بررسی اثر آتش بر رفتار اتصال پیچی در سازه های فولادی به روش عددی و مقایسه آن با نتایج حاصل از بررسی های آزمایشگاهی

ورود

ثبت‌نام

نوشته شده توسط امیر ساعدی داریان، علی رضایی فر

پنجشنبه, 09 مهر 1388 ساعت 04:05

چكیده
آیین نامه های روز دنیا ضوابطی برای در نظر گرفتن اثر حرارتهای بسیار بالا بر رفتار فولاد و اعضاء فولادی ارائه نموده اند. اتصالات در سازه های فولادی از مهمترین اركان در رفتار این سازه ها تحت شرایط خاص هستند. آتش سوزی و اثر آن بر رفتار اتصالات پیچی سازه های فولادی در این مقاله به روش عددی اجزاء محدود و با بكارگیری نرم افزار ANSYS بررسی شده و نتایج آن با بررسی های معتبر آزمایشگاهی مشابه مقایسه گردیده است كه در نهایت منجر به ارائه دیدگاه های مناسبی نسبت به مدلسازی عددی در مسائل این چنینی شده است.

مقدمه
یكی از مهمترین اجزاء سازه های فولادی كه وظیفه انتقال نیروهای اعضاء به یكدیگر و به تكیه گاهها را بر عهده دارد اتصال میان اعضاء می باشد. با اندكی دقت در نحوه شكست اكثر سازه های فولادی تحت بارگذاری های مختلف می توان دریافت كه ضعف اتصال می تواند عامل بسیار تعیین كننده ای در خرابی سازه های فولادی باشد. بعد از حادثه فروپاشی برجهای تجارت جهانی در اثر برخورد هواپیما و آتش سوزی ناشی از آن می توان دریافت كه حتی اگر سازه ای بتواند تحت شرایط بسیار سخت حاصل از برخورد یك هواپیمای غول پیكر رفتار مناسبی از خود نشان دهد، باز هم در مقابل آتش سوزی بعد از آن بسیار ضعیف است و رفتار ضعیف فولاد تحت اثر حرارتهای بالا منجر به تخریب آن می شود. در دهه های اخیر محققین بسیاری بر روی رفتار فولاد، اعضاء فولادی و سازه های فولادی تحت اثر دماهای بالا بررسی هایی انجام داده اند. این بررسی ها عمومأ از طریق انجام تست های آزمایشگاهی میسر بوده و با توجه به هزینه های بسیار زیاد كارهای آزمایشگاهی و تعداد زیاد آزمایش های مورد نیاز برای حصول یك نتیجه قابل قبول، می توان دریافت كه انجام چنین بررسی هایی در كشور ما با سختی های بسیاری همراه است.

