توضیحات

پروژه شبیه سازی تحلیل کمانش اتصالات پیچی تیر-ستون فولادی با ورق انتهایی در نرم افزار آیدیا استاتیکا (IDEA StatiCa)

 

اتصالات:

اتصالات در هر سازه از مهم ترین بخش های سازه به حساب می آید که در صورت رعایت شدن نکات طراحی در آنها، نقطه قوت سازه و در صورت عدم دقت در طراح آنها از نقاط ضعف سازه بحساب می آید.اتصالات را می توان به گونه های مختلفی دسته بندی کرد. از نظر مصالح تشکیل دهنده و اعضا متصل شونده می توان اتصالات در سازه های ساختمانی معمولی را به دسته های فولادی، بتنی و مختلط دسته بندی کرد. اتصالات در ساختمان های فولادی (که برای به هم پیوستن اعضای سازه به کار می روند ) عموما بر اساس سختی یا صلبیت دسته بندی می شوند که منظور از سختی، میزان مقاومت اتصال در برابر تغییر زاویه بین دو عضو اتصال است (تیر و ستون). بر این اساس اتصالات به سه دسته ی کلی تقسیم می شوند:

– اتصال ساده ( مفصلی)

– اتصال صلب

– اتصال نیمه صلب.

 

شکل وضعیت تغییر شکل و دوران برای اتصالات صلب و نیمه صلب و ساده ( اتصالات گیردار و نیمه گیردار و مفصلی).

شکل اتصالات گیردار فلنجی ۴ یا ۸ پیچی.

به اتصالاتی که مقداری گیرداری در تکیه گاه داشته و در نتیجه بوش و لنگر رو توامان تحمل می کنند، اتصالات نیمه گیردار می گویند. در این حالت، بین تیر و ستون دوران داریم اما مقدار دوران ، کمتر از اتصال مفصلی و بیشتر از اتصال گیردار است. علاوه بر این مقداری لنگر گیرداری در تکیه گاه ایجاد می شود، که گیرداری آن بسته به وضعیت اتصال، بار و دهانه تیر، بین ۲۰ تا ۹۰ درصد است. بطور سنتی، اتصالات در قاب های فولادی به دو دسته صلب و مفصلی تقسیم بندی میشوند. با این فلسفه اتصالات صلب هیچ دورانی ندارند و تمام لنگر تیر رو به ستون منتقل می کنند، اما اتصالات مفصلی به راحتی دوران می کنند و هیچ لنگری به ستون منتقل نمی کنند. اما در واقعیت اتصالات نه کاملا صلب هستند و نه کاملا مفصلی هستند، بلکه رفتار بینابینی دارند. به همین دلیل بحث اتصالات نیمه صلب مطرح شده است. در تیر تحت بارگذاری یکنواخت، با تکیه گاه های انتهایی صلب، لنگر در دو انتها بیشترین مقدار و در وسط دهانه کمترین مقدار را دارد. در همین تیر اگر اتصالات مفصلی باشند در وسط دهانه بیشترین مقدار لنگر و در دو انتها کمترین مقدار لنگر را داریم. در حالی که در تیر با اتصالات نیمه صلب، لنگر وسط دهانه و دو انتهای تیر به هم نزدیک هستند و این عامل سبب تعدیل لنگرها شده و باعث کوچکتر شدن شماره تیر می شود. بنابراین اگر بتوانیم اتصال با سختی معین اجرا کنیم، می توان تیر را در حالت بهینه طراحی کرد. مزیت دیگر استفاده از اتصالات نیمه صلب در قاب مقاوم خمشی، رعایت فلسفه ستون قوی تیر ضعیف است. بر اساس این فلسفه ظرفیت ستون در محل اتصال بیشتر از ظرفیت تیر است (مفصل پلاستیک در تیر بوجود می آید). به خاطر نیمه صلب شدن اتصال در قاب های مقاطع تیرها کوچکتر و به خاطر کنترل تغییر مکان جانبی قاب، مقطع ستون ها بزرگتر از اعضای متناظر قاب ها با اتصال صلب می شود، بنابر این اصل ستون قوی- تیر ضعیف خود به خود رعایت می شود. اتصالات تیر به ستون مجموعه ای از نیروهای داخلی (محوری، برشی، خمشی و پیچشی) رو منتقل می کنند. در اتصالات قاب های ساختمانی، معمولاً تغییرشکل های محوری، برشی و پیچشی در مقایسه با تغییر شکل خمشی ناچیز بوده و برای مقاصد طراحی از این تغییر شکل ها صرف نظر می شود. بنابراین منحنی لنگر – دوران، مناسب ترین وسیله برای نشان دادن رفتار اتصال است. این منحنی ها رابطه میان لنگر وارد بر اتصال و تغییر زاویه بین تیر و ستون رو به واسطه تغییر شکل ناحیه اتصال نشان می دهند.

