مقاله تحلیلی: تنش های پیش‌ بینی‌ نشده و اتصال خمشی WFP

در مه ۲۰۱۶، موسسه  سازه های فولادی آمریکا (AISC) نشریه ای تحت عنوان ANSI/AISC 358-16، اتصالات پیش تأییدشده برای قاب های خمشی فولادی متوسط و ویژه برای کاربردهای لرزه ای منتشر کرد. این نشریه تأثیر قابل‌توجهی در زمینه تحقیق و بهبود محصولات، برای سازمان‌های دولتی، دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی داشته است. اغلب تحقیقات بعد از گسیختگی قاب های خمشی فولادی در طی زلزله نورت ریج سال ۱۹۹۴ صورت گرفت.

از این اتصالات از پیش تأییدشده برای تعریف استانداردها و کمک به طراحی سازه های ساختمانی تحت بار لرزه ای استفاده شد. به‌طورکلی ۹ اتصال پیش تأییدشده وجود دارد که شامل ۴ اتصال اختصاصی (شماره های ۵، ۶، ۷، ۸) با طراحی انحصاری است.

توزیع برش قائم در تیر

نسل‌هاست که مهندسین سازه در طراحی ها فرض هایی کرده اند که بیشتر آن ها مؤثر و محافظه‌کارانه و اما بازدهی بعضی از آن¬ها کمتر از نتایج مطلوب بوده است. فرض های طراحی ما در رابطه بااتصال خمشی فولادی یک مثال کلی است؛ فرض کردیم که برش تیر توسط جان تیر و یا نبشی به ستون منتقل می شود و لنگر آن توسط نیروهای فشاری و کششی واقع در بال های تیر به ستون انتقال می یابد. در شکل ۱، مشاهده می‌کنیم که سه‌نقطه تماس بین تیر و ستون وجود دارد که همان اتصالات بال های فوقانی و تحتانی به جان تیر است. در هر نقطه از تماس بخشی از برش کل تیر، طبق سختی نسبی هر نقطه، در ستون توزیع می شود. توزیع برش بر اساس معادلات زیر به دست می آید:

که 

d خیز کل،

d_f خیز ناشی از خمش،

d_v خیز ناشی از تغییر شکل برشی،

P نیروی وارده،

L فاصله بین دو انتها،

A سطح مقطع،

I ممان اینرسی،

E مدول الاستیسیته و

G مدول برشی است.

مدول برشی برابر با (G = E/2(1+µ و در آن µ، ضریب پواسون است. برای فولاد سازه  ای E = 29 x 106 psi و µ = 0.30 است. اگر واحد نیرو برابر با 1 باشد، معادله ۱ به این شکل درمی‌آید:

ازآنجاکه سختی رابطه معکوس با خیز دارد، k=1/d، سختی نسبی هر المان اتصال (k_tf, k_w,k_bf) با توجه به‌سختی کل مشخص می شود و همچنین توزیع برش در هر مکان به دست  می آید.

آیا برش هایی که در بال های تیر توزیع می شوند قابل‌توجه هستند؟ بله. به‌عنوان مثال، یک تیر  I شکل ۶۸x۲۴ توسط یک نوار برشی ۱۸x۱۶/۷ اینچی به بال ستون متصل شده است. این اتصال از طریق یک جوش شیاری نفوذ کامل به ستون و با اتصالات لغزش- بحرانی به جان تیر صورت گرفته است. بال های تیر با جوش شیاری به ستون متصل است. در شکل ۱، اگر L_w=3  اینچ و L_tf=L_bf=2.63 اینچ باشد، با استفاده از سختی المان محاسبه‌شده برای اتصال از معادلات فوق، درمی‌یابیم که حدود ۸۳% برش به جان تیر و ۱۷% به دو بال تیر یا ۸.۵% به هریک از بال های تیر می رسد. این مقدار، میانگین برشی است که در مقطع مستطیلی جوش و بال تیر وجود دارد و حداکثر تنش برشی در مرکز تیر خواهد بود که ۵۰% بیشتر است. طبق رابطه تنش های اصلی هنکی-فون میزس (Hencky-von Mises)، اگر ما این تنش برشی را با تنش کششی-فشاری طراحی ترکیب کنیم، حتی  ممکن است یک تنش بزرگ‌تر (تنش اصلی) داشته باشیم. این تنش مازاد مقدار قابل‌توجهی است و باید در طراحی اتصال لحاظ شود. 

باید توجه داشت که اتصالات خمشی قبل از زلزله نورت ریج حفره های جوش کوچک‌تری داشتند که باعث ایجاد المان های اتصال خیلی صلب بین ستون وبال‌های تیر می شد. درنتیجه، مقدار بیشتری از برش توسط بال های تیر منتقل می شد.

