پایان نامه رفتار لرزه ای تیر های پیوند لانه زنبوری

پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد

مهندسی عمران- سازه

چکیده

قاب­های مهاربندی واگرا از سیستم­های مقاوم در مقابل زلزله برای سازه های فولادی به شمار می­رود. این مهاربند­ها از سختی مناسب و شکل پذیری بسیار بالایی برخوردار است. استفاده از لانه زنبوری به عنوان تیر پیوند باعث استفاده از ویژگی­های تیر­های لانه زنبوری می­شود. تیر های لانه زنبوری، 50 درصد ارتفاع تیر آهن اولیه، افزایش می یابد درصورتیکه در ضخامت و بال هیچ تغییری حاصل نمی شود در نتیجه در این حالت بر اساس آیین نامه و کنترل h/t مقطع دیگر یک مقطع فشرده نیست همچنین به دلیل ضعیف شدن جان تیر لانه زنبوری، این تیر ها در مقابل تلاش های برشی مقاومت کمتری دارند.  بنابراین استفاده از تیر لانه زنبوری به عنوان تیر پیوند ممنوع است. هدف از این تحقیق یافتن روش نوینی برای استفاده از تیر های لانه زنبوری به عنوان تیر های پیوند در کشور هایی که دسترسی به مقاطع نورد شده عمیق وجود ندارد است تا از ویژگی های تیر های لانه زنبوری و قابهای مهاربندی واگرا به طور هم زمان استفاده کرد. با انجام تحقیق بر روی این نوع تیر­ها مشاهده شد که با استفاده از سلول برشی که از مکانیزم پس از کمانش همانند دیوار برشی پیروی می­کند می توان از این تیر­ها استفاده به عنوان تیر پیوند استفاده نمود همچنین نتایج نشان داد که این مدل ساخته شده دارای پایداری لازم بوده و اتلاف انرژی و انعطاف پذیری خوبی دارد.

کلمات کلیدی: تیر لانه زنبوری، قابهای مهار بند شده واگرا، تیر پیوند، سلول برشی

فصل اول:

کلیاتی در مورد تیر لانه زنبوری

1-1 مقدمه

. مقدمه

در مناطقی که امکان دسترسی به پروفیل یا مقاطع نورد شده عمیق فولادی ممکن نیست، استفاده از تیر های لانه زنبوری در سازه های فولادی راه حلی اقتصادی و  متداول است. مزیت اصلی استفاده از این تیرها در مقایسه با تیرهای معمولی، افزایش مدول مقطع، بدون افزایش وزن است. مزیت دیگر تیرهای لانه زنبوری توانایی عبور تسهیلات برقی و مکانیکی و ... از بین سوراخ­های تیر و در نتیجه­ی آن کاهش کلی ارتفاع کف تا کف می­باشد. قاب­های مهاربند شده واگرا سیستمی ترکیبی  از مزایای قاب های خمشی و قابهای مهاربندی همگرا می باشد (شکل1-1). اگر این قاب ها صحیح طراحی گردند هنگام زلزله  شدید ناحیه تیر پیوند مانند یک فیوز عمل کرده و از آسیب سایر اجزا جلوگیری می کند.

موضوع مورد تحقیق این مقاله این است که آیا می توان در طول تیر لانه زنبوری، تیر پیوند (فیوز) تعبیه یا مونتاژ کرد؟ بر اساس ضوابط موجود تیر پیوند از طرفی باید از نوع مقطع فشرده و بدون هیچ باز شویی باشد که مقاطع لانه زنبوری فشرده بشمار نمی آیند، از طرف دیگر به دلیل افزایش 5/1 برابری ارتفاع تیر معمولی ناپایداری های جان اجتناب ناپذیر می باشد. بنابر این استفاده از تیر های لانه زنبوری در قاب های واگرا از نظر ضوابط موجود نامعتبر است.

