تنش در اتصالات تیرآهن از نوع پیچی

زمان مطالعه: 13 دقیقه

با شروع هزاره سوم به دلیل افزایش رفت وآمد و همچنین جمعیت، نیاز به ساختمان ها و سازه های بزرگ و ایجاد بزرگراه نیز رو به فزونی گذاشت. زمین های ساختمانی در مراکز شهرهای بزرگ جمع و جور شد و قیمت آن نیز افزایش یافت. در همین زمان ” ساختمان های بلند مرتبه” به آرمان و مدلی برای طراحان سازه تبدیل شد. در نتیجه استفاده از سازه های چند طبقه ای کامپوزیت (ستون های فولادی، تیرآهن های فولادی و اسلب های بتنی تقویت شده) ضروری بود. ساختارهای کامپوزیتی چند طبقه برای انواع ساختمان ها مانند ساختمان های اداری، ساختمان های بانک، ساختمان های صنعتی، ساختمان های عمومی، ساختمان هایی به عنوان پارکینگ چند طبقه، و غیره استفاده می شوند. این نوع ساختمان ها در سراسر جهان ساخته می شوند و عمدتا در توسعه بسیار بالای کشورها به حساب می آید و قدرت مالی و فنی آنها را نشان می دهند.

دریافت آخرین قیمت تیرآهن

ایمنی و عملکرد بیان شده از طریق کنترل جرم، سختی، قدرت و انعطاف پذیری در طراحی ساختار سازه های چند طبقه، بیشتر ازطریق اتصالات عناصر تحت بارگذاری افقی (مانند زمین لرزه، بارگیری باد) در ترکیب با بارهای دیگر، بالاترین اولویت برای این نوع سازه ها را دارد.
رفتار اتصالات تیرآهن به ستون در سازه های چند طبقه (MSFS )به عنوان یک اصل کلی در نظر گرفته شده و در رابطه مستقیم و وابسته به رفتار عناصر اصلی سازنده اصلی آنها (ستون های فولادی، ستون ها و عناصر برای اتصال آنها ) در نظر گرفته می شود. به عبارت دیگر، تیرآهن ها، ستون ها و عناصر ارتباط آنها طوری رفتار می کنند، که –سازه های چند طبقه-MSFS رفتار می کند.

رفتار اتصال تیر آهن به ستون در MSFS عمدتاً به راه حل ساخت آن بستگی دارد. با این حال، در این مقاله، تحقیق در مورد راه حلهای ساخت جدید یا اصلاح اتصالات، و همه با هدف بهبود ظرفیت بارگیری آنها در شرایط بارگذاری خارجی واقعی، مد نظر است. برخی از راه حل های ساخت را می توان باجلوگیری از اتلاف انرژی کنترل کرد، به این معنی که آنها می توانند توسط توزیع استرس و تغییر شکل در بخش های عناصر MSFS کنترل شوند، یعنی راه حل ساخت اتصال به طور مستقیم بر ظاهر مفصل های پلاستیکی در برخی از بخش های اجزا تاثیر گذار خواهد بود واین زمانی است که ظرفیت بارگیری آنها کامل شده است .

 انواع مدل های تحقیق شده – طراحی عددی

برای تجزیه و تحلیل عددی غیر خطی هشت نوع مدل (SP1، SP2، SP3، SP4، SP5، SP6، SP7 و SP8)، بسته های نرم افزاری DRAIN-2DX و ANSYS Workbench مورد استفاده قرار گرفتند
MODEL-SP1 (شکل 1) یک اصطلاح استاندارد و معمولاً استفاده شده از اتصالات تیرآهن به ستون با صفحه جوش داده شده با پشتبند سفت کننده- استیفنر- در انتهای تیرآهن است. اصلاح استفاده شده شامل صفحات مثلثی-فارسی بر شده- اضافی در انتهای تیرآهن است که با سطح بالایی و پایین باله تیرآهن با پایان صفحه جوش داده می شود، به طوری که سختی در انتهای تیرآهن افزایش می یابد. این تیرآهن چرخشی با توجه به استاندارد DIN1025 IPE200 است، با مشخصات ابعادی: ارتفاع h = 200 میلی متر، عرض سطح b = 100 میلی متر، ضخامت جان تیرآهن tr = s = 5.6 میلی متر و ضخامت سطوح tp = t = 8.5 میلی متر، متریال تیرآهن S275 JO + M با توجه به کد استاندارد EN10025-2 / 2004 مطابق با مشخصات مکانیکی زیر در نظر گفته شده است:

