شبیه سازی و تحلیل شکل پذیری اتصالات فولادی در برابر زلزله

دسته: مهندسی عمران

فرمت فایل: doc

حجم فایل: 10722 کیلوبایت

تعداد صفحات فایل: 220

دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران زلزله

شبیه سازی و تحلیل شکل پذیری اتصالات فولادی در برابر زلزله

مقدمه

تولید فولادهای پرمقاومت با خواص مناسب مانند شکل پذیری و مقاومت بالا در طی 50 سال اخیر شدیداً توسعه یافته است. ولی به علت عدم شناخت مهندسین، استفاده از آنها در صنعت ساخت و ساز رشد قابل توجهی نیافته است. تا زمانی که مشخصات این فولادها به طور کامل ارزیابی نشود و عملکرد آنها در بارگذاری های لرزه ای مورد تحقیق و بررسی قرار نگیرد، استفاده از این فولادها که موجب اقتصادی شدن پروژه های ساخت و ساز می شوند، توسعه نخواهد یافت. از این رو در این پایان نامه سعی می شود تا با مدلسازی و تحلیل عددی اتصالات صلب ساخته شده از فولادهای پرمقاومت تحت بارگذاری-های شبه دینامیکی، کفایت لرزه ای و شکل پذیری این نوع اتصالات مورد بررسی قرار گیرد.

بیش از یک قرن است که فولاد بعنوان مصالح ساختمانی تثبیت شده است. واژه فولاد ساختمانی (Structural Steel) عموماً به فولادهای کربن- منگنز اطلاق می شود که ساختاری فریتی- پرلیتی دارند و در تناژ بالا برای مصارف ساختمانی و شیمیایی تولید می شوند. فولاد کم کربن نورد گرم، از جمله پرکاربردترین مصالح در صنعت ساختمانی می باشد. پیشرفت تکنولوژی جوشکاری و تسهیل در عملیات جوشکاری به عنوان یکی از تکنیکهای اتصال قطعات فولادی، باعث پیشرفت سریع سازه های فولادی گردیده است. گذشته از این، استفاده از فولادهای پرمقاومت، صرفه جویی اقتصادی، مقاوم سازی و جذابیت فولادهای ساختمانی را به خوبی تامین می کند.

طی سالیان اخیر، با پیشرفت تکنولوژی، نیاز صنایع به محصولات با کیفیتی بالا، باعث افزایش تقاضا برای تولید فولادهای پرمقاومت، همراه با شکل پذیری بیشتر و چقرمگی کافی گردیده است [39]. در این راستا تحقیقات گسترده ای توسط محققین علوم متالورژی بر روی بهبود خواص فولادها انجام شده است. اولین هدف در این تحقیقات آن بوده که بتوانند فولادهایی با مقاومت بالاتر، شکل پذیری بیشتر و و قابلیت جوشکاری بهتر تولید نمایند. همچنین در تحقیقات اخیر بر روی این نکته متمرکز شده اند که بتوانند مقدار فولاد مصرفی را با توجه به مقاومت و شکل پذیری مورد نیاز کاهش دهند [37].

در گذشته تهیه فولادهای پرمقاومت تنها از طریق عملیات استحکام رسوبی و یا افزودن عناصر آلیاژی نظیر نیکل، کروم، مولیبدن و … با درصد بالا امکان پذیر بود. استحکام رسوبی اگر چه مقاومت را افزایش می دهد ولی سبب تردی نیز می شود. مضافا بر اینکه بعلت حضور عناصر آلیاژی، طبیعی است که این فولادها قیمت زیادی نیز داشته باشند [40]. در این راستا با توجه به اهمیت پایین نگه داشتن قیمت تمام شده تولید فولاد و جوش پذیری، از مکانیزم های چندگانه ای برای افزایش مقاومت استفاده می شود. مکانیزم های عمده افزایش مقاومت فولاد شامل تشکیل محلول جامد، ریز کردن دانه ها و ایجاد رسوبات با عناصر میکروآلیاژی است [36].

کلمات کلیدی:

نرم افزار ANSYS

اتصالات فولادی

طراحی لرزه ای اتصالات

شکل پذیری لرزه ای اتصالات

فهرست مطالب

1- فولادهای پرمقاومت 1

1-1- مقدمه 1

1-2- روند تولید فولادهای پرمقاومت 1

1-3- مزیتهای استفاده از فولاد پرمقاومت میکروآلیاژی 7

1-4- قابلیت جوشکاری در فولادهای پرمقاومت 10

1-5- کاهش وزن، کلید افزایش ارزش اقتصادی فولادهای میکروآلیاژی 13

2- پذیری و طراحی لرزه ای اتصالات 16

2-1- مقدمه 16

2-2- ماهیت زلزله و لزوم انجام طراحی لرزه ای 17

2-3- انواع اتصالات و قابهای سازه ای 19

2-3-1- اتصالات ساده (مفصل) 20

2-3-2- اتصالات کاملاً صلب (گیردار) 20

2-3-3- اتصالات نیمه صلب (پاره گیردار) 21

2-4- تعیین میزان گیرداری یک اتصال 22

2-5- ارزیابی اتصالات صلب جوشی و منحنی لنگر – دوران اتصالات 23

2-6- ملزومات چرخشی برای اتصالات خمشی 26

2-7- کفایت عملکرد ثقلی اتصالات تیر به ستون 26

2-8- اتصالات در زلزله نورتریج 33

2-8-1- بررسی اتصالات متعارف آسیب دیده در زلزله نورتریج 34

2-8-2- خلاصه فعالیت های انجام شده پس از زلزله نورتریج 37

2-8-3- اشکالات ایجاد کننده شکست ترد در اتصال متعارف 38

2-8-4- نتیجه حاصل از تحقیقات – ضعف موجود در بر اتصالات متعارف 42

2-9- نگرش جدید در طراحی لرزه ای قابهای خمشی فولادی 45

2-10- تعریف مفاهیم ضریب رفتار R و ضریب افزایش مقاومت 46

2-11- بررسی کفایت عملکرد لرزه ای اتصالات 53

2-12- الزامات لرزه ای قاب های خمشی فولادی 63

2-12-1- ضوابط ویژه تناسبات اجزای مقطع 63

2-12-2- چشمه اتصال 65

2-12-3- شرط ستون قوی – تیر ضعیف 69

2-12-4- ورق های پیوستگی 73

2-12-5- مهاربندی جانبی تیرها 73

3- تحقیقات انجام شده بر روی اتصالات ساخته شده از فولاد پرمقاومت 75

3-1- مقدمه 75

3-2- رفتار چرخه ای اتصالات جوشی ساخته شده از فولاد پرمقاومت در ساختمانهای مقاوم در برابر خرابی 77

3-2-1- طرح کلی آزمایشات 78

3-2-2- بارگذاری کششی یکنواخت 80

3-2-3 نمودار چرخه ای نیروی محوری و کرنش متوسط 80

3-2-4 توزیع کرنش در راستای محور نمونه ها 81

3-2-5 کارآئی اتصالات جوشی 82

3-2-6 نسبت تغییر شکل پلاستیک تجمعی 83

3-3 مطالعه آزمایشگاهی بر روی مقاطع RBS ساخته شده با فولاد پرمقاومت 84

3-4 بررسی آزمایشگاهی اتصالات با ورق انتهایی ساخته شده از فولاد پرمقاومت 88

3-4-1 نحوه انجام آزمایشات 89

3-4-2 نتایج آزمایشات (نمودارهای ) 90

3-4-3- بررسی شکل پذیری آزمایشگاهی 92

3-5- اثر فولادهای پرمقاومت و مشخصات هندسی آن در رفتار غیرخطی خمشی 94

3-5-1- رفتار خمشی 95

3-5-2- معیارهای فشردگی حال حاضر 97

3-5-3- کمانش موضعی بال 97

3-5-4- کمانش موضعی جان 98

3-5-5- گرادیان لنگر 101

3-5-6- ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت 102

3-5-7- تیر – ستونها 112

3-5-8- رفتار چرخه ای تیر ستونها 115

4- طراحی و مدلسازی اتصالات گیردار با نرم افزار ANSYS 119

4-1- محاسبات اولیه طراحی اتصال 119

4-2- طرح لرزه ای چند اتصال صلب جهت مقایسه 126

4-2-1- اتصال تیر با مقطع کاهش یافته 126

4-2-2- اتصال تیر با ورق میانگذر 129

4-2-3- اتصال تیر با ماهیچه از پایین جوشی 132

4-3- روش ارزیابی عملکرد لرزه ای اتصالات پیشنهادی 134

4-4- معرفی خصوصیات و قابلیت های نرم افزار ANSYS 135

4-4-1- تحلیل غیر خطی مادی 136

4-4-2- رفتار خمیری مستقل از زمان 136

4-5- المان های مورد استفاده 140

4-5-1- معرفی المان های متناسب با فیزیک مساله 140

4-6- مدلسازی اتصال پیشنهادی 142

4-7- معرفی مدلهای اجزاء محدود اتصالات 145

4-7-1 مدل اتصالات تیر I شکل به ستون H شکل 146

4-8 بررسی نتایج تحلیل های اجزاء محدود 147

4-8-1 تیرها 147

4-8-2 ستون (خارج از چشمه اتصال) 156

4-8-3 چشمه اتصال ستون 157

4-9- بررسی رفتار کلی اتصال 169

4-10- مقایسه از نظر شکل پذیری 174

4-11- نسبت میرایی ویسکوز معادل هر یک از نمونه ها 185

فصل پنجم: جمع بندی نتایج تحلیل ها و ارائه پیشنهادات 195

5-1- بحث و نتیجه گیری 195

5-2- ارائه پیشنهادات

فهرست اشکال

شکل 1-1: نحوه تاثیر مکانیزم های افزایش مقاومت در فولاد 2

شکل 1-2: فرآیندهای تولید (الف- نورد و نرمال کردن، ب- فرآیند ترمودینامیکی) 3

شکل 1-3: منحنی باربری و تنش مجاز 5

شکل 1-4: تاثیر نوع بارگذاری بر میزان صرفه جویی ناشی از فولادهای پرمقاومت 9

شکل 2-1: حلقه های زنجیر پاولی 11

شکل 2-2: دوران اتصال با توجه به میزان گیرداری اتصال 14

شکل 2-3: منحنی لنگر دوران برای انواع اتصالات 15

شکل 2-4: بارگذاری ثقلی اتصال ثقلی در آزمایشگاه 17

شکل 2-5: تیر AB تحت اثر لنگرهای انتهایی 18

شکل 2-6: نمودار لنگر – چرخش سه نوع اتصال 19

شکل 2-7: نمودار لنگر – چرخش اتصال گیردار ایده آل و اتصال مفصل ایده آل 19

شکل 2-8: بررسی نمودار لنگر- دوران برای اتصالات مختلف 21

شکل 2-9: اثرات افزایش EI و L در نمودار خط تیر 21

شکل 2-10: اتصال متعارف آسیب دیده در زلزله نورتریج 23

شکل 2-11: ناحیه شروع خرابی در اتصالات تیر به ستون 23

شکل 2-12: شکستهای گره تیر به ستون 23

شکل 2-13: شکستهای ستون 23

شکل 2-14: شکست قائم در طول ورق برشی اتصال 24

شکل 2-15: شمایی از چند تیپ اتصال مالکیت دار 29

شکل 2-16: انواع جزییات متعارف اتصالات تیر با مقطع کاهش یافته 29

شکل 2-17: تبدیل نیروهای داخلی صفحه ای تیر به نیروهای داخل صفحه ای ستون 32

شکل 2-18: قیاس اتصالات پیش از نورتریج و پس از نورتریج 33

شکل 2-19: تشکیل مفصل پلاستیک در تیر، دور از بر ستون 34

شکل 2-20: محل تشکیل مفاصل پلاستیک 35

شکل 2-21: توزیع کرنش پلاستیک در یک زیرسازه شکل پذیر 35

شکل 2-22: تغییر شکل یک قابل خمشی تحت اثر بارهای جانبی 36

شکل 2-23: انواع زیر سازه های قابل ساخت در آزمایشگاه و قابل مدلسازی در نرم افزار 37

شکل 2-24: دو نمونه متفاومت زیر سازه ساخته شده در آزمایشگاه 37

شکل 2-25: بارگذاری استاندارد پیشنهادی SAC 38

شکل 2-26: نمایش پارامترها 39

شکل 2-27: شمایی از نمودارهای و 39

شکل 2-28: نمودار لنگر- چرخش پلاستیک 40

شکل 2-29: مشخصات نمودار لنگر – چرخش پلاستیک خوب از نظر AISC 40

شکل 2-30: پوش نمودار لنگر – چرخش پلاستیک 41

شکل 2-31: چشمه اتصال و نیروهای وارد بر آن 44

شکل 2-32: محاسبه تلاشهای ناشی از تشکیل مفاصل پلاستیک در مقاطع بحرانی 47

شکل 2-33: محل تشکیل مفصل پلاستیک در اتصال با ورقهای روسری و زیرسری 48

شکل 2-34: محل تشکیل مفصل پلاستیک در اتصال ماهیچه ای 48

شکل 2-35: محل تشکیل مفصل پلاستیک در اتصال RBS 49

شکل 3-1: توزیع لنگر و انحنای خمشی در سازه های واقعی 52

شکل 3-2: جزئیات اتصالات آزمایش شده 53

شکل 3-3: سیکلهای بارگذاری اعمال شده 53

شکل 3-4: نمودارهای نیرو جا به جایی برای نمونه های آزمایش شده 54

شکل 3-5: توزیع کرنش برای نمونه های آزمایش شده 55

شکل 3-6: کارآیی اتصالات جوشی 55

شکل 3-7: نسبت تغییرشکلهای پلاستیک تجمعی برای انواع فولاد با اتصال جوشی 56

شکل 3-8: رفتار چرخه ای نمونه ها 58

شکل 3-9: الگوی مناطق تسلیم در مقاطع (الف: تسلیم در جان، ب: تسلیم در بال) 59

شکل 3-10: ترکیب بندی اتصالات 60

شکل 3-11: ورق انتهایی با ضخامت 15 میلیمتر 60

شکل 3-12: ورق انتهایی با ضخامت 10 میلیمتر 60

شکل 3-13: مقایسه نتایج نمونه های یکسان با ورق انتهایی متفاوت 61

شکل 3-14: منحنی چندخطی اتصال با ورق انتهایی 62

شکل 3-15: نمودار تنش-کرنش برای انواع فولادهای ساختمانی 63

شکل 3-16: نمودار نسبت تنش تسلیم به مقاومت کششی 64

شکل 3-17: منحنی لنگر دوران تیر تحت خمش 64

شکل 3-18: اثر لاغری بال تیر بر روی ظرفیت چرخشی تیر (فولاد نرمه معمولی) 66

شکل 3-19: اثر لاغری جان تیر بر روی ظرفیت چرخشی تیر (فولاد نرمه معمولی) 67

شکل 3-20: ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی، اثر لاغری بال و جان 68

شکل 3-21: منحنی لنگر انحنا برای تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی 68

شکل 3-22: مطالعه پارامتریک ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی تحت گرادیان لنگر 69

شکل 3-23: نتایج منحنی لنگر دروان برای نمونه های 3 تا 7 70

شکل 3-24: نمودار لنگر دوران برای تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت تحت گرادیان لنگر 71

شکل 3-25: اثر لاغری جان بر روی ظرفیت دوران (فولاد معمولی و پرمقاومت) 71

شکل 3-26: ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت (اثر لاغری بال و جان) 71

شکل 3-27: اثر گرادیان لنگر بر روی منحنی لنگر دوران تیرهای فولاد HSLA-80 72

شکل 3-28: نمودار لنگر دوران (نمونه 3) 72

شکل 3-29: کمانش موضعی در بال و جان 72

شکل 3-30: اثر لاغری جان بر روی ظرفیت شکل پذیری مقطع ساخته شده از HSLA-80 72

شکل 3-31: اثر لاغری بال بر روی ظرفیت شکل پذیری مقطع ساخته شده از HSLA80 73

شکل 3-32: انرژی مکمل نمودار تنش کرنش برای مطالعه پارامتریک ظرفیت دوران 74

شکل 3-33: اثر مشخصات تنش کرنش مصالح بر روی ظرفیت دوران خمشی 75

شکل 3-34: (الف) نمودار تنش کرنش فولادها (ب) نمودار نیرو تغییرمکان تیرهای بال پهن فولادهای مربوطه 75

شکل 3-35: مشخصات تنش کرنش مصالح برای مطالعات پارامتریک FEA 76

شکل 3-36: نمودارهای لنگر دوران برای مطالعات پارامتریک FEA 76

شکل 3-37: شکل پذیری کرنشی ستونهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت 77

شکل 3-38: رابطه ظرفیت دوران به نسبت نیروی محوری تیرستونها 78

شکل 3-39: نمودار پاسخ تیرستونها به بارگذرای یکنوا 78

شکل 3-40: نمودار هیسترزیس تیرستونها 78

شکل 3-41: رابطه استهلاک انرژی نسبت تنش برای بارگذاری چرخه ای تیر-ستونها 79

شکل 4-1: مقطع تیر 81

شکل 4-2: هندسه قاب مفروض 82

شکل 4-3: لنگر در بر ستون ناشی از لنگر و برش مفصل پلاستیک 83

شکل 4-4: مقطع تیر در بر ستون 84

شکل 4-5: مقطع ستون H شکل 84

شکل 4-6: مقطع اتصال تیر I شکل به ستون H شکل 85

شکل 4-7: جزییات اتصال دارای تیر با مقطع کاهش یافته به ستون H شکل 86

شکل 4-8: نمایش پارامترهای مورد استفاده در روابط 88

شکل 4-9: ابعاد اتصال طراحی صلب با ورق میانگذر 90

شکل 4-10: تیپ اتصال دارای ماهیچه از پایین جوشی 90

شکل 4-11: مقطع تیر و ماهیچه در بر ستون 91

شکل 4-12: معیار تسلیم فون میسز در حالت دو بعدی و سه بعدی 93

شکل 4-13: معیار تسلیم دراکر-پراگر در حالت دو بعدی و سه بعدی 93

شکل 4-14: مقایسه نحوه تغییرات سطوح تسلیم در قواعد سخت شدگی سینماتیکی و ایزوتروپیکی 95

شکل 4-15: مقایسه مدلهای سخت شدگی سینماتیکی و ایزوتروپیکی در حالات دوخطی و چندخطی 95

شکل 4-16: المان Shell143 96

شکل 4-17: هندسه المان Beam189 96

شکل 4-18: منحنی تنش- کرنش فولادها 97

شکل 4-19: بارگذاری استاندارد پیشنهادی SAC 98

شکل 4-20: بارگذاری تغییرمکانی دوطرفه افزایش یابنده 99

شکل 4-21: اتصال تیر I شکل به ستون H شکل به همراه ناحیه صلب بین المانهای Beam و Shell 100

شکل 4-22: نحوه اعمال شرایط تکیه گاهی و تغییرمکانهای اعمال شده به سر ستون 100

شکل 4-23: نحوه مش بندی المانهای تیر و ستون به صورت Beam و Shell در حالت ضخامت دار 100

شکل 4-24: نحوه مش بندی المانهای تیر و ستون به صورت Beam و Shell در حالت بدون ضخامت 100

شکل 4-25: تنش فون میسز در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 102

شکل 4-26: تنش فون میسز در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 102

شکل 4-27: تنش فون میسز در تیر اتصال گیردار ساخته شده از STE 460 تحت بارگذاری چرخه ای 102

شکل 4-28: تنش فون میسز در تیر اتصال گیردار ساخته شده از STE 690 تحت بارگذاری چرخه ای 102

شکل 4-29: تنش فون میسز در تیر اتصال ماهیچه ساخته شده از فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 102

شکل 4-30: تنش فون میسز در تیر اتصال ماهیچه ساخته شده از فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 102

شکل 4-31: تنش فون میسز در تیر اتصال RBS ساخته شده از فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 103

شکل 4-32: تنش فون میسز در تیر اتصال RBS ساخته شده از فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 103

شکل 4-33: تنش فون میسز در تیر اتصال با ورق میانگذر فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 103

شکل 4-34: تنش فون میسز در تیر اتصال با ورق میانگذر فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 103

شکل 4-35: تنش در راستای X در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 103

شکل 4-36: تنش در راستای X در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 103

شکل 4-37: تنش در راستای X در تیر اتصال گیردار فولاد STE 460 تحت بارگذاری چرخه ای 104

شکل 4-38: تنش در راستای X در تیر اتصال گیردار فولاد STE 690 تحت بارگذاری چرخه ای 104

شکل 4-39: تنش در راستای X در تیر اتصال ماهیچه ساخته شده از فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 104

شکل 4-40: تنش در راستای X در تیر اتصال ماهیچه ساخته شده از فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 104

شکل 4-41: تنش در راستای X در تیر اتصال RBS ساخته شده از فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 104

شکل 4-42: تنش در راستای X در تیر اتصال RBS ساخته شده از فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 104

شکل 4-43: تنش در راستای X در تیر اتصال با ورق میانگذر ساخته شده از فولاد ST37 105

شکل 4-44: تنش در راستای X در تیر اتصال با ورق میانگذر ساخته شده از فولاد ST52 105

شکل 4-45: تنش برشی در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد ST37 تحت بارگذاری چرخه ای 105

شکل 4-46: تنش برشی در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد ST52 تحت بارگذاری چرخه ای 105

شکل 4-47: تنش برشی در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد STE 460 تحت بارگذاری چرخه ای 105

شکل 4-48: تنش برشی در تیر اتصال گیردار ساخته شده از فولاد STE 690 تحت بارگذاری چرخه ای 105

  • شبیه سازی و تحلیل شکل پذیری اتصالات فولادی در برابر زلزله
  • طراحی لرزه ای اتصالات
  • شکل پذیری اتصالات از فولاد پرمقاومت
  • دانلود پایان نامه فولاد پرمقاومت
  • دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران زلزله
  • فولادهای پرمقاومت
  • شبیه سازی و تحلیل شکل پذیری اتصالات فولادی در برابر زلزله
  • شکل پذیری لرزه ای اتصالات

برای دانلود این فایل اینجا کلیک نمایید

The PDF version of this page!

شبیه سازی و تحلیل شکل پذیری اتصالات فولادی در برابر زلزله