بیان مسئله

تمام سازه ها براي انتقال بار ثقلي و جانبي وارد بر ساختمان، داراي سيستم هاي باربرثقلي وجانبي مي-باشند. در اكثر سيستم هاي باربر ثقلي و جانبي ستون يكي از اجزاي اصلي سيستم باربر است. عمدتاً سيستم هاي باربر جانبي سازه در راستاي دو جهت اصلي و متعامد ساختمان قرار مي گيرند. بخش مهمي از عملكرد سيستم باربر ثقلي و جانبي به عملكرد ستون هاي آن كه وظيفه انتقال بار در ارتفاع سازه را به عهده دارند وابسته است. ستون هاي محل تلاقي اين دو سيستم متعامد بدين دليل كه بايد داراي سختي و مقاومت كافي در هر دو راستا باشند، يكي از اجزاي نسبتاً پيچيده در سازه ها مي باشند. به علاوه اين ستون ها بايد امكان ايجاد اتصال صلب را در هردو جهت فراهم آورند. اين ويژگي با استفاده از مقاطع رايج H یا I قابل حصول نيست، زيرا اين مقاطع يك محور قوي در راستاي عمود برجان و يك محور ضعيف در راستاي جان از لحاظ سختي و مقاومتي داشته و نمي توانند تقاضاهاي مقاومتي و عملكردي حاصل از زلزله در سازه را در هر دو راستا برآورده نمايند.
وجود اين نقص مهندسان را به سمت استفاده از مقاطع با رفتار مشابه در هر دو راستاي متعامد هدايت كرد. از جمله اين مقاطع، مقاطع قوطي شكل مي باشندكه داراي رفتار و خواص مشابه درهردو راستاي متعامد مي باشند و به دليل قرار گرفتن مصالح با فاصله از تارخنثي داراي سختي و مقاومت خمشي مناسبي خواهند بود.  علاوه برآن به دليل بسته بودن مقطع مقاومت و سختي پيچشي آنها نسبت به مقاطع باز مقدار بسيار بالاتري است. نقطه ضعف اين مقاطع بسته بودن مقطع و در نتيجه عدم دسترسي به داخل مقطع و به تبع آن دشواري انجام اتصالات مرتبط با ورق هاي پيوستگي واتصالات تيربه ستون است. استفاده از سیستم های باربر جانبی در دو جهت اصلی ساختمان، امری متداول می باشد. از این میان سیستم قاب خمشی به عللی چون نیاز به فضای بدون مانع در بین ستون ها، به علت وجود طرح های متنوع معماری سهم عمده ای را دارد. در طراحی سیستم های قاب خمشی متعامد، ستون یکی از اجزای اصلی سیستم است و بخش مهمی از عملکرد سیستم به عملکرد آن، وابسته است. ستون های محل تلاقی این دو سیستم متعامد باید دارای سختی و مقاومت کافی در هر دو راستا باشند. از ستون های صلیبی می توان به عنوان ستون با مقاطعی که دارای رفتار مشابه در هر دو راستا می باشند نام برد، از طرفی یکی از مهم ترین اجزا در سیستم قاب خمشی فولادی، اتصال تیر به ستون می باشد. رفتار چشمه اتصال نیز که یک ناحیه مستطیل شکل از جان ستون، محصور بین ورق های پیوستگی و بال های ستون می باشد، نقش مهمی در رفتار اتصال دارد. مطالعه رفتار لرزهای چشمه اتصال از دیر باز بدلیل رفتار تاثیرگذارآن در قاب های خمشی فولادی مورد بحث و سوال محققان بسیاری بوده است. تغییر شکل های قاب های خمشی ناشی آز تغییر شکل  خمشی تیر ها و ستون وتغییر شکل برشی چشمه اتصال است.  