ارزیابی اجزاء محدود اثرات استفاده از فولاد پرمقاومت بر عملکرد قابهای فولادی تحت بارگذاری چرخه ای
با توجه به پیشرفتهای به وجود آمده درتکنولوژیهای ساخت فولادهای ساختمانی امروزه شاهد ساخت انواع فولاد با خواص و مقاومتهای متفاوت هستیم. هر یک از انواع این فولادها دارای کاربرد خاص و مشخصی میباشد که استفاده از آن را در سازههای خاص توجیه پذیر میکند. با توجه به تنوع فولادهای موجود در بازار یکی از گزینههایی که میتوان به جای فولاد نرمه متداول (St37) در سازهها استفاده کرد، استفاده از فولادهای پرمقاومت میباشد. این فولادها به دلیل مقاومت نهایی بیشتری که دارند سبب کوچکتر شدن مقاطع طراحی و صرفهی اقتصادی میشوند. هدف این پژوهش بررسی ظرفیت قاب فولادی با استفاده از دو ردهی فولاد نرمهی ساختمانی و فولاد پر مقاومت آلیاژی و ارائهی راهکار برای مشکلات استفاده از فولاد پر مقاومت میباشد. برای مدلسازی از المان صفحهای SR8 با 8 نقطهی انتگرال گیری، تحت بارگذاری چرخهای با کنترل جابهجایی تا لحظهی گسیختگی با معیار گسیختگی کرنش پلاستیک معادل (PEEQ) استفاده شده است. نتایج نشان دهندهی این مساله است که با وجود افزایش ظرفیت لنگر نهایی و ظرفیت دوران به دلیل استفاده از فولاد پرمقاومت، گسیختگی زودرس در چرخههای بارگذاری پایینتر موجب کاهش ظرفیت استهلاک انرژی در مقایسه با فولاد نرمهی ساختمانی میشود. اضافه کردن اتصال تیر با مقطع کاهش یافته (RBS) به این نمونهها موجب افزایش ظرفیت استهلاک انرژی در فولاد پرمقاومت نسبت به فولاد نرمهی ساختمانی شده است.
تولید فولادهای پرمقاومت با خواص مناسب مانند شکلپذیری و مقاومت بالا در طی 50 سال اخیر توسعه یافته است. ولی به علت عدم شناخت مهندسین، استفاده از آنها در صنعت ساخت و ساز متداول نیست. تا زمانی که مشخصات این فولادها به طور کامل ارزیابی نشود و عملکرد آنها در بارگذاریهای لرزهای مورد تحقیق و بررسی قرار نگیرد، استفاده از این فولادها که موجب اقتصادی شدن پروژههای ساخت و ساز میشوند، توسعه نخواهد یافت. طی سالیان اخیر، با پیشرفت تکنولوژی، نیاز صنایع به محصولات با کیفیت بالا، باعث افزایش تقاضا برای تولید فولادهای پرمقاومت، همراه با شکلپذیری بیشتر و چقرمگی کافی گردیده است.
در این راستا تحقیقات گستردهای توسط محققین علوم متالورژی بر روی بهبود خواص فولادها انجام شده است. اولین هدف در این تحقیقات آن بوده که بتوانند فولادهایی با مقاومت بالاتر، شکلپذیری بیشتر و قابلیت جوشکاری بهتر تولید نمایند. همچنین در تحقیقات اخیر بر روی این نکته متمرکز شدهاند که بتوانند مقدار فولاد مصرفی را با توجه به مقاومت و شکلپذیری مورد نیاز کاهش دهند.
در گذشته تهیه فولادهای پرمقاومت تنها از طریق عملیات استحکام رسوبی و یا افزودن عناصر آلیاژی نظیر نیکل، کروم، مولیبدن و … با درصد بالا امکان پذیر بود. استحکام رسوبی اگر چه مقاومت را افزایش میدهد ولی سبب تردی نیز میشود. لازم به ذکر است که به علت حضور عناصر آلیاژی، طبیعی است که این فولادها قیمت زیادی نیز داشته باشند.
در زمینه بررسی اثرات استفاده از فولاد پرمقاومت در سازههای فولادی تحقیقات مختلفی انجام شده است. این تحقیقات عمدتا به صورت آزمایشگاهی بوده و در آن به صورت موردی، رفتار فولاد و اتصال در هندسه ابعادی مشخصی در بارگذاری دینامیکی مورد ارزیابی قرار گرفته است. این تحقیقات معمولا به صورت تجربی و بر اساس نتایج آزمایشهای صورت گرفته میباشد. وجود برخی محدودیتها در هندسه، ابعاد، جنس فولاد و… در مطالعات آزمایشگاهی سبب شده است تا روشهای عددی به تدریج جایگزین این روشها شود. از این رو در این مقاله سعی شده است تا با مدلسازی و تحلیل عددی اتصالات صلب ساخته شده از فولادهای پرمقاومت تحت بارگذاری چرخهای، ظرفیت لرزهای و شکلپذیری این نوع اتصالات مورد بررسی قرار گیرد.
مدل سازی
در این بخش به تشریح روابط، خواص و اصول حاکم بر مواد مورد استفاده در اجزاء سازهای (A36 و A514 در استاندارد ASTM یا همانSt37 و St52 در استاندارد اروپایی) پرداخته میشود. مختصری از تئوری ارتجاعی و خمیری و مکانیزم تسلیم و شکست فولاد تشریح میشود. در بخش بعدی رویکرد تحلیلی مربوط به مدلهای اجزاء محدود و معیارهای مورد بررسی در این پژوهش تشریح میشود و در انتها مدلهای اجزاء محدودی که در محیط آباکوس ایجاد شده تشریح میگردد.
نمودار تنش – کرنش مربوط به فولادهای سازهای را در شکل (1) مشاهده میکنید. از میان انواع مختلف فولاد، دو نوع فولاد نرمه ساختمانی و فولاد پرمقاومت آلیاژی بدین منظور انتخاب شده است. برای استفاده از پارامترهای این دو نوع فولاد در محیط آباکوس لازم است تا تغییراتی بر روی این پارامترها داده شود.
صحت سنجی
به منظور ارزیابی صحت نتایج مدلسازی اجزاء محدود از نتایج تحقیقات Yunlu Shen(2009) بر روی رفتار لرزهای اتصالات تیر با مقطع کاهش یافته استفاده شده است. در این پژوهش Yunlu Shen رفتار جزئیات متفاوتی از اتصالات RBS را با رده فولادهای نرمه و پرمقاومت بررسی کرده است.
در شکل (3) مدل اجزاء محدود مربوط به آزمایش Yunlu Shen را مشاهده میکنید. برای اجزاء تیر و ستون از المان Shell چهار گرهی S4R و برای مقطع کاهش یافته از المان Shell هشت گرهی S8R استفاده شده است.
به منظور صحت سنجی مدلسازی از منحنی رفتار (بار- جابهجایی) مربوط به دو نمونه تحت آنالیز پوش آور (استاتیکی- غیرخطی) استفاده شد. انطباق مناسب دو منحنی نشان دهندهی خطای کم مربوط به مدلسازی اجزاء محدود است.
نتایج
به منظور تامین اهداف این پژوهش، سه نمونه با مشخصات هندسی ثابت و با استفاده از مشخصات مکانیکی دو رده فولاد نرمه ساختمانی (St37) و فولاد پرمقاومت آلیاژی (St52-HSS) مدلسازی شده است. برای تامین شکلپذیری بیشتر در فولاد پرمقاومت (HSS) از اتصال تیر با مقطع کاهش یافته (RBS) استفاده گردید که نتایج بصورت زیر میباشند.
جابجایی تسلیم برای هر سه نمونه بدست آمد و با استفاده از الگوی بارگذاری چرخهای تا رسیدن به کرنش پلاستیک معادل (PEEQ) گسیختگی به نمونهها اعمال شد. لحظه ی رسیدن مدلها به معیار کرنش پلاستیک معادل نشان داده شده است.
استفاده از اتصال تیر با مقطع کاهش یافته محل تشکیل مفصل پلاستیک را به محل اتصال RBS انتقال داده است.
منحنی چرخه ای لنگر دوران مدل شماره ی یک آورده شده است. در این نمونه اتصال به لنگر نهایی 10334.17KN.mm و دوران 1.8% رادیان رسیده است. مساحت داخل این منحنی که معادل استهلاک انرژی در چرخههای بارگذاری است برابر با 1.69E+06N.mm2 میباشد.
منحنی چرخهای لنگر دوران مدل شمارهی دوم آورده شده است. در این نمونه اتصال به لنگر نهایی 18273.45KN.mm و دوران 2.3% رادیان رسیده است. مساحت داخل این منحنی که معادل استهلاک انرژی در چرخههای بارگذاری است برابر با 1.50E+06N.mm2 است. در این نمونه استفاده از فولاد پرمقاومت آلیاژی سبب شده است تا لنگر به اندازه ی 76% و دوران به اندازهی27% افزایش پیدا کند. با این وجود به خاطر گسیختگی فولاد St-52 در چرخههای پایینتر، موجب کاهش 11% استهلاک انرژی شده است.
بدون دیدگاه