مقاله در مورد اتصالات صلب (ممان گیر) تیر به ستون

فهرست مطالب
عنوان ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….صفحه
6-1 مقدمه 3
6-2 انواع اتصالات صلب متداول 3
تسلیم موضعی جان ستون در اثر نیروی فشاری 7
چروکیدگی جان ستون در اثر نیروی فشاری 8
تقویت جان ستون در برابر نیروی فشاری 10
کنترل برش در چشمه اتصال 13
پایداری ورق های چشمه اتصال 15
طراحی خمشی اتصال 16
اتصال برشی تیر به ستون 17
2-1- طراحی ورق A 18
2-2- طراحی ورق B 19
3-طراحی ورق C 20
4-کنترل جان ستون در اثر نیروی فشاری 21
5-کنترل بال ستون در اثر نیروی کششی 23
6-کنترل برش در چشمه اتصال 24
7-میزان صلبیت اتصال 25
عملکرد اتصال از نظر مقاومت 26
کنترل تنش لهیدگی 31
کنترل چروکیدگی جان سپری 37
2-تعیین لنگر خمشی 40
5-کنترل کمانش موضعی قائم جان سپری 41
6-6اتصال تیر به ستون توسط سپری 43
6-6-1 تحلیل اتصال 44
الف-روش دوتی-مک گوایر 45
1-تعیین نیروهیا کششی و فشاری 49
کنترل خمش در بال سپری 52
5-کنترل تسلیم موضعی در جان ستون 53
6-کنترل چروکیدگی جان ستون 53
7-کنترل ناپایداری موضعی قائم جان ستون 53
کنترل خمش بال ستون 54
ب- روش کریشنا مورتی 61
کنترل تنش در پیچ های اتصال 63
طول ورق انتهایی 63
1-تعیین ضخامت ورق انتهایی 64
3-کنترل طول ورق 68
4-طراحی جوش تیر به ورق انتهایی 69
اتصال مستقیم تیر به ستون 70
اتصالات نیمه صلب 70
اتصالات صلب (ممان گیر) تیر به ستون
6-1 مقدمه
در اتصالات صلب خمشی، لنگر خمشی انتهای تیر به صورت کامل به ستون منتقل گردیده و زاویه چرخش بین تیر و ستون در محل اتصال ثابت باقی می ماند. همان گونه که در فصل اول این کتاب بیان شد، چنانچه اتصالی قادر باشد تمام ظرفیت خمشی تیر را به ستون منتقل کند به آن اتصال با مقاومت کامل و در صورتی که درصدی از لنگر خمشی تیر را منتقل کند به آن اتصال با مقاومت جزیی می گویند.
سازه های فولادی که اتصال تیرها به ستون ها توسط اتصالات صلب (ممان گیر) انجام می شود، دارای مزایای عمده ای به شرح زیر هستند .
الف _ لنگر خمشی منفی پدید آمده در محل اتصال موجب کاهش لنگر خمشی مثبت می شود. به عبارت دیگر قسمت های انتهایی و میانی تیر هر دو در تحمل خمش تیر سهیم هستند که خود موجب کاهش در ابعاد مقطع تیر خواهد شد.
ب _ چنانچه تیر از شرایط فشردگی و تکیه گاه جانبی کافی برخوردار باشد، باز توزیع لنگر خمشی در تیر امکان پذیر بوده و می توان لنگر خمشی منفی طراحی را به میزان 10 درصد کاهش داد. کاهش لنگر خمشی منفی تیر باعث می شود که مقطع کوچک تری برای تحمل بارهای وارده بر تیر مورد نیاز باشد.
ج _ در سازه های فولادی که امکان تعبیه بادبند برای تحمل بارهای جانبی در آن ها به دلیل محدودیت های معماری میسر نباشد، استفاده از قاب های خمشی با اتصالات صلب یک راه حل مناسب جایگزین است.
د _ سازه های با اتصالات صلب عموما دارای شکل پذیری مناسب هستند. از این رو سازه های فولادی با این گونه اتصالات عملکرد رضایت بخشی در برابر نیروهای ناشی از زلزله دارند.
در این فصل اتصالات ممان گیر متعارف در سازه های فولادی با استفاده از هر دو فن جوشکاری و پیچکاری بررسی گردیده و مبانی و ضوابط طراحی هر یک همراه با مثال هایی ارائه خواهد شد.