fy = σT = ReH = 338 (MPa)
fu = σm = Rm = 464 (MPa)
A = 33.1٪

اتصال بین تیرآهن های فولادی (طراحی شده با استانداردهای معتبر MKS U.E7.140 با EC3 مرتبط است)و توسط اتصال تیرآهن به ستون اصلاح شده با استفاده از اتصال پایه صفحه ای که به انتهای تیرآهن جوش داده شد، مشخص می شود. در انتهای صفحه، دو سوراخ تعبیه شده به قطر(d = 17 میلی متر)، که در 4 ردیف قرار داده شد، مجموع 8 سوراخ در یک صفحه، یعنی در یک اتصال تیرآهن ستون تعبیه می شود. برای اتصال تیرآهن ها از طریق صفحات انتهایی با ستونها و پیچهای با درجه بالا M16 10.9 استفاده شدند. سپس با گشتاور مناسب (Mu = 253Nm) مورد کشش قرار گرفتند.

1 1

شکل 1- توزیع تنش در مدل SP1

در شکل 4 توزیع استرس نشان داده شده است و به وضوح قابل مشاهده است که تأثیر شبکه های مثلثی فارسی بر شده و جوش شده قابل توجه است. یعنی حداکثر استرس از انتهای صفحه از طریق وسط تیرآهن منتقل می شود یعنی از انتهای تیرآهن به بالای صفحه شبکه های مثلثی به علت مشکل پایداری لرزش جانبی، وقوع مفصل پلاستیکی در نزدیکی محل تنش حداکثر در بخش تحت فشار تیرآهن انتظار می رود. از نرم افزارMKS U.E7.101 برای محاسبه لرزش جانبی باله تحت فشار؛ (و از MKS U.E7.121- جهت محاسبه لرزش جان تیرآهن تحت فشار) استفاده شده است.

MODEL-SP2 (شکل 2، 3) یک اتصال تیرآهن به ستونی طراحی شده با ورق پایانی با جوش زاویه ای به انتهای تیرآهن است. همانطور که قبلا، در این رابطه، 2 صفحه مثلثی فارسی بر شده در انتهای تیرآهن مورد استفاده قرار می گیرند که به سمت بالا و پایین بخش تیرآهن جوش داده می شوند، به طوری که سختی انتهای تیرآهن افزایش می یابد،چرا که برای بارگیری اتصالات تیرآهن به ستون صفحه ای جوش داده شده. تیرآهن در مدل SP2 یک پروفیل توخالی با شکل مستطیلی است

مقطع آن با توجه به DIN59411، MKSC.B5.213، با ارتفاع h = 200 میلی متر، عرض سطح b = 100mm، ضخامت دیوارهای مقطع t = s = 5 میلیمتر. تیرآهن S355J2H با توجه به EN10219-1 / 2006 / EN10021 با خواص مکانیکی زیر در نظر گرفته شده است

خصوصیات: fy = σT = ReH = 437 (MPa)، fu = σm = Rm = 554 (MPa)، A = 24.8٪.
استانداردهای معتبر MKS U.E7.140 برای طراحی تیرآهن مورد استفاده قرار می گیرد که برای تطبیق شکل تیرآهن مورد استفاده قرار می گیرد. در اینجا، همانطور که در مدل قبلی نشان داده شد، اتصالات پایان صفحه با استفاده از یک پایانه با پهنای بیشتر از مدل SP1 استفاده می شود، به عنوان یک نتیجه جدید به شکل خاصی از تیرآهن (مقطع مستطیلی)، در انتهای تیرآهن جوش داده شده. در ابتدا بر روی صفحه 2 سوراخ ایجاد شد (d = 17 میلی متر)، که در 4 ردیف تعبیه می شوند. این در مجموع 8 سوراخ در یک صفحه است به عنوان مثال در اتصال یک تیرآهن به ستون برای اتصال تیرآهن ها به صفحات انتهایی جوش شده با ستون، ازپیچ M16 کلاس 10.9استفاده می شود.

2 3

شکل2-3- توزیع تنش در مدل SP2

توزیع تنش و تأثیر پشت بند استیفنر مثلثی جوش داده شده در شکل 6 نشان داده شده است. انتقال حداکثر تنش از انتهای صفحه به وسط تیرآهن است، به عنوان مثال در انتهای تیرآهن به بالای صفحه مثلثی واقع در بخش پایینی صورت می گیرد

MODEL-SP3 (شکل 4) یک اتصال تیرآهن به ستون محکم طراحی شده با یک مفصل انتهایی است که به اتصال مونتاژی تیرآهن با ستون جوش داده می شود. این اتصال توسط جوشکاری 3 صفحه جداگانه تحت یک زاویه 90 درجه به انتهای صفحه پس زمینه ساخته شده است، جایی که سوراخ برای اتصال با تیرآهن و اتصال با ستون ساخته شده است. طراحی مفصل طوری ساخته شده است که بارگیری آن بزرگتر از بارگیری در انتهای تیرآهن است به طوری که انتقال مجدد مفصل ارتجاعی در فاصله بزرگتر از ستون نهایی خواهد شد که متفاوت از دو مدل قبلی تجزیه و تحلیل شده است. بارگذاری مفصل بستگی به دو موضوع دارد :مدل –مقطع WX دریافت شده در لحظه خمش ، Ar – سطح جان تیرآهن که دریافت کننده برش (نیروی برشی) و ویژگی های مکانیکی مواد به کارگرفته شده است.

سوراخهای روی تیرآهن IPE200 یعنی 2 عدد در سطوح باله ها و 3 عدد در جان تیرآهن ایجاد شده است، مجموع 7 پیچ برای اتصال به تیرآهن استفاده می شود. برای تیرآهن های بزرگتر، تعداد پیچ ها در سطوح و صفحات می تواند افزایش یابد. نکته مهم این است که برای طراحی این مدل، ظرفیت بارگذاری پیچ ها نسبت به اتصال باله است که نیروی برشی را تجربه می کنند. با توجه به بارگیری و بارگذاری اتصال تیرآهن ، مکانیزم فروپاشی را می توان پیش بینی کرد

4 1

شکل 4- توزیع تنش در مدل SP3

در این مدل حداکثر تنش ، در جوش هایی با زاویه ای افقی مفصل ظاهر می شود، اما این جوشها همانند سایرعناصر مفصل، با مقادیر استاتیک بزرگتر در انتهای تیرآهن طراحی شده اند، به طوری که آنها برای فروپاشی اتصال خطری ندارد .به همین نسبت جوش های کوچکتر استرس به حساب می آیند، اما همچنان در نقطه اتصال سطوح تیرآهن به مفصل ، همچون اتصال بین جان تیرآهن و جان تیرآهن عمودی در مفصل، به اندازه کافی بزرگ هستند.اگر تنش در نقطه تحت فشار کاهش نیابد، انتظار می رود نیروهای لحظه خمش در انتهای تیرآهن که موجب کشش در سطح مورد تنش می شوند در نهایت موجب خمیدگی در سطح تحت فشار شوند. تحقیقات بیشتر می تواند برای تعریف همبستگی دقیق خصوصیات هندسی و استاتیک در انتهای تیرآهن صورت گیرد، تعداد و قطر وسیله اتصال (پیچ و مهره) و ابعاد اتصال، و در کل همه چیز به شیوه کنترل یک مکانیزم فروپاشی در اتصال بستگی دارد.

MODEL-SP4 (شکل 5) یک اتصال تیرآهن به ستون طراحی شده است. اتصال تیرآهن (IPE200) با ستون تنها توسط سطوح تیرآهن ، از طریق اتصالات قبلی ساخته شده است، یکی برای هر یک از سطوح تیرآهن ساخته می شود. اتصالات را می توان از پروفیل های نورد گرم و یا پروفیل L بر اساس ضخامت مورد نیاز، با ورق مثلثی فارسی برشده و جوش داده شده در وسط جهت تقویت آن ساخت. اتصال مفصل با سطح تیرآهن با 4 پیچ و یا مجموع 8 پیچ در دو سطح از تیرآهن ساخته می شود. مفاصل طوری طراحی شده اند که ظرفیت بارگیری آنها بزرگتر از بارگیری در انتهای تیرآهن باشد و فروپاشی احتمالی در منطقه اتصال ظاهر می شود. اتصال در هر یک از مفاصل با ستون با 4 پیچ با درجه بالا کلاس 10.9 ساخته شده است، که مطابق با گشتاور مدنظر انتخاب شده اند. این پیچ ها طراحی شده اند تا در جریان بارهای شدید در اتصالات از هم باز نشوند.

5 1

شکل 5- توزیع تنش در مدل sp4

در MODEL SP4، تنش حداکثر در جوش پشت بند های سفت کننده عمودی در اتصال بین زاویه بالایی و صفحه اتصال نمایش داده می شود. از آنجا که اتصال (مشابه مدل SP3 و بقیه مدل هایی که در آن یک مفصل استفاده می شود) با اندازه های بزرگ استاتیک در انتهای تیرآهن طراحی شده است، تنش حداکثر خطری برای فروپاشی اتصال نیست.وجود نیروهای خمشی در انتهای تیرآهن موجب آن میشود که تنش در مجموعه بالایی پیچ ها یا خم شدن ناگهانی قسمت های فشرده تیرآهن ایجاد شود. متفاوت این مدل از مدل قبلی SP3، در تاکید بر نتیجه اتصالی است که در ارتباط با سطوح تیرآهن ایجاد شده است، و نه از طریق جان تیرآهن که در مورد مدل SP3 ساخته شده است.

MODEL-SP5 (شکل 6) یک اتصال تیرآهن به ستون قوطی طراحی شده است. اتصال بین تیرآهن (200.100.5) و ستون از طریق 2 صفحات افقی که قبلا آماده شده و جوش داده شده اند، به انتهای قسمت بالایی و پایین پرشی که با دو ورق عمودی تقویت می شود، تشکیل می شود. ابعاد اتصالات همانند مدل های SP4 هستند، اما در این مدل از سوراخ بیرونی (دورتر) در اتصالات برای اتصال با صفحات افقی در انتهای تیرآهن ها استفاده می شود؛ اتصالات را می توان از پروفیل های نورد گرم و یا جوش شده به شکل L بسته به ضخامت مورد نیاز، با یک ورق مثلثی جوش داده شده در وسط جهت تقویت آن ساخت. اتصال بین مفصل و صفحات که در انتهای تیرآهن قرار دارد، با 4 پیچ یا 8 پیچ برای یک تیرآهن ساخته می شود. مفاصل طوری طراحی شده اند که بارگیری آنها بزرگتر از بارگذاری تیرآهن باشد و فروپاشی نهایی در اتصال بین مفاصل و تیرآهن ها پس از وقوغ تغییر شکل پلاستیک در پایان تیرآهن ها اتفاق می افتد. اتصال بین هر مفصل و ستون با 4 پیچ با درجه بالا در کلاس 10.9 ساخته شده است که بتواند کشتاور مد نظر را تحمل کند. این پیچ ها به گونه ای طراح شده اند که نباید در طول بارهای شدید در اتصالات آزاد شوند، یعنی فروپاشی اتصال در انتهای تیرآهن در مفصل صورت می گیرد.

6

شکل 6- توزیع تنش در مدل sp5

انتظار می رود که نیروهای لحظه خمش در انتهای تیرآهن باعث برش پیچ ها در سطح محکم شده و خم شدن ناگهانی تیرآهن فشرده در جان آن شوند. در این مدل، این تأثیر تاکید بر نتیجه اتصالی دارد که تنها از طریق سطوح تیرآهن ساخته شده است، نه از طریق جان تیرآهن که در مدل SP3 وجود دارد.

MODEL-SP6(شکل 7) یک اتصال تیرآهن به ستون نیمه مقاوم است. اتصال بین تیرآهن و ستون فقط از طریق جان تیرآهن با (3 پیچ) و مفصل نهایی ساخته شده است. مفصل T-joint به ستون با مجموع 4 پیچ با درجه بالای 10.9 به هم متصل می شود. این اتصال توسط جوشکاری 2 صفحات زیرین در زاویه 90 ساخته شده و با پیچ و مهره ها به داخل تیرآهن و جان تیرآهن ستون متصل می شود. طراحی اتصال نشان می دهد که در بارگذاری شدید حرکت پلاستیکی در انتهای تیرآهن ظاهر می شود. بر روی تیرآهن IPE200 تنها 3 سوراخ در جان تیرآهن برای T-joint ساخته شده است. برای تیرآهن های بزرگتر، تعداد پیچ ها در جان تیرآهن می تواند افزایش یابد.
7

شکل 7- توزیع تنش در مدل sp6

مدل SP7 در (شکل 8 ) به صورت یک اتصال نیمه مقاوم ساخته می شود. این اتصال بین تیرآهن و ستون ساخته می شود که انتهای تیرآهن و مفصل جوشی T با کمک 3 پیچ ایجاد می شود. این مفصل T شکل توسط 4 پیچ درجه بالا از کلاش 10.9 به ستون متصل می شوند. این اتصال توسط 2 صفحه جوش شده با زاویه 90 درجه که قبلا سوراخ هایی برای اتصال در جان تیرآهن جهت ارتباط با ستون در آن ایجاد شده است، ایجاد می شود. طراحی مفصل به گونه ای است که بارگیری آن به اندازه کافی بزرگ است که فروپاشی احتمالی در انتهای تیرآهن ظاهر می شود یعنی اتصال تیرآهن به ستون به اندازه کافی محکم است. بر روی تیرآهن 200 ورق فولادی با جان تیرآهن جوش داده شده که در آن 3 سوراخ برای اتصال از نوع T-joint ایجاد شده است. برای تیرآهن های بزرگتر، تعداد پیچ ها در جان تیرآهن می تواند افزایش یابد.

این طراحی اتصال، پاسخی به مدل قبلی SP6 خواهد بود در صورتی که برای تیرآهن ها یک بخش توخالی مستطیلی به جای بخش I باز استفاده می شود. این یک اتصال با نقص است زیرا دارای لحظه خمشی خاصی در پی حرکات است. فروپاشی نهایی در ابتدا در برخی از پیچ و مهره های انتهای تیرآهن رخ می دهد که بیشترین بارگذاری بر روی انها اعمال شده و تحمیل نیروی برشی ناشی شده از نیروی برشی عرضی و نیرو های ناشی از لحظه خمش در آن ظاهر می شود.

8

شکل 8- توزیع تنش در مدلSP7

در این مدل، حداکثر تنش در جان تیرآهن ، در کنار سوراخ هایی که برای پیچ ایجاد شده و به همین ترتیب در ورق جوش داده شده عمودی مشترک ظاهر می شود. همچنین، استرس شدیدی که در جوش مفصل ایجاد می شود مشابه استرس انتهای تیرآهن در قسمت بالا و پایین آن در کنار صفحه جوش داده شده است. فروپاشی اتصال در بخشی از تیرآهن به عنوان یک نتیجه از کشش و برش بخش عمودی صفحه در کنار حفره پیچ فوقانی یا در نتیجه برش یکی از پیچ های خارجی (بالایی یا پایینی) است.

