دیتاسرا

ناحیه کاربری

جمعه ۱۰ مرداد ۱۴۰۴

دیتاسرا > مهندسی عمران > مقالات و پژوهش های فارسی

طراحی صفحات اتصال (Gusset) با روش نیروی یکنواخت

مقدمه: در سال ۱۹۹۱، گروه کاری AISC، روش نیروی یکنواخت (UFM) را به عنوان روش ارجح در تعیین نیروهای موجود در نقطهی اتصال اجزاء در لچکی (صفحهی اتصال)، صحهگذاری نمود. از آن زمان این روش در نظامنامهی سازههای فولادی AISC ، گنجانده شده است. UFM روش استانداردی را جهت تعیین توزیع نیروی استاتیکی مجاز اقتصادی در اتصالات بادبندهای عمودی، ارائه میکند. یکی از نقدهایی که به این روش وارد است اینستکه گاهی منجر به صفحات اتصال خیلی بزرگ یا با شکل غیرعادی میشود. برای حل این محدودیت، طراحان به دنبال روشهای جایگزینی بوده اند.

این پژوهش نشان میدهد که حذف یک قید هندسی غیرضروری از فرمولاسیون UFM منجر به آزادی بیشتر در هندسهی لچکی میشود، درحالیکه کاراییهای این روش را نیز خواهد داشت. در اینجا یک فرمولاسیون جدید برای روش UFM ارائه شده است و نقاط ضعف و قوت سایر روشهای طراحی ارائه شده، بسط داده شدهاند.

۱- روش نیروی یکنواخت

روش نیروی یکنواخت از سال ۱۹۹۲ در نظامنامهی سازههای فولادی AISC گنجانده شده است. روش UFM در اصل توسط تورنتون (۱۹۹۱) و بر پایهی مشاهدات ریچارد (۱۹۸۶) ارائه شد. در روش مورد توافق UFM، توزیع نیروهای زیر تولید میشود:

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

معمولا به منظور ارضای رابطهی بین α و β، طراح مجبور میشود از یک صفحهی لچکی خیلی بزرگ یا با شکل غیرعادی، استفاده نماید. اعمال ممانها در نقطهی اشتراک اتصالات، جایگزینی برای این کار است. هیچکدام از این دو روش ایدهآل نیستند.

۲- جایگزینی برای روش نیروی یکنواخت

هرگونه جایگزین مناسب برای روش UFM باید این معیارها را ارضا نماید: (۱) باید روند واضحی را تدوین کند که رابطهی تعادل را ارضا کرده و با فرضیات اساسی که در طول تحلیل و طراحی اعضای اصلی در نظر گرفته شدهاند، مطابقت داشته باشد (مهمترین معیار)؛ (۲) از آنجاکه روش UFM با بازهی وسیعی از هندسهها و شرایط مرزی مطابقت دارد، هر روش جایگزینی برای این روش نیز باید این خصوصیات را داشته باشد و (۳) این روش باید منجر به یک طراحی اقتصادی شود.

روشهای جایگزین متعددی برای روش UFM پیشنهاد شدهاند که مهمترین آنها عبارتست از روشKISS، روش نیروهای موازی و روش مشابه خرپا. در هیچکدام از این روشها، مشکل رابطهی بین α و β که در روش UFM وجود دارد، مطرح نمیباشد. به بیان دیگر، این روشها را میتوان برای هر هندسهی لچکی، استفاده کرد و اجباری در استفاده از صفحات لچکی خیلی بزرگ و یا صفحات با شکل غیرعادی، وجود ندارد. نقاط ضعف و قوت این روشها، مورد بررسی قرار خواهند گرفت. در تمام این مباحث، نقطهی کاری بادبند در تقاطع خط مرکزی تیر و ستون، فرض میشود.

۲-۱ روش KISS

نام KISS (شکل ۱) از حروف اول کلمات عبارت "Keep it Simple Stupid" گرفته شده و چنانچه از نام آن پیداست روش سادهای بوده و اثبات آن نیز خیلی ساده میباشد، هرچند یک روش غیراقتصادی محسوب میشود. این روش شامل انتقال مستقیم تمام اجزای نیروی افقی بادبند به تیر از طریق اتصال تیر به لچکی و انتقال مستقیم تمام اجزای نیروی عمودی بادبند به ستون از طریق اتصال ستون به لچکی میباشد. برای ارضای رابطهی تعادل، ممانها باید اعمال شوند. در اتصال تیر به لچکی، ممان برابر با Heb و در اتصال ستون به لچکی، ممان برابر با Vec میباشد.