6-2 انواع اتصالات صلب متداول
هر چند تنوع اتصالات صلب تیر به ستون بسیار زیاد است، لیکن در این فصل به انواع رایج آن که به نحو گسترده ای در اسکلت های ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد اشاره خواهد شد.
چون عمده لنگر خمشی تیر در بال های آن توسعه می یابد، از این رو برای فراهم نمودن یک اتصال صلب باید به نحو مقتضی بال های تیر به ستون متصل گردند. اتصال بال های تیر به ستون می تواند به صورت مستقیم و با استفاده از جوش نفوذی (شکل 6-1- الف)، به صورت مستقیم و توسط ورق های فوقانی و تحتانی(شکل 6-1- ب) و یا توسط ورق فوقانی و نشیمن (شکل 6-1- ج) انجام گیرد.
اتصال مستقیم بال های تیر به ستون به دلیل نیاز به پخ زنی بال برای جوش شیاری (شکل 6-1- الف) چندان متداول نیست و استفاده از ورق های فوقانی و تحتانی و یا نبشی نشیمن متداول تر است (شکل 6-1- ب و ج ). شکل 6-2- الف نمونه ای از اتصال صلب را که بال های تیر توطس ورق های فوقانی و تحتانی توسط جوش شیاری به بال ستون توسط پیچ به بال های تیر متصل شده اند، نشان می دهد. انتقال نیروی برشی تیر به ستون توسط نبشی و با کمک پیچ در این اتصال انجام می گیرد. برای اتصال بال زیرین تیر به ستون می توان از نبشی نشیمن مطابق شکل 6-2- ب استفاده کرد.
همان گونه که در شکل های 6-1 و 6-2 ملاحظه می کنید جان ستون توسط ورق هایی که به آن ورق های پیوستگی گویند، تقویت شده اند. لزوم به کار گیری ورق های تقویتی جان ستون (ورق های پیوستگی) در بخش های بعدی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
به جای ورق های فوقانی و تحتانی و یا نبشی نشیمن می توان از سپری برای اتصال بال ها به ستون استفاده کرد (شکل 6-3- الف).
برای ایجاد یک اتصال صلب می توان تیر فولادی را در کارخانه به یک ورق انتهایی که در آن
سوراخ هایی تعبیه شده است توسط جوش شیاری در بال و جوش گوشه به جان متصل نمود.
سوراخ هایی تعبیه شده است توسط جوش شیاری در بال و جوش گوشه به جان متصل نمود. اتصال تیر به بال ستون توسط پیچ در محل کارگاه انجام می گیرد (شکل های 6-3-ب و ج).
اتصالات نشان داده شده در شکلهای 6-1 الی 6-3 که تیر ها در صفحه جان ستون به ستون متصل گردیده اند تشکیل یک قاب خمشی مسطح می دهند. چنانچه در یک سازه فولادی لازم باشد تیرها در صفحه عمود بر جان ستون هم به ستون متصل شوند در این صورت سیستم سازه ای تشکیل یک قاب خمشی فضایی را خواهد داد.
اتصال صلب تیر به جان ستون به سهولت اتصال آن به بال ستون نمی باشد. در این حالت می توان از یک نیمرخ سپری با طول حدود 2 برابر ارتفاع تیر که بال ها و جان آن برای قرار گرفتن مناسب در فاصله بال ها و جان ستون بریده شده است، استفاده نمود. اتصال سپری به جان ستون توسط جوش گوشه و به بال ستون توسط جوش شیاری انجام می گیرد (شکل های 6-4- الف و ب).
راکار دیگر اتصال تیر به ستون، استفاده از ورق های فوقانی و نشیمن تقویت شده است (شکل 6-5).
در اتصال شکل 6-5 جان ستون به شدت در معرض خمش و تنش های موضعی قرار می گیرد. بنابراین استفاده از اتصال مطابق شکل 6-4 برای اتصال تیر به جان ستون مناسب تر خواهد بود.
در ادامه این فصل به بررسی و تجزیه و تحلیل رفتار اتصالات نشان داده شده در شکل های 6-1 الی 6-5 پرداخته و ضمن ارائه اصول و ضوابط طراحی ان ها مثال هایی نیز در هر مورد ارائه خواهد شد.
