مقاوم‌سازی اتصالات خورجینی توسط دستک‌های کمانش ناپذیر در سازه های فولادی

تعداد زیادی از سازه‌های موجود در ایران را قاب‌های ساده خورجینی بدین صورت که که تیرهای باربر در طرفین ستون‌ها روی نبشی‌هایی به طور یکسره قرار دارند، تشکیل می‌دهند. لذا این اتصال تأمین‌کننده نشیمن برای عبور یک جفت تیر سرتاسری از طرفین ستون است. همچنین در شکل سنتی این اتصالات معمولاً در بالای هر تیر نیز یک نبشی وجود دارد. سازه‌های با اتصالات خورجینی در ناحیه اتصال بسیار ضعیف و شکننده هستند و به دلیل رواج این اتصال در بین سازه‌های فولادی موجود، مقاوم‌سازی این ساختمان‌ها امری ضروری می‌باشد. از آنجا که اتصالات خورجینی به خصوص اتصالات به شکل سنتی فاقد مقاومت خمشی کافی می‌باشند، این نوع قاب‌ها توان مقابله با نیروهای زلزله را نداشته و نیازمند تقویت لرزهای هستند. روش‌های متفاوتی برای تقویت این قاب‌ها وجود دارد، از جمله آن‌ها می‌توان به مهاربندی نمودن قاب و یا تقویت اتصالات آن به منظور تقویت رفتار خمشی اشاره نمود. اصولاً قاب‌های مهاربندی شده به دلیل بروز پدیده کمانش در مهاربندها از قابلیت جذب انرژی مطلوبی برخوردار نیستند و در نتیجه باید برای نیروی زلزله بالایی طراحی شوند که این امر موجب بالا رفتن حجم عملیات مقاوم‌سازی و هزینه‌های آن می‌گردد.

هدف اصلی در این پژوهش استفاده از  نوع خاصی از میراگرهای هیسترزیس تحت عنوان دستک‌های کمانش ناپذیر به منظور تقویت لرزهای ساختمان‌های با اتصالات خورجینی و  بررسی رفتار آن‌ها تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی (بار افزون) پس از تقویت می‌باشد.

بدین منظور دو ساختمان 5 و 11 طبقه فولادی با اتصالات خورجینی متداول و سختی پیچشی اتصالات با فرض انتقال لنگر بین تیر و ستون به میزان 2%، 8%، 15%، 30%، 60% و 70% لنگر پلاستیک تیرهای قاب خورجینی و دوران مجاز 0/01 رادیان مورد بررسی قرار گرفتند.

مشخصات سازه‌ها

ساختمان‌های مورد مطالعه، سازه‌های فولادی 5 و 10 طبقه با کاربری اداری، پوشش سقف تیرچه بلوک، طول دهانه‌ها 5 متر و ارتفاع طبقات 2/3 متر با پلان مطابق شکل(1) با فرض قرارگیری روی خاک نوع II،  به صورت سه بعدی مدل‌سازی و تحلیل و سپس مورد ارزیابی و طراحی قرار گرفته‌اند. قاب‌ها دارای 5 دهانه در راستای طولی و 3 دهانه در راستای عرضی بوده و اتصالات راستای طولی از نوع خورجینی و در راستای عرضی اتصالات مفصلی با مهاربندی‌های همگرا می‌باشند.

شکل (1): پلان سازه‌های مورد بررسی

بارگذاری ثقلی

با توجه به جزئیات اجرایی در نظر گرفته شده است.

بارگذاری جانبی

بار جانبی غالب بر سازه‌های مورد بررسی، بار زلزله می‌باشد. بارگذاری زلزله جهت طراحی مدل‌ها در این پژوهش بر اساس استاندارد 2800 ایران، (آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله، ویرایش چهارم) محاسبه شده است. لذا با توجه به این که سازه‌های مورد مطالعه الزامات مربوط به منظمی در پلان و ارتفاع را دارا می‌باشند، در محاسبه نیروی زلزله  از روش استاتیکی معادل استفاده گردید. محل قرارگیری سازه‌های مورد بررسی تهران فرض شده است که با توجه به قرارگیری این شهر در پهنه‌ی خطر نسبی خیلی زیاد، نسبت شتاب مبنای طرح،  می‌باشد و با توجه به کاربری اداری ساختمان، ضریب اهمیت ساختمان 1= I در نظر گرفته شده است. جهت تخمین مناسبی از مقاطع تیرها و ستون‌ها، ابتدا ساختمان‌ها با اتصالات خمشی طراحی و سپس مدل‌ها تبدیل به قاب‌های با اتصالات خورجینی شدند. این مدل‌های سازهای جهت محاسبه ضریب رفتار و ارزیابی رفتار قاب‌های بهسازی شده مورد بررسی قرار گرفتند. در نتیجه ضریب رفتار اولیه جهت طراحی سازه‌ها در جهت طولی برابر 5=  (قاب خمشی فولادی متوسط) و در جهت عرضی 5/5=  (قاب مهاربندی همگرای ویژه) فرض شده است.

