بررسی انواع اتصالات در تحلیل سازه از ساده تا خمشی و گیردار

بررسی رفتار اتصالات

سیستم قاب خمشی از ستون ها تیر ها و اتصالات خمشی تشکیل شده است. این سیتم علاوه بر توزیع بارهای ثقلی می تواند با تحمل بار های جانبی ناشی از باد و زلزله پایداری جانبی سازه را نیز حفظ کند. سیستم قاب خمشی برای حفظ پایداری جانبی خود در برابر بارهای ناشی از باد و زلزله نیاز به سیستم های ثانویه ای همچون مهاربند ها و دیوار های برشی بتنی و یا فولادی و یا سایر سیستم های باربر جانبی ندارد اگر چه که برای بهره مندی از مزایای هر دو سیستم می تواند با آن ها ترکیب شود.

  این سیستم به دلیل اتصالات صلبی که تیرها و ستون ها را به یکدیگر متصل می کند، تلاش های ناشی از بار های جانبی را توزیع کرده و پایداری خود را حفظ می کند. به دلیل وجود اتصالات صلب و نبود سیستم باربر جانبی ثانویه این سیستم دارای شکل پذیری بالایی است که منجر به تغییر مکان های جانبی زیادی  نیز می شود. اتصال گیردار اتصالی است که علاوه بر حفظ یکپارچگی اعضا سازه و ممانعت در برابر جدا شدن آن ها از یکدیگر از دوران نسبی اعضا اتصال یافته  جلوگیری می کند.

باید دقت شود که قاب های خمشی ، تنها محدود به قاب هایی با اتصالات گیردار با تقید کامل نمی شوند. این قاب ها می توانند دارای اتصالات نیمه گیردار نیز که دارای تقید جزئی هستند، باشند . اتصالات نیمه گیردار که در آیین نامهAISC  آمریکا  از آن ها به عنوان  PR یاد می شود اتصالاتی هستند که لنگر خمشی را توزیع می کنند اما پس از تغییر شکل اجزاء سازه در اثر بار های اعمالی، دوران قابل توجهی بین اعضا سازه ای اتصال یافته به وجود می آید. که این تغیر شکل به وجود آمده در اتصال نحوه مقاومت و توزیع بار را در سازه تغییر داده و در نتیجه می بایست انعطاف پذیری اتصال در تحلیل سازه لحاظ شود.

در این مقاله ابتدا انواع اتصال و تعاریف آن ها را از نگاه آیین نامه ها طراحی سازه های فولادی ایران  و آمریکا بررسی کرده و در ادامه به بررسی رفتار اتصالات می پردازیم.

در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان طرح و اجرای ساختمان های فولادی(ویرایش 92)، اتصالات به سه نوع اصلی اتصالات ساده، اتصالات خمشی کاملا گیردار و اتصالات خمشی نیمه گیردار طبقه بندی شده اند و به صورت زیر تعریف می شوند.

اتصالات ساده، اتصالاتی هستند که انعطاف پذیر(بدون قید دورانی) بوده و می توان آن ها را فقط در برابر برش (عکس العمل تکیه گاه) واثرات ناشی ازآن طراحی نمود. اتصالات ساده باید شرایط آزادی دوران در انتهای اعضا را تامین نمایند. برای تامین این شرایط برخی تغییر شکل های غیر الاستیک با رعایت محدودیت های مربوطه در اتصال مجاز می باشد.

 اتصال خمشی کاملا گیر دار به اتصالی گفته می شود که در آن دوران نسبی بین اعضای متصل شده به یکدیگر ناچیز است. این نوع اتصال به منظور حفظ زاویه بین اعضای متصل شده به یکدیگر باید در حالت های حدی از مقاومت و سختی کافی برخوردار باشد.

اتصال خمشی نیمه گیردار به اتصالی گفته می شود که از طریق آن اگر چه لنگر های خمشی منتقل می شوند، لیکن دوران نسبی بین اعضای متصل شده به یکدیگر ناچیز نبوده و غیر قابل صرفه نظر کردن می باشد. در هنگام استفاده از این نوع اتصال ویژگی های پاسخ نیرو–تغییر شکل بایستی در تحلیل سازه در نظر گرفته شود. ویژگی های پاسخ نیرو-تغییر شکل یک اتصال نیمه گیردار باید به شیوه تحلیلی یا بر اساس نتایج آزمایشگاهی معتبر تعیین گردد. اتصالات نیمه گیردار باید درحالت های حدی از مقاومت، سختی و تغییر شکل از ظرفیت کافی برخوردار باشند.

در آیین نامه های اولیه فولاد آمریکا(AISC-1969) سازه ها بر اساس نوع اتصالاتشان به انواع 1، 2 و 3 تقسیم بندی می شدند.
ساختمان های نوع 1 متشکل از قاب های صلب یا قاب های خمشی بودند که قابلیت توزیع لنگرهای خمشی را دارا بودند. ساختمان های نوع 2 متشکل از قاب های ساده بودند که قابلیت انتقال لنگرهای خمشی قابل توجهی را بین تیرها و ستون ها ی خود نداشتند. ساختمان های نوع سوم متشکل از قاب های نیمه صلب بودند. ساختمان های نوع سوم از اتصالات PR استفاده می کردند و در صورتی که مقدار قابل اطمینان و مشخصی از انعطاف پذیری اتصال و توزیع لنگر خمشی قابل تعیین شدن بود، می توانست در ساختمان مورد استفادده قرار بگیرد.
این عناوین در حال حاضر از انواع 1، 2 و یا 3 به FR(fully restraint)  و PR(partially restraint) تغییر یافته است که به تقضیل بررسی خواهند شد.  در این عنوان ها  اصطلاح restraint به معنای تقید اشاره به مقدار توزیع لنگر و تغییرشکل متناظر در اتصال دارد.