6-3 اتصال صلب توسط ورق های فوقانی و تحتانی (جان های تیر و ستون در یک صفحه)
در شکل های6-1- ب و 6-2- الف نونه ای از اتصال صلب تیر به ستون به کمک ورق های فوقانی و تحتانی که در آن جان های تیر و ستون در یک صفحه قرار دارند، نشان داده شده است.لنگر خمشی منفی موجود در اتصال توسط یک زوج نیرو به صورت کشش در ورق فوقانی و فشار در ورق تحتانی به بال ستون منتقل می شود. انتقال نیروی برشی تیر به ستون توسط ورق یا نبشی که به جان تیر و بال ستون متصل می شود انجام می گردد.
ورق های فوقانی و تحتانی توسط جوش شیاری با نفوذ کامل به بال ستون و به کمک جوش گوشه یا پیچ به بال های تیر متصل می شوند. ورق های فوقانی و تحتانی و نبشی جان به ترتیب بر اساس نیرو های کششی ، فشاری و برشی موجود در آن ها طراحی می شوند.
چنانچه لنگر خمشی منفی موجود در انتهای تیر را با M نشان دهیم در این صورت نیروهی کششی T و فشاری C به ترتیب در ورق های فوقانی و تحتانی برابر خواهند بود با ،
(6-1)
لنگر خمشی M در رابطه (6-1) به عملکردی که از قاب خمشی انتظار می رود یا به عبارت دیگر الزامات قاب خمشی بستگی دارد. در حالاتی که از قاب خمشی انتظار عملکرد ویژه وجود دارد، نظیر الزامات در قاب های خمشی ویژه و قاب های خمشی متوسط، لنگر خمشی M بر اساس ظرفیت پلاستیک تیر تعیین می گردد.
در این بخش لنگر خمشی M بر اساس عملکرد قاب خمشی معمولی که اعضا و اتصالات آن باید قادر باشند تغییر شکل های ارتجاعی کمی را در هنگام وقوع زلزله تحمل نمایند تعیین می گردد. در این حالت لنگر خمشی M را می توان M=FbS در نظر گرفت که در آن Fb تنش مجاز خمشی و S اساس مقطع تیر می باشند.
در رابطه (6-1)، d فاصله مرکز تا مرکز ورق های فوقانی و تحتانی است که با تقریب خوبی می توان آن را در برابر عمق تیر در نظر گرفت. چون خمش تیر با دهانه ای حدود چندین متر قرار است در بازوی با فاصله d به ستون منتقل شود، اصولاً T,C نیروهای بزرگی خواهند بود.
نیروی فشاری C که در ارتفاع کوچکی (ضخامت ورق تحتانی) به ستون منتقل می شود، موجب ایجاد لهیدگی به صورت تسلیم موضعی و چروکیدگی در جریان ستون می شود. بنابراین لازم است جان ستون در مقابل نیروی فشاری C کنترل و در صورت لزوم تقویت شود.
تسلیم موضعی جان ستون در اثر نیروی فشاری
معمولاً اتصالات صلب را بر اساس ظرفیت لنگر خمشی پلاستیک (Mp) طراحی می کنند. آیین نامه های AISC و مبحث دهم از مقررات ملی ساختمانی ایران به جای نیروی C از نیروی بزرگ تری که آن را Pbf می نامند، برای کنترل لهیدگی جان ستون استفاده می کنند. چنانچه ضخامت ورق تحتانی برابر tp باشد، ایین نامه هی طراحی بر اساس تحقیقات انجام شده در دانشگاه لی های آمریکا، گسترش و توزیع نیروی فشاری در محل ریشه بال ستون را با شیب 1 به 5/2 در نظر می گیرند.(شکل 6-6).
چون نیروی فشاری Pbf بر اساس ظرفیت نهایی مقطع تعیین می شود، تنش های موضعی می تواند برابر تنش حد تسلیم فولاد ستون(Fyc) در نظر گرفته شود. برای جلوگیری از تسلیم موضعی جان ستون می توان نوشت،
(6-2)
هم چنین اگر ستون در بالاترین قسمت خود به تیر متصل شود، خواهیم داشت،
(6-3)
در رابطه فوق Kc فاصله بین سطح بال تا پایان گردی ریشه اتصال بال به جان ستون، tp ضخامت ورق تحتانی و twc ضخامت جان ستون می باشند.
مبحث دهم از مقررات ملی ساختمانی ایران برای تعیین نیروی فشاری Pbf که از بال فشاری و یا ورق تحتانی به ستون اعمال می شود مقرر می دارد هنگامی که این نیرو حاصل از اثرات بار مرده و زنده است مقدار نیروی محاسبه شده باید در ضرب گردد. چنانچه نیروی فشاری حاصل از ترکیبات بارگذاری شامل اثرات بار یا زلزله باشد نیروی Pbf برابر حاصل ضرب مساحت ورق تحتانی (در مواردی بال فشاری تیر) در تنش تسلیم مربوطه است.