چشمه اتصال واسطه ی انتقال لنگر تیرها به ستون ها بوده و باعث پیوستگی تیر و ستون می شود. این ناحیه به علت هم جهت بودن لنگر تیرهای دو سمت اتصال، درمعرض برش زیادی قرار می گیرد. تسلیم برشی و تغییرشکل های برشی چشمه  ی اتصال، موجب شکل گیری نوع دیگری از مکانیزم های تسلیم در سیستم قاب خمشی به نام مفصل پلاستیک برشی می شود. شایان ذکر است که حدود 10 تا 15 درصد جابجایی طبقه می تواند ناشی از تغییرشکل-های برشی چشمه اتصال باشد. دوران زیاد چشمه، سبب تابیدگی درکنج این ناحیه و شکست اتصال تیر به ستون می شود. به علت تاثیر زیاد این ناحیه بر پاسخ نهایی سازه، بررسی رفتار لرزه ای چشمه اتصال از دیر باز مورد توجه محققان بوده است. یکی ازمهمترین اجزای قاب خمشی فولادی، اتصالات آن می باشد و همچنین شاخص ترین مولفه ی یک اتصال صلب خمشی، چگونگی انتقال لنگر بین اجزاء سازه می باشد. به طورکلی درقاب های خمشی جوشی دو منبع اتلاف انرژی وجود دارد که عبارت اند از محل تشکیل مفصل پلاستیک و ناحیه چشمه اتصال. معمولا جهت طراحی چشمه اتصال سه فلسفه کلی وجود دارد:
فلسفه اول مبتنی برچشمه اتصال قوی می باشد و در این روش چشمه اتصال به گونه ای طرح می گردد که درطول بارگذاری لرزه ای الاستیک باقی بماند، محاسباتی که براساس این دیدگاه انجام می شوند، معمولا منجر به استفاده از ورق های مضاعف می گردند. علاوه بر غیر اقتصادی بودن ورق های مضاعف ممکن است نیازمند جوشکاری های سنگین نیز باشد که این خود می تواند منجر به ایجاد تابیدگی ویا تنش های زایدگردد. همچنین در اثرجوشکاری های سنگین، خطر رفتارترد در ناحیه چشمه اتصال افزایش می یابد.
در دومین فلسفه طراحی چشمه اتصال را از اجزا شکل پذیر اتصال در نظر می گیرند . این روش به عنوان ناحیه پانلی ضعیف مطرح می شود،تناسب ناحیه پانلی به گونه ای انتخاب می گردد که بیشترین تغییرشکل های غیرالاستیک سازه درطول بارگذاری لرزه ای راجذب کند. این فلسفه ممکن است شکل-پذیری اتصال را تحت تاثیر قراردهد.
در سومین فلسفه طراحی که به نوعی در برگیرنده ی دو فلسفه قبل است خواهان این است که چشمه اتصال به همراه تیرها دراتلاف انرژی لرزه ای مشارکت داشته باشد. این روش که به عنوان طراحی چشمه اتصال متوازن مطرح می باشد. پایه فلسفی ضوابط لرزه ای دربرخی ازآیین  نامه های رایج را تشکیل می دهد. چشمه اتصال متعادل بیشترین شکل پذیری را دارد، البته تعیین بهترین نوع چشمه اتصال در رفتار سازه همچنان نیازمند تحقیقات بیشتری می باشد.
از سوی دیگر رفتار شکل پذیر و قابلیت جذب و استهلاك انرژي القایی ناشی از زلزله از ویژگی هاي قاب خمشی است. آیین نامه هاي طراحی معمولاً ضرایب رفتار بالایی را براي اینگونه سیستم هاي باربرجانبی درنظر می گیرند. به بیان دیگر رفتار شکل پذیر مناسب در قاب مقاوم خمشی موجب گردیده تا آیین نامه هاي طراحی، نیروهاي طراحی  ناشی از زلزله دراین سیستم را مقادیرکمتري درمقایسه با سایر سیستم هاي باربرجانبی لرزه اي پیشنهاد کنند. در روابط ارائه شده توسط آیین نامه آمریکا (و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان) ظرفیت چشمه اتصال از نتایج تحلیلی و آزمایشگاهی بر روی جان ستون I شکل با بال های نسبتا نازک به دست آمده اند، و از آنجا که در مقاطع صلیبی علاوه بر جان دو بال موازی با جان نیز در تحمل برش نقش دارند، روابط ارائه شده توسط آیین نامه از کفایت لازم جهت تخمین ظرفیت برشی چشمه اتصال ستون صلیبی برخوردار نیستند. در این تحقیق سازه های فولادی در نرم افزار ایتبس بر اساس آئین نامه های مربوطه مدلسازی و طراحی می شود، سپس مدل پاره سازی شده استخراج شده و در نرم افزار اجزا محدود آباکوس مورد تحلیل قرار خواهد گرفت.