اتصالات پیچی به دلیل سرعت بسیار بالا در اجرا و اطمینان از رفتار آنها به گونه مورد انتظار، از بهترین انواع اتصال برای اعضاء فولادی می باشند. یكی از انواع مختلف اتصال میان تیر و ستون فولادی، اتصال پیچی بوسیله نبشی های اتصال می باشد. در این نوع اتصال، نبشی هایی بر روی بالهای تیر و در برخی موارد در جان تیر نصب می گردند كه با متصل كردن آنها به بال ستون، اتصال برقرار شده است. این نوع اتصال به دلیل سادگی از سرعت بسیار بالایی برخوردار است و به همین دلیل دارای طرفداران بسیاری در صنعت ساخت و ساز فولادی می باشد.
با توجه به آنچه گفته شد برای بررسی رفتار این نوع اتصالات تحت شرایط حرارتهای بسیار زیاد كه تداعی كننده آتش سوزی در ساختمان می باشد بررسی های عددی می تواند با تقریب خوبی به نتایجی منتهی شود كه صرفه جویی هایی در كارهای آزمایشگاهی به ارمغان می آورد. در این مقاله برای انجام این بررسی ها از مدلسازی بوسیله نرم افزار ANSYS انجام می شود. هدف از انجام این مدلسازی ها بدست آوردن روابط میان نیروهای وارده و رفتار اتصال به صورت منحنی های لنگر- دوران و یا لنگر- دوران- دما می باشد كه با در دست داشتن این منحنی ها می توان شناخت مناسبی از رفتار این نوع اتصال تحت شرایط گفته شده بدست آورد.
آزمایش های انجام شده مورد استفاده با توجه به آنچه در قسمت مقدمه آورده شد، برای بررسی رفتار سازه های فولادی در شرایط آتش سوزی نیاز به انجام آزمایش هایی است كه تداعی كننده شرایطی مشابه آنچه در واقعیت اتفاق می افتد باشد به این منظور می توان سازه را در ابعاد واقعی 3 و یا ابعاد كوچكتر ساخته و آتش سوزی را در آن بوجود آورد و یا فقط به ساخت مدلی از قسمتی از سازه كه مورد بررسی است اقدام نمود كه در این صورت نیاز است با انجام تحلیلهای سازه ای به روشهای موجود، نیروهایی به مدل اعمال كرد كه شبیه به آنچه در واقعیت اتفاق می افتد باشد.
در این مقاله از نتایج آزمایش هایی كه توسط Aziznamini [15] بر روی اتصالات نبشی در دمای معمولی انجام شده است و به عنوان مرجع معتبری برای مطالعات عددی بر اتصالات نبشی شناخته شده است به عنوان مرجع اولیه در دمای معمولی استفاده می شود.
در مورد مدلهایی كه قرار است در دماهای بالاتر مورد بررسی قرار گیرند برای انجام مقایساتی كه نشان دهنده دقت مدلسازی باشند از آزمایش های انجام شده توسط ساعدی و همكاران [16] استفاده می شود كه این گونه اتصالات را در حالتهای مختلف مورد آزمایش در دماهای مختلف قرار داده اند.
مدلسازی و بررسی های عددی
نرم افزار اجزای محدود ANSYS برای مدلسازی پارامتریك نمونه ها بكار رفته است. مدلهای اجزای محدود پارامتریك نمونه ها با استفاده از APDL ایجاد شده اند. با توجه به پارامتری بودن مشخصات هندسی و مكانیكی مصالح، مدت زمان ایجاد مدلهای متفاوت بطور چشمگیری كاهش یافته است.
مدلسازی عددی اتصالات با در نظر گرفتن فرضیات زیر صورت گرفته است:
- كلیه اجزای اتصال از قبیل تیر، ستون، نبشی ها و سرپیچ و مهره پیچ ها توسط المانهای درجه اول هشت گرهی SOLID64 مدل می شوند. این نوع المان قادر به در نظر گرفتن تغییرات حرارتی اعمالی به منظور وارد ساختن اثر آتش در آزمایش های دمای بالا می باشد.
- برای پیش تنیدگی پیچ ها از المان پیش تنیدگی استفاده شده است.
- سوراخ پیچها 1.6 میلیمتر بزرگتر از قطر پیچها مدل شده اند.
- با استفاده از خاصیت تقارن نمونه ها و بمنظور كاهش حجم عملیات محاسباتی فقط نصف نمونه حول صفحه جان مدل شده است.
- به دلیل صلبیت بالای ستون ناشی از وجود سخت كننده ها فقط بال ستون و سخت كننده ها مدل شده است.
مدلسازی مسائل مربوط به تماس در نرم افزار ANSYS با استفاده از المانهای CONTA174 & TARGE 170 میسر می باشد. این المانها طوری CONTA174 & TARGE با استفاده از المانهای 170 ANSYS مدلسازی مسائل مربوط به تماس در نرم افزار با یكدیگر مزدوج می گردند كه در طی مرحله بارگذاری نفوذ آنها در داخل یكدیگر صورت نگیرد. بدین ترتیب اندكنش سطوح مجاور اجزای اتصال مانند نبشی- بال تیر، نبشی- بال تیر- سرپیچ-مهره، سوراخ پیچ- بدنه پیچ با استفاده از المانهای مذكور مدل شده است. در شكل1 اجزای مختلف مدل و نحوه مش بندی آنها به المانهای مختلف در قسمتهای مختلف نشان داده شده است.
مهره و سرپیچها بصورت شش وجهی و مشابه فرم واقعی مدل شده اند. برای در نظر گرفتن نیروهای اصطكاكی، ضریب اصطكاك كولمب 0.25 در نظر گرفته شده است. در مراجع [17] و [18] مقدار 0.1 كه حدود یك سوم مقدار پیشنهادی 0.33 برای سطوح كلاس A می باشد، برای این ضریب در نظر گرفته شده است. [19]
از آنجا كه هندسه اتصال متقارن است تنها یك چهارم اتصال مدل شده است و این كار نیازمند آن است كه جابجایی تمام نقاط واقع بر صفحات تقارن در جهت های عمودی شان بسته شود. برای نمونه های در دمای معمولی با توجه به اینكه مقطع تیرهای اتصال از نوع فشرده می باشد لذا كمانش موضعی آن در تنشهای بالاتری رخ خواهد داد حال آنكه توزیع تنش های وان- میسس 4 مدلهای اجزای محدود نشان می دهد كه تیر تقریبا الاستیك باقی مانده است لذا كمانش موضعی تیر در مدل های اجزای محدود منتفی می باشد. به منظور اعمال لنگر خمشی بر اتصال، تغییر مكان قائم 50 میلی متری به صورت مونوتونیك بر گره های انتهای تیر اعمال شده است. این میزان جابجایی در انتهای تیر، میزان دورانی تقریبا برابر با 0.03 رادیان را نتیجه می دهد. مقادیر ممان خمشی و دوران نسبی اتصال با استفاده از روابط 1 و 2 بدست می آید.

