جان ستون جوش شود.

پ- ورق مضاعف

ورقهاي مضاعف به منظور کاهش تنش برشي در چشمه اتصال يا کاهش نسبت ارتفاع به ضخامت جان به کار گرفته مي شوند. فاصله اين ورقها نبايد بيش از 5/1 ميليمتر از جان ستون باشد و بايد در طول لبه فوقاني و لبه تحتاني ورق با جوش گوشه با بعد حداقل مساوي 5 ميليمتر جوش شوند. اين ورقها بايد با استفاده از جوش شياري يا گوشه به منظور حصول مقاومت برشي ورقهاي مضاعف به بال ستون جوش شوند.]10 [

 

2-6-3-2- نسبت عرض به ضخامت بال

تيرها بايد ضوابط مقاطع فشرده طبق مبحث 10 مقررات ملي ايران را براورده سازند بعلاوه نسبت عرض به ضخامت بال آنها، يعني نبايد از تجاوز نمايد.

(bf عرض کل و tf ضخامت بال)

 

2-6-3-3- ورقهاي پيوستگي

در تعيين احتياج يا عدم احتياج به ورقهاي پيوستگي در ناحيه اتصال در مقابل بال کششي تير،نيروي کششي بال در رابطه زير بايد مساوي منظور گردد.

(2-3)

 

2-6-3-4- در هر اتصال از قاب خمشي ويژه بايد روابط زير اقناع گردند:

(2-4-الف )

(2-4-ب )

که در روابط فوق : و تنش هاي جاري شدن ستون و تير مي باشد. همچنين f>0 بوده و نيز و مقادير اساس پلاستيک مقطع هاي ستون و تير مي باشد.

: مجموع لنگرهاي تيرها که متناظر با مقاومت برشي چشمه اتصال محاسبه مي- شود.

ستونهايي که شرايط مقطع فشرده را براورذه مي نمايند در صورتيکه يکي از شرايط زير را نيز براورده نمايند،لازم نيست ضوابط بالا را ارضاء نمايند:

 

الف- ستونها با کوچکتر از 4/0 براي تمام ترکيبات بارگذاري

ب- ستونها در هر طبقه اي که مقاومت برشي جانبي آن 50 درصد بزرگتر از طبقه فوقاني آن باشد.

 

2-6-3-5- مهاربندي تيرها

هردوبال تير بايد بطور مستقيم و غير مستقيم،مهار جانبي شوند.فاصله بين مهارهاي جانبي تيرها در حد فاصل محور ستونها نبايد از 96 برابر (شعاع ژيراسيون تير) تجاوز نمايد.

 

2-6-3-6- تغيير در مساحت بال تير

در قابهاي خمشي ويژه، در ناحيه اي که امکان تشکيل مفصل پلاستيک وجود دارد،هر گونه تغيير ناگهاني در مساحت بال ممنوع مي باشد.

 

 

2-7)- انواع اتصالات صلب توصيه شده در آئين نامه FEMA 350

در آئين نامه FEMA 350 سه گروه اتصال صلب معرفي شده است که گروه اول اتصالات کاملاً صلب جوشي و گروه دوم اتصالات کاملاً صلب پيچي و گووه سوم اتصالات نيمه صلب مي باشد.

اتصالات آئين نامه FEMA 350 براي ساختمان هاي جديد توصيه شده است.در گروه اول 5 نوع اتصال صلب جوشي معرفي شده است.اسامي آنها در جدول(2-2) آمده است.