تنش های پسماند در جوش

در ساخت یک سازه فولادی، اتصال جوشی نسبت به اتصال پیچی مزیت هایی دارد. همچنین کاستی های بسیاری دارد ازجمله: الف) احتمال شکست اتصالات جوشی ناشی از خستگی، زیاد است و ب) تنش های پسماند شدید و کج شدگی در اتصالات جوشی به وجود می آید. شدت تنش های پسماند با توجه به گیرداری اتصال، هندسه، مشخصات حرارتی مواد، فرایند جوش و ... به‌طور قابل‌توجهی تغییر می کند. اگر قسمت های مورد اتصال محدودیت در مقابل افزایش یا کاهش اندازه نداشته باشند، مقدار تنش های پسماند حداقل خواهد شد. هرچند، اگر یک یا هردو قسمت اعضای اتصال دارای محدودیت خارجی باشند، مانند جوش مستقیم بین تیر و ستون؛ تنش پسماند زیادی ایجاد خواهد شد.

باید توجه داشت که در یک فرایند جوشکاری متداول، هرچه تعداد پاس‌ها بیشتر شود تنش های پسماند افزایش خواهند یافت. این بدان معنی است که ضخامت بال تیر باید به حداقل برسد.

تیر به ستون

اتصال مستقیم تیر با مقطع کاهش‌یافته (RBS) و اتصال جوشی تقویت نشده بال به جان (WUF-W)، تنها اتصالات مستقیم تیر به ستون هستند. در ساخت‌وساز، اتصالات جوشی بال تیر در معرض تنش پسماند انقباضی (در جهات طولی و عرضی) قرار می گیرند. تنش پسماند در جهت عرضی جوش به دلیل وجود محدودیت خارجی طی جوشکاری، از اهمیت زیادی برخوردار است. هیچ‌یک از طرفین اتصال جوشی قادر به حرکت آزادانه نیستند به این معنی که تیر از طرف دیگر با  محدودیت روبرو است. اگرچه هم RBS و هم WUF-W توسط تست های آزمایشگاهی تائید شده‌اند، اما صحت آزمایش ازآنجایی‌که سازه قاب ساختمانی واقعی را نمایش نداده مورد سؤال است. در آماده سازی نمونه های آزمایش، هیچ محدودیت خارجی در جوشکاری نمونه های تیر به ستون یا آزمایش‌های بارگذاری دوره ای وجود نداشت.

در اتصال خمشی BFP (شکل ۲)، از ورق‌های روسری و زیرسری به‌عنوان المان های اتصال می‌شود و ورق ها هنگامی‌که به ستون جوش می شوند می توانند آزادانه حرکت کنند. بنابراین، فقط تنش های پسماند ضعیف در گره جوش شده وجود دارد که ممکن است قابل‌چشم‌پوشی باشد.

اتصال خمشی (WFP)

همان‌طور که در شکل ۳ مشاهده می شود، مؤلف طراحی اتصال خمشی WFP را به‌عنوان جایگزین تعداد محدودی از اتصالات خمشی نامناسب که در حال حاضر مورداستفاده قرار می‌گیرند،  می‌داند. این اتصال برای قاب های خمشی در معرض بار باد و سیستم های سازه ای فولادی که منحصراً برای مقاومت در برابر بار لرزه ای طراحی نشده اند، قابل‌استفاده است. اتصال WFP مشابه اتصال BFP است، به‌طوری‌که اتصال ورق های روسری و زیرسری به بال های تیر بجای پیچ به‌صورت جوش گوشه صورت می گیرد. برای دور کردن مفصل پلاستیک از ستون، ورق های روسری و زیرسری و ورق برشی جان تیر، می توانند به ترتیب ضخیم تر از بال تیر و جان تیر باشند. اتصال ورق روسری یا زیرسری به ستون باید به‌صورت جوش شیاری نیم جناقی با نفوذ کامل یا  جوش دوطرفه نیم لاله‌ای باشد تا تنش پسماند انقباض جوش و کج شدگی به حداقل برسد. شکل هندسی ورق روسری طوری تنظیم‌شده که وقتی به بال تیر جوش می شود تنش گسیختگی به حداقل می رسد. ممکن است یک جوش اضافی بین ورق روسری و بال تیر در محدوده تنش گسیختگی انجام گیرد تا تنش گسیختگی به مقدار بیشتری کاهش یابد. ارتفاع ورق برشی جان باید تا حد ممکن زیاد باشد تا سختی آن افزایش یابد که در نتیجه آن بیشتر نیروی برشی تیر را مهار کند.

 ازآنجایی‌که اتصال WPF مشابه اتصال BFP است، حداکثر ارتفاع، وزن و ضخامت بال تیر برای تائید شدن باید یکسان باشد، یعنی به ترتیب ۳۶ اینچ، ۱۵۰ پوند بر فوت و ۱ اینچ. اگرچه نظر مؤلف این است که برای به حداقل رساندن تنش پسماند در گره جوش، این حد باید به ترتیب ۳۰ اینچ، ۱۰۸ پوند بر فوت و ۰.۷۵ اینچ باشد (هرچه بال تیر ضخیم تر باشد، تنش پسماند بیشتر است). باید توجه داشت که هزینه ساخت و نصب اتصال WFP بااتصال BFP به نظر قابل قیاس است.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.