درآخرین ویرایش آیین نامه آمریکا AISC 360-10 که الزامات سازه های ساختمانی فولادی را بیان می کند اتصالات را با تاکید بر شرایط حاکم بر مدل سازی آن ها در تحلیل سازه که این شرایط تابعی از رفتار اتصالات هستند، به صورت زیر طبقه بندی کرده است.  

اتصالات ساده

اتصالات ساده مقدار اندکی از لنگر خمشی را انتقال می دهند. در تحلیل سازه ها فرض می شود که در صورت استفاده از اتصالات ساده دوران نسبی بدون تقید، بین اعضا قاب اتصال یافته مجاز می باشد. یک اتصال ساده می بایست ظرفیت دوران کافی برای سازگاری با دوران مورد نیاز تعیین شده در تحلیل سازه را داشته باشد.

اتصالات خمشی

دو نوع از اتصالات خمشی، با گیرداری(تقید) کامل و گیرداری ناقص(جزئی) به صورت زیر مجاز است.

1.اتصالات خمشی با گیرداری کامل(FR)
این نوع از اتصالات ممان ها را با دوران اندکی بین اعضای اتصال یافته انتقال می دهد. در تحلیل سازه ها، در این اتصال فرض می شود که هیچ دوران نسبی بین اعضا اتفاق نمی افتد. اتصال FR  می بایست مقاومت و سختی کافی را برای حفظ زاویه بین اعضا اتصال یافته در حالت های حدی مقاومت داشته باشد .

2.اتصالات خمشی با گیرداری جزئی(PR)

این نوع اتصالات لنگر های خمشی را انتقال می دهند اما دوران بین اعضا اتصال یافته قابل صرفه نظر کردن نیست. در تحلیل سازه شاخص های  پاسخ نیرو-تغییر مکان اتصال می بایست لحاظ شود. شاخص های پاسخ این نوع از اتصال یا باید در ادبیات فنی به ثبت رسیده باشد و یا توسط تحلیل و یا آزمایش مشخص شود. اجزا این اتصال می بایست مقاومت، سختی و تغییر شکل کافی در حالات حدی مقاومت را دارا باشند.

طقه بندی نوع اتصال تعیین کننده فرضیات حاکم بر مدل سازی در تحلیل سازه که می بایست با شرایط حاکم در طراحی المان های اتصال دهنده(اجزای اتصالات) مطابقت داشته باشد.

مدلسازی اتصالات

در بسیاری از حالات نیاز نیست که اجزا اتصالات را به عنوان قسمتی از تحلیل سیستم های سازه ای در نظر گرفت. برای مثال، اتصالات ساده و اتصالات خمشی با تقید کامل(ّFR) ممکن است به صورت اتصالات مفصلی و یا گیردار که مدل های رفتاری ایده آل سازی شده هستند در نظر گرفته شوند. پس ازآنکه تحلیل سازه  انجام شد، تغییرشکل ها و نیروهای حاصل در محل اتصال برای طراحی اعضای اتصال استفاده خواهند شد.

در حالت های به خصوصی، تغییر شکل های اجزاء اتصالات، نحوه مقاومت سازه در برابر بارهای اعمالی را تغییر می دهد و بنابراین اتصال می بایست در تحلیل سازه مد نظر قرار گرفته شود. این نوع اتصالات اتصالات نیمه گیردار(PR) هستند. برای سازه ها با اتصالات نیمه گیردار می بایست انعطاف پذیری اتصال تعین شده و در تحلیل سازه لحاظ شود. پس از اتمام تحلیل سازه،  تاثیرات بارها(تلاش های سازه) و تغییر شکل های محاسبه شده برای اتصالات می تواند برای کنترل کفایت اعضای طراحی شده برای اتصالات استفاده شود.

برای انواع متفاوت سیستم های قاب های ساختمانی در مقالات بیان گردیده استPRدر اتصالات ساده و گیردار، طراحی اعضای اتصال پس از تحلیل نهایی، طراحی سازه انجام می شود. بنابراین به صورت چشمگیری روند طراحی سازه را تسهیل می کند. اما طراحی اتصالات نیمه گیردار همانند انتخاب مقاطع اعضای سازه، به صورت ذاتی یک روند تکرار شونده است زیرا که مهندس محاسب ابتدا می بایست مقادیری را برای اجزای اتصالات فرض کند، زیرا که باید شاخص های نیرو-تغییرمکان اتصال را که برای تحلیل سازه مورد نیاز است تعیین کند. و پس از آنکه خروجی تحلیل سازه مشخص شد کفایت مقاطع در نظر گرفته شده برای اتصال را می توان تعیین کرد. چنانچه اجزا اتصال کافی نباشند، مقادیرآنان می بایست بازبینی و اصلاح گردد و سپس تحلیل سازه مجددا انجام شود. مزایای استفاده از اتصالات