 

جدول (2-2)- اتصالات صلب جوشي آئين نامه FEMA 350

نوع قاب	انواع اتصال
معمولي	بال جوش شده – جان پرچ شده (WUF-B)
معمولي و ويژه	بال جوش شده – جان جوش شده (WUF-W)
معمولي و ويژه	بال آزاد (FF)
معمولي و ويژه	مقطع کاهش يافته تير(RBS)
معمولي و ويژه	ورق بال جوش شده (WFP)

 

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

در اين نوع از اتصال بال تير مستقيماً به بال ستون با جوش شياري متصل گرديده و جان تير بوسيله ي ورق برشي توسط پيچ به بال ستون متصل مي گردد.کاربرد اين اتصال در قابهاي خمشي معمولي مي باشد که محدوديتها و نحوه ي طراحي اين نوع اتصال بطور کامل در اين آئين نامه شرح داده شده است. از جمله ي اين محدوديتها حداقل نسبت دهانه به ارتفاع تير برابر 7 و ماکزيمم ضخامت بال تير 1 اينچ مي باشد. (شکل 2-10)

 

 

شکل( 2-10)- اتصال صلب WUF-B

 

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

در اين نوع از اتصال بال تير مستقيماً به بال ستون با جوش شياري متصل گرديده و جان بوسيله ي ورق برشي به بال ستون جوش د اده مي شود. اين نوع اتصال در قابهاي خمشي ويژه و معمولي کاربرد دارد و جزئيات طراحي آن در FEMA 350 به طور کامل ارائه شده است. از جمله محدوديتهاي اين اتصال مي توان به موارد زير اشاره نمود.(شکل 2-11)

الف-در قابهاي خمشي معمولي L: طول دهانه

در قابهاي خمشي ويژه D: ارتفاع تير

 

ب- در قابهاي خمشي معمولي ضخامت بال تير

در قابهاي خمشي ويژه

 

شکل( 2-11) - اتصال صلب WUF-W

 

اخيرا يك مطالعه عددي و آزمايشگاهي بر روي اين اتصال انجام شده كه جزئيات اجرائي نمونه آزمايش در شكل(2-12) آمده است و نتايج ابزار اجزا محدود با نتايج آزمايشگاهي كاليبره شده است]12[.براساس نتايج بدست آمده تمركز تنش شديدي در نزديكي ريشه جوش وجود دارد كه استعداد جوش و منطقه حرارت ديده مجاور را براي بروز ترك و پارگي تشديد مي نمايد . اين مساله

 

 

 

 

 

شکل( 2-12)- جزئيات نمونه آزمايشگاهي

در شكل(2-13) قابل ملاحضه است. در صورتي كه مقاومت فلز جوش مناسب انتخاب شده باشد و نواقص قابل ملاحظه در اجراي جوش بخصوص نفوذ و ذوب ناقص وجود نداشته باشد انتظارميرود كه ريشه جوش بتواند تلاشهاي وارده را بدون شكل گيري و گسترش ترك تحمل نمايد و مكانيزم خرابي دراتصال به سمت كمانش پاد متقارن بالها در فاصله اي كوچكتر از عمق تير از لبه اتصال در غالب يك مكانيزم نسبتا پايدار با شكل پذيري مناسب و حدود 20 در صد كاهش در مقاومت نهايي هدايت گردد كه در مقايسه با ساير

مكانيزمهاي محتمل مطلوب تر به نظر ميرسد . كمانش بالها از تغير مكان حدود 4 برابر حد تسليم بطور مشهود ملاحظه مي گردند. فرم عمومي رفتار هيسترتيك اتصال در شكل (2-14) قابل ملاحظه است. نتايج نشان دهنده ظرفيت چرخش 6.5 درصد راديان و نسبت شكل پذيري چرخشي حدود 8 شده است كه عملكردي مناسب جهت بكارگيري در قابهاي شكل پذير محسوب ميگردد .لازم به ذكر است كه اين انتظارات تنها در شرايط ذكر شده قابل دستيابي است و با توجه به آنكه در نزديكي محل جوش تمركز تنش قابل توجهي موجود است در صورت وجود هرگونه ضعف اتصال رفتاري بسيار حساس نشان داده و ظرفيت هاي لنگر نهايي و چرخش هاي خميري در پي بروز مكانيزمهاي ترد به فرم پارگي و گسترش ترك به شدت نزول مينمايند.]12[