MODEL-SP8(شکل 9) یک اتصال تیرآهن به ستون نیمه مقاوم است. اتصال بین تیرآهن و ستون با 3 پیچ و مهره بلند بین انتهای تیرآهن و مفصل U- جوش داده شده می شود. مفصل U- جوش داده شده با ستون با مجموع 4 پیچ با درجه بالا کلاس 10.9 متصل میشود. این اتصال توسط جوش دادن 3 صفحه زیر زاویه 90 درجه ساخته می شود، جایی که قبلا سوراخ برای اتصال با تیرآهن و اتصال با ستون ایجاد شده است. طراحی مفصل به گونه ای انجام شده است که بارگیری آن به اندازه کافی بزرگ باشد که فروپاشی نهایی در انتهای تیرآهن ظاهر می شود، و این یعنی اتصال تیرآهن به ستون. سه سوراخ بر روی تیرآهن (200) برای اتصال با مفصل U- ایجاد شده است. برای تیرآهن های بزرگتر، تعداد پیچ ها در جان تیرآهن می تواند افزایش یابد.
9

شکل 9- توزیع تنش در مدل SP8

در این مدل حداکثر استرس در جوش مفصل U- برای اتصال بین تیرآهن و ستون (دیواره واکنش پذیری) صورت می گیرد، اما آنها طوری طراحی شده اند که خطر سقوط وجود ندارد. همچنین، استرس بیشتر در حفره ها ی پیچ و مهره های بلندتر ظاهر می شود، همانند خود پیچ و مهره ها. از آنجا که این مفصل با ویژگی های استاتیکی بزرگتر در انتهای تیرآهن طراحی شده است، فروپاشی اتصال در قسمت انتهای تیرآهن به دلیل نتیجه برش بخش عمودی تیرآهن در نزدیکی حفره پیچ بالایی یا در نتیجه برش پیچ خارجی انتظار می رود.
برای هر مدل (SP1، SP2، SP3، SP4، SP5، SP6، SP7 وSP8)، یک نمودار بارگذاری شده ، از طریق اضافه کردن جابجایی ها در نظر گرفته شده است. این فرایند با افزودن جابجایی وبدون اضافه کردن نیروی انجام شد، زیرا در شرایط غیرخطی، هنگامی که به کاهش نیرویی می رسیم، انجام آزمایش با اضافه کردن نیرو به طور عملی کنترل نشده و ممکن است به فروپاشی ناگهانی مدل برسد. بارگذاری مدل ها توسط جابجایی کنترل شده در انتهای آزاد کنسول اعمال می شود. این تحقیقات در تصاویر زیر برای هر مدل در برخی از مراحل تحقیق ارائه شده است:

10

شکل 10. مدل SP1: ظاهر مفصل پلاستیک (مشکل پایداری در خمش جانبی)

11

شکل 11- مدل SP2: مفصل پلاستیک در مدل SP2 : ظاهر مفصل پلاستیک (مشکل پایداری خمش در بخشی از تیرآهن تحت فشار کمتر)

12

شکل 12. مدل SP3: فروپاشی اتصال به علت برش پیچ ردیف دوم در اتصال بخش فوقانی تیرآهن

13

شکل 13. مدل SP4: ظاهر مفصل پلاستیکی (مشکل پایداری خمش در بخشی از تیرآهن تحت فشار کمتر)

14

شکل 14. مدل SP5 ظاهر مفصل پلاستیکی (مشکل پایداری خمش در بخشی از تیرآهن تحت فشار کمتر)

15

شکل 15. مدل SP6: فروپاشی اتصال به دلیل برش پیچ پایینی در مفصل پشت بند سفت کننده تیرآهن

16
شکل 16- مدل SP7: فروپاشی اتصال به دلیل برش پیچ بالایی در پشت بند تیرآهن
17
شکل 17- مدل SP8: فروپاشی اتصال به دلیل تغییر فرم پلاستیک ناشی از برش در انتهای تیرآهن درپیچ بلند بالایی

تحقیقات تجربی از 8 مدل طراحی شده در آزمایشگاه سازه ها در موسسه جوش و سازه های جوشی در دانشکده مهندسی مکانیک انجام شده است. به عنوان یک نتیجه نهایی از تحقیق تجربی، نمودار ویژه گی ها به دست امد که درآن F-ΔL (تغییرات نیرو) و M-Φ (خمش و چرخش لحظه ای در انتهای تیرآهن ) مطابق(شکل 18) است

18
شکل 18 – نمودار خمش و چرخش لحظه ای در انتهای تیرآهن

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.