عنوان پایان‌نامه
مطالعه عددی و آزمایشگاهی کاربرد جان لوله ای در ناحیه پلاستیک تیر جهت بهبود رفتار چرخه ای قابهای خمشی فولادی
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مهندسی زلزله
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2168;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72442
- تاریخ دفاع
- ۲۷ دی ۱۳۹۴
- دانشجو
- ابوذر صالح
- استاد راهنما
- سیدمهدی زهرایی
- چکیده
- از ویژگیهای مهم قابهای خمشی، رفتار شکل پذیر و قابلیت جذب و استهلاک انرژی القایی، ناشی از زلزله است. زلزله های نرثریج (1994) و کوبه (1995) گسیختگی ترد غیر قابل انتظار در اتصالات تیر به ستون سیستم قاب خمشی فولادی را پر رنگ و نگرانی هایی بابت روش و جزئیات طراحی در اتصالات را فراهم نمود، بطوریکه ایجاد شکل پذیری و توانایی مقاومت در برابر تغییرشکلهای بزرگ چرخه ای پلاستیک مورد اهمیت قرار گرفت و استانداردهای طراحی بر پایه ایجاد ناحیه مستهلک کننده انرژی، بر روی تیر و کاهش تقاضا در محل اتصال تیر به ستون همراه گردید.در همین راستا، در طرح حاضر اتصال نوین خمشی تیر به ستون با مقطع کاهش ظرفیت خمشی یافته توسط جان لوله ای TW-RBS: Tubular Web RBS connection)) که با جایگزینی یک لوله در جان تیر بجای جان تخت در محل مفصل پلاستیک بدست می آید، مورد مطالعه تحلیلی و آزمایشگاهی قرار می گیرد. نتایج مطالعات تحلیلی نشان داد که استفاده از TW-RBS، با حذف جان تیر در مقاومت خمشی مقطع، منجر به ایجاد فیوز شکل پذیر دور از اجزاء اتصال تیر به ستون می گردد. میزان کاهش ظرفیت خمشی تیر در محل مفصل پلاستیک بر اساس مشخصات ابعادی تیر و لوله مصرفی قابل محاسبه است بطوریکه سهم باقیمانده جان لوله ای در مقاومت خمشی مقطع با توان دو ضخامت لوله رابطه مستقیم و با ضخامت جان صاف تیر و همچنین قطر لوله رابطه معکوس خواهد داشت. تعیین محل بهینه قرار گیری جان لوله ای نیز با توجه به طول تیر و نسبت مدول پلاستیک تیر در محل مفصل پلاستیک به مقطع کل قابل ارزیابی است. TW-RBS کاهش سختی خمشی مقطع در محل مفصل پلاستیک را در حدود 14 الی 19% درصد به همراه دارد که این میزان کاهش در سختی خمشی با اتصال RBS20% برابری می نماید. همچنین TW-RBS بر حسب سایز تیر مصرفی منجر به کاهش مقاومت خمشی مقطع در محل مفصل پلاستیک بین 22 تا 28% می گردد که بینابین نتایج حاصل از اتصال RBS20% و اتصال RBS50% است. در ادامه مطالعات آزمایشگاهی اتصال با 7 نمونه آزمایشگاهی از اتصال پیشنهادی شامل سه نمونه اتصال میانی با تیرهای کوتاه (نورد شده)، دو نمونه اتصال کناری تیر ورق با یک جان لوله ای و دو نمونه اتصال کناری تیر ورق با دو جان لوله ای کنار هم صورت گرفت. از یک نمونه RBS در تیرهای ساخته شده با ورق نیز بعنوان نمونه آزمایشگاهی شاهد استفاده گردید. نتایج آزمایشگاهی ضمن تائید نتایج تحلیلی نشان داد که کلیه نمونه های اتصال TW-RBS از رفتار چرخه ای پایدار و قابل اطمینانی برخوردارند. نمونه های تیر نورد شده افزایش ظرفیت تغییرمکان نسبی طبقه تا 9% و نمونه های تیر ورق نیز تا 6% را بر اساس معیار پذیرش نشان دادند. این در حالی است که نمونه RBS، با توجه به بروز کمانش جانبی- پیچشی تنها 4% تغییرمکان نسبی طبقه را تحمل نمود. استفاده از دو سلول در تیرهای با ابعاد بزرگتر(تیر ورق) منجر به افزایش طول مفصل پلاستیک در این اتصال و موجب پایداری تیر در طول بیشتر گردید این امر منجر به کاهش تقاضا در محل اتصال تیر به ستون تا 30% شد. نتایج ثبت شده توسط کرنش سنجها و جابجائی سنجها در نمونه های آزمایشگاهی بطور کامل مورد ارزیابی قرار گرفت. در ادامه تمامی نمونه ها مورد مطالعه اجزاء محدود با نرم افزار ABAQUS قرار گرفتند که نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی بدست آمده تشابه کامل را بر قرار نمودند. در پایان می توان گفت که اتصال TW-RBS ضمن تامین فیوز شکل پذیر، موجب بهبود پارامترهای پایداری مفصل پلاستیک و افزایش ظرفیت چرخش غیر الاستیک اتصال می گردد. همچنین استفاده از جان لوله ای موجب نرم شدن رفتار آکاردئونی جان موج دار و استفاده بیشتر از ظرفیت مقاومتی بال تیر در محل مفصل پلاستیک می گردد. لذا TW-RBS بعنوان یک گزینه پیشنهادی جهت اتصالات خمشی ویژه بخصوص برای تیرهای ساخته شده با ورق با توجه به مراحل ساخت آن می تواند مطرح گردد.