در این روابط M لنگر اعمالی بر اتصال و P مجموع عكس العملهای ناشی از تغییر مكان گره های انتهای تیر، L طول تیر، R دوران نسبی اتصال، h عمق تیر، ε1, ε2تغییر مكانهای نسبی افقی بال بالایی و پایینی تیر است.

شكل1- اجزاء مختلف مدل ساخته شده

برای نمونه های در دمای بالا ابتدا نیروی متمركز از قبل تعریف شده در فاصله 200 سانتی متری از وجه بال ستون وارد شده تا لنگر مورد نیاز در اتصال را ایجاد كند و سپس درجه حرارت به صورت یكنواخت در همسایگی اتصال به تدریج بالا برده شده تا به تراز مطلوب برسد و امكان مطالعه اثر حرارت بر رفتار سازه ای پیكربندی های تیر به ستون به وجود آید . فرض شده كه ستون از طرف پایین ثابت است زیرا انتظار نمی رود تغییر مكان در گره هایی كه دور از اتصال قرار دارند اتفاق بیفتد. ستون از بال آزاد است تا نشان دهنده ابزار آزمایش آنگونه كه در شكل نشان داده شده است باشد. تیر اجازه دارد تا تنها در جهت پایین خیز داشته باشد و تغییر مكان های جانبی آن مقید شده است تا احتمال گسیختگی پیش از موعد به دلیل كمانش پیچشی جانبی تیر وجود داشته باشد تیر همچنین اجازه دارد تا به طور آزاد در طول محور خود انبساط پیدا كند تا اطمینان حاصل شود كه تنش حرارتی ایجاد نمی كند تنها نواحی اطراف اتصال در معرض رژیم كامل حرارتی قرار گرفته اند در حالی كه نواحی دور از اتصال در معرض درجه حرارت معمولی قرار دارند تا آزمایش های تجربی شبیه سازی شود. رژیم حرارت دهی مطابق با نمودار دما-زمان اتصالات انجام شده است كه این نمودار ناشی از حرارت دهی كوره مطابق با منحنی هایASTME119 و ISO 834بوده است.[20] و [21]
نتایج حاصله از مدلسازی عددی در مقابل آزمایش های انجام شده
در این بخش ابتدا با مقایسه نتایج حاصل از رفتار اتصال در دمای معمولی با نتایج آزمایش های aziznamini اعتبار مدل در دمای معمولی تایید شده و سپس در مرحله بعدی مدل مطابق با آزمایش های ساعدی بارگذاری شده و اعتبار آن در ارایه رفتار اتصال در دماهای بالا بررسی می شود.
به منظور بررسی میزان دقت روش مدلسازی اجزای محدود 4 نمونه آزمایشی مطابق با آزمایش های aziznamini مدل شده و نتایج با نتایج حاصل از آزمایش های تجربی مقایسه شده است. در شكل 2 منحنی های لنگر- دوران مدل های عددی در مقایسه با منحنی های حاصل از آزمایش های تجربی aziznamini و منحنی های حاصل از بررسی عددی citipitiuglu [23] را نشان می دهد. با توجه به اشكال ارایه شده مشخص می شود كه مدل را نشان می دهد. با توجه به اشكال ارایه شده مشخص می شود كه مدل های اجزا محدود انطباق مناسبی با نتایج تجربی دارند.

شكل2- منحنی های لنگر - دوران به دست آمده در مقایسه با آنچه از بررسی های Aziznamini و Citipitiglu به دست آمده است.

اختلاف بین مدلسازی عددی و نتایج آزمایشی ناشی از عوامل مختلفی چون ساده سازی در مدلسازی، نواقص آزمایش های، تنشهای پسماند، اندركنش سطوح تماس نیروهای اصطكاكی و نیروی پیش تنیدگی پیچها می باشد. نیروی پیش تنیدگی پیچ ها و ضریب اصطكاك دو عامل اصلی و موثر بر رفتار اتصال بویژه در ناحیه غیر خطی اتصال می باشند و این در حالی است كه تخمین مقادیر دقیق آنها مشكل است. عامل دیگری كه در ایجاد این اختلاف موثر است مدلهای رفتاری غیر خطی (nonlinear constitutive laws for materials) به كار رفته برای مصالح است. به ویژه زمانی كه فقط منحنی تنش-كرنش تك محوری موجود است و به همین علت است كه اختلاف بین منحنی ها در محدوده غیر خطی افزایش می یابد.
در شكل 3 فرم تغییر شكل یافته مدل عددی در مقابل فرم تغییر شكل یافته حاصل كار ساعدی و همكاران نشان داده شده است.

شكل3- فرم تغییر شكل یافته مدل عددی در مقایسه با نتیجه آزمایش

در شكل 4 منحنی های دما- دوران حاصل از مدلسازی عددی در مقابل نتایج كار ساعدی و همكاران ترسیم شده است. ملاحظه می شود كه این منحنی ها برای هر اتصال به طور مناسبی با نتایج حاصل از آزمایش در محدوده الاستیك و پلاستیك مطابقت دارد. با این وجود در ناحیه پلاستیك اندكی تفاوت بین نتایج وجود دارد كه در قسمت قبل تشریح شد.

شكل 4. منحنی های دما- دوران

در شكل 5 منحنی های لنگر- دوران در دماهای مختلف حاصل از مدلسازی عددی ترسیم شده است كه به وضوح می توان پایین آمدن ظرفیت خمشی اتصال با بالا رفتن دما را مشاهده نمود.

شكل5- نمودارهای لنگر- دوران در دماهای مختلف

نتیجه گیری
تحلیل اجزاء محدود سه بعدی برای بررسی رفتاراتصالات پیچی نبشی بالا و پایین با نبشی جان و اتصالات نبشی بالا و پایین بدون نبشی جان در دماهای معمولی ودماهای بالا با استفاده از نرم افزار اجزاءمحدود Ansys انجام شد. اجزاءاتصال بااستفاده از المانهای solid مدلسازی شده وتماس بین اجزا با المانهای contact برپایه قانون اصطكاك coulomb تعریف شد. غیرخطی بودن مواد برای اعضاء فولادی و اجزاءاتصال درنظرگرفته شد. در مدل های در دمای بالا منحنی های تنش – كرنش- درجه حرارت كلی درمدل مشاركت داده شده اند تا كاهش خصوصیات اتصال دردماهای بالا شبیه سازی شود و نتایج حاصل از شبیه سازی باداده های تجربی مقایسه گردید. نتایج حاصله نشان می دهد كه تطابق مناسبی بین پاسخ پیش بینی شده وپاسخ اندازه گیری شده هم درناحیه الاستیك وهم در ناحیه پلاستیك وجود دارد. این امر ثابت می كند كه تكنیك اجزاء محدود قابلیت پیش بینی پاسخ اتصال چه در دمای معمولی و چه دردماهای بالا بادقت قابل قبول را با تقریب قابل قبولی دارا می باشد.

مراجع

1- Eurocode 3: design of steel structures, part 1.2: general rules structural fire design (drafts), document CEN, European Committee for Standardisation; 1995.
2-Liu TCH, Morris LJ. Theoretical modelling of steel bolted condition under fire exposure. In: Proc.
international conference on computational mechanics. 1994.
3-Liu TCH. Finite element modelling of behaviour of steel beams and connections in fire. J Construct Steel Res 1996;35(3):181–99.
4-Liu TCH. Effect of connection flexibility on fire resistance of steel beams. J Construct Steel Res 1998;45:99–118.
5-Liu TCH. Three-dimensional modelling of steel/concrete composite connection behaviour in fire. J Construct Steel Res 1998;45(1–3): [paper No. 361].
6-Liu TCH. Moment-rotation-temperature characteristics of steel/composite connections. J Struct Engng 1999;125(10):1188–97.
7-El-Houssieny OM, Abdel Salam S, Attia GAM, Saad AM. Behavior of extended end plate connections at high temperature. J Construct Steel Res 1998;45(1–3): [paper No. 172].
8-Spyrou S, Davison B, Burgess I, Plank R. Component-based studies on the behaviour of steel joints at elevated temperatures. In: Lamas A,Simões da Silva L, editors. Proc. third European conference on steel structures. Coimbra: University de Coimbra; 2002. p. 1469–78.
9-Rahman R, Hawileh R, Mahamid M. The effect of fire loading on a steel frame and connection. In: Brebbia CA, Wilde WP, editors. High performance structures and materials II. WIT Press; 2004. p. 307–16.
10-Sarraj M, Burgess IW, Davison JB, Plank RJ. Finite element modelling of fin-plate steel connections in fire. In: Proceedings of the fourth international workshop on structures in fire, Aveiro, Portugal, 2006. p. 315–26.
11-Wald F, Simo˜ nes da Silva L, Moore DB, Lennon T, Chaldna M, Santiago M, et al. Experimental behavior of a steel structure under natural fire. Fire Saf J 2006;41:509–22.
12-Al-Jabri KS, Seibi A, Karrech A. Modelling of un-stiffened flush endplate
bolted connections in fire. J Const Steel Res 2006;62:151–9.
13-Lou G-B, Li G-Q. Non-linear finite element modelling of behaviour of extended end-plate bolted moment connections in fire. In: Proceedings of the fourth international workshop on structures in fire, Aveiro, Portugal, 2006. p. 327–43.
14- ANSYS User's manual, version 6.1
15-Azizinamini, “Monotonic response of semi-rigid steel beam to column connections.” ,MS thesis, University of South Carolina, Columbia, 1982
16- Saedi Daeryan A. A Study on Behavior of Connections in Fire. MS thesis. Tehran (Iran): K.N. Toosi
University; 2006.
17- Kishi N, Ahmed A, Yabuki N. Nonlinear finite element analyses of top 50 and seat-angle with double web-angle connections. Journal of Structural 51 Engineering and Mechanics 2001;12:201–14.
18- Ahmed, Kishi N, Matsuoka K, Komuro M. Nonlinear analysis on prying of top- and seat-angle connections. Journal of Applied Mechanics 2001;227-36
19- AISC. Manual of steel construction—Load and resistance factor design.38 Chicago (IL): American Institute of Steel Construction; 1995.
20- Iso 834 . Fire resistance tests – elements of building construction .;2002
21- ASTM- E 119 – 05a. Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials. 2003
22- K.S. Al-Jabria, A. Seibib,1, A. Karrechc. Modelling of unstiffened flush end-plate bolted connections in fire. Journal of Constructional Steel Research. 62 (2006) 151–159
23- Citipitioglu AM, Haj-Ali RM, White DW. Refined 3D finite element 47 modeling of partially restrained connections including slip. Journal of 48 Constructional Steel Research 2002;8:995–1013
24- Akbas Bulent, Shen Jay. Seismic behavior of steel buildings with 40 combined rigid and semi-rigid frames. Turkish Journal of Engineering and 41 Environmental Sciences 2003; 27:253–64.
25- BS 5950. Structural use of steelwork in buildings, part 8: code of practice for fire resistance design. London: British Standard Institution BSI; 1990.