مشخصات مصالح فولادی

نوع فولاد مصرفی از نوع 37-ST در نظر گرفته شده است.

نحوه مدل‌سازی و تحلیل و طراحی

جهت مدل‌سازی و تحلیل و طراحی از نرم‌افزار SAP استفاده گردید. در طراحی از آیین‌نامۀ AISCASD89 استفاده شد که اصول و روابط حاکم بر این آیین‌نامه با مبحث دهم مقررات ملی ساختمانی ایران که مرجع طراحی سازه‌های فولادی در کشور است، مشابه می‌باشد. اثر P-Δ نیز با در نظر گرفتن ترکیب بارهای ثقلی مرده و زنده و بزرگترین ضرایب مربوط به بار ثقلی در ترکیب بارهای شامل بار جانبی اعمال گردیده است. پس از طراحی سازه، تغییر مکان جانبی نسبی واقعی طبقه و نسبت تنش ستون‌ها تحت زلزله تشدید یافته کنترل گردید که اثر ترکیب بار زلزله تشدید یافته نسبت به بارگذاری معمولی کمتر بود.

لزوم مقاوم‌سازی ساختمان‌های با اتصالات خورجینی

هرگاه اتصال خورجینی متعارف تحت لنگر ناشی از زلزله قرار گیرد تمرکز تنش شدیدی در محل جوشکاری به وجود می‌آید که سرانجام موجب گسیختگی جوش می‌شود و به همین دلیل این نوع اتصال فاقد شکل‌پذیری کافی است و برای استفاده در مناطق لرزه‌خیز مطلوب نمی‌باشد. بنابراین ساختمان‌های با اتصالات خورجینی نیازمند مقاوم‌سازی در مقابل بارهای لرزهای می‌باشند. همچنین رفتار اتصالات خورجینی در مقابل بارهای ثقلی و جانبی زلزله به‌طور دقیق معلوم نیست.

خاصیت چرخشی این اتصال و نحوه توزیع تنش در بخش‌های مختلف آن و سختی این اتصال کاملاً مشخص نبوده و به علت نیمه صلب بودن آن مقداری لنگر از تیر به ستون انتقال می‌یابد که اتصال باید قابلیت انتقال این لنگر را داشته باشد. به همین دلایل بایستی بررسی کلی قاب با اتصال نیمه صلب انجام شود و با در نظر گرفتن ضوابط قاب‌ها با اتصال نیمه صلب تحلیل و طراحی گردد.

تحلیل استاتیکی غیرخطی

در این روش منحنی هیسترزیس رفتار اعضای سازه در نظر گرفته شده و ماکزیمم جابجایی‌های غیرخطی در بررسی عملکرد سازه مدنظر قرار می‌گیرد. در این روش نیروی زلزله را به صورت یک الگوی بار جانبی که در ارتفاع سازه توزیع شده است به سازه وارد کرده و به تدریج گام‌به‌گام افزایش می‌دهند تا اولین عضو وارد رفتار غیرخطی شود در این مرحله سختی عضو تسلیم شده در ماتریس سختی کلی سازه تصحیح شده و سپس افزایش بار جانبی ادامه می‌یابد تا عضو بعدی هم تسلیم شود و سختی آن نیز اصلاح‌شده و این روند ادامه می‌یابد تا زمانی که سازه به تغییر مکان هدف برسد یا دچار ناپایداری استاتیکی شود. رابطه بین برش پایه و تغییر مکان نقطه کنترل باید برای هر گام افزایش نیروهای جانبی تا رسیدن به تغییرمکانی حداقل 5/1 برابر تغییر مکان هدف ثبت شود.

به منظور انجام تحلیل پوشاور (بار افزون) در  نرم‌افزار Sap از مدل معادل دوبعدی سازه سه‌بعدی طراحی شده به روش تنش مجاز استفاده شده است. برای انجام تحلیل غیرخطی باید مدل به کار گرفته شده در  تحلیل‌های خطی با در نظر گرفتن مقاومت اعضا و رفتار فرا ارتجاعی آن‌ها ارتقا یابد.