روش KISS دو معیار از بین سه معیار در نظر گرفته شده برای جایگزینهای مناسب روش UFM را ارضا میکند. این روش، تعادل و نیز فرضیات مربوط به تحلیل و طراحی را ارضا میکند و به صورت کلی قابل اعمال به تمام هندسهها و شرایط مرزی میباشد. اما حضور ممانهای بزرگ در نقطهی اشتراک اتصالات، این روش را در عمل به یک روش غیراقتصادی تبدیل میکند.

۲-۲ روش نیروهای موازی

در روش نیروهای موازی، که گاهی از آن تحت عنوان روش اجزاء نام برده میشود (شکل۲)، عکسالعملهای لچکی، در نقطهی اشتراک تیر و ستون به موازات نیروی بادبند فرض میشود. از آنجا که نیروها با یکدیگر موازی هستند، به وضوح در یک نقطه با هم تقاطع نخواهند داشت. بنابراین به منظور برقراری تعادل دورانی، دو انتخاب وجود دارد. یکی اینکه اندازهی نیروهای موازی به گونهای تنظیم شود که نیروها در امتداد خط کاری بادبند با یکدیگر به تعادل برسند یا اینکه ممانها در نقطهی اشتراک ستون و تیر به ترسیمه اضافه شوند. ممانهای اضافی، اگرچه از نظر اندازه کمتر از ممانهای روش KISS هستند، اما بر روی اقتصاد اتصال تاثیر منفی میگذارند.

در صورتیکه روش قبلی مورد استفاده قرار گیرد، تعادل دورانی تیر و ستون به صورت کلی ارضا نخواهد شد. یک اتصال ممانی باید در این صورت بین تیر و ستون اضافه شود. از آنجاییکه این روش به صورت طبیعی یک اتصال جوش زمینه میباشد، در اکثر نقاط کشور یک جایگزین غیراقتصادی محسوب میشود.

در مورد قابلیت اعمال به گونههای مختلفی از شرایط مرزی، روش نیروهای موازی دارای یک کمبود اساسی -میباشد. از آنجاییکه نیروها در نقطهی اتصال تیر به لچکی و نیز ستون به لچکی، موازی با نیروی بادبند فرض میشوند، همواره یک جزء افقی در اتصال ستون به لچکی وجود دارد. هنگام ساخت شبکههای ستونی[۱]، این مساله منجر به یک مشکل طراحی بزرگ میشود، که معمولا با اضافه کردن یک سفتکنندهی ستون در محل اتصال، حل میشود، اما از صرفهی اقتصادی روش میکاهد.

روش نیروهای موازی تنها یکی از سه معیار مربوط به جایگزین مناسب برای روش UFM را ارضا میکند. این روش، تعادل و همچنین فرضیات تحلیل و طراحی را ارضا میکند، اما به اندازهی روش UFM اقتصادی نیست و همچنین برای اتصالات مربوط به شبکههای ستونی مناسب نمیباشد.

۲-۳ روش مشابه خرپا

روش مشابه خرپا (شکل ۳) با مدل کردن نیروهای نقطهی اشتراک اجزا به صورت گرههای پینشدهی خرپا در مرکز اتصال بادبند به لچکی، توزیع نیرویی بر روی لچکی را تعیین میکند. روش مشابه خرپا مشکلی مشابه با مشکل روش نیروی موازی را در اتصال به شبکههای ستونی ایجاد میکند. به علاوه این روش میتواند منجر به توزیع نیروی غیر طبیعی و غیراقتصادی شود. این مساله در شکل ۳ که در آن اتصال لچکی به ستون تنها مولفهی افقی به ستون اعمال میکند، نشان داده شده است. معمولا به منظور برقراری تعادل، ممانها در تمام نقاط اشتراک در اتصالات، مورد نیاز میباشند.

روش مشابه خرپا هیچ یک از معیارهای جایگزین مناسب روش UFM را ارضا نمیکند.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

۳ روش تعمیم یافته ی UFM

از آنجاییکه هیچیک از روشهای جایگزین نامبرده شده نمیتوانند جواب بهتری از روش UFM ارائه دهند، بهتر است تنظیماتی بر فرمولبندی روش UFM انجام شود تا برای لچکیها بهتر و عملیتر باشد.

هدف از کاربرد روش UFM ، استخراج یک روش جهت دستیابی به توزیع نیروی استاتیکی قابل قبول بود که هیچ نوع ممانی در نقطهی اشتراک اجزاء در اتصالات ایجاد نکند و به بازهی وسیعی از هندسهها و شرایط مرزی قابل اعمال باشد. اما این روند شامل یک قید اضافی است که کاربرد آن را به صورت غیرضروری محدود میکند. نیروی موجود در نقطهی اتصال لچکی به ستون، (جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید) ، باید از نقطهای عبور کند که در فاصلهی eb در بالای نقطهی کاری باشد.