- Abstract
- Unexpected brittle failure in steel rigid frame connections by concentrated tensions on the welded area and connection vulnerability in high ductility demands as occurred during the Northridge (1994) and Kobe (1995), has challenged ductility properties and ability to absorb seismic energy in this type of structural system. So in design of this type of structural system, creating ductility and ability to withstand cyclic large deformations is important. On this basis, in present study a newly developed Reduced Beam Section (RBS) connection, called Tubular Web RBS connection (TW-RBS) is studied experimentally and analytically. TW-RBS is made by replacing a part of flat web with a steel tube at the expected location of the beam plastic hinge. The analytical results show that TW-RBS create a ductile fuse away from beam-to-column connection components, through decreasing the web contribution in moment strength. Reduction of beam flexural capacity in the plastic hinge is calculated based on the dimensions of beam and tube. So bending strength of the remaining tubular web would be proportional with square of the thickness of tube and inversely related with the thickness of flat web and the diameter of tube. The optimal location of the tubular web is determined due to the length of beam and the plastic modulus ratio at the plastic hinge to the total cross section. The results show that TW-RBS reduces flexural stiffness about 14 to 19% in the plastic hinge locations that is equal with the RBS20%. Also the proposed connection, depending on the size of the beam, reduces bending strength between 22 to 28% in the plastic hinge location that is intermediate between RBS20% and RBS50%. In the following, seven specimens with TW-RBS connections such as three specimens of shallow beams, two specimens of deep beams with a tubular web and two specimens of deep beams with two tubular webs are prepared and tested under cyclic loads. The cyclic performance of the proposed connection is compared and verified by usual RBS specimen test results as well. Obtained results reveal that TW-RBS not only leads to formation of a ductile fuse far from the beam-to-column connection, but also improves the out-of-plane stiffness and lateral-torsional buckling stability of the beam in the plastic hinge region. TW-RBS increases story drift capacity up to 9% in shallow beam and up to 6% in deep beam much more than that stipulated by the current seismic codes. , the TW-RBS with two tubular webs increases plastic hinge length on the beam flange and reduce demands at the beam-to-column connection and also at the other parts until 30%. All TW-RBS specimens are numerically simulated showing good agreement with experimental results. Based on test results, TW-RBS creates a ductile fuse away from beam-to-column connection components improves buckling stability parameters. Also tubular web has softer accordion behavior than other accordion webs and providing more plastic capacity at the flange of the reduced section. Overall, the TW-RBS can be proposed for special moment resisting frame in deep beams to considering stages of construction.
