رفتار اتصالات

طبقه بندی اتصالات

در دسته بندی های اتصالات، مهم ترین ویژگی رفتاری می تواند توسط نمودار های ممان-دوران (θM-) مطابق شکل زیر مدل شود. استنباطی که می توان از این نمودار کرد این است که اتصال به صورت ناحیه ای از ستون و تیر در راستای المان های اتصال دهنده تعریف می شود. پاسخ اتصال بدین علت که دوران عضو در آزمایشات در طولی که نه تنها اثرات المان های اتصال دهنده بلکه انتهای اعضای متصل شونده وچشمه اتصال ستون را در بر می گیرد، محاسبه می شود.

سختی اتصال

به دلیل رفتار غیر خطی حتی در سطوح کم ممان-دوران (θM-)، سختی اولیه اتصال K_i که در شکل فوق نشان داده شده است به کفایت پاسخ اتصال را مشخص نمی کند. بنا براین سختی سکانتی K_s به عنوان یک مشخصه نشانگر از سختی اتصال در نظر گرفته می شود. که K_s=M_s/θ_s که K_{s و}  θ_s  به ترتیب به ترتیب ممان و دوران در بار های سرویس هستند.L و E_i  به ترتیب طول و سختی خمشی تیر  هستند. اگر K_SL/EI >= 20 , می توان اتصال را به صورت FR  در نظر گرفت. اگر K_SL/EI <= 2, بنابراین می توان اتصال را به صورت ساده در نظر گزفت. اتصالاتی با سختی های  بین این دو مرز به صورت PR  در نظر گرفته می شود. مثال هایی از پاسخ های انواع  اتصالات  FR  و PR  و اتصالات ساده  در شکل زیر  نشان داده شده است.

مقاومت اتصال

مقاومت یک اتصال، همان طور که در شکل فوق نشان داده شده است ، ممان حداکثر یا M_n است که اتصال تحمل انتقال آن را دارد.  M_nمی تواند بر اساس مدل حالت حدی نهایی و یا براساس آزمایش بدست بیاید. اگر پاسخ ممان-دوران نقطه اوج مشخصی نداشته باشد، مقاومت اتصال می تواند به صورت ممان متناظر با دوران 0.02 رادیان در نظر گرفته شود.
همچنین مفید است که یک حد پایین برای مقاومت اتصال در نظر گرفته شود که در صورتی که مقاومت اتصال پایین تر از این حد باشد، اتصال به صورت ساده در نظر گرفته می شود. برای مقاصد طراحی، اتصالاتی که کمتر از 20 درصد ممان پلاستیک کامل تیر در دوران 0.02 رادیان را انتقال می دهند به صورت اتصالات بدون مقاومت خمشی در نظر گرفته می شوند.
در شکل فوق نقاطی که با M_n مشخص شده اند نشانگر حالات بیشینه مقاومت اتصال مورد نظر هستند و نقاطی که با θ_u مشخص شده اند نشانگر دوران بیشینه اتصال مورد نظر هستند.  دقت شود که ممکن است یک اتصال FR مقاومتی کمتر از مقاومت تیر داشته باشد. و همچنین این امکان وجود دارد که یک اتصال PR مقاومتی بیشتر از مقاومت تیر داشته باشد.

مقاومت اتصال باید به اندازه ای باشد که بتواند نیاز خمشی نیروهای طرح را اغنا کند.

شکل پذیری اتصال
اگر مقاومت اتصال، به صورت قابل توجهی از ممان پلاستیک کامل تیر بیشتر باشد، در این صورت شکل پذیری سیستم سازه ای توسط تیر کنترل می شود و می توان اتصال را الاستیک در نظر گرفت. اگر مقاومت اتصال به مقدار اندکی از ممان پلاستیک نهایی کامل تیر بیشتر باشد، در این حالت ممکن است که اتصال قبل از آن که تیر به مقاومت نهایی خود برسد، تغییر شکل های غیرالاستیک قبل توجهی را تجربه کند. اگر مقاومت تیر از مقاومت اتصال بیشتر باشد در این صورت تغییر شکل ها در اتصال متمرکز می شود. شکل پذیری مورد نیاز برای اتصال وابسته به کاربرد اتصال است. برای مثال شکل پذیری مورد نیاز برای یک قاب در منطقه ای با خطر لرزه خیزی کم به طور عموم کمتر از مقدار مشابه آن در منطقه با خطر لرزه خیزی زیاد است. نیازمندی های شکل پذیری دوران برای طراحی های لرزه ای وابسته به سیستم سازه ای است.

تحلیل و طراحی سازه ها

هنگامی که یک اتصال به صورت PR طبقه بندی می شود، شاخص های پاسخ آن اتصال می بایست در تحلیل سازه، برای تعیین نیروهای اعضا و اتصال، تغییر شکل ها و پایداری قاب، مد نظر قرار بگیرد. بنا براین، استفاده از اتصالات PR  نیازمند به کارگیری مشخصات ممان-دوران (θM-) اتصال در تحلیل و طراحی اعضا است.
نمودارهای ممان-دوران (θM-) معمول برای تعداد زیادی از اتصالات PR در منابع متفاوتی در دسترس است. اگرچه جداول این  نمودارها برای اندازه ها و شرایط فراتر از آن جداول نباید برون یابی شود زیرا که مد های شکست دیگری ممکن است کنترل کننده باشند. اگر چه که متداول نیست اما هنگامی که اتصالی که می بایست مدل شود در بازه بانکهای اطلاعاتی موجود قرار نمی گیرد، اما می توان شاخص های پاسخ آن اتصال را از آزمایش، مدلسازی ساده اجزا و یا از مطالعات المان محدودی بدست آورد.
سه نوع اصلی از انواع ساختمان و فرضیات متناظر آن ها در آیین نامه های AISC مجاز است. و هر کدام اندازه اعضا و شرایط مختص به خود را دارد.
اتصالات در قاب های ساده عموما به گونه ای طراحی می شوند که تنها بارهای برشی عمودی را انتقال دهند. همچنین در صورتی که بار های لرزه ای دیافراگم ها را نیز نتقال دهند برای بار های محوری نیز طراحی می شوند. از طرف دیگر اتصالات قاب های خمشی با گیرداری کامل در برابر هر دو بارهای برشی و خمشی مقاومت ایجاد می کنند. همچنین فرض می شود که آن ها صلبیت کافی برای حفظ زاویه اولیه بین المان های متصل شونده را داشته باشند. رفتار اتصالات نیمه صلب حالت نا معینی بین شرایط حاکم بر اتصالات ساده و صلب است و گیرداری آن ها در بازه 5 درصد تا 90 درصد از گیرداری کامل متغیر است.
رفتار اتصالات ساده و گیردار شرایطی ایده آل سازی شده هستند. اما در عمل، واجب است که شرایطی پایین تر از حد ایده ال را بپذیریم، زیرا که عملکرد قاب های خمشی در بازه وسیعی بین شرایط حالت گیرداری کامل و حالت ساده قرار می گیرد.
برای مثال اتصال ساده معمول تیر به ستون متشکل از دوبل نبشی جان را در شکل زیر در نظر بگیرید. نبشی هایی که به جان تیر بسته شده اند انعطاف پذیر هستند و فرض می شود که تنها برش را انتقال می دهند. اما در عمل آن ها مقداری گیر داری ایجاد کرده و از دوران انتهای تیر جلوگیری می کنند. بنابراین، برای به حداقل رساندن تقید دورانی آن ها، نبشی ها درطراحی تیرهای ساده تا حد امکان با ضخامت کمتری در نظر گرفته می شوند.

نوع دیگر اتصال ساده، مطابق شکل زیر، نبشی نشیمن سخت نشده تیر است. شاخص های ممان-دوران(θM-) اتصال نبشی نشیمن به طور چشمگیری به عمق تیر، ضخامت نبشی بالایی، قطر بولت ها و ضخامت بال های ستون وابسته است. این اتصال عموما از اتصال دوبل نبشی جان سخت تر است، با این وجود از آن به عنوان اتصال ساده انعطاف پذیر یاد می شود. با اضافه کردن نبشی های فوقانی و تحتانی این امکان وجود دارد که اتصال با مقاومت خمشی بیشتر از حالت معمول آن عمل کند.

مفهوم خط تیر

ممان انتهایی  M و دوران متناظر θ یک تیر با بارگذاری یکنواخت به طول L با شرایط تکیه گاهی مشخص، می تواند توسط یک نمودار با نام نمودار خط تیر ارزیابی شود. در این گراف، که در شکل زیر نشان داده شده است ممان انتهایی M  در محورعمودی مشخص شده و در دوران متناظرθ  ، با واحد رادیان در نمودار افقی مشخص گردیده است.

یک تیر منشوری به طول L که با بار یکنواخت W=wL توزیع شده است در نظر بگیرید. رابطه بین ممان انتهایی M  و دوران متناظر θ با رابطه زیر نشان داده می شود.

(M=(-2EIθ/L)-(WL/12

این رابطه یک خط مستقیم است که می تواند با در نظر گرفتن موارد زیر ترسیم شود.

1. دوران یک تیر ساده
2. ممان انتهای ثابت یک تیر FR

نقطه a  روی خط تیر ممان انتهایی یک اتصال FR  با گیرداری کامل است. با قرار دادن θ=0در معادله بالا داریم.

(M=-(WL/12

نقطه b  دوران انتهای تیر هنگامی که تیر هیچ تقیدی در دو انتهای خود ندارد. به زبان دیگر، تیر به عنوان یک تیر ساده عمل می کند. با جاگذاری M=0 در معادله بالا داریم .

(Θ=-(Wl²/24EI

خطی ab که نقاط a و b را به هم متصل می کند خط تیر نام دارد. نمودار های 1 و 2 و 3 روابط ممان-دوران (θM-) سه نوع از اتصالات انعطاف پذیر، نیمه گیردار و تمام گیردار هستند. نقطه ای که در آن خط تیر با نمودارهای اتصالات تلاقی می کند، لنگرهای خمشی انتهایی و دوران های متناظر تحت بار های اعمالی را نشان می دهد.
این نقاط با نام های 1، 2، و3 در شکل بالا نشان داده شده اند. وابستگی رفتار تیر بر روی سختی اتصال می تواند با مطالعه این نمودار بدست آید. در بسط روابط (θM-)  فرض بر آن است که رفتار دو اتصال انتهایی یکسان است و تیر به صورت متقارن بارگذاری شده است. رفتارهرسه نوع اتصال با نام های ساده، نیمه گیردار و گیردار می تواند توسط نمودار خط تیر ارزیابی شود.
نمودار 1 نشانگر اتصال ساده است که معمولا از نوع دوبل نبشی جان است. تحت اثر بار  یکنواخت  Wدو انتهای تیر با زاویه θ دوران می کنند که بسیار نزدیک به دوران تیر دو سر مفصل است.متناظر با این دوران،  لنگر M₁ که در دو انتها به وجود می آید نشان گر آن است که حتی با وجود اتصال ساده مقدار کمی از کنگر خمشی دردو انتهای تیر به وجود می آید. به طور معمول در اتصالات ساده، لنگر خمشی به اندازه 5 الی 20 درصد ممان انتهای گیر دار به وجود می آید.
نمودار 2 بیان گر اتصالات نیمه گیردار است. ممان قابل توجه M₂ متناظر با دوران θ2 در دو اتنهای تیر به وجود می آید. گیرداری که با استفاده از این اتصال( به طور مثال شکل زیر) به وجود می آید در بازه ای بین 20 درصد تا 90 درصد گیرداری کامل متغیر است. بنابراین ممان های انتهایی می تواند بین 20 تا 90 درصد لنگر خمشی به وجود آمده در تیر با دو انتهای کاملا گیردار باشد.

نمودار سوم نمایان گر ویژگی های اتصال صلب همچون اتصال جوشی تیر به ستون که در شکل زیر نشان داده شد می باشد. در این حالت، در دو انتهای تیرلنگرهای خمشی معادل با 90 تا 95 درصد ممان گیرداری کامل به ویژه هنگام استفاده از سخت کننده های بال ستون ، به وجود می آید.

طراحی اتصالات انعطاف پذیر و نیمه گیردار مشکلات چالش برانگیری را در بر دارد، زیرا که در این نوع از اتصالات می بایست از توزیع قسمتی از لنگر خمشی ممانعت به عمل آید.