منحنی¬های لنگر- چرخش اتصالات جوشی تیر به ستون فولادی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Structural elements are linked through connections to form a structure. If all aspects of true behavior of connection were not considered in design, it acts as weak part of structure and decrease accuracy of analysis and consequently, cause problems in serviceability and safety of building. Generally, connections are considered as pinned or rigid in modeling, but actually all them behave as semi-rigid connections. Many researches have been conducted in connection behavior during past decades. Behavior curves consist of moment-rotation curve were derived through some of these investigations, to evaluate rotation of connections caused by moment in the joint. Moment-rotation curves are used to study effect of considering connections in analysis of structure. Welded connections are widely used in Iran. But, unfortunately there is few study on these connections, specially on their behavior curves. Failure in welded connections in buildings during earthquakes leads to incorrect beliefs about their behavior. Experts in this field believe that connections designed based on codes regulations should not have serious problems. Investigations on behavior of these connections after Northridge 1994, Cobe 1995 earthquakes, confirm their proper behavior when are correctly reinforced. Current study has been conducted to derive moment-rotation curves of some welded connections based on FEM modeling of these connections. To achieve this goal, firstly, five experimental specimens are verified by FEM modeling of these specimens to confirm modeling ability. Then, 210 specimens for 5 type of welded connection are modeled in ABAQUS FEM software. The Connections types are Double Web Angle, Top and Seat Angle, Top Angle with Stiffened Seat, Moment Connection with Cover Plate and Moment Khorjini Connection. A three parameter tangent inverse model has proposed for moment-rotation behavior of these connections. The parameters are initial stiffness, plastic stiffness and reference moment. With these three parameters and using tangent inverse model, Moment-rotation curve for connections can be derived. Large part of this study is about determination of proposed model’s parameters. These parameters were determined with using semi-analytical relations and have been compared with FEM results. Also a macro model (Torsion spring Model) from each 5 type of mentioned connections has been comprised with FEM response. Result of this comparison show that proposed model is efficient for modeling of connections. Keywords Moment-Rotation curve, weld stress-strain curve, Beam-to-column connections, Semi-rigid connections, Finite element model.

ساختمان مجموعه ای از اجزاء سازه ای است که بوسیله ی اتصالات به یکدیگر پیوند یافته اند. در زمان طراحی سازه اگر تمام زوایای رفتاری اتصالات به خوبی مورد ارزیابی قرار نگیرند بصورت حلقه های ضعیف این پیوند در آمده و یا میزان دقت تحلیل سازه را تحت الشعاع قرار می دهند که در نتیجه ایمنی و خدمت دهی ساختمان را دچار مخاطره می سازد. در مدلسازی سازه ها اتصالات معمولاً به دو صورت کاملاً مفصلی و یا کاملاً صلب مدل می شوند، اما در عمل این اتصالات رفتاری بین این دو حالت حدی دارند و به صورت نیمه صلب رفتار می کنند. محققان از دیرباز اقدامات زیادی را برای بررسی رفتار اتصالات انجام داده اند. هدف از انجام برخی از این تحقیقات که همچنان نیز ادامه دارد استخراج یک منحنی رفتاری برای اتصال بوده است که میزان چرخش اتصال را در برابر لنگر وارد بر آن ارزیابی کند. از این منحنی که به منحنی لنگر- چرخش موسوم است برای در نظر گرفتن تأثیر اتصالات در مدلسازی و تحلیل سازه ها استفاده می شود. اما نگاهی اجمالی به این تحقیقات نشان می دهد که بخش بسیار گسترده ای از آن ها مختص استخراج این منحنی ها برای اتصالات پیچی بوده و در زمینه ی اتصالات جوشی که بطور گسترده ای در کشور ما استفاده می شوند هنوز اقدامات کافی صورت نگرفته است. صدمات به وجود آمده در اتصالات جوشی ساختمان های بلند مرتبه تحت اثر زلزله عاملی برای ایجاد بدگمانی در خصوص رفتار اتصالات جوشی در ذهن مهندسان بوده است. اما عقیده ی اهل فن بر این است که اگر استانداردهای مربوطه در طراحی و اجرای اتصالات جوشی بکار گرفته شود، نباید اشکال خاصی در رفتار اتصالات جوشی به وجود بیاید. نتایج تحقیقات انجام شده بر روی اتصالات جوشی و نحوه ی صحیح مسلح کردن آن ها پس از زلزه های 1994 نورث ریج و 1995 کوبه گواه خوب این ادعاست. با توجه به توضیحات فوق، هدف از انجام این تحقیق ارائه ی منحنی لنگر- چرخش برای اتصالات جوشی تیر به ستون با استفاده از تحلیل آن ها به روش اجزاء محدود است. بدین منظور ابتدا نتایج حاصل از 5 نمونه ی آزمایشگاهی از اتصالات جوشی با نتایج مدلسازی اجزاء محدود مقایسه شده که نتایج نشان دهنده ی این است که مدلسازی اجزاء محدود با دقت خوبی می تواند رفتار اتصالات را شبیه سازی کند. در مرحله ی بعد با استفاده از 210 نمونه ی مدلسازی شده در نرم افزار ABAQUS منحنی های لنگر- چرخش برای 5 نوع از اتصالات جوشی تعیین گردیده و میزان تأثیر هر یک از پارامترهای هندسی اتصال بر این منحنی مورد ارزیابی قرار گرفته است. اتصالات مورد بررسی اتصال با زوج نبشی جان، اتصال با نبشی بالا و پایین، اتصال با نبشی بالا و نشیمن سخت شده، اتصال خمشی با ورق بالا و پایین و اتصال خورجینی خمشی می باشند. برای اینکه بتوان منحنی های مذکور را بدون نیاز به مدلسازی برای هر نوع دلخواه از ابعاد هندسی اجزای اتصال بدست آورد یک رابطه ی ریاضی سه پارامتری به شکل تابع تانژانت معکوس پیشنهاد شده است که پارامترهای آن سختی اولیه، سختی پلاستیک و یک ضریب شکل به نام لنگر مرجع می باشند. در واقع با داشتن این سه پارامتر و با استفاده از این رابطه می توان منحنی لنگر- چرخش اتصال مورد نظر را رسم کرد. بخش اعظمی از این تحقیق در خصوص تعیین پارامترهای مدل پیشنهادی (رابطه ی تانژانت معکوس) برای اتصالات ذکر شده می باشد. این پارامترها با استفاده از یکسری روابط نیمه تحلیلی تعیین و با نتایج حاصل از مدلسازی اجزاء محدود مقایسه شده اند. همچنین در انتها برای اثبات کاربردی بودن مدل پیشنهادی پاسخ مدل ماکروی (مدل فنر پیچشی) یک نمونه از هر 5 نوع اتصال که در آن ها اتصالات توسط یک فنر پیچشی که منحنی رفتاری آن مطابق با مدل پیشنهادی می باشد با پاسخ حاصل از تحلیل اجزاء محدود نمونه مقایسه شده است. نتیجه ی این مقایسه حاکی از آن است که مدل پیشنهادی توانایی خوبی در مدلسازی اتصالات دارد. واژه های کلیدی: منحنی لنگر- چرخش، منحنی تنش-کرنش جوش، اتصالات تیر به ستون، اتصالات نیمه صلب، مدل اجزاء محدود