به نظر می رسد اگر بتوان تمهیداتی اندیشید که مسئله فشردگی مقطع مخصوصا ناپایداری جان را حل کرد شاید امکان استفاده از تیر های لانه زنبوری در قاب های مهاربندی واگر بویژه به عنوان تیر پیوند استفاده کرد. در ادامه با ارائه راه حل­هایی به حل این موضوع پرداخته می شود.

از جنگ جهانی دوم به بعد تلاش­های زیادی برای یافتن راه­های جدیدی جهت کاهش قیمت سازه­های فولادی توسط مهندسین سازه انجام شده است. در نتیجه روش­های جدید بسیاری جهت افزایش سختی عضو فولادی بدون هرگونه افزایش وزن فولاد مورد استفاده قرار گرفت.تیرهای لانه زنبوری (قلعه­ای شکل) یکی از این روش­ها بود. بنابراین، این روش می­تواند به عنوان یک حرکت مهم به سمت مفهوم  «تیرهای ایده­آل» مورد توجه قرار گیرد، در بحث طراحی اقتصادی این نیاز وجود دارد که بیشتر مصالح یک جزء خمشی تا آنجایی که امکان دارد دور از محور خنثی قرار گیرد. تیرهای لانه زنبوری به وسیله بریدن جان تیر در امتداد یک الگوی متناوب که در شکل 1-2 نشان داده شده است، از مقطع­های استاندارد I شکل ساخته می­شدند.

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

مزیت اصلی استفاده از این تیرها (در مقابل تیرهای با مقطع پر) افزایش مدول مقطع و سختی بدون افزایش وزن است. علاوه­براین، این مقاطع در طول­های بلند کارآمدتر هستند. مزیت دیگر تیرهای لانه زنبوری توانایی عبور تسهیلات برقی و مکانیکی و ... از بین سوراخ­های تیر و در نتیجه­ی آن کاهش کلی ارتفاع کف تا کف می­باشد (شکل 1-3).

1-2 تاریخچه­ی تیرهای لانه زنبوری

طبق گفته بویر (1964)، نام تیرک­های قلعه­ای از طرح سوراخ­های واقع در تیغه تیر گرفته شده است و به معنی ساخت همانند یک قلعه، داشتن برج، یا سوراخ­های معمولی در دیوار است. در کشور نویسندهه ایران، این تیرک­ها « لانه زنبوری» نامیده شده­اند که به معنی داشتن سوراخ­هایی با الگویی شبیه به خانه­های کندوی عسل است[1].

کاربرد تجاری آن­ها در اندازه­های بزرگ پس از جنگ جهانی دوم آغاز شد و زمانی که تولید انبوه صنعتی با هزینه­های ساخت نسبتا پایین مهم شد و صرفه­جویی در مصالح به­وسیله چنین روش­هایی مورد توجه قرار گرفت. در انگلیس، این پروسه اول توسط (1949) G.M.Boyd تشریح شد و توسط شرکت فولاد Appleby-Fordingham بصورت کارخانه­ای در یک شعبه از شرکت­های فولاد متحده تولید گردید. مراحل کار و تجهیزات Litzka نیز توسط شرکت Litzka stahlbu در آلمان ایجاد شد که امکان تولید انبوه اقتصادی در اندازه­های بزرگ را فراهم می­کرد به­طوری که اعوجاجها ناخواسته که در تولید ایجاد می­شد، را کاهش می­داد.

1-3 کاربرد

الف) تیرهای قاب­های لنگرگیر و مهاربندی شده

ب) تیرهای با مقاطع ظاهری یکنواخت یا متغیر در قاب­های صفحه­ای دارای تیرهای شیب­دار (قاب­های موسوم به سوله در کشورمان)

ج) تیرهای شبکه­های تک لایه­ی فضاکار

ط) تیرچه­ها و تیرهای مختلط در بتن

ن) تیرهای طولی یا عرضی عرشه­­ی پل­ها (با کف مشبک فولادی یا به­صورت مختلط با بتن کف)

و) اعضاء فشاری (ستون­ها) و اعضاء فشاری- خمشی (تیر- ستون­ها)