فرضیه ها

مطالعه حاضر بر مبنای فرضیات زیر استوار بوده و سعی بر اثبات این فرضیه ها دارد:
•    مقاومت چشمه اتصال با روابط ارائه شده تا به حال را نمی توان برای ستون های صلیبی و ستون های صلیبی با تیرهای به عمق نابرابر به کار برد؛
•    زاویه ورق پیوستگی مورب در ناحیه چشمه اتصال ذوزنقه ای در تسلیم شدن این ناحیه موثر خواهد بود.

اهداف تحقیق

پس از بررسی تاریخچه چشمه اتصال ستون های صلیبی می توان اینطور استنباط کرد که تاکنون عملکرد سازه ای چشمه اتصال این ستون ها با تیرهای به عمق نابرابر بررسی نشده و در مشابه ترین حالت، چشمه اتصال این ستون ها با تیر های به عمق برابر و همچنین چشمه اتصال تیر های به عمق نابرابر با ستون  I شکل بررسی شده است.
از این روی در این تحقیق سعی بر آنست که چشمه اتصال ستون های صلیبی با تیر های به عمق نابرابر که شامل چشمه اتصال ذوزنقه ای می باشد مورد بررسی قرار گیرد. از اهداف این تحقیق می توان به موارد زیر اشاره کرد:
•    بررسی ناحیه چشمه اتصال ذوزنقه ای درتیرهای با عمق نابرابر با ستون صلیبی؛
•    بررسی مقدار معیار تنش فون مایسز و ترسکا در ابعاد مختلف اتصال تیر به ستون در ناحیه چشمه اتصال؛
•    بررسی مکانیزم انتقال نیرو در چشمه اتصال ستون صلیبی.

نوآوری تحقیق

با وقوع زمین‌لرزه‌های مخرب و گزارش‌های میزان خسارات و تلفات رخ داده در این زمین‌لرزه‌ها، توجه بیشتری سمت ارزیابی عملکرد و بهسازی سازه‌های موجود می‌رود. بررسي تاثير مشخصات اتصال فولادی ذوزنقه ای بر ظرفیت باربری اتصالات از اهميت به سزايي برخوردار مي باشد، چراکه ميزان تاثير مشخصات اتصالات مي تواند معيار مناسبي به منظور ارزيابي عملکرد اين نوع از اتصالات باشد. همچنین اینکه تاکنون پژوهشی بطور دقیق در راستای برآورد عملکرد اتصال فولادی ذوزنقه ای تحت بار یکنواخت مونوتونیک انجام نشده است، بنابراین پژوهش حاضر در راستای این مهم دارای نوآوری مهمی است.

روش انجام پایان نامه

در این پایان نامه روش انجام بصورت کتابخانه ای می باشد که قاب های مورد مطالعه قاب های خمشی سه بعدی فولادی هستند که بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و ویرایش چهارم آیین نامه 2800 بارگذاری شده و بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح ساختمان های فولادی) طراحی شده و سپس با استفاده از نرم افزار ETABS مورد آنالیز و طراحی قرار می گیرد و سپس معادلات حاکم بر چشمه اتصال ستون صلیبی نوشته می شود و درنهایت مدل پاره سازی شده  با استفاده از نرم افزارآباکوس  مدل سازی شده به آنالیز چشمه اتصال یاد شده پرداخته می شود. به این صورت که ابتدا با استفاده از نتایج بدست آمده و ارائه شده در مقالات معتبر، صحت سنجی پاسخ اجزای محدود صورت می پذیرد. در ادامه آنالیز حساسیت مش بندی برای کالیبره نمودن مدلی دقیق انجام خواهد شد. در این پژوهش ابعاد تیر و ستون استخراجی از ایتبس، در دیتایل های متفاوت با استفاده از اجزاء محدود در نرم افزار قدرتمند آباکوس مدلسازی خواهندگردید و تحت بارگذاری مونوتونیک و همچنین بارگذاری لرزه ای با استفاده از اعمال شتابنگاشت، قرار می گیرد. سپس به بررسی حساسیت پاسخ چشمه اتصال به تغییر پارامترهای مورد نظر، پرداخته می شود. هندسه مدل شامل قسمت تیر ، ستون، ورق های تقویتی می باشد.  برای تعریف جوش از قید Tie  موجود در نرم افزار استفاده خواهد شد تا یکپارچگی معین بدست آید. با توجه به اینکه مدل سازی در نرم افزارهای اجزاء محدود است و تعریف درست مصالح در مدل سازی اجزاء محدود در رفتار الاستیک و پلاستیک در قسمت های فشاری و کششی می تواند اثرات زیادی بر جواب ها و خروجی ها داشته باشد، رفتار دقیق مصالح از نشریات و تست های معتبر آزمایشگاهی استخراج خواهد گردید. برای مش بندی از المان چهار گرهی(S4R)  استفاده خواهد گردید. یکی از راه های دستیابی به اطمینان بالاتر در تمام روش های مدل سازی ، تطبیق نتایج نرم افزاری با نتایج آزمایشگاهی می باشد. از این رو با توجه به میزان تشابه مدل نرم افزاری با شرایط واقعی مسئله و امکان شبیه سازی پیچیدگی آن، شکست های احتمالی در اعضا و اتصالات و شرایط بارگذاری، به یک مدل قابل قبول با کمترین خطا دست پیدا کرد. در این تحقیق از نتایج آزمایشگاهی معتبر برای صحت سنجی استفاده خواهد شد.
بطور خلاصه مراحل انجام تحقیق در اين پژوهش شامل موارد زير مي‌باشد:
•    مدل‌سازي عناصر محدود سه بعدی اتصال؛
•    صحت سنجی پاسخ بدست آمده با استفاده از نتایج مقالات معتبر؛
•    آنالیز دینامیکی مدل تحت اثر زمین لرزه های مختلف حوزه گسل نزدیک؛
•    ارائة نتايج مربوط به تحلیل لرزه ای سازه؛
•    تعيين مكانيزم‌هاي مختلف خرابي شامل خرابي موضعي و خرابي كلي؛
•    ارائه نتایج مربوط به اثرات کششی و فشاری بار زلزله بر واکنش های تکیه گاهی؛
•    ارائة توصيه‌هاي طراحي براي مدل های مورد بررسي.
لازم به ذکر است که برای صحت سنجی پاسخ بدست آمده از روش اجزای محدود، از نتایج یک پژوهش آزمایشگاهی استفاده خواهد شد. سعی می شود این پژوهش از مقالات ژورنال های معتبر الزویر انتخاب شود. معمولا مطالعات آزمایشگاهی طیف نیروی بارگذاری هیسترزیس و یا سیکلیک را به سازه اعمال میکنند. در مطالعه حاضر هم سعی بر آن است تا مشابه با کار آزمایشگاهی، مدلسازی هندسه و مشخصات مصالح و بارگذاری انجام داده شود و پارامترهای مدل برای رسیدن به حداقل خطا، کالیبره شوند. بعد از ایجاد یک مدل منسجم و با دقت بالا، طیف های شتاب زلزله های گسل دور و نزدیک از سایت PEER  مربوط به مرکز تحقیقات مهندسی زلزله اقیانوس آرام دریافت شده و به سازه اعمال خواهند شد و عملکرد اتصال در برابر این بارهای لرزه ای مورد بررسی قرار داده می شوند. هم چنین از مقالات و کتب معتبر موجود در کتابخانه های در دسترس و اینترنت و ژورنال  های داخلی و خارجی نظیر اسپرینگر و الزویر گردآوري اطلاعات استفاده خواهد شد. برای انجام تحلیل‌ها از تحلیل استاتیکی و دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی، استفاده ‌می‌شود. هرچند که استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی به دلیل اینکه پاسخ دینامیکی حساسیت بسیار زیادی به مدلسازی دارد، محدود و مشروط می‌باشد. این روش نیاز به یک مدلسازی مناسب مشخصات نیرو–تغییرشکل با توجه به خصوصیات کاهش سختی و زوال مقاومت در همه اعضای مهم دارد. در این پژوهش همانطور که پیشتر نیز ذکر شد از نرم‌افزار آباکوس جهت مدلسازی و تحلیل، استفاده شده است.

ساختار رساله

براي دستيابي به اهداف فوق، انجام اين پایان نامه در پنج فصل بشرح زير تدوين شده است. در فصل اول به تعريف مسئله، فرضيات و اهداف پژوهش و نحوه انجام کار پرداخته شده است. در فصل دوم ادبيات و پيشينه تحقيق ارائه شده و با بررسي منابع حاصل از جستجو در بانک هاي اطلاعاتي، جايگاه تحقيق حاضر در بين آنها معرفي مي شود. در فصل سوم نظریه های تئوری طرح مورد بررسی و روش های تحلیل در تحقیق حاضر ارزیابی خواهد شد. همچنین طیف زمین لرزه های موردنظر در این مطالعه نیز در این فصل ارائه خواهند شد. در چهارمین فصل از این پایان نامه معرفی نرم افزار و مدل های تحلیل شده مورد بحث قرار خواهد گرفت. این فصل همچنین به بررسی نتایج بدست آمده از تحلیل ها و بحث در مورد آنها می پردازد و در فصل آخر به نتيجه گيري کلی و ارائه پيشنهادها پرداخته می شود.