برای اعمال اثر اتصال بر روی رفتار قاب، تعیین منحنی لنگر-دوران اتصال (مقدار دوران اتصال برابر است با اختلاف بین زاویه تیر و ستون قبل از بارگذاری و بعد از بارگذاری) و نمایش آن بصورت یک رابطه ریاضی (مانند عبارت های نمایی، چند جمله ای و …) ضروری است. شکل زیر رفتار سه دسته مختلف اتصال نشان داده شده است.

شکل منحنی های لنگر دوران برای اتصالات صلب و نیمه صلب و ساده ( اتصالات گیردار و نیمه گیردار و مفصلی)

 

اتصالات سازه ای فولادی:

برای دست یابی به یک سازه لازم است ، اعضای اصلی آن نظیر تیرها و ستون ها به نحو مناسبی به یکدیگر متصل شده تا بتوانند با عمل یکپارچه خود بهره وری مورد نظر را تأمین کنند. به بیانی دیگر اتصالات وظیفه انتقال نیروها از یک عضو سازه به عضو دیگر آن و یا به تکیه گاه را انجام می دهند. هرچند تدوین اصول طراحی اعضای اصلی سازه ها نظیر تیرها، ستون ها، و بادبندها، به کمک روابط و ضوابط ارائه شده توسط آئین نامه های طراحی که خود متکی بر فرمول های نظری علمی مکانیک سازه ها است تقریباً بدون هرگونه پیچیدگی و مشکلی ممکن می باشد ، لیکن تجزیه تحلیل رفتار اتصالات یک سازه عمدتاً دارای پیچیدگی های خاصی است که بیان آن به تنهایی توسط روابط نظری در اغلب اوقات به آسانی میسر نیست و نیاز به انجام آزمایش های تجربی برای اطمینان از صحت رفتار آن ها می باشیم.  بررسی دقیق عملکرد اتصالات در یک سازه فولادی از اهمیت ویژه ای برخوردار است و عدم دقت در طراحی و اجرای اتصالات در سازه های فولادی نه تنها موجب خرابی در خود اتصال می شود بلکه اثرات ویران کننده ای نیز بر اعضای سازه و در نتیجه کل سازه خواهد داشت. بنابراین درک صحیح از رفتار سازه ای اتصال و آگاهی مناسب از نحوة انتقال نیرو توسط آن برای طراحی یک اتصال ایمن و اقتصادی ضروری است. در طراحی یک اتصال در یک سازه فولادی باید علاوه بر حصول اطمینان از نحوة صحیح انتفال نیرو، به اجرایی بودن و امکان ساخت آن با امکانات موجود توجه نمود. این موضوع در مورد سازه هایی که قرار است در مقابل نیروهای ناشی از اثرات زلزله مقاوم باشند از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همانطور که قبلاً ذکر شد اغلب سازه ها از اجزای کوچک تری تشکیل شده اند که می توانند با داشتن پیوند مابین خود سازه ای واحد پدید آورند. از اوایل قرن حاضر تاکنون محققان زیادی بر روی انواع اتصالات فلزی مطالعه و تحقیق و آزمایشات گوناگون انجام داده اند و براساس آنها بسیاری از این اتصالات باتوجه به کثرت موارد مصرفشان به صورت یک سری جزئیات استاندارد آئین نامه های معتبر فولادی در آمده اند. یک اتصال ضعیف و نامناسب می تواند منجر به پک سری زوال های پی در پی و بنیادی در سازه های فولادی شود از آنجا که زوال دیگر اعضای سازه ای خیلی کم اتفاق می افتد بسیاری از زوال های سازه ای ناشی از طراحی ضعیف اتصالات یا ضعف در جزئیات اجرایی می باشد که با اندکی دقت در نحوه  شکست بیشتر سازه های فولادی تحت بارگذاری های گوناگون قابل مشاهده است که ضعف اتصال چگونه می تواند عامل بسیار تعیین کننده در خرابی سازه های فولادی باشد.

شکل بریده شدن نبشی نشیمن در اتصال.

 

شکل بریده شدن اتصال عضو مهاربند.