ه) تیرهای ماشین آلات ساحتمانی

-4 پروسه­ی مساحت

تیر لانه زنبوری از تیرهای I شکل ساخته می­شوند. جان مقطع به­وسیله­ی روش­های گوناگونی طبق الگوی متناوب و بعضا نامتناوب برش داده می­شوند. یکی از روش­های برش cold­- punching می­باشد (3). شکل 1-5 یکی از اولین وسایل این روش را نشان می­دهد. بعد از پانج قسمتی از جان تیر جان خارج شده و با توسعه­ی فضاهای خالی در جان یک الگوی زیک­زاک در جان تیر به ­وجود می­آید. عملیات پانج معمولا به­وسیله پرس هیدرولیک انجام می­شود. روش مذکور به ­دلیل سرعت اجرا کم و از بین رفتن قسمت زیادی از جان امروزه تقریبا دیگر کاربرد ندارد.

یکی دیگر از روش­ها استفاده از غلتک­های تیغه­دار می­باشد. این روش به­خصوص در کشور ما بسیار مرسوم است. تیر با استفاده از غلتک­ ورودی وارد دستگاه شده، غلتک تیغه­دار جان تیر را برش داده و سپس توسطغلتک خروجی اتو شده (صاف شده) و به بیرون هدایت می­شوند. لبه­های بریده شده­ی تقریبا صاف سرعت اجرای بالا امکان کار در محل از خصوصیات این روش می­باشد. شکل 1-6 نمونه­ای از این دستگاه را نشان می­دهد.

از بهترین و استانداردترین روش­ها، استفاده از شعله گاز به صورت اتوماتیک و کنترل شده است. از مزایای این روش می­توان به لبه­های بریده شده­ی صاف، برش کاملا کنترل شده سرعت اجرای بالا، تولید انبوه و کارخانه­ای اشاره کرد. شکل 1-7 نمونه­ای از این روش را نمایش می­دهد.

گاهی هم از شعله گاز به صورت دستی استفاده می­کنند به این صورت که ابتدا الگوی مناسب را روی جان تیر رسم می­کنند سپس به صورت دستی با استفاده از گاز جان تیر را برش می­دهند. این روش با وجود سادگی، هزینه کم و امکان کار در محل دارای معایبی همچون سرعت اجرای کم لبه­های بسیار نامنظم و کاسته شدن مقاومت در اثر گرمای کنترل نشده­ی شعله می­باشد.

1-5 الگوی برش

صرف نظر از روش برش، الگوی برش نیز دارای تنوع بسیاری از جمله الگوی برش شش گوشه، سلولی و سینوسی است. در زیر انواع آن­ها با جزئیات آمده است:

الگوی شش گوشه: این الگو بسیار در کشور ما رواج دارد. زاویه  بنا به اهداف طراحی بین 450 و 650 می­باشد. در زیر دو نوع از زوایای پرکاربرد که در مبحث دهم به­عنوان الگوی استاندارد آورده شده است با جزئیات مربوطه بیان شده است.

منابع:

[1] SHAHROKH MALLEK., Finite Element Analysis of Modular Structures and The Behaviovur of castellated Beam, A thesis preseuted for the degree of Dactor of philosophy the university of Manchester, (1990).

[2] Sevak Demirdjian., Stability of castellated Beams, McGiII university Montreal, Canada, March (1999).

[3] H. Diamond., Methods of making structural beams, (1962).

[4] مالک ش، گسترش معرفت زمان درباره­ی تیرهای لانه زنبوری/ مجموعه مقالات پنجمین کنفرانس بین المللی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد (1378).

[5] Blodgett OW., Design of welded structures, James F. Lincolu Arc Welding Foundation, (1969).

 [6]Altfilliscg MD, Cooke BR and Toprac A., An Investigation of Welded Open-Web Expanded beams, Journal of American Welding Society, Welding Research Supplement 77s-88s, (1957).

[7] Halleu P., Limit analysis of castellated steel beams, Acier-Stahl-Steel 325, 133-144, (1967).

[8] Gulambos T., Bracing of Tussed bearms, Is Your Structure Suitably Braced, Structural Stability Research Council Conference, April pp39-49 (1993).

[9] Eurocode 3, Design of steel strucures, Annex N.

 [10] مبحث دهم مقررات ملی- پیوست الف

[11] سیرانی، روش­های تحلیل و طراحی تیر لانه زنبوری، سمینار کارشناسی ارشد، دانشکده فنی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان (1390).

12- کریمی، محمد سعید، لطیفی شاهاندشتی، امیر حسین،(1390) " بررسی لرزه ای قابهای مهاربندی خارح از مرکز با تیر پیوند جفت"،ششمین کنگره ملی مهندسی عمران

13-1-Popov, Engelhardt  and Michael, 1988. “Seismic Eccentrically Braced  Frams, ” Department of Civil Engineering, Berkeley ,California, V10, pp. 321-354.

14- مقررات ملی ساختمان مبحث (مبحث دهم: طرح واجرای ساختمان های فولادی)، 1392.

15- Dusicka, P., Itani, A. M. and Buckle, I. G. (2004). “Evaluation of Conventional and Specialty Steels in Shear Link Hysteretic Energy Dissipaters.” Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver B.C., Canada.

16- Dusicka, P. and Itani, A. M.  (2002). “Behavior of Built-Up Shear Links Under Large Cyclic Deformations.” Proceedings of  the 2002 Annual Meeting of  the Structural Stability Research Council, Structural Stability Research Council, Gainesville, FL.

17- Arce, G., Okazaki, T. and Engelhardt, M. D. (2003). “Experimental Behavior of Shear and Flexural Yielding Links  of  ASTM  A992  Steel.”  Proceedings  of  the  4th  Intl.  Specialty  Conference  on  Behavior  of  Steel Structures in Seismic Areas, Stessa 2003, Naples, Italy.

18- McDaniel, C. C., Uang, C. M. and Seible, F. (2003). “Cyclic testing of buildUp steel shear links for the New Bay Bridge.” J. Struct. Eng., Vol. 129, No. 6, PP. 801-809.

19-Galvez, P.  (2004).  Investigation of Factors Affecting Web Fractures  in Shear Links, M.Sc.  thesis, Univ. of Texas at Austin, Tex., USA

20-Buckle,  I., Dusicka, P. and  Itani, A.  (2005).  “Development of Built-up Shear Links as Energy Dissipaters for the Seismic Protection of Long-Span Bridges.” Bridge Structures, Vol. 1, PP. 19-27

21- Chao, S., Khandelwal, K. and El-Tawil, S.  (2006). “Ductile Web Fracture  Initiation in Steel Shear Links.” ASCE, J. Struct. Eng., Vol. 132, No. 8, PP. 1192-1200.

22- Berman,  J. W. and Bruneau, M.  (2007). “Experimental  and Analytical  Investigation  of Tubular Links  for Eccentrically Braced Frames.” J. Engineering Structures, Vool. 29, PP. 1929-1938.

23- Chan, R. W. K., Albermani, F. and Williams, M. S. (2008). “Evaluation of Yielding Shear Panel Device for Passive Energy Dissipation.” J. Const. Steel Research, doi:10.1016.

[24] Redwood RG., Ultimate strength design of beams with multiple openings, Preprint NO. 757,ASCE Annai Mettngs on structural Engineering. Dittsbugh, Pa, U.S.A. (1968).

[25] Redwood RG., Analyze et DimensioMevaent des Poutres Ayant des Ouvertures dans Ames, Construction Metalique, NO. 3, 15-27 (1975).

[26] Waild Zaarour and Richavd Redwood, Web Backling in the Webbed Castellated Beams, Department of civil Engineering and Applied Mechanics McGiII University Montreal, Canada (1996).

[27] Megharief and Redwood, Behavior of castellated Beams, Department of civil Engineering and Applied Mechanics McGiII University Montreal, Canada (1997).

[28] محمودیان و مالک، کمانش جانبی پیچشی جان در تیرهای لانه زنبوری، پایان­نامه­ی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی، دانشگاه تهران (1374).