ترکیبات بارگذاری

در مدل‌سازی، بارهای ثقلی اعضا در ترکیب با بارهای جانبی اعمال می‌گردد. ابتدا بارهای ثقلی بر سازه اعمال شده سپس بارهای جانبی به مجموعه بارها اضافه می‌شود. علت این امر آن است که در تحلیل غیرخطی اصل جمع آثار به‌طور کلی معتبر نمی‌باشد. لذا برای هر ترکیب بارگذاری لازم است تحلیل سازه از ابتدا و به‌طور کامل انجام شود. بنابراین بارهای ثقلی باید هم‌زمان با بارهای جانبی به سازه اعمال شوند.

بارهای ثقلی

در ترکیب بارگذاری ثقلی و جانبی، حد بالا و پایین اثرات بار ثقلی(QG) باید از روابط زیر محاسبه شود:

بارهای جانبی

الگوی بار جانبی نشان‌دهنده نحوه توزیع نیروهای اینرسی در زلزله بر روی سازه است. واضح است که توزیع نیروهای اینرسی برحسب شدت زلزله (گسترش تغییرشکل‌های غیر ارتجاعی) و مدت زمان تغییر می‌نماید. به‌طور کلی توزیع بار جانبی در مدل سازه باید تا حد امکان شبیه به آنچه که هنگام زلزله رخ خواهد داد باشد و حالت‌های بحرانی تغییر شکل و نیروهای داخلی را در اعضا ایجاد نماید. توزیع بار جانبی باید متناسب با دو نوع توزیع زیر به سازه اعمال شود.

1. توزیع نوع اول: توزیع متناسب با شکل مود اول ارتعاش در جهت مورد نظر
2. توزیع نوع دوم: توزیع یکنواخت که در آن بار جانبی متناسب با وزن هر طبقه محاسبه می‌شود.

مدل‌سازی و رفتار اجزای سازه

هدف این پژوهش مقاوم‌سازی قاب‌ها با اتصالات خورجینی توسط دستک‌های کمانش‌ناپذیر می‌باشد. جهت استفاده از این‌گونه دستک‌ها لازم است که عدم تداخل و ایجاد مزاحمت در معماری (از جمله عدم تداخل با بازشوهای موجود در ساختمان) و همچنین کاهش تمرکز تنش در کنج‌های اتصالات خورجینی و افزایش شکل‌پذیری اتصال مدنظر قرار گیرد. در این پژوهش دستک‌های به طول محور تا محور 105 سانتیمتر به طوریکه کمترین تداخل را در معماری ساختمان ایجاد نماید مطابق شکل (2) مدل‌سازی گردید.

لازم به ذکر است به جهت طراحی شده بودن سازه‌ها و کنترل زلزله تشدید یافته، انتظار میرفت در برابر بارهای جانبی المان‌های تیرها و ستون‌ها به صورت خطی باقی مانده و در رفتار غیرخطی دخالت چندانی نداشته باشند که با اختصاص  مفصل‌های پلاستیک auto به مقاطع تیرها و ستون‌ها و عدم تشکیل مفصل در آن‌ها این مسئله کنترل گردید. در این سیستم ساختمانی جذب انرژی و خسارت در ناحیه دستک‌ها تمرکز می‌یابد که یکی از محاسن آن به حساب  می‌آید. 

شکل (2): نحوه مدل‌سازی دستک‌های کمانش‌ناپذیر

شکل (3): منحنی پوش مهاربندهای کمانش‌ناپذیر

معیارهای پذیرش مهاربندهای کمانش ناپذیر

برای تحلیل‌های غیرخطی و بدست آوردن معیارهای پذیرش مهاربندهای کمانش ناپذیر از نتایج آزمایشات شرکت نیپون استفاده گردید. یک نمونه از آن نتایج در شکل (4) آورده شده است. با وجود آنکه در منحنی‌های رفتاری مهاربندها، نیروهای واقعی و جابجایی‌ها به مساحت هسته فولادی بستگی دارد، رفتار مهاربندهای کمانش ناپذیر در تمام آزمایشات رفتاری پایدار و مستقل از ظرفیت مهاربند می‌باشد.

نتایج آزمایشات حاکی از آن است که هر کدام از مهاربندهای کمانش ناپذیر مورد آزمایش، ظرفیت شکل پذیری 20 برابر بیشتر از تغییر شکل تسلیم محوری مهاربند دارند. این ظرفیت شکل‌پذیری نشان‌دهنده حداکثر ظرفیت مهاربندها نمی‌باشد زیرا آزمایشات تا مرحله خرابی مهاربندها پیش نرفته است.

شکل (4): نتایج آزمایش شرکت نیپون

مدل‌سازی اتصال خورجینی

نتایج تحقیقات گذشته حاکی از آن است که در نمونه‌های با اتصالات خورجینی سختی اولیه و مقاومت نهایی با افزایش طول نبشی‌ها و ارتفاع تیر افزایش می‌یابد و علاوه بر آن، مقاومت نهایی در تمامی اتصالات کمتر از لنگر پلاستیک در تیرها می‌باشد.

جدول 1: مشخصات المان معادل اتصال خورجینی

ارائه خروجی‌ها

پس از انجام آنالیزهای خطی و غیرخطی به جهت تعیین ضرایب رفتار کلی سازه که تقاضای هر زلزله می‌باشد، برش پایه حاصل از مدل های غیرخطی و در حالت ماکزیمم Vy و نیز برش پایه ماکزیمم در حالت الاستیک Ve در قالب جداولی به صورت خلاصه در زیر آورده شده است.

نتایج ضرایب رفتار کلی سازه‌های 5 طبقه

منحنی پوش قاب‌های 5 طبقه در شکل‌های زیر آورده شده است. همچنین ضرایب اضافه مقاومت و کاهش نیرو در اثر شکل‌پذیری و درنهایت ضریب رفتار در حالت نهایی در جداول زیر آورده شده است. (منظور از 1-2-5 سازه 5 طبقه با درصد گیرداری اتصالات 2% و تحت پوش با بارگذاری ثقلی تحت بار Q_G1 می‌باشد و سایر منحنی‌ها نیز به همین شیوه نامگذاری شده‌اند).

شکل (5): نمودار برش پایه – تغییر مکان قاب پنج طبقه با اتصال خورجینی

جدول2: ضریب رفتار قاب‌های پنج طبقه تحت PUSH-X1

جدول3: ضریب رفتار قاب‌های پنج طبقه تحت PUSH-X2

نتایج ضرایب رفتار کلی سازه‌های 11 طبقه

شکل (6): نمودار برش پایه – تغییر مکان قاب ده طبقه با اتصال خورجینی

جدول 4: ضریب رفتار قاب‌های ده طبقه تحت PUSH-X1

جدول 5: ضریب رفتار قاب‌های ده طبقه تحت PUSH-X2

نتایج

1. از ضرایب رفتار بدست آمده در این پژوهش و مقایسه آن‌ها با ضرایب رفتار استاندارد 2800 ویرایش چهارم، می‌توان نتیجه گرفت قاب‌های خورجینی مقاوم‌سازی شده با دستک‌های کمانش‌ناپذیر با سیستم  قاب خمشی فولادی متوسط مطابقت دارد.
2. به‌طور کلی با افزایش ارتفاع سازه‌ها، مقادیر ضریب رفتار کاهش می‌یابد که علت این امر کاهش ضریب شکل‌پذیری سازه‌ها ناشی از کاهش سختی و ملایم‌تر شدن شیب ناحیه الاستیک منحنی رفتاری سازه‌ها می‌باشد.
3. ارائه مقدار متوسطی برای ضریب رفتار بدون توجه به ارتفاع ساختمان در طراحی موجب می‌شود که سازه‌های بلند تغییر شکل پلاستیک اعضا و دریفت‌های بیشتری که نافی ایمنی جانی است داشته باشند، در نتیجه خسارت در این نوع سازه‌ها افزایش می‌یابد عکس این مطلب برای سازه‌های کوتاه صادق است.
4. تغییر ارتفاع تأثیری بر شکل‌پذیری سازه‌ها نداشته است.
5. در این روش به علت عدم نیاز به مقاوم‌سازی تیرها و ستون‌ها حجم مقاوم‌سازی کم می‌باشد.

مراجع

مقاومسازی قابهای فولادی با اتصالات خورجینی توسط دستک‌های کمانش ناپذیر؛ لیلا عطایی، محمد قاضی؛ چهارمین کنگره بین المللی عمران، معماری و توسعه شهری.

سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور ،ضوابط طراحی ساختمان های با اتصال خرجینی، نشریه شماره 024 ، 1085 مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله ، ویرایش چهارم.

.(Burkholder, Margaux Claire. “Performance Based Analysis of a Steel Braced Frame Building With Buckling Restrained Braces.” (2012