چروکیدگی جان ستون در اثر نیروی فشاری
پدیده دیگری که هنگام اعمال نیروی فشاری در مقطع بحرانی شکل 6-6 رخ می دهد، چین خوردگی یا چروکیدگی جان است. آیین نامه های طراحی برای کنترل پدیده چین خوردگی جان رابطه (6-4) را پیشنهاد می کنند.
6-4
در رابطه فوق،
C = نیروی فشاری در اثر بارهای سرویس اعمالی بدون ضریب بر حسب kg و tfc ضخامت بال ستون برحسب سانتی متر است. بقیه کمیت ها قبلاً تعریف شده اند.
کمانش موضعی قائم جان ستون
جان ستون در اثر اعمال نیروی فشاری C در معرض ناپایداری قائم قرار می گیرد (شکل6-7).
Ccr نیروی بحرانی الاستیک ورق نشان داده شده در شکل 6-7 با شرایط مرزی مفصلی توسط تیموشنکو و گی یر ] 1 [ توسط رابطه زیر بیان شده است.
(6-5)
در رابطه فوق Dc ارتفاع نیمرخ ستون است. برای جلوگیری از ناپایداری موضعی قائم جان باید باشد. با جایگزینیKg/cm2 E=2.3*106 ، v=0.3 برای فولاد می توان نوشت،
(6-6)
چون معمولاً ضخامت بال ستون از جان آن بزرگتر است شرایط مرزی جان ستون مشابه حالت گیردار است. از طرفی هنگامی که فولاد ستون دارای Fy=2400Kg/cm2 است نتایج حاصل از رابطه (6-5) با آزمایشات توافق مناسبی دارند. آزمایش ها نشان داده است که برای Fy=7000Kg/cm2 بار بحرانی ورق جان در حدود دو برابر رابطه (6-6) خواهد بود. برای منظور نمودن شرایط گیرداری لبه ها، چن ونیولن ]2[ پیشنهاد می کنند که طرف راست رابطه (6-6) در ضریب ضرب شود. در این صورت خواهیم داشت،
(6-7)
آیین نامه AISC و مبحث دهم از مقررات ملی ساختمانی ایران برای تطبیق نتایج حاصل از رابطه (6-7) با حد پائین تمام آزمایشات رابطه زیر را برای کنترل کمانش موضعی قائم جان ستون پیشنهاد می کنند.
(6-8)
تقویت جان ستون در برابر نیروی فشاری
در اتصالات نظیر شکل های 6-1- ب و 6-2- الف بزرگی نیروی Pbf و ابعاد مقطع ستون معمولاً به گونه ای است که روابط (6-2)، (6-4) و (6-8) به صورت هم زمان کنترل و ارضاء نمی شوند. برای مقابله با اثرات نیروی فشاری Pbf می توان مطابق اتصالات شکل های 6-1 و 6-2 جان ستون را با یک جفت ورق پیوستگی در طرفین خود تقویت نمود.
چنانچه عرض ورق های تقویتی bs و ضخامت آن ts باشد در این صورت Ast مساحت ورق های تقویتی برابر 2bsts خواهد بود. برای تعیین ابعاد ورق های تقویتی، آیین نامه های طراحی مقرر می دارند مجموع ظرفیت نهایی جان در برابر تسلیم موضعی و ظرفیت فشاری نهایی ورق های تقویتی (حاصلضرب مساحت ورق های تقویتی در تنش حد تسلیم آن ) از نیروی Pbf بزرگتر باشد. در این صورت خواهیم داشت،
(6-9)
در رابطه فوق Fyst تنش حد تسلیم ورق های تقویتی است. رابطه (6-9) را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد،
(6-10)
آیین نامه AISC و مبحث دهم از مقررات ملی ساختمانی ایران محدودیتهای زیر را برای ورق های تقویتی (پیوستگی)جان ستون در نظر مگیرند.
bs عرض هر ورق تقویتی به اضافه نصف ضخامت جان ستون (twc) باید از یک سوم عرض بال فشاری تیر (Pfb) یا ورق اتصال بزرگ تر باشد،
(6-11)

فایل : 76 صفحه

فرمت : Word