 

شکل بریده شدن اتصال تیر به ستون.

 

دسته بندی اتصالات:

اتصالات در سازه های فولادی را برحسب میزان صلبیت آن می تواند به سه دسته اتصال صلب، اتصال ساده و اتصال نیمه صلب طبقه بندی نمود.

‏اتصال صلب:

در این نوع اتصال تمام ظرفیت خمشی عضو متصل شونده توسط وسیلة اتصال به عضو دیگر منتقل شده و زاویة چرخش بین اعضای اتصال در محل آن ثابت باقی می ماند.

‏اتصال ساده:

در این نوع اتصال اصولاً هیچگونه لنگر خمشی در محل اتصال انتقال نمی یابد و زوایای چرخش در اعضای سازه در محل اتصال از یکدیگر مستقل و متفاوت می باشند. در موارد عملی معمولاً لنگر خمشی ناچیزی در محل اتصال در اثر خروج از مرکزیت بار توسعه می یابد ولی در هر حال می توان از خروج از مرکزیت کم صرف نظر نمود.

 ‏اتصال نیمه صلب :

در اتصالات نیمه صلب میزان لنگر خمشی انتقال یافته از یک عضو به عضو دیگر کمتر از ظرفیت خمشی عضواست (بین ۲۰تا ۸۰ درصد). به عبارت دیگر لنگر خمشی انتقالی در اینگونه اتصالات نه به اندازة لنگر خمشی در اتصالات صلب و نه به میزان لنگر انتقالی بسیار کوچک ( در حد صفر) در اتصالات ساده است.

اتصالات پیچی(bolted-Connection):

اتصالات پیچی یکی از کاربردی ترین نوع اتصالات به دلیل سهولت اجرا و عدم استفاده از جوشکاری در کارگاه است. در بین اتصالات پیچی نیز اتصال ساخته شده با استفاده از صفحه انتهایی(end-plate connection) به فراوانی در ساخت سازه ها به کار برده می شود. این نوع اتصال، هم می تواند به عنوان اتصال نمیه گیردار و هم به عنوان اتصال گیردار کامل، مورد استفاده قرارگیرد. همچنین استفاده از پیچ به دلیل شکل پذیری بیشتر در مقایسه با جوش، می تواند عملکرد مناسب تری از دیدگاه جذب انرژی انفجار برای اتصال فراهم نماید.در اتصال به کمک ورق انتهایی، تیر فولادی در کارخانه با جوش شیاری در بال ها وجوش شیاری یا گوشه در جان به ورق انتهایی متصل می شود. به دلیل انجام جوشکاری در کارخانه، کیفیت جوشکاری بسیار مطلوبتر از حالتی است که جوشکاری در محل ساخت سازه انجام پذیرد. مجموعه تیر ورق انتهایی که در آن سوارخ های تعبیه شده، توسط پیچ هایی پر مقاومت به بال ستون متصل می شود. آرایش پیچ ها به طور متقارن و حول محورهای تیر قرار گیرد و تعداد آنها در صفحات بال اتصالات به دو پیچ درهر ردیف محدود شود. طول مجموعه پیچ ها نباید بیش از عمق تیر باشد و از سوراخ های استاندارد در بال تیر و ورق بال ها استفاده شود. سوراخ پیچ ها در بال تیرها و در ورق های بال باید از طریق دستگاه سوراخکاری و دستگاه مته کاری ایجاد شوند. امروزه استفاده از سازه های پیچ و مهره در صنعت، به نحو چشمگیری افزایش یافته به طوری که این سازه ها در گذشته فقط شامل سوله های صنعتی و مجتمع های پتروشیمی و سازه های مورد استفاده در صنایع نفت و گاز می شدند. هم اکنون کاربرد این سازه ها در ساختمان های مسکونی، اداری و تجاری که در شهرها نیز ساخته می شود با رشد چشمگیری روبرو بوده است. از مهمترین دلایل استفاده از سازه های پیچ و مهره در کشورهای صنعتی عدم نیاز به جوشکاری، زمان نصب سازه در موقعیت های سخت، همچنین سرعت بیشتر اجرا در محل نصب نسبت به سازه های جوشی است. همچنین اسکلت هایی که در محوطه پروژه های ساختمانی تولید می شوند بخاطر محدودیت در تامین برق کافی و بکار گیری دستگاه های جوش مدرن (با نرخ نفوذ بالا و استاندارد) عدم وجود ابزار صنعتی سنگین، تیم های مجرب. رنگ آمیزی و زنگ زدایی صحیح و …،  نه تنها فاقد کیفیت هستند بلکه کاملاً دست و پاگیر و دارای پروسه ای زمانبر هستند که بدون شک منجر به ایجاد ترافیک در معابر و تزاحم همسایگان می شود.

اتصالات فلنجی:

از جمله اتصالات گیردار، اتصال فلنجی می باشد. در این اتصال دو قطعه توسط فلنج به یکدیگر متصل می شود. منظور از فلنج یک ورقی سوراخکاری شده است که ارتفاع آن از ارتفاع تیر بیشتر است. طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان دو نوع اتصال فلنجی پیشنهاد شده است. این اتصالات عبارت اند از ۴ پیچه و ۸ پیچه. اتصالات چهار پیچه برای مقادیر کم لنگر و هشت پیچه برای مقادیر بزرگ لنگر استفاده می شود. استفاده از ورق تقویتی در بال و یا سخت کننده مثلثی پیشنهاد می گردد. در این نوع از اتصال پیچ ها باید از نوع پرمقاومت انتخاب شده و کاملا محکم گردند.

اتصالات پیچی با ورق انتهایی:

امروزه استفاده از پیچ به عنوان یک وسیلة اتصال مناسب و قابل اطمینان در ساخت و اجرای سازه های فولادی بسیار رایج و متداول گردیده است. چون عموماً در ساخت و تولید پیچ ها از فولادهای مخصوص با عملیات ویژه استفاده می کنند، مصالح پیچ ها دارای مقاومت گسیختگی به مراتب بالاتر از فولادهای ساختمانی معمولی می باشند. اتصالات ورق انتهایی نمونه ای از اتصالات پیچی است که شامل یک ورق فولادی می باشد که به انتهای تیر جوش شده است و این دو به وسیله چندین ردیف پیچ دارای مقاومت بالا به ستون متصل می شوند. اتصالات ورق انتهایی را به وسیله چندین معیار دسته بندی می کنند که تعداد پیچ ها و اندازه ورق انتهایی از مهمترین معیارها برای دسته بندی می باشند. همچنین در این اتصال ممکن است از سخت کننده هایی بین بال تیر و ستون استفاده شود که خود معیار دیگری برای دسته بندی می باشد. طبق آئین نامه مقررات ملی ساختمان مبحث دهم سه نوع اتصال ورق انتهایی پیشنهاد شده است.

شکل نمونه های پیشنهاد شده اتصال پیچی با ورق انتهایی.

مزایای اتصالات پیچی با ورق انتهایی:

1-سرعت نصب و مونتاژ بالا: سرعت نصب و اجرای سازه های فولادی به کمک اتصالات پیچی به دلیل عدم نیاز به جوشکاری بسیار بالا می باشد.

۲- امکان بازنمودن سازه و استفاده مجدد: اعضای سازه فولادی که به کمک پیچ به یکدیگر متصل شده اند، می توان از یکدیگر جدا نمود و در محل دیگری مجددا آنها را به یکدیگر متصل کرد و سازه جدیدی احداث نمود.

3- عدم نیاز به کارگر ماهر: برخلاف جوشکاری که نیاز به کارگر ماهر داریم در اتصال پیچی می توان به راحتی به کمک پیچ این محدودیت را برطرف نمود.

4-بی سر و صدابودن هنگام نصب و اجرا: برخلاف اجرای سازه های فولادی به کمک پرچ و جوش، اجرای سازه های فولادی با پیچ بسیار کم سر و صدا می باشد.

٥- شرایط محیطی کار: برای اجرای مناسب اتصالات جوشی لازم است درجه حرارت محیط، تهویه هوا، محل استقرار و نیز فضای دسترسی به اتصال در شرایط مناسب و قابل قبولی باشند. درحالیکه محدودیت های ذکرشده در اجرای سازه های فولادی به کمک پیچ به مراتب کمتر است.

6- کم هزینه بودن کارهای نصب و اجرا: چون در اتصالات پیچی به وسایل معمولی نیاز بوده و احتیاجی به تجهیزات خاص و کارگر ماهر نداریم در نتیجه هزینه اجرای سازه کاهش می یابد.

معایب و مشکلات اتصالات پیچی با ورق انتهایی:

1- اجرای غلط و نامناسب سوراخ ها

۲- عدم رعایت میزان نیروی پیش تنیدگی لازم برای پیچ ها

3- عدم انطباق پیچ ها هنگام اجرا و نصب

4-تحت کشش قرارگرفتن پیچ ها و ایجاد نیروی اهرمی شدن در آنها

٥- تاب خوردگی ورق انتهایی در هنگام جوشکاری

6- زیادبودن ارتفاع سخت کننده ها در بعضی مواقع و هدردادن فضا از لحاظ معماری.

اتصالات پیچی تیر و ستون:

اتصالات خمشی تیر به ستون مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد. چون عمده لنگر خمشی تیر در بال های آن توسعه می یابد، بنابراین برای فراهم نمودن یک اتصال خمشی، باید به نحو مقتضی بالهای تیر به ستون متصل شوند. اتصال بال های تیر به ستون از طرق مختلف نظیر اتصال مستقیم و با استفاده از جوش نفوذی و یا پیچ، به صورت غیرمستقیم و توسط ورقهای روسری و زیرسری و یا توسط ورق فوقانی و نشیمن انجام گیرد.اتصال مستقیم بال های تیر به ستون به دلیل نیاز به پخ زنی (کونیک نمودن) بال برای جوش شیاری چندان متداول نیست و استفاده از ورق های انتهایی، ورق های فوقانی و تحتانی و یا نبشی نشیمن متداولتر است. اجرای اتصال خمشی تیر به جان ستون مشکلتر از ایجاد اتصال به بال ستون است. بنابراین برای اجرای مناسب اتصال تیر به جان ستون می توان از یک نیمرخ سپری با طول حدود ۲ برابر ارتفاع تیر که بال ها و جان آن که برای قرار گرفتن مناسب در فاصله بال ها و جان ستون بریده شده است، استفاده نمود. جان ستون توسط جوش گوشه و به بال ستون توسط جوش شیاری انجام می گیرد. راهکار دیگر اتصال تیر به جان ستون، استفاده از ورق های فوقانی و نشیمن تقویت شده است، که در این اتصال جان ستون به شدت در معرض تنشهای خمش و موضعی قرار می گیرد. بنابراین استفاده از مقطع سپری مناسب تر است. اتصالات تیر به ستون باید بگونه ای طراحی شوند که شرایط ایجاد مفصل پلاستیک در داخل تیر و خارج از اجزای اتصال را فراهم نمایند. در اتصالات جوشی تیر به ستون، اتصال بال تیر یا ورق پوششی آن به وجه ستون یا به ورق پیشانی(فلنج) که به ستون پیچ می شود باید منحصراً از نوع نفوذی کامل باشد. برای اتصال جان تیر یا ورق اتصال جان، به بال ستون یا ورق انتهایی، استفاده از جوش نفوذی نسبی یا جوش گوشه مجاز است. رفتار اتصالات تیر به ستون در قاب های خمشی به عنوان اعضای کنترل شونده توسط نیرو در نظر گرفته می شوند.

 

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی اتصالات تیر-ستون فولادی پیچی با ورق انتهایی در نرم افزار آیدیا استاتیکا (IDEA StatiCa) انجام شده است.

نرم افزار آیدیا استاتیکا:

IDEA StatiCa یک نرم افزار مهندسی است که برای طراحی سازه، بررسی مفصل ها، مقاطع عرضی، تیرها و دیگر جزئیات بر طبق آیین نامه استفاده می شود. IDEA StatiCa که توسط شرکت IDEA RS عرضه می‌شود، یکی از برنامه های بسیار کاربردی در مهندسی سازه بوده و به مهندسان کمک می‌کند تا بتوانند طراحی‌های خود را بهتر و دقیق‌تر تحلیل کنند. با کمک این برنامه می‌توان انواع سازه‌های ساختمانی، شهری و صنعتی را طراحی کرده و مورد آنالیز قرار داد. با استفاده از این نرم افزار می‌توان میزان و قیمت مواد اولیه را با دقت بسیار خوب محاسبه کرده و در هزینه‌های ساخت و ساز صرفه جویی نمود.

برخی از مزیت های این نرم افزار عبارت اند از:

• یکپارچگی با نرم افزارهای دیگر از جمله تکلا استراکچرز و دیگر نرم افزارهای تحلیل استاتیکی
• عدم محدودیت در تعداد یا نوع اتصلات یک گره
• تحلیل همه انواع بارها شامل بررسی اندرکنش همه تیرها و اتصالات
• سرعت بالای برنامه در تجزیه و تحلیل

مدلسازی اتصالات:

 

 

نمونه نتایج شبیه سازی: