رفع مشکلات اجرایی ستون باکس

بررسی عددی و آزمایشگاهی اتصال گیردار تیر به ستون قوطی

          بررسی عددی و آزمایشگاهی اتصال گیردار تیر به ستون قوطی

           با ورق انتهایی به کمک جعبه داخلی

پژوهشگران: سید مهدی رفیعی تکیه، امیرپیمان زندی، ملک هوشنگ پاشائی

    زلزله نورثریج و کوبه موجب شد تا اتصالات سازه های فولادی پس از آن تحت بازنگری هایی قرار گیرد. در همین راستا از سال ۲۰۰۵ آیین نامه AISC ۳۵۸-۰۵ برای اولین بار اتصالاتی را تحت عنوان اتصالات از پیش تأیید شده ارائه داد. سپس در سال های پسین در آیین نامه های AISC ۳۵۸-۱۰ و  AISC ۳۵۸-۱۶اتصالات جدیدتری معرفی شد. در پژوهش حاضر یک اتصال جدید تحت عنوان "اتصال گیردار تیر به ستون قوطی با ورق انتهایی به کمک جعبه داخلی" مطابق با آیین نامه AISC ۳۴۱-۱۶ به عنوان یک اتصال جدید از پیش تأیید شده معرفی شده است. برای این کار ابتدا ابعاد اجزای اتصال جدید با روش اجزای محدود و به کمک نرم افزار ABAQUS بهینه گردید.  سپس بر روی یک نمونه از نمونه های مدلسازی شده آزمایش تمام مقیاس انجام شد. سپس نتایج این آزمایش با مدلسازی عددی صحت سنجی شد. با داشتن یک مدل صحت سنجی شده، پارامترهای مؤثر بر رفتار اتصال، مورد بررسی های گسترده تری قرار گرفت تا ضوابط کامل تری برای طراحی و اجرای اتصال به دست آید.

      شکل۱- نمای سه بعدی اتصال پیشنهادی؛ الف) جعبه داخلی قبل از نصب پیچ و مهره، ب) اتصال تیر به ستون با جعبه داخلی

 اتصال پیشنهادی مشابه اتصال تیر به ستون با ورق انتهایی تقویت نشده است با این تفاوت که در اتصال پیشنهادی در چشمه اتصال ورق پیوستگی به جای جوش شدن به ستون، به یک قوطی به ارتفاع ورق پیوستگی تحت عنوان جعبه داخلی جوش شده و سپس ورق های این قوطی با پیچ و مهره به ستون اصلی متصل می شود. به این ترتیب برای اولین بار در دنیا، اتصال ورق پیوستگی به بال های ستون از حالت جوشی به پیچ و مهره تغییر می یابد. شکل ۱تا ۳ هندسه اتصال پیشنهادی را نشان می دهد. در این اتصال با پیش بینی قطعه ای تحت عنوان قطعه مهار مهره در داخل جعبه داخلی، امکان اتصال مستقیم تیر به ستون با پیچ و مهره به داخل ستون های قوطی شکل فراهم شده است.

     شکل۲- هندسه جعبه داخلی؛ الف) مقطع جعبه داخلی(مقطع۱-۱)؛ ب) نمای از بالای جعبه داخلی(پلان۲-۲)

          شکل۳- نحوه اجرای اتصال پیشنهادی با چهار تیر ؛ الف) نمای اتصال از بالا، ب) نمای مقطع اتصال از کنار

       شکل۴- نمای سه بعدی قطعه اتصال مهره به ورق جانبی جعبه داخلی؛ الف) دید از جلو؛ ب) دید از پشت

 ابعاد نمونه های آزمون این پژوهش مطابق شکل ۵ است. مدل عددی نمونه اول در شکل ۶ و مدل آزمایشگاهی آن در شکل ۷ نشان داده شده است. همچنین مقایسه ای از منحنی لنگر-چرخش مدل آزمایشگاهی و مدل عددی در شکل ۸ نشان داده شده است.

      شکل۵- مشخصات مقطع تیر و ستون نمونه ها (ابعاد به میلی متر)؛ الف) نمونه اول؛ ب) نمونه دوم

    شکل۶- تنش فون میسز اتصال نمونه اول در چرخش۰۶/۰ رادیان برحسب نیوتن متر

   شکل۷- نمایش بارگذاری نمونه در چرخش۰۴/۰ رادیان؛ الف) بیشینه جابجایی مثبت؛ ب) بیشینه جابجایی منفی

      شکل۸- مقایسه منحنی لنگر- چرخش مدل عددی و آزمایشگاهی نمونه اول اتصال پیشنهادی

     نتایج این پژوهش به طور خلاصه به قرار زیر است:۱- اتصال پیشنهادی با محدودیت های ابعادی جدول۱ از پیش تأیید شده محسوب شده و طبق نتایج به دست آمده، علاوه بر سیستم قاب خمشی معمولی و متوسط قابل کاربرد در سیتم قاب خمشی ویژه نیز می‌باشد. 

  جدول۱- بازه های تأیید شده برای کاربرد اتصال تیر به ستون با ورق انتهایی بدون سخت کننده با جعبه داخلی
 روش طراحی اتصال مشابه اتصال تیر به ستون با ورق انتهایی می باشد. ارتفاع جعبه داخلی مشابه ارتفاع ورق انتهایی است و برای ضخامت جعبه داخلی سه رابطه ارائه شده در زیر بایستی رعایت گردد. در ابتدا رابطه ۱ کنترل می شود و در صورتی که روابط ۲و۳ ارضا شدند همین مقدار و در غیر این صورت روابط ۲و۳ حاکم خواهند بود.

     که در روابط بالا:

   〖∶t〗_ib ضخامت ورق جانبی جعبه داخلی و t_ep  : ضخامت ورق انتهایی و :t_c ضخامت بال ستون قوطی :t_cp ضخامت ورق پیوستگی۳- مزیت اتصال پیشنهادی نسبت به اتصالات رایج تیر به ستون قوطی با ورق انتهایی: برای اجرای جوش بعد چهارم ورق پیوستگی به داخل ستون دو روش مرسوم وجود دارد. روش اول جوش سرباره الکتریکی و روش دوم قطعه ای اجرا کردن وجه چهارم ستون می باشد. مشکل عمده روش اول عدم امکان ترمیم جوش و مشکل روش دوم بالا بودن حجم جوشکاری و زمان بر بودن ساخت ستون است. در اتصال پیشنهادی با توجه به دسترسی ساده جوشکاری دورتا دور ورق پیوستگی به جعبه داخلی و عدم نیاز جوشکاری ورق پیوستگی به وجوه بال های ستون، سرعت اجرا بالا رفته و امکان اجرا و بازرسی ساده جوش بعد چهارم فراهم می شود. همچنین با توجه به ابداع قطعه مهار مهره در اتصال پیشنهادی امکان اجرای اتصال مستقیم تیر به ستون قوطی بدون وجود دستک فراهم می شود. این امر موجب کاهش هزینه های حمل شده و موجب حذف جوش های نفوذی دستک و حذف ورق انتهایی دستک می شود. در مجموع با توجه به برآورد صورت گرفته، اتصال پیشنهادی از نظر حجم جوشکاری، ورق مصرفی، هزینه حمل و سرعت اجرا نسبت به اتصالات رایج تیر به ستون با ورق انتهایی با دستک اقتصادی تر می باشد.

   منابع و مراجع:

 1. ازهری، مجتبی و میرقادری، سید رسول،۱۳۹۴، طراحی سازه های فولادی(جلد ششم)، طراحی اتصالات به روش حالات حدی و مقاومت مجاز، چاپ پنجم، انتشارات ارکان دانش، اصفهان

2. AISC 360-16. 2016. Specification for Structural Steel Buildings, AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, INC.130 East Randolph Street, Chicago, IL.

.3 FEMA 350. 2000. Recomended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY, SAC Joint Venture for the Federal Emergency Management Agency, Washington, DC.

 4.  Sindo Kou. 2014. Welding Metallurgy, A John Wiley & Sons Inc Publication, Ed 2

 5. AISC 358-16. 2016. Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, INC.One East Wacker Drive, Suite 700 Chicago, Illinois 60601-1802.

 6. دفتر مقررات ملی ساختمان، ۱۳۹۲، مبحث دهم طرح و اجرای ساختمان های فولادی، چاپ اول، نشر توسعه ایران، تهران.

 7.  Y. Kurobane, J. A. Packer, J. Wardenier, N. Yeomans. 2004. DESIGN GUIDE FOR STRUCTURAL HOLLOW SECTION COLUMN CONNECTIONS , Entirely printed by: TÜV-Verlag GmbH, Köln Printed in Germany.

 8. Jahanbakhti, E., Fanaie, N., Rezaeian, A. 2017. Experimental investigation of panel zone in rigid beam to box column connection. Journal of Constructional Steel Research. 137.180-191.

9.  Erfani, S., Asnafi, A.A., Goudarzi, A. 2016. Connection of I-beam to box-column by a short stub beam. Journal of Constructional Steel Research. 127. 136-150.

 10.  حسین زاده اصل، م. و همابخت، م.، ارزیابی اتصال گیردار تیر Iشکل به ستون قوطی با سخت کننده های مثلثی شکل در داخل ستون، چهارمین کنفرانس بین المللی عمران، معماری و توسعه اقتصاد شهری، ۱۳۹۶

11. صدیقیان کاشانی، م. و آقاکوچک، ع.ا.، اتصال گیردار تیرI به ستون قوطی براساس هندسه یقه اي شکل، نهمین کنگره بین المللی مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، ۲۱-۱۹ اردیبهشت ۱۳۹۱

12. میرقادری، س.ر.، ترابیان، ش. و کشاورزی، ف.، مطالعه آزمايشگاهي اتصال خمشي تير Iشکل به ستون قوطی شكل با بكارگيري ورق میانگذر، هشتمین کنگره بین المللی مهندسی عمران، دانشگاه شیراز، ۲۳-۲۱ اردیبهشت ۱۳۸۸

13. Disque, R.O. End-Plate Connections. Proceedings of the 1962 AISC National Engineering Conference, Columbus, OH, April 12-13, 1962, AISC, 30-37.

14. Abolmaali, A., Kukreti, A.R. and Murray, T.M. 1984. Finite Element Analysis of Two Tension Bolt Flush End-Plate Connections, Research Report No.FSEL/MBMA 84-01, Fears Structural Engineering Laboratory,School of Civil Engineering and Environmental Science, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma.

15. Adey, B.T., Grondin, G.Y., Cheng, J.J.R. 1997. Extended End Plate Moment Connections Under Cyclic Loading, Structural Engineering Report No. 216, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Alberta, Canada.

16. Adey, B.T., Grondin, G.Y., Cheng, J.J.R. 1998. Extended End Plate Moment Connections Under Cyclic Loading, Journal of Constructional Steel Research, Elsevier Applied Science, 46(1-3), Paper No. 133.

17. Agerskov, H. 1976. High-Strength Bolted Connections Subject to Prying, Journal of the Structural Division, ASCE, 102(1), 161-175.

18. Bahari, M.R. and Sherbourne, A.N. 1996a. Structural Behavior of End-Plate Bolted Connections to Stiffened Columns, Journal of Structural Engineering, ASCE,

122(8), 926-935.

19. Boorse, M.R. and Murray, T.M. 1999. Evaluation of the Inelastic Rotation Capability of Flush End-Plate Moment Connections, M.S. Thesis, Department of Civil Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia.

 20. Coons, R. G., 1999. Seismic Design and Database of End Plate and T-stub Connections, M.S. Thesis, University of Washington, Seattle, Washington.

21. Ghassemieh, M., Kukreti, A.R. and Murray, T.M. (1983). Inelastic Finite Element Analysis of Stiffened End-Plate Moment Connections, Research Report No.

   FSEL/MBMA 83-02, Fears Structural Engineering Laboratory, School of Civil Engineering and Environmental Science, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma.

22. Meng, R.L. 1996. Design of Moment End-Plate Connections for Seismic Loading, Doctoral Dissertation submitted to Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia, 1996.

23.  Sumner, E. A. and Murray, T. M. 2002, Behavior of Extended End-Plate Moment Connections Subject to Cyclic Loading, Journal of Structural Engineering, ASCE, 128(4), 501-508.

24.  AISC. 2004,Steel Design Guide 4, Extended End-Plate Moment Connections Seismic and Wind Applications, second edition, AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, INC.

25. AISC 358-16. 2016. Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, 130 East Randolph Street, Chicago, IL.

26. AISC 341-16.2016. SiesmicProvisions for Structural Steel Buildings,AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, INC.130 East Randolph Street, Chicago, IL.

27. Goudarzi, A., Ghasemieh, M., Baei, M., 2012. The Effect of Axial Force on the Behavior of Flush End-plate moment. 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon,Portogal

28. Yiyi Chen , Lingli Pan , Liang-Jiu Jia. 2017. Post-buckling ductile fracture analysis of panel zones in welded steel beam-to-column connections.  Journal of Constructional Steel Research. 132. 117-129.  

29. Sazmand, E., Aghakouchak, A.A..2012. Modeling the panel zone in steel MR frames composed of built-up columns. Journal of Constructional Steel Research.77.54-68.

30. ASTM E8/E8M-13a. 2013. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, American Association State Highway and Transportation Officials Standard

  , West Conshohocken, PA 19428-2959.

 31. ASTM A170. 2016 Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products, American Association State Highway and Transportation Officials Standard,www.astm.org

32. AWS D1.1. 2015. Stuctural Welding Code-Steel, American Welding Society, Miami, FL.