مقاوم سازی با استفاده از فولاد پر مقاومت (HSS)

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.