از آنجاییکه این مشکل در روش UFM شناسایی و درک شده است و با حذف این قید، این مشکل قابل حل است، بهتر است این قید از این روش حذف شود. بدین منظور ابتدا باید مساله را تعریف کرد. اساسا سه جزء درگیر وجود دارد: تیر، ستون و لچکی. بادبند جزء این اجزا در نظر گرفته نمیشود زیرا فرض میشود که تنها نیروهای محوری را حمل میکند و جزئی از سیستم نامعین نیست. هر کدام از این سه عضو تحت تاثیر سه نیرو قرار میگیرند. به منظور حذف ممانها از محل نقاط اشتراک، نیروهای وارد بر هر جزء باید در یک نقطهی منفرد به هم برسند. این نقاط برخورد، تحت عنوان نقاط کنترلی شناخته میشوند.

۳-۱ تیر

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

۳-۲ لچکی

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

۳-۳ ستون

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

۳-۴ توزیع نیرویی

با اعمال قیود هندسی مورد نیاز جهت حذف ممانها در تمام نقاط اشتراک اتصالات، نیروها در نقاط اشتراک قابل تعیین هستند. از آنجاکه ستون باید در تعادل باشد، این موارد را میتوان در نظر گرفت:

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

۳-۴-۱ ممان ستون

چه از فرمولاسیون اصلی و چه از فرمولاسیون جدید UFM ارائه شده در این مقاله استفاده شود، یک گرادیان ممان در ستون وجود خواهد داشت. با استفاده از فرمولاسیون اصلی، ممان در تقاطع خط میانی ستون و بالای ارتفاع فولادی( the top of steel elevation)، صفر خواهد بود. در فرمولاسیون جدید، ممان میتواند در سطح مقطع ستون احاطه شده با اتصال، مثبت یا منفی باشد یا میتواند در سطح مقطعی مشابه فرمولاسیون اصلی صفر باشد. در هر یک از این حالات، بیشترین ممانی که به ستون وارد میشود را میتوان به این صورت تعیین نمود:

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

از آنجاکه انتخاب سطح مقطع ستون معمولا تحت تاثیر پدیدهی کمانش کنترل میشود و از کمانش ستون در در نزدیکی اتصال بادبند جلوگیری شده است، صرف نظر کردن از این ممان امری طبیعی میباشد. به همین دلیل ممان داخلی ستون در نظامنامهی سازهی فولادی AISC (AISC ۲۰۰۵) در بحث مربوط به UFM در نظر گرفته نشده است.

۳-۴-۲ یک مثال

نیروهای روی اتصال نشان داده شده در شکل ۷ به منظور نشان دادن فرمولاسیون جدید محاسبه شدهاند.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

باید به این نکته توجه کرد که در این حالت عبارت Vb مقدار بسیار بزرگتری از مقدار بهدست آمده از روش UFM سنتی دارد. مشابه حالت UFM سنتی، برای دستکاری توزیع نیروی عمودی، میتوان VbΔ را اعمال نمود. با مساوی قرار دادن VbΔ با ۱/۱۳ (kips)، توزیع نیروی عمودی مشابهی با مقدار استخراج شده از روش UFM، هنگامیکه تمام پارامترها به جز α ثابت نگه داشته شوند، تولید میشود.

همانطور که در جدول ۱ که مقایسهای بین روش UFM سنتی و UFM اصلاح شده را ارائه میدهد، مشاهده میشود، هریک را میتوان به گونهای اصلاح کرد که نتایج مشابهی را تولید کند. این مساله قابل پیشبینی بود چرا که هر یک از این دو باید معادلهی تعادل را ارضا کنند. (جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید.)

۳-۵ سایر کارهایی که میتواند پروفیل لچکی را کاهش دهد

با حذف قیود هندسی بر روی سایز لچکی از روش UFM ، میتوان به سایر مراحلی که میتوان جهت کاهش سایز پروفیل لچکی طی کرد، توجه نمود.

۳-۵-۱ مقطع ویتمور

مقطع ویتمور ناحیهایست که در زاویهی ۳۰ درجه از لبههای اتصال بادبند به لچکی در امتداد طول اتصال کشیده شده است. ناحیهی آن سوی این قسمت از نظر تسلیم کششی سنگین و کمانش فشاری در لچکی، بیتاثیر فرض میشوند. تلاش برای وارد کردن تمام نواحی مجاز ویتمور در لچکی، بسیار رایج است اما ضروری نمیباشد. با اجازه دادن به لبههای لچکی جهت تخطی از مقطع ویتمور، میتوان پروفیل لچکی را کاهش داد.

۳-۶ سایز جوش

تلاش جهت محدود کردن سایز فیلتهای جوش شده به مقادیری که قابل اعمال در یک مسیر یکتا باشند، معمولا ۵/۱۶ اینچ، بسیار رایج است. این مساله صرفهی اقتصادی اتصال را بسیار بهبود میبخشد، زیرا تعداد مسیرهای مورد نیاز جهت تکمیل جوش به صورت نامتناسبی با سایز پایه[۳]، افزایش مییابد. به منظور حفظ یک مسیر یکتای جوش، ابعاد صفحهی لچکی، بخصوص در اتصال تیر به لچکی، اغلب افزایش مییابد. با اجازه دادن به استفاده از مسیرهای چندگانهی جوش، سایز پروفیل لچکی کاهش مییابد اما این کار منجر به افزایش هزینههای ساخت میشود.

۳-۷ نوع پیچ

اگر کاهش پروفیل لچکی، یک نگرانی اساسی باشد، قویترین شکل پیچ ممکن، باید مورد استفاده قرار گیرد. از اتصالات لغزشی – بحرانی نباید استفاده کرد چرا که به پیچهای بیشتر و در نتیجه پروفیل لچکی بزرگتری نیاز دارند. همچنین در صورتیکه رزوهها خارج از صفحهی برشی باشند، که معمولا در اتصالات بادبندها تحت بار سنگین اتفاق میافتد، در این صورت باید از اندازهی X برای پیچها استفاده نمود. باید در نظر داشت که قرار دادن پیچها در برش دوگانه در اتصال لچکی به بادبند همچنین موجب کاهش پروفیل لچکی میشود.

۴ نتیجه گیری

روش UFM چنانچه در نظامنامه ارائه شده است، شامل یک قید غیرضروری بر روی مکان نقطهی کنترلی ستون است. این قید اغلب به طراحان این ادراک را میدهد که این روش برای طراحی صفحات لچکی مناسب نمیباشد.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

با دستکاری عبارت ΔVb، طراحان میتوانند به طیف کاملی از توزیع نیرویی که میتواند در اتصالات وجود داشته باشد دست یابند، در عین حال اتصالات ستون به لچکی و تیر به ستون را بدون ممان نگه دارند.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

۵- طراحی لچکی با روش نیروی یکنواخت

از آقای آریاس به علت توجهات ایشان و نظراتشان در مورد مقالهام تشکر میکنم. من معتقدم که سخنراندن قوی و باز بهترین روش برای توسعهی دانستههای ما و تمرین مهندسی میباشد.

آقای آریاس، به سه مسالهی مجزا اشاره کردند، که من میخواهم مجددا آنها را بیان کنم:

من تنها یکی از راهحلهای ممکن مساله را پیدا کردهام.

من قیود هندسی دلخواهی را به تحلیل اعمال کردهام و تحلیل من رفتار اتصال را نشان نمیدهد.

من جایگزینی را ارائه کردم که از برای دستکاری دلخواه توزیع نیروهای عمودی در اتصال، استفاده میکند.

من با هر سه نکتهای که آقای آریاس در اینجا برشمردند، موافقم. اما با نتیجهگیری که از این نکات شده موافق نیستم. به نظر من اصلیترین مشکل آقای آریاس با روند ارائه شده در مقالهی من اینستکه این روند اختیاریست و رفتار درست اتصال را به خوبی نشان نمیدهد. از اینجا او نتیجهگیری کرده که این روند ممکن است منجر به طراحی ناکارآمد شود و UFM سنتی میتواند رفتار اتصالات را بهتر انعکاس دهد و در نتیجه نتایج مطمئنتری را ارائه کند.

من ادعا میکنم که هیچ کس، نه من، نه آقای آریاس و نه دکتر تورنتون، ارائه دهندهی روش UFM سنتی، نمیتوانیم به درستی رفتار هر اتصالی را پیشبینی کنیم. به این دلیل است که تمام طراحیهای اتصالات و در تمام احتمالات، مجازا تمام طراحیهای سازههای فولادی چه ضمنی و چه صریح بر پایهی تئوری مرز پایین استوار است. تئوری مرز پایین بیان میکند که نیروهای خارجی اعمال شدهی در تعادل با میدان نیروهای داخلی، کمتر یا حداکثر برابر با نیروهای خارجی است که میتواند منجر به واماندگی شود، به شرطی که تمام حالات محدود ارضا شده باشند و نرمی کافی برای توزیع مجدد نیروها وجود داشته باشد. به بیان دیگر تا زمانیکه نرمی کافی موجود باشد و تمام حالات محدود قابل اعمال، ارضا شده باشند، طراحی میتواند به صورت ایمنی بر پایهی هر توزیع دلخواه نیرو انجام شود، مادامیکه توزیع نیرو، تعادل را ارضا کند. در صورتیکه این موضوع درست نبود طراحیها به محض ساخت و کالیبره شدن، در حین تستهای فیزیکی، مدلهای بسیار پیچیدهی المان محدود برای هر جزئیات و حالت بار ممکن برای طراحی ما، دچار فروپاشی میشدند.

آقای آریاس مباحث زیادی را مطرح نمودند که مطمئنا صحیح میباشند. بدون شک ممانهایی در اتصال فیزیکی در نقطهی اشتراک تیر و ستون وجود دارد. اما این ممان به مقداری کمتر از استحکام نهایی اتصال تیر به ستون محدود میشود. هنگامیکه بار اعمالی به اتصال، به استحکام اتصال نزدیک میشود، المانها شروع به تسلیم شدن میکنند و در نتیجه بار به المانهای سفتتر سرازیر میشود. وقتی که این فرایند به اتمام رسید، صرف نظر از سفتی دورانی این اتصال و ممانهای اعمال شدهی حاصله در تحلیل، در حقیقت به امنیت اتصال اضافه میکند و از آن نمیکاهد. هرگونه مهار اضافی، سازه را تقویت میکند و آن را تضعیف نمیکند.

همانگونه که آقای آریاس میگوید، افزودن بعد βاتصال، موجب سفتتر شدن آن در خط اتصال ستون به لچکی میشود. این مساله چنانچه آقای آریاس عنوان میکند، ممان را از محل اتصال تیر به لچکی بیرون میکشد. این پیشبینی که هیچ ممانی در محل اتصال لچکی به ستون وجود ندارد، مشابه تمام نیروهای دیگر پیشبینی شده توسط روند پیشنهاد شده، صحیح نمیباشند. بعضی از نیروهای پیشبینی شده خیلی بزرگ و بعضی خیلی کوچک هستند اما طراحی حاصله همچنان مطمئن است و بارها را تحمل میکند که در غیر این صورت تئوری مرز پایین و نیز بسیاری از سازههای در حال کار، اشتباه بودند.

منطق مشابهی، استفاده از ΔVbبرای دستکاری توزیع نیروها در اتصال را توجیه میکند. استفاده از ΔVb، به قبل از مقالهی من باز میگردد و سالها در نظامنامهی AISC ارائه شده بوده است. این پارامتر در ابتدا در جایی استفاده شده است که اتصال انتهای تیر تحت بار برشی زیادی در اثر نیروهای جاذبه قرار داشته، در نتیجه نمیتوانسته بارهای اضافی اعمال شده توسط بادبند با اتصال بخصوصی را تحمل کند. برش اضافی اعمال شده بهوسیلهی بادبند میتواند به گونهای باشد که شبکهی تیر، هنگامیکه تحت تاثیر نیروهای پیشبینی شده توسط UFM قرار میگیرد، خودش دچار فراتنش میشود. در صورتیکه تیر و اتصالاتش سفتیشان را در طول بارگذاری حفظ کرده و ناگهان مانند شیشه گسیخته میشدند، اعمال ΔVb نامناسب بود، اما رفتار فولادها این گونه نمیباشد.

نهایتا آقای آریاس پیشنهاد میکند که UFM سنتی ذاتا برتر از روش ارائه شده در این مقاله است. بر پایهی مباحث قبلی وی در مورد UFM تعمیم یافتهی ارائه شده در این مقاله، به نظر میرسد که او احساس میکند UFM سنتی کمتر از روش تعمیم یافته، اختیاری میباشد. در حقیقت میتوان در مورد اختیاریتر بودن قیودی که UFM سنتی انتخاب میکند تا بر توزیع نیرو اعمال کند، بحث نمود. هنگامیکه آقای ویلیام تورنتون، روش UFM سنتی را استخراج نمود، به صورت اختیاری انتخاب کرد که نیروهای Vc و Hc از نقطهای در تقاطع بالای فولاد و وجه ستون عبور کنند. با اینکار اطمینان حاصل شد که هیچ ممانی در سطح مقطع ستون در بالای فولاد وجود ندارد. این انتخاب بر پایهی شکلهای نشانداده شده در طراحی بلادگت[۴] سازههای جوششده استوار است. این روش منجر به معادلات خوشفرمتری برای نیروهای خط اتصال نسبت به روش تعمیمیافتهی پیشنهادی من میشود، اما در حقیقت شامل یک قید هندسی اختیاری اضافی نسبت به روش تعمیمیافته میباشد.

در نتیجه، روند ارائه شده در مقالهی من هرگز برآن نبوده است که نیروهای موجود در اتصال را به درستی پیشبینی کند. بلکه این روش برآن بوده که پیشرفتی در یک ابزار موجود ایجاد کند که به وسیلهی آن یک توزیع نیروی مجاز بدست آید که طراحی ایمن و اقتصادی تولید میکند.

۶- تحلیل و طراحی اتصال بادبند

۶-۱ نویسنده

آقای دکتر ویلیام آ. تورنتون مهندس ارشد کمپانی فولاد کایوز و رییس شرکت مهندسی کایوز میباشد که هر دو در روزول جرجیا واقع هستند. او مسئول تمام طرحهای سازهای ایجاد شده توسط کمپانی و مشاور پنج شعبه از کمپانی فولاد کایوز در مسائل مربوط به طراحی اتصالات و مسائل مربوط به ساخت است. دکتر تورنتون ۳۰ سال سابقهی تدریس، تحقیق، مشاوره و فعالیت در زمینهی تحلیلهای سازهای و طراحی را دارد و مهندس متخصص ثبت شده در ۲۲ ایالت میباشد.

او اغلب به عنوان سخنران مدعو در سمینارهای حمایت شده از جانب موسسهی آمریکایی سازههای فولادی در زمینهی طراحی اتصال فعالیت کرده و نویسنده یا سرپرست نویسندگان تعدادی از مقالات جدید چاپ شده در زمینهی طراحی اتصال و سایر زمینههای مرتبط میباشد. او عضوی از جامعهی مهندسین عمران آمریکا، جامعهی مهندسین مکانیک آمریکا، جامعهی آمریکایی تست فلزات، جامعهی جوش آمریکا و انجمن تحقیق بر روی اتصالات سازهای میباشد.

دکتر تورنتون در حال حاضر به عنوان عضوی از کمیتهی تخصصی موسسهی آمریکایی سازههای فولادی، موسسهی آمریکایی مهندسین عمران، جامعهی جوش آمریکا، مشاور تحقیقاتی اتصالات سازهای و نیز به عنوان رییس موسسهی آمریکایی کمیتهی سازههای فولادی در نظامنامهها، کتب متنی و کدها فعالیت دارد.

۶-۲ خلاصه

اتصالات بادبندها، فضایی را ایجاد میکند که در آن ناسازگاریهای بیشتری در رابطه با یک روش طراحی مناسب وجود دارد. این مقاله سه روش را برای طراحی در نظر میگیرد که از سوی موسسهی آمریکایی گروه کاری سازههای فولادی بر روی اتصالات بادبند سنگین، قابل قبول است و نشان میدهد که این روشها اولین اصل از نقطهنظر تحلیل محدود را ارضا میکنند و با نتایج مربوط به تحقیقات گستردهی انجام شده بر روی این مساله تا سال ۱۹۸۱ تطابق دارند. این مقاله شامل تعدادی مثال کار شده برای نشان دادن کاربرد این روش برای شرایط حقیقی میباشد.

۷- تحلیل و طراحی اتصالات بادبند

۷-۱ معرفی

برای سالهای زیادی، روشهای تحلیلی اتصالات بادبندها در سازههای سنگین، به مرجع مباحثه بین مهندسین و سازندگان فولاد تبدیل شده بود. از سال ۱۹۸۱، موسسهی آمریکایی سازههای فولادی، حمایت از تحقیقات سنگین کامپیوتری در دانشگاه آریزونا، برای توسعهی یک روش منطقی تحلیلی را به عهده گرفت. از سال ۱۹۸۱، تستهای فیزیکی توسط بیجرهوده و گراس بر روی مدلهای سایز اصلی لچکی، تیر و ستون انجام گرفته است. نتایج این کار هنوز به صورت یک روش پایدار طراحی، تدوین نشده است. هدف از این پژوهش انجام این کار است.

AISC همراه با ASCE یک گروه کاری تشکیل داده است تا یک روش طراحی (یا روشهای طراحی) برای این مساله ارائه دهد. پیشنهادات ارائه شده توسط این گروه کاری در همایش شهر کاناس، میسوری در ۱۳ مارچ ۱۹۹۰، در ضمیمهی A آمده است. در این مقاله تلاش خواهد شد تا روشهای طراحی پیشنهاد شده بر پایهی مدلهای A۲، ۳ و ۴ توجیه شوند و شامل مباحثی از سایر مدلهای قطعی بخصوصی مانند مدلهای ۱ و ۵ نیز میباشد. به این نکته توجه شود که نویسنده، رییس این گروه کاری میباشد. البته این مقاله، کار این گروه کاری نیست و تنها نویسنده، مسئولیت محتویات آن را بر عهده دارد.

۷-۲ مدلهای تعادلی برای طراحی اتصالات متحدالمرکز

مدل تعادلی برای اتصالات هممرکز در اینجا به عنوان مدلی از تیر، ستون، لچکی و بادبند(ها)، تعریف شده که اتصالی را میسازد که در آن نیروهای محل تقاطع اتصال، در تعادل هستند و نیروهای موجود در تیر و ستون نیروهایی جز آنچه که در یک چارچوب بادبند متصلشده با پین ایدهآل وجود دارد، نمیباشد. به بیانی دیگر، هیچ کوپل اعمال شدهای در تیرها و ستونها در اثر اجزای اتصال وجود ندارد. شکلهای ۱ تا ۵ نیروهای محل اتصال را به ترتیب برای مدلهای تعادلی ۱، ۲، ۳، ۴ و ۵ نشان میدهد. مدلهای تعادلی به اتصالات هممرکز اعمال میشود؛ یعنی برای آنهاییکه تمام محورهای جاذبهی اجزا، در یک نقطهی "کاری" مشابه با هم تلاقی کنند و برای اتصالات خارج از مرکز یعنی برای آنهاییکه تمام محورهای جاذبهی اجزا، در یک نقطهی مشترک بههم نمیرسند. در مورد دومی، ممانها بر اعضای چهارچوب اعمال میشوند که باید در طراحی این اجزاء مدنظر قرار گیرد.

۷-۳ مدل KISS

این مدل سادهترین مدل ممکن استکه همچنان تعادل در آن برقرار است. این مدل تحت عنوان مدل "ساده بگیر، احمق!" یا مدل KISS، شناخته میشود. این مدل در محاسبات بسیار ساده است اما همانطور که نشان داده خواهد شد، طراحیهای محافظهکارانهای را بدست میدهد. بنابراین استفاده از این روش ساده است و روش ایمنی است اما ظاهری پیچیده و اتصالاتی گرانقیمتی دارد. این روش توسط گروه کاریAISC / ASCE توصیه نمیشود و به دلایل مقایسهای در اینجا آورده شده است.

۷-۴ مدل A۲- AISC

این مدل از نظر محاسباتی کمی پیچیدهتر است اما طرحهایی که ایجاد میکند پیچیدگی کمتری نسبت به مدل ۱ دارد، که همچنان محافظهکارانه است. کلیات این روش در کتاب AISC مهندسی برای سازههای فولادی ارائه شده است و بنابراین به عنوان مدل AISC محسوب میشود. در این کتاب تنها اتصالات به شبکههای ستونی در نظر گرفته شده است. این کار به صورت تعمدی صورت گرفته چرا که نظامنامهی AISC و کمیتهای که به نوشتن این کتاب اقدام کردند (در سال ۱۹۸۳) نتوانستند بر روی یک روش مناسب برای اتصالات به فلنجهای ستون به توافق برسند. مدل A۲، کلیات پیشنهاد شده توسط نویسنده است. نشان داده خواهد شد که این روش محافظهکارانه است.

۷-۵ تورنتون

این مدل توسط نویسنده توسعه داده شده است و قادر است توزیع تنش یکنواختی را بر تمام محلهای تقاطع اتصالات ایجاد نماید. به همین دلیل این روش همواره بهترین ظرفیت را برای اتصالات داده شده و یا کوچکترین اتصال را برای بار داده شده، تولید میکند. از دید تئوری مرز پایین تحلیل محدود، این روش نزدیکترین حالت به توزیع نیروی حقیقی در محل تقاطع اتصالات را بدست میدهد. نشان داده خواهد شد که این روش به پیشبینی دقیق بار واماندگی چاکرابورتی[۵]و آزمایش بیجرهوده، بسیار نزدیک است. در بین سه روش موجود، این روش پیچیدهترین روش محاسباتی محسوب میشود اما اقتصادیترین اتصال و نیز اتصال با کمترین پیچیدگی را بدست میدهد. بحثهای دیگر این مدل، در ضمیمهی B مرجع ۳ موجود است.

۷-۶ مدل ریکر

این روش توسط دیوید ریکر، رییس مهندسی کمپانی سازههای فولادی برلین و عضو گروه کاری AISC / ASCE، توسعه یافت. همانطور که در شکل ۴ مشاهده میشود، نیروها در مرکز لبههای لچکی همواره موازی با نیروهای بادبند فرض میشوند. همانطور که در شکل a۴ دیده میشود، این روش از نظر محاسباتی تا حدودی پیچیده است و شاید بتوان گفت به پیچیدگی مدل ۳ میباشد. ممان M مورد نیاز است، چرا که نیروی حاصله در محل اتصال لچکی به تیر، لزوما از مرکز اتصال تیر و ستون عبور نمیکند و منجر به ایجاد ممان M در این اتصال میشود که به منظور برقراری تعادل صحیح باید در طراحی در نظر گرفته شود. توجه شود که با توجه به اینکه ممان M یک بردار آزاد میباشد، میتواند به محل اتصال تیر به ستون وارد شود یا اینکه به محل اتصال لچکی به تیر و لچکی به ستون وارد شود. انتخاب هر یک از این موارد به عهدهی طراح میباشد.

نقطهضعف این مدل در صلب بودن جهات نسبت داده شده به نیروهای محل اتصال لچکی نهفته است. هنگامیکه اتصال به یک شبکهی ستون است، نیروی محل اتصال لچکی به ستون، همچنان موازی با نیروی بادبند است. این به این معنیستکه جزء نیرویی در این محل اتصال وجود دارد که عمود بر شبکهی ستون است. از آنجاییکه شبکهی ستون در این جهت خیلی انعطافپذیر است، این مدل ممکن است احتیاج داشته باشد که شبکهی ستون به منظور مطابقت با جزء نیروی عمود بر شبکه، سفتتر شود. نشان داده خواهد شد که نتایج تست A۳ گراس را نمیتوان بهوسیلهی این مدل پیشبینی کرد، چرا که شبکه سفت نشده است.

۷-۷ مدل ریچارد اصلاح شده

از میان ۵ مدل ارائه شده در اینجا، این مدل تنها مدلیاست که فقط بر پایهی اصل اول استوار نیست، بلکه شامل ثوابت تجربی است که توسط ریچارد از تحلیلهای کامپیوتری گسترده استخراج شده است. چنانچه در اصل توسط ریچارد ارائه شده است، این مدل تنها در صورتیکه نیروهای حاصله در نقاطی بر روی محلهای اتصال لچکی به تیر و لچکی به ستون عمل کنند نه در مرکز آنها، یک مدل تعادلی محسوب میشود. ریچارد نقاطی را که نیروها در محل اتصال در آنجا عمل میکنند را تعریف نکرده است. از آنجاییکه ارجاع دادن تمام نیروها به مرکز اتصال مورد نظر در طراحی اتصالات یک عمل استاندارد به حساب میآید، نویسنده این کار را انجام داده است و نام این روش را روش "ریچارد اصلاح شده" نامیده است. ممانهای Mb و Mc در شکل ۵ در لبههای لچکی مورد نیاز هستند تا نیروهای محل اتصال ریچارد را به مرکز محل اتصال انتقال دهند.

مانند حالت مدل ۱، این مدل توسط گروه کاری AISC / ASCE پیشنهاد نشده است، اما به منظور مقایسه در اینجا گنجانده شده است.

۷-۸ اتصالات غیرهممرکز

اتصالات غیرهممرکز عبارتند از اتصالاتی که دارای محورهای جاذبهای هستند که در یک نقطهی کاری مشترک به هم نمیرسند. بهجای آن نقطهی کاری معمولا در صفحهی فلنج تیر یا ستون یا هر دو مطابق شکل ۶، فرض میشود. شکل ۷ نیروهایی که معمولا در محل اتصال لچکی در نظر گرفته میشوند را نشان میدهد. اینها نیروهای برشی بر روی لبههای لچکی هستند. از آنجایی که این برشها در یک نقطهی مشترک با خط بادبند تقاطع پیدا میکنند، تعادل لچکی میتواند برقرار شود و تنها در صورتیکه ممانهای اعمال شده به تیر و ستون در طراحی تیر و ستون در نظر گرفته شده باشند، این مدل یک مدل تعادلی صحیح میباشد. شکلهای ۶ و ۷ این روش را روش سنتی مینامند زیرا این روش در گذشته یک روش رایج بوده است اما در حال حاضر به علت ممانهای اعمال شده به تیر و ستون، بسیاری از مهندسین آن را رد میکند. یکی از اهداف این مقاله جستجوی نتایج استفاده از این روش میباشد.

باید به این نکته توجه کرد که در صورتیکه در مدلهای ۱، A۲ و ۳، eB = eC = ۰ قرار داده شود، همگی به حالت کلاسیک تبدیل میشوند، اما مدلهای ۴ و ۵ به مدل کلاسیک تبدیل نمیشود.

ترجمه و گردآوری: راضیه ابوالفتحی تبار

مشخصات

تهیه و ترجمه: راضیه ابوالفتحی تبار تاریخ درج: ۱۳۹۴/۶/۲۳ منبع: دیتاسرا

خرید آنلاین فایل ترجمه

عنوان: طراحی صفحات اتصال (Gusset) با روش نیروی یکنواخت حجم: 1.85 مگابایت فرمت فایل: pdf قیمت: 89500 تومان رمز فایل (در صورت نیاز): www.datasara.com نرم افزارهای مورد نیاز: winrar - adobe acrobat - office

در صورتی که به هر دلیل از خرید خود رضایت نداشتید
تنها با ارسال یک ایمیل وجه خود را دریافت نمایید

دانلود فایل اصلی

عنوان: طراحی صفحات اتصال (Gusset) با روش نیروی یکنواخت

دانلود فایل ( فرمت: pdf - حجم: 1.85 مگابایت )

رمز فایل (در صورت نیاز): www.datasara.com

نرم افزارهای مورد نیاز: winrar - adobe acrobat - office

برچسب ها: